DE69803893T2

DE69803893T2 - Planarer magnetischer Motor und magnetischer Microantrieb mit einem solchen Motor

Info

Publication number: DE69803893T2
Application number: DE69803893T
Authority: DE
Inventors: Enzo Fullin; Raymond Vuilleumier
Original assignee: Colibrys SA
Current assignee: Safran Colibrys SA
Priority date: 1997-04-01
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2018-04-01
Also published as: DE69803893D1; EP0869519B1; FR2761518B1; EP0869519A1; US6084281A; FR2761518A1

Description

Die Erfindung betrifft einen planaren Magnetmotor sowie einen Mikroantrieb mit einem derartigen Motor.
Die Erfindung findet besonders vorteilhafte Anwendung auf dem Gebiet der Antriebe, wie bei Mikroventilen, Mikrorelais, Mikromotoren und ganz allgemein Mikrosystemen mit einer Bewegungsfunktion.
Bis heute funktionieren die meisten aktuellen Mikroantriebe nach dem elektrostatischen, piezoelektrischen oder thermischen Antriebsprinzip. Hingegen ist das Gebiet der magnetischen Mikroantriebe oder Mikromagnetantriebe wenig erschlossen. Dies kann durch die Tatsache erklärt werden, daß die Technik, welche die Realisierung von effektiven Magnetvorrichtungen ermöglicht, relativ neu ist, insbesondere die Lehre dicker Schichten mit einer hohen "Aspektratio" ("aspect ratio") oder einem Verhältnis von Höhe zu Breite. Andererseits kann festgestellt werden, daß die aktuellen Mikroantriebe der Relaisbauart insgesamt nicht zufriedenstellend sind, insbesondere die für den Antrieb notwendigen Ströme häufig insofern relativ hoch sind, als die Zahl der die Spulen bildenden Windungen klein ist. Das Dokument EP 0 573 267 A zeigt einen Motor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine erste, durch den Gegenstand der Erfindung zu lösende technische Aufgabe ist, einen planaren Magnetmotor vorzuschlagen, der die entwickelte magnetische Kraft erhöhen kann, wobei jedoch das Erfordernis einer vernünftigen Oberfläche beachtet wird.
Die Lösung dieser ersten technischen Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der planare Magnetmotor mehrere magnetische Pole aus ferromagnetischem Material umfaßt, die im Zentrum planarer Spulen angeordnet sind, die aus wenigstens einer Lage Windungen gebildet sind, die an der Oberfläche eines Substrats aus ferromagnetischem Material realisiert sind, wobei die Windungen derart gewickelt und miteinander verbunden sind, daß die durch die magnetischen Pole hindurch generierten magnetischen Flüsse gekoppelt oder addiert werden.
Folglich kann mit der Erhöhung der Anzahl von Polen, beispielsweise zwei, sowie der Anzahl von Lagen Windungen je Spule die effektive Windungenzahl N des erfindungsgemäßen planaren Magnetmotors und folglich die magnetische Kraft erhöht werden, die proportional zu I² (N1+N2)² ist, wobei I der durch die Windungen laufende Strom ist und N1 sowie N2 die Windungenzahl der ersten und zweiten Spule bezeichnen, wobei im Ganzen eine angemessene Oberfläche für die Vorrichtung beibehalten wird.
Eine zweite durch den Gegenstand der Erfindung zu lösende, technische Aufgabe ist, einen Mikromagnetantrieb mit einem erfindungsgemäßen planaren Magnetmotor vorzuschlagen, der insbesondere ein kompaktes, bewegliches, mechanisches Bauteil aufweisen soll, um die Größe des Systems zu reduzieren.
Die Lösung der zweiten gestellten technischen Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Mikromagnetantrieb auch ein mechanisches Bauteil mit einem beweglichen Kontakt umfaßt, das einen Tragrahmen, der über der Oberfläche des magnetischen Substrats mittels eines Abstandhalters angeordnet ist, ein flexibles Blatt, das im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats angeordnet ist und dessen eines Ende an dem Tragrahmen befestigt ist, einen Kern aus ferromagnetischem Material, der von dem flexiblen Blatt getragen ist, und einen mit dem ferromagnetischen Kern fest verbundenen, beweglichen Kontakt aufweist, der einem ortsfesten Kontakt gegenüberliegt, der über der Oberfläche des Substrats des planaren Magnetmotors angebracht ist.
Der erfindungsgemäße Mikromagnetantrieb weist zahlreiche Vorteile auf. Einerseits stellt er eine Miniaturvorrichtung und eine planare, raumsparende Vorrichtung dar, Wobei die Möglichkeit besteht, sie mit einer integrierten Schaltung zu verbinden. Andererseits läßt die Dicke des Abstandhalters eine direkte Kontrolle der Isolationsspannung des Mikroantriebs zu, der wie ein Relais funktioniert. Außerdem können der bewegliche und ortsfeste Kontakt durch eine dünne und integrierte Lage realisiert sein.
Gemäß einer ersten Ausführung des Mikromagnetantriebs der Erfindung ist der Abstandhalter durch Aufbringen eines Leitermaterials auf die Oberfläche des Substrats des planaren Magnetmotors realisiert, wobei der Tragrahmen auf dem Abstandhalter über leitfähige Vorsprünge aufgebracht ist.
Die Ausführung setzt die "Wendechip"-Technik (im angelsächsischen Sprachkreis flip-chip) ein, die auf dem Gebiet des Anschlusses von Halbleiter-Pads oder "Chips" bekannt ist. Gemäß einer zweiten Ausführung des Mikromagnetantriebs der Erfindung ist der Abstandhalter aus einem Isoliermaterial und einstückig mit dem Tragrahmen gebildet, wobei das flexible Blatt leitfähig und mit seinem am Tragrahmen befestigten Ende mit der Oberfläche des Substrats des planaren Magnetmotors elektrisch verbunden ist.
Die folgende Beschreibung macht anhand der beiliegenden Zeichnungen, die nicht einschränkende Beispiele darstellen, deutlich, aus was die Erfindung besteht und wie sie realisiert werden kann.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen planaren Magnetmotors;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer ersten Ausführung eines beweglichen Bauteils eines erfindungsgemäßen Mikroantriebs;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Mikroantriebs mit einem beweglichen Bauteil nach Fig. 2, das mit dem planaren Magnetmotor nach Fig. 1 gekoppelt ist;
Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer zweiten Ausführung eines beweglichen Bauteils eines Mikroantriebs der Erfindung;
Fig. 5 ist eine Seitenansicht eines Mikroantriebs mit einem beweglichen Bauteil nach Fig. 4, das mit dem planaren Magnetmotor nach Fig. 1 gekoppelt ist;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines beweglichen Bauteils, das mit einer verformbaren Membran zur Kompensation einer Überdicke versehen ist.
In Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines planaren Magnetmotors 100 dargestellt, der aus planaren Spulen 110, 120 mit jeweils vier Lagen Windungen gebildet ist, die an der Oberfläche eines ferromagnetischen Substrats 130 aufgebaut sind. Jede Spule 110, 120 umfaßt in ihrem Zentrum einen magnetischen Pol 111, 121 aus ferromagnetischem Material, wie Eisennickel FeNi.
Dieser Aufbau stellt eine magnetische Schaltung mit einem Luftspalt dar. Der Stromdurchlauf durch die Spulen 110, 120 zwischen einem Eingangsanschluß 141 und einem Ausgangsanschluß 142 erzeugt einen Fluß 150 in der magnetischen Schaltung, der sich in einer Anziehungskraft im Bereich des Luftspalts äußert.
In der besonderen Ausführung nach Fig. 1 ist die magnetische Schaltung durch zwei Pole 111, 121 gebildet, welche von den Spulen 110, 120 umgeben werden, deren Windungen derart gewickelt und miteinander verbunden sind, daß die durch die magnetischen Pole erzeugten magnetischen Flüsse addiert oder gekoppelt werden.
Die Kopplung dieses Motorteils mit einem beweglichen Bauteil bildet einen Mikroantrieb, beispielsweise einen Ventilantrieb, ein Relais oder einen Levitations- oder Hubmotor, etc. Die Fig. 2 und 6 zeigen die besondere Ausführung eines mechanischen Bauteils 200 mit einem beweglichen Kontakt für ein Mikrorelais.
Dieser Aufbau umfaßt einen Tragrahmen 210, der, wie in Fig. 3 angedeutet ist, dazu bestimmt ist, über der Oberfläche des ferromagnetischen Substrats 130 des planaren Motors 100 über einen Abstandhalter 211 angeordnet zu werden. Bei dem Beispiel nach Fig. 3 ist der Abstandhalter 211 durch Aufbringen eines Leitermaterials auf die Oberfläche des Substrats 130 realisiert. Die Höhe des Abstandhalters 211 ermöglicht, den Luftspalt zwischen dem ortsfesten Kontakt 150, der über der Oberfläche des planaren Motors 100 angebracht ist, und einem beweglichen Kontakt 220 zu kontrollieren, der mit einem ferromagnetischen Kern 230 beispielsweise aus FeNi fest verbunden ist, der von einem flexiblen Blatt oder einer flexiblen Lamelle 240 getragen ist, der aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise aus Nickel, sein muß. Ein Ende des flexiblen Blatts 240 ist an dem Tragrahmen 210 befestigt und dient als Festpunkt für den Hebelarm, der durch das Blatt 240 gebildet ist.
In den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß der Tragrahmen 210 an dem Substrat 260 montiert ist, das aus Silizium sein kann, wenn es zur Aufnahme einer integrierten Schaltung bestimmt ist.
Das Substrat 260 kann gemäß den Anwendungen aus einem transparenten Material (Glas) oder aus ferromagnetischem Material (FeNi oder FeSi) sein.
Indem ein ferromagnetisches Material als Substrat für beide Teile, Motor und Antrieb, eingesetzt wird, ist eine magnetische Abschirmung der Vorrichtung sichergestellt. Außerdem können die Substrate als elektrische Verbindungsanschlüsse dienen.
Schließlich wird der Tragrahmen 210 an dem Abstandhalter 211 über leitfähige Vorsprünge 250 gemäß dem "Wendechip"- oder "flip-chip"-Verfahren aufgebracht. Der Zusammenbau kann durch Löt- oder Klebtechniken realisiert werden, vorausgesetzt, daß dieser Bestandteil derart elektrisch leitfähig ist, daß einer der Kontakte des Mikrorelais an dem anderen Bestandteil realisiert wird. Im übrigen ermöglicht diese Installation, welche um die Vorrichtung herum positioniert ist, den Kontakt des Mikrorelais zu isolieren und einen dichten Hohlraum zu schaffen, in welchem die Umgebung und der Druck kontrolliert werden. Es ist also nicht notwendig, einen Deckel vorzusehen, der aufgrund der Installation durch die Vorsprünge einen integralen Bestandteil des Systems bildet.
Bei einer Variante der Erfindung wird der elektrische Kontakt nicht über besondere Kontakte sondern mittels magnetischer Pole 111 und 121 verwirklicht. In diesem Fall werden die Verbindungen nach außen über ferromagnetische Substrate realisiert.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Ausführungsvariante des mechanischen Bauteils mit einem mobilen Kontakt, der ausgehend von einem dünnen ferromagnetischen Substrat erhalten wird, über welchem ein Abstandhalter 311 aus isolierendem Material sowie das flexible, metallische Blatt 340 aufgebaut (strukturiert) werden, welches die mobilen Kontakte 320 trägt. Durch selektiven Abgriff der Rückseite des Substrats längs der gestrichelten Linie in Fig. 4 sind der Tragrahmen 310 und der ferromagnetische Kern 330 realisiert. Die elektrische Kontinuität zwischen den Kontakten 150 und 320 des Mikrorelais wird dadurch sichergestellt, daß das leitfähige, flexible Blatt 340 elektrisch mit der Oberfläche des Substrats 130 des planaren Magnetmotors 100 über dessen ortsfesten Ende am Tragrahmen 310 verbunden wird.
Zurückkommend beispielsweise auf die Ausführung nach Fig. 3 kann festgestellt werden, daß die beiden Kontakte aufgrund ihrer Dicke die magnetische Schaltung daran hindern, sich mit einem minimalen Luftspalt zu schließen, sofern die beiden Kontakte 150, 220 des Mikrorelais einander gegenüberliegend angeordnet sind und das Relais geschlossen ist. Aus diesem Grund ist zur Unterbringung dieser Überdicke gemäß Fig. 6 vorgesehen, daß der bewegliche Kontakt 220 des mechanischen Bauteils 200 an einer verformbaren Membran 270 angeordnet ist, die auch aus Nickel gebildet sein kann. Diese Anordnung weist zwei Vorteile auf:
- ein gutes Schließen des elektrischen Kontakts dank Übertragung der durch die magnetische Schaltung erzeugten, magnetischen Kraft;
- eine hohe Effizienz der magnetischen Schaltung aufgrund der Tatsache, daß der Luftspalt minimal gehalten wird und folglich die erzeugte magnetische Kraft maximal ist.
Es sind verschiedene Varianten des Mikrorelais der Erfindung denkbar. Bezüglich der Betätigung kann die Ansteuerung des Relais durch Gleichstrom erreicht werden, der an den planaren Spulen 110, 120 angelegt wird, oder durch magnetische Induktion, die durch einen Dauermagneten hervorgerufen wird.
Im übrigen kann die Verwendung von Dauermagneten oder eines Materials, das lokal mittels einer Spule magnetisierbar ist, vorgesehen sein, um das System bistabil zu machen; d. h., das System ist sowohl in der aktivierten Stellung als auch in einer Ruhestellung stabil.
Schließlich ist die Erfindung, wie beschrieben, für die Realisierung von Matrizen von Mikromagnetantrieben auf ein und demselben Substrat besonders geeignet.

Claims

1. Planarer Magnetmotor (100) mit mehreren magnetischen Polen (111, 121) aus ferromagnetischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole im Zentrum planarer Spulen (110, 120) angeordnet sind, die aus wenigstens einer Lage Windungen gebildet sind, die an der Oberfläche eines Substrats (130) aus ferromagnetischem Material realisiert sind, wobei die Windungen derart gewickelt und miteinander verbunden sind, daß die durch die magnetischen Pole (111, 121) hindurch generierten magnetischen Flüsse gekoppelt werden.

2. Mikromagnetantrieb mit einem planaren Magnetmotor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er auch ein mechanisches Bauteil (200; 300) mit einem beweglichen Kontakt umfaßt, das einen Tragrahmen (210; 310), der über der Oberfläche des ferromagnetischen Substrats (130) mittels eines Abstandshalters (211; 311) angeordnet ist, ein flexibles Blatt (240; 340), das im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats angeordnet ist und dessen eines Ende an dem Tragrahmen (210; 310) befestigt ist, einen Kern (230; 330) aus ferromagnetischem Material, der von dem flexiblen Blatt (240; 340) getragen ist, und einen mit dem ferromagnetischen Kern (230; 330) fest verbundenen, beweglichen Kontakt (220; 320) aufweist, der einem ortsfesten Kontakt gegenüberliegt, der über der Oberfläche des Substrats (130) des planaren Magnetmotors (100) angebracht ist.

3. Mikromagnetantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragrahmen (210, 310) über einem Substrat (260) angeordnet ist.

4. Mikromagnetantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Substrate (130, 260) aus ferromagnetischem Material sind.

5. Mikromagnetantrieb nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (211) durch Aufbringen eines Leitermaterials auf die Oberfläche des Substrats (130) des planaren Magnetmotors (100) realisiert ist, wobei der Tragrahmen (210) auf dem Abstandhalter (211) über leitfähige Vorsprünge (250) aufgebracht ist.

6. Mikromagnetantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Pole (111, 121) als elektrische Kontakte verwendet sind und nach außen über die ferromagnetischen Substrate verbunden sind.

7. Mikromagnetantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter (311) aus einem Isoliermaterial ist und einstückig mit dem Tragrahmen (310) ausgebildet ist, wobei das flexible Blatt (340) leitfähig und mit seinem am Tragrahmen (310) befestigten Ende mit der Oberfläche des Substrats (130) des planaren Magnetmotors (100) elektrisch verbunden ist.

8. Mikromagnetantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Kontakt (220) des mechanischen Bauteils (200) auf einer verformbaren Membran (270) angeordnet ist.

9. Mikromagnetantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Gleichstrom gesteuert ist, der den planaren Spulen (110, 120) zugeführt ist.

10. Mikromagnetantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er durch eine magnetische, von einem Dauermagneten hervorgerufene Induktion gesteuert ist.