DE10291136B4

DE10291136B4 - Process for the production of adaptronic microsystems

Info

Publication number: DE10291136B4
Application number: DE10291136T
Authority: DE
Inventors: Thomas Gesang; Uwe Maurieschat; Harald Knäbel; Helmut Schäfer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2022-03-16
Also published as: WO2002075824A2; DE10291136D2; WO2002075824A3

Abstract

Verfahren zur Herstellung von adaptronischen Mikrosystemen, bei dem zunächst ein oder mehrere Wandlerelemente (2) in eine Matrix (1) eingebettet und anschließend ein oder mehrere Ansteuerelemente (3) zur Ansteuerung und/oder zum Übertragen von Signalen der Wandlerelemente (2) auf die Matrix (1) aufgebracht oder in die Matrix (1) eingebracht werden, wobei das Aufbringen oder Einbringen der Ansteuerelemente (3) auf bzw. in die Matrix (1) durch folgende Schritte erfolgt:
– lösbares Verbinden der Ansteuerelemente (3) mit einer ersten Oberfläche eines Transferträgers (4);
– Aufbringen des Transferträgers (4) mit den Ansteuerelementen (3) auf die Matrix (1), so dass die erste Oberfläche des Transferträgers (4) zu den Wandlerelementen (2) gerichtet ist;
– Zwischenhärtung der Matrix (1) und/oder der Ansteuerelemente (3) und
– Abziehen des Transferträgers (4).Method for producing adaptronic microsystems, in which at first one or more transducer elements (2) are embedded in a matrix (1) and subsequently one or more drive elements (3) for driving and / or transmitting signals of the transducer elements (2) onto the matrix (1) applied or introduced into the matrix (1), wherein the application or introduction of the drive elements (3) on or in the matrix (1) by the following steps:
- releasably connecting the drive elements (3) with a first surface of a transfer carrier (4);
- Applying the transfer carrier (4) with the drive elements (3) on the matrix (1), so that the first surface of the transfer carrier (4) is directed to the transducer elements (2);
Intermediate hardening of the matrix (1) and / or the control elements (3) and
- Pulling off the transfer carrier (4).

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von adaptronischen Mikrosystemen, bei dem ein oder mehrere Wandlerelemente in eine Matrix eingebettet und ein oder mehrere Ansteuerelemente zur Ansteuerung und/oder zum Übertragen von Signalen der Wandlerelemente auf die Matrix aufgebracht oder in die Matrix eingebracht werden.The The present invention relates to a process for the preparation of adaptronic microsystems, in which one or more transducer elements embedded in a matrix and one or more drive elements for activation and / or transfer of signals of the transducer elements applied to the matrix or be introduced into the matrix.

Adaptronische Mikrosysteme der genannten Art, insbesondere mit aktorischen und/oder sensorischen Wandlerelementen aus piezoelektrischem Material, finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung, in denen Sensoren oder Aktoren reduzierten Volumens benötigt werden. Im Einsatzbereich von Verbundwerkstoffen besteht ein zunehmender Bedarf an Mikrosystemen, die in den Werkstoff integriert werden können. Gerade für die Implementierung in Faserverbundstrukturen ist zusätzlich eine reduzierte Steifigkeit der Sensoren und/oder Aktoren erforderlich, wie sie adaptronische Mikrosysteme aufweisen.adaptronic Microsystems of the type mentioned, in particular with aktorischen and / or sensory transducer elements of piezoelectric material, find in many areas of engineering application where sensors or Actuators reduced volume needed become. There is an increasing use of composites Demand for microsystems that are integrated into the material can. Especially for the implementation in fiber composite structures is additionally one reduced rigidity of sensors and / or actuators required as they have adaptronic microsystems.

Stand der TechnikState of the art

Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von adaptronischen Mikrosystemen ist bspw. aus der US 5,869 189 bekannt. Bei diesem Verfahren werden mehrere langgestreckte piezoelektrische Fasern als Wandlerelemente parallel und in definiertem Abstand zueinander in eine Form eingelegt. Anschließend wird ein flüssiges Polymermaterial zur Bildung einer Polymermatrix in die Form eingegossen. Eine Polyimidfolie wird einseitig mit einer dünnen Elektrodenstruktur beschichtet, auf die noch nicht ausgehärtete Polymermatrix aufgebracht und zusammen mit der Matrix ausgehärtet.A generic method for the production of adaptronic microsystems is, for example, from the US 5,869,189 known. In this method, a plurality of elongated piezoelectric fibers are inserted as transducer elements parallel and at a defined distance from each other in a mold. Subsequently, a liquid polymer material is poured into the mold to form a polymer matrix. A polyimide film is coated on one side with a thin electrode structure, applied to the not yet cured polymer matrix and cured together with the matrix.

In einer alternativen Ausgestaltung dieses Verfahrens wird die Matrix mit den darin befindlichen Fasern zunächst ausgehärtet. Anschließend wird die Elektrodenstruktur zur Ansteuerung der Wandlerelemente mittels einer Elektronenstrahl-Verdampfungstechnik auf die Oberfläche der Matrix aufgebracht.In an alternative embodiment of this method is the matrix initially cured with the fibers therein. Subsequently, will the electrode structure for controlling the transducer elements by means an electron beam evaporation technique on the surface of Matrix applied.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von adaptronischen Mikrosystemen anzugeben, das eine vollständige Einbettung der Ansteuerelemente in die Matrix ermöglicht und sich für die Herstellung von Prepreg-Modulen eignet.The The object of the present invention is a method for the production of adaptronic microsystems, the a complete Embedding the control elements in the matrix allows and for the production of prepreg modules is suitable.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.The Task is solved by the method according to claim 1. advantageous Embodiments of the method are the subject of the dependent claims.

Bei dem vorliegenden Verfahren werden in bekannter Weise ein oder mehrere Wandlerelemente in eine Matrix, bspw. eine Polymer-Vergussmasse, eingebettet und ein oder mehrere Ansteuerelemente zur Ansteuerung und/oder zum Übertragen von Signalen der Wandlerelemente auf die Matrix auf- oder in die Matrix eingebracht. Das Einbetten der Wandlerelemente in die Matrix kann bspw. dadurch erfolgen, dass das zunächst flüssige Matrix material in eine Form eingegossen wird, in der sich die Wandlerelemente befinden.at In the present process, one or more Transducer elements in a matrix, for example. A polymer potting compound, embedded and one or more drive elements for driving and / or transmitting of signals of the transducer elements on the matrix or in the Matrix introduced. Embedding the transducer elements in the matrix can be done, for example, that the first liquid matrix material in a Mold is poured, in which the transducer elements are located.

Das Aufbringen oder Einbringen der Ansteuerelemente auf bzw. in die Matrix erfolgt beim vorliegenden Verfahren, indem die Ansteuerelemente zunächst lösbar mit einer ersten Oberfläche eines Transferträgers, bspw. eines folien-, blatt- oder plattenförmigen Materials, verbunden werden. Anschließend wird dieser Transferträger mit den Ansteuerelementen derart auf bzw. in die Matrix eingebracht, dass die erste Oberfläche des Transferträgers, auf der die Ansteuerelemente liegen, zu den Wandlerelementen in der Matrix gerichtet ist. Anschließend wird der Transferträger von den Ansteuerelementen abgezogen und entfernt. Dies kann bspw. nach einem teilweisen Anhärten der Matrix, bspw. mittels Temperatureinwirkung und/oder UV-Bestrahlung, erfolgen.The Applying or introducing the control elements on or in the Matrix occurs in the present process by the driving elements first solvable with a first surface a transfer carrier, For example, a foil, sheet or plate-shaped material connected become. Subsequently becomes this transfer carrier with the control elements so on or in the matrix introduced that the first surface the transfer carrier, on which the control elements are located, to the transducer elements in directed to the matrix. Subsequently, the transfer carrier of subtracted from the control elements and removed. This can, for example, after a partial hardening the matrix, for example by means of temperature effect and / or UV irradiation, respectively.

Nach diesem Schritt steht ein System bestehend aus in eine Matrix eingebetteten Wandlerelementen und auf bzw. in die Matrix eingebrachten Ansteuerelementen zur Verfügung, das entweder bereits zum jetzigen Zeitpunkt vollständig ausgehärtet oder durch nur teilweises Anhärten als Prepeg-Modul weiter verarbeitet werden kann.To This step is a system consisting of embedded in a matrix Transducer elements and on or in the matrix introduced control elements to disposal, either fully cured at the present time or by only partial hardening can be further processed as Prepeg module.

Insbesondere lässt sich mit dem vorliegenden Verfahren eine Ausgestaltung eines adaptronischen Mikrosystems realisieren, bei dem die Ansteuerelemente vollständig von der Matrix umschlossen werden, wobei die elektrische Isolation dieser Ansteuerelemente nach außen durch das Matrixmaterial selbst erreicht wird. Eine derartige Ausgestaltung – ohne zusätzliche innere Grenzflächen durch eine zusätzliche Isolationsschicht – bietet einen guten Schutz gegen Feuchte und erhöht die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Mikrosystems.Especially let yourself with the present method an embodiment of an adaptronic Realize microsystem, in which the control elements completely from the matrix are enclosed, the electrical insulation of this Control elements to the outside is achieved by the matrix material itself. Such a design - without additional inner interfaces through an additional Insulation layer - provides Good protection against moisture and increases reliability and Lifespan of the microsystem.

Um das Abziehen des Transferträgers von den Ansteuerelementen zu ermöglichen, muss die lösbare Verbindung der Ansteuerelemente mit dem Transferträger derart ausgebildet sein, dass die Ansteuerelemente – ggf. nach teilweiser Anhärtung der Matrix – eine größere Adhäsion zur Matrix und/oder den Wandlerelementen aufweisen als zum Transferträger. Dies lässt sich bspw. durch den Einsatz geeigneter, keine stark haftende Verbindung zwischen den Ansteuerelementen und dem Transferträger herstellender Leit-Klebstoffe ermöglichen. Auch eine die Haftung vermindernde Beschichtung bzw. Behandlung der Oberfläche des Transferträgers stellt eine Möglichkeit zur Herstellung dieser Randbedingung dar. Vergleichbare Maßnahmen mit umgekehrter Wirkung lassen sich für eine Verbesserung der Haftung an der Matrix und/oder den Wandlerelementen durchführen.In order to enable the removal of the transfer carrier from the drive elements, the detachable connection of the drive elements with the transfer carrier must be designed such that the drive elements - possibly after partial curing of the matrix - have a greater adhesion to the matrix and / or the transducer elements than to the transfer carrier , This can be, for example, by the use of suitable, no strong adhesive connection between the control elements and the transfer carrier manufacture enable conductive adhesives. A coating which reduces the adhesion or treatment of the surface of the transfer carrier also represents a possibility for producing this boundary condition. Comparable measures with a reverse effect can be carried out for improving the adhesion to the matrix and / or the transducer elements.

Bei dem vorliegenden Verfahren werden vorzugsweise Elektrodenstrukturen als Ansteuerelemente auf dem Transferträger aufgebracht. Dies kann bereits als Vorfertigungsschritt für das Herstellungsverfahren erfolgen. Die Elektroden können beispielsweise in bekannter Weise als großflächige Plattenelektroden, als Linienelektroden oder in Interdigitalanordnung realisiert werden. Linienförmige Elektrodenstrukturen werden entweder auf Vorder- und Rückseite der Matrix deckungsgleich oder mit einer lateralen Verschiebung zueinander auf die Matrix auf- bzw. in die Matrix eingebracht. Als Material bzw. Materialform für die Elektrodenstruktur kommt ein elektrisch leitfähiger Film oder eine elektrisch leitfähige Folie, bspw. aus Metall, Kohlenstoff oder einem Elektrolyt, ein elektrisch leitfähiges Netz oder Gitter, die aus den gleichen Materialien bestehen können, sowie intrinsisch oder extrinsisch leitfähige Materialien oder Verbundsysteme, wie Paste oder Klebstoff in beliebigem Härtungszustand in Frage.at The present method preferably uses electrode structures applied as control elements on the transfer carrier. This can already as a prefabrication step for the manufacturing process respectively. The electrodes can for example, in a known manner as a large-area plate electrodes, as Line electrodes or in an interdigital array can be realized. linear Electrode structures are either on the front and back the matrix congruent or with a lateral displacement to each other on the matrix or introduced into the matrix. When Material or material form for the electrode structure is an electrically conductive film or an electrically conductive Foil, for example. Of metal, carbon or an electrolyte, a electrically conductive Mesh or grid, which may consist of the same materials, as well intrinsically or extrinsically conductive materials or composite systems, like paste or adhesive in any hardening state in question.

Neben Elektroden lassen sich selbstverständlich auch andere Ansteuerelemente, wie bspw. Lichtleiter, für die Herstellung von adaptronischen Mikrosystemen einsetzen. Mit Lichtleitern können die Wandlerelemente mit einem elektromagnetischen Feld beaufschlagt werden. Derartige Lichtleiter können z. B. in ähnlichen Strukturen wie herkömmliche elektrisch leitfähige Elektroden im Mikrosystem angeordnet werden.Next Of course, electrodes can also be used for other control elements, such as light guide, for use the production of adaptronic microsystems. With Fiber optics can the transducer elements acted upon by an electromagnetic field become. Such light guides can z. In similar Structures like conventional electric conductive Electrodes are arranged in the microsystem.

Die Ansteuerelemente können derart auf die Matrix auf- bzw. in die Matrix eingebracht werden, dass sie in direktem Kontakt mit den Wandlerelementen stehen. Bei der Herstellung lässt sich auf Wunsch zwischen den Ansteuerelementen und den Wandlerelementen auch eine Matrixmaterialschicht einstellbarer Dicke realisieren. Dies kann nochmals die Produkteigenschaften beispielsweise für die Langzeitbeständigkeit verbessern, da eine Zwischenschicht aus dem Matrixmaterial lokale Spitzen des elektrischen Feldes abbaut, die ansonsten bspw. piezokeramische Fasern auf Dauer schädigen könnten.The Control elements can in such a way on the matrix or be introduced into the matrix, that they are in direct contact with the transducer elements. In the Production leaves on request between the control elements and the transducer elements also realize a matrix material layer of adjustable thickness. This can once again the product properties, for example, for long-term stability improve, since an intermediate layer of the matrix material local Peaks of the electric field degrades, the otherwise, for example, piezoceramic Damage fibers permanently could.

Auch eine punktweise Kontaktierung oder eine teilweise oder vollständige Umhüllung der Wandlerelemente mit den Ansteuerelementen lässt sich realisieren, wenn die Ansteuerelemente aus einem noch nicht oder nicht vollständig ausgehärteten Klebstoff gebildet sind und auf die Wandlerelemente aufgedrückt werden.Also a point contact or a partial or complete enclosure of the transducer elements with the control elements can be realize, if the control elements from one or not yet not completely cured adhesive are formed and pressed onto the transducer elements.

Die Verbindung der Ansteuerelemente mit dem Transferträger kann mittels einer Drucktechnik, bspw. Siebdruck oder Tampondruck, mittels einer Tintenstrahltechnik, durch Dispensen oder durch andere geeignete Applikationstechniken erfolgen. Als Transferträger können hierbei geschlossene oder offenporige Materialien eingesetzt werden. Besonders eigenen sich Polymerfolien, z. B. aus Polyester, PP, PE, oder FEP, Vliespapier oder auch beschichtetes Papier.The Connection of the control elements with the transfer carrier can by means of a printing technique, for example screen printing or pad printing, by means of an ink-jet technique, by dispensing or by other suitable means Application techniques take place. As a transfer carrier can be closed or open-pored materials are used. Especially own Polymer films, for. As polyester, PP, PE, or FEP, nonwoven paper or coated paper.

Als aktives Material der Wandlerelemente können beim vorliegenden Verfahren bspw. Piezoelektrika, Magnetostriktiva, Formgedächtnislegierungen oder Nanotubes, bspw. aus Kohlenstoff, eingesetzt werden. Die Geometrie der Wandlerelemente ist hierbei je nach gewünschtem Anwendungszweck frei wählbar. Die Wandlerelemente können bspw. rundlich, oval, lang oder kurz, flächig oder auch dreidimensional komplex, wie bspw. lang und gewellt ausgeführt sein. Die Wandlerelemente können isotrop ungeordnet, d. h. statistisch verteilt, unter einer Vorzugsorientierung oder auch hochgeordnet (anisotrop) im Matrixmaterial eingebettet sein. Auch eine dreidimensional komplexe Anordnung, bspw. als netzartiges Gewebe oder eine Anordnung in mehreren Lagen, kann mit dem vorliegenden Verfahren realisiert werden.When active material of the transducer elements can in the present method eg piezoelectrics, magnetostrictives, shape memory alloys or nanotubes, For example, from carbon, are used. The geometry of the transducer elements is depending on the desired Application freely selectable. The transducer elements can for example roundish, oval, long or short, flat or even three-dimensional be complex, such as running long and wavy. The transducer elements can isotropically disordered, d. H. statistically distributed, under a preferential orientation or also highly ordered (anisotropic) embedded in the matrix material be. Also a three-dimensional complex arrangement, for example. As net-like Tissue or an arrangement in multiple layers, can with the present Procedure can be realized.

Das Material der Matrix bzw. der Vergussmasse kann sowohl anorganisch oder auch organisch, bspw. als Polymer, oder durch eine Mischung organischer und anorganischer Materialien gebildet sein. Hierbei kommen sowohl Materialien in Frage, die sich über einen einzelnen Härtungsmechanismus härten lassen, wie auch Materialien bei denen eine sog. Kombihärtung möglich ist. Eine Kombihärtung wird bspw. durch kombinierte UV-Bestrahlung und thermische Härtung eines Polymers durchgeführt. Zur Herstellung des Mikrosystems als Prepeg wird vorzugweise eine mehrstufige Härtung durchgeführt.The Material of the matrix or potting compound can be both inorganic or organically, for example as a polymer, or by a mixture of organic and inorganic materials. Here come both Materials in question that are about cure a single curing mechanism, as well as materials in which a so-called combination hardening is possible. A combination hardening will For example, by combined UV irradiation and thermal curing of a polymer. to Production of the microsystem as Prepeg is preferably a multi-stage hardening carried out.

Mit dem vorliegenden Verfahren lassen sich Mikrosysteme realisieren, bei denen die aktorischen und/oder sensorischen Wandlerelemente mittels eines elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes über die Ansteuerelemente angesteuert werden können. Die Mikrosysteme können dabei je nach Anordnung der Ansteuerelemente derart realisiert werden, dass die Ansteuerung der Ansteuerelemente einzeln oder in beliebig großen/vielen Gruppen erfolgen kann. Hierbei können die Ansteuerelemente oder Gruppen von Ansteuerelementen selbstverständlich in bekannter Weise auch phasenverschoben angesteuert werden. Dem Fachmann sind geeignete Ansteuertechniken je nach gewünschtem adaptronischen Effekt und Aufbau des Mikrosystems geläufig.With the present method can realize microsystems, where the actuator and / or sensory transducer elements by means of an electric, magnetic or electromagnetic Field over the control elements can be controlled. The microsystems can ever be arranged according to the arrangement of the control elements such that the control of the control elements individually or in any size / many Groups can be made. Here you can the control elements or groups of control elements of course in known manner are also driven out of phase. The expert are suitable control techniques depending on the desired adaptronic effect and structure of the microsystem common.

Das vorliegende Mikrosystem lässt sich bspw. aus piezoelektrischen Elementen zur Ausnutzung des d31- oder des d33-Effektes aufbauen.The present microsystem can be For example, build from piezoelectric elements to exploit the d31 or d33 effect.

Für die Ansteuerung des mit dem Verfahren hergestellten Mikrosystems über die Ansteuerelemente sind entsprechende Zuführungsleitungen erforderlich, die die Ansteuerelemente kontaktieren. Die elektrischen An schlüsse können hierbei teilweise durch die Bereitstellung von Sammelelektroden, bspw. bei linienförmigen Ansteuerelementen, von Anschlusspads bspw. als Lötpunkte zur Kontaktierung durch den Anwender, und/oder von herkömmlichen Zuleitungen realisiert werden. Im Falle eines elektrischen Energieeintrags, wie er im Falle von elektrischen Elektroden als Ansteuerelemente erforderlich ist, können die elektrisch leitfähigen Zuleitungen als Draht, Litze, mehradriges Kabel, Paste, Klebstoff, Flexfolie, Gewebe oder als elektrisch leitfähige Flüssigkeit (z. B. Elektrolyt) ausgebildet sein.For the control of the microsystem produced by the method over the Control elements corresponding feed lines are required, which contact the control elements. The electrical connections can hereby partly by the provision of collecting electrodes, for example linear Control elements, of connection pads, for example. As solder points for contacting by the user, and / or conventional Supply lines are realized. In the case of an electrical energy input, as in the case of electrical electrodes as driving elements is required the electrically conductive Feeders as wire, stranded wire, multicore cable, paste, adhesive, Flex foil, fabric or as electrically conductive liquid (eg electrolyte) be educated.

Eine mögliche variable Orientierung und wechselseitige Verkettung anisotrop arbeitender Mikrosysteme kann es erfordern, mehrere Kontaktstellen für jedes der Mikrosysteme vorzusehen. Derartige Kontaktstellen können bspw. durch Steckverbindungen gebildet werden. Die Langzeitzuverlässigkeit der Kontaktstellen lässt sich durch die zusätzliche Einführung einer Verklebung verbessern. Der dazu notwendige Klebstoff kann bspw. aus dem Mikrosystem selbst stammen, in dem z. B. die UV-Härtung im Bereich der Anschlusspads bei einer kombihärtenden Vergussmasse verhindert wird, wobei die Möglichkeit der thermischen Nachhärtung nach Herstellung der Steckverbindung besteht. Weiterhin kann der notwendige Klebstoff von dem eigentlichen Bauteil, z. B. einem Prepeg, selbst stammen oder separat zugeführt werden.A possible variable orientation and mutual linking anisotropic working Microsystems may require multiple contact points for each to provide the microsystems. Such contact points can, for example. be formed by plug connections. The long-term reliability of Leaves contact points through the additional introduction of a Improve bonding. The necessary adhesive can, for example. come from the microsystem itself, in the z. As the UV-curing in the area prevents the connection pads in a combi-hardening potting compound being, taking the opportunity the thermal post-curing after production of the connector exists. Furthermore, the necessary adhesive from the actual component, eg. A prepeg, themselves or be supplied separately.

Die Verklebung erlaubt darüber hinaus die – zumindest punktuelle – metallische Berührung der Partner der Steckverbindung und hält sie dauerhaft aufrecht. Die elektrischen Anschlüsse können aus ein und demselben Material sein oder aus verschiedenen Materialien bestehen. Sie können bspw. gemeinsam mit den Ansteuerelementen auf den Transferträger aufgebracht und mit diesem in die Matrix übertragen werden.The Glueing allowed over it out the - at least punctual - metallic contact the partner of the connector and keeps it permanently upright. The electrical connections can be made of one and the same material or consist of different materials. You can For example, applied together with the control elements on the transfer carrier and transfer it into the matrix become.

Das vorliegende Verfahren eignet sich in vorteilhafter Weise für die Elektrodierung von in Prepeg-Technologie herzustellenden Mikrosystemen. Bei dieser Herstellungsvariante werden die mit der Prepeg-Polymermatrix infiltrierten Piezofasern (Piezofaserlaminat) als Wandlerelemente zwischen zwei gegenüberliegenden, deckungsgleich positionierten Elektrodenstrukturen auf Transferträgern angeliert. Dieser Zustand kann bei Raumtemperatur erhalten werden. Nach Bedarf können diese Prepegs in CFK/GFK-Laminatschichten mit einlaminiert werden. Anschließend erfolgt die Aushärtung des Werkstoff-Verbundes wie üblich (z. B. Autoklav) unter Anwendung von Temperatur und Druck.The present method is advantageously suitable for the electrodeposition by in prepeg technology microsystems to be produced. In this production variant will be the piezofibres infiltrated with the prepreg polymer matrix (piezo fiber laminate) as transducer elements between two opposite, congruent Positioned electrode structures annealed on transfer supports. This condition can be obtained at room temperature. Upon need can these prepegs are laminated in CFK / GFK laminate layers. Then done the curing of the material composite as usual (eg autoclave) using temperature and pressure.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für die in Prepeg-Technologie hergestellten Mikrosysteme ist es, das elektrodierte Piezofaserlaminat in angeliertem Zustand deckungsgleich aufeinander zu stapeln, um dadurch Stapelmikrosysteme herzustellen. Diese Stapelmikrosysteme können anschließend ohne das Einbringen von zusätzlichem Klebstoff nur unter Aufbringung von Druck und Temperatur ausgehärtet werden, so dass die einzelnen Mikrosysteme miteinander verschmelzen, ohne dass es zur Ausbildung einer Grenzschicht zwischen ihnen kommt. Dies erhöht die Langzeitstabilität derartiger Systeme in erheblichem Maße, da keine Angriffsflächen für Feuchte oder andere äußere Einwirkungen vorliegen, wie sie bspw. durch eine Grenzschicht gebildet werden.A further application possibility for the in Prepeg technology manufactured microsystems is the electrodipped Piezo fiber laminate in the gelled state congruent to each other stack to thereby produce stacked microsystems. These stack microsystems can subsequently without the introduction of additional Adhesive can be cured only by application of pressure and temperature, so that the individual microsystems merge together, without that there is formation of a boundary between them. This elevated the long-term stability Such systems to a considerable extent, since no attack surfaces for moisture or other external influences present, as they are formed, for example, by a boundary layer.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur nochmals kurz erläutert. Die einzige Figur zeigt hierbei verschiedene Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Mikrosystems gemäß dem vorliegenden Verfahren.The The present method will now be described with reference to an exemplary embodiment briefly explained in connection with the figure. The only figure shows Here are several process steps in the production of a Microsystem according to the present Method.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Das folgende Ausführungsbeispiel zeigt die Herstellung eines adaptronischen Mikrosystems, bei dem als Wandlerelemente piezoelektrische Fasern und als Ansteuerelemente elektrisch leitfähige Elektroden aus Leitklebstoff eingesetzt werden.The following embodiment shows the production of an adaptronic microsystem, in which as transducer elements piezoelectric fibers and as drive elements electrically conductive Electrodes are used from conductive adhesive.

Bei der Herstellung des Mikrosystems wird zunächst eine Polymerfolie als Transferträger 4 bereitgestellt. Auf die Oberfläche dieses Transferträgers 4 (erste Oberfläche) wird mittels Siebdruck ein elektrisch leitfähiger Klebstoff zur Bildung einer Interdigital-Elektrodenstruktur 3 aufgebracht. Der elektrisch leitfähige Klebstoff wird anschließend z. B. mittels UV-Strahlung oder Temperatureinwirkung vollständig ausgehärtet oder nur teilweise angehärtet (1a).In the production of the microsystem is first a polymer film as a transfer carrier 4 provided. On the surface of this transfer carrier 4 (First surface) is by screen printing an electrically conductive adhesive to form an interdigital electrode structure 3 applied. The electrically conductive adhesive is then z. B. completely cured by UV radiation or temperature action or only partially cured ( 1a ).

Vor oder nach dieser Verbindung der Elektroden 3 mit dem Transferträger 4 werden die piezoelektrischen Fasern 2 in eine flüssige Polymermatrix 1 eingebettet, wie dies aus 1b ersichtlich ist, und gegebenenfalls an- oder durchgehärtet. Nach dieser Infiltration wird der mit der Interdigital-Elektrodenstruktur 3 versehene Transferträger 4 auf beiden Seiten deckungs gleich auf die Polymermatrix 2 aufgedrückt bzw. in diese Matrix eingedrückt, so dass die Elektroden 3 die Fasern 2 berühren. Anschließend erfolgt eine Anhärtung der Matrix 1 mittels Strahlung oder Temperatur. Die Härtung findet unter definiertem mechanischem Druck statt, um die Berührung zwischen den piezoelektrischen Fasern 2 und den Elektroden 3 aufrecht zu erhalten und damit die elektrische Kontaktierung zu gewährleisten. Hierbei ist bei Aufwendung eines entsprechenden Anpressdrucks auch möglich, die Fasern 2 in den angehärteten Leitklebstoff der Elektroden 3 zu drücken, so dass die Fasern 2 von den Elektroden 3 ganz oder teilweise umhüllt werden.Before or after this connection of the electrodes 3 with the transfer carrier 4 become the piezoelectric fibers 2 in a liquid polymer matrix 1 embedded, like this 1b is visible, and optionally on or through hardened. After this infiltration, the with the interdigital electrode structure 3 provided transfer carriers 4 Cover the polymer matrix on both sides the same way 2 pressed or pressed into this matrix, so that the electrodes 3 the fibers 2 touch. This is followed by hardening of the matrix 1 by means of radiation or temperature. The hardening takes place under definier mechanical pressure instead of the contact between the piezoelectric fibers 2 and the electrodes 3 to maintain and thus to ensure electrical contact. In this case, with the application of a corresponding contact pressure also possible, the fibers 2 in the hardened conductive adhesive of the electrodes 3 to press, so that the fibers 2 from the electrodes 3 be completely or partially wrapped.

Nach dem Aushärten der Polymermatrix 1 wird der Transferträger 4 abgezogen. Hierbei ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Haftung der Elektroden 3 am Transferträger 4 geringer ist als an der Polymermatrix 1 (1d).After curing of the polymer matrix 1 becomes the transfer carrier 4 deducted. Here it is crucial that the adhesion of the electrodes 3 on the transfer carrier 4 is lower than on the polymer matrix 1 ( 1d ).

Nach der Entfernung des Transferträgers 4 liegt ein Mikrosystem 5 vor, wie es in 1d dargestellt ist. Die Elektroden 3 haben hierbei direkten Kontakt zu den Fasern 2 und sind gleichzeitig von der Polymermatrix 1 vollständig umschlossen.After removal of the transfer carrier 4 is a microsystem 5 before, like it is in 1d is shown. The electrodes 3 have direct contact with the fibers 2 and are simultaneously from the polymer matrix 1 completely enclosed.

Selbstverständlich lässt sich auch eine Ausgestaltung realisieren, bei der in 1c die Elektroden 3 nicht bis an die Piezofasern 2 gedrückt werden, so dass zwischen den Piezofasern 2 und den Elektroden 3 ein Zwischenraum mit Polymermaterial verbleibt.Of course, an embodiment can be realized in which in 1c the electrodes 3 not to the piezo fibers 2 be pressed so that between the piezo fibers 2 and the electrodes 3 a gap with polymer material remains.

Bei nicht vollständigem Aushärten der Polymermatrix 1 können auch mehrere derartiger Mikrosysteme 5 zunächst übereinander gestapelt und erst anschließend unter Anwendung von mechanischem Druck – und gegebenenfalls Temperatur und/oder UV-Strahlung – vollständig ausgehärtet werden, so dass ein Stapelmikrosystem entsteht (vgl. 1e).In case of incomplete curing of the polymer matrix 1 can also be several such microsystems 5 initially stacked on top of each other and only then fully cured using mechanical pressure - and optionally temperature and / or UV radiation - so that a stack microsystem is formed (see. 1e ).

11: Polymermatrixpolymer matrix
22: Wandlerelemente, z. B. piezoelektrische FasernTransducer elements, z. B. piezoelectric fibers
33: Ansteuerelemente, z. B. ElektrodenActuation, z. B. electrodes
44: Transferträgertransfer materials
55: Mikrosystemmicrosystems

Claims

Method for producing adaptronic microsystems, in which at first one or more transducer elements ( 2 ) into a matrix ( 1 ) and then one or more control elements ( 3 ) for controlling and / or transmitting signals of the transducer elements ( 2 ) on the matrix ( 1 ) or in the matrix ( 1 ), wherein the application or introduction of the control elements ( 3 ) on or into the matrix ( 1 ) by the following steps: - detachable connection of the control elements ( 3 ) with a first surface of a transfer carrier ( 4 ); - Applying the transfer carrier ( 4 ) with the control elements ( 3 ) on the matrix ( 1 ), so that the first surface of the transfer carrier ( 4 ) to the transducer elements ( 2 ) is directed; - intermediate curing of the matrix ( 1 ) and / or the control elements ( 3 ) and - removing the transfer carrier ( 4 ).

A method according to claim 1, characterized in that a foil, sheet or plate-shaped trained transfer carrier ( 4 ) is used, with the first surface of the control elements ( 3 ).

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the connection of the activation elements ( 3 ) with the transfer carrier ( 4 ) takes place in such a way that the adhesion of the control elements ( 3 ) on the transfer carrier ( 4 ) is less than the liability of the control elements ( 3 ) on the matrix ( 1 ).

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the adhesion of the control elements ( 3 ) on the transfer carrier ( 4 ) and / or the matrix ( 1 ) is modified such that the adhesion of the control elements ( 3 ) on the transfer carrier ( 4 ) is less than the liability of the control elements ( 3 ) on the matrix ( 1 ).

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the control elements ( 3 ) by means of a printing technique on the transfer carrier ( 4 ) are applied.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the control elements ( 3 ) by means of an inkjet technique on the transfer carrier ( 4 ) are applied.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the control elements ( 3 ) by dispensing on the transfer carrier ( 4 ) are applied.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that as driving elements ( 3 ) Electrodes in an interdigital arrangement on the transfer carrier ( 4 ) are applied.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that as driving elements ( 3 ) Electrodes of electrically conductive adhesive on the transfer carrier ( 4 ) are applied.

Method according to claim 9, characterized in that that the electrically conductive Adhesive after application, in particular by application is completely cured with radiation or by the action of temperature.

Method according to one of claims 9 or 10, characterized in that the transfer carrier ( 4 ) with the control elements ( 3 ) using mechanical pressure on the matrix ( 1 ) or in the matrix ( 1 ) is pressed in and the matrix partially cured or completely cured, in particular by exposure to radiation or by the action of temperature.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that as driving elements ( 3 ) electrically conductive films or films are used.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the control elements ( 3 ) as electrically conductive line, mesh or grid structures on the transfer carrier ( 4 ) are applied.

Method according to claim 12 or 13, characterized in that the control elements ( 3 ) are formed from an intrinsically or extrinsically electrically conductive material.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that as driving elements ( 3 ) Optical waveguides are used.

Method according to one of claims 1 to 14, characterized in that as transducer elements ( 2 ) Piezoelectrics, magnetostrictives, shape memory alloys or nanotubes can be used.

Method according to one of claims 1 to 16, characterized in that the control elements ( 3 ) making direct contact with the transducer elements ( 2 ) are applied.

Method according to one of claims 1 to 17, characterized in that with the control elements ( 3 ) connected or connectable connection elements with the at least one transfer carrier ( 4 ) or one or more further transfer carriers and in the same way as the activation elements ( 3 ) on or into the matrix ( 1 ) be transmitted.

Method according to one of claims 1 to 18, characterized in that as a transfer carrier ( 4 ) a polymer film is used.

Method according to one of claims 1 to 18, characterized in that as a transfer carrier ( 4 ) a sheet of non-woven paper is used.

Method according to one of claims 1 to 18, characterized in that as a transfer carrier ( 4 ) a sheet of coated paper is used.

Method according to one of claims 1 to 21, characterized in that the control elements ( 3 ) into the matrix ( 1 ) can be introduced from the matrix ( 1 ) are completely surrounded.

A method according to claim 22, characterized in that several of the microsystems produced before complete curing of the matrix ( 1 ) and then fully cured using mechanical pressure and temperature.