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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wandlermoduls und ferner ein entsprechend hergestelltes Wandlermodul.
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Um Prozesse optimal steuern zu können oder um auch bereits mit kleinen Probenmengen zuverlässig messen zu können, werden im modernen Stand der Technik häufig Sensoren und Aktoren mittels der Mikrosystemtechnik erzeugt. Solche kleinen Wandler bzw. Wandlermodule – als allgemeiner Überbegriff für Sensoren und Aktoren – lassen sich kostengünstig in großen Stückzahlen herstellen und erlauben auch einen leichteren Umbau einer Messeinrichtung als normale Wandler. Das erfindungsgemäß hergestellte Wandlermodul ist beispielsweise ein Teil eines Feldgerätes, das selbst wiederum als Messgerät oder als Aktor ausgestaltet ist.
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Die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) wird dabei häufig bezeichnet als der arbeitsintensivste und teuerste Schritt bei der Fertigung von Geräten auf Basis der Mikrosystemtechnik. Insbesondere die fluidische Anbindung (dabei sei unter Fluid jedes fließfähige, z. B. teilweise flüssige oder gasförmige Medium verstanden) beispielsweise bei Lab-on-a-Chip-Systemen gestaltet sich schwierig.
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Im Stand der Technik bekannte Verfahren aus dem Bereich der elektrischen Aufbau- und Verbindungstechniken sind das Drahtbonden oder das Tape Automated Bonding (TAB). Eine weitere Möglichkeit ist die Anwendung von Silizium-Durchkontaktierungen (sog. through-silicon vias). Die fluidischen Anschlüsse vom mikro- zum makrofluidischen System werden entweder verklebt, verlötet, eutektisch legiert oder mit Hilfe einer austauschbaren Dichtung verbunden. Dabei muss sichergestellt werden, dass der jeweilige Anschluss die chemischen, thermischen und mechanischen Anforderungen der Anwendung erfüllt.
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Die Flip-Chip-Technologie ermöglicht beispielsweise das gleichzeitige Verlöten der elektrischen und fluidischen Anschlüsse.
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Als Trägerelement für die Strukturen mit elektrischer oder fluidischer Funktionalität, die eine entsprechende Anbindung an die makroskopische Peripherie voraussetzen, dienen häufig Keramiken, die ggf. mehrlagig ausgeführt sind und in deren Inneren sich bereits Strukturen wie Aussparungen, Kanäle, Leiter- oder Elektrodenstrukturen befinden.
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Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken (Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC) werden eingesetzt, um mehrlagige keramische Strukturen zu erzeugen. Dabei werden ungebrannte – sogenannte grüne – Keramikfolien einzeln strukturiert, gestapelt, laminiert und einem Sinterprofil bei einer Spitzentemperatur von ca. 850°C–900°C unterzogen. Für ungebrannte Keramikfolien wird im folgenden stets der fachübliche Begriff ”grüne Keramikfolien” verwendet. In den beim Sintern auftretenden maximalen Temperaturen unterscheidet sich das LTCC-Verfahren vom Erzeugen von Hochtemperatur-Einbrand-Keramiken (High Temperature Cofired Ceramics, HTCC), die bei Temperaturen zwischen 1600°C und 1800°C gesintert werden. Bekannt sind weiterhin Dickschicht-Hybridtechniken, wobei auf bereits gesinterte Keramikstubstrate Leiterbahnen oder Widerstände im Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Der bedruckte Träger wird gebrannt, wobei die aufgebrachten Pasten zu Schichten verschmelzen. Anschließend findet ggf. eine Bestückung mit diskreten Bauteilen statt.
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Auf diesen Keramiken lassen sich dann die weiteren Strukturen aufbringen, z. B. festlöten oder mechanisch festklemmen usw.
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Ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung von Strukturen ist das sog. LIGA. Bei diesem Verfahren werden Lithographie (z. B. mittels Röntgen- oder UV-Strahlung), Galvanik und Mikroabformung kombiniert. Ein Vorteil der LIGA-Technologie liegt vor allem in der Herstellung von Kanälen mit einem hohen Aspektverhältnis (Verhältnis zwischen Tiefe und Breite der Kanäle). Weiterhin ergibt sich hohe Präzision und Auflösung. Eine Variante ist das Direkt-LIGA, wobei die galvanisch aufgewachsenen Metallstrukturen nicht das Formwerkzeug, sondern die Mikrofunktionalität an sich bilden. Die Strukturen aus Edelmetall bieten auch eine höhere chemische Beständigkeit als die Siliziumelektroden gemäß dem Stand der Technik.
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Eine ionenoptische Anwendung ist beispielsweise die miniaturisierte Massenspektroskopie, wobei mindestens eine Funktion in Mikrosystemtechnik realisiert ist. Bei der Massenspektroskopie werden Stoffgemische nach Molekülmasse getrennt und wird pro Masse die Konzentration ermittelt. Da der Messvorgang in Vakuum stattfindet, muss zusätzlich zum Probeneinlass auch ein Vakuumanschluss realisiert werden. Zudem gibt es zahlreiche Spannungs- und Stromsignale. Eine besondere miniaturisierte Ausführungsform vereinigt die komplette Massenspektrometer-Funktionalität auf einem Chip. Dabei sind die unterschiedlichen Komponenten in einer durch Fotolithografie bestimmten Ebene untergebracht und daher automatisch zueinander justiert.
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Im Stand der Technik setzt eine Variante zur Erzeugung von Mikromassenspektrometern die Silizium-Glas-Mikrotechnik ein. Die einzelnen Komponenten, Abschnitte und Strukturen werden dabei mittels Fotolithografie und DRIE (Deep Reactive Ion Etching) in einer von Glas-Ebenen eingeschlossenen Silizium-Ebene erzeugt. Ein prinzipieller Nachteil ergibt sich dabei aus der schlechten chemischen Beständigkeit des Siliziums gegenüber Sauerstoff. Das elektrisch nicht-leitfähige Siliziumoxid, das in Folge dessen an den Elektrodenoberflächen entsteht, verhindert eine optimale elektrische Manipulation der Ionen. Ein weiterer Nachteil ist die komplizierte Anbindung an die elektrische, fluidische und – falls vorhanden – thermische Peripherie, da entsprechende Anschlusselemente seitlich nach außen geführt werden müssen. Die fluidischen Verbindungen entstehen beispielsweise durch Einkleben von Glaskapillaren in der Silizium-Ebene. Dieser Vorgang ist sehr arbeitsintensiv und außerdem ist der dafür benötigte Klebstoff oft chemisch nicht ausreichend stabil.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Wandlermoduls vorzuschlagen, das in Erweiterung des Standes der Technik eine Verbesserung darstellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass auf einem einen Bestandteil des Wandlermoduls bildenden Trägerelement zumindest ein Teil einer Struktur erzeugt wird, indem ein wenigstens teilweise ein Metall beinhaltendes Material auf das Trägerelement aufgebracht wird. In einer Ausgestaltung wird für die Erzeugung der Struktur im Wesentlichen nur Metall aufgebracht. Die Struktur bezeichnet dabei allgemein die gegenständlichen Formen, Komponenten oder Elemente oder Bestandteile davon, die der Funktion des Wandlermoduls dienen oder diese unterstützen.
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In einer Ausgestaltung wird insbesondere eine solche Struktur erzeugt, dass zumindest teilweise ein Aspektverhältnis – also das Verhältnis zwischen der Tiefe bzw. der Höhe und der zugehörigen Breite – größer 10 ist. In einer weiteren Ausgestaltung liegt zumindest ein Aspektverhältnis zwischen 10 und 15. Alternativ oder ergänzend finden sich in der Struktur zumindest teilweise Abmessungen im Mikrometerbereich.
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Für das Erzeugen zumindest eines Teils der Struktur wird eine Kombination der Verfahren Lithographie und Galvanik – also des Direkt-LIGA-Verfahrens – verwendet, wobei die Struktur dabei direkt auf dem Trägerelement erzeugt wird.
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In einer Ausgestaltung wird das Trägerelement zumindest teilweise als keramisches Bauteil erzeugt, wobei in einer Ausgestaltung bei der Herstellung mindestens ein Sinterverfahren angewendet wird. Alternativ ist das Trägerelement teilweise ein bereits entsprechend, z. B. mittels der LTCC-Technik gefertigtes bzw. ausgestaltetes keramisches Bauteil, auf dem mittels des LIGA-Verfahrens die Strukturen des Wandlermoduls erzeugt werden.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass in das Trägerelement mindestens ein Übertragungselement – insbesondere zur Übertragung von Wärme und/oder elektrischem Strom und/oder elektrischer Spannung – eingebracht wird. Bei dem Übertragungselement handelt es sich in einer Ausgestaltung um einen elektrischen Leiter und in einer ergänzenden bzw. alternativen Ausgestaltung um einen thermischen Leiter. Das mindestens eine Übertragungselement besteht in einer Ausgestaltung zumindest teilweise aus einem Metall.
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Das mindestens eine Übertragungselement ist in einer Ausgestaltung insbesondere ein elektrischer und/oder thermischer Anschluss für das Wandlermodul. Wesentlich ist dabei, dass das mindestens eine Übertragungselement oder die Übertragungselemente durch das Trägerelement hindurchgeführt sind. Im Stand der Technik ist das Trägerelement üblicherweise ein Glas, so dass solche Anschlüsse seitlich abgeführt bzw. zugeführt werden müssen. Darin zeigt sich ein Vorteil einer für die Herstellung des Wandlermoduls verwendeten Kombination von Direkt-LIGA- und LTCC-Technik gegenüber der Silizium-Glas-Technologie gemäß dem Stand der Technik.
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Die Anwendung der LIGA- bzw. Direkt-LIGA-Technik auf Grundlage der LTCC-Technik erlaubt es, zusätzlich zu einer elektrischen und/oder fluidischen Funktionalität auch eine thermische Funktionalität als Teil des Wandlermoduls zu realisieren. Die Wärme, die bei der Verwendung des Wandlerelements, z. B. vor allem durch eine Elektronenquelle eines Mikromassenspektrometers als Typ des Wandlerelements entsteht, kann mittels thermischer Durchkontaktierungen im keramischen Mehrlagensubstrat effektiv zu einer Wärmesenke abgeführt werden.
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In einer Ausgestaltung wird der thermische Anschluss gleichzeitig mit den elektrischen und fluidischen Anschlüssen mittels Flip-Chip-Technologie verbunden. Eine solche Abführung der Wärme wäre bei einem Wandlerelement, hergestellt gemäß dem Stand der Technik als Silizium-Glas-Wandler, nicht zu realisieren. Die Möglichkeit, in einer Ausgestaltung gleichzeitig sogar alle elektrischen, fluidischen und thermischen Anschlüsse mittels der Flip-Chip-Technologie zu erzeugen, ist insbesondere bei der Silizium-Glas-Technologie des Standes der Technik nicht gegeben.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Wärmesenke in Form eines Wärmetauschers beispielsweise als mäanderförmiger Kanal für eine Kühlflüssigkeit oder als Peltier-Element in dem Träger integriert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird insbesondere die Führung der elektrischen bzw. thermischen Übertragungselemente durch das Trägerelement hindurch ausgenutzt, indem die Anzahl der Anschlüsse durch ein Zusammenführen der einzelnen Kontakte zu einem Übertragungselement oder wenigen gemeinsamen Übertragungselementen reduziert wird. So erlaubt in einer Ausgestaltung der angewendeten Mehrlagentechnologie mit den bei der Herstellung erzeugten Kanälen bzw. Durchführungen das Zusammenführen unterschiedlicher Elektroden, die mit dem gleichen Signal beaufschlagt werden, die Minimierung der Anzahl der elektrischen Anschlüsse in Bezug auf die Peripherie.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird alternativ oder ergänzend zur vorgehenden Ausgestaltung in das Trägerelement mindestens ein Kanal – insbesondere zum Führen von fließfähigen und/oder gasförmigen Medien – eingebracht. Der Kanal oder ggf. die Kanäle erlauben es, beispielsweise Substanzen, die für das im Wandlermodul umgesetzte Verfahren notwendig oder störend sind, wie z. B. ein Messmedium oder ein Hilfsgas in das Wandlermodul einzubringen bzw. zuzuführen und/oder bis zu einem Hochvakuum im System abzuführen. Beispielsweise wird im Wandlermodul ein Messmedium mit Hilfe eines zusätzlichen Gases bei Unterdruck ionisiert. Über den mindestens einen Kanal wird in einer weiteren Ausgestaltung eine Kühlung durch die Zu- und Abführung eines Kühlmediums realisiert.
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Als Verfahren zur Herstellung des Trägerelements, das in Folge dessen schon über eigene Strukturen, Aussparungen, Verbindungen, Leitungen etc. verfügen könnte, empfehlen sich dabei die Verfahren, die zu LTCC- oder HTCC-Trägerelementen führen. In einer Ausgestaltung wird daher auf einem LTCC- oder HTCC-Trägerelement mittels Direkt-LIGA die für das Wandlerelement erforderliche Struktur aufgebracht. Durch die Kombination von LTCC oder HTCC und Direkt-LIGA wird eine weitere Verbesserung erreicht. Zum einen wird durch den Einsatz von LTCC oder HTCC der Anschluss an die elektrische und fluidische Peripherie des Moduls (z. B. unter Verwendung der Flip-Chip-Technik) vereinfacht. Zum anderen wird durch Direkt-LIGA die chemische Beständigkeit kleinster Elektroden mit höchstem Aspektverhältnis sichergestellt. Dabei wird zunächst das LTTC- bzw. HTCC-System mit elektrischer und fluidischer Funktionalität gefertigt und anschließend wird die metallische Struktur mittels Direkt-LIGA aufgebracht, so dass sich auf einer Keramik direkt eine metallische Struktur ergibt.
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In einer Ausgestaltung wird vor dem Aufbringen der Struktur die Oberfläche des Trägerelements zumindest teilweise bearbeitet.
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Weiterhin wird in einer weiteren Ausgestaltung die Beständigkeit der Struktur dadurch erhöht, dass die Struktur und/oder die umgebende Oberfläche des Trägerelements zumindest teilweise mit mindestens einer Beschichtung (z. B. mit einem Edelmetall) überzogen werden/wird.
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Um die Fertigung weiter zu verbessern und um eine Kostenreduktion zu ermöglichen, ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Struktur erzeugt wird, während sich das Trägerelement innerhalb eines Nutzens befindet. Damit können mehrere Wandlermodule gleichzeitig erzeugt werden.
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In einer Ausgestaltung wird mindestens ein elektronisches Bauteil aufgebracht. Durch die Aufbringung und die entsprechende elektrische Kontaktierung des Bauteils ergibt sich eine hybride Integration der Elektronik hinein in die Mehrlagenkeramik des erfindungsgemäß erzeugten Wandlermoduls. Das mindestens eine elektronische Bauteil befindet sich dabei beispielweise auf dem Trägerelement und/oder zwischen den erzeugten Strukturen. So lässt sich beispielsweise bereits mit dem Wandlermodul eine Strommessung, eine Aufsteilung der Rechtecksignale für den Massenfilter und/oder eine Temperaturregelung auf Basis integrierter Thermistoren und Heizwiderstände realisieren, wobei insbesondere die integrierten elektronischen Bauteile als Teil des Wandlermoduls Verwendung finden. Bei dem elektronischen Bauteil handelt es sich beispielsweise um ein Widerstandselement, eine Spule, einen Kondensator oder um einen Teil einer komplexeren Schaltung.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Wandlermodul, das gemäß einer der zuvor genannten Ausgestaltungen des erfinderischen Verfahrens hergestellt worden ist.
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In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Wandlermodul um ein Massenspektrometer.
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Allgemein lässt sich ein Massenspektrometer in drei Abschnitte mit unterschiedlichen Funktionalitäten unterteilen: Dies sind eine Ionisation der zu untersuchenden Probe, eine Separation der unterschiedlichen Ionen in Abhängigkeit von ihrer Masse und eine Quantifizierung der nach ihrer Masse getrennten Ionen als eigentliche Detektion.
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Für die Manipulation der Ionen werden magnetische und/oder elektrische Felder eingesetzt. Die elektrischen Felder werden mit Hilfe elektrisch leitfähiger Elektroden erzeugt. Um eine für die Ionen ausreichend lange freie Weglänge zu gewährleisten, finden zumindest die Massenseparation und die Detektion und ggf. auch die Ionisation im Vakuum statt.
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Erfindungsgemäß wird das Massenspektrometer durch eine Kombination von Direkt-LIGA und einer keramischen Mehrlagentechnologie (z. B. LTCC oder HTCC) erzeugt. Dabei erfolgt die Anwendung mindestens einer der oben beschriebenen Verfahrensvarianten.
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In einer Ausgestaltung erlaubt ein keramisches Mehrlagensubstrat als Trägerelement die Anbindung an die elektrische (z. B. DC-Potentiale für die Manipulation der Ionen), fluidische (z. B. Probenentnahme- und Vakuumsystem) und thermische (z. B. Wärmesenke) Peripherie und dient gleichzeitig als Untergrund für die insbesondere (edel-)metallischen Strukturen der Massenspektrometer-Funktionalität, die mittels Direkt-LIGA aufgebracht werden.
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Die mittels des LIGA-Verfahrens erzeugten Strukturen werden für die Realisierung von unterschiedlichen Druckstufen und ggf. zur Fertigstellung einer hermetisch dichten Vakuumkammer mittels Kleben, Löten, Schweißen, eutektischem Legieren oder einem ähnlichen Verfahren schließlich in einer Ausgestaltung mit einem Deckel versehen.
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Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Wandlermodul auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 und dem Patentanspruch 9 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wandlermoduls im Schnitt,
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2 eine schematische Darstellung von zwei Wandlermodulen während ihrer Herstellung in Draufsicht und
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3 ein erfindungsgemäßer Mikromassenspektrometer als ein Beispiel eines Wandlermoduls teilweise in Explosionsdarstellung.
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Die 1 zeigt rein schematisch, nicht maßstabsgemäß und nur dem grundlegenden Verständnis dienend ein Wandlermodul 1 mit einem hier dreilagigen Trägerelement 2, das beispielsweise durch das LTCC-Verfahren hergestellt wird. Auf der Oberseite des Trägerelements 2 ist mittels Direkt-LIGA eine Struktur 3 aus metallischen Elementen erzeugt worden. Ein Teil der Struktur 3 ist mit einem Übertragungselement 4 verbunden, das durch das Trägerelement 2 hindurchgeführt ist und das in diesem Beispiel als eine Art von Heatpipe der Abführung der Wärme von dem Teil der Struktur 3 dient. Durch das Trägerelement 2 erstreckt sich weiterhin ein vertikal verlaufender Kanal 5, der der Zuführung eines Probenmediums dienen kann.
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Ein Teil der Struktur 3 ist von einer Beschichtung 6 umgeben, die einen erhöhten Schutz gegenüber dem Prozess bietet. Oberhalb der Struktur 3, die dem Führen von Fluiden oder von elektrischen Signalen oder auch der Stabilisierung dient, befindet sich in dieser Ausgestaltung ein abschließender Deckel 7, der beispielsweise bei einem als Massenspektrometer ausgeführtem Wandlermodul 1 erforderlich ist.
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Unterhalb des Trägerelements 2 und damit auf der vom Deckel 7 abgewandten Seite befindet sich ein elektronisches Bauteil 8, das in direkter Nähe zur mittels der Struktur 3 realisierten Mess- und/oder Aktoreinheit Ansteuer-, Energieversorgungs- und/oder zumindest Vorverarbeitungsaufgaben übernimmt.
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In der 2 sind schematisch zwei Wandlermodule 1 während ihrer Herstellung gezeigt. Dabei befinden sich die Trägerelemente 2 innerhalb eines Nutzens 9, der es erlaubt, in einem Vorgang für mehrere Wandlermodule 1 gleichzeitig die Strukturen 3 aufzubringen. Die Darstellung ist dabei rein schematisch und nicht maßstäblich. Insbesondere ist der Nutzen 9 vorzugsweise derartig auszugestalten, dass er keine großen Löcher aufweist, da beispielsweise auf der Oberfläche Fotolack für den LIGA-Prozess aufzubringen ist.
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Die 3 zeigt teilweise in Explosionsdarstellung einen Mikromassenspektrometer als ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wandlermoduls 1. Dabei sind für das Verständnis auch Vereinfachungen vorgenommen. Die Anzahl der Ebenen und Schichten usw. sind dabei ebenfalls rein exemplarisch. An diesem Beispiel sei im Folgenden die Funktion eines Massenspektrometers mit den in der LIGA-Struktur-Schicht 10 befindlichen Komponenten erläutert:
Die Ionisierung der zu untersuchenden Probe des – hier nicht dargestellten – Messmediums erfolgt mittels Elektronenstoßionisation. Dazu werden Elektronen aus einem Mikrowellenplasma einer Elektronenquelle 11 in Richtung einer Ionisationskammer 12 beschleunigt. Die Ionen dieser Ionenquelle werden daraufhin mit Hilfe einer Ionenoptik 13 als gebündelter paralleler Strahl in den Massenseparator 14 beschleunigt. Dabei gilt im Allgemeinen, dass bei konstanter Beschleunigungsspannung die Geschwindigkeit der Ionen über eine Wurzelfunktion abhängig vom Verhältnis von Ladung zur Masse ist.
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An den Fingerelektroden des Separators 14 liegen Rechtecksignale an, die in einer Ausgestaltung sowohl zeitlich als auch örtlich alternieren. Dies dient der Einstellung eines feldfreien Fensters, das sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch den Separator 14 bewegt. Nur Ionen einer bestimmten Masse, die sich mit dem feldfreien Fenster durch den Separator 14 bewegen, erreichen die nächste Stufe. Ionen, die eine andere Masse haben, werden zu den Elektroden hin abgelenkt und dort neutralisiert.
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Hinter dem Separator 14 befindet sich ein Energiefilter 15 in Form eines elektrischen Sektorfelds.
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Schließlich werden die nach Masse getrennten Ionen mit einem Faraday Detektor 16 quantifiziert.
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Das Mikrowellenplasma wird in diesem Beispiel angeregt mit einem hochfrequenten Signal, z. B. mit einer Frequenz von 2,45 GHz, gegenüber Masse. Die Mehrlagenkeramik des Wandlermoduls 1 ermöglicht dabei eine angepasste und verlustarme Übertragung des Hochfrequenzsignals.
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Die durch das Plasma erzeugte Wärme wird über einen Masseanschluss und thermischen Durchkontaktierungen 17 nach unten weg zu einer Wärmesenke abgeführt.
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Für einen optimierten Wärmehaushalt werden in einer weiteren Ausgestaltung keramische Komposite mit einem hohen Aluminiumnitrit-Anteil verwendet. Dabei ist wesentlich, dass Aluminiumnitrit eine Wärmeleitfähigkeit größer als 200 W/(m·K) hat in Relation zu Aluminiumoxid mit einer Wärmeleitfähigkeit zwischen 20 und 30 W/(m·K) oder Borosilikatglas mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 W/(m·K).
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An der Ionisationskammer 12 und den Elektroden der Ionenoptik 13 liegen DC-Potentiale im Bereich von ± 100 V an. Jedes Potential liegt symmetrisch an beiden Seiten der Ionenflugbahn an. Die Anschlüsse der Elektrodenpaare werden dabei vorzugsweise über Leiterbahnen im Inneren der Mehrlagenkeramik miteinander verbunden, damit für jedes Signal möglichst nur eine Verbindung zur Spannungsquelle genügt.
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Die Kammstruktur auf der einen Seite des Massenseparators 14 ist üblicherweise mit Masse verbunden und ermöglicht dadurch auch den thermischen Kontakt zur Wärmesenke. Die Fingerelektroden auf der anderen Seite des Massenseparators 14 werden üblicherweise abwechselnd mit zwei zueinander invertierten Rechtecksignalen angesteuert. Elektroden, die mit dem gleichen Signal versorgt werden, werden ebenfalls über eine Leiterbahn im Inneren der Mehrlagenkeramik des Wandlermoduls 1 miteinander verbunden, damit pro Signal ein Anschluss zu einem – hier nicht dargestellten – Signalgenerator genügt.
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Die Güte des Massenseparators 14 hängt u. a. von der Qualität der Signale ab, mit denen die Fingerelektroden angesteuert werden. Da das Wandlermodul 1 in Form der Mehrlagenkeramik auch als Leiterplatte genutzt werden kann, ergibt sich so die Möglichkeit benachbart zum Separator 14, z. B. auf der Unterseite des Moduls 1, eine signalverbessernde Schaltung – insbesondere eine Aufsteilstufe – und dies sogar auch durch die Verwendung von größeren elektronischen Bauteilen vorzusehen.
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Zu erkennen sind innerhalb des dreilagigen Trägerelements 2 die zur Unterseite des Moduls 1 geführten elektrischen 18, fluidischen 19 und thermischen Leitungen bzw. Verbindungen 17. Dies ermöglicht eine mit der Flip-Chip-Technologie vergleichbare Anbindung des Moduls 1 an eine Peripherie, wobei alle Anschlüsse gleichzeitig realisiert werden.
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Das Modul 1 kann dabei beispielsweise als SMD (Surface Mounted Device)-Bauteil fest auf einem makroskopischen Substrat verlötet werden, das insgesamt die erforderlichen elektrische Signal bereitstellt, als Schnittstelle zu einem Vakuumsystem, einem Plasmagasspeicher und zur Probenzuführung dient und das auch als Wärmesenke bzw. -tauscher funktioniert.
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Für einen möglichst einfachen Austausch ist es vorteilhaft, wenn das Modul lösbar mit dem makroskopischen Substrat verbunden wird. So lassen sich für niederfrequente Signale Mehrfachsteckverbindungen verwenden, wobei z. B. ein Stecker direkt oder über ein (Flachband-)Kabel mit dem Modul 1 verlötet wird. Da die Gasversorgung üblicherweise auf Kapillartechnik basiert und vor allem das Probengas totvolumenfrei zugeführt werden soll, ist vorzugsweise eine Abdichtung auf Basis von Ferrulen für die Anbindung vorgesehen. Die hierfür erforderlichen konischen Einlässe lassen sich durch Abformen (Urformverfahren) oder Prägen (Umformverfahren) auch in Keramik realisieren. Daher wird entweder ein Formteil vor dem Sintern auf die ungesinterte Mehrlagenkeramik laminiert und anschließend gebrannt. Oder es werden Löcher in einer ungesinterten Mehrlagenkeramik durch Prägen konisch verformt. Alternativ lässt sich zur Dichtung auch eine flache Oberfläche des Moduls verwenden, wobei die konischen Aussparungen dann im makroskopischen Gegenstück realisiert werden.
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Oberhalb der durch das LIGA-Verfahren erzeugten Schicht 10 befindet sich der Deckel 7. Der Deckel 7 ermöglicht zumindest unterschiedliche Druckstufen und begrenzt in einer Ausgestaltung auch eine hermetisch geschlossene Vakuumkammer.
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Für die Variante des Wandlermoduls 1 als Analysegerät wird der Deckel 7 insbesondere mit Fügetechniken wie Löten, Schweißen oder auch eutektischem Legieren befestigt. Da diese Verfahren bei erhöhter Temperatur stattfinden, können aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Keramik und Metall thermische Spannungen auftreten. Um dies zu minimieren, wird nicht der ganze Deckel 7, sondern nur die Fügestelle auf die benötigte Temperatur erhitzt.
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Eine Realisierung der nur abschnittsweisen Befestigung sieht vor, dass auch der Deckel 7 in keramischer Mehrlagentechnologie ausgeführt wird, wobei im Bereich der Fügestellen Heizwiderstände in der Mehrlagenkeramik integriert werden.
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Die Ausgestaltung des Deckels 7 als Mehrlagenkeramik erlaubt auch eine einfachere Anpassung an darunter befindliche Komponenten, wie hier das elektronische Bauteil einer Stromverstärkerschaltung 20, das die mittels Direkt-LIGA erzeugten Strukturen 3 überragt.
