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Dokumentenidentifikation DE102005001439B4 22.02.2007
Titel Elektromechanisches Steuerelement mit einem elastisch verformbaren Polymerkörper und Bauelement damit
Anmelder Hahn-Meitner-Institut Berlin GmbH, 14109 Berlin, DE
Erfinder Fink, Dietmar, Dipl.-Phys.Dr., 14109 Berlin, DE;
Fink, Erich, 14109 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 08.01.2005
DE-Aktenzeichen 102005001439
Offenlegungstag 20.07.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse H01L 49/00(2006.01)A, F, I, 20060427, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02N 2/04(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   B81B 3/00(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   H01L 51/05(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Steuerelement mit einem elastisch verformbaren Polymerkörper, der gleichzeitig zur Rückführung von elektrischen Signalen in einem elektronischen Schaltkreis mit mehreren Elektroden ausgebildet ist. Dabei besteht der Polymerkörper aus einem elektrisch isolierenden Polymermaterial, in das leitende Cluster in regelmäßiger Verteilung eingebettet sind, und auf ein Bauelement mit einem solchen elektromechanischen Steuerelement.

Stand der Technik

Elektromechanische Steuerelemente gibt es sowohl in Makro- als auch in Mikroausführungen. Sie bewirken einen mechanischen Effekt bzw. erfassen diesen durch elektrische Steuerung. Beispiele sind Stellelemente zur Wandlung eines elektrischen Ansteuersignals in eine mechanische Hubbewegung (Piezoaktoren, Magnetspulen), Kraft- und Drucksensoren, aber auch Mikroventile und Mikropumpen. Mikroventile haben üblicherweise eine bewegliche elastische Struktur, die bei Auslegung eines geeigneten elektrischen Signals einen Durchflussweg für ein Fluid verkleinert oder vergrößert, d.h. die als mechanischen Effekt eine Durchflussbegrenzung bewirkt. Umgekehrt haben Mikropumpen üblicherweise eine Membran, die elastisch bzw. elastisch aufgehängt ist, um ein Volumen zu verändern. Eine Mikropumpe wird darüber hinaus auch Ventile aufweisen, um mit der Volumenänderung eine definierte Fluidbeförderung zu erreichen. Der mechanische Effekt bei Mikropumpen besteht somit in dem Transport bzw. der Dosierung eines Fluids. Druck- oder Kraftsensoren können ebenfalls eine elastische verformbare Membran aufweisen, die bei Vorliegen eines bestimmten Drucks um einen bestimmten Grad elastisch verformt, d.h. ausgelenkt wird. Sämtliche genannten elektromechanischen Steuerelemente umfassen einen aktiven Teil, den Aktor, der durch den äußeren mechanischen Effekt elastisch verformt wird bzw. dessen elastische Verformung zu dem mechanischen Effekt führt. Solche elektromechanischen Steuerelemente können eine integrierte Einrichtung zum Umwandeln des mechanischen Effekts in einen elektrischen Effekt oder umgekehrt aufweisen. Dabei kann die Umsetzung des mechanischen Effekts in ein elektrisches Signal erfolgen, um den mechanischen Effekt zu kontrollieren. Der Aktor arbeitet dann gleichzeitig als Sensor. Der elektronische Schaltkreis weist dann zwei Elektrodengruppen auf, von denen die eine für die Aktorfunktion und die andere für die Sensorfunktion zuständig ist.

Aus der DE 199 60 971 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, der mit einem zweiten Piezoaktor in Reihe geschaltet ist. Dabei arbeitet der größere Aktor in der eigentlichen Funktion eines Aktors und erzeugt einen mechanischen Effekt, wohingegen der zweite Aktor als Sensor arbeitet, und ein zur Hubbewegung proportionales Spannungssignal erzeugt, das einer Regelelektronik zugeführt wird. Aus der DE 100 08 752 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, der gleichzeitig als Sensor arbeitet. Für die unterschiedlichen Funktionen werden unterschiedliche Spannungsverläufe aufgeprägt. Die Veränderung des Frequenzsignals ist dann das Maß für den verrichteten mechanischen Effekt. Aus der US 5.836.750 A ist eine Mikropumpe bekannt, mit einer Vielzahl von elementaren Pumpenzellen, deren Membran als Aktor aus einem leitfähigen flexiblen elastischen Polymer bestehen kann. Ein piezoelektrisches Material mit einem polymeren Netzwerk ist aus der DE 693 08 049 T2 bekannt. Hierbei handelt es sich um ein piezoelektrisches Material, das permanent orientierte Dipole aufweist. Ein derartiges Material mit einer chiralen Verbindung und mit einer smektischen Struktur bildet ein anisotropes Netzwerk mit permanent orientierten Dipolen.

In DE 199 48 613 C2 wird ein elektromechanisches Steuerelement mit einem Polymerkörper offenbart, bei dem der Polymerkörper teilweise mit einem Metall dotiert ist, um eine nasschemische Metallabscheidung in diesem Bereich zu ermöglichen. Die gebildete Metallschicht dient dabei der Stabilisierung des Polymerkörpers. Die undotierten Bereiche des Polymerkörpers werden entsprechend nicht mit einer Metallschicht belegt. Dem bekannten elektromechanischen Steuerelement mit einem Polymerkörper liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Herstellung preisgünstiger elektromechanischer Steuerelemente von der etablierten Siliziumtechnologie weggerückt werden muss. Stattdessen wird ein Polymerwerkstoff eingesetzt, der beispielsweise unter Verwendung der Spritzgusstechnik und/oder Prägetechnik in nahezu beliebigen Formen und Strukturen verarbeitet werden kann. Polymermaterialien sind im Allgemeinen ebenfalls sehr preisgünstig, der entscheidende Vorteil liegt jedoch in den einfachen Herstellungstechniken. Polymermaterialien weisen je nach Zusammensetzung elastische Eigenschaften auf, die dazu verwendet werden können, Aktoren mit definierten Auslenkungseigenschaften herzustellen. Weiterhin weist das bekannte elektromechanische Steuerelement, das gleichzeitig als Aktor und als Sensor arbeitet, Metallisierungen auf, die zur Umsetzung des mechanischen Effekts in ein proportionales elektrisches Signal nötig sind, beispielsweise zwei Elektrodengruppen in Fingerstruktur oder als Kondensatorplatten, was relativ aufwändig ist. Weitere Metallisierungen bilden Leiterbahnen in einem elektronischen Schaltkreis. Dabei werden die detektierten Signale über den Sensor nur erfasst, eine regelnde Rückführung erfolgt nicht.

Aus der US 2002/0175594 A1 ist ein elektroaktives Polymersystem bekannt, bei dem die die Steifheit und Dämpfung über einen externen Regelkreis adaptierbar ist. Dabei wird jedoch nur ein Elektrodenpaar verwendet, sodass ein Zweipolsystem gebildet wird. Das Polymersystem kann also nur alternativ als Aktor (Transducer) oder als Sensor arbeiten. In der Funktion des Sensors wird dann der externe Regelkreis beaufschlagt. Das elektroaktive Polymer kann als dielektrisches Elastomer ausgebildet sein, es enthält keine leitfähigen Cluster. Weiterhin ist aus der WO 03/107523 A1 ein elektroaktives Polymersystem bekannt, das in Zylinder- oder Düsenform mit einem veränderlichen Durchtrittsquerschnitt zur Kontrolle von Fluidflüssen eingesetzt wird.

In der US 2004/0025639 A1, von der die Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, wird ein gattungsgemäßes elektromechanisches Steuerelement mit einem elastisch verformbaren Polymerkörper als Aktor, der gleichzeitig als Sensor zur Rückführung von elektrischen Signalen in einem elektronischen Schaltkreis mit mehreren Elektroden ausgebildet ist, offenbart. Dabei besteht der Polymerkörper aus einem elektrisch isolierenden Polymermaterial, in das leitende Cluster in regelmäßiger Verteilung eingebettet sind. Die Elektroden sind als Oberflächenelektroden ausgebildet. Die detektierten Signale werden vom Sensor erfasst, eine regelnde Rückführung auf den Aktor erfolgt jedoch nicht.

Aufgabenstellung und Lösung

Die Aufgabe für ein elektromechanisches Steuerelement der eingangs beschriebenen, gattungsgemäßen Art ist daher darin zu sehen, eine solche Weiterbildung anzugeben, die eine einfache Gewinnung des Signals für den Polymerkörper in seiner Eigenschaft als Sensor ohne aufwändige Elektrodenkonfigurationen ermöglicht, wobei das Signal für den Polymerkörper als Sensor nicht nur als Kontrollgröße, sondern auch als Stellgröße verwendet werden soll. Weiterhin sollen durch die spezielle Modifikation des elektromechanischen Steuerelements spezielle Bauelemente ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Ein spezielles Bauelement unter Einbeziehung des elektromechanischen Steuerelements ist dem nebengeordneten Erzeugnisanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den jeweiligen Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.

Zentrales Element bei dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Steuerelement ist der Polymerkörper aus einem elektrischen isolierenden Aktormaterial mit darin in möglichst regelmäßiger Verteilung eingebetteten leitenden oder halbleitenden Clustern oder Ausscheidungen (Präzipitate) nicht mischbarer Phasen. Das Material dieser Einlagerungen kann ein Metall, ein Halbleiter oder ein leitendes organisches Material, wie z.B. ein leitendes Polymer, sein. Die Einlagerungen können im Prinzip jede beliebige Größe haben; sie müssen allerdings in einer derart hohen Dichte vorliegen, dass sie sich gegenseitig fast oder gerade berühren. Dann fließen bei einer zwischen zwei Elektroden der ersten Elektrodengruppe angelegten externen Spannung von Cluster zu Cluster Tunnel- oder Perkolationsströme als messbare Signalströme für den Sensor. Für diesen sind somit die beiden Elektroden der ersten Elektrodengruppe als Source- und Drainkontakt an gegenüberliegenden Seiten des Polymerkörpers angeordnet. Für den Aktor sind hingegen die beiden Elektroden der zweiten Elektrodengruppe als Gate- und Massenkontakt winklig versetzt angeordnet. Diese sind nicht direkt mit dem Polymerkörper verbunden. Wird nun an diese beiden Elektroden ein elektrisches Feld angelegt, so beginnt der Aktor in Richtung des angelegten Feldes zu expandieren. Bei entgegen gesetzter Polung beginnt er zu kontrahieren. Senkrecht dazu, d.h. in Source-Drain-Richtung, löst diese Formveränderung eine Materialkontraktion (bzw. -expansion) aus, da sich das Gesamtvolumen des Polymerkörpers nur vernachlässigbar ändert. Damit verringert bzw. vergrößert sich auch der Abstand der (halb)leitenden Einlagerungen im Polymerkörper zueinander. Infolgedessen steigen bzw. fallen die transmittierten Source-Drain-Ströme als Signalströme für den Sensor. Mit einer am Gatekontakt angelegten Spannung lässt sich damit über die geometrische Änderung des elastischen Polymerkörpers ein Source-Drain-Strom steuern, sodass eine Art Transistor vorliegt. Allerdings besteht ein Unterscheid gegenüber herkömmlichen Transistoren darin, dass das erfindungsgemäße elektromechanische Steuerelement neben der elektronischen Schalteigenschaft auch noch simultan mechanische Schalteigenschaften aufweist. Die geometrische Änderung des elektromechanischen Steuerelementes kann somit für mechanische Einstellungen, Bewegungen usw. ausgenutzt werden. Auf Grund der exponentiellen Abhängigkeit des Tunnelstromes vom Abstand zwischen den einzelnen Einlagerungen ermöglicht – bei passender Wahl des ursprünglichen Abstandes – schon eine kleine Aktorkontraktion in Source-Drain-Richtung einen großen Anstieg des Tunnelstromes. Eine genaue Aktorregelung über einen als Regelkreis ausgebildeten Schaltkreis ist möglich. Der Source-Drain-Strom geht in die Sättigung über, wenn sich die Einlagerungen eng genug berühren. Der Leckstrom ohne angelegte Gate-Spannung kann durch die Wahl des Abstandes der Einlagerungen im Ausgangsmaterial weitgehend maßgeschneidert werden. Anstatt am Gatekontakt eine elektrische Feldstärke anzulegen, kann auch mechanischer Zug an, bzw. Druck auf den Gatekontakt ausgeübt werden, um Source-Drain-Ströme zu steuern, Dadurch können beispielsweise Tastaturen aus diesen elektromechanischen Steuerelementen aufgebaut werden. Weiterhin kann auch Schall zum direkten Ansteuern dieses elektromechanischen Steuerelement-Typs benutzt werden. Die Grenzfrequenz ist jedoch durch die elastischen Eigenschaften des verwendeten Polymerkörpers bestimmt und überschreitet nicht den kHz-Bereich.

Mit der Erfindung gelingt somit die Herstellung eines elektromechanischen Steuerelementes, welche eine von außen angelegte Steuerspannung simultan in eine Änderung der Geometrie dieser Steuerelementes und ein begleitendes elektrisches Signal umsetzt. Durch dieses Signal wird es ermöglicht, das mechanische Schaltverhalten des Steuerelementes elektronisch zu überwachen. Diese „eingebaute" Rückmeldefunktion macht das elektromechanische Steuerelement beispielsweise geeignet zum Einbau als Aktor in intelligente selbstregelnde Systeme. Das elektromechanische Steuerelement ist sowohl in makroskopischer als auch in miniaturisierter Form herstellbar.

Im Gegensatz zu vergleichbaren herkömmlichen Steuerelementen kommt das elektromechanische Steuerelement nach der Erfindung ohne mechanisch bewegliche Teile aus und ist deshalb störunanfälliger. Im Vergleich zu piezokeramischen Steuerelementen sind hier die mechanischen Änderungen auf Grund der anlegbaren elektrischen Spannungen größer, sodass bessere mechanische Wirkungen erzielt werden können. Schließlich liefern die beanspruchten elektromechanischen Steuerelemente neben den erwünschten mechanischen Änderungen stets auch elektrische Informationen über ihren Arbeitszustand, sodass Kontrollsignale zur intelligenten Regelung zur Verfügung stehen. Damit sind die elektromechanischen Steuerelemente nach der Erfindung beispielsweise auch für den Einsatz in autonomen Roboter-Systemen geeignet.

Die Elektrodenanordnung erfolgt in der Regel so, dass in Richtung der Ausdehnung oder Kontraktion des Polymerkörpers die Elektroden unter einer entsprechenden Spaltbildung zum Polymerkörper angeordnet sind. Elektroden, die in direktem Kontakt mit dem Polymerkörper stehen, können aus metallischen Clustern aufgebaut sein, sodass Expansionen und Kontraktionen nicht die Metallschicht zerstören, sondern nur zu einer Dichteänderung in der Clusterverteilung führen. Als Aktormaterial kann jedes elastische Material verwendet werden, das sich bei Anwesenheit elektrischer Felder mechanisch verformt, d.h. expandiert oder kontrahiert. Die Produktion von Komposit-Materialien aus leitenden Nanoclustern, die bevorzugt als miniaturisierte Cluster eingesetzt werden können, und Polymeren ist derzeit Gegenstand vieler Forschungsaktivitäten. Es können z.B. Gold/Teflon, Nickel/Teflon, Palladium/Plexiglas oder CdS/Polyäthylenoxid-Komposite auf verschiedene Weise (z.B. Co-Evaporation, Nanocluster-Produktion in einer Monomer-Lösung, Zersetzen von im Polymer gelösten Organometallen) hergestellt werden. Im Fall des beanspruchten elektromechanischen Steuerelements kann bevorzugt ein Komposit aus metallischen Nanoclustern (z.B. Gold-Nanoclustern) und einem geeigneten Elastomer (z.B. einem nematischen Polymer) herstellt und eingesetzt werden. Die derzeit herstellbaren nematischen Polymere können sich bei angelegter Spannung bereits bis um 300 % ausdehnen bzw. zusammenziehen. Die angelegten Spannungen können hierbei in der Größenordnung einiger kV liegen. Da sich im vorliegenden Fall für ein gutes elektronisches Schaltverhalten die Abstände zwischen den Einlagerungen nur um einige Ångstr∅m bis max. Nanometer zu verändern brauchen, reicht – je nach Population und Größe der eingebetteten Einlagerungen – zum elektronischen Schalten eine maximale Expansion des Aktors von einigen 10% aus, liegt also weit unter den erreichbaren 300%. Andererseits bewirkt die Einbettung von nichtelastischen Einlagerungen eine gewisse Abnahme der Expansions- (bzw. Kompressions-)Fähigkeit des Komposit-Materials, was zu berücksichtigen ist.

Das erfindungsgemäße elektromechanische Steuerelement kann in beliebiger Geometrie aufgebaut werden. Dabei bestimmt die Formgebung des Polymerkörpers dessen Anwendung. Ein quaderförmiger Polymerkörper, also ein Polymerkörper mit einer linearen Form, entspricht weitgehend einem herkömmlichen Steuerelement und ermöglicht beispielsweise eine Realisierung von Linearaktoren. Weiterhin sind auch konzentrische Formen für den Polymerkörper möglich. Dabei kann dieser dann zylindrisch ausgebildet sein und eine axiale Durchgangsöffnung aufweisen. Weiterhin kann der Polymerkörper auch kegelstumpfförmig ausgebildet sein und eine konische Durchgangsöffnung aufweisen. In diesen Fällen kann neben der Schaltung von Source-Drain-Strömen längs der Zylinderachse gleichzeitig der Radius eines innerhalb des Steuerelementes befindlichen zylindrischen Hohlraumes variiert werden, wenn der Außendurchmesser des Steuerelementes starr gehalten wird. Damit kann z.B. der Durchfluss von Gasen oder Flüssigkeiten gesteuert werden. Durch eine Herstellung des Steuerelements in Röhrenform ergibt sich durch die Variation des Durchmessers des innerhalb des Polymerkörpers befindlichen Hohlraumes somit die Möglichkeit, den Durchfluss von Gasen oder Flüssigkeiten durch den Polymerkörper ohne mechanisch bewegliche Teile zu steuern. Dabei kann durch eine Vertauschung der Elektrodenpaare auch eine longitudinale Expansion/Kompression erreicht werden. Um den Durchfluss durch derartige röhrenförmige Steuerelemente zu optimieren, können diese die Form von Düsen aufweisen – für Gase insbesondere die Form von Laval-Düsen – was einer kegelstumpfförmigen Ausprägung mit einer konischen Durchgangsöffnung entspricht. Die hierbei erreichbaren hohen Austrittsgeschwindigkeiten führen zu hohen Impulsen, sodass auf diese Weise große Kräfte durch kleine Schaltleistungen gesteuert werden können. Damit ist die Effizienz dieser elektromechanischen Steuerelemente in Düsenform im Vergleich zu herkömmlichen linearen Aktoren sehr groß. Sie können sowohl in makroskopischer als auch in miniaturisierter Form bis hinunter in den sub-Mikrometer-Bereich hergestellt werden.

Ein besonders interessanter Aspekt dieser röhrenförmigen elektromechanischen Steuereinheit ist es, dass sie auch miniaturisiert aufgebaut werden kann, indem sie z.B. in geätzte Ionenspuren, (nano)lithographisch hergestellte Poren oder per Laser ausgeschnittene Öffnungen eingebettet werden kann. Dabei kann der kegelstumpfförmige Polymerkörper beispielsweise als Beschichtung auf einer Trägerfolie mit einer konischen Durchgangsöffnung ausgebildet und die konische Durchgangsöffnung von einer geätzten Ionenspur gebildet sein.

Dadurch lassen sich elektromechanische Steuereinheiten in Düsenform mit Durchmessern im sub-Mikrometer-Bereich erreichen. Damit kann ein völlig neuer Größenbereich von ca. 1 cm bis hinunter zu etwa 100 nm für Düsen – speziell Laval-Düsen – erschlossen werden, wobei die individuellen Düsen-Strukturen sehr kompakt und wesentlich einfacher als größere Düsen gestaltet sind, sowohl in Hinblick auf ihre Funktionalität als auch auf ihre technische Umsetzung. Das bringt zwar evtl. Nachteile bzgl. ihrer Optimierung, aber große Vorteile bei deren Massenproduktion dadurch, dass neuartige Produktionsverfahren eingesetzt werden können, wie der Schwerionenbeschuss von Quarzfolien mit anschließendem Ätzen für Laval-Düsen von ca. 10 nm bis ca. 10 &mgr;m Größe. Alternativ können auch selbstorientierende poröse Strukturen (z.B. Aluminiumoxid) eingesetzt werden, unter der Voraussetzung, dass deren Poren in der benötigten Geometrie aufgewachsen werden können. Schließlich können auch lithographische Techniken in Kombination mit Ätzverfahren für Produktion von Laval-Düsen zwischen einigen &mgr;m und einigen 10 &mgr;m, und lasergestützte Bohrverfahren für Laval-Düsen von ca. 10 &mgr;m bis ca. 1 cm eingesetzt werden. Weiterhin existiert auch die Möglichkeit, bei Bedarf durch eine Art Abdruckverfahren aus einer isolierenden mikroporösen Isolator-Folie eine mikroporöse Metallfolie zu gewinnen. Ebenfalls können auch Düsen aus Keramik durch Abdrucktechniken von polymeren mikroporösen Folien (über das Sol-Gel-Verfahren mit anschließendem Brennen) gewonnen werden. Die Materialsorte, die Ionensorte und -energie sowie die Parameter des Ätzverfahrens bestimmen die genaue Form der Poren, inklusive ihres Öffnungswinkels. Um die Stabilität dieser sehr dünnen porösen freitragenden Folien zu gewährleisten, muss bei größeren Düsen-Folien eventuell eine engmaschige Stützstruktur unterlegt werden, damit die Laval-Düsen nicht durch den angewendeten Überdruck zerplatzen. Eine derartige miniaturisierte Düsen-Folie mit Laval-Düsen von einer Größe bis in den Nanometerbereich lässt sich im Übrigen auch mit jedem anderen geeigneten Trägermaterial mit durchgängigen, konisch geätzten Ionenspuren herstellen. Eine Verstellfunktion für den Düsendurchmesser aufgrund des seinen Abmessungen veränderbaren Polymerkörpers entfällt dann.

Düsen werden dazu benutzt, Gase auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Damit können Impulse für Antriebszwecke erzeugt werden. Die Impulse sind der erzielten Gas-Austrittsgeschwindigkeit proportional, die damit erzielte Energie ist dem Quadrat der Austrittsgeschwindigkeit proportional. Deshalb ist es das Bestreben, zwecks Optimierung möglichst hohe Austrittsgeschwindigkeiten zu erreichen. Um speziell Überschall-Austrittsgeschwindigkeiten zu erzielen, wurden die Laval-Düsen entwickelt. Eine Überschall- oder Laval-Düse ist eine gasdurchströmte, sich nach außen erweiternde Struktur, bei der die Gasgeschwindigkeit im Bereich des engsten Durchmessers exakt Schallgeschwindigkeit (d.h. Mach 1) besitzt. Auf Grund der konischen Erweiterung vergrößert sich die Gasgeschwindigkeit in den Überschallbereich hinein. Die Kriterien für die Funktionsfähigkeit von Laval-Düsen sind durch die Einhaltung korrekter Druck- und Querschnitts-Flächenverhältnisse zwischen fest definierten Bereichen der Struktur gegeben Aufgrund ihrer sehr kleinen Abmessungen und geringen individuellen Herstellungskosten können die elektromechanischen Steuerelemente in Form miniaturisierter Laval-Düsen in großen Mengen (bis zu ca. 108 Düsen/cm2) parallel zueinander in mikroporösen Folien angeordnet werden können. Damit entstehen neue Bau- und Konstruktionselemente. Die sehr kleinen Durchmesser der miniaturisierten Düsen führen bei demselben Aspektverhältnis (Querschnittsfläche/Länge) wie von konventionellen makroskopischen Düsen zu sehr kurzen Düsenlängen, d.h. zu sehr kompakten Anordnungen. Weiterhin braucht im Vergleich zu zylindrischen Düsen die Steuerung von Laval-Düsen nur an deren engstem Punkt zu erfolgen, was eine erhebliche Einsparung an Steuerenergie bedeutet. Aufgrund der simultanen elektrischen Widerstandsänderung kann außerdem ein elektrisches Ausgangssignal abgenommen werden, welches den Arbeitspunkt der Laval-Düse ständig überwacht und gegebenenfalls nachregelt.

Es kann somit vorteilhaft ein spezielles Bauelement konzipiert werden, in dessen Innern oder auf dessen Oberfläche das elektromechanische Steuerelement nach der Erfindung angeordnet ist. Dabei kann die Anordnung bevorzugt in geätzten Ionenspuren in einer Isolationsschicht des anderen Bauelements erfolgen. Schließlich können in der Isolationsschicht benachbart zu den geätzten Ionenspuren weitere Ionenspuren mit einem leitenden oder halbleitenden Belag angeordnet sein, der auch auf der Oberfläche des anderen Steuerelements vorgesehen ist, sodass jede weitere Ionenspur bei Anlegen eines elektrischen Feldes einen anderen Spannungswert aufweist. Ein derartiges Bauelement weist eine so genannte „TEMPOS"-Struktur auf, wie sie in der PCT/DE2004/001070 beansprucht wird. Bei einer Kombination des beanspruchten elektromechanischen Steuerelements mit der TEMPOS-Struktur kann das insbesondere mit Nanocluster gefüllte Aktormaterial in den Spuren bzw. auf der Oberfläche der TEMPOS-Strukturen angeordnet werden. Damit kann die Oberflächentopologie von TEMPOS-Bauelementen durch elektronische Signale in gewissem Maße modifiziert werden, was für verschiedene Anwendungen nützlich sein kann (z.B. Steuerung der Benetzbarkeit, horizontaler Transport von mikroskopischen Objekten) Zusammenfassend ergeben sich folgende mögliche Anwendungsbereiche für das beanspruchte elektromechanische Steuerelement:

  • • als lineare elektromechanische Steuerelemente,
  • • als elektromechanische Aktoren ohne bewegte Teile,
  • • alternativ in inverser Funktionsweise als Druckschalter ohne mechanisch bewegte Teile (z.B. in Tastaturen) oder als akustischer Schalter,
  • • als rotationssymmetrische elektromechanische Steuerelemente, insbesondere steuerbare Laval-Düsen,
  • • als steuerbare Miniatur-Antriebe für die Lageregelung von Kleinst-Satelliten,
  • • zur regelbaren Grenzschicht-Beeinflussung von Überschallflugkörpern
  • • zur regelbaren Grenzschichterzeugung zur Hitzedämmung schneller gasumströmter Bauteile (z.B. landender Raumkapseln, Turbinenblätter, Frontbereiche von Überschallflugzeugen),
  • • als homogen regelbare Einspritzvorrichtung für Brennkammern zum besseren Durchmischen von Treibstoffen für schnelle Verbrennungsprozesse in Motoren, und von Komponenten für andere schnelle chemische Reaktionen in chemischen Reaktoren aller Art, (vorausgesetzt, die Zersetzungstemperatur des teilweise organischen Steuermediums wird nicht erreicht oder überschritten),
  • • als regelbare Luftkissen zum Schweben von Kleinstflugkörpern,
  • • als regelbare Luftkissen für mechanisch reibungslos gegeneinander bewegliche kleine Maschinenteile u.a.,
  • • als mikroskopische regelbare Luftkissen zum Transport z.B. von Flüssigkeitströpfchen für Mikrochemie oder von Bakterien, Viren o.ä. für medizinische Manipulationen) und
  • • für alle technischen Einsatzgebiete in der Kältetechnik für Temperaturen im Bereich von etwa –200°C bis –50°C, bei denen das dabei auftretende starke Geräusch keine Rolle spielt.

Ausführungsbeispiele

Ausbildungsformen der elektromechanischen Steuereinheit werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine Prinzipskizze mit einem quaderförmigen Polymerkörper,

2 eine Prinzipskizze mit einem zylindrischen Polymerkörper und

3 eine Prinzipskizze mit einem kegelstumpfförmigen Polymerkörper.

Die 1 zeigt eine elektromechanische Steuereinheit EMS mit einem elastisch verformbaren, quaderförmigen Polymerkörper PK, der elektrisch isolierend ausgebildet ist und in den als Einlagerung leitende oder halbleitende Cluster LC eingebettet sind. Bei den Einlagerungen kann es sich auch um aus dem Stand der Technik bekannte Präzipitate (Ablagerungen, Ausfällungen, Niederschläge etc.) aus zwei nicht mischbaren Phasen handeln. Die Einlagerungen bzw. Cluster LC können prinzipiell jede Clustergröße haben, im dargestellten Ausführungsbeispiel wurden Nanocluster NC gewählt. Die regelmäßige Anordnung der Nanocluster NC ist in der 1 nur schematisch dargestellt. Die Nanocluster NC sind möglichst gleichmäßig im Polymerkörper PK mit einer solchen Clusterdichte verteilt, dass sie sich fast oder gerade berühren. So kann unter angelegter Spannung ein Tunnel- oder Perkolationsstrom über die Nanocluster NC auch dann erreicht werden, wenn sich der Clusterabstand durch eine Expansion des Polymerkörpers PK vergrößert bzw. durch eine Kompression verkleinert. Dabei handelt es sich um Längenänderungen maximal bis in den mm-Bereich.

Das elektromechanische Steuerelement EMS arbeitet sowohl als Aktor AK als auch als Sensor SE. Eine erste Elektrodengruppe EG1 für den Sensor SE weist einen Sourcekontakt SK und einen Drainkontakt DK an gegenüberliegenden Seiten des quaderförmigen Polymerkörpers PK auf. Beide Elektroden SK, DK liegen im gezeigten Ausführungsbeispiel dicht am quaderförmigen Polymerkörper PK an. Bei angelegter Spannung fließt zwischen dem Sourcekontakt SK und dem Drainkontakt DK der Tunnel- oder Perkolationsstrom, der als in einem Regelkreis rückgekoppeltes Signal für den Sensor SE verwendet werden kann. Eine zweite Elektrodengruppe EG2 für den Aktor AK weist einen Massenkontakt MK und einen Gatekontakt GK auf. Die beiden Elektroden MK, GK der zweiten Elektrodengruppe EG2 sind winklig, im gezeigten Ausführungsbeispiel rechtwinklig zur ersten Elektrodengruppe EG1 an den beiden Längsseiten des quaderförmigen Polymerkörpers PK angeordnet. Dabei weist ihre Anordnungen einen Spalt SP zu den Längsseiten des quaderförmigen Polymerkörpers PK auf, um dessen Kontraktion bzw. Expansion zu ermöglichen. Liegen die beiden Elektroden MK, GK direkt auf den Längsseiten des quaderförmigen Polymerkörpers PK an, können sie beispielsweise aus einzelnen Clustern in gleichmäßiger Verteilung und hoher Dichte bestehen. Dadurch wird ein Aufreißen oder eine Faltenbildung von flächigen Metallelektroden bei einer Expansion oder Kontraktion des Polymerkörpers PK vermieden und eine ausreichende Stromsammlung durch die Elektroden MK, GK trotzdem sicher gewährleistet. Gleiches gilt für die beiden Elektroden SK, DK der ersten Elektrodengruppe EG1.

Wird an den beiden Elektroden MK, GK der zweiten Elektrodengruppe EG2 ein elektrisches Feld angelegt, so beginnt der Polymerkörper PK in Richtung des angelegten Feldes zu expandieren. Bei Anlegen einer entgegen gesetzten Polung beginnt er zu kontrahieren (waagerechter Doppelpfeil in 1). Senkrecht dazu, d.h. in Source-Drain-Richtung, wird dadurch eine Materialkontraktion bzw. -expansion ausgelöst (vertikaler Doppelpfeil in 1), da sich das Gesamtvolumen des Polymerkörpers PK nahezu nicht ändert. Damit verringert bzw. vergrößert sich auch der Abstand der (halb)leitenden Nanocluster NC und infolgedessen steigen bzw. fallen die transmittierten Source-Drain-Ströme (Tunnel- bzw. Perkolationsströme), was vom Sensor SE detektiert und angezeigt werden kann. Mit einer am Gatekontakt GK angelegten Spannung lässt sich über die geometrische Änderung des elastischen Polymerkörpers PK ein Source-Drain-Strom steuern, sodass eine Art Transistor vorliegt. Auf Grund der exponentiellen Abhängigkeit des Tunnelstromes vom Cluster-Cluster-Abstand ermöglicht bei passender Wahl des ursprünglichen Abstandes schon eine kleine Kontraktion des Polymerkörpers PK in Source-Drain-Richtung einen großen Anstieg des Tunnelstromes. Der Source-Drain-Strom wird in Sättigung übergehen, wenn die Nanocluster NC sich eng genug berühren. Der Leckstrom ohne angelegte Gate-Spannung kann durch die Wahl des Cluster-Cluster-Abstandes des unveränderten Polymerkörpers PK weitgehend maßgeschneidert werden.

Die elektromechanische Steuereinheit EMS zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Transistoren aber dadurch aus, dass sie neben der elektronischen Schalteigenschaft auch noch simultan mechanische Schalteigenschaften hat. Die geometrische Änderung der Steuereinheit EMS kann für mechanische Einstellungen, Bewegungen, usw. ausgenutzt werden. Anstatt am Gatekontakt GK eine elektrische Feldstärke anzulegen, kann auch mechanischer Zug an bzw. Druck auf den Gatekontakt GK ausgeübt werden, um Source-Drain-Ströme zu steuern, dadurch können beispielsweise Tastaturen aus vielen elektromechanischen Steuereinheiten EMS aufgebaut werden. Weiterhin kann auch Schall zum direkten Ansteuern der elektromechanischen Steuereinheit EMS benutzt werden. Die Grenzfrequenz ist allerdings durch die elastischen Eigenschaften des verwendeten Polymerkörpers bestimmt und dürfte den kHz-Bereich kaum überschreiten.)

Die elektromechanische Steuereinheit EMS kann in beliebiger Geometrie aufgebaut werden; neben der in 1 gezeigten linearen Form sind auch andere, wie z.B. konzentrische zylindrische (2) oder kegelstumpfförmige (3) Formen denkbar. In der 2 ist ein zylindrischer Polymerkörper PK mit einer zentralen zylindrischen Durchgangsöffnung ZD dargestellt. Bei einer derartigen Anordnung lässt sich neben der Schaltung von Source-Drain-Strömen zwischen dem Sourcekontakt SK und dem Drainkontakt DK längs der Zylinderachse gleichzeitig der Radius der innerhalb des zylindrischen Polymerkörpers PK befindlichen zylindrischen Durchgangsöffnung ZD variieren, wenn der Außendurchmesser der zylindrischen Polymerkörpers PK konstant gehalten wird. Damit kann z.B. der Durchfluss von Gasen oder Flüssigkeiten gesteuert werden (vertikaler Pfeil in 2). Durch Vertauschen der Source-Drain-Richtung zwischen dem Sourcekontakt SK und dem Drainkontakt DK und der Gate-Masse-Richtung zwischen dem Gatekontakt GK und dem Massekontakt MK kann bei Bedarf auch eine longitudinale Kompression/Expansion des zylindrischen Polymerkörpers PK erreicht werden.

Um den Durchfluss durch ein derartiges röhrenförmiges elektromechanisches Steuerelement EMS zu optimieren, kann dieses die Form einer Düse haben – für Gase insbesondere die Form eine Laval-Düse. Die hierbei erreichbaren hohen Austrittsgeschwindigkeiten führen zu hohen Impulsen, sodass auf diese Weise große Kräfte durch kleine Schaltleistungen gesteuert werden können. Diese elektromechanisch steuerbaren Steuerelemente EMS in Düsenform können sowohl in makroskopischer als auch in miniaturisierter Form bis hinunter in den sub-Mikrometer-Bereich hergestellt werden. In der 3 ist ein kegelstumpfförmiger Polymerkörper PK mit einer konischen Durchgangsöffnung KD in Düsenform dargestellt. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist der kegelstumpfförmige Polymerkörper PK als Beschichtung BE auf einer Trägerfolie TF, beispielsweise einer Quarzfolie, ausgebildet. Im Bereich beispielsweise einer zur Pore geätzten Ionenspur IS in der Trägerfolie TF ist der schichtartige Polymerkörper PK um die Trägerfolie TF herumgezogen, sodass beide Seiten der Trägerfolie TF beschichtet sind und eine konische Durchgangsöffnung KD gebildet wird. Der Gatekontakt GK und der Massekontakt MK sind ebenfalls schichtartig ausgebildet und um die geätzte Ionenspur IS herumgezogen. Anstelle einen Spalt SP zum Polymerkörper PK aufzuweisen, sind sie gegenüber dem Polymerkörper PK elektrisch isoliert. Längenänderungen des Polymerkörpers PK wirken sich in einer Änderung des Durchgangsdurchmessers der konischen Durchgangsöffnung KD und damit in einer Regulierung des durchströmenden Gasstroms (vertikaler Pfeil in 3) aus. Der Drainkontakt DK und der Sourcekontakt SK dienen im gewählten Ausführungsbeispiel zur Funktionskontrolle der Durchmesservariation.

Mit dem MATHCAD-Programm wurden zwei charakteristische Fälle für ein elektromechanisches Steuerelement EMS in miniaturisierter Düsenform berechnet, die Ergebnisse sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Als Randbedingungen wurde dabei angenommen, dass die Düsen eindimensionale Systeme sind, d.h. dass laterale Gasströmungen vernachlässigt werden können, dass die Gasströmung durch die Düse in stationärem Zustand ist, und dass molekulare Randschichteffekte vernachlässigt werden können, weil die Düsendurchmesser selbst bei nur ca. 10 bis 100 nm noch sehr groß gegenüber atomaren Größenordnungen sind.

Für den Fall einer Laval-Düse mit vorgegebenem Außendurchmesser da und einem konischen Öffnungswinkel von 20° wurde das Verhältnis VF zwischen Eingangsfläche und Ausgangsfläche berechnet, welches eingehalten werden muss, damit die Grundbedingung einer Laval-Düse mit vorgegebener Austrittsgeschwindigkeit (Mach-Zahl) va und Gassorte erfüllt ist. Für diese Rechnung wurde Luft mit einer spezifischen Wärmekapazität von &kgr; = 1,4 angenommen, welche bei Raumtemperatur in die Düse einströmt. Damit ergeben sich die in der Tabelle angegebenen Werte für den engsten Durchmesser d; und die Länge l einer miniaturisierten Laval-Düse sowie die Druckverhältnisse VP zwischen dem engstem Bereich und dem Ausgangsbereich, wobei hierfür normaler Atmosphärendruck angesetzt wurde. Daraus kann die Temperaturerniedrigung &Dgr;T durch eine Gasexpansion hinter der miniaturisierten Laval-Düse abgeschätzt werden. Aus der Tabelle ist erkennbar, dass die Düsendimensionierungen in realistisch herstellbaren Bereichen liegen, dass realistische Eingangsdrücke erforderlich sind, die denen kommerzieller Gasflaschen entsprechen, und dass sich eine relativ starke Temperaturabsenkung hinter dem elektromechanischen Steuerelement EMS in miniaturisierter Laval-Düsenform erzielen lässt.

AK
Aktor
BE
Beschichtung
DK
Drainkontakt
EG1
erste Elektrodengruppe
EG2
zweite Elektrodengruppe
EMS
elektromechanische Steuereinheit
GK
Gatekontakt
IS
geätzte Ionenspur
KD
konischer Durchgangsöffnung
LC
leitender oder halbleitender Cluster
MK
Massenkontakt
NC
Nanocluster
PK
Polymerkörper
SE
Sensor
SK
Sourcekontakt
SP
Spalt
TF
Trägerfolie
ZD
zylindrische Durchgangsöffnung


Anspruch[de]
Elektromechanisches Steuerelement mit

– einem elastisch verformbaren, elektrisch isolierenden Polymerkörper (PK), in den leitende oder halbleitende Cluster (LC) in regelmäßiger Verteilung eingebettet sind,

– einer ersten Elektrodengruppe (EG 1), bestehend aus einem Sourcekontakt (SK) und einem Drainkontakt (DK), die an gegenüberliegenden Seiten des Polymerkörpers (PK) angeordnet sind, und mit

– einer zu der ersten Elektrodengruppe (EG1) winklig versetzt angebrachten zweite Elektrodengruppe (EG2), bestehend aus einem Gatekontakt (GK) und einem Massekontakt (MK), die derart angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des Polymerkörpers (PK) zwischen Gatekontakt (GK) und Massekontakt (MK) angeordnet ist, der Polymerkörper (PK) den Gatekontakt (GK) und den Massekontakt (MK) nicht berührt und beim Anlegen einer Spannung an den Gatekontakt (GK) und den Massekontakt (MK) ein elektrisches Feld in dem Teil des Polymerkörpers (PK) erzeugt wird, wobei

– die Cluster (LC) in einer derart hohen Dichte in den Polymerköper (PK) eingebracht sind, dass beim Anlegen einer Spannung an die erste Elektrodengruppe (EG1) Tunnelströme durch den Polymerkörper (PK) fließen,

– die Größe und Dichte der Cluster (LC) im Polymerkörper (PK) derart ausgewählt wird, dass beim Anlegen einer Spannung an die zweite Elektrodengruppe (EG2) der Polymerkörper (PK) in Richtung des daraus resultierenden elektrischen Feldes expandiert, und

– die beiden Elektrodengruppen (EG1, EG2) in einem Regelkreis derart verschaltet sind, dass über die Expansion des Polymerkörpers (PK) der Tunnelstrom und über den Tunnelstrom die Expansion des Polymerkörpers (PK) gesteuert werden können.
Elektromechanisches Steuerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (SK, DK) der ersten Elektrodengruppe (EG1) aus metallischen Clustern aufgebaut sind. Elektromechanisches Steuerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Cluster (LC) von Ausscheidungen nicht mischbarer Phasen gebildet sind. Elektromechanisches Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerkörper (PK) aus einem nematischen Polymer besteht. Elektromechanisches Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerkörper (PK) zylindrisch ausgebildet ist und eine axiale Durchgangsöffnung (ZD) aufweist. Elektromechanisches Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerkörper (PK) kegelstumpfförmig ausgebildet ist und eine konische Durchgangsöffnung (KD) aufweist. Elektromechanisches Steuerelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Polymerkörper (PK) als Beschichtung (BE) auf einer Trägerfolie (TF) mit einer konischen Durchgangsöffnung (KD) ausgebildet ist. Elektromechanisches Steuerelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Durchgangsöffnung (KD) von einer geätzten Ionenspur (IS) gebildet ist. Bauelement wobei das elektromechanische Steuerelement (EMS) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in dessen Innern oder auf dessen Oberfläche angeordnet ist. Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Steuerelement (EMS) in geätzten Ionenspuren in einer Isolationsschicht des Bauelements angeordnet ist. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Steuerelement (EMS) in geätzten Ionenspuren in einer Isolationsschicht des Bauelements angeordnet ist, wobei benachbart zu den Ionenspuren weitere Ionenspuren mit einem leitenden oder halbleitenden Belag, der auch auf der Oberfläche des Bauelements vorgesehen ist, angeordnet sind.






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