DE102010061340A1

DE102010061340A1 - Mehrkomponentenspritzgusssystem und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102010061340A1
Application number: DE201010061340
Authority: DE
Inventors: Dr. Shaporin Alexey; Dr. Dienel Marco; Prof. Mehner Jan; Lothar Kroll; Michael Heinrich; Holg Elsner
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: DE102010061340B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mehrkomponentenspritzgusssystem mit wenigstens zwei Kunststoffkomponenten, die miteinander verbunden oder zum Zusammenbau vorgesehen sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mehrkomponentenspritzgusssystems. Es ist die Aufgabe der Erfindung, Mehrkomponentenspritzgusssysteme vorzuschlagen, die bei typisch niedrigen Produktionskosten eine große Funktionalität aufweisen. Die Erfindung wird durch ein Mehrkomponentenspritzgusssystem der oben aufgeführten Gattung gelöst, wobei das Mehrkomponentenspritzgusssystem ein mikromechanisches Bauelement ist, das eine erste Kunststoffkomponente und eine zweite Kunststoffkomponente aufweist, wobei die erste Kunststoffkomponente elektrisch isolierend ist, und die zweite Kunststoffkomponente wenigstens eine elektrisch nutzbare Eigenschaft aufweist, und wobei wenigstens die zweite Kunststoffkomponente wenigstens einen steifen Teil und wenigstens einen elastischen Teil aufweist oder mit einem elastischen Teil der ersten Kunststoffkomponente gekoppelt ist. Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrkomponentenspritzgusssystems mit wenigstens zwei Kunststoffkomponenten, die in dem Verfahren miteinander verbunden werden gelöst, wobei in einer Mehrkomponentenspritzgussanlage eine erste und eine zweite Kunststoffkomponente spritzgegossen werden, wobei die erste Kunststoffkomponente elektrisch isolierend ist und wenigstens einen steifen Teil und die zweite Kunststoffkomponente wenigstens eine elektrisch nutzbare Eigenschaft aufweist, und wobei wenigstens die zweite Kunststoffkomponente wenigstens einen steifen Teil und wenigstens einen elastischen Teil aufweist oder mit einem elastischen Teil der ersten Kunststoffkomponente gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrkomponentenspritzgusssystem mit wenigstens zwei Kunststoffkomponenten, die miteinander verbunden oder zum Zusammenbau vorgesehen sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mehrkomponentenspritzgusssystems.
Mehrkomponentenspritzgusssysteme der genannten Gattung sind beispielsweise von Gebrauchsgegenständen wie Kugelschreibern oder Zahnbürsten bekannt, an deren steifes Kunststoffgehäuse ein elastischer Griff angespritzt ist. Die Verwendung der meisten bekannten Mehrkomponentenspritzgusssysteme ist im Wesentlichen auf einfache mechanische Funktionen beschränkt. Um Systeme mit umfangreicheren mechanischen Funktionen herstellen zu können, ist bisher der Einsatz von relativ aufwändigen Verfahren erforderlich. Beispiele hierfür sind mikromechanische Bauelemente, die als Sensoren oder Aktoren eingesetzt werden, für deren Herstellung beispielsweise die Siliziumoberflächentechnologie eingesetzt wird.
Aus der Druckschrift DE 10 2008 012 826 A1 sind mikromechanische Systeme bekannt, bei deren Herstellung unter anderem mikrospritzgegossene Trägersubstrate zum Einsatz kommen können. Die mikromechanischen Strukturen selbst bestehen jedoch aus einem mikrostrukturierten Siliziumsubstrat. Nachteile solcher mikromechanischer Systeme sind der aufwändige Herstellungsprozess und entsprechend hohe Materialkosten für die Bauelemente.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, Mehrkomponentenspritzgusssysteme vorzuschlagen, die bei typisch niedrigen Produktionskosten eine große Funktionalität aufweisen.
Die Erfindung wird durch ein Mehrkomponentenspritzgusssystem der oben aufgeführten Gattung gelöst, wobei das Mehrkomponentenspritzgusssystem ein mikromechanisches Bauelement ist, das eine erste Kunststoffkomponente und eine zweite Kunststoffkomponente aufweist, wobei die erste Kunststoffkomponente elektrisch isolierend ist und die zweite Kunststoffkomponente wenigstens eine elektrisch nutzbare Eigenschaft aufweist, und wobei wenigstens die zweite Kunststoffkomponente wenigstens einen steifen Teil und wenigstens einen elastischen Teil aufweist oder mit einem elastischen Teil der ersten Kunststoffkomponente gekoppelt ist.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch Mehrkomponentenspritzgießen von Kunststoff Strukturen mit einer derart definierten, reproduzierbaren und vielfältigen mechanischen und elektrischen Funktionalität hergestellt werden können, welche ohne Weiteres zur Ausbildung voll funktionstüchtiger elektromechanischer Komponenten verwendet werden können. Die erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssysteme können als ganze funktionale Systeme, wie beispielsweise als komplette mikromechanische Bauelemente oder komplexe Komponenten für mikromechanische Bauelemente, bereitgestellt werden.
Zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems werden zwei oder mehr als zwei Kunststoffkomponenten eingesetzt. Eine mechanische Funktionalität kann bereits mit einer Kunststoffkomponente bzw. aus einem Kunststoffmaterial durch räumliche Dimensionierung von Strukturen und konstruktive Anordnung von Strukturen realisiert werden. Dabei verhalten sich großdimensionierte Strukturen steif. Strukturen mit geringen Abmessungen in ein, zwei oder drei Dimensionen besitzen hingegen eine gewünschte Elastizität und können folglich zur Realisierung einer gewünschten Beweglichkeit in dem hergestellten Mehrkomponentenspritzgusssystem genutzt werden. Durch die Kombination steifer und weniger steifer Strukturen können mechanisch funktionale Baugruppen realisiert werden. Zur Herstellung dieser mechanisch funktionalen Baugruppen kann gemäß der vorliegenden Erfindung als erste Kunststoffkomponente ein elektrisch isolierender Kunststoff, der durch seine elektrisch isolierende Eigenschaft ein günstiges Substrat für elektrisch leitfähige Strukturen ist, als auch ein elektrisch leitfähiger Kunststoff eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Mehrkomponentenspritzgusssystem weist zudem eine zweite Kunststoffkomponente auf, die elektrisch nutzbare Eigenschaften hat und die dadurch zur Realisierung einer erweiterten, beispielsweise einer elektrischen, Funktionalität des Mehrkomponentenspritzgusssystem und zur Kopplung der elektrischen Funktionalität mit der mechanischen Funktionalität dient. Die elektrische Funktionalität kann dabei, wie es im Folgenden näher ausgeführt ist, beispielsweise eine elektrische Leitfähigkeit oder eine Funktionalität bei angelegter elektrischer Versorgung sein.
Erfindungsgemäß weist wenigstens die zweite Kunststoffkomponente wenigstens einen steifen Teil und wenigstens einen elastischen Teil auf, oder die zweite Kunststoffkomponente ist mit einem elastischen Teil der ersten Kunststoffkomponente gekoppelt bzw. auf dieser angeordnet. Damit kann der elastische oder der elastisch gekoppelte Teil der zweiten Kunststoffkomponente in Schwingungen versetzt werden, welche durch die wenigstens eine elektrisch nutzbare Eigenschaft der zweiten Kunststoffkomponente elektrisch erfassbar und auswertbar sind.
Das erfindungsgemäße Mehrkomponentenspritzgusssystem kann in vielfältiger Weise ausgebildet werden. In verschiedenen Ausbildungen erfindungsgemäßer Mehrkomponentenspritzgusssysteme können unterschiedliche Funktionen realisiert werden. Generell können bei großen Stückzahlen sehr niedrige Herstellungskosten erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems ist der steife Teil ein Gehäuse, eine Gehäusekomponente, ein Rahmen, ein Anschlag, ein mechanisches Element, eine Sollbruchstelle, wenigstens eine elektrische Kontaktfläche und/oder eine seismische Masse. In dem erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystem werden Strukturen, die später als mechanisch bewegliche Elemente, als Gehäuse, als elastische und/oder elektrische Elemente dienen, gemeinsam aus einem Material hergestellt, wobei die Abmessungen der einzelnen Strukturen durch die Spritzgussform bzw. durch das Spritzgusswerkzeug vorgegeben wird. Auf diese Weise können auch komplexe dreidimensionale Strukturen kostengünstig bevorzugt in einer einzigen Spritzgussanlage hergestellt werden.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems weist die erste Kunststoffkomponente ein erstes funktionelles Additiv auf. Dem Kunststoff können Zusatzstoffe zugemischt werden, die während der Herstellung des Mehrkomponentenspritzgusssystems oder beim späteren Einsatz desselben verbesserte Eigenschaften oder eine erweiterte Funktionalität des additivhaltigen Kunststoffmaterials bewirken.
Als erstes funktionelles Additiv können beispielsweise Nanopartikel, die die Durchlässigkeit des Kunststoffes verringern, schwere Partikel, die die Dichte des Kunststoffes erhöhen, Stabilisatoren, die die Beständigkeit des Kunststoffes gegen chemische Substanzen oder UV-Licht erhöhen, und/oder funktionelle Partikel verwendet werden.
Nanopartikel können beispielsweise eingesetzt werden, um intrinsische Hohlräume in dem Kunststoff zu füllen und so die Durchlässigkeit des Kunststoffes zu verringern. Eine geringe Durchlässigkeit des Kunststoffes wird beispielsweise benötigt, wenn das Gehäuse des Mehrkomponentenspritzgusssystems ein Vakuum einschließen soll. Für die mechanische Funktionalität eines Mehrkomponentenspritzgusssystems kann auch eine höhere Dichte gewünscht sein, als der eingesetzte Kunststoff aufweist. In diesem Fall können dem Kunststoff schwere Partikel mit einer größeren Dichte als der des Kunststoffes zugemischt werden, um die Gesamtdichte zu erhöhen. Es können dem Kunststoff auch funktionelle Partikel beigefügt werden. Dies können beispielsweise permanentmagnetische Partikel sein, die eine magnetische Befestigung des hergestellten Bauelementes erlauben oder die ein Magnetfeld für eine elektromagnetische Funktionalität zur Verfügung stellen. Die Additive können auch Zusatzstoffe sein, die bei der Herstellung des Mehrkomponentenspritzgusssystems von einer externen Energiequelle angeregt und im Herstellungsprozess beispielsweise zum Aushärten des verwendeten Materials genutzt werden.
In häufigen Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Mehrkomponentenspritzgusssysteme ist der elastische Teil eine Biegefeder, eine Torsionsfeder, eine Zugfeder, ein bistabiles Federelement und/oder eine Membran. Mit einer Biegefeder kann beispielsweise eine seismische Masse eines Beschleunigungssensors an einem Rahmen oder einem Gehäuse befestigt sein. Zur Unterstützung einer Drehbewegung kann hingegen eine Torsionsfeder zum Einsatz kommen. Zur Aufnahme großer Kräfte sind Zugfedern geeignet. Wenn das elastische Element auch eine räumliche Trennung vornehmen soll, wird es als Membran ausgebildet. Für andere Anwendungen können bistabile Federelemente eingesetzt werden, die beispielsweise bei der Herstellung in einem stabilen Zustand ausgeliefert werden und bei einem definierten mechanischen Ereignis in einen zweiten mechanisch stabilen Zustand übergehen.
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems weist die zweite Kunststoffkomponente wenigstens ein zweites funktionelles Additiv auf. Durch das zweite funktionelle Additiv kann der zweiten Kunststoffkomponente eine andere Funktionalität als der ersten Kunststoffkomponente verliehen werden. Als zweite Kunststoffkomponente kann aber auch ein Kunststoff zum Einsatz kommen, der selbst funktionelle Eigenschaften hat, wie beispielsweise Polyvinyldifluorid (PVDF).
Das zweite funktionelle Additiv ist beispielsweise ein Pulver aus Kunststoff, Metall, Kohlenstoffnanoröhren, Blei-Zirkonat-Titanat und/oder einem anderen Material mit piezoelektrischen, ferroelektrischen, magnetischen und/oder die chemische Resistenz der zweiten Kunststoffkomponente verstärkenden Eigenschaften. Durch das Zusetzen von Kohlenstoff, Metall, wie beispielsweise Metallfasern oder Metallkugeln, oder Kohlenstoffnanoröhren können elektrisch leitfähige Kunststoffe hergestellt werden. Diese Kunststoffe können dann zur Ausbildung elektrischer Leiter, elektrischer Widerstände, elektrischer Elektroden oder von Induktivitäten verwendet werden. Es können aber auch Additive eingesetzt werden, die andere physikalische und/oder chemische Effekte als die elektrische Leitfähigkeit, beispielsweise elektrochemische oder elektromechanische Effekte, nutzbar machen. Beispielsweise können dies Materialien mit piezoelektrischen oder ferroelektrischen Eigenschaften, wie Blei-Zirkonat-Titanat, mit chemischen Sensitivitäten, mit permanent- oder weichmagnetischen oder die chemische Resistenz gegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen verstärkenden Eigenschaften sein.
In vielen Ausbildungen erfindungsgemäßer Mehrkomponentenspritzgusssysteme ist die wenigstens eine elektrisch nutzbare Eigenschaft der zweiten Kunststoffkomponente eine elektrische Leitfähigkeit, eine Piezoresistivität, eine Piezoelektrizität, eine Ferroelektrizität und/oder ein Magnetismus. Es ist eine Vielzahl physikalischer und chemischer Effekte bekannt, die zur Ausbildung von Sensoren oder Aktoren genutzt werden können. Da die Auswertung von gewonnenen Daten oder die Ansteuerung aktorischer Bauelemente in der Regel elektrisch bzw. elektronisch erfolgt, ist in diesen Fällen eine Signalwandlung von physikalischer oder chemischer Größe in eine elektrische Größe oder umgekehrt erforderlich. In den bevorzugten Anwendungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die elektrisch nutzbare Eigenschaft eine direkte elektrische Eigenschaft, in weiteren Anwendungsbeispielen ist die elektrisch nutzbare Eigenschaft jedoch auch eine andere physikalische oder chemische Eigenschaft, beispielsweise eine Lichtreflexionseigenschaft in einem Lichtleiter mit eingeprägtem Beugungsgitter oder eine chemische Sensitivität einer elektrisch leitfähigen Schicht.
In besonders günstigen Anwendungsbeispielen von erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystemen ist das mikromechanische Bauelement ein Grenzbelastungssensor, ein Beschleunigungs- oder ein Drehratensensor, ein Neigungssensor, ein Drucksensor, ein Temperatursensor, ein Lichtsensor, ein Sensor für elektrische oder magnetische Felder, ein Feuchtesensor, ein Füllstandssensor, ein Flüssigkeitssensor, ein Gassensor, ein chemischer Sensor, ein Aktor, eine Pumpe oder ein Ventil.
Mit einem Grenzbelastungssensor kann beispielsweise die mechanische Belastung eines im Versand befindlichen Paketes erfasst werden, wobei die Auswertung rein visuell oder auch elektrisch erfolgen kann. Erfindungsgemäße Grenzbelastungssensoren können in einem einfachen Ausführungsbeispiel zur Erfassung einer Überbelastung in einer Dimension ausgebildet sein, in komplexeren Ausbildungen können auch weitere Dimensionen oder Freiheitsgrade erfasst werden. Ein Grenzbelastungssensor ist vorzugsweise zur rein digitalen Erfassung des Überschreitens einer Belastungsgrenze vorgesehen. Mit anderen, erfindungsgemäß herstellbaren Sensoren, wie zum Beispiel Beschleunigungs-, Drehrate- oder Neigungssensoren, ist hingegen eine mehrstufige oder kontinuierliche Messung von Positionen, Geschwindigkeiten oder von Beschleunigungen einer linearen oder einer Drehbewegung möglich. Erfindungsgemäße Mehrkomponentenspritzgusssysteme können jedoch auch zu beliebigen anderen Sensoren ausgebildet sein. In anderen Anwendungsbeispielen können in einem erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystem mechanisch bewegbare Teile angesteuert und bewegt werden, sodass aktorische Funktionen, wie zum Beispiel die einer Pumpe oder eines Ventils, realisiert werden können.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems ist das mikromechanische Bauelement eine Gruppe aus mehreren Sensoren und/oder Aktoren. Die Komplexität von spritzgegossenen Systemen ist ausbaubar, wobei für komplexere Systeme auch aufwändigere Werkzeuge erforderlich sind. Bei dem Mehrkomponentenspritzgießen besteht dabei im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren eine große Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Form der Strukturen. In dem weitergebildeten Mehrkomponentenspritzgusssystem können beispielsweise ähnliche Strukturen als Teilsensoren eines Sensors in unterschiedlicher Orientierung angeordnet sein, sodass beispielsweise ein aus drei Teilsensoren zusammengesetzter dreidimensionaler Beschleunigungssensor ausgebildet werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrkomponentenspritzgusssystems mit wenigstens zwei Kunststoffkomponenten, die in dem Verfahren miteinander verbunden werden, gelöst, wobei in einer Mehrkomponentenspritzgussanlage eine erste und eine zweite Kunststoffkomponente spritzgegossen werden, wobei die erste Kunststoffkomponente elektrisch isolierend ist und die zweite Kunststoffkomponente wenigstens eine elektrisch nutzbare Eigenschaft aufweist, und wobei wenigstens die zweite Kunststoffkomponente wenigstens einen steifen Teil und wenigstens einen elastischen Teil aufweist oder mit einem elastischen Teil der ersten Kunststoffkomponente gekoppelt ist.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, in einer einzigen Mehrkomponentenspritzgussanlage steife, elastische und elektrisch nutzbare Strukturen herzustellen. Auf diese Weise können komplexe Strukturen oder komplette Bauelemente in kurzer Zeit zu geringen Kosten gefertigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zudem erweiterungsfähig. Es können auch separat hergestellte Komponenten mit eingegossen werden, und es können auch mehr als zwei Kunststoffkomponenten zum Einsatz kommen.
In einer bevorzugten Variante ist das erfindungsgemäße Verfahren ein Mikrospritzgussverfahren. Mit Mikrospritzgussverfahren können filigrane Strukturen und miniaturisierte Bauelemente hergestellt werden. Dadurch ist der Einsatz der hierdurch herstellbaren Bauelemente auch unter beengten Platzverhältnissen, beispielsweise in Mobiltelefonen, möglich.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass in einer zeitlichen Abfolge durch Spritzgießen mechanisch bewegliche oder mechanisch verformbare Teile und Gehäuseteile des mikromechanischen Bauelementes ausgebildet werden. Die Herstellung eines Gehäuses für ein Bauelement und der Einbau zentraler Strukturen des Bauelementes in ein Gehäuse können im Allgemeinen einen erheblichen Aufwand darstellen und erhebliche Kosten verursachen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Gehäuse hingegen sehr effektiv und kostengünstig herstellbar und montierbar, wobei das Gehäuse ein integraler Bestandteil des Mehrkomponentenspritzgusssystems sein kann.
In einer erweiterten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Verfahren Spritzgussschritte und mechanische Verbindungsschritte auf. Durch den Zusammenbau mehrerer Teile werden weitere Gestaltungsmöglichkeiten für hergestellte Bauelemente erschlossen, dabei kann das Spritzgießen mechanische Verbindungsschritte vorteilhaft ergänzen und komplettieren. Beispielsweise ist eine Umhüllung und Versiegelung zusammengebauter Bauteile durch Spritzgießen oder das Einbetten extern hergestellter Komponenten möglich.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile, sollen im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert werden, wobei
1 schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems in Form eines Beschleunigungssensors in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
2 schematisch den Beschleunigungssensor aus 1 in einer Draufsicht zeigt;
3 schematisch ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems in Form eines alternativen Beschleunigungssensors in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
4 schematisch eine weitere Alternative eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems in Form eines weiteren Beschleunigungssensors in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
5 schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems in Form eines Grenzbeschleunigungssensors in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
6 schematisch ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems in Form eines Drucksensors in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
7 schematisch eine Anordnung von piezoresistiven Messelementen in dem Drucksensor aus 6 in einer Draufsicht zeigt;
8 schematisch einen alternativ mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Drucksensor gemäß einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
9 schematisch ein Zwischenprodukt eines weiteren alternativen Drucksensors gemäß einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
10 schematisch das Zwischenprodukt des Drucksensors aus 9 nach einem Montageschritt in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
11 schematisch den basierend auf dem Zwischenprodukt aus 10 fertiggestellten weiteren alternativen Drucksensor in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
12 schematisch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems in Form eines Drehratensensors in einer Querschnittsdarstellung zeigt; und
13 schematisch eine weitere mögliche Ausbildung eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems in Form eines Beschleunigungssensor mit Gussformen zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung des Beschleunigungssensors zeigt.
1 stellt schematisch einen Beschleunigungssensor 1 als ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems im Querschnitt dar. Der Beschleunigungssensor 1 weist ein Gehäuse 2, eine Biegefeder 3, eine seismische Masse 4 und wenigstens einen Anschlag 5 auf, wobei diese Strukturen aus einer ersten Kunststoffkomponente ausgebildet sind.
Bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors 1 in vertikaler Richtung in der Darstellungsebene wird die seismische Masse 4 durch ihre Massenträgheit und/oder Schwere aus ihrer Ruhelage ausgelenkt. Zur Detektion dieser Auslenkung weist der Beschleunigungssensor 1 ein piezoresistives integriertes Messelement 6 auf, das bei Deformation des piezoresistiven integrierten Messelementes 6 über eine Änderung seines elektrischen Widerstandes eine elektrische Erfassung seiner Deformation ermöglicht. Das piezoresistive integrierte Messelement 6 ist erfindungsgemäß aus einer zweiten Kunststoffkomponente ausgebildet, die auch durch Spritzgießen hergestellt ist.
Die Bewegungsfreiheit der seismischen Masse 4 in dem Beschleunigungssensor 1 wird durch Abstände 7 zu dem Gehäuse 2 sichergestellt. Die Abstände 7 sind in dem Beschleunigungssensor 1 so groß bemessen, dass die maximale Auslenkung der seismischen Masse 4 zu einer Beschädigung der Biegefeder 3 und des piezoresistiven integrierten Messelementes 6 führen würde. Zur Vermeidung einer solchen Beschädigung weist der Beschleunigungssensor 1 den wenigstens einen Anschlag 5 auf, der die Bewegung der seismischen Masse 4 auf ein zulässiges Maß begrenzt. Mit dem erfindungsgemäßen Spritzgießverfahren kann dieser Anschlag 5 mit relativ geringem Aufwand realisiert werden. Bei anderen Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente wäre die Realisierung eines solchen Anschlages hingegen nur mit großem Aufwand möglich.
2 zeigt den Beschleunigungssensor 1 aus 1 schematisch in einer Draufsicht. In der gezeigten Darstellung sind die zur seismischen Masse 4 parallelen Gehäuseteile noch nicht gegossen. Ferner ist in 2 die Mäanderstruktur des piezoresistiven integrierten Messelementes 6 zu sehen. In der dargestellten Ebene ist zu erkennen, dass die seismische Masse 4 eine geringere Breite als der Rahmen des Gehäuses 2 und die Biegefeder 3 eine geringere Breite als die seismische Masse 4 hat. Auf das dargestellte Zwischenprodukt kann in einem nächsten Schritt des Herstellungsverfahrens des Beschleunigungssensors 1 das piezoresistive integrierte Messelement 6 spritzgegossen werden.
3 zeigt schematisch einen Querschnitt eines alternativen Beschleunigungssensors 1' gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems, bei welchem gleiche Komponenten wie in dem Beschleunigungssensor 1 aus den 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Anders als der Beschleunigungssensor 1 weist der Beschleunigungssensor 1' Elektroden 8 und 9 auf, die aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff hergestellt sind und die eine kapazitive Detektion der Auslenkung der seismischen Masse 4 erlauben. Zur Ausbildung der Elektroden 8 und 9 wird als erfindungsgemäße Kunststoffkomponente ein elektrisch leitfähiger Kunststoff verwendet. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung können dem Kunststoff auch andere funktionelle Additive, wie Nanopartikel, die die Durchlässigkeit des Kunststoffes erhöhen, schwere Partikel, die die Dichte des Kunststoffes erhöhen, oder Stabilisatoren, die die Beständigkeit des Kunststoffes gegen chemische Substanzen oder UV-Licht erhöhen, in Abhängigkeit von der gewünschten Funktionalität der herzustellenden Mehrkomponentenspritzgusssystems beigefügt werden.
4 zeigt einen Querschnitt durch einen Beschleunigungssensor 1'', der eine weitergebildete Alternative zu dem Beschleunigungssensor 1 ist. Der Beschleunigungssensor 1'' weist eine seismische Zusatzmasse 10 auf, die aus einer dritten Kunststoffkomponente hergestellt ist, welche in diesem Fall Additive aus Materialien höherer Dichte, wie beispielsweise Metallpartikeln, aufweist. Eine andere Weiterbildung des Sensors 1'' ist eine Profilierung 11 des wenigstens einen Anschlages 5, die vergrößert dargestellt ist und die ein Anhaften der seismischen Masse 4 an dem Anschlag 5 verhindert.
In 5 ist schematisch ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems in Form eines Grenzbeschleunigungssensors 100 gezeigt, der ein Gehäuse 2, eine Biegefeder 3 und eine seismische Masse 4 mit einer Zusatzmasse 10, wie oben erläutert, aufweist. An der seismischen Masse 4 ist ein Auslösezahn 12 ausgebildet, dem Betätigungszähne 13 in der aktivierten Stellung des Grenzbeschleunigungssensors 100 gegenüberstehen. Wie es in 5 durch die gestrichelte Darstellung gezeigt ist, befinden sich die Betätigungszähne 13 in einer nicht aktivierten Stellung des Grenzbeschleunigungssensors 100 in einem solchen Abstand zu der Spitze des Auslösezahns 12, dass der Auslösezahn 12 nicht mit den Betätigungszähnen 13 wechselwirken kann. In der dargestellten nicht gestrichelten Position ragt jedoch die Spitze des Auslösezahns 12 bis in einen Abstand zwischen den dargestellten Betätigungszähnen 13.
Übersteigt eine auf den Grenzbeschleunigungssensor 100 einwirkende Beschleunigung eine Grenzbeschleunigung, führt dies zu einem Überspringen eines Betätigungszahns 13 durch den Auslösezahn 12. Nach dem Überspringen verweilt der Auslösezahn 12 in der übersprungenen Position, stellt dabei einen Kontaktschluss zwischen dem Auslösezahn 12 zu einem der Betätigungszähne 13 her und erzeugt damit ein von dem Grenzbeschleunigungssensor 100 ausgehendes Signal, welches dem Nutzer des Beschleunigungssensors 100 ein Überschreiten der Grenzbeschleunigung anzeigt. Das Überspringen eines Betätigungszahns 13 durch den Auslösezahn 12 kann jedoch auch durch ein visuelles Kontrollfenster 14 abgelesen werden. Das visuelle Betrachtungsfenster 14 hat in dem gezeigten Ausführungsbeispiel elastische Eigenschaften und kann daher zum manuellen Aktivieren der bistabilen Betätigungszähne 13 aus der gestrichelten in die nicht gestrichelte Position verwendet werden.
Zum Erfassen eines Überschnappens des Auslösezahns 12 über einen der Betätigungszähne 13 weist der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor 100 einen Schaltkontakt 15 auf, mit dessen Hilfe eine elektrische Erfassung des Überschreitens einer Grenzbelastung möglich ist. Die elektrische Erfassung des Überschnappens des Auslösezahns 12 kann beispielsweise auch dafür verwendet werden, einen Auslösezeitpunkt von dem Auslöseereignis aufzuzeichnen. Dadurch kann beispielsweise bei einer Beteiligung mehrerer Unternehmen am Transport eines durch den Grenzbeschleunigungssensor 100 gesicherten Pakets, das für das Überschreiten der Grenzbeschleunigung verantwortliche Unternehmen ermittelt werden.
6 zeigt einen erfindungsgemäßen Drucksensor 101 auf Basis des erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems, der in einem Gehäuse 2 einen geschlossenen Hohlraum 37 aufweist, der durch eine Membran 16 mit Membranversteifungsstrukturen 18 begrenzt ist. Auf der anderen Seite der Membran 16 ist ein offener Druckraum 17 vorgesehen, der durch einen Flansch 20 mit einem äußeren, zu messenden Druck verbunden werden kann. In Abhängigkeit von dem zu messenden Druck wird die Membran 16 deformiert, wobei vor allem in den Grenzbereichen zu den Membranversteifungsstrukturen 18 eine Deformation erfolgt. An diesen Positionen sind integrierte piezoresistive Messelemente 19 vorgesehen.
Die Anordnung der piezoresistiven Messelemente 19 in einer Draufsicht auf die Membran 16 des Sensors 101 aus 6 ist in 7 dargestellt. Die Form der Membranversteifungsstrukturen 18 ist in 7, da sie in dieser Ansicht nicht sichtbar ist, mit Strichlinien dargestellt. Die Formen der Membranversteifungsstrukturen 18 dienen der Einprägung mechanischer Zug- und Druckspannungen in die integrierten piezoresistiven Messelemente 19. In dem Beschleunigungssensor 101 kann die Form der Membranversteifungsstrukturen 18 optimal an die Form der Membran 16 angepasst werden.
8 zeigt schematisch einen Querschnitt eines auf Basis eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems ausgebildeten Drucksensors 102, der die gleiche Funktion wie der Drucksensor 101 aus den 6 und 7 besitzt, aber aus mehreren zusammengesetzten Teilen gefertigt ist. Der Drucksensor 102 weist vom Grundsatz her eine gleiche Membran 16, gleiche Membranersteifungsstrukturen 18, gleiche Hohlräume 17 und 37 und einen gleichen Flansch 30 wie der Drucksensor 101 auf. Die Membran 16 ist jedoch nicht mit einem Gehäuse 2, sondern nur mit einem Rahmenelement 23 verbunden. Zur Montage des Gehäuses des Sensors 102 kommen Gehäuseelemente 21 und 22 zum Einsatz, die formschlüssig auf einem Rahmenelement 23 montiert sind. Zur Fixierung und Abdichtung der Gehäuseelemente 21 und 22 auf dem Rahmenelement 23 sind alle Teile mit einer Außenschicht 38 umspritzt, sodass ein dichtes Gehäuse für den Sensor 102 ausgebildet wird.
9 zeigt schematisch ein Zwischenprodukt, das zur Herstellung des in 11 gezeigten Drucksensors 103, der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems ist, vorgesehen ist. Das Zwischenprodukt besteht aus steifen Rahmenbereichen 24 und elastischen Rahmenbereichen 25. Desweiteren ist zwischen zwei steifen Rahmenbereichen 24 eine Montagehilfe 27 ausgebildet, die ein Drehgelenk zur Montage des Drucksensors 103 ist. An den elastischen Rahmenbereichen 25 sind piezoresistive Elemente 26 ausgebildet.
10 zeigt das Zwischenprodukt des Drucksensors 103 aus 9 nach einem Montageschritt, in dem die beiden Halbschalen des Zwischenprodukts um die Montagehilfe 27 in Richtung F geklappt sind. Nach diesem Montageschritt stehen die beiden piezoresistiven Elemente 26, deren Widerstand von der Deformation der elastischen Bereiche 25 abhängig ist und die als Messgröße des Sensors 103 vorgesehen ist, einander gegenüber.
11 zeigt einen Querschnitt durch den auf Basis des Zwischenproduktes aus 10 fertig produzierten Drucksensor 103. Die Rahmenbereiche 24 und 25 sind hier mit einer Außenschicht 29 umgossen, wobei die steifen Rahmenbereiche durch einen Druck P während der Herstellung zusammengepresst sind. Zum Zusammendrücken des Sensorenelements während des Umspritzens mit der Außenschicht 29 werden Druckstempel 28 verwendet.
12 zeigt schematisch eine Sensorstruktur 104 eines erfindungsgemäßen Drehratensensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgusssystems. Die Sensorstruktur 104 weist einen Trägerrahmen 30 auf, mit welchem eine Torsionsfeder 31 verbunden ist. Mit der Torsionsfeder 31 ist wiederum eine Stimmgabel verbunden, die aus Platten 32 und 33 ausgebildet wird. Die Platten 32 und 33 werden durch piezoelektrische Anreger 34 in eine Schwingung in Richtung S versetzt. Wenn die Sensorstruktur 104 eine Drehbewegung um die Messachse R ausführt, entsteht eine an die Schwingung S gekoppelte Torsionsschwingung um die Torsionsfeder 31. Diese Torsionsschwingung wird durch ein piezoresistives Messelement 35 detektiert und ist ein Maß für die Bewegung um die Drehachse R.
13 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor 1 aus den 1 und 2 mit zugehörigen Spritzgießformteilen 36 und 37 in einer Draufsicht. 13 dient beispielhaft der Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung erfindungsgemäßer Mehrkomponentenspritzgusssysteme. Zur Herstellung solcher Mehrkomponentenspritzgusssysteme werden Spritzgießformelemente in eine Gussposition gebracht. Dabei bilden mehrere Gussformelemente, von denen hier nur beispielhaft die Spritzgießformteile 36 und 37 dargestellt sind, einen Hohlraum, der von Kunststoffkomponenten bei dem Spritzgießen vollständig ausgefüllt wird. Einzelne Komponenten des Spritzgießwerkzeugs können unabhängig voneinander bewegt werden, sodass räumlich oder zeitlich voneinander getrennt verschiedene Strukturen des Mehrkomponentenspritzgusssystems gegossen werden können. Nach dem Spritzgießen einer Struktur können die formgebenden Werkzeuge für die Struktur durch eine Öffnungsbewegung O und O' aus der Struktur entfernt werden, sodass zum Herstellen weiterer Strukturen weitere Werkzeuge positioniert werden können. Die beispielhaft dargestellten Spritzgießformteile 36 und 37 dienen zum Spritzgießen von Teilen des Gehäuses 2, der Feder 3, der seismischen Masse 7 und des Anschlags 5 des Beschleunigungssensors 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008012826 A1 [0003]

Claims

Mehrkomponentenspritzgusssystem mit wenigstens zwei Kunststoffkomponenten, die miteinander verbunden oder zum Zusammenbau vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrkomponentenspritzgusssystem ein mikromechanisches Bauelement (1, 1', 1'', 100, 101, 102, 103, 104) ist, das eine erste Kunststoffkomponente und eine zweite Kunststoffkomponente aufweist, wobei die erste Kunststoffkomponente elektrisch isolierend ist, die zweite Kunststoffkomponente wenigstens eine elektrisch nutzbare Eigenschaft aufweist, und wobei wenigstens die zweite Kunststoffkomponente wenigstens einen steifen Teil und wenigstens einen elastischen Teil aufweist oder mit einem elastischen Teil der ersten Kunststoffkomponente gekoppelt ist.
Mehrkomponentenspritzgusssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der steife Teil ein Gehäuse, eine Gehäusekomponente, ein Rahmen, ein Anschlag, ein mechanisches Element, eine Sollbruchstelle, wenigstens eine elektrische Kontaktfläche und/oder eine seismische Masse ist.
Mehrkomponentenspritzgusssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kunststoffkomponente ein erstes funktionelles Additiv aufweist.
Mehrkomponentenspritzgusssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste funktionelle Additiv Nanopartikel, die die Durchlässigkeit des Kunststoffes verringern, schwere Partikel, die die Dichte des Kunststoffes erhöhen, Stabilisatoren, die die Beständigkeit des Kunststoffes gegen chemische Substanzen oder UV-Licht erhöhen, und/oder funktionelle Partikel umfasst.
Mehrkomponentenspritzgusssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Teil eine Biegefeder, eine Torsionsfeder, eine Zugfeder, ein bistabiles Federelement und/oder eine Membran ist.
Mehrkomponentenspritzgusssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kunststoffkomponente wenigstens ein zweites funktionelles Additiv aufweist.
Mehrkomponentenspritzgusssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite funktionelle Additiv ein Pulver aus Kohlenstoff, Metall, Kohlenstoffnanoröhren, Blei-Zirkonat-Titanat und/oder einem anderen Material mit piezoelektrischen, ferroelektrischen, magnetischen und/oder die chemische Resistenz der zweiten Kunststoffkomponente verstärkenden Eigenschaften oder ein chemisch sensitives Material ist.
Mehrkomponentenspritzgusssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch nutzbare Eigenschaft eine elektrische Leitfähigkeit, eine Piezoresistivität, eine Piezoelektrizität, eine Ferroelektrizität und/oder ein Magnetismus ist.
Mehrkomponentenspritzgusssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement ein Grenzbelastungssensor, ein Beschleunigungs- oder ein Drehratensensor, ein Neigungssensor, ein Drucksensor, ein Temperatursensor, ein Lichtsensor, ein Sensor für elektrische oder magnetische Felder, ein Feuchtesensor, ein Füllstandssensor, ein Flüssigkeitssensor, ein Gassensor, ein chemischer Sensor, eine Pumpe, ein Ventil oder ein Aktor ist.
Mehrkomponentenspritzgusssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement eine Gruppe aus mehreren Sensoren und/oder Aktoren ist.
Verfahren zur Herstellung eines Mehrkomponentenspritzgusssystems mit wenigstens zwei Kunststoffkomponenten, die in dem Verfahren miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Mehrkomponentenspritzgussanlage eine erste und eine zweite Kunststoffkomponente spritzgegossen werden, wobei die erste Kunststoffkomponente elektrisch isolierend ist und die zweite Kunststoffkomponente wenigstens eine elektrisch nutzbare Eigenschaft aufweist, und wobei die zweite Kunststoffkomponente wenigstens einen steifen Teil und wenigstens einen elastischen Teil aufweist oder mit einem elastischen Teil der ersten Kunststoffkomponente gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Mikrospritzgussverfahren ist.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zeitlichen Abfolge durch Spritzgießen mechanisch bewegliche oder mechanisch verformbare Teile und Gehäuseteile des mikromechanischen Bauelementes ausgebildet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wenigstens einen Spritzgussschritt und wenigstens einen mechanischen Verbindungsschritt aufweist.