Linearer skalierbarer Mikro-Reluktanzschrittmotor

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1 S. Hansen, G. Janssen, V. A. Ganesan, B. Ponick, A. Mertens, H. H. Gatzen 4. Kolloquium Mikroproduktion Hrsg.: F. Vollertsen, S. Büttgenbach, O. Kraft, W. Michaeli BIAS-Verlag, 2009 Linearer skalierbarer Mikro-Reluktanzschrittmotor S. Hansen 1), G. Janssen 2), V.A. Ganesan 2), B. Ponick 2), A. Mertens 2), H.H. Gatzen 1) Leibniz Universität Hannover Institut für Mikrotechnologie 1), Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik 2) Ein linearer Mikroschrittmotor basierend auf dem Reluktanzprinzip gestattet, sowohl große Stellwege als auch hochgenaue Positionierung. Die Schrittweite des Systems lässt sich weiter reduzieren. Sie wird entweder durch die Polgeometrie oder beim Einsatz von Zähnen auf den Polen durch die Zahngeometrie bestimmt. In der Version mit Zähnen lassen sich besonders kleine Schrittweiten erzielen. Beim Entwurf wird der lineare Mikroschrittmotor mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) simuliert und optimiert. Aus dem so gewonnenen Design werden die Lithografiemasken abgeleitet, die für den dünnfilmtechnischen Fertigungsprozess notwendig sind. Bei der Fertigung erfolgt zunächst die Umsetzung des Systems für große Schrittweiten. Um eine möglichst kompakte Systemintegration für Gesamtsystem zu erzielen, wird für die Ansteuerungskomponenten ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) entworfen. 1 Einleitung Dünnfilmtechnisch gefertigte lineare Mikroschrittmotoren haben das Potential, für hochgenaue Positionieraufgaben kompakte Lösungen zu bieten. Aufgrund der inkrementellen Arbeitsweise kombinierten das vorgestellte System einen Stellweg von 4 mm mit kleinen Schrittweiten. Diese sind je nach Version 66 µm (polbasiert) oder 13,2 µm (zahnbasiert). Bei Nutzung des Reluktanzprinzips zeichnet sich ein Mikroschrittmotor durch einen besonders einfachen Aufbau aus, denn er benötigt nur Erregerspulen und weichmagnetische Flussführungen. Hybridmotoren (Schrittweite 5,6 µm), die zwar eine höhere Vorschubkraft als gleich große Reluktanzaktoren erzielen, erfordern für die Herstellung der Läufer hartmagnetische Werkstoffe. Diese wiederum bedingen einen aufwändigen Herstellungsprozess [1]. Synchronmotoren erlauben grundsätzlich auch einen Schrittbetrieb (Schrittweite 333 µm), sind aber eher für das kontinuierliche Verfahren ausgelegt [2]. Der wesentliche Vorteil des Reluktanzaktors gegenüber anderen Stator-Läufer basierten Systemen besteht in einem Kompromiss zwischen Fertigungsaufwand und Leistungsfähigkeit. Der hier vorgestellte Reluktanzaktor zeichnet sich gegenüber anderen Reluktanzaktoren durch weiteres Verkleinerungspotential aus. Der gefertigte lineare Mikro- Reluktanzschrittmotor hat eine Grundfläche von 8 mm x 15 mm. Er besitzt drei Stränge. Jeder Strang besteht aus einer Gruppe von Kernen mit Polen sowie Erregerspulen. Die Schrittweite wird durch den Abstand zwischen den Polen und dem

2 Linearer skalierbarer Mikro-Reluktanzschrittmotor Versatz der Stränge bestimmt. Die Schrittweite lässt sich weiter auf ein Fünftel reduzieren, wenn die Pole mit Zähnen ausgestattet werden. Nun erfolgt ein Schritt nicht durch Ausrichten von Pol zu Pol, sondern von Zahn zu Zahn, wobei zwischen den Zähnen verschiedener Stränge eine Art Noniuseffekt entsteht. Die Arbeit gliedert sich in drei Bereiche. Der erste umfasst die Modellierung und Simulation des Systems mit Polen ohne und mit Zähnen. Der zweite Bereich ist die Fertigung einer der Schrittmotorversionen, und zwar die Version mit Polen ohne Zähne. Für diese Fertigung kommt Dünnfilmtechnik zum Einsatz. Den Abschluss bildet die Auslegung der Ansteuerungselektronik und deren Integration in einen Mikrochip. 2 Simulation eines skalierbaren Mikro-Reluktanzschrittmotors Im Gegensatz zu makroskopischen Ausführungen müssen beim Entwurf des hergestellten Mikro-Reluktanzschrittmotors geometrieabhängige Materialeigenschaften berücksichtigt werden. Kleine Zähne und große Schichthöhen haben bei der eingesetzten Dünnfilmtechnologie einen negativen Einfluss auf die Magnetisierungskennlinie [3]. Die Besonderheit des Mikro-Reluktanzschrittmotors besteht in seiner skalierbaren Schrittweite. Der schichtweise aufgebaute Ständer ist so konzipiert, dass zwei verschiedene Motoren mit unterschiedlicher Vollschrittweite lediglich über einen zusätzlichen Fertigungsschritt realisierbar sind. Der Motor mit der größeren Schrittweite basiert auf Polen, die somit gleichsam als Zähne dienen. Aus der Polteilung und der Zahl der Stränge ergibt sich eine Schrittweite von 66 µm. Eine geringere Schrittweite wird durch Aufsetzen von je drei Zähnen auf die Pole realisiert, was zu einer Schrittweite von 13,2 µm führt. Hierbei ist zu beachten, dass die Skalierbarkeit gleiche Pol- und Strangteilungen trotz unterschiedlicher Vollschrittweite erfordert. Bild 1: Entwurf des skalierbaren Mikro-Reluktanzschrittmotors mit und ohne Zähne Der Ständer des skalierbaren Mikro-Reluktanzschrittmotors besteht aus drei Strängen und besitzt eine Polbreite von 99 µm und einen dreifach so breiten Polabstand von

3 S. Hansen, G. Janssen, V. A. Ganesan, B. Ponick, A. Mertens, H. H. Gatzen 297 µm. Der Abstand zwischen zwei Strängen beträgt 429 µm, was 4 1/3 Polbreiten entspricht. Mit dieser Aufteilung können auf die Pole Zähne von 1/5 der Polbreite, folglich pro Pol drei Zähne mit einer Breite von je 19,8 µm aufgesetzt werden. Die Zahnbreite des Läufers ist gleich der des Ständers. Der Abstand zwischen den Polen bzw. Zähnen auf dem Läufer ist gleich der Pol- bzw. Zahnbreite. Die durch den Fertigungsprozess und somit durch die Geometrie beeinflusste Veränderung der Materialcharakteristik des dünnfilmtechnisch hergestellten Mikro- Reluktanzschrittmotors erfordert die Berücksichtigung einer geometrieabhängigen, anisotropen Magnetisierungskennlinie in der FEM-Simulation. Die besten Voraussetzungen zur Untersuchung und Optimierung des skalierbaren Mikro- Reluktanzschrittmotors sind durch ein 3D-FEM-Modell gegeben. Für den Modellaufbau, die Vernetzung und die elektromagnetische Berechnung der Mikro- Reluktanzschrittmotoren wurde die Simulationssoftware ANSYS-Workbench eingesetzt. Eine feine Vernetzung des Luftspalts wurde durch Einbindung von dünnen Luftkörpern erzielt. Die berechnete Kraft des Mikro-Reluktanzschrittmotors liegt über 1 mn und gewährleistet einen sicheren Vorschub des Läufers. 3 Fertigung des linearen Mikro-Reluktanzschrittmotors Die zu fertigende Version des Mikroschrittmotors weist Pole ohne Zähne auf und dient als Vorstufe für die Fertigung eines zahnbasierten Mikroaktors. Für die Fertigung kommt Dünnfilmtechnik zum Einsatz. Bild 2 zeigt die Folge der Fertigungsschritte. Begonnen wird mit der galvanischen Abscheidung des unteren Kerns. Dieser wird in SU-8 eingebettet und durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) eingeebnet (Bild 2a). Danach wird auf die Einbettungsschicht eine 250 nm dicke Si 3 N 4 - Isolationslage aufgebracht, die mittels Plasma unterstützter chemischer Gasphasen- Abscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition PECVD) erzeugt wird. In den Bereichen, wo später die Abscheidung der Pole erfolgt, wird die Si 3 N 4 -Isolation mittels Ionenstrahlätzen (Ion Beam Etching, IBE) entfernt. Als nächstes wird das Si 3 N 4 mit einer elektrisch leitenden Kontaktschicht beschichtet. Darauf erfolgt dann die galvanische Abscheidung von Cu zur Fertigung der erste Spulenlage (Bild 2b). Anschließend werden die Pole aus Permalloy der Komposition NiFe45/55 galvanisch abgeschieden. Auf diese zwei Galvanikschritte folgt ein CMP-Prozess, der die Unebenheiten von Polen und Spulen ausgleicht. Durch Ionenstrahlätzen erfolgt dann der Abtrag der Kontaktschicht, welche die galvanische Abscheidung der letzten beiden Metallschichten ermöglicht. Zur Isolation werden als nächstes die abgeschiedenen Strukturen in SU-8 eingebettet und anschließend mittels CMP planarisiert (Bild 2c). Dieser CMP-Schritt ist erforderlich, um für die folgende PECVD-Beschichtung eine ausreichende Planarität zu gewährleisten. Durch IBE entstehen in der PECVD-Schicht Öffnungen für den weiteren Aufbau der Pole und für die Durchkontaktierungen der Spule (Bild 2d). Anschließend werden auf einer Kontaktschicht galvanisch die zweite Spulenlage (Bild 2e) und der zweite Teil der Pole abgeschieden und in SU-8 eingebettet. Die Schrittfolge entspricht dabei derjenigen, die bei der Herstellung der ersten Lage verwendet wurde. Den Abschluss des Dünnfilmprozesses bildet das Freilegen der Kontaktpads mittels IBE, um eine spätere Kontaktierung zu ermöglichen

4 Linearer skalierbarer Mikro-Reluktanzschrittmotor (Bild 2f). Bild 3 zeigt das Spulensystem eines fertig gestellten Mikromotors. Spätere Versionen des linearen Mikroschrittmotors können mit mittels FEM-Simulation ausgelegten Zahnstrukturen ausgestattet werden. Die Prozessfolge ist dabei die gleiche wie beschrieben, mit der Ausnahme dass sich eine Fertigung von Zähnen auf den Polen anschließt. Im Vergleich zur Fertigung des Ständers ist die des Läufers sehr einfach. Er besteht nur aus Flussführung und Polen, wobei letztere bei der Schrittmotorversion für kleine Schrittweiten durch Zähne ersetzt werden. Montage und Funktionstest bilden den Abschluss der Fertigung. Beim Funktionstest wird an jedem Strang einem Strom von 250 ma angelegt. Bild 4 zeigt den Motor während des Tests. Bild 2: Fertigungsfolge des Mikro-Reluktanzschrittmotors a) Einbettung des unteren Kerns, b) erste Spulenlage, c) Einbettung der ersten Spulenebene, d) Strukturierung der zweiten Si 3 N 4 -Lage, e) zweite Spulenlage, f) fertiggestellter Mikromotor Bild 3: Spulensystem des Stators eines Reluktanzmotors Bild 4: Reluktanzmotor während des Funktionstests 4 Ansteuerung des Mikroreluktanzschrittmotors Zur Ansteuerung der vorgestellten Mikromotoren wurde eine spezielle Antriebsstruktur bestehend aus Positionsregelung, Stromregelung und Leistungselektronik entwickelt. Die Konzepte der Regelung und Steuerung sind ausführlich in [4] beschrieben. In diesem Beitrag wird die Leistungselektronik für den Betrieb eines linearen Reluktanzaktors näher betrachtet. Für jeden Strang des Motors ist ein Tiefsetzsteller erforderlich, der die Eingangsspannung auf die erforderliche Strangspannung herabsetzt und somit den Strom regelbar macht. Ein Switched Capacitor DC/DC- Wandler (SC DC/DC-Wandler) kommt als Tiefsetzsteller zum Einsatz. Der SC DC/DC- Wandler kann ausschließlich mit Schaltern und Kondensatoren (ohne Induktivitäten) realisiert werden. Der komplette Aufbau ist unter Verwendung integrierter Schaltungstechnologie je nach Leistung mit externen Kondensatoren möglich. Außerdem ist die Steuerbarkeit der Schaltung einfach, und die Ausgangsspannung ist

5 S. Hansen, G. Janssen, V. A. Ganesan, B. Ponick, A. Mertens, H. H. Gatzen gut geglättet. Einige verschiedene Topologien von SC DC/DC-Wandlern sind in [3] vorgestellt. Bild 5 zeigt die Topologie des zweistufigen SC DC/DC-Wandlers, der in dieser Arbeit beschrieben wird. ist dabei der Lastwiderstand und R para repräsentiert den parasitären Widerstand des MOSFETs (R DSON ). Die Stufenzahl n ist durch die Zahl der Kondensatoren definiert, die während der Aufladungsphase in Reihe mit der Eingangsspannung geschaltet ist. In dem vorgeschlagenen SC DC/DC-Wandler sind die Kondensatoren C 1 und C 2 während der Aufladungsphase in Reihe mit der Eingangsspannung U ein geschaltet und während der Entladungsphase parallel zu der Last angeordnet. Aufgrund der vorgegebenen Schaltzustände wird ein einfaches Tiefstellen der Spannung am Ausgang realisiert. Außerdem kann durch die Veränderung der Aufladungszeit der Kondensatoren C 1 und C 2 die Ausgangsspannung eingestellt werden. Der beschriebene SC DC/DC-Wandler kann sich aufgrund der Schaltzustände in drei unterschiedlichen Betriebsphasen befinden. Bild 6 zeigt die Zeitverläufe eines eingeschwungenen Zustands des SC DC/DC-Wandlers, welches die drei wichtigen Betriebsphasen (Aufladungsphase, Sperrzeit, Entladungsphase) verdeutlicht. Für einen n-stufigen SC DC/DC-Wandler ist der Mittelwert der Ausgangsspannung mit der Formel U aus = U ein α ;α = T auf 2 R para + α n T = T ent T zu berechnen (Bild 3), wobei der Aussteuergrad α der relativen Aufladungszeit der Kondensatoren C 1 und C 2 entspricht. Bild 5: Zweistufiger SC DC/DC-Wandler Bild 6: Spannungsverläufe des SC DC/DC-Wandlers Der Wirkungsgrad des SC DC/DC-Wandlers ist durch α n R η = L = n U aus 2 R para + α n U ein beschrieben. Die analytischen Berechnungen wurden durch Simulationen verifiziert (Bild 7). Wird der beschriebene SC DC/DC-Wandler beispielsweise fünfstufig aufgebaut; so sind für eine bestimmte Ausgangsspannung bei Verwendung unterschiedlicher Stufenzahlen abweichende Wirkungsgrade zu erzielen (Bild 8). Somit ist anschaulich, dass bei einem mehrstufigen Aufbau der Schaltung ein optimaler Wirkungsgrad resultiert, wenn die Stufenzahl n in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung umgeschaltet werden kann.

6 Linearer skalierbarer Mikro-Reluktanzschrittmotor n = 5 n = 4 Optimal U aus /U ein = 8 = 16 = 80 = Aussteuergrad (a) Bild 7: Steuerkennlinie des zweistufigen SC DC/DC-Wandlers η in % n = 3 n = 2 n = U aus /U ein Bild 8: Wirkungsgrad des SC DC/DC- Wandlers mit Änderung der Stufenzahl und U ein =3,3V 5 Schlussfolgerung Durch die Anwendung des Reluktanzprinzips konnte ein Mikroschrittmotor realisiert werden, der sich durch einen besonders einfachen Aufbau auszeichnet: Er benötigt nur Erregerspulen und weichmagnetische Flussführungen. Durch die Arbeiten zur Integration der Ansteuerelektronik in ein ASIC erfolgt die Weichenstellung in Richtung eines kompakten Gesamtsystems. 6 Danksagung Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung der Forschungsarbeiten im Rahmen des Sonderforschungsbereiches (SFB) 516 Konstruktion und Fertigung aktiver Mikrosysteme. 7 Literatur [1] T. Budde; M. Hahn; M. Föhse; J. Edler; H.-D. Stöltin;, H.H. Gatzen: Design, Fabrication, and Characterization of a Hybrid Linear Micro Step Motor. Proc. 9th Int. Conf. on New Actuators 2004, Bremen, Germany, 2004, S [2] M. Bedenbecker; M. Hahn; H.H. Gatzen: Linear Synchronous Micro Motor with Further Miniaturized Dimensions. Proc. ASME 2007, Las Vegas, USA, DETC [3] R. Gehrking: Entwurf von Aktivteilen elektromagnetischer Mikrolinearmotoren unterschiedlicher Wirkprinzipien, Fortschritt-Berichte VDI Reihe 21, Nr Düsseldorf: VDI Verlag 2009, ISBN [4] S. Demmig: Ansteuerung und Regelung von elektromagnetischen Mikromotoren., VDI Verlag, 2008 [5] S. Ang; A. Oliva: Power-Switching Converters, Second Edition. CRC Press Taylor & Francis Group, [6] A. Loinovici: Switched-capacitor power electronics circuits. Circuits and Systems Magazine, 2001, Volume 1, S