DE10133014B4 - Verfahren zur Erzeugung von dreidimensionalen, mikrostrukturierten Komponenten - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von dreidimensionalen, mikrostrukturierten Komponenten Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen, mikrostrukturierten Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass
a) mindestens ein Areal (6) mit geringer Haftung auf einem Substrat (1) erzeugt wird, um ein mechanisches Trennen von letzterem zu ermöglichen, mindestens eine dünne Schicht (7) darüber angebracht wird und dass dann mindestens ein weiteres Areal (3) mit geringer Haftung auf der dünnen Schicht (7) erzeugt wird,
b) die Oberfläche der dünnen Schicht (7) zur Erzeugung des mindestens einen weiteren Areals (3) mit der geringen Haftung so modifiziert wird, dass Areale mit einerseits starker Haftung und andererseits das mindestens eine weitere Areal (3) mit der geringen Haftung entstehen,
c) darauf eine weitere dünne Schicht (4) aufgebracht wird,
d) das mechanische Trennen des Aufbaus vom Substrat (1) vorgenommen wird
e) zwischen die weitere dünne Schicht (4) und die dünne Schicht (7) im Bereich des mindestens einen weiteren Areals (3) mit der geringen Haftung ein Medium...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von dreidimensionalen, mikrostrukturierten Komponenten.
  • In dem Artikel "Silicon fusion bonding and deep reactive ion etching: a new technology for microstructures" von E.H. Klaassen, et. al., der in der Zeitschrift Sensors and Actuators A 52 (1996) auf den Seiten 132–139 erschienen ist, ist ein Verfahren beschrieben, bei dem zwei Siliziumscheiben miteinander verbunden werden und die obere der beiden Scheiben mit reaktivem lonenätzen strukturiert wird.
  • Nachteilig bei dieser Art der Erzeugung von dreidimensionalen, mikrostrukturierten Komponenten ist, dass die Formgebung in die Richtung senkrecht zum Substrat dahingehend eingeschränkt ist, dass keine gewölbten Oberflächen erzeugt werden können.
  • In dem Artikel „Differential Adhesion Method for Microstructure Release: An Alternative to the Sacrificial Layer" von E. Smela, O. Inganäs, I. Lundström in den Proceedings der 8th International Conference on Sold-State Sensors and Actuators, and Eurosensors IX, Transducers'95, die vom 25.–29.6.1995 in Stockholm, Schweden, stattfand, ist auf den Seiten 218–219 ein Verfahren beschrieben, mit dem Mikrostrukturen teilweise vom Substrat abgelöst werden können, indem eine strukturierte Trennschicht auf dem Substrat aufgebracht wird.
  • Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass nur im Wesentlichen flache Mikrostrukturen erzeugt werden können, die dann mit großem Aufwand einzeln aufgerichtet werden müssen.
  • Aus der US 6,103,399 A ist ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur bekannt, bei dem eine Cr Schicht als haftende Schicht eingesetzt wird, um hierdurch Aktuatoren aus zwei Schichten zu erzeugen. Die US 5,932,799 A offenbart eine Vorrichtung zur Analyse von Mikrofluiden, bei der zwei Schichten aus Polyimid ohne Verwendung eines Klebers miteinander verbunden werden. Die US 5,472,539 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer magnetisch betriebenen Mikrostruktur, bei der zwei Klebstoffe eingesetzt werden, deren Klebewirkung sich bei Temperaturerhöhung unterscheidet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von dreidimensionalen, mikrostrukturierten Komponenten anzugeben, das es erlaubt, in alle drei Raumrichtungen gewölbte Oberflächen zu erzeugen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Die übrigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die dreidimensionale Form der Mikrostrukturen durch einen Prozess vorgegeben wird, der auf einer ebenen Oberfläche ausgeführt wird, sodass kostengünstige Fertigungsverfahren wie z.B. Fotolithografie eingesetzt werden können.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von den 1 bis 5 und von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren schematisch den Auf bau der gefertigten Produkte bzw. einzelne Stadien während deren Herstellung. Die Figuren sind nicht maßstäblich gezeichnet, um sehr dünne bzw. kleine Strukturen neben vergleichsweise großen Strukturen deutlich werden zu lassen.
  • Das Anwendungsbeispiel beschreibt die Herstellung und Funktion von Ventilen, die durch ein äußeres Magnetfeld betätigt werden. In den Figuren ist der Übersichtlichkeit wegen nur ein Ventil dargestellt. Es können aber viele Ventile parallel nebenein ander hergestellt und so wesentlich Kosten gespart werden.
  • Wie in 1 gezeigt ist, wurde auf einer Siliziumscheibe 1 mit einem Durchmesser von 100 mm eine ca. 60 nm dicke Goldschicht 6 aufgedampft. Der Rand der Siliziumscheibe 1 wurde während des Aufdampfens mit einer Blende abgedeckt, sodass er nicht mit Gold bedeckt wurde. Eine 5 μm dicke Polyimidschicht 7 wurde mit bekannten Methoden aufgeschleudert und fotolithografisch strukturiert. Eine ca. 100 nm dicke Glasschicht wurde mit bekannten Methoden durch Kathodenzerstäubung aufgebracht und durch Fotolithografie und Naßätzen mit einem wässrigen Gemisch, das Flusssäure enthält, mikrostrukturiert. Eine 20 μm dicke Schicht Polyisopren wurde mit bekannten Methoden durch Aufschleudern einer Monomerlösung und Tempern hergestellt und fotolithografisch strukturiert.
  • Eine Gehäuseschale 8 für Mikroventile, die mit bekannten Methoden der Mikrofertigung erzeugt worden war und in die eine Öffnung 9 für die späteren Zuführung eines Fluids und Öffnungen 13 und 14 für die Befüllung der strukturierten Schichten versehen war, wurde auf der Polyisoprenschicht 4 aufgeklebt.
  • Um das Gehäuse 8 herum wurde die Polyimidschicht 7 durchtrennt und die Gehäuseschale 8 zusammen mit den Schichten 4, 3, 7 und 6 wurde von der Siliziumscheibe 1 getrennt. Eine rein mechanische Trennung von der Siliziumscheibe war deshalb möglich, weil die Goldschicht 6 nur eine geringe Haftung zum Silizium aufweist. Die Goldschicht 6 wurde mit bekannten Methoden durch Absputtern entfernt, sodass der in 2 dargestellte Fertigungszustand erreicht wurde. Eine weitere Gehäuseschale 10 mit Öffnungen 11 und 12 für die spätere Zu- bzw. Abführung des Fluid zum bzw. vom Ventil und mit Ausnehmungen 15 wurde auf die Polyisoprenschicht 7 aufgeklebt, wie es in 3 zu sehen ist.
  • In einen Silikonkleber wurde Eisenpulver oder ein anderes ferromagnetisches Pulver eingerührt und der Silikonklebstoff wird durch die Öffnung 13 zwischen die beiden Schichten 7 und 4 gedrückt. An Stelle von Silikonkleber kann jede andere flüssige Substanz benutzt werden, die sich zu einem dauerelastischen Körper verfestigen kann. Die Glasschicht 3 und die Polyisoprenschicht 7 haften nur wenig auf einander, sodass der Klebstoff 5 mit dem Eisenpulver zwischen diesen beiden Schichten eindringen kann (vgl. 4). Die Glasschicht 3 kann bei dieser Befüllung mit Klebstoff teilweise mechanisch zerstört oder und von der Polyisoprenschicht 7 abgelöst werden und ist in 4 nicht dargestellt. Die Ausnehmungen 15 ermöglichen eine Trennung der Schichten 4 und 3 bzw. 7 von einander in dem Bereich, in dem sie ansonsten von den Gehäuseschalen 8 bzw. 10 festgehalten werden. Der Beginn der Ablösung der Schichten von einander wird durch eine Asymmetrie in der Form der Öffnung 13, von der aus die Befüllung mit Klebstoff beginnt, gefördert. Eine solche Asymmetrie ist z.B. eine kleine Spitze 13a, die in die Richtung weist, in die befüllt werden soll.
  • 5 zeigt eine Aufsicht auf ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Mikroventil, bei dem die Gehäuseschale 8 wieder entfernt wurde. Zur besseren Orientierung des Betrachters ist die Lage der Öffnung 11 im Boden der Gehäuseschale 10 als gestrichelte Linie dargestellt.
  • Mit Hilfe von hier nicht dargestellten Elektromagneten können die Öffnungen 9 und 11 gezielt wechselseitig verschlossen bzw. freigegeben werden. Je nach Verwendung genügt ein Magnet, wobei im feldfreien Fall das Ventil wegen seiner Elastizität die Öffnung freigibt.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen, mikrostrukturierten Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass a) mindestens ein Areal (6) mit geringer Haftung auf einem Substrat (1) erzeugt wird, um ein mechanisches Trennen von letzterem zu ermöglichen, mindestens eine dünne Schicht (7) darüber angebracht wird und dass dann mindestens ein weiteres Areal (3) mit geringer Haftung auf der dünnen Schicht (7) erzeugt wird, b) die Oberfläche der dünnen Schicht (7) zur Erzeugung des mindestens einen weiteren Areals (3) mit der geringen Haftung so modifiziert wird, dass Areale mit einerseits starker Haftung und andererseits das mindestens eine weitere Areal (3) mit der geringen Haftung entstehen, c) darauf eine weitere dünne Schicht (4) aufgebracht wird, d) das mechanische Trennen des Aufbaus vom Substrat (1) vorgenommen wird e) zwischen die weitere dünne Schicht (4) und die dünne Schicht (7) im Bereich des mindestens einen weiteren Areals (3) mit der geringen Haftung ein Medium (5) eingebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Areale (3) mit geringer Haftung dadurch erzeugt werden, dass eine dünne, strukturierte Schicht aus Gold oder Glas auf dem Substrat (1) angebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Areale mit starker Haftung dadurch erzeugt werden, dass eine dünne, strukturierte Schicht aus Chrom oder Titan auf dem Substrat (1) angebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere dünne Schicht (4) strukturiert ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (7) strukturiert ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (5) dauerelastisch ist.
  7. Mikroventil hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 bestehend aus: a) einer oberen Gehäuseschale (8) und einer unteren Gehäuseschale (10) mit jeweils mindestens einer Öffnung (9, 11), b) einem zwischen den beiden Gehäuseschalen (8, 10) liegenden und an ihnen befestigten Ventil bestehend aus der dünnen Schicht (7) und der weiteren dünnen Schicht (4), die ein elastisches Medium (5) umschließen und c) mindestens einem Elektromagneten, mit dessen Hilfe das Ventil betätigt wird.
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