Ermittlung günstiger Magnetkreisformen zur Fertigung von Magnetventilen in Batchtechnologie

In der vorliegenden Arbeit wird das Ziel verfolgt, elektromagnetische Ventilbauformen mit verschiedenen Fertigungstechnologien für einen Fertigungsprozess im Batch zu erarbeiten. Im Mittelpunkt der Untersuchung steht eine Recherche nach geeigneten Ventilbauformen unter den Aspekten der Miniaturisierbarkeit und Fertigbarkeit mittels MIM-, LTCC- und Siliziumtechnologie. Weiterhin wurden Magnetkreise systematisiert und hinsichtlich ihrer Batchtauglichkeit bei Verwendung der o. g. Fertigungstechnologien untersucht. Zu Beginn der Arbeit werden die Grundlagen der LTCC-Technik, der Falt-Flex-Technik und der MIM-Technik vermittelt. Dabei werden die Verfahren beschrieben, die Vor- und Nachteile aufgezählt und Restriktionen genannt. Die im Kapitel 4 präsentierten Patente und Publikationen weisen bis auf die Siliziumventile keine Batchkompatibilität auf. Erst nach einer geometrischen Formänderung der Bauteile wird diese Kompatibilität ersichtlich. Vorschläge zu diesen Bauformen wurden in die entsprechenden Abschnitte eingefügt. Die Auswertung zeigte auf, das der Flach-/Klappanker-Topfmagnet die geeignetste Bauform für miniaturisierte Ventile darstellt. Es wurde die LTCC-Technik, die MIM-Technik sowie die Silizium-Technik als Basis der drei aufgestellten Varianten verwendet. Dabei wurden die jeweiligen Restriktionen berücksichtigt und weitestgehend in den Prinzipskizzen dargestellt. Die auf der LTCC-Technik basierenden Variante 1 weist eine hohe Funktionsintegration auf. Das Gehäuse führt den magnetischen Fluss und ist Träger der Spule und deren Kontaktierung und formt den Fluidkanal. In den Anker sind die Funktionen der Führung und Rückführung sowie der Dichtsitz und die Weiterführung des magnetischen Flusses integriert. Zu beachten ist, dass derzeitige ferromagnetische Tapes eine Permeabilität von 150 erreichen und noch nicht ausreichend hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften untersucht wurden. Die auf der MIM-Technik basierende Variante 2 erreicht aufgrund geeigneter Werkstoffe sehr hohe Permeabilitäten. Diese Technik ist auch für den Einsatz batch-orientierter Fertigung geeignet und hinsichtlich des Magnetkreises zu bevorzugen. Jedoch ist hier der Montageaufwand am höchsten. Die auf Silizium-Technik basierende Variante 3 eignet sich hervorragend zur Miniaturisierung, da strukturierende Verfahren der Mikrosystemtechnik im Vergleich zu den anderen beiden Technologien wesentlich höhere Genauigkeiten erreicht. Da Silizium diamagnetisch ist, müssen für den Magnetkreis zusätzliche ferromagnetische Schichten angebracht werden. Bei der Bewertung erzielten alle Varianten ein ähnliches Gesamtergebnis. Die Unterschiede sind in den einzelnen Kriterien zu finden. Dies deutet darauf hin, dass die spezielle Anwendung eine geeignete Wahl der zu verwendenden Technologie treffen soll. Da Variante 2 die besten Magnetkreiseigenschaften aufweist, ist sie besonders zum Steuern hoher Druckdifferenzen geeignet. Variante 1 eignet sich bei verwendung von Säuren, Basen und Ölen, da die verwendeten Werkstoffe gute chemische Beständigkeiten aufweisen. Variante 3 eignet sich zur Integration in MEMS-Anwendungen zur Steuerung von Arbeitsmedien. Das Tellersitzventil stellte sich als bestes Ventilprinzip heraus und wurde in allen drei Varianten verwendet.