EP0784754B1 - Mikromechanischer aktor - Google Patents

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EP0784754B1
EP0784754B1 EP95934081A EP95934081A EP0784754B1 EP 0784754 B1 EP0784754 B1 EP 0784754B1 EP 95934081 A EP95934081 A EP 95934081A EP 95934081 A EP95934081 A EP 95934081A EP 0784754 B1 EP0784754 B1 EP 0784754B1
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EP
European Patent Office
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piston
actuator
duct
housing
substrate
Prior art date
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EP95934081A
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English (en)
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EP0784754A1 (de
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Klaus Feit
Mathias Heckele
Patrick Ruther
Klaus Weindel
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/14—Characterised by the construction of the motor unit of the straight-cylinder type
    • F15B15/1423—Component parts; Constructional details
    • F15B15/1428—Cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/14—Characterised by the construction of the motor unit of the straight-cylinder type
    • F15B15/1423—Component parts; Constructional details
    • F15B15/1447—Pistons; Piston to piston rod assemblies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15C—FLUID-CIRCUIT ELEMENTS PREDOMINANTLY USED FOR COMPUTING OR CONTROL PURPOSES
    • F15C5/00—Manufacture of fluid circuit elements; Manufacture of assemblages of such elements integrated circuits

Definitions

  • the present invention relates to a micromechanical actuator to generate forces of the order of a few mN to in the range of about 100 mN with dimensions in the range of some 100 ⁇ m, with the features in the preamble of the claim.
  • Micromechanical actuators are used for a wide variety of purposes used, the currently achievable forces are still very low are. The known actuators can therefore only for purposes can be used in which small forces below the mN range suffice. Such an actuator is such.
  • the actuator has a piston with piston rod in a housing larger dimensions is moved by a vapor bubble. The The piston is sealed in the housing by the surface tension the vapor bubble wall. The piston itself is through two leaf springs on the side of the piston rod and held. Because the actuator uses traditional silicon technology is produced, it has no structures high aspect ratio. This inevitably leads to minor Cylinder dimensions and therefore also due to geometry the limitations of the surface tension of the vapor bubble only at low achievable forces.
  • the present invention proposes to achieve this object the features set out in the characterizing part of the claims 1 and 2 are listed. Particularly advantageous is an actuator according to the invention, which is produced according to claim 3 is.
  • the actuator shown represents a movable microstructure represented by a combination of the LIGA process (X-ray depth lithography with electroforming and plastic impression) is produced using a sacrificial layer technique.
  • This manufacturing method enables microstructures with structural heights up to several 100 ⁇ m with lateral dimensions of a few ⁇ m to manufacture. Through the additional application of sacrificial layer technology you are able to manufacture free moving parts. The principle of manufacture will be described later.
  • the actuator essentially consists of a flat housing 1, which sits on a substrate plate 2 and firmly connected to it is.
  • a channel 3 is present in the housing 1, in which an axially longitudinally movable piston 4 reciprocates is on one side a guide rod 11 and on its other side a piston rod 12 is attached, respectively seen in the stroke direction.
  • Channel 3 opens out with one End in a pressure chamber 5, which has a bore 6 with a is pressurized fluid, which is thereby by this side exerts a force on the piston 4.
  • This also serves to discharge the fluid.
  • a bearing block 7 and 8 together with the housing 1 also attached to the substrate plate 2.
  • the bearing blocks 7 and 8 have slots 9 and 10, wherein in the slot 9 the guide rod 11 and in the slot 10 the Piston rod 12 slides.
  • the piston 4 by means of Bearing blocks 7 and 8 guided in the lifting or working direction.
  • the bearing blocks in their geometry (width, bearing clearance) designed so that the piston cannot tilt.
  • the piston itself has a lateral extension of approximately 400 x 450 ⁇ m.
  • the gap width between piston 4 and channel 3 is about 2 ⁇ m.
  • the piston 4 and the rods 11 and 12 in Channel 3 and in the slots 9 and 10 are z. B. with Fluid lubricated silicone oil.
  • the piston rod 12 projecting from the bearing block 8 transmits the force generated by the piston 4 to the outside more elements shown.
  • One application is e.g. the Apply a bending force to a rod.
  • the one in the figures shown embodiment of the actuator is after manufacture open upwards using the LIGA process.
  • the starting point is a radiation-sensitive one up to several 100 ⁇ m thick Plastic layer.
  • This so-called resist is by direct polymerization on a substrate with a sacrificial layer and electroplating start layer applied.
  • the 3 - 7 ⁇ m thick sacrificial layer made of Ti was pre-structured, so that at the subsequent, adjusted x-ray radiation later moving parts of the microstructure, in the above described Actuator the piston 4 with the rods 11 and 12, on the sacrificial layer come to rest.
  • the immovable areas which are anchored to the substrate like the actuator housing 1 and the bearing blocks 11 and 12, there is no sacrificial layer.
  • the resist is structured by adjusted synchrotron radiation, the mask used here opposite the sacrificial layer is aligned.
  • the synchrotron radiation has the advantage that at a small wavelength (0.2 to 0.5 nm) has a high energy density and great parallelism. This makes it possible to cover the entire resist thickness to achieve high-precision imaging of the X-ray mask.
  • the Accuracy is in the submicron range over the entire structure height. With lateral dimensions of the structures in the micrometer range one reaches an aspect ratio (i.e. the ratio from structure height to minimal lateral expansion) from up to loo.
  • the chemical composition changes as a result of the irradiation of the resist so that during subsequent development the irradiated areas are detached and you get a negative the desired structure.
  • the gaps created in this way are galvanically filled with a metal. Again Irradiate without a mask to remove the unexposed Resists give the desired microstructure. Eventually the Ti layer is selectively etched away from the other materials, so that the part of the Structure, here the piston 4, is freely movable.
  • the microstructures polished to achieve a smooth surface that is suitable for tight closing of the end plate is necessary.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Aktor zur Erzeugung von Kräften der Größenordnung einiger mN bis in den Bereich von etwa 100 mN mit Abmessungen im Bereich einiger 100 µm, mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruches.
Mikromechanische Aktoren werden zu den verschiedensten Zwecken eingesetzt, wobei die derzeit erzielbaren Kräfte noch sehr gering sind. Die bekannten Aktoren können daher nur für Zwecke verwendet werden, bei denen geringe Kräfte unterhalb des mN-Bereiches ausreichen. Ein derartiger Aktor ist z. B. aus: Sniegowski, J. J.: "A Micro Actuation Mechanism Based on Liquid Vapor Surface Tension", 7th Intern. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators, Yokohama 1993, bekannt. Der Aktor besitzt einen Kolben mit Kolbenstange, der in einem Gehäuse größerer Abmessungen durch eine Dampfblase bewegt wird. Die Abdichtung des Kolbens im Gehäuse erfolgt durch die Oberflächenspannung der Dampfblasenwand. Der Kolben selbst wird durch zwei an der Kolbenstange seitlich angreifende Blattfedern geführt und gehalten. Da der Aktor in traditioneller Siliziumtechnologie hergestellt wird, weist er keine Strukturen mit hohem Aspektverhältnis auf. Dies führt zwangsläufig zu geringen Zylinderabmessungen und damit auch geometriebedingt neben den Einschränkungen durch die Oberflächenspannung der Dampfblase nur zu geringen erzielbaren Kräften.
Ausgehend von diesem Stand der Technik hat daher die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, einen mikromechanischen Aktor der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit welchem sich wesentlich höhere Kräfte als mit den bekannten erzielen lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 2 angeführt sind. Besonders vorteilhaft ist erfindungsgemäß ein Aktor, der gemäß Patentanspruch 3 hergestellt ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Aktor lassen sowohl große Kräfte bis in Bereiche um 100mN als auch große Stellwege realisieren. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß fluidische Schmierung der bewegten Teile möglich ist.
Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden und anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:
  • die Fig.1 einen Schnitt durch den Aktor von oben gesehen und
  • die Fig.2 die rasterelektronenmikroskopische Originalaufnahme eines mit LIGA-Technik gefertigten Aktors schräg von oben bei abgenommener Deckplatte.
    • Der dargestellte Aktor stellt eine bewegliche Mikrostruktur dar, die durch eine Kombination des LIGA-Verfahrens (Röntgentiefenlithografie mit Galvanoformung und Kunststoffabformung) mit einer Opferschichttechnik hergestellt wird. Diese Herstellungsmethode ermöglicht es, Mikrostrukturen mit Strukturhöhen bis zu mehreren 100 µm bei lateralen Abmessungen von wenigen µm zu fertigen. Durch die zusätzliche Anwendung der Opferschichttechnik ist man in der Lage, freibewegliche Teile herzustellen. Das Prinzip der Herstellung wird späterfolgend beschrieben.
    Der Aktor besteht im wesentlichen aus einem flachen Gehäuse 1, welches auf einer Substratplatte 2 sitzt und mit ihr fest verbunden ist. In dem Gehäuse 1 ist ein Kanal 3 vorhanden, in welchem ein axial längsbeweglicher Kolben 4 hin- und herbewegt wird, an dessen einer Seite eine Führungstange 11 und an seiner anderen Seite eine Kolbenstange 12 befestigt ist, jeweils in Hubrichtung gesehen. Der Kanal 3 mündet mit seinem einen Ende in einer Druckkammer 5, die über eine Bohrung 6 mit einem druckführenden Fluid beaufschlagt wird, welches dadurch von dieser Seite her eine Kraft auf den Kolben 4 ausübt. Diese Bohrung 6 dient neben der Zufuhr auch der Abfuhr des Fluides. Neben dem Kolben 4 bzw. vor und hinter ihm, von der Druckseite aus gesehen, ist jeweils ein Lagerblock 7 und 8 zusammen mit dem Gehäuse 1 ebenfalls auf der Substratplatte 2 befestigt. Die Lagerblöcke 7 und 8 weisen Schlitze 9 und 10 auf, wobei in dem Schlitz 9 die Führungsstange 11 und in dem Schlitz 10 die Kolbenstange 12 gleitet. Dadurch wird der Kolben 4 mittels der Lagerblöcke 7 und 8 in Hub- bzw. Arbeitsrichtung geführt. Dabei sind die Lagerblöcke in ihrer Geometrie (Breite, Lagerspiel) so ausgelegt, daß der Kolben nicht verkanten kann. Der Kolben selbst hat dabei eine laterale Ausdehnung von etwa 400 x 450 µm. Die Spaltbreite zwischen Kolben 4 und Kanal 3 beträgt etwa 2µm. Der Kolben 4 sowie die Stangen 11 und 12 im Kanal 3 und in den Schlitzen 9 und 10 werden dabei z. B. mit Silikonöl fluidisch geschmiert.
    Die aus dem Lagerblock 8 herausragende Kolbenstange 12 überträgt die vom Kolben 4 erzeugte Kraft nach aussen auf nicht mehr dargestellte Elemente. Ein Anwendungszweck ist z.B. das Aufbringen einer Biegekraft auf einen Stab. Die in den Figuren dargestellte Ausführung des Aktors ist nach der Herstellung mittels des LIGA-Verfahrens nach oben offen. Um die Druckkammer 5 mit dem Kolben 4 sowie den gesamten Aktor nach oben abzuschließen und einen geschlossenen Druckraum zu erzielen, ist das Gehäuse 1 nach oben durch eine nicht dargestellte Deckplatte verschlossen. Diese wird auf dem Gehäuse fest verklebt, wobei die umlaufende Nut 13 ein Einlaufen des Klebers ins Innere des Aktors verhindert. Die Abdichtung des beweglichen Kolbens 4 gegenüber dem Gehäuse 1 und der Kanalwand sowie gegenüber der Deckplatte erfolgt durch fluidische Schmierung, wodurch auch die Reibung des Kolbens 4 im Kanal 3 verringert wird.
    Im folgenden werden kurz die Fertigungsschritte des LIGA-Verfahrens für den Aktor, d. h. für eine bewegliche Mikrostruktur in einem Ausführungsbeispiel beschrieben:
    Ausgangspunkt ist eine bis zu mehreren 100 µm dicke strahlungsempfindliche Kunststoffschicht. Dieser sogenannte Resist wird durch direkte Polymerisation auf ein Substrat mit Opferschicht und Galvanikstartschicht aufgebracht. Die 3 - 7 µm dicke Opferschicht aus Ti wurde vorstrukturiert, so daß bei der anschließenden, justierten Röntgenbestrahlung die später beweglichen Teile der Mikrostruktur, bei dem oben beschriebenen Aktor der Kolben 4 mit den Stangen 11 und 12, auf der Opferschicht zu liegen kommen. Unter den unbeweglichen Bereichen, die mit dem Substrat verankert sind wie das Aktorgehäuse 1 und die Lagerblöcke 11 und 12, liegt keine Opferschicht.
    Die Strukturierung des Resists erfolgt durch justierte Synchrotonbestrahlung, wobei die hierbei verwendete Maske gegenüber der Opferschicht ausgerichtet wird. Die Synchrotonstrahlung hat den Vorteil, daß sie bei kleiner Wellenlänge (0,2 bis 0,5 nm) eine hohe Energiedichte und große Parallelität besitzt. Dadurch ist es möglich, eine über die gesamte Resistdicke hochpräzise Abbildung der Röntgenmaske zu erzielen. Die Genauigkeit liegt über die gesamte Strukturhöhe im Submikrometerbereich. Bei lateralen Abmessungen der Strukturen im Mikrometerbereich erreicht man ein Aspektverhältnis (d. h. das Verhältnis von Strukturhöhe zu minimaler lateraler Ausdehnung) von bis zu loo.
    Durch die Bestrahlung ändert sich die chemische Zusammensetzung des Resists so, daß bei der anschließenden Entwicklung die bestrahlten Bereiche herausgelöst werden und man ein Negativ der gewünschten Struktur erhält. Die so erzeugten Zwischenräume werden galvanisch mit einem Metall aufgefüllt. Erneutes Bestrahlen ohne Maske zum Entfernen des unbelichteten Resists ergibt die gewünschte Mikrostruktur. Schließlich wird die Ti-Schicht selektiv gegenüber den anderen Materialien weggeätzt, so daß der auf der Opferschicht aufgebaute Teil der Struktur, hier der Kolben 4, frei beweglich ist.
    Vor dem letzten Bestrahlungsschritt werden die Mikrostrukturen poliergefräst, um eine glatte Oberfläche zu erzielen, die für das dichte Schließen der Abschlußplatte notwendig ist.
    Bezugszeichenliste:
    1
    Aktorgehäuse
    2
    Substratplatte
    3
    Kanal
    4
    Kolben
    5
    Druckkammer
    6
    Bohrung
    7
    Lagerblock
    8
    Lagerblock
    9
    Schlitz
    10
    Schlitz
    11
    Führungsstange
    12
    Kolbenstange
    13
    Nut

    Claims (3)

    1. Mikromechanischer Aktor zur Erzeugung von Kräften der Größenordnung einiger mN bis in den Bereich von etwa 100 mN mit Abmessungen im Bereich einiger 100 µm, mit den folgenden Merkmalen:
      a) einem in einem Kanal beweglichen Kolben, der von der einen Seite her aus einer Druckkammer durch ein druckführendes Medium beaufschlagt wird und der
      b) an der anderen Seite eine Kolbenstange zur Abnahme der erzeugten Kraft aufweist, wobei
      c) der Kolben mittels Führungselementen in Hubrichtung längsbeweglich geführt ist,
      gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:
      d) der Aktor weist ein flaches Gehäuse (1) auf, welches fest auf einer Substratplatte (2) sitzt und in dem ein Kanal (3) verläuft, in welchem ein axial längsbeweglicher Kolben (4) hin- und herbewegbar ist,
      e) der Kanal (3) mündet mit seinem einen Ende in einer Druckkammer (5), die über eine Bohrung (6) mit einem druckführenden Fluid beaufschlagt wird,
      f) an der einen Seite des Kolbens (4) ist eine Führungsstange (11) und an seiner anderen Seite eine Kolbenstange (12) befestigt,
      g) vor und hinter dem Kolben (4) ist, von der Druckseite aus gesehen, jeweils ein Lagerblock (7 und 8) zusammen mit dem Gehäuse (1) ebenfalls auf der Platte (2) befestigt,
      h) die Lagerblöcke (7 und 8) weisen Schlitze (9 und 10) zur Führung des Kolbens (4) auf, wobei in dem Schlitz (9) die Führungsstange (11) und in dem Schlitz (10) die Kolbenstange (12) gleitet,
      i) das Gehäuse (1) ist nach oben durch eine Deckplatte verschlossen.
    2. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) sowie die Stangen (11 und 12) im Kanal (3) und in den Schlitzen (9 und 10) fluidisch geschmiert werden.
    3. Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1), die Lagerblöcke (7 und 8) und der Kolben (4) d. h. die gesamte Struktur des Aktors gemeinsam in den selben Arbeitsgängen auf röntgenlithographischem, röntgentiefenlithographisch-galvanoplastischem oder auf hiervon abgeleiteten abformtechnischem bzw. abformtechnisch-galvanoplastischem Wege auf dem Substrat der Grundplatte hergestellt werden, wobei die mechanische Trennung der beweglichen Teile dadurch erfolgt, daß in den entsprechenden Bereichen des Substrats zunächst lokal eine Trennschicht aufgebracht wird, die zum Schluß ätztechnisch wieder entfernt wird.
    EP95934081A 1994-10-08 1995-09-20 Mikromechanischer aktor Expired - Lifetime EP0784754B1 (de)

    Applications Claiming Priority (3)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    DE4436008A DE4436008C1 (de) 1994-10-08 1994-10-08 Mikromechanischer Aktor
    DE4436008 1994-10-08
    PCT/EP1995/003707 WO1996011342A1 (de) 1994-10-08 1995-09-20 Mikromechanischer aktor

    Publications (2)

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    EP0784754A1 EP0784754A1 (de) 1997-07-23
    EP0784754B1 true EP0784754B1 (de) 1998-04-22

    Family

    ID=6530283

    Family Applications (1)

    Application Number Title Priority Date Filing Date
    EP95934081A Expired - Lifetime EP0784754B1 (de) 1994-10-08 1995-09-20 Mikromechanischer aktor

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    US (1) US6055899A (de)
    EP (1) EP0784754B1 (de)
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