DE102017201964A1

DE102017201964A1 - Mikromechanisches Bauteil für einen lagerlosen Elektromotor, lagerloser Elektromotor und Verfahren zum Herstellen des mikromechanischen Bauteils und des lagerlosen Elektromotors

Info

Publication number: DE102017201964A1
Application number: DE102017201964.6A
Authority: DE
Inventors: Joerg Muchow
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2018-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil (12) für einen lagerlosen Elektromotor (10) mit einer Halbleiter-Trägerstruktur (14) aus zumindest einem Halbleitermaterial, in welche mindestens eine Aufnahmeöffnung (16) derart hinein strukturiert ist, dass ein einen Permanentmagneten (18) umfassender Rotor (18) zentriert und um eine Rotationsachse (20) rotierbar in der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16) anordbar ist und Flussleiterstücke (22) radial um den Rotor (18) herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16) anordbar sind, und mindestens einer Sensoreinrichtung (30), welche an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur (14) ausgebildet ist. Ebenso betrifft die Erfindung einen lagerlosen Elektromotor (10). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils (12) für einen lagerlosen Elektromotor (10) und ein Herstellungsverfahren für einen lagerlosen Elektromotor (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für einen lagerlosen Elektromotor und einen lagerlosen Elektromotor. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für einen lagerlosen Elektromotor und ein Herstellungsverfahren für einen lagerlosen Elektromotor.
Stand der Technik
In der EP 0 860 046 B1 ist ein lagerloser (bürstenloser) Elektromotor beschrieben, welcher als Teil seines Rotors eine magnetisierte Scheibe umfasst, die in einem radialen magnetischen Drehfeld um eine Rotationsachse rotiert. Der lagerlose (bürstenlose) Elektromotor ist unter Verwendung von feinmechanischen Techniken hergestellt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für einen lagerlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen lagerlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 3, ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für einen lagerlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und ein Herstellungsverfahren für einen lagerlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine mikromechanische Fertigung von lagerlosen Elektromotoren. Gegenüber herkömmlichen lagerlosen Elektromotoren, welche mittels feinmechanischer Techniken hergestellt sind, was eine Miniaturisierung von deren Bauvolumen signifikant erschwert (bzw. nahezu unmöglich macht), erleichtert eine mikromechanische Fertigung von lagerlosen Elektromotoren mittels der vorliegenden Erfindung deren Miniaturisierung. Die mittels der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik kleiner und/oder leichter ausgebildeten lagerlosen Elektromotoren lassen sich einfacher und vielseitiger einsetzen, selbst in einem menschlichen Körper für medizintechnische Zwecke. Zusätzlich trägt die vorliegende Erfindung zur Reduktion von Fertigungskosten für lagerlose Elektromotoren, z.B. aufgrund von Materialeinsparungen und Verwendung kostengünstig ausführbarer Prozesse der Halbleitertechnologie, bei. Mittels der erfindungsgemäßen mikromechanischen Fertigung von lagerlosen Elektromotoren lassen sich auch deren Fertigungstoleranzen verringern. Dies erlaubt einen Verzicht auf aufwändige Maßnahmen zum Kompensieren einer Unsymmetrie einer Konstruktion und/oder zum Garantieren einer Regelbarkeit. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die mittels der vorliegenden Erfindung gewonnenen lagerlosen Elektromotoren in der Regel eine vergleichsweise große Robustheit aufweisen, was deren Einsetzbarkeit in einer Vielzahl verschiedener Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise selbst bei hohen Temperaturen und/oder in einer chemisch reaktiven Atmosphäre, steigert.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die kostengünstige Ausbildbarkeit der mindestens einen Sensoreinrichtung an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur. Zusätzlich erleichtert die vorliegende Erfindung auch eine Miniaturisierung der mindestens einen Sensoreinrichtung. Eine Vielzahl von aus dem Stand der Technik bekannten Prozessen können zum Ausstatten eines erfindungsgemäßen lagerlosen Elektromotors mit der mindestens einen kostengünstig realisierten und vergleichsweise kleinen und leichten Sensoreinrichtung genutzt werden. Zusätzlich ermöglicht die Ausbildung der mindestens einen Sensoreinrichtung an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur eine vergleichsweise gute Genauigkeit bei deren Positionierung. In der Regel ist die mindestens eine Sensoreinrichtung mit einer Genauigkeit im µm-Bereich an und/oder in der zugeordneten Halbleiter-Trägerstruktur positionierbar. Dies verbessert auch eine Genauigkeit beim Verwenden der mindestens einen Sensoreinrichtung und ermöglicht damit eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Regelung des jeweils damit ausgestatteten lagerlosen Elektromotors.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils sind mindestens ein Hall-Sensor und/oder mindestens ein kapazitiver Sensor als die mindestens eine Sensoreinrichtung an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur ausgebildet. Derartige Sensortypen sind nicht nur vielseitig und vorteilhaft in einem lagerlosen Elektromotor einsetzbar, sondern auch mittels Halbleitertechnologien vergleichsweise klein, leicht und kostengünstig an und/oder in der zugeordneten Halbleiter-Trägerstruktur ausbildbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des lagerlosen Elektromotors ist die mindestens eine Aufnahmeöffnung von einer ersten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur aus in die Halbleiter-Trägerstruktur hinein strukturiert, wobei auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur für jedes der in der Halbleiter-Trägerstruktur angeordneten Flussleiterstücke je ein Flussleiterpfosten benachbart zu dem zugeordneten Flussleiterstück angeordnet ist, und wobei die Flussleiterpfosten von Spulen umwickelt sind. Trotz der kleinen Ausbildbarkeit dieser Ausführungsform des lagerlosen Elektromotors kann somit leicht und verlässlich ein radiales magnetisches Drehfeld an einer Anbringposition des Rotors bewirkt werden, mittels welchem der den Permanentmagneten umfassende Rotor um seine Rotationsachse rotiert wird. Ein weiterer Vorteil der Halbleitertechnologie kann für diese Ausführungsform des lagerlosen Elektromotors genutzt werden, indem sehr dünne Schichten reproduzierbar hergestellt werden. Flussleiter auf beiden Seiten derartiger Schichten ermöglichen eine Übertragung eines magnetischen Flusses beinahe ohne Streufeldverlust. Gleichzeitig sind die Flussleiterstücke hermetisch voneinander getrennt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, in welcher die mindestens eine Aufnahmeöffnung von der ersten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur aus in die Halbleiter-Trägerstruktur hinein strukturiert ist, ist auf der von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur eine Rückführscheibe angeordnet. Die Rückführscheibe kann beispielsweise auf der zweiten Seite direkt an der Halbleiter-Trägerstruktur befestigt sein. Ebenso kann die Rückführscheibe an von der Halbleiter-Trägerstruktur weg gerichteten Enden der Flussleiterpfosten befestigt sein. In allen hier beschriebenen Fällen bildet die Rückführscheibe zusammen mit den Flussleiterstücken (und eventuell den Flussleiterpfosten) einen permanentmagnetischen Flusskreis, mittels welchem ein Ausbrechen des Rotors aus seiner planparallelen Lage bezüglich einer Substratoberfläche gehindert ist.
Beispielsweise kann der Rotor als Pumpenrotor, als Propellerrotor oder mit mindestens einer lichtreflektierenden Oberfläche ausgebildet sein. Der lagerlose Elektromotor kann somit als Teil einer Pumpe (wie beispielsweise in der Medizintechnik als Herzpumpe), als Teil einer propellerbestückten oder propellerangetriebenen Vorrichtung oder als Teil einer optisch aktiven Vorrichtung (wie beispielsweise einer Mikrospiegelvorrichtung) eingesetzt werden.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen eines korrespondierenden Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für einen lagerlosen Elektromotor bewirkt. Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für einen lagerlosen Elektromotor gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weiterbildbar ist.
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für einen lagerlosen Elektromotor die oben schon beschriebenen Vorteile. Auch das Herstellungsverfahren für einen lagerlosen Elektromotor ist gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils und des lagerlosen Elektromotors weiterbildbar.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1a und 1b schematische Darstellungen einer Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, bzw. des damit ausgestatteten lagerlosen Elektromotors, wobei 1a eine Draufsicht auf den lagerlosen Elektromotor und 1b einen Querschnitt durch den lagerlosen Elektromotor entlang einer Linie A-A' der 1a zeigen;
2 einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für einen lagerlosen Elektromotor;
3a und 3b schematische Querschnitte durch Halbleitersubstrate zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen lagerlosen Elektromotor; und
4a bis 4e schematische Darstellungen zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen lagerlosen Elektromotor.

Ausführungsformen der Erfindung
1a und 1b zeigen schematische Darstellungen einer Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, bzw. des damit ausgestatteten lagerlosen Elektromotors, wobei 1a eine Draufsicht auf den lagerlosen Elektromotor und 1b einen Querschnitt durch den lagerlosen Elektromotor entlang einer Linie A-A' der 1a zeigen.
Der in 1a und 1b schematisch dargestellte lagerlose Elektromotor 10 umfasst ein mikromechanisches Bauteil 12 mit einer Halbleiter-Trägerstruktur 14 aus zumindest einem Halbleitermaterial. Beispielsweise kann die Halbleiter-Trägerstruktur 14 zumindest teilweise aus Silizium (als dem Halbleitermaterial) gebildet sein. Die Halbleiter-Trägerstruktur 14 kann insbesondere aus einem (reinen) Siliziumsubstrat oder einem (reinen) Siliziumwafer herausstrukturiert sein. Als Alternative oder als Ergänzung zu Silizium kann die Halbleiter-Trägerstruktur 14 jedoch auch noch aus mindestens einem anderen Material, wie beispielsweise mindestens einem anderen Halbleitermaterial, mindestens einem elektrisch isolierenden Material und/oder mindestens einem Metall, gebildet sein. Die Halbleiter-Trägerstruktur 14, bzw. das mikromechanische Bauteil 12, können somit mittels MEMS-Technologie (d.h. mittels Mikrosystem-Technik, Mikrosystem-Technologie oder Mikro-Elektro-Mechanischer-System-Technologie) gefertigt sein/werden.
Mindestens eine Aufnahmeöffnung 16 ist (mittels MEMS-Technologie) derart in die Halbleiter-Trägerstruktur 14 hineinstrukturiert, dass ein Rotor 18 zentriert und um eine Rotationsachse 20 rotierbar in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 anordbar ist und (zusätzlich) Flussleiterstücke 22 radial um den Rotor 18 herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 anordbar sind. Unter dem Rotor 18, welcher in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 anordbar/angeordnet ist, ist eine Komponente zu verstehen, welche zumindest einen Permanentmagneten 18 (mit einer Magnetisierungsrichtung 24) umfasst. Mittels einer Erzeugung eines um die Rotationsachse 20 rotierenden magnetischen Wechselfeldes kann der in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 angeordnete Rotor 18 deshalb in eine Drehbewegung um die Rotationsachse 20 versetzt werden. Der Rotor 18 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet. Insbesondere kann der Rotor 18 kugelförmig, ellipsiodförmig, zylinderförmig, ringförmig oder scheibenförmig ausgebildet sein.
Die Flussleiterstücke 22 sind vorzugsweise aus mindestens einem magnetischen Flussleitermaterial/mindestens einem weichmagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen und/oder Nickel, insbesondere Legierungen aus Eisen und Nickel (Permalloy), geformt. Als Alternative oder als Ergänzung zu Eisen und/oder Nickel können die Flussleiterstücke 22 jedoch auch aus mindestens einem anderen magnetischen Flussleitermaterial/weichmagnetischen Material geformt sein. Zum Bewirken des um die Rotationsachse 20 rotierenden magnetischen Wechselfeldes an einer Anbringposition des Rotors 18 können die Flussleiterstücke 22 deshalb vorteilhaft eingesetzt werden. Außerdem sind die Flussleiterstücke 22 vorzugsweise so unverstellbar in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 anordbar/angeordnet oder befestigbar/befestigt, dass eine Position und Stellung der Flussleiterstücke 22 in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 durch das rotierende magnetische Wechselfeld und die Drehbewegung des Rotors 18 um die Rotationsachse 20 nicht beeinträchtigt werden. Die Flussleiterstücke 22 können somit auch als „Statorzähne“ bezeichnet werden. Jedes der Flussleiterstücke 22 kann in Form eines geraden Prismas mit einem gleichschenkeligen Trapez als Grundfläche (bzw. „tortenstückförmig“) geformt sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit des mikromechanischen Bauteils 12, bzw. des damit ausgestatteten lagerlosen Elektromotors 10, nicht auf eine bestimmte Form der Flussleiterstücke 22 limitiert ist.
Die Halbleiter-Trägerstruktur 14, bzw. das mikromechanische Bauteil 12, können somit als eine (mittels MEMS-Technologie gefertigte) „Schablone“ umschrieben werden. Die Verwendung der „Schablone“ erleichtert und verbessert eine Anordnung und Ausrichtung des Rotors 18 und der Flussleiterstücke 22 zueinander, welche mittels der Form der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 leicht und mit einer vergleichsweise großen Genauigkeit festlegbar ist. Auf diese Weise ist sicher gewährleistbar, dass der um die Rotationsachse 20 rotierbar in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 angeordnete Rotor 18 und die radial um den Rotor 18 herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 angeordneten Flussleiterstücke 22 vorteilhaft zueinander angeordnet und ausgerichtet sind. Insbesondere können mittels der Ausbildung der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 Halbleiterstege 26 zwischen jeweils zwei benachbarten Flussleiterstücken 22 und/oder ein Zentrierstift 28 zur Montage des den Permanentmagneten 18 umfassenden Rotors 18 ausgebildet sein. Die Verwendung der Halbleiter-Trägerstruktur 14 als „Schablone“ erleichtert somit eine exakte Positionierung der Komponenten 18 und 22.
Die Verwendung der (mittels der MEMS-Technologie hergestellten) Halbleiter-Trägerstruktur 14, bzw. des (mittels der MEMS-Technologie hergestellten) mikromechanischen Bauteils 12, ermöglicht auch eine Minimierung des lagerlosen Elektromotors 10. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der lagerlose Elektromotor 10 so klein ausbildbar ist, dass er selbst in einem menschlichen Körper (relativ) problemlos, z.B. für einen medizintechnischen-Einsatz (wie beispielsweise als Herzpumpe), einsetzbar ist.
Das mikromechanische Bauteil 12 weist auch mindestens eine Sensoreinrichtung 30 auf, welche an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur 14 ausgebildet ist. Die Integration der mindestens einen Sensoreinrichtung 30 in die Halbleiter-Trägerstruktur 14 erzielt eine deutliche Erhöhung von Fertigungstoleranzen. Zusätzlich kann die MEMS-Technologie auch zur Herstellung der mindestens einen Sensoreinrichtung 30, und damit zur vorteilhaften Positionierung der mindestens einen Sensoreinrichtung 30, genutzt werden. Eine auf diese Weise realisierbare exakte Lage der mindestens einen Sensoreinrichtung 30 trägt wesentlich zur Verbesserung einer Regelbarkeit des lagerlosen Elektromotors 10 bei.
Beispielsweise können mindestens ein Hall-Sensor 30 und/oder mindestens ein kapazitiver Sensor als die mindestens eine Sensoreinrichtung 30 an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur 14 ausgebildet sein. Insbesondere zur Ausbildung derartiger Sensortypen können kostengünstige und einfach ausführbare lithographische Prozesse mit einer hohen Genauigkeit (im Nanometer-Bereich) bei der Positionierung der mindestens einen Sensoreinrichtung 30 ausgeführt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der mindestens einen Sensoreinrichtung 30 nicht auf die hier genannten Sensortypen limitiert ist.
In der Ausführungsform der 1a und 1b ist die mindestens eine Aufnahmeöffnung 16 von einer ersten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur 14 aus in die Halbleiter-Trägerstruktur 14 hinein strukturiert. Auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur 14 ist für jedes der in der Halbleiter-Trägerstruktur 14 angeordneten Flussleiterstücke 22 je ein Flussleiterpfosten 32 benachbart zu den zugeordneten Flussleiterstücken 22 angeordnet. Die Flussleiterpfosten 32 können z.B. jeweils in (auf der zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur 14 ausgebildeten) Vertiefungen (teilweise) eingesetzt sein. Die Flussleiterpfosten 32 sind von Spulen 34 umwickelt. Mittels einer Bestromung der Spulen 34 (mit mindestens zwei unterschiedlichen Wechselstromsignalen) sind die Flussleiterstücke 22 und die Flussleiterpfosten 32 magnetisierbar, wodurch das um die Rotationsachse 20 rotierende magnetische Wechselfeld an der Anbringposition des Rotors 18 bewirkbar ist. Durch die Anordnung der Flussleiterpfosten 32 und Spulen 34 auf der zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur 14 können die Flussleiterstücke 22 unabhängig von den Flussleiterpfosten 32 und Spulen 34 positioniert werden. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass eine Anzahl der Flussleiterstücke 22, der Flussleiterpfosten 32 und der Spulen 34 entsprechend der gewünschten Polzahl des lagerlosen Elektromotors 10 frei wählbar ist.
Zur Bestromung der Spulen 34 des lagerlosen Elektromotors 10 (mit mindestens zwei unterschiedlichen Wechselstromsignalen) wird nur vergleichsweise wenig Energie benötigt. Für eine Energieversorgung des lagerlosen Elektromotors 10 können deshalb auch (auswechselbare) Batterien oder Akkus verwendet werden. Dies erleichtert einen Einsatz des lagerlosen Elektromotors 10 in einer Vielzahl von Einsatzorten, wie beispielsweise in einem menschlichen Körper.
Die Magnetisierungsrichtung 24 des Permanentmagneten 18 ist geneigt, vorzugsweise senkrecht, zu der Rotationsachse 20 ausgerichtet ist. Eine Magnetisierungsrichtung 24 des Permanentmagneten 18 in einer von den Flussleiterstücken 22 aufgespannten/umgebenden Lage ist deshalb bevorzugt. Man kann dies auch als eine „in-plane-Magnetisierung“ des Permanentmagneten 18 umschreiben.
Der lagerlose Elektromotor 10 der 1a und 1b weist außerdem eine auf der zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur 14 angeordnete Rückführscheibe 36 auf. Die Rückführscheibe 36 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch bezüglich der Rotationsachse 20 angeordnet. Beispielsweise kann die Rückführscheibe 36 an von der Halbleiter-Trägerstruktur 14 weg gerichteten Enden der Flussleiterpfosten 32 befestigt sein. Die Rückführscheibe 36 dient als magnetischer Schluss zur Stabilisierung des Rotors 18. Mittels der Rückführscheibe 36 kann ein „Ausbrechen“ oder „Wegdriften“ des Rotors 18 in eine Richtung entlang der Rotationsachse 20 gehindert werden. Man spricht dabei auch von einer „In-plane-Stabilität“ des Permanentmagneten/Rotors 18 „parallel“ zu der Rückführscheibe 36. Die Rückführscheibe 36 ist deshalb auch als ein „Back-Iron“ umschreibbar.
In der Ausführungsform der 1a und 1b besteht der Rotor 18 beispielhaft lediglich aus dem Permanentmagneten 18. In einer Weiterbildung des lagerlosen Elektromotors 10 der 1a und 1b kann der Rotor 18 auch als Pumpenrotor, als Propellerrotor oder mit mindestens einer lichtreflektierenden Oberfläche ausgebildet sein. Dies ist realisierbar, indem zusätzliche Elemente an dem Rotor 18 befestigt und/oder ausgebildet werden. Beispielsweise können in einem Winkel ungleich 0° und ungleich 180° zu der Rotationsachse 20 ausgerichtete Flächen für eine Pumpen-Funktion oder für eine Propeller-Funktion (zum Bewirken einer Strömung eines Gases und/oder einer Flüssigkeit und/oder zum Bewirken einer Fortbewegung einer Vorrichtung) genutzt werden. Mindestens eine in einem Winkel ungleich Null und ungleich 90° zu der Rotationsachse 20 ausgerichtete lichtreflektierende Oberfläche des Rotors 18 kann außerdem für eine optisch aktive Vorrichtung, wie beispielsweise eine Mikrospiegelvorrichtung, genutzt werden.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für einen lagerlosen Elektromotor.
Bei einem Ausführen des im Weiteren beschriebenen Verfahrens wird eine Halbleiter-Trägerstruktur 14 aus zumindestens einem Halbleitermaterial gebildet, wobei mindestens eine Aufnahmeöffnung 16 derart in die Halbleiter-Trägerstruktur 14 hinein strukturiert wird, dass ein einen Permanentmagneten 18 umfassender Rotor 18 (des späteren Elektromotors 10) zentriert und um eine Rotationsachse 20 rotierbar in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 anordbar ist und Flussleiterstücke 22 (des späteren Elektromotors 10) radial um den Rotor 18 herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 anordbar sind. Insbesondere kann die Halbleiter-Trägerstruktur 14 mittels des Bildens der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 aus einem Halbleitersubstrat heraus strukturiert werden. Das jeweilige Halbleitersubstrat kann beispielsweise Silizium (als dem Halbleitermaterial) umfassen. Insbesondere kann die Halbleiter-Trägerstruktur 14 mit der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 aus einem (reinen) Siliziumsubstrat oder einem (reinen) Siliziumwafer (als dem Halbleitermaterial) herausstrukturiert werden. Als Alternative oder als Ergänzung zu Silizium kann die Halbleiter-Trägerstruktur 14 jedoch auch aus mindestens einem anderen Halbleitermaterial, mindestens einem elektrisch isolierenden Material und/oder mindestens einem Metall gebildet werden.
Zum Strukturieren der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 kann mindestens ein Ätzprozess ausgeführt werden. Somit kann eine gewünschte Form der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 leicht mittels eines kostengünstig und einfach ausführbaren Prozesses genau eingehalten werden.
Beim Ausbilden der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 können Halbleiterstege 26 derart an der Halbleiter-Trägerstruktur 14 geformt werden, dass jeweils einer der Halbleiterstege 26 ein Anstoßen von zwei in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 benachbart angeordneten Flussleiterstücken 22 verhindert. Außerdem können die Halbleiterstege 26 so geformt werden, dass die an die Halbleiterstege 26 anstoßenden Flussleiterstücke 22 nur durch einen vergleichsweise geringen Spalt von dem in seiner Anbringposition vorliegenden Rotor 18 beabstandet, jedoch ohne Berührungskontakt mit dem Rotor 18, in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 angeordnet sind. Alternativ oder ergänzend zu den Halbleiterstegen 26 kann auch ein Zentrierstift 28 zur Montage des den Permanentmagneten 18 umfassenden Rotors 18 mittels der Ausbildung der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 gebildet werden. Vorzugsweise wird der Zentrierstift 28 radial-zentrisch in die Halbleiter-Trägerstruktur 14 hinein strukturiert.
Optionaler Weise kann auch, vor oder nachdem die mindestens eine Aufnahmeöffnung 16 von einer ersten Seite der (späteren) Halbleiter-Trägerstruktur 14 aus in die Halbleiter-Trägerstruktur 14 hinein strukturiert wird, mindestens eine weitere Vertiefung 40 in eine von der ersten Seite weg gerichtete zweite Seite der Halbleiter-Trägerstruktur 14 strukturiert werden. Auch zum Strukturieren der mindestens einen weiteren Vertiefung 40 kann mindestens ein Ätzprozess ausgeführt werden. Eine Ausführbarkeit des hier beschriebenen Verfahrens ist (nahezu) unabhängig von einer Form der mindestens einen weiteren Vertiefung 40. (Die mindestens eine weitere Vertiefung kann beispielsweise zum späteren Befestigen der Flussleiterpfosten 32 und/oder der Rückführscheibe 36 genutzt werden.)
Vor und/oder nach dem Strukturieren der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 wird mindestens eine Sensoreinrichtung 30 an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur 14 ausgebildet. Das Ausbilden der mindestens einen Sensoreinrichtung 30 kann mittels MEMS-Technologie erfolgen. Auf diese Weise in die mindestens eine Sensoreinrichtung 30 kostengünstig, mittels eines vergleichsweise geringen Arbeitsaufwands und unter guter Einhaltung einer gewünschten Position der mindestens einen Sensoreinrichtung 30 an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur 14 ausbildbar. Beispielsweise können mindestens ein Hall-Sensor 30 und/oder mindestens ein kapazitiver Sensor als die mindestens eine Sensoreinrichtung 30 an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur 14 ausgebildet werden. Es ist oben schon erwähnt, dass mindestens ein lithographischer Prozess zum genauen Positionieren eines derartigen Sensortyps gut geeignet ist.
Das fertige mikromechanische Bauteil 12 ist in 2 schematisch dargestellt.
3a und 3b zeigen schematische Querschnitte durch Halbleitersubstrate zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen lagerlosen Elektromotor.
Bei einem Ausführen des mittels der 3a und 3b schematisch wiedergegebenen Herstellungsverfahrens wird zuerst das (später als „Schablone“ verwendete) mikromechanische Bauteil 12 gemäß dem anhand der 2 erläuterten Verfahren hergestellt. Anschließend werden der den Permanentmagneten 18 umfassende und um die Rotationsachse 20 rotierbar angeordnete Rotor 18 und die Flussleiterstücke 22 radial um eine Anbringposition des Rotors 18 herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 der Halbleiter-Trägerstruktur 14 des mikromechanischen Bauteils 12 eingesetzt oder gebildet.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens werden (vor einem Einsetzen oder Bilden des Rotors 18 in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16) die Flussleiterstücke 22 mittels eines Lithographie-Galvanik-Abformung-Verfahrens radial um die spätere Anbringposition des Rotors 18 herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 gebildet. Das dazu ausgeführte Lithographie-Galvanik-Abformung-Verfahren kann auch als ein LIGA-Verfahren oder LiGA-Verfahren bezeichnet werden.
Anschließend wird der Rotor 18 an seiner Anbringposition in die mindestens eine Aufnahmeöffnung 16 eingesetzt. Für eine Montage des Rotors 18 kann ein an der Halbleiter-Trägerstruktur 14 ausgebildeter Zentrierstift 28 genutzt werden. Außerdem kann an dem Rotor 18 ein Sackloch 42 ausgebildet sein, in welches der Zentrierstift 28 bei der Montage des Rotors 18 zumindest teilweise eingefügt wird. Auf diese Weise ist eine gute Zentrierung des Rotors 18 zwischen den Flussleiterstücken 22 erreichbar. Auch eine Optimierung einer Höhe des Rotors 18 auf der Rotationsachse 20 ist auf diese Weise bewirkbar. Eine Magnetisierung des Permanentmagneten 18 des Rotors 18 (entsprechend einer gewünschten Magnetisierungsrichtung 24) erfolgt vorzugsweise erst am Ende des Herstellungsprozesses.
3a zeigt die als „Schablone“ verwendete Halbleiter-Trägerstruktur 14 mit den darin eingesetzten Flussleiterstücken 22 und dem zwischen den Flussleiterstücken 22 zentrierten Rotor 18. Während eines späteren Betriebs des lagerlosen Elektromotors 10 wird der Rotor 18 lagerlos betrieben. Vorteilhaft ist deshalb, dass nur jeweils ein vergleichsweise kleiner Spalt zwischen jedem Flussleiterstücken 22 und dem Rotor 18 vorliegt, ohne dass die Flussleiterstücke 22 den Rotor 18 berühren. Diese vorteilhafte Positionierung der Flussleiterstücke 22 zu dem Rotor 18 ist mittels der Verwendung der Halbleiter-Trägerstruktur 14 als „Schablone“ leicht und verlässlich realisierbar.
Wie in 3b erkennbar ist, wird anschließend auf einer zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur 14, welche von einer ersten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur 14, von welcher aus die mindestens eine Aufnahmeöffnung 16 in die Halbleiter-Trägerstruktur 14 hinein strukturiert ist, weg gerichtet ist, für jedes der in der Halbleiter-Trägerstruktur 14 angeordneten Flussleiterstücke 22 je ein Flussleiterpfosten 32 benachbart zu dem zugeordneten Flussleiterstück 22 angeordnet. Anschließend werden die Flussleiterpfosten 32 mit Spulen 34 umwickelt. Ebenfalls auf der zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur 14 wird eine Rückführscheibe 36 angeordnet.
Vorteilhaft ist die Verwendung von Spulen 34 mit Kern, die als SMD-Bauteil (Surface-Mount-Device) erhältlich sind. Diese weisen eine gute Genauigkeit auf und sind relativ kostengünstig. Da sich extrem dünne Halbleiterschichten für die Halbleiter-Trägerstruktur 14 herstellen lassen, kann das Magnetfeld „überspringen“. Die vorteilhafte Verwendung des Halbleitersubstrats erlaubt damit gleichzeitig die Verwendung von vorteilhaften SMD-Bauteilen. Dünne Halbleiterschichten, bzw. in der Halbleiter-Trägerstruktur 14 verwendete Isolationsschichten mit einer Dicke im µm-Bereich ermöglichen trotzdem eine im Weiteren erläuterte hermetische Verkappung.
Optionalerweise kann die Halbleiter-Trägerstruktur 14 auf der ersten Seite hermetisch verkappt werden. Beispielsweise wird dazu eine lichtdurchlässige Scheibe 44 auf der ersten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur 14 befestigt. Eine derartige hermetische Verkappung ist besonders für eine optische Verwendung des lagerlosen Elektromotors 10 häufig vorteilhaft.
4a bis 4e zeigen schematische Darstellungen zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen lagerlosen Elektromotor.
In einem mittels der 4a schematisch wiedergegebenen Verfahrensschritt wird ein länglicher Block/Strang 46 aus mindestens einem magnetischen Flussleitermaterial/ mindestens einem weichmagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen, gewalzt/kaltgewalzt. In einem mittels der 4b schematisch dargestellten Verfahrensschritt wird der Block 46 so geschliffen und/oder poliert, dass seine (senkrecht zu einer Längsrichtung des Blocks 46 ausgerichtete) erste Stirnfläche 48a und seine von der ersten Stirnfläche 48a weg gerichtete (und senkrecht zu der Längsrichtung des Blocks 46 ausgerichtete) zweite Stirnfläche 48b jeweils in Form eines gleichschenkeligen Trapez vorliegen. Vorzugsweise haben die je zwei gleichschenkeligen Kanten 50a und 50b der ersten Stirnfläche 48a und der zweiten Stirnfläche 48b eine gleiche Länge. Auch für eine senkrecht zu einer Symmetrieachse der ersten Stirnfläche 48a ausgerichtete Grundkante 50c der ersten Stirnfläche 48a und eine ebenfalls senkrecht zu der Symmetrieachse der ersten Stirnfläche 48a ausgerichtete weitere Kante 50d der ersten Stirnfläche 48a wird bevorzugt, wenn die Grundkante 50c der ersten Stirnfläche 48a gleich lang wie eine senkrecht zu einer Symmetrieachse der zweiten Stirnfläche 48b ausgerichtete Grundkante der zweiten Stirnfläche 48b und die weitere Kante 50d der ersten Stirnfläche 48a gleich lang wie eine ebenfalls senkrecht zu der Symmetrieachse der zweiten Stirnfläche 48b ausgerichtete weitere Kante der zweiten Stirnfläche 48b geschliffen und/oder poliert werden. Die entlang der Längsrichtung des Blocks 46 ausgerichteten Seitenflächen 52a bis 52d des Blocks 46 werden vorzugsweise jeweils in eine Rechteckform geschliffen und/oder poliert.
Die Stirnflächen 48a und 48b und Seitenflächen 52a bis 52d des Blocks 46 können leicht und verlässlich glatt geschliffen und/oder poliert werden. Auch die gewünschten Maße für die Kanten 50a bis 50d der Stirnflächen 48a und 48b, selbst ein gewünschtes Maß x für die kürzesten Kante 50d der Stirnflächen 48a und 48b, können beim Schleifen und Polieren des Blocks 46 mittels eines vergleichsweise geringen Arbeitsaufwands exakt eingehalten werden.
4c zeigt den Block 46 nach dem Schleifen/Polieren. In einem mittels der 4d wiedergegebenen Verfahrensschritt wird der Block 46 in Scheiben 22 unterteilt, wobei die Scheiben 22 jeweils in Form eines geraden Prismas mit einem gleichschenkeligen Trapez als Grundfläche (entsprechend den Stirnflächen 48a und 48b des Blocks 46) vorliegen. Bei dem Unterteilen des Blocks 46 in die Scheiben 22 liegen die Trennflächen/Schnittflächen 54 vorzugsweise immer senkrecht zur Längsrichtung des Blocks 46.
4e zeigt, wie zumindest einige der Scheiben 22 als Flussleiterstücke 22 radial um die Anbringposition des Rotors 18 herum in die mindestens eine Aufnahmeöffnung 16 der (als „Schablone“ verwendeten) Halbleiter-Trägerstruktur 14 eingesetzt werden. (Die Halbleiter-Trägerstruktur 14 ist in 4e nur teilweise dargestellt.)
Das Einsetzen der Flussleiterstücke 22 radial um die Anbringposition des Rotors 18 herum in die mindestens eine Aufnahmeöffnung 16 kann beispielsweise mittels eines „Pick and Place-Verfahrens“ ausgeführt werden, was in 4e mittels der Pfeile 56 schematisch dargestellt ist. Dabei können die Flussleiterstücke 22 zwischen den an der Halbleiter-Trägerstruktur 14 ausgebildeten Halbleiterstegen 26 auf Anschlag geschoben werden. Auf diese Weise ist eine exakte radial-symmetrische Positionierung der Flussleiterstücke 22 erzielbar. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch die hier beschriebene Weise des Bestückens des lagerlosen Elektromotors 10 mit den Flussleiterstücken 22 jeweils einen relativ kleinen Spalt zwischen dem Rotor 18 und den um den Rotor 18 herum angeordneten Flussleiterstücken 22 ermöglicht. Die Verwendung der Halbleiter-Trägerstruktur 14 (als „Schablone“) erleichtert somit eine Positionierung der Komponenten 18 und 22.
In einer Weiterbildung der hier beschriebenen Herstellungsverfahren kann auch ein Pumpenrotor, ein Propellerrotor oder ein mit mindestens einer lichtreflektierenden Oberfläche ausgebildeter Rotor 18 (als der Rotor 18) in der mindestens einen Aufnahmeöffnung 16 eingesetzt oder gebildet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0860046 B1 [0002]

Claims

Mikromechanisches Bauteil (12) für einen lagerlosen Elektromotor (10) mit: einer Halbleiter-Trägerstruktur (14) aus zumindest einem Halbleitermaterial, in welche mindestens eine Aufnahmeöffnung (16) derart hinein strukturiert ist, dass ein einen Permanentmagneten (18) umfassender Rotor (18) zentriert und um eine Rotationsachse (20) rotierbar in der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16) anordbar ist und Flussleiterstücke (22) radial um den Rotor (18) herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16) anordbar sind; und mindestens einer Sensoreinrichtung (30), welche an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur (14) ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauteil (12) nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Hall-Sensor (30) und/oder mindestens ein kapazitiver Sensor als die mindestens eine Sensoreinrichtung (30) an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur (14) ausgebildet sind.
Lagerloser Elektromotor (10) mit: einem mikromechanischen Bauteil (12) nach Anspruch 1 oder 2; dem Rotor (18), welcher den Permanentmagneten (18) umfasst und um die Rotationsachse (20) rotierbar in der mindestens einen in die Halbleiter-Trägerstruktur (14) hinein strukturierten Aufnahmeöffnung (16) angeordnet ist; und den Flussleiterstücken (22), welche radial um den Rotor (18) herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16) angeordnet sind.
Lagerloser Elektromotor (10) nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine Aufnahmeöffnung (16) von einer ersten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur (14) aus in die Halbleiter-Trägerstruktur (14) hinein strukturiert ist, wobei auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur (14) für jedes der in der Halbleiter-Trägerstruktur (14) angeordneten Flussleiterstücke (22) je ein Flussleiterpfosten (32) benachbart zu dem zugeordneten Flussleiterstück (22) angeordnet ist, und wobei die Flussleiterpfosten (32) von Spulen (34) umwickelt sind.
Lagerloser Elektromotor (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die mindestens eine Aufnahmeöffnung (16) von der ersten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur (14) aus in die Halbleiter-Trägerstruktur (14) hinein strukturiert ist, wobei auf der von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur (14) eine Rückführscheibe (36) angeordnet ist.
Lagerloser Elektromotor (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Rotor (18) als Pumpenrotor, als Propellerrotor oder mit mindestens einer lichtreflektierenden Oberfläche ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils (12) für einen lagerlosen Elektromotor (10) mit den Schritten: Bilden einer Halbleiter-Trägerstruktur (14) aus zumindest einem Halbleitermaterial, in welche mindestens eine Aufnahmeöffnung (16) derart hinein strukturiert wird, dass ein einen Permanentmagneten (18) umfassender Rotor (18) des späteren Elektromotors (10) zentriert und um eine Rotationsachse (20) rotierbar in der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16) anordbar ist und Flussleiterstücke (22) des späteren Elektromotors (10) radial um den Rotor (18) herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16) anordbar sind; und Ausbilden mindestens einer Sensoreinrichtung (30) an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur (14).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei mindestens ein Hall-Sensor (30) und/oder mindestens ein kapazitiver Sensor als die mindestens eine Sensoreinrichtung (30) an und/oder in der Halbleiter-Trägerstruktur (14) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Halbleiter-Trägerstruktur (14) mit der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16) aus einem Siliziumsubtrat oder einem Siliziumwafer als dem zumindest einen Halbleitermaterial heraus strukturiert wird.
Herstellungsverfahren für einen lagerlosen Elektromotor (10) mit den Schritten: Herstellen eines mikromechanischen Bauteils (12) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9; Einsetzen oder Bilden des den Permanentmagneten (18) umfassenden und um die Rotationsachse (20) rotierbar angeordneten Rotors (18) in der mindestens einen in die Halbleiter-Trägerstruktur (14) hinein strukturierten Aufnahmeöffnung (16); und Einsetzen oder Bilden der Flussleiterstücke (22) radial um eine Anbringposition des Rotors (18) herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, wobei die Flussleiterstücke (22) mittels eines Lithographie-Galvanik-Abformung-Verfahrens radial um die spätere Anbringposition des Rotors (18) herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16) gebildet werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, wobei mindestens ein Block (46) aus mindestens einem magnetischen Flussleitermaterial gebildet wird, dessen erste Stirnfläche (48a) und von der ersten Stirnfläche (48a) weg gerichtete zweite Stirnfläche (48b) jeweils in Form eines gleichschenkligen Trapez geschliffen und/oder poliert werden, wobei der mindestens eine Block (46) in Scheiben (22) jeweils in Form eines geraden Prismas mit einem gleichschenkligen Trapez als Grundfläche unterteilt wird, und wobei zumindest einige der Scheiben (22) als Flussleiterstücke (22) radial um die Anbringposition des Rotors (18) herum in der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16) eingesetzt werden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei auf einer zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur (14), welche von einer ersten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur (14), von welcher aus die mindestens eine Aufnahmeöffnung (16) in die Halbleiter-Trägerstruktur (14) hinein strukturiert ist, weg gerichtet ist, für jedes der in der Halbleiter-Trägerstruktur (14) angeordneten Flussleiterstücke (22) je ein Flussleiterpfosten (32) benachbart zu dem zugeordneten Flussleiterstück (22) angeordnet wird, und wobei die Flussleiterpfosten (32) mit Spulen (34) umwickelt werden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei auf der zweiten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur (14), welche von der ersten Seite der Halbleiter-Trägerstruktur (14), von welcher aus die mindestens eine Aufnahmeöffnung (16) in die Halbleiter-Trägerstruktur (14) hinein strukturiert ist, weg gerichtet ist, eine Rückführscheibe (36) angeordnet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei ein Pumpenrotor, ein Propellerrotor oder ein mit mindestens einer lichtreflektierenden Oberfläche ausgebildeter Rotor als der Rotor (18) in der mindestens einen Aufnahmeöffnung (16) eingesetzt oder gebildet wird.