DE102010013611A1

DE102010013611A1 - Hybrid actuator element e.g. electrostatic actuator, for actuating high temperature prevail or aggressive fluid in fluid system, has deflection element and housing part that comprise sintering layers, and arms made of ceramic layers

Info

Publication number: DE102010013611A1
Application number: DE102010013611A
Authority: DE
Inventors: Hannes Klumbies; Dr. Partsch Uwe; Dr. Gebhardt Sylvia
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2011-09-22

Abstract

The actuator element has a piezoelectric element or a heating element formed on four spring arms (3), and bending joists firmly clamped with each other. The bending joists are bent in a direction of deflection movement of a deflection element (1). An electrode (2) of the deflection element is arranged within a housing (8). The deflection element and a part of the housing made of ceramic material comprise sintering layers, and the spring arms are made of sintered ceramic layers. An aperture is formed in the housing, and the deflection element is vertically to a plane of the aperture. An independent claim is also included for a method for manufacturing a hybrid actuator element.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridaktorelement und ein Herstellungsverfahren dazu. Die erfindungsgemäßen Aktorelemente können bei verschiedenen Einsatzbedingungen eingesetzt werden, bei denen beispielsweise hohe Temperaturen herrschen oder agressive Fluide in Kontakt treten können. Bevorzugt ist ein Einsatz bei fluidischen Systemen, bei denen mittels der Hybridaktorelemente Einfluss auf den Volumenstrom eines Fluids genommen und dieser geregelt, freigegeben oder gesperrt werden kann.The invention relates to a hybrid actuator element and a manufacturing method thereof. The actuator elements according to the invention can be used in various conditions of use in which, for example, high temperatures prevail or aggressive fluids can come into contact. Preference is given to use in fluidic systems in which the volume flow of a fluid can be influenced by means of the hybrid actuator elements and this can be regulated, released or blocked.

Dabei kann auf an sich bekannte physikalische Prinzipien zurückgegriffen werden, die bei den Aktorelementen für eine gewünschte Bewegung von Elementen genutzt werden können.In this case, recourse can be had to physical principles which are known per se and which can be used in the actuator elements for a desired movement of elements.

Dies sind insbesondere elektrostatische Antriebe, piezoelektrische Antriebe oder auch thermisch aktivierbare Elemente in Form eines eingespannten Biegebalkens. Jedes dieser Antriebsprinzipien für sich gesehen, hat im Vergleich zu den anderen Vor- aber auch Nachteile.These are in particular electrostatic drives, piezoelectric drives or thermally activated elements in the form of a clamped bending beam. Each of these drive principles seen separately, but also has disadvantages compared to the other advantages.

So sind bei elektrostatischen Antrieben kleine begrenzte Stellwege nachteilig, da mit ansteigendem Abstand der dabei eingesetzten Elektroden höhere quadratisch ansteigende elektrische Spannungen erforderlich werden, bis ein Maximum erreicht ist, bei dem es zu einem elektrischen Kurzschluss kommt.Thus, in electrostatic drives small limited travel paths are disadvantageous because with increasing distance of the electrodes used thereby higher square rising electrical voltages are required until a maximum is reached at which there is an electrical short circuit.

Bei thermisch aktivierbaren Systemen, bei denen ein in einem abgeschlossenen Raum eingeschlossenes Volumen beheizt wird, sind die große Zeitkonstante, der hohe Energiebedarf zum Auslenken und Halten und der ebenfalls begrenzte Stellweg nachteilig. Mit thermischem Biegebalken kann ein größerer Stellweg erreicht werden, die anderen hierzu genannten Nachteile sind aber nicht zu vermeiden.In thermally activatable systems in which a volume trapped in a closed space is heated, the large time constant, the high energy requirement for deflecting and holding and the likewise limited travel are disadvantageous. With thermal bending beam, a larger travel can be achieved, the other disadvantages mentioned but are unavoidable.

Mit piezoelektrischen Elementen, die auch als Schicht auf einem Träger ausgebildet sein können, sind insbesondere geringe damit aufbringbare Kräfte nachteilig.With piezoelectric elements, which may also be formed as a layer on a support, in particular small forces applied thereto are disadvantageous.

Elektromagnetische Antriebe erfordern ebenfalls einen hohen Energiebedarf und es können auch geringe Kräfte damit aufgebracht werden. Auch der für solche Systeme erforderliche Raumbedarf ist häufig ein Anwendungshindernis.Electromagnetic drives also require a high energy demand and it can also be applied with low forces. Also, the space required for such systems is often an application obstacle.

Aus DE 10 2007 051 075 A1 sind aktorisch wirksame Elemente bekannt, die aus gesinterter LTCC-Keramik hergestellt werden können. In einem solchen Element ist ein piezokeramisches oder elektrostriktives Bauteil aufgenommen und soll von der Keramik umschlossen sein. Diese Elemente können zwar unter Bedingungen, bei denen z. B. hohe Temperaturen herrschen, eingesetzt werden, die piezokeramischen oder elektrostriktiven Bauteile weisen aber die vorab bereits für solche piezoelektrische Elemente genannten Nachteile auf. Diese Nachteile können aber auch nicht mit an den aktorisch wirksamen Elementen eingesetzten Bauelementen, die eine unterschiedliche Funktionalität erfüllen, wie in DE 100 2007 051 075 A1 vorgeschlagen, beseitigt werden. Es kann nämlich kein gemeinsamer Nachteile vermeidender oder kompensierender Effekt durch die gemeinsame Nutzung der verschiedenen Funktionen für den gleichen Zweck erzielt werden.Out DE 10 2007 051 075 A1 Actorically active elements are known that can be produced from sintered LTCC ceramics. In such an element, a piezoceramic or electrostrictive component is received and should be enclosed by the ceramic. Although these elements can under conditions where z. As high temperatures prevail, are used, but the piezoceramic or electrostrictive components have the above already mentioned for such piezoelectric elements disadvantages. However, these disadvantages can not be met with components used on the actuatively active elements, which fulfill a different functionality, as in US Pat DE 100 2007 051 075 A1 proposed to be eliminated. Namely, no common disadvantages avoiding or compensating effect can be obtained by sharing the various functions for the same purpose.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Aktorelement zur Verfügung zu stellen, das unter schwierigen Einsatzbedingungen einsetzbar ist und verbesserte aktorische Wirkungen erreicht sowie einen geringeren Energiebedarf hat.It is therefore an object of the invention to provide an actuator element which can be used under difficult operating conditions and achieves improved actuator effects and has a lower energy requirement.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Hybridaktorelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren nach Anspruch 10 hergestellt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a hybrid actuator element having the features of claim 1. It can be produced by a method according to claim 10. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features described in the subordinate claims.

Bei einem erfindungsgemäßen Hybridaktorelement ist ein zwischen zwei Umkehrpunkten auslenkbares Element mit mindestens einem biegbaren Federarm, das mit dem/den Federarm(en) radial außen in einer festen Einspannung gehalten ist, vorhanden. Dabei sind am auslenkbaren Element eine Elektrode und parallel dazu an einem Gehäuse eine Gegenelektrode für eine elektrostatische Auslenkung ausgebildet.In a hybrid actuator element according to the invention, a deflectable between two reversal points element with at least one bendable spring arm, which is held with the / the spring arm (s) radially outward in a fixed clamping, is present. In this case, an electrode and parallel thereto on a housing a counter electrode for an electrostatic deflection are formed on the deflectable element.

An dem/den Federarm(en) kann in einer ersten erfindungsgemäßen Alternative jeweils mindestens ein piezoelektrisches Element oder ein Heizelement vorhanden sein. In einer zweiten Alternative kann auch ein an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten fest eingespannter Biegebalken, der in Richtung der Auslenkbewegung des auslenkbaren Elements verbiegbar ist, indem er durch Erwärmung sich in Längsachsrichtung verlängert und zumindest dann eine größere Länge aufweist als der Abstand seiner beiden Einspannungen, an der der Elektrode des auslenkbaren Elements ab- oder zugewandten Seite innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Der Biegebalken kann bereits bei normaler Umgebungstemperatur eine größere Länge aufweisen, als der Abstand zwischen den Beiden festen Einspannungen und so bereits in die gewünschte Auslenkrichtung vorgespannt sein.At least one piezoelectric element or a heating element may be present on the spring arm (s) in a first alternative according to the invention. In a second alternative, a bending beam fixedly clamped on two opposite end faces, which is bendable in the direction of the deflection movement of the deflectable element by extending in the longitudinal axis by heating and at least then has a greater length than the distance between its two restraints, on the the electrode of the deflectable element from the side facing away or inside be arranged within the housing. The bending beam may already have a greater length at normal ambient temperature than the distance between the two fixed clamping and thus already biased in the desired direction of deflection.

Das auslenkbare Element und zumindest Teile des Gehäuses sind aus keramischem Werkstoff und dabei aus mehreren dünnen miteinender versinterten Schichten und Federarm(e) sind aus mindestens einer gesinterten keramischen Schicht gebildet.The deflectable element and at least parts of the housing are made of ceramic material and thereby several thin miteinender Sintered layers and spring arm (s) are formed from at least one sintered ceramic layer.

Bei der Erfindung ist es möglich, die Wirkung des elektrostatischen Antriebs mit Hilfe von piezoelektrischen Elementen oder Heizelementen an Federarmen bzw. eines Biegebalkens zu unterstützen. Dies kann bei Betriebszuständen erfolgen, bei denen der mit Elektrode und Gegenelektrode gebildete elektrostatische Antrieb Defizite aufweist, was beispielsweise bei einem größeren Abstand von Elektrode und Gegenelektrode der Fall sein kann.In the invention, it is possible to promote the effect of the electrostatic drive by means of piezoelectric elements or heating elements on spring arms or a bending beam. This can be done in operating conditions in which the electrostatic drive formed with the electrode and counter electrode has deficiencies, which may be the case, for example, at a greater distance between the electrode and the counter electrode.

Eine Verbiegung des Biegebalkens oder von Federarmen und damit eine zusätzliche Kraftwirkung für eine Auslenkung des auslenkbaren Elements kann, wie bereits erwähnt, mit mindestens einem piezoelektrischen Element, das beispielsweise als Schicht auf einer Oberfläche des Biegebalkens oder des/der Federarme(s) ausgebildet ist, erreicht werden.A bending of the bending beam or spring arms and thus an additional force action for a deflection of the deflectable element, as already mentioned, with at least one piezoelectric element, which is formed for example as a layer on a surface of the bending beam or of the / the spring arms (s), be achieved.

Es ist aber auch möglich, dies durch Temperierung zu bewirken, indem der Biegebalken, z. B. definiert erwärmt wird. Eine Temperierung kann dabei in geeigneter Form durch Zufuhr eines entsprechend temperierten Mediums (flüssig oder gasförmig), durch eine Bestrahlung (Infrarotstrahlung), bevorzugt aber mittels eines am Biegebalken vorhandenen Heizelements erreicht werden. Dabei kann es sich um eine elektrische Widerstandsheizung handeln, bei der elektrischer Strom durch einen am Biegebalken ausgebildeten elektrischen Leiter fließen kann. Damit ist eine definierte Einstellung der Temperatur und damit auch der Verformung des Biegebalkens möglich, wodurch wiederum eine gezielte Kraftwirkung zur Auslenkung des auslenkbaren Elements mit einem entsprechenden Auslenkweg erreichbar ist. Ein elektrischer Leiter eines Heizelements kann auf dem Biegebalken an geeigneter Oberfläche aufgedruckt oder in den Werkstoff des Biegebalkens eingebettet sein.But it is also possible to effect this by tempering by the bending beam, z. B. defined is heated. A tempering can be achieved in a suitable form by supplying a correspondingly tempered medium (liquid or gaseous), by irradiation (infrared radiation), but preferably by means of a heating element present on the bending beam. This can be an electrical resistance heating, in which electrical current can flow through an electrical conductor formed on the bending beam. For a defined adjustment of the temperature and thus also the deformation of the bending beam is possible, which in turn a targeted force effect for the deflection of the deflectable element can be achieved with a corresponding Auslenkweg. An electrical conductor of a heating element may be printed on the bending beam on a suitable surface or embedded in the material of the bending beam.

Heizleiter, piezoelektrisches Element und auch die Elektrode und/oder Gegenelektrode können über als Schichten ausgebildete elektrische Leiter und über elektrische Durchkontaktierungen elektrisch leitend verbunden und kontaktiert werden.Heating conductor, piezoelectric element and also the electrode and / or counter electrode can be electrically conductively connected and contacted via layers formed as electrical conductors and electrical vias.

An einem erfindungsgemäßen Hybridaktorelement kann im Gehäuse eine Öffnung ausgebildet sein und dabei das auslenkbare Element senkrecht zur Ebene der Öffnung bewegt werden. Dadurch kann eine Strömung eines Fluides durch die Öffnung beeinflusst werden. Der durch die Öffnung führbare Volumenstrom kann durch den Abstand des auslenkbaren Elements zur Öffnung vergrößert oder verkleinert werden. So ist eine Regelung des Volumenstroms möglich. Bei Erreichen einer fluiddichten Abdichtung der Öffnung in einer Auslenkposition des auslenkbaren Elements kann die Öffnung vollständig geschlossen werden. Nach Bewegung des auslenkbaren Elements in die entgegen gesetzte Richtung kann die Öffnung wieder frei gegeben werden und ein Fluid wieder durch die Öffnung strömen. Hierfür kann beispielsweise der elektrostatische Antrieb deaktiviert und/oder der Biegebalken weiter oder geringfügiger verbogen werden, als in der Verschließposition des auslenkbaren Elements.An opening can be formed in the housing on a hybrid actuator element according to the invention and the deflectable element can be moved perpendicular to the plane of the opening. Thereby, a flow of a fluid through the opening can be influenced. The volume flow that can be passed through the opening can be increased or decreased by the distance between the deflectable element and the opening. So a regulation of the volume flow is possible. Upon reaching a fluid-tight seal of the opening in a deflection position of the deflectable element, the opening can be completely closed. After movement of the deflectable member in the opposite direction, the opening can be released again and flow a fluid back through the opening. For this purpose, for example, the electrostatic drive can be deactivated and / or the bending beam can be further or slightly bent than in the closing position of the deflectable element.

In dieser Form kann ein erfindungsgemäßes Hybridaktorelement ein Ventil bilden.In this form, a hybrid actuator element according to the invention can form a valve.

Ein auslenkbares Element sollte zumindest bereichsweise eben und planar ausgebildet sein. Dies trifft insbesondere auf den Bereich zu, an dem die Elektrode ausgebildet ist. Es kann aber auch der Bereich, der einer im Gehäuse ausgebildeten Öffnung zugeordnet ist, eben und planar ausgebildet sein.A deflectable element should be at least partially planar and planar. This applies in particular to the area where the electrode is formed. However, it is also possible for the region which is assigned to an opening formed in the housing to be flat and planar.

Wie bereits angesprochen, ist/sind an einem auslenkbaren Element ein oder mehrere Federarme vorhanden, die Biegefedern bilden. Dabei ist eine radial symmetrische Anordnung bei mehr als zwei Federarmen vorteilhaft. Die Federarme sind dabei am auslenkbaren Element mit jeweils gleichen Winkelabständen zueinander mit dem radial äußeren Rand verbunden oder greifen dabei dort an. Der Kraftangriff sollte dabei mit jeweils gleichen Abständen zum Mittel- oder Flächenschwerpunkt des auslenkbaren Elements erfolgen, um ein Verkippen des auslenkbaren Elements vermeiden zu können, so dass dieses bei der Auslenkung in der gleichen Ebene ausgerichtet bleibt.As already mentioned, one or more spring arms, which form bending springs, are / are present on a deflectable element. In this case, a radially symmetrical arrangement is advantageous in more than two spring arms. The spring arms are connected to the deflectable element, each with equal angular distances from each other to the radially outer edge or thereby attack there. The force application should take place at equal distances to the center or centroid of the deflectable element in order to avoid tilting of the deflectable element, so that it remains aligned in the same plane during the deflection.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hybridaktorelements können dünne keramische Folien durch ein Trennverfahren in Form gebracht werden. Das Trennen kann dabei durch Schneiden und/oder Stanzen erfolgen. Dabei können die verschiedenen hierzu bekannten Trennverfahren genutzt werden. Neben der Randkontur können in den Folien auch Durchbrechungen ausgebildet werden, die beispielsweise für die Ausbildung von Kanälen oder elektrisch leitenden Verbindungen als Durchkontaktierung (Via) genutzt werden können. Auch für die Ausbildung einer bereits erwähnten Öffnung im Gehäuse können Durchbrechungen in Folien ausgeschnitten oder -gestanzt werden. Für die Herstellung von ein Hybridaktorelement bildenden Einzelelementen können mehrere Folien übereinander gestapelt werden. Sie sollten entsprechend zueinander positioniert/ausgerichtet und möglichst in dieser Form fixiert gehalten werden.To produce a hybrid actuator element according to the invention, thin ceramic films can be shaped by a separation process. The separation can be done by cutting and / or punching. The different separation methods known for this purpose can be used. In addition to the edge contour, apertures can also be formed in the films which can be used, for example, for the formation of channels or electrically conductive connections as a via (via). Also for the formation of an aforementioned opening in the housing perforations can be cut or punched in films. For the production of individual elements forming a hybrid actuator element, a plurality of films may be stacked one above the other. They should be positioned according to each other / aligned and kept as fixed as possible in this form.

Nachfolgend werden die so für die Herstellung der Elemente des Hybridaktorelements vorbereiteten Stapel mit den Schichten gesondert einer Wärmebehandlung unterzogen. Bei einer Wärmebehandlung erfolgt eine Sinterung des keramischen Werkstoffs der gestapelten Folien.Subsequently, the stacks with the layers thus prepared for the production of the elements of the hybrid actuator element are separately subjected to a heat treatment. At a Heat treatment is carried out sintering of the ceramic material of the stacked films.

Es besteht die Möglichkeit und sollte bevorzugt für ein lückenloses vollflächiges Zusammensintern an allen Berührungsflächen der keramischen Folien beim Sintern, eine vorab Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb 100°C durchgeführt werden, bei der die gestapelten Folien zusammengepresst und dadurch miteinander laminiert werden. So kann eine Delamination vermieden werden.It is possible and should preferably be carried out for a complete all-over sintering on all contact surfaces of the ceramic films during sintering, a pre-heat treatment at a temperature below 100 ° C, in which the stacked films are pressed together and thereby laminated together. So a delamination can be avoided.

Für die Ausbildung des elektrostatischen Antriebs wird auf ein Element, das Teil des Gehäuses und wie vorab beschrieben aus gestapelten Folien gebildet ist, und das auslenkbare Element, eine elektrisch leitende Schicht sowie auf entsprechende Elemente elektrisch leitende Verbindungen mittels einer elektrisch leitenden Paste sowie in durch Folienstapel gebildete Durchbrechungen elektrisch leitende Paste zur Ausbildung von elektrischen Durchkontaktierungen eingefüllt. Danach werden mittels einer weiteren Wärmebehandlung vor oder nach der Sinterung oder unmittelbar bei der Sinterung elektrisch leitende Kontaktierungen ausgebildet.For the formation of the electrostatic drive is on an element, the part of the housing and as described above is formed of stacked films, and the deflectable element, an electrically conductive layer and on corresponding elements electrically conductive connections by means of an electrically conductive paste and in through film stack formed openings filled electrically conductive paste for the formation of electrical vias. Thereafter, electrically conductive contacts are formed by means of a further heat treatment before or after the sintering or directly during the sintering.

Günstig ist es, nachfolgend an das Sintern durch Laserstrahlschneiden am auslenkbaren Element die Federarme auszubilden. Durch Laserstrahlschneiden können an den gesinterten Elementen auch andere Konturen oder Konturelemente ausgebildet werden. Durch die Formgebung nach dem Sintern können sehr saubere, scharfe Schnittkanten und gleichmäßige Fugen erreicht werden, wodurch die Federeigenschaften der Federarme genau vorgegeben werden können und eine reproduzierbare Herstellung möglich wird.It is advantageous to form the spring arms following the sintering by laser beam cutting on the deflectable element. By laser beam cutting, other contours or contour elements can be formed on the sintered elements. By shaping after sintering very clean, sharp edges and uniform joints can be achieved, whereby the spring characteristics of the spring arms can be specified exactly and a reproducible production is possible.

Die einzelnen so vorbereiteten Elemente können dann mit einem Klebstoff und/oder Lot stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Bei der Auswahl sollten die Einsatzbedingungen des jeweiligen Hybridaktorelements berücksichtigt werden.The individual elements prepared in this way can then be bonded to one another in an adhesive-bonded and / or soldered manner. When selecting, the conditions of use of the respective hybrid actuator element should be taken into account.

Das nachträgliche Fügen ermöglicht es einzelne Funktionselemente, wie beispielsweise die Elektrode, Gegenelektrode, piezoelektrisches Element, ein Heizelement oder auch ein Dichtungselement an einem Einzelelement auszubilden, das nach der Montage und dem Fügen eines Hybridaktorelements nicht oder nur sehr schwer zugänglich wäre.The subsequent joining makes it possible to form individual functional elements, such as the electrode, counterelectrode, piezoelectric element, a heating element or even a sealing element on a single element, which would not or only with great difficulty be accessible after assembly and joining of a hybrid actuator element.

Bei der Erfindung können sowohl LTCC- oder HTCC-Folien eingesetzt werden. Bei den LTCC-Folien kann die entsprechend geringere erforderliche Sintertemperatur genutzt werden, um gleichzeitig beim Sintern durch Cofiring weitere funktionale Elemente, wie z. B. elektrische Leiter, ein Heizelement oder ggf. auch ein piezoelektrisches Element auszubilden. Hierzu kann durch Auftrag oder Füllen von Durchbrechungen mit geeigneter Paste eine vorab Ausbildung und beim Sintern ein Ausbrand von unerwünschten in der Paste bis dahin enthaltenen Stoffen erfolgen, so dass eine elektrischer Leiter aus einem geeigneten Metall oder einer Metalllegierung (z. B. mit Ag und/oder Au) oder eine piezokeramische Schicht (z. B. PZT oder ZnO) erhalten werden kann. Bei Einsatz von HTCC-Folien können elektrische Leiter bzw. Heizelement aus Pt, Wo oder auch Mo ausgebildet werden. Piezoelektrische Elemente können auch erst nach dem Sintern bei beiden Keramiken aufgebracht werden.In the invention, both LTCC or HTCC films can be used. In the case of LTCC films, the corresponding lower sintering temperature required can be used to simultaneously produce further functional elements, such as cofiring, during sintering. As electrical conductors, a heating element or possibly also form a piezoelectric element. For this purpose, by application or filling of openings with suitable paste, a pre-training and during sintering a burnout of unwanted substances contained in the paste until then take place, so that an electrical conductor made of a suitable metal or a metal alloy (eg with Ag and or Au) or a piezoceramic layer (eg PZT or ZnO) can be obtained. When using HTCC films electrical conductors or heating element of Pt, Wo or Mo can be formed. Piezoelectric elements can also be applied to both ceramics only after sintering.

Da für eine Auslenkbewegung des auslenkbaren Elements, Verbiegung des/der Federarme(s) oder eines Biegebalkens ein hohles Volumen oder ein Freiraum an einem Hybridaktorelement oder dessen Gehäuse erforderlich sein kann, kann ein geeigneter Hohlraum ausgebildet werden. Dies kann durch entsprechendes konturgebendes Ausschneiden aus Folien, einen nachträglichen Werkstoffabtrag durch Ätzen, Laserbearbeitung oder mechanischen Abtrag erreicht werden.Since a hollow volume or a clearance on a hybrid actuator element or its housing may be required for a deflection movement of the deflectable element, bending of the / the spring arms (s) or a bending beam, a suitable cavity may be formed. This can be achieved by appropriate contour cutting out of films, a subsequent material removal by etching, laser processing or mechanical removal.

Für die Ausbildung eines Hohlraumes kann aber auch mindestens ein sich bei einer Wärmebehandlung thermisch zersetzendes Element aus Kohlenstoff oder einer organischen chemischen Verbindung eingesetzt werden und an einer Folie oder zwischen gestapelten Folien angeordnet werden. Bei einer Wärmebehandlung erfolgt dann ab einer geeigneten Temperatur die thermische zumindest nahezu rückstandsfreie Zersetzung der organischen Komponenten, z. B. durch Pyrolyse. Dies kann aber auch mit chemisch zersetzbaren Stoffen (chem. Elemente oder Verbindungen, die z. B. durch ein Ätzverfahren entfernt werden können) erreicht werden.For the formation of a cavity, however, it is also possible to use at least one element of carbon or an organic chemical compound which thermally decomposes during a heat treatment and is arranged on a foil or between stacked foils. In a heat treatment is then carried out from a suitable temperature, the thermal at least almost residue-free decomposition of the organic components, eg. B. by pyrolysis. However, this can also be achieved with chemically decomposable substances (chemical elements or compounds which can be removed, for example, by an etching process).

Bis zur thermischen oder chemischen Zersetzung erfüllen solche Elemente Platzhalterfunktion, die einer unerwünschten Verformung der Folien bis zum Erreichen einer ausreichenden Festigkeit entgegenwirken.Until thermal or chemical decomposition, such elements fulfill the function of a spacer, which counteracts undesired deformation of the films until sufficient strength is achieved.

Vorteilhaft kann eine elektrisch nicht leitende Schicht auf die Elektrode oder Gegenelektrode vor dem stoffschlüssigen Fügen aufgebracht und getrocknet, gehärtet oder polymerisiert werden. Damit werden Beschädigungen und elektrische Kurzschlüsse vermieden.Advantageously, an electrically nonconductive layer can be applied to the electrode or counterelectrode before the material-locking joining and dried, cured or polymerized. This avoids damage and electrical short circuits.

Wie bereits angesprochen, kann ein erfindungsgemäßes Hybridaktorelement auch als Ventil genutzt werden. Dabei kann ein geeigneter dichter Ventilsitz an einer Öffnung ausgebildet sein, bei dem einer der Dichtpartner härter und der jeweils andere Dichtpartner weicher ist. Dichtpartner können dabei der äußere Rand der Öffnung und das auslenkbare Element im Bereich, der der Öffnung zugeordnet werden kann, sein. Um dies zu berücksichtigen kann an einer am Gehäuse ausgebildeten Öffnung, diese radial umschließend ein elastisches Dichtelement oder am auslenkbaren Element durch Auftragen eines Polymers ein Dichtelement ausgebildet werden. Ein Dichtelement kann dabei auch aufgeklebt werden.As already mentioned, a hybrid actuator element according to the invention can also be used as a valve. In this case, a suitable dense valve seat may be formed at an opening in which one of the sealing partners is harder and the other sealing partner is softer. Sealing partners can be the outer edge of the opening and the deflectable element in the area that can be assigned to the opening. To take this into account on an opening formed on the housing, this radially enclosing an elastic sealing element or on the deflectable element by applying a polymer, a sealing element can be formed. A sealing element can also be glued.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.

Dabei zeigen:Showing:

1 in zwei Ansichten ein bei der Erfindung einsetzbares Beispiel eines auslenkbaren Elements mit vier Federarmen; 1 in two views, an example of a deflectable element with four spring arms which can be used in the invention;

2 ein weiters Beispiel eines auslenkbaren Elements mit drei Federarmen; 2 another example of a deflectable element with three spring arms;

3a–c ein Beispiel mit elektrostatischem Antrieb und piezoelektrischen Elementen; 3a C an example with electrostatic drive and piezoelectric elements;

4a, b ein Beispiel mit elektrostatischem Antrieb und piezoelektrischen Elementen mit Ventilfunktion; 4a , b an example with electrostatic drive and piezoelectric elements with valve function;

5a, b ein Beispiel mit elektrostatischem Antrieb und thermisch verformbaren Biegebalken und 5a , b an example with electrostatic drive and thermally deformable bending beam and

6 das Beispiel nach 5a, b mit zusätzlicher Öffnung und Ventilfunktion. 6 the example after 5a , b with additional opening and valve function.

In 1 ist ein bei der Erfindung einsetzbares im Wesentlichen quadratisches auslenkbares Element 1 mit vier abgewinkelten Federarmen 3 dargestellt. Dabei wurden die vier Federarme 3 nach der Sinterung eines aus einer LTCC-Folie als Membran hergestellt und dann mit einem Laserstrahl Schlitze ausgebildet. Die vier Federarme 3 sollten dabei jeweils gleichgroß dimensioniert und gleich gestaltet sein, um ein gleiches Federungsverhalten und dabei eine gleichmäßige Auslenkung, ohne Verkippen/Verkannten des auslenkbaren Elements 1 zu ermöglichen. Auch die Abstände, an denen die vier Federarme 3 in das auslenkbare Element 1 übergehen, zu dessen Flächenschwerpunkt sind gleich groß.In 1 is a usable in the invention substantially square deflectable element 1 with four angled spring arms 3 shown. Here are the four spring arms 3 after sintering one made of an LTCC film as a membrane and then formed with a laser beam slits. The four spring arms 3 each should be of the same size and designed the same, to a same suspension behavior and thereby a uniform deflection, without tilting / tilting of the deflectable element 1 to enable. Also the distances at which the four spring arms 3 in the deflectable element 1 go over, whose area of focus are the same size.

Das auslenkbare Element 1 kann mit mehr über einander gestapelten dünnen keramischen Folien gebildet sein, als dies im Bereich der Federarme 3, der Fall ist.The deflectable element 1 can be formed with more stacked thin ceramic films than in the area of the spring arms 3 , the case is.

In 1 ist auch eine auf einer Oberfläche des auslenkbaren Elements 1 ausgebildete flächige Elektrode 2 für den elektrostatischen Antrieb erkennbar, die mit einer elektrisch nicht leitenden Beschichtung in Richtung auf eine hier nicht dargestellte Gegenelektrode 4 überdeckt sein kann. Die Elektrode 2 ist über eine Leiterbahn 20, der auf einem der Federarme 3 ausgebildet ist, elektrisch leitend kontaktiert. Das quadratisch größer dargestellte Ende der elektrischen Leiterbahn 20 kann über eine hier ebenfalls nicht dargestellte Durchkontaktierung nach außen elektrisch leitend verbunden sein.In 1 is also one on a surface of the deflectable element 1 trained flat electrode 2 recognizable for the electrostatic drive, with an electrically non-conductive coating in the direction of a counter electrode not shown here 4 can be covered. The electrode 2 is over a track 20 standing on one of the spring arms 3 is formed, contacted electrically conductive. The square end of the larger electrical conductor shown 20 can be electrically conductively connected to the outside via a via, also not shown here.

In der oberen Darstellung ist eine seitliche Schnittdarstellung des auslenkbaren Elements 1 mit den Federarmen 3 in einer nicht ausgelenkten Position gezeigt.In the upper illustration is a side sectional view of the deflectable element 1 with the spring arms 3 shown in an undeflected position.

Mit 2 soll eine weitere Möglichkeit zur Gestaltung von bei der Erfindung einsetzbaren auslenkbaren Elementen 1 mit Federarmen 3 gezeigt werden. Dabei ist das auslenkbare Element 1 kreisförmig und drei Federarme sind sternförmig und äquidistant zueinander am radial äußeren Rand des auslenkbaren Elements 1 vorhanden. Wie auch beim Beispiel nach 1 sind die Übergänge der Federarme 3 zum auslenkbaren Element 1 abgerundet.With 2 a further possibility for the design of applicable in the invention deflectable elements 1 with spring arms 3 to be shown. Here is the deflectable element 1 circular and three spring arms are star-shaped and equidistant to each other at the radially outer edge of the deflectable element 1 available. As with the example 1 are the transitions of the spring arms 3 to the deflectable element 1 rounded.

Selbstverständlich kann die Anzahl an an einem auslenkbaren Element 1 angreifenden Federarmen 3 auch größer als vier sein. Es sollten aber mindestens zwei Federarme 3, die sich direkt in einer Achse gegenüberliegend in das auslenkbare Element 1 übergehen bzw. dort daran angreifen, vorhanden sein, wodurch eine konstante Ausrichtung des auslenkbaren Elements 1 bei dessen Auslenkbewegung eingehalten werden kann.Of course, the number of on a deflectable element 1 attacking spring arms 3 also be bigger than four. But there should be at least two spring arms 3 that lie directly in an axis opposite in the deflectable element 1 pass over or attack there, be present, creating a constant orientation of the deflectable element 1 can be maintained at the deflection movement.

In den 3a bis 3c ist ein Beispiel eines Hybridaktorelements gezeigt, bei dem eine elektrostatische Auslenkung und die Auslenkung unterstützende piezoelektrische Elemente 5.1 und 5.2 an Federarmen 3 vorhanden sind. In 3a ist ein Querschnitt, in 3b ein Schnitt in einer Ebene des Hybridaktorelements und in 3c ein Federarm 3 bei nicht aktivierten piezoelektrischen Elementen 5.1 und 5.2 und bei aktivierten piezoelektrischen Elementen 5.1 und 5.2 gezeigt.In the 3a to 3c an example of a hybrid actuator element is shown in which electrostatic deflection and deflection assist piezoelectric elements 5.1 and 5.2 on spring arms 3 available. In 3a is a cross section, in 3b a section in a plane of the hybrid actuator element and in 3c a spring arm 3 with non-activated piezoelectric elements 5.1 and 5.2 and with activated piezoelectric elements 5.1 and 5.2 shown.

Dabei ist innerhalb eines Gehäuses 8 eine planare ebene Gegenelektrode 4 und auf dieser eine dielektrische Schicht 13 ausgebildet. Am auslenkbaren Element 1 ist eine Elektrode 2, in Richtung zur Gegenelektrode 4 weisend, ausgebildet. Das auslenkbare Element 1 ist wieder mit vier Federarmen 3 gehalten. Der Aufbau entspricht dem Aufbau nach 1. Zusätzlich sind jedoch piezoelektrische Elemente 5.1 und 5.2 als Schichtauftrag von PZT an den zwei in 3b rechts und links gezeigten Federarmen 3 vorhanden und mit diesen stoffschlüssig verbunden. Bei diesem Beispiel sind die piezoelektrischen Elemente 5.1 und 5.2 an jeweils einem Federarm 3 an Ober- und Unterseite versetzt zueinander angeordnet. Dies ist insbesondere in 3c erkennbar. Nach dem Anlegen einer elektrischen Spannung oder einer Erhöhung der elektrischen Spannung wirken auf den jeweiligen Federarm 3 Kräfte, die zu seiner Verbiegung führen. Das auslenkbare Element 1 wird dadurch auf ein gewisses Maß in Richtung Gegenelektrode 8 ausgelenkt. Bis zum Erreichen eines vorgebbaren Auslenkweges können Elektrode 2 und Gegenelektrode 4 spannungsfrei gehalten werden. Haben sich auslenkbares Element 1 und Gegenelektrode ab weiter angenähert, werden Elektrode 2 und Gegenelektrode 4 mit elektrischer Spannung beaufschlagt und es wirken elektrostatische Kräfte zwischen ihnen, die eine anziehende Wirkung haben. Dadurch kann die für die elektrostatische Auslenkung des auslenkbaren Elements 1 erforderliche Leistung reduziert und die für den Betrieb erforderliche Zeitkonstante ebenfall verringert werden.It is within a housing 8th a planar planar counter electrode 4 and on this a dielectric layer 13 educated. At the deflectable element 1 is an electrode 2 , towards the counter electrode 4 pointing, educated. The deflectable element 1 is back with four spring arms 3 held. The structure corresponds to the structure according to 1 , In addition, however, piezoelectric elements 5.1 and 5.2 as a coating order from PZT to the two in 3b right and left shown spring arms 3 present and connected with these cohesively. In this example, the piezoelectric elements are 5.1 and 5.2 on each one spring arm 3 at the top and bottom offset from each other. This is especially in 3c recognizable. After applying an electrical voltage or an increase in the electrical voltage acting on the respective spring arm 3 Forces too lead to his bending. The deflectable element 1 This will be to some degree in the direction of the counter electrode 8th deflected. Until reaching a predetermined Auslenkweges electrode can 2 and counter electrode 4 be kept tension-free. Have a deflectable element 1 and counterelectrode from further approaching become electrode 2 and counter electrode 4 subjected to electrical voltage and there are electrostatic forces between them, which have an attractive effect. This allows for the electrostatic deflection of the deflectable element 1 required power is reduced and also required for the operation time constant is also reduced.

Die elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Elemente 5.1 und 5.2 kann ebenfalls mittels aufgedruckter elektrischer Leiterbahnen, analog wie die Leiterbahn 20 erfolgen.The electrical contacting of the piezoelectric elements 5.1 and 5.2 can also by means of printed electrical conductors, analogous to the conductor track 20 respectively.

In den 4a und 4b ist ein Beispiel gezeigt, das in weiten Teilen dem nach 3a–c entspricht. Zusätzlich ist dabei aber am Gehäuse 8 eine Öffnung 9 ausgebildet, die eine Strömung eines Fluids von außen in den Hohlraum 12 des Gehäuses 8 hinein oder auch wieder heraus ermöglicht. Die Öffnung 9 ist dabei auch durch die Gegenelektrode 4 und die dielektrische Schicht 13 geführt. Um die Öffnung 9 ist im Hohlraum 12 ein Polymer-Dichtring 11.1, als weicher Dichtpartner angeordnet und dort befestigt.In the 4a and 4b an example is shown, which in large parts after 3a -C corresponds. In addition, but is the case 8th an opening 9 formed, which is a flow of fluid from the outside into the cavity 12 of the housing 8th into or out again. The opening 9 is also through the counter electrode 4 and the dielectric layer 13 guided. Around the opening 9 is in the cavity 12 a polymer sealing ring 11.1 arranged as a soft sealing partner and fastened there.

Am auslenkbaren Element 1 ist der Öffnung 9 gegenüberliegend ein freier Bereich vorhanden, an dem keine Elektrode 2 ausgebildet ist. Dort ist aus einer LTCC-Keramik ein komplementär zum Polymer-Dichtring 11.1 ausgebildeter und angeordneter Dichtring 11.2, als harter Dichtpartner, stoffschlüssig mit dem auslenkbaren Element 1 verbunden. Bei der Auslenkbewegung, die wie vorab bei der Beschreibung der 3a–c zuerst mit Hilfe der piezoelektrischen Elemente 5.1 und 5.2 und später elektrostatisch erfolgen kann, kann die Öffnung 9 zumindest teilweise verschlossen werden, so dass ein kleinerer offener Spalt auftritt und dadurch ein geringerer Volumenstrom eines Fluides in das Gehäuse 8 hinein oder auch heraus strömen kann. Das Spaltmaß kann durch die an Elektrode 2 und Gegenelektrode 4 anlegbare elektrische Spannung beeinflusst werden. Dabei kann auch eine so große elektrische Spannung angelegt werden, dass das auslenkbare Element 1 soweit ausgelenkt wird, dass die Öffnung 9 vollständig verschlossen ist. Nach dem Abschalten der elektrischen Spannung oder deren Reduzierung kann die Öffnung 9 wieder freigegeben werden und Fluid hindurchströmen.At the deflectable element 1 is the opening 9 opposite there is a free area where there is no electrode 2 is trained. There, a LTCC ceramic is a complementary to the polymer sealing ring 11.1 trained and arranged sealing ring 11.2 , as a hard sealing partner, firmly bonded to the deflectable element 1 connected. In the deflection movement, as in the description of the above 3a -C first with the help of the piezoelectric elements 5.1 and 5.2 and can be done electrostatically later, the opening 9 be at least partially closed, so that a smaller open gap occurs and thereby a lower flow rate of a fluid in the housing 8th into or out of it. The gap can be measured by the electrode 2 and counter electrode 4 applicable electric voltage can be influenced. In this case, such a large electrical voltage can be applied that the deflectable element 1 as far as deflected, that the opening 9 is completely closed. After switching off the electrical voltage or reducing it, the opening can 9 be released again and fluid flow through.

Für die Herstellung eines solchen Hybridaktorelements können für das Oberteil des Gehäuses 8 mehrere dünne LTCC-Keramikfolien übereinander gestapelt und dann deren Kontur durch ein Tennverfahren ausgebildet werden. Mindestens eine Durchbrechung kann für die Ausbildung der Öffnung 9 ausgestanzt werden. In der 4a und 4b nicht gezeigt, können aber auch Durchbrechungen für die spätere Ausbildung elektrisch leitender Durchkontaktierungen, beispielsweise für den Anschluss der Gegenelektrode 4 dabei ausgebildet werden.For the production of such a hybrid actuator element can for the upper part of the housing 8th several thin LTCC ceramic sheets are stacked on top of each other and then their contour formed by a Tennverfahren. At least one opening can be used for the formation of the opening 9 be punched out. In the 4a and 4b not shown, but can also perforations for the subsequent formation of electrically conductive vias, for example, for the connection of the counter electrode 4 be trained.

Auf die in Richtung des später ausgebildeten Hohlraums 12 weisende Oberfläche kann die Gegenelektrode 4 durch Aufdrucken einer elektrisch leitenden Paste ausgebildet werden, die später bei einer Wärmebehandlung getrocknet und eingebrannt wird. Auf die Gegenelektrode 4 kann dann eine polymere dielektrische Schicht 13 aufgebracht werden, um elektrische Kurzschlüsse zwischen Elektrode 2 und Gegenelektrode 4 zu vermeiden.In the direction of the later formed cavity 12 facing surface may be the counter electrode 4 be formed by printing an electrically conductive paste, which is later dried in a heat treatment and baked. On the counter electrode 4 may then be a polymeric dielectric layer 13 be applied to electrical short circuits between electrode 2 and counter electrode 4 to avoid.

Um die Öffnung kann dann das Polymere Dichtelement 11.1 ebenfalls aufgedruckt und dann polymerisiert werden, wodurch die stoffschlüssige Verbindung zwischen Polymerem-Dichtelement 11.1 und dielektrischer Schicht 13 hergestellt wird.Around the opening can then be the polymer sealing element 11.1 also printed and then polymerized, whereby the cohesive connection between polymer sealing element 11.1 and dielectric layer 13 will be produced.

Das untere Teil des Hybridaktorelements mit auslenkbarem Element 1, Federarmen 3 und Elektrode 2 sowie den weiteren Elementen wird ebenfalls unter Einsatz von LTCC-Folien hergestellt. Dabei kann das auslenkbare Element 1 aus mehreren Folien und die Federarme 3 aus lediglich einer Folie gebildet werden.The lower part of the deflectable element hybrid actuator element 1 , Spring arms 3 and electrode 2 as well as the other elements is also produced using LTCC films. In this case, the deflectable element 1 from several slides and the spring arms 3 be formed of only one foil.

Die so gestapelten LTCC-Folien werden dann zusammengepresst und bei einer ersten Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb 180°C und oberhalb 70°C laminiert/gefügt. Hier wird eine Haltezeit von ca. 10 min eingehalten.The thus stacked LTCC films are then pressed together and laminated / pasted at a temperature below 180 ° C and above 70 ° C during a first heat treatment. Here, a holding time of about 10 minutes is maintained.

Danach erfolgt das Sintern bei einer Temperatur von 850°C und einer Haltezeit von 1 h.Thereafter, the sintering is carried out at a temperature of 850 ° C and a holding time of 1 h.

Die Elektrode 2 kann als elektrisch leitende Paste (z. B. Au-Resinatpaste) ebenso wie die elektrische Leiterbahn 20 aufgedruckt und einer Wärmebehandlung vor oder beim Sintern unterzogen werden.The electrode 2 can be used as an electrically conductive paste (eg, Au-resinate paste) as well as the electrical trace 20 printed and subjected to a heat treatment before or during sintering.

Im Anschluss daran werden die piezoelektrischen Elemente 5.1 und 5.2 durch Aufdrucken einer Paste auf die Bereiche der beiden Federarme 3 ausgebildet und danach durch Einbrennen fixiert. Das Aufdrucken erfolgt gleichzeitig an beiden Seiten, um ein Verkippen des Mittelteils des auslenkbaren Elements 1 zu vermeiden. So kann bei einem Aufdruck an gegenüberliegend angeordneten Federarmen 3 eine Verdrehung vermieden werden.Following this, the piezoelectric elements become 5.1 and 5.2 by printing a paste on the areas of the two spring arms 3 trained and then fixed by baking. The printing takes place simultaneously on both sides, to tilt the middle part of the deflectable element 1 to avoid. Thus, with a print on oppositely arranged spring arms 3 a twist can be avoided.

Die Endbearbeitung für die letztendliche Ausbildung der Federarme 3 mit genauer Dimensionierung, Kontur und exakten Schnittkanten erfolgt mit einem geeigneten Laserstrahlschneidverfahren für die LTCC-Keramik. Mit diesem Verfahren kann durch Werkstoffabtrag auch der LTCC-Dichtring 11.2 ausgebildet werden.The finishing for the final training of the spring arms 3 with exact dimensioning, contour and exact cutting edges with a suitable laser beam cutting process for the LTCC ceramic. With this method, the LTCC sealing ring can also be removed by material removal 11.2 be formed.

Die Ausbildung des Hohlraums 12 kann durch geeigneten Ausschnitt der LTCC-Folien erreicht werden.The formation of the cavity 12 can be achieved by suitable cutting of the LTCC films.

Die gesinterten und mit den fertigen Elektroden und piezoelektrischen Elementen 5.1 und 5.2 versehenen Teile können dann durch Kleben oder Löten, bevorzugt mit Glaslot gefügt werden.The sintered and with the finished electrodes and piezoelectric elements 5.1 and 5.2 provided parts can then be joined by gluing or soldering, preferably with glass solder.

Mit den 5a und 5b ist ein weiteres Beispiel gezeigt. Auch hier kann für die Auslenkung ein elektrostatischer Antrieb mit Elektrode 2 und Gegenelektrode 4 genutzt werden, wie dies auch bei den vorab beschriebenen Beispielen der Fall war.With the 5a and 5b another example is shown. Again, for the deflection of an electrostatic drive with electrode 2 and counter electrode 4 be used, as was the case with the previously described examples.

Zusätzlich ist aber ein durch Erwärmung verformbarer Biegebalken 7 vorhanden, der an seinen beiden Stirnenden mit den festen Einspannungen 7.1 und 7.2 eingespannt gehalten ist. Der Biegebalken 7 ist ebenfalls aus durch Sinterung miteinander verbundenen LTCC-Folien gebildet. Die Länge des fertig gesinterten Biegebalkens 7 zwischen den festen Einspannungen 7.1 und 7.2 ist so gewählt, dass er bei normaler Umgebungstemperatur (ca. 20°C) geringfügig länger als der Abstand zwischen den Einspannungen 7.1 und 7.2 ist. Durch die wirkende Druckkraft ist er leicht in Richtung der Elektrode 2 gebogen.In addition, however, is a deformable by heating bending beam 7 present, at its two front ends with the fixed restraints 7.1 and 7.2 is held clamped. The bending beam 7 is also formed by sintered interconnected LTCC films. The length of the finished sintered bending beam 7 between the fixed clamps 7.1 and 7.2 is chosen so that it is at normal ambient temperature (about 20 ° C) slightly longer than the distance between the restraints 7.1 and 7.2 is. Due to the effective pressure force, it is slightly in the direction of the electrode 2 bent.

Auf dem Biegebalken 7 ist ein Heizelement 6 als mäanderförmige elektrische Leiterbahn ausgebildet und kann mit Anschluss an eine elektrische Spannungsquelle eine elektrisch Widerstandsheizung bilden. Für den elektrischen Anschluss können elektrische Durchkontaktierungen durch die Keramik genutzt werden (nicht dargestellt).On the bending beam 7 is a heating element 6 designed as a meandering electrical conductor and can form an electrical resistance heater with connection to an electrical voltage source. For the electrical connection electrical vias through the ceramic can be used (not shown).

Die festen Einspannungen 7.1 und 7.2 mit dem Biegebalken 7 sind so dimensioniert, dass im gefügten Zustand des Hybridaktorelements bei normaler Umgebungstemperatur zwischen Biegebalken 7 und die in seine Richtung weisende Oberfläche des auslenkbaren Elements 1 ein schmaler Spalt verbleibt und beide Teile sich nicht berühren.The fixed clamps 7.1 and 7.2 with the bending beam 7 are dimensioned so that in the assembled state of the hybrid actuator element at normal ambient temperature between bending beam 7 and the surface of the deflectable element facing in its direction 1 a narrow gap remains and both parts do not touch.

Eine Vorspannung des Biegebalkens 7 kann aber auch dadurch erreicht werden, dass der Biegebalken 7 aus mehreren LTCC-Folien mit einer Gesamtdicke von 250 μm, ein Laminat bildend, gefügt und gesintert wird. Dann auf einer Oberfläche das Heizelement 6 durch Aufdrucken einer geeigneten elektrisch leitenden Paste, deren Trocknung und Einbrand ausgebildet wird. Darauf wird eine weitere gesinterte LTCC-Folie mit einer Dicke von 50 μm aufgesetzt und alles gefügt, so dass der Heizleiter 6 an einer Seite mit einer Dicke von 250 μm und der anderen Seite von 50 μm von Keramik eingeschlossen ist. Durch diese Asymmetrie kann ebenfalls die Richtung der Auslenkbewegung vorgegeben werden.A bias of the bending beam 7 But can also be achieved by the fact that the bending beam 7 made of several LTCC films with a total thickness of 250 μm, forming a laminate, joining and sintering. Then on a surface the heating element 6 by printing a suitable electrically conductive paste, whose drying and penetration is formed. Then a further sintered LTCC film with a thickness of 50 microns is placed and everything joined, so that the heating conductor 6 enclosed on one side with a thickness of 250 microns and the other side of 50 microns of ceramic. This asymmetry can also be used to specify the direction of the deflection movement.

Wird nun eine elektrische Spannung an das Heizelement 6 angelegt, erwärmt sich der Biegebalken 7. In Folge der dadurch bewirkten thermischen Ausdehnung verbiegt sich der Biegebalken 7 weiter in Richtung auslenkbares Element 1 und übt eine Druckkraftwirkung auf das auslenkbare Element 1 aus. Das auslenkbare Element 1 wird dadurch in Richtung auf die Gegenelektrode 4 bewegt und der Abstand zwischen Elektrode 2 und Gegenelektrode 4 wird kleiner. Erreicht der Abstand ein bestimmtes vorgegebenes Maß kann elektrische Spannung zu Elektrode 2 und Gegenelektrode 4 frei geschaltet werden, um das auslenkbare Element 1 zusätzlich elektrostatisch in Richtung Gegenelektrode 4 zu ziehen. Auch hier kann mit dem heizbaren Biegebalken das Zeitverhalten verbessert und die erforderliche Leistung für die Auslenkung und ein Halten reduziert werden. Es ist, wie auch bei den anderen Beispielen ein größerer Stellweg bei der Auslenkbewegung erreichbar.Now an electrical voltage to the heating element 6 created, the bending beam heats up 7 , As a result of the resulting thermal expansion of the bending beam bends 7 continue towards the deflectable element 1 and exerts a compressive force on the deflectable element 1 out. The deflectable element 1 This will in the direction of the counter electrode 4 moves and the distance between electrode 2 and counter electrode 4 gets smaller. If the distance reaches a certain predetermined level, electrical voltage can be applied to the electrode 2 and counter electrode 4 be released to the deflectable element 1 additionally electrostatically in the direction of the counter electrode 4 to draw. Again, with the heatable bending beam, the timing can be improved and the required power for the deflection and holding can be reduced. It is, as with the other examples a larger travel in the deflection movement achievable.

Mit 6 kann verdeutlicht werden, dass auch das Beispiel nach 5 mit einer Öffnung 9 im Gehäuse 8 und den Dichtelementen 11.1 und 11.2 hergestellt werden kann, so dass eine Ventilfunktion erreicht werden kann.With 6 can be clarified that also the example after 5 with an opening 9 in the case 8th and the sealing elements 11.1 and 11.2 can be made so that a valve function can be achieved.

Die Herstellung eines Hybridaktorelements nach Beispielen der 5 und 6 kann im Wesentlichen, wie beim Beispiel nach 4, erfolgen. Es werden lediglich keine piezoelektrischen Elemente 5.1 und 5.2 an Federarmen 3, sondern das Heizelement 6 an einem zusätzlichen fest eingespannten Biegebalken 7 ausgebildet. Das Heizelement 6 kann analog, wie die elektrische Leiterbahn 20 durch Aufdrucken einer geeigneten Paste (z. B. Silberpaste) mit geeigneter Dicke, trocknen und Einbrennen ausgebildet werden.The preparation of a hybrid actuator element according to examples of 5 and 6 In essence, as in the example below 4 , respectively. There are only no piezoelectric elements 5.1 and 5.2 on spring arms 3 but the heating element 6 on an additional firmly clamped bending beam 7 educated. The heating element 6 can analog, as the electrical conductor 20 by printing a suitable paste (eg silver paste) of suitable thickness, drying and baking.

Einzelne Elemente können ebenfalls durch Kleben oder Löten miteinander verbunden werden. Auch am Beispiel nach 5 kann eine Öffnung 9, mit Ventilwirkung im Zusammenwirken mit auslenkbarem Element 1 vorhanden sein, wie dies beim Beispiel nach 4a, b der Fall ist.Individual elements can also be joined together by gluing or soldering. Also by example 5 can an opening 9 , with valve action in conjunction with deflectable element 1 be present, as in the example after 4a , b is the case.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007051075 A1 [0008]
DE 2007051075 A1 [0008]

Claims

Hybrid actuator element comprising a deflectable between two reversal points element ( 1 ) with at least one bendable spring arm ( 3 ) with the spring arm (s) ( 3 ) is held radially outward in a fixed clamping, while the deflectable element ( 1 ) an electrode ( 2 ) and parallel to a housing, a counter electrode ( 4 ) are designed for an electrostatic deflection and on the / the spring arm (s) ( 3 ) at least one piezoelectric element ( 5 ) or a heating element ( 6 ) is present or at least one on two opposite end faces firmly clamped bending beam ( 7 ), which in the direction of the deflection movement of the deflectable element ( 1 ) is four-bendable, at which the electrode ( 2 ) of the deflectable element ( 1 ) is disposed away from or facing side within the housing; and the deflectable element ( 1 ) and at least parts of the housing made of ceramic material and a plurality of thin miteinender sintered layers and the / the spring arm (s) ( 3 ) is formed from at least one sintered ceramic layer is / are.

Hybrid actuator element according to claim 1, characterized in that in the housing ( 8th ) an opening ( 9 ) is formed and the deflectable element ( 1 ) perpendicular to the plane of the opening ( 9 ) is movable.

Hybrid actuator element according to claim 1 or 2, characterized in that on / at the bending beam ( 7 ) a heating element ( 6 ) or a piezoelectric element ( 5 ) is attached.

Hybrid actuator element according to one of the preceding claims, characterized in that spring arms ( 3 ) radially symmetrical on the deflectable element ( 1 ) are arranged.

Hybrid actuator element according to one of the preceding claims, characterized in that the bending beam ( 7 ) has a greater length at least when heating in the longitudinal axis direction, than the distance between its two restraints ( 7.1 . 7.2 ) is.

Hybrid actuator element according to one of the preceding claims, characterized in that elements of the housing ( 8th ) are firmly bonded together by a solder or an adhesive.

Hybrid actuator element according to one of the preceding claims, characterized in that on the housing ( 8th ) or at the deflectable element ( 1 ) a sealing element ( 11 ) in relation to the opening ( 9 ) is arranged.

Hybrid actuator element according to one of the preceding claims, characterized in that on the electrode ( 2 ) or the counter electrode ( 4 ) an electrically insulating layer is formed and the electrode ( 2 ) and / or counterelectrode ( 4 ) is electrically conductively contacted via passed through the ceramic material via (s) is / are.

Hybrid actuator element according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic material is an LTCC and / or a HTCC.

Hybrid actuator element according to one of the preceding claims, characterized in that a heating element ( 6 ) as an electrical resistance heating element on a bending beam ( 7 ) or in the material of the bending beam ( 7 ) is embedded and contacted by plated-through holes electrically conductive outward.

A method for producing a hybrid actuator element according to any one of the preceding claims, characterized in that thin ceramic films are formed by a separation process and stacked several foils for the formation of individual elements of the Hybridaktorelements stacked and subsequently the thus prepared for the preparation of the elements of the Hybridaktorelements stack separately subjected to a heat treatment with the layers, at which a sintering takes place; on an element which is part of the housing, and the deflectable element filled with an electrically conductive layer and electrically conductive compounds on corresponding elements electrically conductive paste and in openings formed by film stacks electrically conductive paste for the formation of vias and with a further heat treatment or be formed in the sintering electrically conductive contacts; subsequently by laser beam cutting on the deflectable element ( 1 ) at least one spring arm ( 3 ) is formed and then the individual elements are adhesively bonded together with an adhesive and / or solder.

A method according to claim 11, characterized in that in the housing by the separation method, a Materialabtragsverfahren or at least one thermally decomposable element in a heat treatment of carbon or an organic chemical compound or by means of a chemical decomposable material, a cavity ( 12 ) in the housing ( 8th ) is formed.

A method according to claim 11 or 12, characterized in that an electrically non-conductive Layer ( 13 ) on the electrode ( 2 ) or counter electrode ( 4 ) are applied and dried before the integral joining and one on the housing ( 8th ) formed opening ( 9 ) radially enclosing an elastic sealing element ( 11 ) on the deflectable element ( 1 ) or on the housing ( 8th ) is formed by applying a polymer or adhered there.

Method according to one of claims 11 to 13, characterized in that stacked sheets for an element of the hybrid actuator element are pressed together prior to sintering and laminated at a temperature below 100 ° C.