DE102012218369B4 - Verfahren zum Verbinden von schichtartigen Metallstrukturen auf einem Polymer und Schichtaufbau aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verbinden von schichtartigen Metallstrukturen auf einem Polymer, mit den Schritten:- Bereitstellen zumindest eines Polymers (10, 15);- Aufbringen einer ersten schichtartigen Metallstruktur (20) auf das zumindest eine Polymer (10, 15);- Aufbringen einer zweiten schichtartigen Metallstruktur (30) auf die erste schichtartige Metallstruktur (20), wobei ein Kontaktbereich (35) zwischenliegend zwischen der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) und der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30), und angrenzend an die erste schichtartige Metallstruktur (20) von der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30) ein Überlappungsbereich (40) mit der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) gebildet wird, welcher das zumindest eine Polymer (10, 15) kontaktiert; gekennzeichnet durch das- Abtragen mittels Ablation einer Ausnehmung (60), welche sich ausgehend von der Oberfläche der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30) in Richtung zu der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) hin und zumindest bis in den Kontaktbereich (35) erstreckt, wobei das Abtragen der Ausnehmung (60) mittels eines Verfahrens unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung erfolgt, und dabei eine derartige Energiemenge eingebracht wird, dass durch ein zumindest abschnittsweises Anschmelzen der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30) und der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) zumindest im Kontaktbereich (35) ein Verschmelzungsbereich (50) entsteht.

Description

  • Stand der Technik
  • Mikrofluidische Diagnosesysteme wie Lab-on-a-Chips (LOCs) (Westentaschenlabore oder Chiplabore) erlauben die automatisierte und schnelle Durchführung komplexer Arbeitsabläufe, wie zum Beispiel das Pumpen und Mischen von Flüssigkeiten zur Probenaufbereitung. Hierzu gehören beispielsweise biochemische Reaktionen, welche definierte Temperaturen erfordern. Häufig müssen Temperaturen auch zeitlich zyklisch geändert werden, beispielsweise bei einer PCR (Polymerase Chain Reaction bzw. Polymerase-Kettenreaktion).
  • Um diese temperaturkritischen Prozesse innerhalb eines LOCs durchführen zu können, werden häufig externe Heizer an das LOC angekoppelt und die Temperatur innerhalb des Heizblocks überwacht. Hierbei kommt es üblicherweise zu einem Offset zwischen der Temperatur des Heizblocks und der tatsächlichen Temperatur innerhalb des LOCs. Um diesen Offset zu bestimmen, werden Temperaturfühler in ein Test-LOC eingebaut und das System damit kalibriert und/ oder Simulationen durchgeführt.
  • Aus dem Stand der Technik sind zur permanenten Temperaturkontrolle im LOC während des Betriebs des Weiteren Ansätze bekannt, welche auf der Infrarotmessung der Chipoberfläche, wobei jedoch ebenfalls eine Kalibrierung notwendig ist, oder der Verwendung von integrierten resistiven Temperaturfühlern basieren.
  • Die US 2010/0180961 A1 offenbart mikrofluidische Strukturen mit integrierten Geräten, mit einem Thermoelement auf einem Substrat und einem Heizelement in einem Strömungskanal im Inneren der mikrofluidischen Struktur.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schichtaufbau aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement, und gegebenenfalls mit einem Heizelement, sowie ein Verfahren zum Verbinden von schichtartigen Metallstrukturen auf einem Polymer zur Verfügung zu stellen, welches einen zuverlässigen und verbesserten elektrischen Kontakt zwischen den schichtartigen Metallstrukturen des Schichtaufbaus, welche mit dem Polymer verbunden sind, realisiert und somit eine genauere Überwachung der Temperatur eines Fluides zu ermöglichen, welches den vorliegenden Schichtaufbau durchströmt.
  • Dazu sind aus den Druckschriften DE 10 2007 052 972 A1 , US 5 343 014 A und DE 10 2011 080 934 A1 Verfahren und Mittel zum Verbinden dünner Metallschichten bzw. zum Metallisieren von Polymerschichten unter Verwendung von Lasern bekannt. Die Druckschrift DE 10 2006 005 596 A1 offenbart ein Dünnschicht-Thermoelement und dessen Herstellung. Die nachveröffentlichte Publikation BRETTSCHNEIDER, T., et al. Lasermicromachining as a metallization tool for microfluidic polymer stacks. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2013, 23. Jg., Nr. 3, S. 035020 beschreibt die Integration von Metallstrukturen in polymere mikrofluidische Systeme mittel Festkörperlaser.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Verbinden von schichtartigen Metallstrukturen auf einem Polymer, mit den Schritten des Bereitstellens zumindest eines Polymers; des Aufbringens einer ersten schichtartigen Metallstruktur auf das zumindest eine Polymer; des Aufbringens einer zweiten schichtartigen Metallstruktur auf die erste schichtartige Metallstruktur, wobei ein Kontaktbereich zwischenliegend zwischen der ersten schichtartigen Metallstruktur und der zweiten schichtartigen Metallstruktur, und angrenzend an die erste schichtartige Metallstruktur von der zweiten schichtartigen Metallstruktur ein Überlappungsbereich mit der ersten schichtartigen Metallstruktur gebildet wird, welcher das zumindest eine Polymer kontaktiert; gekennzeichnet durch das Abtragen mittels Ablation einer Ausnehmung, welche sich ausgehend von der Oberfläche der zweiten schichtartigen Metallstruktur in Richtung zu der ersten schichtartigen Metallstruktur hin und zumindest bis in den Kontaktbereich erstreckt, wobei das Abtragen der Ausnehmung mittels eines Verfahrens unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung erfolgt, und dabei eine derartige Energiemenge eingebracht wird, dass durch ein zumindest abschnittsweises Anschmelzen der zweiten schichtartigen Metallstruktur und der ersten schichtartigen Metallstruktur zumindest im Kontaktbereich ein Verschmelzungsbereich entsteht.
  • Der Kern der vorliegenden Erfindung ist ein polymerer Schichtaufbau mit integrierten schichtartigen metallischen Strukturen. Dabei werden zwei unterschiedliche schichtartige Metallstrukturen derart übereinander angeordnet, dass die oberhalb liegende Metallschicht die unterhalb liegende Metallschicht überlappt. Auf diese Weise können die beiden schichtartigen Metallstrukturen mit dem darunter liegend angeordneten Polymer verbunden werden. Um die Zuverlässigkeit des derart hergestellten elektrischen Kontakts zwischen den beiden schichtartigen Metallstrukturen zu erhöhen, wird zusätzlich ein kombinierter Ablations- und Schweißprozess genutzt, welcher vorzugsweise auf den Einsatz von Laser basiert, um eine stoffschlüssige Verbindung der beiden schichtartigen Metallstrukturen in zumindest einem Bereich des Querschnitts der beiden schichtartigen Metallstrukturen herzustellen.
  • Das Abtragen mittels Ablation einer Ausnehmung innerhalb des erfindungsgemäßen Thermoelements durch zumindest der oberhalb liegenden der beiden schichtartigen Metallstrukturen hindurch in Richtung zu dem Polymer mittels eines Verfahrens unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung erlaubt es aufgrund einer geeigneten Auswahl der in das Thermoelement zur Ausbildung der Ausnehmung eingebrachten Energie, dass auf der einen Seite die Ablation zur Ausbildung der Ausnehmung erfolgt, während gleichzeitig das Polymer trotz des Wärmeeintrags nicht zerstört wird. Des Weiteren sorgt die eingebrachte Energie in Form von Wärme dafür, dass die Randbereiche der Ausnehmung während dessen Herstellung anschmelzen, und es dabei, insbesondere im Kontaktbereich zwischen den beiden schichtartigen Metallstrukturen, zu einer stoffschlüssigen Verbindung der schichtartigen Metallstrukturen kommt, wodurch sich der Kontaktwiderstand der beiden schichtartigen Metallstrukturen erheblich verringert. Dadurch wird die Messgenauigkeit des Thermoelements verbessert. Zusätzlich dazu ist der elektrische Kontakt innerhalb des Thermoelements zuverlässiger, insbesondere gegenüber zyklisch auftretenden Temperaturänderungen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden von schichtartigen Metallstrukturen auf einem Polymer kann das Verfahren unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung zum Abtragen der Ausnehmung gepulste Laserstrahlung im Infrarot-Bereich verwenden. Dies erlaubt den Einsatz eines durchgängigen Herstellungsverfahrens, hier insbesondere von laserbasierten Verfahren, für den Schichtaufbau bzw. wesentliche Teile des LOCs, wodurch die Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus erheblich vereinfacht wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden von schichtartigen Metallstrukturen auf einem Polymer kann die Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung zwischen 10 ns und 1000 ns betragen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung zwischen 10 bis 300 ns betragen. Diese Prozessparameter sorgen wie vorstehend beschrieben für eine schädigungsarme Herstellung der Ausnehmung in dem Thermoelement, während durch die Ausbildung des Verschmelzungsbereichs zwischen den beiden schichtartigen Metallstrukturen gleichzeitig die Messgenauigkeit des Thermoelements wesentlich verbessert wird.
  • Ein derart erzeugtes Thermoelement bzw. erzeugter Thermokontakt kann beispielsweise unterhalb einer Kavität innerhalb des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus angeordnet sein, so dass die Temperatur des sich darin befindlichen Fluides direkt gemessen werden kann.
  • Die vorliegende Aufgabe wird außerdem erfindungsgemäß durch einen Schichtaufbau aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement erfüllt, mit zumindest einem Polymer; einem Thermoelement, welches von einer ersten schichtartigen Metallstruktur auf dem zumindest einen Polymer, und einer zweiten schichtartigen Metallstruktur, wobei ein Kontaktbereich zwischenliegend zwischen der ersten schichtartigen Metallstruktur und der zweiten schichtartigen Metallstruktur, und angrenzend an die erste schichtartige Metallstruktur von der zweiten schichtartigen Metallstruktur ein Überlappungsbereich mit der ersten schichtartigen Metallstruktur gebildet ist, welcher das zumindest eine Polymer kontaktiert, gebildet wird, wobei des Weiteren eine Ausnehmung innenliegend von dem Thermoelement vorgesehen ist, welche sich ausgehend von der Oberfläche der zweiten schichtartigen Metallstruktur in Richtung zu der ersten schichtartigen Metallstruktur hin und zumindest bis in den Kontaktbereich erstreckt, und die Ausnehmung im Kontaktbereich einen Verschmelzungsbereich aufweist.
  • Es versteht sich, dass das Thermoelement mit Anschlüssen zur Ermittlung der Spannungsdifferenz zwischen den beiden schichtartigen Metallstrukturen vorsehen ist. Durch das Messen der Spannungsdifferenz zwischen den zugehörigen Anschlüssen an die jeweilige schichtartige Metallstruktur lässt sich die Temperatur eines durchströmenden Fluides in einer Kavität des Schichtaufbaus direkt messen. Da das erfindungsgemäße Thermoelement in direktem Kontakt mit dem Fluid ist, wird der vorstehend beschriebene Offset zur tatsächlichen Temperatur innerhalb des LOCs in vorteilhafter Weise vermieden. Die schichtartigen Metallstrukturen des erfindungsgemäßen Thermoelements können jeweils zwischen 1 µm bis 100 µm dick sein.
  • Das Polymer bzw. ein Polymersubstrat für den erfindungsgemäßen Schichtaufbau kann aus einem Thermoplast gebildet sein, wie zum Beispiel PC, PP, PE, PMMA, COP, COC. Die Dicke des Polymers bzw. des Polymersubstrats kann zwischen 0,5mm bis 5mm betragen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau kann der Werkstoff der ersten schichtartigen Metallstruktur von dem Werkstoff der zweiten schichtartigen Metallstruktur verschieden sein. Da die Werkstoffe der ersten schichtartigen Metallstruktur und der zweiten schichtartigen Metallstruktur voneinander verschieden sind, eignen sich diese besonders für die Ausbildung eines Thermoelements, dessen elektrischer Kontakt zur Ermittlung einer Temperatur verwendet werden kann. Bevorzugte Kombinationen für die ersten und zweiten schichtartigen Metallstrukturen des erfindungsgemäßen Thermoelements können beispielsweise NiCr/Ni, CuNi/Cu, Fe-Cu/Ni, PtRh/Pt sein.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau kann oberhalb des zumindest einen Polymers ein zweites Polymer vorgesehen sein, welches eine Kavität aufweist, welche sich zumindest abschnittsweise entlang des Thermoelements erstreckt, und die Kavität weist des Weiteren Strömungskanäle auf, welche zum Durchströmen der Kavität mit einem Fluid vorgesehen sind. Zusätzlich dazu können die Strömungskanäle auch zum Befüllen der Kavität mit einem Fluid vorgesehen sein. Dieser Aufbau ermöglicht das Prozessieren von Fluiden unter Verwendung des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus, wobei des Weiteren die Zufuhr und die Abfuhr des Fluid in den Bereich des Thermoelements realisiert wird. Der Durchmesser der Strömungskanäle in einzelnen Polymeren des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus bzw. Polymersubstraten der erfindungsgemäßen Schichtstruktur kann 200 µm bis 3 mm betragen. Das Volumen der Kavität kann zwischen 1 mm3 und 1000 mm3 betragen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau kann des Weiteren ein Heizelement vorgesehen sein, welches sich im Wesentlichen mäanderförmig durch den Schichtaufbau erstreckt. Die Erstreckung erfolgt dabei vorzugsweise innerhalb einer Ebene. Die Verwendung des Heizelements ermöglicht die Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten um die Temperierung des Fluides, so dass es nunmehr die Möglichkeit gibt, das Fluid im Bereich der Kavität gezielt zu Erwärmen. Mit Hilfe des Thermoelements kann der Temperaturverlauf des erwärmten Fluid in der Kavität mit wesentlich verbesserter Genauigkeit bestimmt und gegebenenfalls geregelt werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau kann das Heizelement unterhalb der Kavität angeordnet sein. Des Weiteren kann das Heizelement die Kavität zumindest abschnittweise überlappen, wodurch sich in vorteilhafter Weise die Temperaturgradienten im Bereich der Seitenwände der Kavität verringern lassen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau kann das Heizelement beabstandet von einem Endbereich des Thermoelements angeordnet sein. Dadurch wird in vorteilhafter Weise vornehmlich die Temperatur des zu untersuchenden Fluids gemessen, ohne dass diese durch schnelle Temperaturschwankungen des Thermoelements verfälscht wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau kann das Heizelement mit dem Thermoelement in Kontakt sein. Dabei ist das Thermoelement dann direkt oberhalb von dem Heizelement und mit sehr geringem Abstand zwischen beiden beabstandet angeordnet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine elektrische Kontaktstelle zur Kontaktierung der beiden schichtartigen Metallstrukturen des Thermoelements eingespart werden kann. Zusätzlich dazu wird die exakte Temperatur des Heizelements mit dieser Anordnung bestimmt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass diejenigen Teile des Fluid zu stark erhitzt werden, welches sich in direkter Nähe zu dem Heizelement befinden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau können der Werkstoff des Heizelements und der Werkstoff von zumindest einer von der ersten und zweiten schichtartigen Metallstruktur identisch sein. Des Weiteren kann das Heizelement mit der entsprechenden schichtartigen Metallstruktur verbunden sein. Dieser Aufbau bietet den Vorteil, dass die Bestimmung der Temperatur des Fluid unabhängig von der aktuellen Heizleistung des Heizelements durchgeführt werden kann, während gleichzeitig direkt die Temperatur des Heizelements ermittelt werden kann.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau kann das Thermoelement mit dem Heizelement über ein metallisches Kontaktelement gekoppelt sein. Das metallische Kontaktelement wird dabei bevorzugt in der Art einer kurzen metallischen Bahn ausgebildet, welche auf diese Art und Weise lediglich als Wärmebrücke zwischen dem Heizelement und dem Thermoelement des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus dient. Dieser Aufbau bietet den Vorteil, dass die Wärmekopplung des Thermoelements an das Heizelement mit Hilfe der Auslegung des metallischen Kontaktelements vorab eingestellt werden kann. Auf diese Weise lässt sich ein beliebiges Ansprechverhalten des Thermoelements realisieren.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau kann die Breite des mäanderförmigen Heizelements im Bereich der Kavität lokal unterschiedlich ausgebildet sein. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Realisierung eines inhomogenen Wärmeeintrags in die Kavität. Zusätzlich dazu können sonst möglicherweise auftretende Temperaturgradienten kompensiert werden und damit kann eine sehr homogene Temperaturverteilung des Fluid innerhalb der Kavität realisiert werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau kann das Thermoelement zumindest abschnittsweise von einer Polymermembran bedeckt sein. Hierdurch wird ein direkter Kontakt zwischen einem Fluid und den Metallstrukturen des Thermoelements vermieden. Der Werkstoff für die Polymermembran wird dabei derart gewählt, dass es bei einer Kontaktierung mit dem Fluid des LOCs im Hinblick auf die ablaufenden chemischen Reaktionen chemisch neutral ist, und somit eine Vielzahl von biochemischen Reaktionen ablaufen kann, ohne dabei deren Ablauf und Reinheit zu beeinträchtigen. Falls die zusätzliche Polymermembran sehr dünn ausgelegt wird, dann ergibt sich kein wesentlicher Offset zur tatsächlichen Temperatur des Fluides, wodurch die gesteigerte Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Thermoelements in der Schichtstruktur beibehalten werden kann. Die Polymermembran kann aus einem Elastomer, einem thermoplastischen Elastomer, einem Thermoplast oder aus Heißklebefolien gebildet sein. Die Dicke der Polymermembran kann 5 µm bis 500 µm betragen.
  • Die benötigten Strukturen in den Polymeren bzw. den Polymersubstraten des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus können beispielsweise durch Fräsen, Spritzgießen, Heißprägen oder Laserstrukturierung erzeugt werden. Die metallischen Strukturen des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus können beispielsweise durch Sputtern, Inkjet-Printing, Siebdruck oder galvanische Prozesse erzeugt werden, insbesondere jedoch durch die Verwendung von bereits vorgefertigten Metallfolien in Verbindung mit dem Verfahren des Laserdurchstrahlschweißens bzw. des Laserstrukturierens.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein erfindungsgemäß hergestelltes Thermoelement eine permanente Temperaturüberwachung in unmittelbarer Nähe zu einem Fluid im Inneren des LOCs während dessen Betrieb ermöglicht. Zusätzlich dazu erlaubt der Einsatz eines Heizelements in der Umgebung des Thermoelements eine direkte Beeinflussung der Temperatur des Fluides, welches durch das LOC strömt oder stationär in einer Kavität vorliegt, wodurch die Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus erheblich gesteigert werden, insbesondere im Bereich der Analyse und Prozessierung von einem zu untersuchenden Fluid.
  • Im Vergleich zu den herkömmlichen Schweißprozessen für Metalle, welche auf dem kontinuierlichen Aufheizen der Metalle bis zu deren Schmelzen beruhen, ist es bei dem vorliegenden Verfahren zum Verbinden von schichtartigen Metallstrukturen auf einem Polymer möglich, die Prozesstemperatur zum Verbinden der schichtartigen Metallstrukturen derart zu verringern, dass das angrenzende Polymer bei diesem Vorgang nicht mehr zerstört wird. Der vorliegende Verbindungsprozess erlaubt es somit, Metallschichten miteinander zu verbinden, und insbesondere vorzugsweise miteinander zu verschweißen, ohne das angrenzende Polymer nennenswert zu beschädigen.
  • In einem ersten Schritt zum Aufbauen des Schichtaufbaus kann in bevorzugter Weise Laserdurchstrahlschweißen genutzt werden, um die Polymere des Schichtaufbaus untereinander zu fügen und die schichtartigen Metallstrukturen mit dem Polymer zu verbinden und zu strukturieren. Da der erfindungsgemäße Prozess zum Verschweißen der schichtartigen Metallstrukturen miteinander ebenfalls laserbasiert ist, kann der komplette erfindungsgemäße Schichtaufbau mit einer durchgängigen Basistechnologie hergestellt werden, was die Herstellung des Schichtaufbaus vereinfacht und somit die Herstellungskosten verringert.
  • Aufgrund der unmittelbaren Anordnung des Thermoelements im Bereich der Kavität ist eine sehr genaue Temperaturbestimmung mit der tatsächlichen Temperatur des angrenzenden Fluid möglich. Somit kann auf eine aufwändige Kalibrierung des Systems verzichtet werden.
  • Im Vergleich zu einem externen Heizblock weist der erfindungsgemäße Aufbau eine sehr geringe Wärmekapazität auf. Hierdurch ist ein sehr schnelles Aufheizen und Abkühlen (zum Beispiel durch externe Lüfter) des Fluides möglich. Dabei können in vorteilhafter Weise biochemische Reaktionen innerhalb des LOC, wie beispielsweise die PCR, sehr schnell durchgeführt werden.
  • Die Einführung einer Wärmebrücke zwischen dem Heizelement und dem Thermoelement ermöglicht es, schnelle Änderungen der Temperatur des Heizelements zu detektieren, um somit ein Überschwingen der Fluidtemperatur zu vermeiden, welches ansonsten die Inhaltsstoffe der zu untersuchenden Probe in dem Fluid beschädigen könnte.
  • Bei der Ausbildung eines Heizelements wird die Kavität zusätzlich beheizt. Besonders vorteilhafte Anbindungen des Thermoelements an das Heizelement erlauben eine einfache Herstellung und schnelle Temperaturmessung für den erfindungsgemäßen Schichtaufbau.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erklärt. Es zeigt dabei
    • 1: eine vergrößerte Schnittansicht eines Thermoelements für einen erfindungsgemäßen Schichtaufbau aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen,
    • 2: eine Draufsicht eines Schichtaufbaus aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 3: eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Schichtaufbau entlang der Linie A-A gemäß 2,
    • 4: eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Schichtaufbau entlang der Linie B-B gemäß 2,
    • 5: eine Draufsicht eines Schichtaufbaus aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement mit einem Heizelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 6: eine Draufsicht eines Schichtaufbaus aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement mit einem Heizelement gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 7: eine Draufsicht eines Schichtaufbaus aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement mit einem Heizelement gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
    • 8: eine Draufsicht eines Schichtaufbaus aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement mit einem Heizelement gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines Thermoelements für einen erfindungsgemäßen Schichtaufbau aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen. Diese Schnittansicht wird insbesondere zur Erläuterung des beanspruchten Verfahrens zum Verbinden von schichtartigen Metallstrukturen auf einem Polymer verwendet. Die Ansicht zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schichtaufbau aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen, wobei die Schnittebene quer zur Längserstreckung eines Thermoelements des Schichtaufbaus angeordnet ist. Da die betrachteten Strukturen des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus sehr klein sind, wird eine vergrößerte Darstellung gewählt, wobei diese nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt sind.
  • Der erfindungsgemäße Schichtaufbau weist eine Polymermembran 10 auf, welche oberhalb von einem Polymersubstrat 15 angeordnet ist. Auf der Oberfläche der Polymermembran 10 ist eine erste schichtartige Metallstruktur bzw. eine erste Metallschicht 20 ausgebildet, welche sich im Wesentlichen in der Art einer Leiterbahn entlang von deren Längsachse erstreckt. Oberhalb der ersten Metallschicht 20 ist eine zweite Metallschicht 30 ausgebildet, welche einen Kontaktbereich 35 zwischenliegend zwischen der ersten Metallschicht 20 und der zweiten Metallschicht 30, und seitlich angrenzend an die erste Metallschicht 20 von der zweiten Metallschicht 30 einen Überlappungsbereich 40 mit der ersten Metallschicht 20 aufweist. Der Überlappungsbereich 40 kontaktiert die Polymermembran 10 seitlich von der ersten Metallschicht 20. Die beiden Metallschichten 20, 30 bilden ein Thermoelement 70, welches zur Messung von Temperaturen für den erfindungsgemäßen Schichtaufbau vorgesehen ist.
  • Innenseitig von dem Thermoelement 70 ist eine Ausnehmung 60 ausgebildet, welche sich durch die erste Metallschicht 20 und die zweite Metallschicht 30 erstreckt. Die Ausnehmung 60 wird durch das Abtragen (Ablation) des ursprünglich innenliegenden Materials der beiden Metallschichten 20, 30 gebildet, wobei das Abtragen der Ausnehmung mittels eines Verfahrens unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung erfolgt. Dabei wird eine derartige Energiemenge in die zweite Metallschicht 30 bzw. die erste Metallschicht 20 (in Herstellungsrichtung gesehen) eingebracht, dass durch ein Anschmelzen der zweiten Metallschicht 30 und nachfolgend der darunter liegenden ersten Metallschicht 20 zumindest im Kontaktbereich 35 der ersten Metallschicht 20 und der zweiten Metallschicht 30 ein Verschmelzungsbereich 50 entsteht. Der Verschmelzungsbereich 50 bildet dabei eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Metallschichten 20, 30 aus, wodurch der elektrische Kontaktwiderstand der beiden Metallschichten 20, 30 reduziert und die Zuverlässigkeit der Verbindung der beiden Metallschichten 20, 30 erheblich verbessert wird. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass die Messgenauigkeit eines Thermoelements 70, welches gemäß dem Verfahren zum Verbinden der beiden Metallschichten 20, 30 auf dem Polymer ausgebildet ist, gegenüber den bislang bekannten mehrschichtig aufgebauten Thermoelementen, die lediglich durch das Aufbringen einer zweiten Metallschicht auf die darunterliegende erste Metallschichten gebildet werden, wesentlich verbessert ist. Des Weiteren ist bei dem erfindungsgemäßen Thermoelement 70 des Schichtaufbaus der elektrische Kontakt zwischen den beiden Metallschichten 20, 30 zuverlässiger, insbesondere gegenüber zyklischen Temperaturänderungen.
  • Das Abtragen zur Herstellung der Ausnehmung 60 erfolgt mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung, hier insbesondere von Laserstrahlung. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden von schichtartigen Metallstrukturen auf einem Polymer verwendet eine gepulste Laserstrahlung im Infrarotbereich, deren Pulsdauern vorzugsweise zwischen 10ns und 300ns betragen. Die gewählten Pulsdauern sind auf der einen Seite so kurz, dass der Wärmeeintrag des Lasers während des Abtragens der Ausnehmung, und insbesondere nach dem vollständigen Abtragen der unteren Metallschicht 20, nicht ausreichend ist, um die Polymermembran 2 wesentlich zu verändern oder gar zu zerstören. Auf der anderen Seite sind die Pulsdauern hoch genug, um durch Wärmleitung die Randbereiche der Ausnehmung 60 aufzuschmelzen, wodurch im Kontaktbereich 35 der beiden Metallschichten 20, 30 der Verschmelzungsbereich 50 entstehen kann.
  • 2 zeigt eine Draufsicht eines Schichtaufbaus aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Schichtaufbau weist das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Thermoelement 70 auf, welches aus der ersten Metallschicht 20 und der zweiten Metallschicht 30 besteht. Ausgehend von einem Randbereich des Schichtaufbaus erstreckt sich das Thermoelement 70 in Richtung der Mitte eines Polymersubstrats (nicht dargestellt), welches die erste Schicht des Schichtaufbaus bildet. An den freien Enden der beiden Metallschichten 20, 30 sind Anschlüsse 150, 160 ausgebildet, welche zur elektrischen Kontaktierung des Thermoelements 70 mit einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) zum Bestimmen der gemessenen Temperatur des Thermoelements 70 vorgesehen sind.
  • Die Oberseite des Schichtaufbaus bildet ein Polymersubstrat 17, welches im Mittenbereich des Polymersubstrats 17 eine Kavität 90, sowie seitlich zu dieser Kavität 90 angeordnete Strömungskanäle 100, 110 aufweist. Die Kavität 90 ist dabei in der Form eines Zylinders ausgebildet, dessen Radius geringer als die Längserstreckung des Thermoelements 70 ist.
  • 3 zeigt eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Schichtaufbau entlang der Linie A-A gemäß 2. Die Unterseite des Schichtaufbaus wird von einem Polymersubstrat 15 gebildet, auf welches eine Polymermembran 10 aufgebracht ist. Auf der Polymermembran 10 ist wiederum ein Polymersubstrat 17 aufgebracht. In dem Polymersubstrat 17 ist eine Kavität 90 ausgebildet, welche sich im Mittenbereich des Polymersubstrats 17 befindet. Sie erstreckt sich ausgehend von dem Kontaktbereich mit der Polymermembran 10 in Richtung zum der freien Oberfläche des Polymersubstrats 17 bis zu einer vorbestimmten Höhe. Im Bereich von einem Ende des Polymersubstrats 17 ist ein Anschluss 160 ausgebildet, welcher eine zweite Metallschicht 30 elektrisch kontaktiert.
  • Ausgehend von einem Ende der Polymermembran 10 erstreckt sich die zweite Metallschicht 30 bis in etwa zu dem Mittenbereich der Polymermembran 10 hin. Ein Thermoelement 70 wird von einer ersten Metallschicht 20 zusammen mit der zweiten Metallschicht 30 gebildet, wobei die erste Metallschicht 20 abschnittsweise unterhalb von der zweiten Metallschicht 30 ausgebildet ist.
  • 4 zeigt eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Schichtaufbau entlang der Linie B-B gemäß 2. In Querrichtung zu dem Schichtaufbau erstreckt sich ausgehend von einem Ende des Polymersubstrats 17 ein erster Strömungskanal 100, welcher mit der Kavität 90 verbunden ist, und ausgehend von der Kavität 90 erstreckt sich in Richtung zu dem gegenüber liegenden Ende des Polymersubstrats 17 hin ein zweiter Strömungskanal 110. Die beiden Strömungskanäle werden von der Polymermembran 10 und dem Polymersubstrat 17 begrenzt.
  • 5 zeigt eine Draufsicht eines Schichtaufbaus aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement 70 mit einem Heizelement 120 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Heizelement 120 ist als eine zusätzliche mäanderförmige Leiterbahn als Heizstruktur unterhalb der Kavität 90 ausgebildet, wobei das Heizelement 120 über zwei Anschlüsse 170, 180 elektrisch kontaktiert wird, welche auf der gegenüber liegenden Seite der Anschlüsse 150, 160 für das Thermoelement 70 angeordnet sind. Das Heizelement 120 überlappt die Kavität 90, um somit Temperaturgradienten im Bereich der Seitenwände der Kavität 90 zu verringern. Das Thermoelement 70 endet im Bereich des Heizelements 120, ist aber dennoch von diesem beabstandet. Der dargestellte Aufbau erlaubt es, das Fluid innerhalb der Kavität 90 zu temperieren, wobei über das Thermoelement 70 die Möglichkeit für eine direkte Messung der Temperatur des Fluides in der Kavität 90 besteht.
  • 6 zeigt eine Draufsicht eines Schichtaufbaus aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement 70 mit einem Heizelement 120 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da die Konfiguration dieses Schichtaufbaus ähnlich zu derjenigen des Ausführungsbeispiels von 5 ist, sollen hier nur die Unterschiede dargestellt werden. Diese Ausführungsform weist anstatt der beiden Anschlüsse 150, 160 für die elektrische Kontaktierung des Thermoelements 70 lediglich einen einzigen Anschluss 190 auf, welcher ebenfalls im Bereich von einem Ende des Polymersubstrats angeordnet ist. Das Thermoelement 70 ist direkt auf dem Heizelement 120 angeordnet. Für die Bestimmung der Temperatur des Fluid wird die Spannung zwischen den Anschlüssen 190 und 180 des Heizelements 120 gemessen. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Messung während des Heizbetriebs des Heizelements 120 aufgrund des hierdurch entstehenden Spannungsabfalls innerhalb des Heizelements 120 verfälscht werden kann. Es ist deshalb besonders vorteilhaft, die Heizleistung des Heizelements 120 über eine Pulsweitenmodulation zu regeln, und die Temperaturmessung in den Abschnitten zwischen dem Aufheizen in den Heizpausen durchzuführen. Des Weiteren kann in vorteilhafter Weise mit dieser Ausführungsform ein elektrischer Anschluss eingespart werden. Zusätzlich dazu wird die exakte Temperatur des Heizelements bestimmt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass einzelne Bereiche des Fluid zu stark erhitzt werden, welche sich in direkter Nähe zu einer Leiterbahn des Heizelements 120 befinden.
  • 7 zeigt eine Draufsicht eines Schichtaufbaus aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement 70 mit einem Heizelement 120 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ausgehend von der Konfiguration des Ausführungsbeispiels von 5, sollen wiederum nur die Unterschiede der vorliegenden Ausführungsform beschrieben werden. Es wird eine Leiterbahn 195 des Thermoelements 70 aus demselben Material wie dasjenige des Heizelements 120 aus dem Bereich des Heizelements 120 abgeführt, so dass die Thermospannung des Thermoelements 70 von den Anschlüssen 150, 160 abgegriffen werden kann. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Bestimmung der Temperatur des Fluid unabhängig von der aktuellen Heizleistung durchgeführt werden kann, und dennoch kann die Temperatur des Heizelements 120 direkt gemessen werden.
  • 8 zeigt eine Draufsicht eines Schichtaufbaus aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement 70 mit einem Heizelement 120 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ausgehend von der Konfiguration des Ausführungsbeispiels von 5, sollen wiederum nur die Unterschiede der vorliegenden Ausführungsform beschrieben werden. Das Thermoelement 70 ist nicht direkt auf dem Heizelement 120 angeordnet, sondern endet etwas beabstandet zu dem Heizelement 120. Allerdings ist das Thermoelement 70 mit dem Heizelement 120 über ein zwischen liegendes metallisches Kontaktelement 130 verbunden. Das metallische Kontaktelement 130 erfüllt in diesem Fall keine elektrische Funktion, sondern dient ausschließlich als eine Wärmebrücke zwischen dem Heizelement 120 und dem Thermoelement 70. Diese Konfiguration weist den Vorteil auf, dass die Wärmekopplung des Thermoelements 70 an das Heizelement 120 über die Auslegung des metallischen Kontaktelements 130 eingestellt werden kann. Damit lässt sich ein beliebiges Ansprechverhalten herstellen, welches zwischen denjenigen der Ausführungsform gemäß 5 und 7 liegt.
  • Die lateralen Abmessungen sämtlicher Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Schichtaufbau können vorzugsweise zwischen 10 mm x 10 mm bis 200 mm x 200 mm betragen.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Verbinden von schichtartigen Metallstrukturen auf einem Polymer, mit den Schritten: - Bereitstellen zumindest eines Polymers (10, 15); - Aufbringen einer ersten schichtartigen Metallstruktur (20) auf das zumindest eine Polymer (10, 15); - Aufbringen einer zweiten schichtartigen Metallstruktur (30) auf die erste schichtartige Metallstruktur (20), wobei ein Kontaktbereich (35) zwischenliegend zwischen der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) und der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30), und angrenzend an die erste schichtartige Metallstruktur (20) von der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30) ein Überlappungsbereich (40) mit der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) gebildet wird, welcher das zumindest eine Polymer (10, 15) kontaktiert; gekennzeichnet durch das - Abtragen mittels Ablation einer Ausnehmung (60), welche sich ausgehend von der Oberfläche der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30) in Richtung zu der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) hin und zumindest bis in den Kontaktbereich (35) erstreckt, wobei das Abtragen der Ausnehmung (60) mittels eines Verfahrens unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung erfolgt, und dabei eine derartige Energiemenge eingebracht wird, dass durch ein zumindest abschnittsweises Anschmelzen der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30) und der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) zumindest im Kontaktbereich (35) ein Verschmelzungsbereich (50) entsteht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung zum Abtragen der Ausnehmung (60) gepulste Laserstrahlung im Infrarot-Bereich verwendet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung zwischen 10 ns und 1000 ns beträgt.
  4. Schichtaufbau aus einem Polymer und schichtartigen Metallstrukturen mit integriertem Thermoelement, mit: zumindest einem Polymer (10, 15); einem Thermoelement (70), welches von einer ersten schichtartigen Metallstruktur (20) auf dem zumindest einen Polymer (10, 15), und einer zweiten schichtartigen Metallstruktur (30), wobei ein Kontaktbereich (35) zwischenliegend zwischen der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) und der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30), und angrenzend an die erste schichtartige Metallstruktur (20) von der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30) ein Überlappungsbereich (40) mit der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) gebildet ist, welcher das zumindest eine Polymer (10, 15) kontaktiert, gebildet ist, wobei des Weiteren eine Ausnehmung (60) innenliegend von dem Thermoelement (70) vorgesehen ist, welche sich ausgehend von der Oberfläche der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30) in Richtung zu der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) hin und zumindest bis in den Kontaktbereich (35) erstreckt, und die Ausnehmung (60) im Kontaktbereich (35) einen Verschmelzungsbereich (50) aufweist.
  5. Schichtaufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der ersten schichtartigen Metallstruktur (20) von dem Werkstoff der zweiten schichtartigen Metallstruktur (30) verschieden ist.
  6. Schichtaufbau nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des zumindest einen Polymers (10, 15) ein zweites Polymer (17) vorgesehen ist, welches eine Kavität (90) aufweist, welche sich zumindest abschnittsweise entlang des Thermoelements (70) erstreckt, und die Kavität (90) des Weiteren Strömungskanäle (100, 110) aufweist, welche zum Durchströmen der Kavität (90) mit einem Fluid vorgesehen sind.
  7. Schichtaufbau nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass des Weiteren ein Heizelement (120) vorgesehen ist, welches sich im Wesentlichen mäanderförmig durch den Schichtaufbau erstreckt.
  8. Schichtaufbau nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (120) unterhalb der Kavität (90) angeordnet ist.
  9. Schichtaufbau nach zumindest einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (120) beabstandet von einem Endbereich des Thermoelements (70) angeordnet ist.
  10. Schichtaufbau nach zumindest einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (120) mit dem Thermoelement (70) in Kontakt ist.
  11. Schichtaufbau nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Heizelements (120) und der Werkstoff von zumindest einer von der ersten oder zweiten schichtartigen Metallstruktur (20, 30) identisch ist und das Heizelement (120) mit der entsprechenden schichtartigen Metallstruktur (20, 30) verbunden ist.
  12. Schichtaufbau nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (70) mit dem Heizelement (120) über ein metallisches Kontaktelement (130) gekoppelt ist.
  13. Schichtaufbau nach Anspruch 6 zusammen mit zumindest einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des mäanderförmigen Heizelements (120) im Bereich der Kavität (90) lokal unterschiedlich ausgebildet ist.
  14. Schichtaufbau nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (70) zumindest abschnittsweise von einer Polymermembran bedeckt ist.
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