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:
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.