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.The invention relates to a micromechanical component for a bearingless electric motor and a bearingless electric motor. Furthermore, the invention relates to a method for producing a micromechanical component for a bearingless electric motor and to a production method for a bearingless electric motor.
Stand der TechnikState of the art
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.In the EP 0 860 046 B1 there is described a bearingless (brushless) electric motor comprising, as part of its rotor, a magnetized disc which rotates about a rotational axis in a radial magnetic rotating field. The bearingless (brushless) electric motor is manufactured using precision engineering techniques.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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.The invention provides a micromechanical component for a bearingless electric motor with the features of claim 1, a bearingless electric motor with the features of claim 3, a method for producing a micromechanical component for a bearingless electric motor with the features of claim 7 and a method for producing a bearingless Electric motor with the features of claim 10.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
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.The present invention enables a micromechanical production of bearingless electric motors. Compared with conventional bearingless electric motors, which are manufactured by means of fine mechanical techniques, which makes miniaturization of their volume significantly more difficult (or almost impossible), a micromechanical manufacturing of bearingless electric motors by means of the present invention facilitates their miniaturization. The bearingless electric motors which are smaller and / or lighter than the prior art by means of the present invention can be used in a simpler and more versatile manner, even in a human body for medical purposes. In addition, the present invention contributes to the reduction of manufacturing costs for bearingless electric motors, e.g. due to material savings and the use of low cost semiconductor process processes. By means of the micromechanical production of bearingless electric motors according to the invention, their manufacturing tolerances can also be reduced. This makes it possible to dispense with expensive measures to compensate for an asymmetry of a construction and / or to guarantee controllability. It should also be noted that the bearingless electric motors obtained by the present invention typically have a relatively high robustness, which increases their applicability in a variety of environmental conditions, such as even at high temperatures and / or in a chemically reactive atmosphere.
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.A further advantage of the present invention is the cost-effective design of the at least one sensor device on and / or in the semiconductor carrier structure. In addition, the present invention also facilitates miniaturization of the at least one sensor device. A variety of known from the prior art processes can be used to equip a bearingless electric motor according to the invention with the at least one inexpensively realized and comparatively small and lightweight sensor device. In addition, the formation of the at least one sensor device on and / or in the semiconductor carrier structure allows comparatively good accuracy in their positioning. As a rule, the at least one sensor device can be positioned with an accuracy in the μm range on and / or in the assigned semiconductor carrier structure. This also improves accuracy when using the at least one sensor device and thus allows a comparison with the prior art improved control of the respective bearingless electric motor equipped therewith.
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 an advantageous embodiment of the micromechanical component, at least one Hall sensor and / or at least one capacitive sensor are designed as the at least one sensor device on and / or in the semiconductor carrier structure. Such sensor types are not only versatile and advantageous in a bearingless electric motor used, but also by means of semiconductor technologies comparatively small, lightweight and inexpensive to and / or formed in the associated semiconductor support structure.
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 an advantageous embodiment of the bearingless electric motor, the at least one receiving opening is structured from a first side of the semiconductor carrier structure into the semiconductor carrier structure, wherein on a second side of the semiconductor carrier structure facing away from the first side for each of the semiconductor devices Supporting structure arranged flux guide pieces each have a flux conductor post adjacent to the associated flux guide piece, and wherein the flux conductor posts are wound by coils. Despite the small formability of this embodiment of the bearingless electric motor can thus be easily and reliably caused a radial magnetic rotating field at a mounting position of the rotor, by means of which the permanent magnet comprehensive Rotor is rotated about its axis of rotation. Another advantage of semiconductor technology can be exploited for this embodiment of the bearingless electric motor by producing very thin layers reproducibly. Flux conductors on both sides of such layers enable transmission of magnetic flux with almost no stray field loss. At the same time, the flux guide pieces are hermetically separated.
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.In a further advantageous embodiment, in which the at least one receiving opening is structured from the first side of the semiconductor carrier structure into the semiconductor carrier structure, a return plate is arranged on the second side of the semiconductor carrier structure directed away from the first side. The return pulley may, for example, be fastened directly to the semiconductor carrier structure on the second side. Likewise, the return plate may be attached to ends of the flux guide posts directed away from the semiconductor carrier structure. In all cases described here, the return plate forms together with the Flußleiterstücken (and possibly the Flußleiterpfosten) a permanent magnetic flux circuit, by means of which a breakage of the rotor is prevented from its plane-parallel position with respect to a substrate surface.
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.For example, the rotor may be designed as a pump rotor, as a propeller rotor or with at least one light-reflecting surface. The bearingless electric motor can thus be used as part of a pump (such as in medical technology as a heart pump), as part of a propeller-driven or propeller-driven device, or as part of an optically active device (such as a micromirror device).
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.The advantages described above are also achieved when carrying out a corresponding method for producing a micromechanical component for a bearingless electric motor. It should be noted that the method for producing a micromechanical component for a bearingless electric motor according to the previously described embodiments of the micromechanical component can be further developed.
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.Furthermore, carrying out a corresponding manufacturing method for a bearingless electric motor also provides the advantages already described above. Also, the manufacturing method for a bearingless electric motor can be further developed in accordance with the above-described embodiments of the micromechanical component and the bearingless electric motor.
Figurenlistelist of figures
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.
Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to the figures. Show it: - 1a and 1b schematic representations of an embodiment of the micromechanical component, or of the bearingless electric motor equipped therewith, wherein 1a a plan view of the bearingless electric motor and 1b a cross section through the bearingless electric motor along a line AA 'the 1a demonstrate;
- 2 a schematic cross section through a semiconductor substrate for explaining an embodiment of the method for producing a micromechanical device for a bearingless electric motor;
- 3a and 3b schematic cross sections through semiconductor substrates for explaining a first embodiment of the production method for a bearingless electric motor; and
- 4a to 4e schematic representations for explaining a second embodiment of the manufacturing method for a bearingless electric motor.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
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. 1a and 1b show schematic representations of an embodiment of the micromechanical component, or of the bearingless electric motor equipped therewith, wherein 1a a plan view of the bearingless electric motor and 1b a cross section through the bearingless electric motor along a line AA 'the 1a demonstrate.
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.The in 1a and 1b schematically illustrated bearingless electric motor 10 comprises a micromechanical component 12 with a semiconductor carrier structure 14 of at least one semiconductor material. For example, the semiconductor carrier structure 14 be formed at least partially of silicon (as the semiconductor material). The semiconductor carrier structure 14 may in particular be structured out of a (pure) silicon substrate or a (pure) silicon wafer. As an alternative or in addition to silicon, the semiconductor carrier structure 14 However, also from at least one other material, such as at least one other semiconductor material, at least one electrically insulating material and / or at least one metal may be formed. The semiconductor carrier structure 14 , or the micromechanical component 12 , can thus be manufactured by means of MEMS technology (ie by means of microsystem technology, microsystem technology or microelectromechanical system technology).
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. At least one receiving opening 16 is (by MEMS technology) in the semiconductor carrier structure 14 structured in that a rotor 18 centered and around a rotation axis 20 rotatable in the at least one receiving opening 16 can be arranged and (additionally) flux guide pieces 22 radially around the rotor 18 around in the at least one receiving opening 16 can be arranged. Under the rotor 18 , which in the at least one receiving opening 16 can be arranged / arranged, is a component to understand which at least one permanent magnet 18 (with a magnetization direction 24 ). By means of generating one about the axis of rotation 20 rotating alternating magnetic field, the in the at least one receiving opening 16 arranged rotor 18 therefore in a rotational movement about the axis of rotation 20 be offset. The rotor 18 is preferably rotationally symmetrical. In particular, the rotor can 18 be spherical, ellipsoidal, cylindrical, annular or disc-shaped.
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.The flux conductor pieces 22 are preferably formed from at least one magnetic flux conductor material / at least one soft magnetic material, such as iron and / or nickel, in particular alloys of iron and nickel (permalloy). As an alternative or as a supplement to iron and / or nickel, the flux guide pieces 22 however, also be formed from at least one other magnetic flux conductor material / soft magnetic material. For effecting about the rotation axis 20 rotating alternating magnetic field at a mounting position of the rotor 18 can the flux conductor pieces 22 therefore be used advantageously. In addition, the flux guide pieces 22 preferably so immovable in the at least one receiving opening 16 can be arranged / arranged or fastened / fixed, that a position and position of the flux guide pieces 22 in the at least one receiving opening 16 by the rotating alternating magnetic field and the rotational movement of the rotor 18 around the axis of rotation 20 not be affected. The flux conductor pieces 22 can thus also be referred to as "stator teeth". Each of the flux conductor pieces 22 may be shaped in the form of a straight prism with an isosceles trapezium as the base (or "pie slice" shaped). It should be noted, however, that a formability of the micromechanical component 12 , or the bearingless electric motor equipped therewith 10 , not on a specific shape of the flux conductor pieces 22 is limited.
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.The semiconductor carrier structure 14 , or the micromechanical component 12 , can thus be described as a "template" (made using MEMS technology). The use of the "template" facilitates and improves alignment and alignment of the rotor 18 and the flux conductor pieces 22 to each other, which by means of the shape of the at least one receiving opening 16 easily and with a relatively high accuracy can be fixed. In this way, it can be guaranteed that the around the axis of rotation 20 rotatable in the at least one receiving opening 16 arranged rotor 18 and the radially around the rotor 18 around in the at least one receiving opening 16 arranged flux conductor pieces 22 are advantageously arranged and aligned with each other. In particular, by means of the formation of the at least one receiving opening 16 Semiconductor strips 26 between each two adjacent Flußleiterstücken 22 and / or a centering pin 28 for mounting the permanent magnet 18 comprehensive rotor 18 be educated. The use of the semiconductor carrier structure 14 as a "template" thus facilitates an exact positioning of the components 18 and 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.The use of the semiconductor carrier structure (made by MEMS technology) 14 , or of the (using the MEMS technology produced) micromechanical component 12 , also allows minimization of the bearingless electric motor 10 , It is expressly noted that the bearingless electric motor 10 is so small that it can be used even in a human body (relatively) without problems, for example for a medical technology use (such as a heart pump).
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.The micromechanical component 12 also has at least one sensor device 30, which on and / or in the semiconductor carrier structure 14 is trained. The integration of the at least one sensor device 30 into the semiconductor carrier structure 14 achieves a significant increase in manufacturing tolerances. In addition, the MEMS technology can also be used to produce the at least one sensor device 30 , and thus for the advantageous positioning of the at least one sensor device 30 , be used. An exact position of the at least one sensor device that can be realized in this way 30 contributes significantly to improving controllability of the bearingless electric motor 10 at.
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.For example, at least one Hall sensor 30 and / or at least one capacitive sensor as the at least one sensor device 30 at and / or in the semiconductor carrier structure 14 be educated. In particular, for the formation of such types of sensors inexpensive and easily executable lithographic processes with a high accuracy (in the nanometer range) in the positioning of the at least one sensor device 30 be executed. It should be noted, however, that an embodiment of the at least one sensor device 30 is not limited to the sensor types mentioned here.
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. In the embodiment of the 1a and 1b is the at least one receiving opening 16 from a first side of the semiconductor carrier structure 14 out into the semiconductor carrier structure 14 structured into it. On a side facing away from the first side of the second semiconductor carrier structure 14 is for each of them in the semiconductor carrier structure 14 arranged flux conductor pieces 22 one river post each 32 adjacent to the associated flux guide pieces 22 arranged. The river conductor posts 32 For example, in each case (on the second side of the semiconductor carrier structure 14 trained) depressions (partially) be used. The river conductor posts 32 are from coils 34 wrapped. By means of an energization of the coils 34 (with at least two different AC signals) are the flux guide pieces 22 and the flux conductor posts 32 are magnetizable, whereby the around the axis of rotation 20 rotating alternating magnetic field at the mounting position of the rotor 18 is feasible. By the arrangement of the flux conductor posts 32 and coils 34 on the second side of the semiconductor carrier structure 14 can the flux conductor pieces 22 regardless of the flux conductor posts 32 and coils 34 be positioned. It is expressly noted that a number of the flux guide pieces 22 , the river pole 32 and the coils 34 according to the desired number of poles of the bearingless electric motor 10 is freely selectable.
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.For energizing the coils 34 of the bearingless electric motor 10 (with at least two different AC signals) only comparatively little energy is needed. For an energy supply of the bearingless electric motor 10 Therefore (replaceable) batteries or rechargeable batteries can be used. This facilitates use of the bearingless electric motor 10 in a variety of locations, such as in a human body.
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.The magnetization direction 24 of the permanent magnet 18 is inclined, preferably perpendicular, to the axis of rotation 20 is aligned. A magnetization direction 24 of the permanent magnet 18 in one of the flux conductor pieces 22 spanned / surrounding layer is therefore preferred. This can also be described as an "in-plane magnetization" of the permanent magnet 18.
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.The bearingless electric motor 10 of the 1a and 1b also has one on the second side of the semiconductor carrier structure 14 arranged return pulley 36 on. The return pulley 36 is preferably rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation 20 arranged. For example, the return pulley 36 on of the semiconductor carrier structure 14 away directed ends of the flux conductor posts 32 be attached. The return pulley 36 serves as a magnetic closure to stabilize the rotor 18 , By means of the return pulley 36 can be a "breaking out" or "drifting away" of the rotor 18 in one direction along the axis of rotation 20 be prevented. This is also referred to as an "in-plane stability" of the permanent magnet / rotor 18 "Parallel" to the return pulley 36 , The return pulley 36 is therefore also as a "back-iron" rewritable.
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.In the embodiment of the 1a and 1b is the rotor 18 by way of example only from the permanent magnet 18 , In a further development of the bearingless electric motor 10 of the 1a and 1b can the rotor 18 also be designed as a pump rotor, as a propeller rotor or with at least one light-reflecting surface. This can be realized by attaching and / or forming additional elements on the rotor 18. For example, at an angle not equal to 0 ° and not equal to 180 ° to the axis of rotation 20 aligned surfaces for a pumping function or for a propeller function (for effecting a flow of a gas and / or a liquid and / or for causing a movement of a device) are used. At least one at an angle not equal to zero and not equal to 90 ° to the axis of rotation 20 aligned light reflecting surface of the rotor 18 may also be used for an optically active device, such as a micromirror device.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für einen lagerlosen Elektromotor. 2 shows a schematic cross section through a semiconductor substrate for explaining an embodiment of the method for producing a micromechanical device for a bearingless electric motor.
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.In carrying out the method described below, a semiconductor carrier structure 14 formed from at least one semiconductor material, wherein at least one receiving opening 16 such in the semiconductor carrier structure 14 is structured in that a permanent magnet 18 comprehensive rotor 18 (of the later electric motor 10 centered and about an axis of rotation 20 rotatable in the at least one receiving opening 16 is arrangeable and flux conductor pieces 22 (of the later electric motor 10 ) radially around the rotor 18 around in the at least one receiving opening 16 can be arranged. In particular, the semiconductor carrier structure 14 by forming the at least one receiving opening 16 be structured out of a semiconductor substrate out. The respective semiconductor substrate may comprise, for example, silicon (as the semiconductor material). In particular, the semiconductor carrier structure 14 with the at least one receiving opening 16 be structured out of a (pure) silicon substrate or a (pure) silicon wafer (as the semiconductor material). As an alternative or in addition to silicon, the semiconductor carrier structure 14 however also be formed from at least one other semiconductor material, at least one electrically insulating material and / or at least one metal.
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.For structuring the at least one receiving opening 16 At least one etching process can be carried out. Thus, a desired shape of the at least one receiving opening 16 can be easily met by means of a cost-effective and easily executable process.
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.When forming the at least one receiving opening 16 can semiconductor bridges 26 such on the semiconductor carrier structure 14 be formed, that in each case one of the semiconductor webs 26 an abutment of two in the at least one receiving opening 16 adjacent arranged Flußleiterstücken 22 prevented. In addition, the semiconductor bridges 26 be shaped so that the to the semiconductor bars 26 abutting flux conductor pieces 22 only by a comparatively small gap of the present in its mounting position rotor 18 spaced, but without touching contact with the rotor 18 in which at least one receiving opening 16 are arranged. Alternatively or in addition to the semiconductor bars 26 can also have a centering pin 28 for mounting the permanent magnet 18 comprehensive rotor 18 by means of the formation of the at least one receiving opening 16 be formed. Preferably, the centering pin 28 radially-centric in the semiconductor carrier structure 14 structured into it.
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.)Optionally may also, before or after the at least one receiving opening 16 from a first side of the (later) semiconductor carrier structure 14 out into the semiconductor carrier structure 14 is structured into, at least one further depression 40 in a side facing away from the first side of the second semiconductor carrier structure 14 be structured. Also for structuring the at least one further recess 40 At least one etching process can be carried out. A feasibility of the method described herein is (almost) independent of a shape of the at least one further recess 40 , (The at least one further recess, for example, for later attachment of the flux conductor posts 32 and / or the return pulley 36 be used.)
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.Before and / or after structuring the at least one receiving opening 16 is at least one sensor device 30 at and / or in the semiconductor carrier structure 14 educated. Forming the at least one sensor device 30 can be done using MEMS technology. In this way, in the at least one sensor device 30 cost, by means of a comparatively low workload and in good compliance with a desired position of the at least one sensor device 30 at and / or in the semiconductor carrier structure 14 formable. For example, at least one Hall sensor 30 and / or at least one capacitive sensor as the at least one sensor device 30 at and / or in the semiconductor carrier structure 14 be formed. It is mentioned above that at least one lithographic process is well suited for accurately positioning such a sensor type.
Das fertige mikromechanische Bauteil 12 ist in 2 schematisch dargestellt.The finished micromechanical component 12 is in 2 shown schematically.
3a und 3b zeigen schematische Querschnitte durch Halbleitersubstrate zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen lagerlosen Elektromotor. 3a and 3b show schematic cross sections through semiconductor substrates for explaining a first embodiment of the manufacturing method for a bearingless electric motor.
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.When executing the means of the 3a and 3b The manufacturing method shown schematically is first the micromechanical component (later used as a "template") 12 according to the 2 prepared methods. Then the permanent magnet 18 comprehensive and around the axis of rotation 20 rotatably arranged rotor 18 and the flux conductor pieces 22 radially about a mounting position of the rotor 18 around in the at least one receiving opening 16 of the semiconductor carrier structure 14 of the micromechanical component 12 used or formed.
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.In the embodiment of the method described herein (before inserting or forming the rotor 18 in the at least one receiving opening 16), the flux guide pieces 22 by means of a lithographic electroplating method radially around the later mounting position of the rotor 18 around in the at least one receiving opening 16 educated. The lithographic electroplating-molding process carried out therefor may also be referred to as a LIGA process or LiGA process.
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.Subsequently, the rotor 18 at its mounting position in the at least one receiving opening 16 used. For a mounting of the rotor 18 may be on the semiconductor carrier structure 14 trained centering pin 28 be used. In addition, on the rotor 18 a blind hole 42 be formed, in which the centering pin 28 during assembly of the rotor 18 at least partially inserted. In this way, a good centering of the rotor 18 between the flux conductor pieces 22 reachable. Also, an optimization of a height of the rotor 18 on the axis of rotation 20 is achievable in this way. A magnetization of the permanent magnet 18 of the rotor 18 (corresponding to a desired magnetization direction 24 ) preferably takes place only at the end of the manufacturing process.
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. 3a shows the semiconductor carrier structure used as a "template" 14 with the flux conductor pieces inserted therein 22 and between the flux conductor pieces 22 centered rotor 18 , During later operation of the bearingless electric motor 10 becomes the rotor 18 operated without warehouse. It is therefore advantageous that only one comparatively small gap between each flux conductor pieces 22 and the rotor 18 is present without the flux guide pieces 22 the rotor 18 touch. This advantageous positioning of the flux guide pieces 22 to the rotor 18 is by means of the use of the semiconductor carrier structure 14 as a "template" easily and reliably feasible.
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.As in 3b is recognizable, is then on a second side of the semiconductor carrier structure 14 which is from a first side of the semiconductor carrier structure 14 from which the at least one receiving opening 16 into the semiconductor carrier structure 14 into, is directed away, for each of those in the semiconductor carrier structure 14 arranged flux conductor pieces 22 one river post each 32 adjacent to the associated flux guide piece 22 arranged. Subsequently, the flux conductor posts 32 with coils 34 wrapped. Also on the second side of the semiconductor carrier structure 14 becomes a return pulley 36 arranged.
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.The use of coils is advantageous 34 with core, which are available as SMD component (surface mount device). These have good accuracy and are relatively inexpensive. As are extremely thin semiconductor layers for the semiconductor carrier structure 14 can cause the magnetic field to "skip". The advantageous use of the semiconductor substrate thus simultaneously allows the use of advantageous SMD components. Thin semiconductor layers, or in the semiconductor carrier structure 14 used insulation layers with a thickness in the micron range still allow a hermetic capping explained below.
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.Optionally, the semiconductor carrier structure 14 be hermetically sealed on the first page. For example, to a translucent disc 44 on the first side of the semiconductor carrier structure 14 attached. Such a hermetic capping is especially for optical use of the bearingless electric motor 10 often beneficial.
4a bis 4e zeigen schematische Darstellungen zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen lagerlosen Elektromotor. 4a to 4e show schematic representations for explaining a second embodiment of the manufacturing method for a bearingless electric motor.
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.In one by means of 4a schematically reproduced process step is an elongated block / strand 46 at least one magnetic flux conductor material / at least one soft magnetic material, such as iron, rolled / cold rolled. In one by means of 4b schematically illustrated method step is the block 46 so ground and / or polished that its (perpendicular to a longitudinal direction of the block 46 aligned) first end face 48a and its first end face 48a directed away (and perpendicular to the longitudinal direction of the block 46 aligned) second end face 48b each in the form of an isosceles trapezium. Preferably, each have two isosceles edges 50a and 50b the first face 48a and the second end face 48b an equal length. Also for a perpendicular to an axis of symmetry of the first end face 48a aligned base edge 50c the first face 48a and one also perpendicular to the axis of symmetry of the first end face 48a aligned further edge 50d the first end face 48a is preferred when the base edge 50c the first face 48a the same length as a perpendicular to an axis of symmetry of the second end face 48b oriented base edge of the second end face 48b and the further edge 50d the first face 48a the same length as a likewise perpendicular to the axis of symmetry of the second end face 48b aligned further edge of the second end face 48b sanded and / or polished. The along the longitudinal direction of the block 46 aligned side surfaces 52a to 52d of the block 46 are preferably each ground and / or polished in a rectangular shape.
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.The faces 48a and 48b and side surfaces 52a to 52d of the block 46 can easily and reliably smoothed and / or polished. Also the desired dimensions for the edges 50a to 50d the faces 48a and 48b , even a desired dimension x for the shortest edge 50d the faces 48a and 48b , can when sanding and polishing the block 46 be kept exactly by means of a comparatively small amount of work.
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. 4c shows the block 46 after grinding / polishing. In one by means of 4d reproduced process step is the block 46 in slices 22 divided, with the slices 22 each in the form of a straight prism with an isosceles trapezium as a base (corresponding to the faces 48a and 48b of the block 46 ) are present. When dividing the block 46 in the slices 22 lie the divisions / cut surfaces 54 preferably always perpendicular to the longitudinal direction of the block 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.) 4e shows how at least some of the discs 22 as flux conductor pieces 22 radially around the mounting position of the rotor 18 around in the at least one receiving opening 16 the (used as a "template") semiconductor carrier structure 14 are used. (The semiconductor carrier structure 14 is in 4e only partially shown.)
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.The insertion of the flux guide pieces 22 radially around the mounting position of the rotor 18 around in the at least one receiving opening 16 can be carried out, for example, by means of a "pick and place method", which in 4e by means of the arrows 56 is shown schematically. The flux conductor pieces can do this 22 between the on the semiconductor support structure 14 formed semiconductor bridges 26 be pushed to the stop. In this way, an exact radial-symmetrical positioning of the flux guide pieces 22 can be achieved. It is expressly pointed out that the manner described here of equipping the bearingless electric motor 10 with the flux conductor pieces 22 each a relatively small gap between the rotor 18 and the one around the rotor 18 arranged around flux conductor pieces 22 allows. The use of the semiconductor carrier structure 14 (as a "template") thus facilitates positioning of the components 18 and 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.In a development of the manufacturing method described here, a pump rotor, a propeller rotor or a rotor formed with at least one light-reflecting surface can also be used 18 (as the rotor 18 ) in the at least one receiving opening 16 be used or formed.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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EP 0860046 B1 [0002]EP 0860046 B1 [0002]
