PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69632411T2 19.05.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000878013
Titel MIKROMECHANISCHER MAGNETISCHER AKTUATOR UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DESSELBEN
Anmelder The Regents of the University of California, Oakland, Calif., US;
California Institute of Technology, Pasadena, Calif., US
Erfinder HO, Chih-Ming, Rancho Palos Verdes, US;
MIU, K., Denny, Valencia, US;
LEU, Tzong-Shyng, Jeremy, Plainsboro, US;
MILLER, Raanan, Pasadena, US;
DESAI, Amish, Pasadena, US;
LIU, Chang, Pasadena, US;
TSAO, Tom, Pasadena, US;
TAI, Yu-Chong, Pasadena, US
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69632411
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.01.1996
EP-Aktenzeichen 969200948
WO-Anmeldetag 19.01.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/US96/00848
WO-Veröffentlichungsnummer 0096024145
WO-Veröffentlichungsdatum 08.08.1996
EP-Offenlegungsdatum 18.11.1998
EP date of grant 06.05.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.2005
IPC-Hauptklasse H01F 7/00
IPC-Nebenklasse H02K 57/00   

Beschreibung[de]
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK 1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet des Mikrobearbeitens von elektromagnetischen Bausteinen und insbesondere eines mikrobearbeiteten magnetischen Stellglieds und eines Verfahrens zum Loslösen des magnetischen Stellglieds von seiner Ausgangsscheibe.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Es ist allgemein bekannt, daß magnetisches Stellen verglichen mit elektrostatischen Antriebsmechanismen stärkere Kräfte über längere Wege bereitstellt. Siehe W. Gu et al., AIAA Journal, Vol. 31. No. 7, Seite 1177–86 (1993); und K. Rinoie, Aeronautical Journal, Vol. 97 (961), Seite 33–38 (1993). Elektromagnetisches Antreiben kann in vielen verschiedenen Ausbildungen als Bewegungskraft eingesetzt werden, wie beispielsweise gezeigt von I. J. Busch-Vishniac, Sensors and Actuators, A33 at 207–20 (1992); und C. H. Ahn et al., IEEE J. Microelectromechanical Systems, Vol. 2 (1) at 15–22 (1993), selbst in Kombination mit elektrostatischen Kräften. H. Guckel et al., 1993 IEEE Workshop on Microelectromechanical Systems at 7–11 (1993). Die Einführung elektrochemischen Auftragens von Permalloy (z. B. 50/50 FeNi) hat die Leistung elektromagnetischer Antriebsmechanismen und die Wirksamkeit magnetischer Stellglieder auf dramatische Weise erhöht, wie es beschrieben ist bei B. Wagner et al., Sensors and Actuators, A(32) at 598–03 (1982); und C. Liu et al., 1994 IEEE Workshop on Microelectromechanical Systems at 57–62 (1994); und S. W. Yuan, Foundations of Fluid Mechanics, Prentice Hall (1972).

Was erforderlich ist, ist ein Entwurf für ein mikrobearbeitetes, mikromagnetisches Stellglied, das durch Mikrobearbeiten der Oberfläche gefertigt und das dazu angepaßt werden kann, in hochintegrierten Gruppierungen reproduziert zu werden.

Wie weiter unten beschrieben wird, wird die illustrierte Ausführungsform der Erfindung zunächst allgemein erörtert, dann im besonderen, und zwar für jede beliebige Gruppierung, die bei einem Deltaflügel eingesetzt ist. Der Deltaflügel ist eine der fundamentalen Ausbildungen zum Erzeugen von Hebekräften und seine aerodynamische Steuerung ist ein Auslegungsmerkmal von großer Bedeutung. Wenn Luftströmung auf die beiden Vorderkanten des Flügels mit einem gewissen Angriffswinkel trifft, werden die beiden entgegengesetzt sich drehenden Vorderkantenwirbel von der laminaren Strömung getrennt und sie pflanzen sich über der oberen Oberfläche des Flügels fort. Die beiden Wirbel mit hohem Schwung und niedrigem Druck tragen auf den beiden Seiten des Flügels identische Wirbelhebekräfte bei, wobei die Summe dieser Kräfte etwa 40 Prozent der gesamten Hebekräfte ausmacht. Die Stärke und Stelle dieser beiden Wirbel werden durch die Grenzschichtbedingungen nahe ihrer Trennpunkte bestimmt. Die Grenzschicht ist grob gesehen 1 bis 2 Millimeter dick bei Windtunnel-Strömungsgeschwindigkeiten von weniger als 20 Metern pro Sekunde. Die Dicke wird sich verringern, wenn die Strömungsgeschwindigkeit sich erhöht.

Was also erforderlich ist, ist ein Mittel zur Kontrolle dieser Wirbel, um eine Steuerfunktion für Deltaflügel bereitzustellen.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein mikro-elektromechanisches, magnetisches Stellglied gemäß Anspruch 1. Das Stellglied umfaßt ein Substrat, das eine Oberfläche und eine mikrobearbeitete Klappe besitzt, die aus der Oberfläche des Substrats geschaffen und davon getrennt ist. Mindestens ein mikrobearbeiteter Balken, der aus der Oberfläche des Substrats geschaffen ist, koppelt die Klappe an das Substrat. Eine magnetische Schicht ist auf der Klappe angeordnet. Eine selektiv stellbare Magnetfeldquelle ist nahe am Stellglied angeordnet, um ein magnetisches Feld in der Nähe der Klappe zu erzeugen, um die Klappe auf dem Balken zu biegen, und zwar nach außen von der Ebene der Oberfläche des Substrats. Dadurch ist eine magnetisch verstellbare Klappe außerhalb der Ebene bereitgestellt.

In einer Ausführungsform ist die Magnetquelle ein Elektromagnet. Die magnetische Schicht umfaßt eine Magnetspule, die auf der Klappe angeordnet ist.

Das Stellglied umfaßt weiterhin eine Stromquelle. Die Magnetspule ist durch leitfähige Leitungen an die Stromquelle gekoppelt, die sich von der Magnetspule zur Stromquelle erstrecken. Die Leitungen sind entlang dem Balken angeordnet. Vorzugsweise sind mindestens zwei Balken bereitgestellt, um die Klappe an das Substrat zu koppeln.

In einer anderen Ausführungsform umfaßt die magnetische Schicht einen Dauermagneten und die Magnetquelle ist ein Dauermagnet. Insbesondere ist der Dauermagnet eine Permalloy-Schicht.

Die Klappe weist eine Vielzahl von Bohrungen auf, die darin definiert sind, um das Trennen der Klappe von dem darunterliegenden Substrat zu erleichtern.

Die Erfindung nimmt auch Bezug auf ein Verfahren zum Herstellen eines mikro-elektromechanischen, magnetischen Stellgliedes gemäß Anspruch 1. Das Verfahren umfaßt das Bereitstellen eines im wesentlichen fertigen mikro-elektromechanischen, magnetischen Stellgliedes auf einer Opferschicht, die auf einem darunterliegenden Substrat angeordnet ist. Die Opferschicht, auf der das mikro-elektromechanische, magnetische Stellglied angefertigt worden ist, wird entfernt, indem die Opferschicht durch mindestens eine Öffnung weggeätzt wird, die durch das mikro-elektromechanische, magnetische Stellglied definiert ist, um die darunterliegende Opferschicht zugänglich zu machen. Der geätzte Baustein wird getrocknet, wobei das mikro-elektromechanische, magnetische Stellglied gleichzeitig verstellt wird, um die freigegebenen Teilbereiche des Stellgliedes außer Kontakt mit dem darunterliegenden Substrat zu halten, bis das Trocknen beendet ist.

Die Erfindung kann alternativ als eine Verbesserung eines Verfahrens angesehen werden, bei dem eine oberflächen-mikrobearbeitete Auslegerschicht hergestellt wird, die über einem darunterliegenden Substrat angeordnet ist. Die Verbesserung umfaßt das Bereitstellen der Auslegerschicht auf einer Opferschicht, die ihrerseits auf dem Substrat angeordnet ist. Eine magnetische Schicht ist auf der Auslegerschicht angeordnet. Die Opferschicht unter mindestens einem Teil der Auslegerschicht wird entfernt, um die Auslegerschicht von dem Substrat loszulösen. Die Auslegerschicht wird gleichzeitig von der Substratschicht entfernt gehalten, indem die magnetische Schicht einem magnetischen Feld ausgesetzt wird, das danach strebt, die Auslegerschicht vom Substrat weg anzuheben. Die Auslegerschicht wird von dem Substrat separat gehalten, bis das Entfernen der Opferschicht beendet ist und die Möglichkeit des Anhaftens der Auslegerschicht an das Substrat im wesentlichen erloschen ist.

Entfernen der Opferschicht unter mindestens einem Teil der Auslegerschicht umfaßt das nasse Wegätzen der Opferschicht und, wenn die Auslegerschicht gleichzeitig vom Kontakt mit dem Substrat weggehalten wird, wird es durchgeführt, bis der mikro-elektromagnetische Baustein trocken ist.

In einer anderen Ausführungsform umfaßt die Verbesserung weiterhin das Aufbringen eines organischen Polymers auf mindestens der Auslegerklappe vor dem Aufbringen der Magnetschicht darauf und selektives Entfernen der organischen Polymerschicht und der darauf aufgebrachten Magnetschicht, nachdem das Entfernen der Opferschicht beendet ist.

Die Verbesserung umfaßt weiterhin das Aufbringen eines organischen Polymers auf mindestens der Auslegerklappe vor dem Aufbringen der Magnetschicht darauf und selektives Entfernen der organischen Polymerschicht und der darauf aufgebrachten Magnetschicht, nachdem das Entfernen der Opferschicht beendet ist.

Die Erfindung wird wiederum als eine Verbesserung eines Verfahrens angesehen, wobei eine turbulente Strömung über der Oberfläche eines Objekts kontrolliert wird. Die Verbesserung umfaßt das Anordnen einer Vielzahl mikro-elektromechanischer Stellglieder, wobei jedes davon eine selektiv betreibbare Klappe aufweist, die aus der Ebene des Mikrostellgliedes in die Grenzschicht oberhalb der Oberfläche verstellt werden kann, über welcher die turbulente Strömung stattfindet. Mindestens einige der Vielzahl der elektromechanischen Stellglieder werden selektiv verstellt, um ihre dazugehörigen Klappen in die Grenzschicht zu biegen, um dadurch eine turbulente Strömung zu erzeugen.

Auch wenn die illustrierte Ausführungsform die Bewegung der Klappen 14 in eine Richtung aus der Ebene der Scheibe oder des Substrats heraus beschreibt, sollte es sich ausdrücklich verstehen, daß die Abbiegung in alle Richtungen im Umfang der Erfindung enthalten ist. Der Balkenaufbau könnte im Einklang mit der Lehre der Erfindung geändert werden, um das seitliche Abbiegen eines einzelnen oder mehrerer Balken in der Ebene der Scheibe oder des Substrats, oder jede beliebige Kombination davon, mit einzuschließen.

Das selektive Anordnen der entsprechenden Klappen in die Grenzschicht hinein umfaßt das elektromagnetische Verstellen der Klappen, um die Klappen in die Grenzschicht zu biegen, und zwar aus der Ebene des Stellgliedes heraus.

In einer Ausführungsform ist die Oberfläche eine eine Flugzeug-Steueroberfläche und das selektive Anordnen der jeweiligen Klappen dazu dient, eine Steuerkraft auf der Flugzeug-Steueroberfläche bereitzustellen.

Alternativ dient das selektive Anordnen der jeweiligen Klappen in die Grenzschicht dazu, den Strömungswiderstand der Oberfläche für jeden beliebigen Zweck zu verringern.

Die Erfindung läßt sich leichter bildlich vorstellen, indem jetzt die folgenden Zeichnungen betrachtet werden, bei denen auf gleiche Elemente mit den gleichen Nummern verwiesen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines sich außerhalb einer Ebene bewegenden, magnetischen Stellglieds, das gemäß der Erfindung entworfen wurde.

2 ist eine Querschnittsansicht der Ausführungsform der 1 entlang der Schnittlinien 2-2.

3af sind vereinfachte Querschnittsansichten in einem vergrößerten Maßstab, die das Herstellungsverfahren des Stellglieds der 1 und 2 darstellen.

4 ist eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines sich außerhalb einer Ebene bewegenden, magnetischen Stellglieds, das gemäß der Erfindung entworfen wurde.

5 ist eine Querschnittsansicht der Ausführungsform der 4 entlang der Schnittlinien 5-5.

6a und b ist ein vereinfachtes Seitenansichtschaubild, das die Arbeitsweise des Stellglieds der Erfindung illustriert.

7ad sind vereinfachte Querschnittsansichten in einem vergrößerten Maßstab, die das Herstellungsverfahren des Stellglieds der 4 und 5 darstellen.

8ah sind Querschnittsansichten einer Scheibe, welche die Herstellung eines Mehrfachspulen-Stellglieds illustrieren.

8i ist eine Draufsicht der Vorrichtung, die gemäß dem in den 8ah illustrierten Verfahren hergestellt wurde.

9 ist eine vereinfachte Draufsicht eines Deltaflügels, welche die Anwendung des Stellglieds der Erfindung darin illustriert.

10 ist eine vereinfachte Draufsicht in einem vergrößerten Maßstab eines Teilbereichs des Deltaflügels der 9.

11ae sind Querschnittsansichten einer Scheibe, die ein großvolumiges Bearbeitungsverfahren zum Herstellen einer verstellbaren Verschlußklappe illustriert.

12 ist eine Draufsicht der Verschlußklappe, die gemäß dem in den 11ae illustrierten Verfahren hergestellt wurde.

Die Erfindung, wie sie in ihren illustrierten Ausführungsformen und anderen Ausführungsformen dargelegt ist, die in der Patentschrift offenbart sind, kann jetzt besser verstanden werden, indem die folgende detaillierte Beschreibung betrachtet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ein oberflächen-mikrobearbeitetes, mikro-magnetisches Stellglied ist mit einer Klappe bereitgestellt, die in der Lage ist, große Abbiegungen oberhalb 100 Mikron zu erreichen, indem es Magnetkraft als Stellkraft verwendet. Die Klappe ist über einen oder mehrere Balken an ein Substrat gekoppelt und ist als Ausleger über dem Substrat angeordnet. Eine Permalloy-Schicht oder eine Magnetspule ist so auf der Klappe angeordnet, daß sie dazu veranlaßt werden kann, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt wird, selektiv mit dem magnetischen Stellglied in Wechselwirkung zu treten und aus seiner Ebene zu schwenken.

Die Auslegerklappe wird von dem darunterliegenden Substrat losgelöst, indem eine darunterliegende Opferschicht, die zwischen der Klappe und dem Substrat angeordnet ist, weggeätzt wird. Die weggeätzte und jetzt überstehende Klappe wird magnetisch verstellt, um sie vom Kontakt mit dem Substrat fernzuhalten, während der gerade geätzte Baustein getrocknet wird, um hohe Ablösungswerte zu erzielen.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines mikrobearbeiteten, magnetischen Stellglieds 10, und 2 ist eine Querschnittsansicht entlang den Schnittlinien 2-2 der 1. Das magnetische Stellglied 10 umfaßt eine spiralförmige Magnetspule 12, die auf der Oberseite der Klappe 14 angeordnet ist, die durch zwei Auslegerbalken 16 scharnierartig gehalten wird, die sich von der Seite 18 der Klappe 14 zu einer gegenüberliegenden Seite 20 eines umgebenden Substrats 22 erstrecken.

Das Stellglied 10 der 1 ist ein oberflächen-mikrobearbeitetes, magnetisches Stellglied und, was weiter unten beschrieben wird, es wird als ein integraler Bestandteil eines mikro-elektromechanischen Systems verwendet, um Turbulenz zur Verringerung des Strömungswiderstand zu kontrollieren. Um in dieser Anwendung wirksam zu sein, ist es für die Klappen 14 erforderlich, einen vertikalen Ausschlag von mindestens +/– 100 Mikron am Endpunkt ihrer Bewegung bei einer Bandbreite von mehr als 10 kHz zu erreichen. Kräfte in der Größenordnung von 1–10 Mikro-Newton sind erforderlich, damit die Klappen 14 wirksam arbeiten können.

Die Größe der Klappe 14 kann typischerweise von 250 Mikron bis 900 Mikron auf einer Seite variieren, wobei der Balken 16 eine Länge aufweist, die von 100 bis 360 Mikron variiert, und eine Breite von 14 bis 50 Mikron. Die Ätzlöcher 24, die typischerweise eine Größe von 15 × 15 Mikron2 aufweisen, sind strategisch durch die Klappe 14 hindurch angeordnet, um ein schnelleres Ätzen einer Opferschicht 28 aus Polysiliziumglas zu ermöglichen, wie in 2 dargestellt, um sicherzustellen, daß alle Strukturen in einer Scheibe in etwa dergleichen Zeitspanne freigegeben werden, was offensichtlicher wird, wenn das im Zusammenhang mit den 3af erörterte Herstellungsverfahren betrachtet wird.

Zusätzlich zur Aufhängung der laminierten Klappe 14 aus dünnem Film durch ein Paar linearer, paralleler Balken 16 gehört es zum Umfang der Erfindung, daß die Klappe 14 auch durch eine Vielzahl schlangenförmiger Balken getragen werden könnte, die an jeder ihrer Ecken definiert sind.

Es versteht sich, daß gemäß der Erfindung entweder die Polarität des magnetischen Feldes, dem das Stellglied ausgesetzt ist, oder die Polarität der Spulen auf der Klappe 14 selbst umgeschaltet oder umgekehrt werden können. Somit kann die Polarität und die Phase des in den Spulen fließenden Stroms in einer Gruppierung von Stellgliedern geändert oder variiert werden, um eine verteilte Bewegung in der Gruppierung von Klappen zu erhalten.

Darüber hinaus ist die effektive interne Magnetisierung von Permalloy etwa 2,2 Oe (1 Oe = 7.96 × 101 Am–1), so daß es ein weicher Magnet ist. Seine magnetische Polarität kann also leicht durch ein aufgeprägtes Feld verändert werden. Falls die Polarisierung der Magnetisierung der Permalloyschicht so beschaffen ist, daß die Klappe sich nach unten in das Siliziumsubstrat dreht und von ihm angehalten wird anstatt aus der Ebene herausgedreht zu werden, dann wird eine instabile Hochenergiekonfiguration vom System angenommen. Die Polarität der Permalloyschicht ändert sich spontan oder kehrt sich um, so daß die Klappe sich jetzt aus der Ebene des Substrats herausdreht. Die Aufnahme mechanischer Anschläge zum Begrenzen der Klappenbewegung nach unten stellt sicher, daß diese spontane Magnetisierumkehrung stattfindet.

Bei dem beschriebenen Entwurf eines magnetischen Stellgliedes sind vier Faktoren zu berücksichtigen: zu diesen Faktoren gehören magnetische, thermale, elektrische und fluidische Dynamik. Die magnetische Kraft, die auf die Klappe in einem nicht-gleichförmigen magnetischen Feld einwirkt, ist in der folgenden Gleichung (1) angegeben, in welcher B der magnetische Flußdichtevektor, N die Anzahl der Wicklungen der Spule, I der Strom, der durch die Spule fließt, Rav der Durchschnittsradius der Spule und N der normale Vektor der Stromschlaufe ist.

Mechanisch muß die Wahl der Federkonstanten der Klappe 14 ein Kompromiß sein. Um eine große Verschiebung zu erreichen, sollte die Klappe 14 eine kleine Federkonstante aufweisen. Bei Vorhandensein einer großen Bandbreite ist jedoch eine große Federkonstante erforderlich. Die Kraftkonstante der Klappe 14 läßt sich erzielen, indem ein angenähertes Verbundschichtmodell verwendet wird, wie es bei W. C. Young, Roark's Formulas for Stress and Strain [Roark's Formeln für Spannung und Dehnung], 6th Edition, McGraw Hill (1989), oder durch Verwenden der Simulation finiter Elemente beschrieben ist. In der zur Zeit bevorzugten Ausführungsform sind alle Klappen 14 dazu ausgelegt, Kraftkonstanten im Bereich von 0,001–0,010 Newton pro Meter aufzuweisen.

Die Eigenspannungen der verschiedenen Schichten tragen zu einem Biegemoment bei, das auf die Klappe 14 einwirkt, was zur Folge hat, daß die Klappe 14 in Ruhestellung eine gebogene anstatt einer flachen Konfiguration aufweist. Die Größe der Krümmung einer dünnen Platte aus zwei Materialschichten wird mit der folgenden Gleichung (2) berechnet

in der F die seitliche Kraft aufgrund der Eigenspannung ist, H die Gesamthöhe der zwei Materialschichten ist, E1 und I1 der Elastizitätsmodul und das Trägheitsmoment für die obere Schicht, E2 und I2 der Elastizitätsmodul und das Trägheitsmoment für die untere Schicht und f die Krümmung der Platte ist.

Bei Anstieg der Temperatur der Klappe 14 wird die wärmemäßige Nichtübereinstimmung der verschiedenen Materialien in den Verbundschichten die Klappe dazu veranlassen, sich nach unten zu biegen, was im Falle des Einsatzes auf einer aerodynamischen Oberfläche allgemein unerwünscht ist. Bei gegebener Geometrie und Materialzusammensetzung kann dieses Biegen berechnet werden, wie es bei S. Timoshenko, „Analysis of Bi-Metal Thermostats" [Untersuchung bimetallischer Thermostate], Journal O. S. A. and R. S. I. 11 at 233–55 (Sept. 1925) beschrieben ist. Geometrie und Materialzusammensetzung sind daher so ausgewählt, daß das wärmebedingte Biegen minimiert wird.

Niedriger elektrischer Widerstand ist wünschenswert, um Wärmebildung und somit das wärmebedingte Biegen der Klappe 14 zu minimieren. Der Gesamtwiderstand besteht aus dem Metallspulen-Widerstand, dem Kontaktwiderstand zwischen dem Metall und dem dotierten Polysilizium sowie dem Widerstand der Polysilikon-Klappe 14. Der Widerstand der Polysilizium-Klappe 14 trägt 60 bis 70 Prozent des Gesamtwiderstandes bei, der sich im Bereich von 30 bis 70 Ohm bewegt und daher den Hauptteil der Erwärmung ausmacht.

Da der Aufbau und die Auslegungsparameter des magnetischen Stellglieds 10 nun allgemein beschrieben worden sind, soll jetzt das Verfahren seiner Herstellung, wie in den 3a3f dargelegt, betrachtet werden. Eine 2,5 Mikron dicke Phosphosilikat-Glasschicht 28 ist als Opferschicht mit einem abgemessenen Schwefelgehalt von 6 Prozent bereitgestellt. Die Schicht 28 wird zunächst auf der Scheibenoberfläche unter Einsatz einer chemischen Dampfauftragung bei niedrigem Druck aufgetragen und wird gefolgt von einer chemischen Dampfauftragung bei niedrigen Druck einer Polysiliziumschicht 30 mit einer Dicke von 6000 Angström (1 Angström = 1 × 10–10 m), wie in 3b dargestellt, die bei 620°C aufgetragen wird. Um die Polysiliziumschicht 30 zu dotieren, wird die Scheibe mit einer 5000 Angström dicken Schicht 32 aus Phosphosilikatglas überzogen, wie in 3b dargestellt, und dann bei 950°C eine Stunde lang geglüht, um die Eigenspannung auszugleichen. Während des Glühens wird die Polysiliziumschicht 30 durch Schwefeldiffusion dotiert und der sich ergebende spezifische Widerstand des Films bewegt sich in der Größenordnung von 50,5 Ohm pro Quadratzentimeter. Die obere Glasschicht 32 wird danach entfernt und die Polysiliziumschicht 30 wird durch Fotolithographie gemustert, wie in 3c dargestellt.

Danach wird eine Siliziumnitridschicht 34 mit einer Dicke von 3000 Angström unter chemischer Dampfauftragung bei niedrigem Druck und niedriger Spannung bei 820°C aufgetragen, um die Polysilizium-Klappe 14 zu überdecken und zu isolieren. Das Nitrid wird dann gemustert, um die Kontaktlöcher zu definieren, wie in 3d dargestellt.

Dann wird eine 4000 Angström dicke Aluminiumschicht 36 durch Dampfauftragung aufgetragen und gemustert, um die Spule 12 zu definieren, wie in 3c dargestellt. Gepufferte Fluorwasserstoffsäure und Oxidkissen-Ätzmittel, Type 777 von Olin Hunt Specialty Products Inc., werden dann eingesetzt, um die darunterliegende Opferschicht 28 wegzuätzen, um Klappenloslösung zu erzielen, wie in 3f dargestellt.

Um eine 200 × 200 Mikron große Klappe 14 völlig zu unterätzen, benötigt das Kissenätzmittel annähernd 3 Stunden und die gepufferte Fluorwasserstoffsäure annähernd 30 Minuten. Die langsame Ätzrate sowie auch die niedrige Selektivität über einer Aluminiummetallisierung kann die Ausbeute beeinträchtigen. Ausbeuten lassen sich verbessern, indem eine Chrom/Gold-Metallisierung anstatt einer Aluminiumschicht 36 eingesetzt wird. Eine 100 Angström dicke Haftschicht aus Chrom unter einer 4000 Angström dicken Goldschicht kann in Kombination mit einem Ätzmittel aus 49-prozentiger Fluorwasserstoffsäure eingesetzt werden, um den Scheibenaufbau völlig zu unterschneiden, ohne dabei die Metallisierung zu beschädigen, und um die Ausbeute zu erhöhen. In diesem Fall ist das Ätzverfahren in etwa 2 Minuten beendet und das erforderliche Ätzen auf der Klappe 14 der Polysilizium-Nitridschichten ist minimal.

Das darauffolgende Trocknungsverfahren ist auch wesentlich für das Erzielen einer hohen Ausbeute. Verschiedene Trocknungstechniken sind bekannt, beispielsweise solche die in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben sind: G. T. Mulhern et al., „Supercritical Carbon Dioxide Drying of Microstructures" [Superkritisches Kohlenstoffdioxid-Trocknen von Mikrostrukturen], Technical Digest of Transducers '93 at 296–98 (1993); C. Mastrangelo et al., „A Dry Release Method Based on Polymer Columns for Microstructure Fabrication" [Ein auf Polymersäulen basierendes Trockenloslösungsverfahren für das Herstellen von Mikrostrukturen], IEEE Microelectromechanical Systems Workshop, Fort Lauderdale, Florida, at 77–81 (1992); R. L. Alley et al., „The Effect of Release-Etch Processing on Surface Microstructure Stiction" [Die Auswirkung von Loslösungs-Ätz-Verarbeitung auf die Oberflächenruhehaftung bei Mikrostrukturen] IEEE Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hiltonhead Island, South Carolina, at 202–07 (1992); and T. Hirano et al., „Dry Releasing of Electroplated Rotational and Overhanging Structures" [Trockenes Loslösen von galvanisch überzogenen Dreh- und Auslegeraufbauten], IEEE Microelectromechanical Systems Workshop, Fort Lauderdale, Florida, at 278–83 (1992).

In der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das Verfahren 20 Minuten langes Abspülen der geätzten Scheibe in entionisiertem Wasser und in Azeton, jeweils gefolgt von einem 1 Minute langen Abspülen in Alkohol. Der Alkohol wird durch 10 Minuten langes Abspülen in entionisiertem Wasser entfernt, und die Scheibe wird durch eine Infrarotlampe trockengebacken. Die Ruhehaftung der Klappe an das Substrat ist fast vernachlässigbar und eine Ausbeute von nahezu 100 Prozent wird erzielt. Trocknen unter Einsatz einer Infrarotlampe kann in Verbindung mit einem Konvektionsofen bei 120°C durchgeführt werden.

Um die Klappe 14 daran zu hindern, nach unten auf das Substrat 22 abzusacken und somit während des Herstellens eine dauerhafte Verbindung einzugehen, können Siliziumnitrid-Anbinder eingesetzt werden, um die Klappe 14 während des Opferschicht-Ätzverfahrens in 3f in seiner Position zu halten. In dem bevorzugten Verfahren sind diese Anbinder typischerweise 100 Mikron lang, 6 Mikron breit und 30 Angström dick, wobei sie dieselben Abmessungen aufweisen wie die Nitridschicht 34 mit niedriger Spannung. Die Anbinder werden manuell mit Manipulatorproben gebrochen, nachdem die Platten freigesetzt sind.

Da das manuelle Brechen der Anbinder in großformatigen Gruppierungen uneffizient ist, können sie durch Fotowiderstands-Anbinder mit denselben oder ähnlichen Abmessungen substituiert und dann durch Sauerstoffplasma-Veraschung entfernt werden, nachdem die Platten freigegeben und getrocknet sind. Fotowiderstands-Anbinder sind jedoch nicht in der Lage, dem Prozeß mit 49-prozentiger Fluorwasserstoffsäure standzuhalten und es ist möglich, daß die meisten von ihnen sich innerhalb von 2 Minuten ablösen, wenn sie der Ätze ausgesetzt sind.

Es ist im Herstellungsprozeß beobachtet worden, daß Eigenbiegen der Klappen, das durch Eigenspannungen verursacht wird, im wesentlichen von der Metallisierung unabhängig ist. Daher kann Eigenbiegung nachgebildet werden, wobei ein Nitridpolysilizium-Laminat für die Klappe 14 angenommen wird. Weiterhin ist der Plattenbiegungsgrad allgemein viel höher als Balkenbiegen, und in der illustrierten Ausführungsform wurde festgestellt, daß es sich in der Größenordnung von etwa 700 Mikron bewegt. Wenn Aluminiummetallisierung eingesetzt wird, kann darauffolgendes Glühen, um den Kontaktwiderstand von Aluminium nach Polysilizium zu verringern, die Aluminiumspannung erheblich erhöhen, wodurch das Biegen um annähernd 25 Prozent erhöht wird.

Die wärmebedingte Bewegung von Klappe 14 kann annähernd nachgebildet werden, indem das Stellglied 10 als ein zweischichtiger Thermostat angesehen wird, der aus einer Goldschicht und einer Nitrid/Polysilizium-Verbundschicht besteht. Horizontale und vertikale Abbiegungen von mehr als 100 Mikron werden typischerweise beobachtet, was eine Temperatur von 300°C anzeigt. Die Frequenzreaktion von Wärmeverstellung des Bausteins für eine Klappe von 300 Quadratmikron mit Auslegerbalken, die 200 Mikron lang und 18 Mikron breit sind, hat eine Bandbreite von etwa 1 kHz mit einer Resonanzfrequenz im ersten Modus bei etwa 1 kHz. Kleinere Resonanzspitzen werden bei 180 Hz und 360 Hz beobachtet. Die Bewegung der Klappe 14 wird das Ergebnis sowohl von Wärmewirkungen als auch magnetischer Wirkungen sein. Die beiden lassen sich trennen, indem zunächst ein Gleichstrom an die Spule 12 angelegt und die Wärmebewegung der Klappe beobachtet wird, bis sie zum Stillstand kommt. Danach wird Strom an die elektromagnetische Spule 12 angelegt und die Bewegung verfolgt.

Das externe elektromagnetische Feld ist sowohl von Dauer- als auch von Elektromagneten erzeugt worden und befindet sich typischerweise unter der Klappe 14, die dann mit Gleichströmen im Bereich von 0 bis 50 mA stabilisiert wird. Die Feldstärken für das durch Elektromagnet erzeugte Feld sind variabel, wobei der Spitzenwert bei einer Stromeingabe von 2,5 A mit einem Dauermagneten 1,76 kGauss (1 Gauss = 1 × 10–4 T) ist, wobei eine konstante magnetische Flußdichte von annähernd 2,8 kGauss bereitgestellt ist, wie es auf der Oberfläche des Dauermagneten gemessen wird. Das Gefälle des magnetischen Feldes B nahe der Klappe 14 ist etwa 280 Gauss pro Zentimeter. Bei einer magnetischen Flußdichte von 1,4 kGauss und einem Spulenstrom von 40 mA (70 mW), der durch drei Windungen der Spule 12 fließt, durchläuft eine Klappe, die eine Größe von 420 Quadratmikron aufweist und bei der Größe an zwei Balken 16 hängt, die 280 Mikron lang und 20 Mikron breit sind, einen vertikalen Ausschlag von +/– 100 Mikron.

Eine typische, oben beschriebene Klappe 14 wird eine Luftströmung von 50 Metern pro Sekunde oder mehr überstehen, wenn die Spulenseite der Klappe 14 in den Wind steht. Die Klappe 14 wird sich um 180 Grad umfalten und bei einer Luftströmung von 20 Metern pro Sekunde in der entgegengesetzten Richtung brechen. Es wird erwartet, daß eine Verbesserung beim Eigenbiegen erreicht werden kann, indem Laminatschichten entwickelt werden, die eine kombinierte Spannung von Null aufweisen.

Das beschriebene Stellglied verwendete eine elektromagnetische Spule 12; die Spule 12 kann jedoch durch galvanisch überzogene Dauermagnete ersetzt werden, um wärmebedingtes Biegen zu vermeiden. 4 zeigt es als Draufsicht, wobei 5 ein Längsschnitt ist, der entlang der Schnittlinien 5-5 in 4 gesehen ist. Wie vorher besteht das magnetische Stellglied 10 in 4 aus einer aufgehängten Polysilizium-Platte mit einer Permalloyschicht 42, die darüber angeordnet ist. Ein externes, auf herkömmliche Weise erzeugtes magnetisches Feld ist senkrecht zur Oberfläche des Substrats 22 bereitgestellt und biegt die Klappe 14 aus der Ebene des Substrats 22 ab.

Die Physik der magnetischen Verstellung ist in Verbindung mit den 6ab illustriert. 6a zeigt das Stellglied 10 in einer Ruhestellung in magnetischen Feldern der Umgebung, wobei Elektromagnet 44 abgeschaltet ist. 6b ist eine vereinfachte Seitenansicht des Stellglieds in 6a, wobei der Elektromagnet 44 angeschaltet ist, um die magnetischen Kräfte F1 und F2 auf der oberen Kante 46 und der unteren Kante 48 der Klappe 14 zu erzeugen. Unter der Annahme, daß zwei magnetische Pole entgegengesetzter Polarität an den beiden Enden der Permalloyplatte 42 befestigt sind, werden sich Kräfte in der Richtung entwickeln, wie sie durch die Pfeile für F1 und F2 in 6b angezeigt sind, welche die Klappe 14 aus der Ebene des Substrats 22 abbiegen werden. Die Klappe 14 kann im wesentlichen als starr angesehen werden, so daß die gesamte Biegung in den Balken 16 stattfindet. Das Ergebnis ist ein Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn, das durch F1 entsteht, und eine nach unten gerichtete Kraft, die durch F2 – F1 entsteht. Das Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn überwiegt mit dem Ergebnis, daß die Balken 16 aus der Ebene heraus abgebogen werden. Die Abbiegung nach unten bei Balken 16, die durch die nach unten gerichtete Nettokraft verursacht wird, ist annähernd 8 bis 10 Mal kleiner als jene, die durch das aus der Ebene heraus wirkende Drehmoment verursacht wird.

Die maximale Dehnung von Balken 16 kann berechnet und ein maximaler Biegewinkel bestimmt werden, bei welchem Materialbruch stattfindet. Es kann rechnerisch vorausgesagt werden, daß Klappe 14 sich bis zu 118 Grad abbiegen kann, ehe im Fall von Siliziumbalken ein Bruch stattfindet. Daraus ergibt sich, daß die Klappen 14 niemals ihren Bruchpunkt in einem gleichförmigen magnetischen Feld erreichen werden, bei dem die Feldlinien senkrecht zur Oberfläche des Substrats 22 stehen. Es sollte jedoch angemerkt sein, daß in dem Fall, wenn die Klappen 14 sich in einem Strömungsfeld befinden, durch Strömung hervorgerufene Biegung und Schwingung theoretisch größer sein kann als ein Bruchwinkel.

7ad illustriert einen Hauptschritt bei der Herstellung der Stellglieder in 4 und 5. Herkömmliche Oberflächen-Mikrobearbeitungsverfahren werden eingesetzt, um die Platten/Balken-Strukturen aus Polysilizium auf der Oberseite einer 3 Mikron dicken Opferschicht aus Phosphosilikatglas 46 herzustellen, die auf dem Substrat 22 angeordnet ist, wie in 7a dargestellt. Die Polysiliziumschicht 48 wird dann mit einer 0,5 Mikron dicken Phosphosilikatglasschicht 50 überdeckt, wie in 7a dargestellt, die als komplementäre Schwefeldotierquelle dient. Während eines einstündigen Spannungsfreiglühen bei 1050°C wird die Polysiliziumschicht 48 von beiden Seiten dotiert, um Eigenbiegen aufgrund unausgewogener Dotierkonzentrationen zu vermeiden. Die obere Phosphosilikatglasschicht 50 wird später mit einer Ätze aus gepufferter Fluorwasserstoffsäure entfernt.

Ein dünner Film aus 200 Angström dickem Chrom und 1800 Angström dickem Kupfer wird dann als Dampf über der Polysiliziumschicht 48 als leitende Impfschicht 52 aufgetragen, wie in 7b dargestellt. Ein 5 Angström dicker Fotowiderstand 54 wird selektiv aufgebracht und so gemustert, daß Formrahmen gebildet werden, worin Permalloy (Ni80Fe20) galvanisch überzogen wird. Eine Rahmengalvanisiertechnik, die eingesetzt wird, ist in der Industrie für dünne magnetische Filme bekannt und sie erzeugt Permalloyfilme hoher Qualität.

Während des Galvanisierverfahrens ist die Scheibe an der Kathode befestigt und ist auf eine solche Art ausgerichtet, daß das externe magnetische Feld parallel zu den Trägerbalken 16 verläuft. Die Galvanisierrate beträgt annähernd 5 Mikron pro Stunde bei einer Vorstromdichte von 8 mA pro Quadratzentimeter. Das sich ergebende Permalloy hat eine gesättigte Magnetisierung von 1,35 Tesla, eine relative Durchlässigkeit von 4500, eine kleine Restmagnetisierung zwischen 1 und 10 Gauss und eine Koerzitivkraft von 4 Oe.

Nach dem Galvanisieren wird die Scheibe mit ultraviolettem Licht bestrahlt und der Rahmenfotowiderstand 54 entfernt, wobei das gemusterte, galvanisierte Permalloy 56 zurückbleibt, wie in 7c dargestellt. Die Impfschicht 52 wird unter Verwendung eines Kupferätzmittels und eines standardmäßigen Chrommaskenätzmittels weggeätzt. Die Klappen 14 werden dann durch 20 Minuten langes Ätzen in einer 50-prozentigen Fluorwasserstoffsäure losgelöst, wie in 7d dargestellt. Um das Opferloslösungsverfahren zu erleichtern, gibt es Ätzlöcher 24 durch die Klappe 14 in einer Größe von annähernd 30 Mikron mal 30 Mikron in einem Abstand von 250 Mikron.

Da die Mikroklappen 14 große Oberflächenbereiche aufweisen und die Trägerbalken 16 weich sind mit einer Federkonstanten von etwa 100 Mikro-Newton pro Millimeter, können sie leicht durch Oberflächenspannung nach unten zum Substrat hin gezogen werden und eine Dauerverbindung bilden, falls herkömmliche Trocknungstechniken nach dem letzten Ätzen eingesetzt werden. Bei Raumtemperatur und -druck kann die erfindungsgemäße Trocknungstechnik Ausbeuten von 100 Prozent bereitstellen.

Frühere Versuche, das Loslösungsproblem zu lösen, haben sich darauf konzentriert, die Flüssigkeits-Dampfphasen-Transformation zu eliminieren, die ein Abbiegen in Klappe 14 hervorruft. Zum Beispiel sind Flüssigkeitsgefrier/Sublimationstechniken bei verschiedenen Temperaturen eingesetzt worden von Gucket et al., „The Application of Fine-Grain, Tensile Polysilicon to Mechanically Resonant Transducers" [Das Aufbringen feinkörnigen, zugfesten Polysiliziums auf mechanisch resonante Meßwertumformer], Sensors and Actuators, Vol. 821, at 346–51 (1990), und Takeshimo et al., „Electrostatic Parallelogram Actuators" [Elektrostatische Parallelogramm-Stellglieder], Transducers '91 at 63–6 (1991). Eine andere Lösung, die auf einer Umwandlung von einer superkritischen Flüssigkeit zu Luft beruht, ist eingesetzt worden, wie es gezeigt ist bei G. T. Mulhern et al., „Supercritical Carbon Dioxide Drying Microstructures" [Superkritisches Kohlendioxid beim Trocknen von Mikrostrukturen], Tätigkeitsbericht, Transducers '93 at 296 (1993). Zu Mulherns Verfahren gehört, dem durch die Oberflächenspannung hervorgerufene Abbiegen während des Trocknungsverfahrens entgegenzuwirken, indem polymerische Anker eingesetzt werden, die danach durch Plasmaätzen entfernt werden können. Eine dritte Lösung beruht auf einer Oberflächenbehandlung, welche das Bilden dauerhafter Verbindungen zwischen der Klappe 14 und ihrem darunterliegenden Substrat in Schichten stoppt, nachdem sie zusammengebracht worden sind. Siehe R. L. Alley et al., „The Effect of Release-Etch Processing on Surface Microstructure Stiction" [Die Auswirkung von Loslösungs-Ätz-Verarbeitung auf die Oberflächenruhehaftung bei Mikrostrukturen], IEEE Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hiltonhead Island, South Carolina, at 202–07 (1992).

Gemäß dem erfindungsgemäßen Trocknungsverfahren werden die Mikrostrukturen der Klappe 14 daran gehindert, auf das Substrat hinuntergezogen zu werden, indem sie während des Trocknens durch magnetische Schwebung aus dieser Ebene bewegt werden. Diese magnetische Schwebung wird bereitgestellt, indem ein dünner Film mit Dauermagnet am Ende der Mikrostrukturen angebracht wird, was bei einem magnetischen Stellglied von Natur aus sowieso dazugehört, und indem dann ein externes magnetisches Feld angelegt wird, um die Struktur leicht nach oben zu biegen.

In den Fällen, in denen die Permalloyschicht 50 nicht als Teil des Endproduktes gewünscht wird, kann sie auf einer polymerischen Schicht aufgetragen werden und später durch Unterschneiden und Austreiben des darunterliegenden Polymers durch Trockenätzen entfernt werden. Falls eine Polymerschicht verwendet worden ist, kann eine Loslösung erreicht werden, indem eine trockene Plasmaätze anstatt einer nassen Ätze eingesetzt wird. Die trockene Plasmaätze kann nötigenfalls mit der oben beschriebenen, magnetischen Loslösung kombiniert werden.

Es gibt andere magnetische Verbindungen, die anstelle von Permalloy verwendet werden können. Diese Verbindungen können selektiv in den Strukturen aufgetragen und später mit Fluor- oder Chlorgasen trockengeätzt werden. Die genauen Parameter, die Auswahl des Gases, der Druck und die Leistung können so kalibriert werden, daß die organische Verbindung mit einer viel schnelleren Rate geätzt wird als andere freiliegende Materialien in dem Baustein.

8ai illustriert das Verfahren zum Herstellen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der Mehrfachspulen auf der Klappe 14 und dem benachbarten Substrat 22 eingesetzt werden. Wie schon vorher wird ein auf der Vorderseite poliertes Siliziumsubstrat 22 bereitgestellt, wie in 8a dargestellt. Eine Polysilizium-Glasschicht 28 wird in 8b aufgetragen. Eine Nitridschicht 34 wird beim Schritt der 8c aufgetragen und selektiv gemustert, indem herkömmliche Fotolithographie-Techniken eingesetzt werden, wie in 8d dargestellt. Eine erste Metallisierung 36a, die vorzugsweise ein Laminat von 10 nm Cr und 400 nm Au ist, um mindestens eine erste Spule zu definieren, wird auf der Nitridschicht 34 aufgetragen und selektiv gemustert, wie in 8e dargestellt. Eine Fotowiderstandsschicht 70 wird auf die Oberfläche geschleudert und gemustert, um die Kontaktlöcher 72 über der Metallisierung 36a zu bilden. Eine zweite Metallisierung 36b vom derselben Art wie die erste Metallisierung 36a wird dann aufgetragen, aber mit einer langsameren Rate, um ein Anbrennen der Fotowiderstandsschicht 70 zu vermeiden. Die zweite Metallisierung 36b ist gemustert, wie in 8g dargestellt, und die Fotowiderstandsschicht 70 wird entfernt, und die Opferschicht 28 wird selektiv entfernt, um die Klappe 14 wie oben beschrieben und in 8h dargestellt zu schaffen, um ein doppelschichtiges Spulenstellglied 10 zu erzeugen, wie in der Draufsicht in 8i dargestellt.

Es liegt völlig innerhalb des Umfangs der Erfindung, daß mehr als zwei Spulen oder Metallisierungen 36 auf ähnliche Art auf Klappe 14 angeordnet werden könnten. Weiterhin können eine oder mehrere Spulen 74 ähnlich angefertigt und auf die benachbarten Bereiche der Scheibe angeordnet werden, wie in 8i dargestellt, obwohl es nicht in Verbindung mit der Herstellung der Klappenspulen in 8ah beschrieben ist. Die Spulen 74 würden dann eingesetzt werden, um das magnetische Feld zu erzeugen, in welchem die Klappe 14 betrieben würde. Die zweite Metallisierung 36b kann als eine Luftbrücke über der Metallisierung 36a gebildet werden. Luftbrücken für die Metallisierungen können sowohl für die Spulen auf Klappe 14 als auch Spulen 74 eingesetzt werden. Zum Beispiel können einige der entstandenen Luftbrücken die Spule der ersten Metallisierung nur in ihrem Mittelpunkt und einer äußeren Spulenwindung berühren, wie in der Querschnittsansicht der 8h angezeigt, oder sie können Anker an Punkten im Mittenbereich einsetzen, um Durchsacken der Brücke zu verhindern, was zu einem Kurzschluß bei einer oder mehreren Windungen der Spule führen würde. Die Luftbrücken sind erheblich flexibler als die Balken 16 und würden daher die Abbiegung der Klappe 14 nicht wesentlich beeinträchtigen.

Da die Erfindung jetzt bezüglich des Aufbaus des Stellgliedes und seines Herstellungsverfahrens beschrieben worden ist, sollen nun einige der Anwendungen betrachtet werden, die verwirklicht werden können. Bei der Deltaflügelanwendung der illustrierten Ausführungsform ist eine Gruppierung der oben beschriebenen Mikroklappen auf der Flügeloberfläche angeordnet, um sich 1 bis 2 Millimeter aus der Ebene des Flügels oder zumindest durch eine beträchtliche Dicke der Grenzschicht über dem Flügel abzubiegen. Das System kann enthalten eine Gruppierung von Scherspannungssensoren, die auf dem Flügel zum Erfassen der Turbulenz der Wirbel angeordnet sind, die sich über dem Flügel fortpflanzen. Ein auf dem Chip befindliches, neurales Netz verarbeitet die Sensorsignale gemäß einem eingebauten Rückkopplungsalgorithmus. Die Ausgabe der Signale treibt die mikromagnetische Klappengruppierung an, um die Wirbel zu verringern.

In der illustrierten Ausführungsform wird angenommen, daß der Deltaflügel einen oberen Winkel von 67 Grad besitzt, wie in 9 dargestellt. Zwei Nuten 58, die parallel zur Vorderkante 60 des Flügels verlaufen, werden beim Deltaflügel auf der Unterseite geöffnet, was in 10 besser dargestellt ist. Jede Nute kann beispielsweise eine Größe von 250 Millimeter mal 4 Millimeter aufweisen und 5 Millimeter von der Vorderkante des Flügels entfernt sein. Eine Vielzahl von Elektromagneten 64 sind in der Nut 58 in linearen Gruppierungen magnetischer Klappenstellglieder angeordnet, die von der Art sind, wie sie oben in Verbindung mit den 46 beschrieben sind. Die Stellglieder 10 sind auf der Oberseite der Elektromagneten 60 angeordnet, und zwar bündig mit der Deltaflügeloberfläche. Ein Strom wird an die Elektromagnete angelegt, um ein senkrechtes magnetisches Feld durch die lineare Gruppierung der Stellglieder 10 mit einer Feldstärke von annähernd 2,1 mal 104 Ampere pro Meter auf der Stellgliedebene zu erzeugen. Das Verstellen der Elektromagnete erzeugt ein Rollmoment auf dem Flügel. Ein sehr genau wiederholbares Verhältnis von Rollmoment zu Wirbelhebemoment wird bei verschiedenen Luftströmungs-Geschwindigkeiten über dem Flügel 63 erzeugt. Das maximale Verhältnis von Rollmoment zu Wirbelhebemoment betrug etwa 1,2 Prozent bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 16 Metern pro Sekunde.

Da die Mikrostellgliedklappen 10 in der Nut 58 näher an der Vorderkante 60 angeordnet sind, ist die örtliche Strömungsgeschwindigkeit höher und die Grenzschicht ist dünner, woraus sich ein signifikanteres Rollmoment ergibt. Rollmoment-zu-Wirbelhebemoment-Verhältnisse von bis zu 10 Prozent können bei Luftströmungs-Geschwindigkeiten von 16 Metern pro Sekunde erreicht werden, wenn die passive Klappe sich direkt auf der Vorderkante 60 befindet. In einem Deltaflügel-Jäger vom Typ F15 wäre dies ausreichend, um den Jäger in etwa 1 Sekunde um 360 Grad zu drehen. Es wird erwartet, daß die Fluidbelastung der Klappen 14 erhöht wird, indem sowohl die Flexibilität der Klappen 14 als auch ihre Robustheit erhöht wird und indem die Permalloy/Magnetfeld-Wechselwirkung weiter erhöht wird.

Daher läßt es sich jetzt richtig verstehen, daß unter Verwendung von Mikromaschinen-Gruppierungen in der Größe von Stecknadelspitzen, die computergesteuert sein können, die fluiddynamische Steuerung von Flugzeugen, Schiffen und Fahrzeugen auf intelligentere Weise vorgenommen werden kann, um den turbulenten Strömungswiderstand in solchen Fahrzeugen und anderen Vorrichtungen zu verringern. Die Anwendung ist nicht auf die Steuerung von fluiddynamischen Oberflächenströmungen bei Flugzeugen, Schiffen und Fahrzeugen beschränkt, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo Fluid über eine Oberfläche strömt, einschließlich biomedizinischer Anwendungen wie beispielsweise in Gefäßsystemen, Rohren, Schläuchen, Schutzrohren und dergleichen.

Die Vorteile, die sich durch die Verringerung des turbulenten Strömungswiderstands verwirklichen lassen, werden für signifikant gehalten. Zum Beispiel können bei einem Flugzeug eine Verringerung des turbulenten Strömungswiderstands um nur 1 Prozent die Betriebskosten um 20 Prozent oder mehr verringern. Weiterhin wird erwartet, daß bei der Steuerung eines großen Flugzeuges, das aus der Ebene sich bewegende, mikroverstellbare Klappen verwendet, die Notwendigkeit für Ruder, Querruder, Höhenruder, Klappen, Spoiler und ähnlicher aerodynamischer Vorrichtungen, die von herkömmlichen Flugzeugen zur Steuerung eingesetzt werden, eliminiert oder verringert wird, wobei diese Vorrichtungen wesentlich zum Radarquerschnitt des Flugzeuges beitragen.

Weiterhin könnten die Mikrostellglieder der Erfindung in den Flügeln einer Düsenturbine installiert werden, um die Luft- und Kraftstoffströmung zu verbessern, um höhere Triebwerks-Betriebstemperaturen zu ermöglichen, die den Wirkungsgrad erhöhen. Andere Anwendungen dieser Bausteine könnten eingesetzt werden, um den Auspufflärm von Düsentriebwerken zu dämpfen.

Im einzelnen können Gruppierungen von Stellgliedern 10 auf einer Oberfläche angeordnet sein, und zwar an einer Stelle nur etwas stromaufwärts in einer Fluidströmung über diese Oberfläche, wo die Strömungstrennung normalerweise auftreten würde. Indem die Stellglieder 10 als Reaktion auf die Strömungsdynamik mit einer ausgewählten Frequenz oszilliert werden, kann eine Strömungstrennung in den Umständen vermieden werden, in denen sie sonst auftreten würde, was zu vielen sich daraus ergebenden Vorteilen führt, einschließlich eines erhöhten Wärmeaustauschs zwischen dem Fluid und der Oberfläche.

Die Anwendungen der Erfindung sind nicht auf Aero- oder Strömungsdynamik beschränkt, sondern können allgemein auf den Gebieten Optik und Mikrowellen eingesetzt werden. Die 11ae illustrieren eine großvolumige Mikrobearbeitungs-Anwendung, wobei eine Verschlußklappe, ein Spiegel oder eine Antenne angefertigt werden. Ein <100> Siliziumsubstrat 22 mit einer 35 Mikron starken Epitaxialschicht 78 aus Silizium und einer 4 Mikron starken Ätzstopschicht 80 aus Bor ist auf seinen Vorder- und Rückseiten mit Fotowiderstand 82 überzogen und für die Definition der doppelten Fluchtmarkierungen gemustert, wie in 11a dargestellt. Die Scheibe wird dann großvolumig durch Plasmaätzen bearbeitet, um die Membran 85 zu erzeugen, und die Fluchtmarkierungen werden auf das Silizium übertragen, wie in 11b dargestellt.

Der Fotowiderstand 82 wird entfernt und die Scheibe wird mit einer 5000 Angström dicken Siliziumdioxidschicht 84 oxidiert, eine 200 Angström dicke Ti- und eine 1000 Angström dicke Cu-Impfschicht 86 wird auf die Oxidschicht 84 durch Dampfauftragung auf der Oxidschicht 84 angeordnet. Eine Schicht 88 aus Fotowiderstand wird aufgeschleudert und gemustert, um für die Permalloyschicht 90 eine Form zu bilden, die später aufgetragen wird, wie in

11b dargestellt. Die Scheibe wird dann mit 5–7 Mikron Permalloy galvanisiert und Fotowiderstand 88 wird entfernt, um die gemusterte Permalloyschicht 90 auf der Oberseite der Scheibe zu erzeugen, wie in 11c dargestellt.

Die freiliegenden Bereiche der Impfschicht 86 werden dann weggeätzt und eine neue, 20 Mikron starke Fotowiderstandsschicht 92 wird aufgeschleudert und gemustert, um eine reaktive Ionenätzmittelmaske zu bilden, wie in 11d dargestellt. Die Scheibe wird dann einer reaktiven Ionenätzung unterzogen, bis die Struktur frei ist, wie in 11e dargestellt, und die Schicht 92 wird entfernt.

12 ist eine Draufsicht des angefertigten Bausteins, der sich aus dem Verfahren der 11ae ergibt. Die Scheibe 94 wird von der Verschlußklappe 96 getrennt, welche die Permalloyplatte 98 trägt, und wird mithilfe von zwei schlangenförmigen Auslegerbalken 100 an die Scheibe 94 gekoppelt. In dem großvolumig mikrobearbeiteten Stellglied hat die Platte 98 eine Größe von 2,9 mm mal 1,6 mm und ist 5–7 Mikron dick. Die Verschlußklappe 96 hat eine Größe von 3 mm mal 1,8 mm und ist 39 Mikron dick. Die Balken 100 sind 120 Mikron breit und 39 Mikron dick.

In einer Ausführungsform wurden mechanische Anschläge unterhalb der Membran 85 aus Permalloybalken für die Verschlußklappe 96 angefertigt, und zwar 8 Mikron breit und 200 Mikron lang in der Gestalt eines X ausgebildet, um zu verhindern, daß sich die Verschlußklappe 96 niedriger als die Ebene der Scheibe absenkt. Ein externes magnetisches Feld von 500 Gauss ist ausreichend, um die Verschlußklappe 96 bei niedriger Frequenz in der Größenordnung von 1 mm aus der Ebene der Scheibe 94 mit einem Winkel von 30 Grad abzubiegen. Eine Erhöhung des Feldes auf 1000 Gauss verursacht Abbiegungen bis zu 60 Grad. Verschlußklappen ohne Anschläge vibrieren ober- und unterhalb der Ebene der Scheibe, was von der anfänglichen Ausrichtung der Scheibe relativ zu dem Feld abhängt. Eine Neigung der Scheibe nach unten ergab eine Abbiegung der Verschlußklappe nach unten und umgekehrt. Verschlußklappen mit Anschlägen bewegen sich immer aus der Ebene der Scheibe heraus.

Eine oberflächen-mikrobearbeitete Verschlußklappe kann auch angefertigt werden, indem Techniken eingesetzt werden, die denen für oberflächen-mikrobearbeitete Stellglieder ähnlich sind, wie es in Verbindung mit den Figuren 1 und 4 beschrieben ist. Eine hintere Scheibenöffnung kann durch Nassätzen der Rückseite der Scheibe unterhalb der Klappe 14 gebildet werden. Die Leistung der oberflächen-mikrobearbeiteten Verschlußklappen war vergleichbar mit den oben beschriebenen großvolumig bearbeiteten Verschlußklappen.

Auch wenn die Verschlußklappe im Zusammenhang mit den 11ae und 12 beschrieben worden ist, kann die Verschlußklappe 94 so verarbeitet werden, daß sie als Spiegel fungiert, indem auf der glatten oder polierten Siliziumoberfläche eine geeignete reflektive Oberfläche bereitgestellt wird. Es wird angenommen, daß Anwendungen für steuerbare Reflektoren bei Laserdiskettengeräten und optischer Kommunikation nützlich eingesetzt werden können. Alternativ könnten weitere Verarbeitungsschritte Spulen oder Antennen hinzufügen, die als ausrichtbare Gruppierungen von Hochfrequenzantennen eingesetzt würden, um Hochfrequenzstrahler oder -empfänger mit variablem Brennpunkt zu schaffen. In den Fällen, wo die Antennenelemente aus dotiertem Silizium hergestellt sind, könnte ihr Radarquerschnitt dann variiert werden, und zwar sowohl durch Verändern ihrer Leitfähigkeit, indem Antischmelz-Technologien eingesetzt werden, und durch Verändern ihrer Ausrichtung.

Viele Änderungen und Abänderungen können von Durchschnittsfachleuten vorgenommen werden, ohne dabei vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Daher sollte es sich verstehen, daß die illustrierte Ausführungsform nur als Beispiel vorgestellt ist und daß sie nicht als eine Einschränkung der Erfindung angesehen werden sollte, die durch die folgenden Ansprüche definiert ist.


Anspruch[de]
  1. Mikro-elektromechanisches, magnetisches Stellglied (10), umfassend:

    eine mikrobearbeitete Klappe (14), die von der Oberfläche eines Substrats geätzt und davon getrennt ist;

    mindestens ein mikrobearbeiteter Balken (16), der von der Oberfläche des Substrats geätzt ist und die Klappe an das Substrat koppelt;

    eine magnetische Schicht (12, 42), die auf der Klappe angeordnet ist; und

    eine selektiv stellbare Magnetfeldquelle (44), die nahe am Stellglied angeordnet ist, um ein magnetisches Feld in der Nähe der Klappe zu erzeugen, um die Klappe auf dem Balken zu biegen, und zwar in eine vorbestimmte Richtung zur Ebene der Oberfläche des Substrats, wodurch eine magnetisch verstellbare Klappe außerhalb der Ebene bereitgestellt ist.
  2. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die Magnetquelle (44) ein Elektromagnet ist.
  3. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die magnetische Schicht eine Magnetspule (12) umfaßt, die auf der Klappe angeordnet ist.
  4. Stellglied nach Anspruch 3, weiterhin umfassend eine Stromquelle und wobei die Magnetspule durch leitfähige Leitungen an die Stromquelle gekoppelt ist, die sich von der Magnetspule zur Stromquelle erstrecken, wobei die Leitungen entlang des mindestens einen Balkens angeordnet sind.
  5. Stellglied nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei Balken (16) bereitgestellt sind, um die Klappe and das Substrat zu koppeln.
  6. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die magnetische Schicht einen Dauermagneten (42) umfaßt.
  7. Stellglied nach Anspruch 3, wobei die Magnetquelle ein Dauermagnet ist.
  8. Stellglied nach Anspruch 6, wobei der Dauermagnet eine Permalloy-Schicht ist.
  9. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die Klappe eine Vielzahl von Bohrungen (24) aufweist, die darin definiert sind, um das Trennen der Klappe von dem darunterliegenden Substrat zu erleichtern.
  10. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Richtung mindestens einen Bestandteil aufweist, der sich außerhalb der Ebene des Substrats befindet.
  11. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Richtung mindestens einen Bestandteil aufweist, der sich innerhalb der Ebene des Substrats befindet.
  12. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die Klappe optisch opak ist, so daß das Stellglied als optischer Verschluß fungiert.
  13. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die Klappe optisch spiegelnd ist, so daß das Stellglied als optischer Spiegel fungiert.
  14. Stellglied nach Anspruch 13, das weiterhin eine Spiegelschicht umfaßt, die auf der Magnetschicht der Klappe angeordnet ist.
  15. Stellglied nach Anspruch 3, das weiterhin eine Vielzahl der Magnetspulen umfaßt, die auf der Klappe angeordnet sind.
  16. Stellglied nach Anspruch 3, wobei die Magnetfeldquelle mindestens eine Magnetspule umfaßt, die auf dem Substrat angeordnet ist.
  17. Stellglied nach Anspruch 15, wobei die Magnetfeldquelle mindestens eine Magnetspule umfaßt, die auf dem Substrat angeordnet ist.
  18. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die Balken linear sind.
  19. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die Balken schlangenförmig sind.
  20. Stellglied nach Anspruch 6, wobei der Dauermagnet eine veränderbare Polarität aufweist.
  21. Verfahren zum Herstellen eines mikro-elektromechanischen, magnetischen Stellglieds umfassend:

    Bereitstellen eines im wesentlichen fertigen, mikro-elektromechanischen, magnetischen Stellglieds (10) auf einer Opferschicht (28), die auf einem darunterliegenden Substrat (22) angeordnet ist;

    Entfernen der Opferschicht, auf der das mikro-elektromechanische, magnetische Stellglied hergestellt worden ist, indem die Opferschicht durch mindestens eine Öffnung (24) weggeätzt wird, die durch das mikro-elektromechanische, magnetische Stellglied definiert ist, um die darunterliegende Opferschicht freizulegen; und

    Trocknen des mikro-elektromechanischen, magnetischen Stellglieds bei gleichzeitigem Verstellen des mikro-elektromechanischen, magnetischen Stellglieds, um die abgelösten Bereiche des Stellglieds vom Kontakt mit dem darunterliegenden Substrat fernzuhalten, bis das Trocknen beendet ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Entfernen der Opferschicht erleichtert wird, indem eine Vielzahl von Öffnungen (24) durch das mikro-elektromechanische, magnetische Stellglied bereitgestellt wird, um den Zugang von Ätzmittel zu der darunterliegenden Opferschicht zu verbessern.
  23. Verfahren nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, wobei das Entfernen der Opferschicht (28) eine Auslegerklappe (14) über dem Substrat (22) bildet; und wobei das magnetische Stellglied (10) eine magnetische Schicht (12, 42) beinhaltet, die auf der Klappe angeordnet ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Auslegerklappe (14) von der Substratschicht (22) ferngehalten wird, indem die magnetische Schicht (12, 42) einem magnetischen Feld ausgesetzt wird, wodurch die Tendenz entsteht, die Auslegerklappe von dem Substrat abzuheben, wobei die Auslegerklappe von dem Substrat getrennt gehalten wird, bis das Entfernen der Opferschicht beendet ist und die Möglichkeit eines Anhaftens der Auslegerklappe an das Substrat im wesentlichen ausgeschlossen ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, wobei die Magnetschicht eine Permalloy-Schicht umfaßt.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23–25, weiterhin umfassend das Aufbringen eines organischen Polymers auf mindestens der Auslegerklappe vor dem Aufbringen der Magnetschicht darauf und selektives Entfernen der organischen Polymerschicht und der darauf aufgebrachten Magnetschicht, nachdem das Entfernen der Opferschicht beendet ist.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Entfernen des organischen Polymers mit einer trockenen Plasmaätze durchgeführt wird, um ein Anhaften zu vermeiden.
  28. Verfahren zum Regeln einer Strömung über die Oberfläche eines Gegenstandes, wobei das Verfahren umfaßt:

    Anordnen einer Vielzahl von in Anspruch 1 beanspruchten, mikro-elektromechanischen Stellgliedern, wobei die jeweiligen Klappen der Stellglieder aus der Ebene der Mikro-Stellglieder in eine Grenzschicht oberhalb der Oberfläche angeordnet werden, über welche die Strömung stattfindet; und

    selektives Verstellen von mindestens einigen der Vielzahl der mikro-elektromechanischen Stellglieder, um ihre jeweiligen Klappen in der Grenzschicht anzuordnen, um damit die Strömung zu beeinflussen.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das selektive Anordnen der jeweiligen Klappen in die Grenzschicht das elektromagnetische Verstellen der Klappen umfaßt, um die Klappen aus der Ebene des Stellglieds in die Grenzschicht zu biegen, um eine turbulente Strömung zu erzeugen.
  30. Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Oberfläche eine Flugzeug-Steueroberfläche ist und wobei das selektive Anordnen der jeweiligen Klappen dazu dient, eine Steuerkraft auf der Flugzeug-Steueroberfläche bereitzustellen.
  31. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das selektive Anordnen der jeweiligen Klappen in die Grenzschicht dazu dient, den Strömungswiderstand der Oberfläche zu verringern.
  32. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das selektive Anordnen der jeweiligen Klappen in die Grenzschicht an einer Stelle stromaufwärts von der erwarteten Stromtrennung und Pendeln der Klappen dazu dient, die Stromtrennung des Fluids an einem Punkt stromabwärts von den Klappen zu beeinflussen.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com