DE4445981A1 - Glass/metal composite structures - Google Patents

Abstract

Glass/metal composite structures are claimed, in which coil-like hollow spaces in structured glass bodies are filled with metallic materials, so an intimate moulded or material cpd. is present between structured glass and metal.

Description

Die Erfindung betrifft Glas/Metall-Verbundstrukturen, wobei in mikrostrukturiertem Glas entweder spulenartige hochleitfähige Metallstrukturen (z. B. Kupfer, Silber, Gold) zur Erzeugung und Nutzung und/oder weichmagnetische Metalle oder Legierungen zur Leitung von elektromagnetischen Feldern mit definierter räumlicher Gestalt eingebracht sind.The invention relates to glass / metal composite structures, wherein microstructured Glass either coil-like highly conductive metal structures (e.g. copper, silver, gold) for generation and use and / or soft magnetic metals or alloys for Conduction of electromagnetic fields introduced with a defined spatial shape are.

Die im folgenden näher beschriebenen Glas/Metall-Verbundstrukturen bilden das Kernstück in geometrisch kleinen, aber hoch leistungsfähigen elektromagnetischen bzw. elektrodynamischen Antrieben oder Generatoren.The glass / metal composite structures described in more detail below form this The centerpiece in geometrically small but high-performance electromagnetic or electrodynamic drives or generators.

Zur Herstellung ähnlicher Spulenstrukturen sind Dünnschichttechnik, Dickschichttechnik und Leiterplattentechnik bekannt. Allen drei Verfahren ist gemeinsam, daß Leiterstrukturen auf einem elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht werden. Daraus ergeben sich eine Reihe von Nachteilen.To produce similar coil structures, thin-film technology, Thick film technology and printed circuit board technology known. All three procedures are common that conductor structures are applied to an electrically insulating substrate become. This results in a number of disadvantages.

Die Leiterstrukturen sind nur in geringen Dicken bzw. bei Anwendung höherer Dicken nicht mehr exakt strukturiert herstellbar, wodurch bei vorgegebener lateraler Abmessung die anwendbaren Stromstärken niedrig sind. Zwischen Substrat und Leiterstruktur gibt es oft Haftungsprobleme. In Abhängigkeit von den eingesetzten Substratmaterialien ist nur eine geringe thermische Belastung realisierbar. Die Leiterstrukturen sind auf der Oberfläche der Substrate aufgebracht, wodurch eine rauhe Oberfläche entsteht, was sich negativ auf die Aktuatoreigenschaften auswirkt. Eine Funktionenintegration durch Anordnung zusätzlicher Funktionselemente im Substratmaterial ist meistens nicht möglich oder äußerst aufwendig.The conductor structures are only in small thicknesses or when using higher thicknesses can no longer be produced in a precisely structured manner, as a result of which, given a later Dimension the applicable amperages are low. Between substrate and Ladder structure there are often liability problems. Depending on the used Only a low thermal load can be achieved with substrate materials. The Conductor structures are applied to the surface of the substrates, creating a rough Surface is created, which has a negative effect on the actuator properties. A Function integration by arranging additional functional elements in the Mostly, substrate material is not possible or extremely expensive.

In EP 0 006 459 A2 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem es möglich ist, Metallstrukturen auf Glassubstraten strukturiert herzustellen. Dieses Verfahren beruht auf der Anwendung von Resist als strukturierbares Formenmaterial und der Galvanoformung zum Aufbau der Metallstrukturen.EP 0 006 459 A2 describes a method with which it is possible to To produce structured metal structures on glass substrates. This process is based on the use of resist as a structurable mold material and the Electroforming to build up the metal structures.

Beim Einsatz von fotostrukturierbarem Resist wird, gute Strukturqualität vorausgesetzt, die erreichbare Höhe der Metallstrukturen durch die Resistschichtdicke begrenzt. Eine Erhöhung der Dicke der Metallstrukturen ist möglich geht aber mit einer wesentlichen Verschlechterung der Strukturqualitäten durch die nicht steuerbare Ausbildung von Überwachsungen während des Galvanikprozesses einher. Eine mechanische Stabilisierung der Strukturen mit vergleichsweise hohem Aspektverhältnis ist zwar durch den Resist gegeben, jedoch fällt die thermische Belastbarkeit durch den Resist. When using photostructurable resist, good structure quality is assumed the achievable height of the metal structures is limited by the resist layer thickness. A Increasing the thickness of the metal structures is possible but goes with an essential one Structural qualities deteriorate due to the uncontrollable training of Overgrowths during the electroplating process. A mechanical one Stabilization of structures with a comparatively high aspect ratio is true given by the resist, however, the thermal resilience falls through the resist.  

Bei Entfernung des Resists steigt die thermische Stabilität, aber es handelt sich um freistehende Metallstrukturen mit nur geringer mechanischer Stabilität.When the resist is removed, the thermal stability increases, but it is free-standing metal structures with little mechanical stability.

Zur Herstellung von geometrisch kleinen Spulenelementen mit großem Leiterquerschnitt scheint auch das LIGA-Verfahren geeignet zu sein. Mit diesem Verfahren sind durch den Einsatz von PMMA als Formenmaterial (Resist) Strukturhöhen um 400 µm bei sehr dünnen Isolationsschichten zwischen den Windungen realisierbar. Die erreichbaren Metallfüllfaktoren sind in Abhängigkeit von der Windungszahl sehr hoch. Die mechanische Stabilität der Strukturen ist, bedingt durch das erforderliche Grundsubstrat und die Stabilisierung des PMMA ausreichend. Nachteile der nach diesem Verfahren hergestellten Verbunde bestehen in den hohen Kosten durch aufwendige Technologie und in der mangelhaften thermischen Beständigkeit des PMMA. Dadurch können auf diese Weise hergestellte Spulen nur im Anwendungstemperaturbereich des PMMA betrieben werden. Bereits geringe thermische Überlastungen führen zur Zerstörung.For the production of geometrically small coil elements with large ones Conductor cross-section also seems to be suitable for the LIGA process. With this Processes are possible through the use of PMMA as mold material (resist) Structural heights around 400 µm with very thin insulation layers between the Turns possible. The achievable metal fill factors depend on the number of turns very high. The mechanical stability of the structures is limited sufficient due to the required base substrate and the stabilization of the PMMA. Disadvantages of the composites produced by this method are the high ones Costs due to complex technology and inadequate thermal Durability of the PMMA. As a result, coils produced in this way can only be used in Operating temperature range of the PMMA. Already minor thermal overloads lead to destruction.

Der Erfindung liegt die Aufgabe der Herstellung von Glas/Metall-Verbundstrukturen zur Erzeugung und -leitung oder zur Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern zugrunde, wobei bei geometrisch kleiner Gestalt hohe Leistungsparameter erreicht werden. Bei Anwendung großer Metallquerschnitte und/oder großer Ströme und/oder großer Windungszahlen und/oder großer Magnetfelder werden große magnetische Durchflutungen erzeugt bzw. große Ströme generiert. In den spulenartigen Metallstrukturen werden wahlweise durch äußere magnetische Felder Spannungen induziert bzw. Ströme generiert oder durch einen Stromfluß magnetische Felder erzeugt. Die magnetischen Felder dienen zur Erzeugung von Kräften, Drehmomenten oder Informationen. Zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Herstellungsprozesses können verschiedene mikrostrukturierte Gläser durch Kristallisation in eine Glaskeramik umgewandelt werden. Damit verbunden ist eine Modifizierung verschiedener Eigenschaften.The object of the invention is to produce glass / metal composite structures for generation and conduction or for interaction with electromagnetic fields the basis, whereby high performance parameters are achieved with a geometrically small shape become. When using large metal cross sections and / or large currents and / or large numbers of turns and / or large magnetic fields become large magnetic Floods generated or large currents generated. In the coil-like Metal structures are subject to tension by external magnetic fields induced or currents generated or magnetic fields generated by a current flow. The magnetic fields are used to generate forces, torques or Information. At different times during the manufacturing process Different microstructured glasses can be crystallized into one Glass ceramic can be converted. This involves a modification different properties.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Hohlräume in speziellen Gläsern mit einer Präzision bis in den µm-Bereich hergestellt werden. Dabei kann die Glasstrukturierung u. a. wahlweise durch das Fotostrukturierungsverfahren, weitere Strahlstrukturierungstechnologien, chemische/elektrochemische Strukturierungsmethoden, Ultraschallverfahren oder mechanische Verfahren erfolgen. Die Hohlräume befinden sich im Glaskörper und können durchgehend sein oder in definierter Tiefe im Glaskörper enden. The object is achieved in that cavities in special Glasses are manufactured with a precision down to the µm range. The Glass structuring u. a. optionally through the photo structuring process, others Beam structuring technologies, chemical / electrochemical Structuring methods, ultrasonic processes or mechanical processes are used. The cavities are in the vitreous and can be continuous or in defined depth in the vitreous.  

Nach der Strukturierung erfolgt das Auffüllen der Glasstrukturen mit Metallen oder Legierungen. Hierzu kommen vorzugsweise gut leitfähige Metalle, wie Kupfer, Silber, Gold, zum Einsatz. Die Metallfüllung erfolgt vorzugsweise galvanisch, ist aber auch durch andere Verfahren (z. B. Bedampfungs- oder Sputterabscheidung, Einbringung von metallgefüllten Pasten) möglich.After structuring, the glass structures are filled with metals or Alloys. In addition, there are preferably highly conductive metals such as copper, silver, Gold, for use. The metal filling is preferably galvanic, but it is also by other processes (e.g. vapor deposition or sputter separation, introduction of metal-filled pastes) possible.

Vor der galvanischen Strukturausfüllung werden die auszufüllenden Strukturen in geeigneter Weise kontaktiert. In Abhängigkeit von der Wandrauhigkeit entsteht eine innige form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen strukturiertem Glas und Metall/Legierung, wobei sich die Strukturen gegenseitig mechanisch stabilisieren. Nach zweckmäßigerweise anschließender Oberflächenbearbeitung ist ein Glas/Metall- Verbund mit im Glas eingelagerten Metall- oder Legierungsstrukturen vorhanden. Durch den Einsatz von Spezialgläsern mit an den einzulagernden Werkstoff angepaßten oder angenäherten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einen innigen Kontakt Glas/Metall lassen sich relativ spannungsarme Glas/Metall-Verbunde und/oder gute Wärmeübergangs- bzw. Wärmeableitungseigenschaften zwischen Glas und Metall erreichen. Die im Vergleich zu organischen Stoffen hohe Temperaturbeständigkeit des Glases gestattet eine höhere Wärmebelastung des Verbundes. Bei Anwendung eines Mehrfachstrukturierungsprozesses, verbunden mit einer mehrfachen zum Teil partiellen Galvanoformung, beispielsweise durch teilweise Strukturabdeckung, sind Metall/Glas/Metall-Verbunde mit unterschiedlichen Metallen realisierbar. Derartige Strukturen stellen beispielsweise Kupferspulen in Glassubstraten mit speziellen Flußleitelementen aus weichmagnetischen Eisen/Nickel-Legierungen dar.Before the galvanic structure filling, the structures to be filled in appropriately contacted. Depending on the roughness of the wall, one arises intimate form and / or material connection between structured glass and Metal / alloy, whereby the structures mechanically stabilize each other. To expediently subsequent surface treatment is a glass / metal Compound with metal or alloy structures embedded in the glass. Through the use of special glasses with materials adapted to the material to be stored or approximate coefficient of thermal expansion and intimate contact Glass / metal can be relatively low-stress glass / metal composites and / or good ones Heat transfer or heat dissipation properties between glass and metal to reach. The high temperature resistance of the Glass allows a higher thermal load on the composite. When using a Multiple structuring process combined with a multiple, sometimes partial Electroforming, for example by partially covering the structure Metal / glass / metal composites can be realized with different metals. Such Structures represent, for example, copper coils in glass substrates with special Flow guide elements made of soft magnetic iron / nickel alloys.

Somit lassen sich, abhängig vom eingesetzten Strukturierungsverfahren, elektrisch leitfähige Metallstrukturen oder Legierungs- bzw. Metallstrukturen mit hoher Permeabilität mit beliebiger lateraler Gestalt und durch die Substratdicke definierter Strukturhöhe herstellen.This means that, depending on the structuring method used, electrical conductive metal structures or alloy or metal structures with high Permeability with any lateral shape and defined by the substrate thickness Create structure height.

Durch das Fügen von mehreren unterschiedlich strukturierten Glasschichten bzw. Glas/Metall-Verbundstrukturen wird eine räumliche Gestaltung von komplexen Glas/Metall-Verbundstrukturen erreicht. Dies gestattet eine vielfältige Gestaltung von Isolationsschichten, der Stromzuführungen, der Strompfade zur Erzeugung von elektromagnetischen Feldern bzw. zur Wechselwirkung mit äußeren magnetischen Feldern sowie der Anordnung von Flußleitelementen und Zusatzelementen.By joining several differently structured glass layers or Glass / metal composite structures becomes a spatial design of complex Glass / metal composite structures achieved. This allows a diverse design of Insulation layers, the power supply lines, the current paths for the generation of electromagnetic fields or for interaction with external magnetic Fields and the arrangement of flow guide elements and additional elements.

Die Erfindung wird im folgenden an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: The invention is explained in more detail below using two exemplary embodiments. In the associated drawings show:  

Fig. 1 Allgemeines Schema zur Verbundherstellung, Fig. 1 General scheme for composite manufacture,

Fig. 2 Gesamtansicht des rotatorischen Antriebes, Draufsicht, Fig. 2 General view of the rotary drive, in plan view,

Fig. 3 Schnittdarstellung des Antriebes, Schnittebene in Spulenmitte, Fig. 3 sectional view of the drive section plane in coil center,

Fig. 4 Einzelheit Spulen. Fig. 4 detail coils.

Durch geeignete Gestaltung der Glassubstrate ist bei Ein- und Mehrschichtaufbau eine Funktionenintegration gewährleistet. Beispielsweise können Düsenelemente für Luftlagerungen in unmittelbarer Umgebung von Erregerspulen angeordnet werden. In der darunterliegenden Ebene sind, getrennt durch eine partiell strukturierte Isolationsschicht, in einem Glassubstrat metallische Stromzuführungen, Luftvorratskammern und Luftzuführungskanäle sowie ein weichmagnetischer Eisenrückschluß angeordnet. Den Abschluß des komplexen Multilayer Glas/Metall- Verbundes bildet wiederum eine Isolationsschicht. Das zusätzliche Einbringen von Teilungen als Maßverkörperungen oder Sensorelementen ist möglich.A suitable design of the glass substrates is one in single and multi-layer construction Function integration guaranteed. For example, nozzle elements for Air bearings can be arranged in the immediate vicinity of excitation coils. In the underlying level are separated by a partially structured one Insulation layer, in a glass substrate metallic current leads, Air storage chambers and air supply channels as well as a soft magnetic Iron yoke arranged. The completion of the complex multilayer glass / metal Verbund in turn forms an insulation layer. The additional introduction of Divisions as material measures or sensor elements are possible.

An dieser Stelle soll die Gestaltung von Felderzeugungsstrompfaden für einen elektrodynamischen rotatorischen Aktor dargestellt werden. Dabei wird die Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter in Magnetfeldern ausgenutzt. Der Motor besteht aus den Komponenten Ständer (5) aus strukturiertem Glas mit Eisenrückschluß (9) und Spulen (10, 11, 12, 13), Läufer (4) mit Eisenrückschluß (6) und Dauermagneten (7, 8). Die Radial- und Axiallagerung kann beispielsweise durch Gleit-, Wälz-, Luft- oder Magnetlager realisiert werden.At this point, the design of field generation current paths for an electrodynamic rotary actuator is to be presented. The force effect on current-carrying conductors in magnetic fields is used. The motor consists of the components stator ( 5 ) made of structured glass with iron yoke ( 9 ) and coils ( 10 , 11 , 12 , 13 ), rotor ( 4 ) with iron yoke ( 6 ) and permanent magnets ( 7 , 8 ). The radial and axial bearings can be implemented, for example, by sliding, rolling, air or magnetic bearings.

Der gestellfeste Ständer besteht aus einem fotostrukturierten Glassubstrat (5). Darin sind Hohlräume erzeugt und galvanisch mit Kupfer aufgefüllt worden, so daß eine Anordnung von Spulen (10, 11, 12, 13) auf einem Kreisring entsteht. Die Spulen werden untereinander so kontaktiert, daß zwei Strompfade jeweils durch jede zweite Spule entstehen. Innerhalb dieser Strompfade hat wiederum jede zweite Spule einen entgegengesetzten Wickelsinn (12 und 13). Für jeweils vier aufeinanderfolgende Spulen (10, 11, 12, 13) bedeutet dies, daß die zwei Strompfade Anfang 10 Ende 10 Anfang 12 Ende 12 und Anfang 11 Ende 11 Anfang 13 Ende 13 realisiert sind. Der Anfang ist dabei das äußere Bondpad und das Ende das innere Bondpad der jeweiligen Spule. Die Spulen 10 und 11 weisen den entgegengesetzten Wickelsinn der Spulen 12 und 13 auf. Die Kontaktierung erfolgt durch Drahtbonden auf der Unterseite. Der Ständer ist ebenfalls mit einem Eisenrückschluß (9) versehen.The stand, which is fixed to the frame, consists of a photo-structured glass substrate ( 5 ). Cavities have been created therein and galvanically filled with copper, so that an arrangement of coils ( 10 , 11 , 12 , 13 ) is formed on a circular ring. The coils are contacted with one another in such a way that two current paths each arise through every second coil. Within these current paths, every second coil in turn has an opposite winding direction ( 12 and 13 ). For four consecutive coils ( 10 , 11 , 12 , 13 ) this means that the two current paths start 10 end 10 start 12 end 12 and start 11 end 11 start 13 end 13 are realized. The beginning is the outer bond pad and the end is the inner bond pad of the respective coil. The coils 10 and 11 have the opposite winding direction of the coils 12 and 13 . The contact is made by wire bonding on the bottom. The stand is also provided with an iron yoke ( 9 ).

Der Winkel zwischen zwei Spulen (10, 11, 12, 13) beträgt 150% des Winkels zwischen zwei Dauermagneten (7, 8). Die Dauermagneten sind senkrecht zur Läuferoberfläche magnetisiert, wobei zwei benachbarte Dauermagneten jeweils mit entgegengesetztem Richtungssinn magnetisiert sind (7, 8).The angle between two coils ( 10 , 11 , 12 , 13 ) is 150% of the angle between two permanent magnets ( 7 , 8 ). The permanent magnets are magnetized perpendicular to the rotor surface, whereby two adjacent permanent magnets are magnetized in opposite directions ( 7 , 8 ).

Der Läufer kann durch die Kraftwirkung zwischen Dauermagneten und stromdurchflossenen Spulen bewegt oder in einer beliebigen Position gehalten werden.The rotor can by the force between permanent magnets and current-carrying coils are moved or held in any position.

Claims (7)

1. Glas/Metall-Verbundstrukturen zur Erzeugung, Leitung und Nutzung elektromagnetischer Felder, wobei spulenartige Hohlräume in strukturierten Glaskörpern mit metallischen Werkstoffen derart ausgefüllt sind, daß eine innige form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen strukturiertem Glas und Metall vorliegt.1. Glass / metal composite structures for production, management and use electromagnetic fields, with coil-like cavities in structured Glass bodies are filled with metallic materials so that an intimate positive and / or material connection between structured glass and metal is present. 2. Verbundstrukturen nach Anspruch 1, bei welchen unterschiedliche Strukturgeometrien bezüglich Leiterzuganordnung, Spulenform, Windungszahl, Windungsquerschnitt, Windungsquerschnittsform, Glasquerschnitt, Glasquerschnittsform und Metallfüllfaktoren realisiert werden.2. Composite structures according to claim 1, in which different Structural geometries with regard to conductor arrangement, coil shape, number of turns, Winding cross-section, winding cross-sectional shape, glass cross-section, Glass cross-sectional shape and metal fill factors can be realized. 3. Verbundstrukturen nach den Ansprüchen 1 und 2, bei welchen die vorhandenen Metallquerschnitte deutlich größer als die vorhandenen Isolationsglasstege zwischen einzelnen Windungen sind.3. Composite structures according to claims 1 and 2, in which the existing Metal cross sections significantly larger than the existing insulating glass webs between individual turns are. 4. Verbundstrukturen nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei welchen der Glaskörper zur Eigenschaftsmodifizierung keramisiert ist.4. Composite structures according to claims 1 to 3, in which the glass body for Property modification is ceramized. 5. Verbundstrukturen nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei welchen mehrere Glas- bzw. Glas/Metall-Schichten zu Multilayeranordnungen verbunden sind.5. Composite structures according to claims 1 to 4, in which a plurality of glass or Glass / metal layers are connected to multilayer arrangements. 6. Verbundstrukturen nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei welchen eine Funktionenintegration durch komplexe Anordnung verschiedener Teilelemente (Felderzeugungselemente, Lagerelemente, Führungselemente, mechanische Elemente, Meßelemente) erzielt wird.6. Composite structures according to claims 1 to 5, in which a Function integration through complex arrangement of different sub-elements (Field generating elements, bearing elements, guide elements, mechanical Elements, measuring elements) is achieved. 7. Verbundstrukturen nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei welchen magnetische Felder durch zusätzliche Magnetflußleitelemente beeinflußt werden.7. Composite structures according to claims 1 to 6, in which magnetic fields can be influenced by additional magnetic flux guide elements.