DE10335492B4

DE10335492B4 - Verfahren zum selektiven Verbinden von mikrostrukturierten Teilen

Info

Publication number: DE10335492B4
Application number: DE10335492A
Authority: DE
Inventors: Peige Shao; Zeno Rummler
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2003-08-02
Filing date: 2003-08-02
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2023-08-03
Also published as: DE10335492A1

Abstract

Verfahren zum selektiven Verbinden von mindestens zwei mikrostrukturierten Teilen (1, 2) mit den Verfahrensschritten:
a) Bereitstellen eines mikrostrukturierten Teils (1),
b) Stempeln einer Oberfläche des mikrostrukturierten Teils (1) an selektierten Stellen mit einem aushärtbaren Stempelmedium,
c) Aufbringen eines zweiten mikrostrukturierten Teils (2) auf die gestempelte Oberfläche und
d) Einbringen von Klebstoff (6) zwischen die beiden mikrostrukturierten Teile (1, 2), wobei der Klebstoff nur in durch das ausgehärtete Stempelmedium, dessen Dicke im Bereich zwischen 1 μm und 50 μm liegt, abgegrenzte Bereiche eindringen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Verbinden von mindestens zwei mikrostrukturierten Teilen, vorzugsweise von Gehäusehälften und/oder Membranen, wie sie in der Mikrostrukturtechnik eingesetzt werden.
Die Verbindung von mikrostrukturierten Bauteilen mit anderen mikrostrukturierten Bauteilen und/oder Membranen stellt üblicherweise eine besondere technische Herausforderung dar. Hierbei sind die Zuverlässigkeit und Qualität der erreichten Verbindung entscheidend.
Die DE 25 09 357 A und die DE 196 32 275 A1 offenbaren jeweils ein Verfahren zum Verbinden zweier Teile, wobei die beiden Teile zueinander positioniert werden und dann, um die Teile zu fügen, in die konstruktionsbedingten Hohlräume der Teile ein Klebstoff eingebracht wird. In der DE 25 09 357 A werden hierzu elastische Dichtungen eingesetzt, die den Klebstoff an seiner weiteren Ausbreitung hindern.
Aus DE 44 02 119 C2 und der DE 44 14 915 A1 ist zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei mikrostrukturierten Teilen die Technik des Kammerklebens bekannt. Hierbei wird ein zusammenhängendes Hohlraumsystem, das aus Grabensystemen der Gehäuseteile und einer Membran gebildet wird, vollständig mit Klebstoff befüllt, wobei der Klebstoff in eine zwischen den beiden zueinander positionierten Teilen verbleibende Befüllnut eingebracht wird.
In diesem Zusammenhang stellt die Dichtigkeit vor dem Verkleben ein Problem dar. Insbesondere durch die in der Mikrosystemtechnik vergleichsweise hohen kapillaren, viskosen bzw. adhäsiven Kräfte dringt der Klebstoff leicht auch in solche Bereiche zwischen den zu fügenden Teilen ein, die aufgrund ihrer zu erfüllenden Funktion von Klebstoff freigehalten werden müssen.
Ausgehend davon ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum selektiven Verbinden insbesondere von mikrostrukturierten Gehäusehälften und Membranen vorzuschlagen, das die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum selektiven Verbinden von mindestens zwei mikrostrukturierten Teilen. Hierzu wird zunächst ein mikrostrukturiertes Teil bereitgestellt, um dessen Oberfläche an selektierten Stellen mit einem anfänglich flüssigen Stempelmedium zu stempeln, das anschließend aushärtet. Danach wird ein zweites mikrostrukturiertes Teil auf die gestempelte Oberfläche gebracht. Schließlich wird Klebstoff zwischen die beiden zu fügenden Teile derart eingebracht, dass der Klebstoff nur in solche Bereiche, die durch das ausgehärtete Stempelmedium entsprechend abgegrenzt sind, eindringen kann. Das Eindringen des Klebstoffs kann entweder gemäß der DE 44 02 119 C2 (Kammerkleben) oder durch Kapillarkräfte geschehen.
Auf diese Weise kann zum Beispiel eine Gehäusehälfte mit einer weiteren Gehäusehälfte oder auch mit einer Membran verbunden werden. Sowohl die Gehäusehälfte als auch die Membran können dabei strukturiert, insbesondere mikrostrukturiert, sein.
Das anfänglich flüssige Stempelmedium wird vorzugsweise mit Hilfe eines Stempels auf eines oder mehrere der zu verbindenden Teile aufgebracht. Hierzu wird besonders bevorzugt ein weiterer, poröser Stempel verwendet, der mit dem Stempelmedium getränkt ist und der auf den mikrostrukturierten Stempel und/oder direkt auf die ausgewählten Teile aufgebracht wird. Bei diesem Stempel kann es sich zum Beispiel um eine Trägerplatte handeln, die mit dem gewünschten Stempelmedium benetzt ist.
In einer Ausführung kann das Stempelmedium flüssigen, aushärtbaren Klebstoff enthalten oder aus Klebstoff bestehen. Der Klebstoff kann insbesondere dazu verwendet werden, um Stege auf einer mikrostrukturierten Gehäusehälfte, die als Abtrennung zwischen einer Kammer, die mit Klebstoff gefüllt werden soll (Klebstoffkammer), und einer Kammer, die von Klebstoff frei bleiben soll (Funktionskammer), mit einer dünnen Schicht zu benetzen, welche das Eindringen von Klebstoff in die Funktionskammer sehr effektiv verhindert. Aus der Praxis ist bekannt, dass Stege zur Festlegung der Klebstoffkammern allein oftmals nicht ausreichen, um Klebstoff am Eindringen in Funktionskammern zu hindern.
Dies geschieht zum Beispiel durch Aufpressen der Gehäusehälfte an eine mit Klebstoff benetzte Trägerplatte. Nachdem die Gehäusehälfte von der Trägerplatte abgehoben ist, wird erstere auf den Fügepartner aufgebracht. Eine mögliche Tropfenbildung auf der Stegoberfläche wird durch langsames Aufpressen rückgängig gemacht und es bildet sich wieder eine geschlossene Klebschicht. Je nach Art des Klebstoffes erfolgt eine geringe oder starke Aushärtung. Anschließend wird Klebstoff in die Klebstoffkammern eingespritzt. Hierdurch erfolgt eine Abdichtung zwischen den Kammern, die die Zuverlässigkeit der Verbindung deutlich erhöht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch Funktionskammern mit sehr geringen Tiefen (20–50 μm) herstellen, ohne dass Klebstoff, durch Kapillarkräfte getrieben, in diese Funktionskammern eindringt.
Darüber hinaus kann die Erfindung auch dazu eingesetzt werden, um auf sehr einfache Weise die Oberfläche von zu fügenden Teilen durch sehr dünne Schichten selektiv in ihren Eigenschaften zu verändern. In einer alternativen Ausführung enthält daher das Stempelmedium flüssige, aushärtbare Substanzen oder besteht aus solchen, die klebstoffabweisend sind, zum Beispiel Silikongel. Die hiermit bestempelte Fläche stellt z. B. einen Bereich auf einer Gehäusehälfte dar, in dem die hierauf zu fügende Membran beim Einspritzen von Klebstoff in die Klebstoffkammern nicht mit der Gehäusehälfte verbunden werden soll. Ebenso lassen sich hiermit kleine Hohlkammern aus zwei Schalen herstellen, ohne dass Klebstoff eindringt. Das erfindungsgemäße Vorgehen eröffnet somit allgemein die Möglichkeit, verbundene und nicht verbundene Flächen auf der gleichen Ebene herzustellen.
Die Dicke des aufgebrachten Stempelmediums liegt im Bereich zwischen 1 μm und 50 μm, bevorzugt zwischen 2 μm und 40 μm, besonders bevorzugt zwischen 5 μm und 30 μm. Die Arbeiten von A.A. Darhuber, S.M. Troian, J.M. Davis, S.M. Miller und S. Wagner, Journal of Applied Physics, Band 88, Seite 5119 ff (2000), erlauben es, die benötigte Dicke abzuschätzen. Neben den intrinsischen Eigenschaften des flüssigen Stempelmediums wie Viskosität, Oberflächenspannung und Dichte, hängt die Dicke einer aufgebrachten tatsächlich haftenden Schicht kritisch von deren Form, Geometrie und Orientierung ab.
Die in der Praxis erforderliche geringe Dicke des aufgebrachten Stempelmediums lässt es in einer weiteren Ausgestaltung zu, auch kleine Strukturen (kleiner als 30 μm) miteinander zu verbinden, bei denen das Einbringen von Klebstoff in eine solche Klebstoffkammer schwierig oder nicht mehr möglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die einfache Herstellung kleiner Kammern mit hoher Ausbeute bei im Vergleich zum Kammerkleben geringen Prozesszeiten (anstatt 20 % Ausbeute ohne Stempeln 80 % Ausbeute mit Stempeln).
Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere die folgenden Vorteile auf:

– Die Qualität der Abdichtung zwischen Klebstoffkammern und Funktionskammern wird deutlich erhöht.
– Dadurch ergibt sich eine deutlich höhere Ausbeute bei der Herstellung von mikrostrukturierten Bauteilen.
– Es lassen sich verbundene und nicht verbundene Flächen auf der gleichen Ebene herstellen.
– Die einfache Handhabung erlaubt eine kostengünstige Verbindung von mikrostrukturierten Bauteilen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Figuren näher erläutert. Folgende Abbildungen sind dazu beigefügt:
1 Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung des Kammerklebens

a) Übertrag von Klebstoff auf Stege durch Stempeln
b) Aufsetzen auf Gehäuseteil
c) Füllen der Klebstoffkammer gemäß DE 44 02 119 C2 (Kammerklebeverfahren)

2 Schematische Darstellung von Querschnitten eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mikroventils.

a) Querschnitt des Ventils mit Aktorprinzip gemäß DE 199 499 12 A1
b) Ventilsitzbereich Querschnitt: Geschlossener Zustand
c) Ventilsitzbereich Querschnitt: Geöffneter Zustand
d) Ventilsitzbereich Draufsicht: Einlass- und Auslasskanal und mit Silikon bestempelter Ventilsitz

3 Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikroventils im Nutzen (Darstellung von 2 Ventilen)

a) Im Ventilsitzbereich mit Silikon bestempeltes Gehäuseteil
b) Aufbringen der Membran, die auf einem Silizumwafer gefertigt wurde, durch Kapillarkleben
c) Abtrennen des Siliziumträgers
d) Aufbringen des zweiten Gehäuseteiles gemäß 1a)
e) Einspritzen von Klebstoff ins Kammersystem gemäß 1b) und 1c)

Das erste Ausführungsbeispiel betrifft die erfindungsgemäße Optimierung des Kammerklebens nach DE 44 02 119 C2 . Durch Aufbringen einer dünnen Schicht 6 auf die Trennstege 4 gemäß 1a) erfolgt nach Aufdrücken auf das Gegenstück 2 eine Abdichtung, die die Zuverlässigkeit des Verfahrens deutlich erhöht. Damit können die Gehäusehälften 1, 2 (1) bzw. 1', 2' (2 und 3) mit kleineren Kanälen 7, die einen Querschnitt von z. B. 50 × 50 μm² aufweisen, und kleineren Volumen, wie z. B. eine 30 μm hohe Messkammer eines Drucksensors, mit Gehäuseabdeckplatten 2 bzw. 2' bzw. mit Membranen bzw. Membran-Gehäuse-Verbunden 17 bzw. 17 mit 1' verklebt werden. Verwendet wird ein dichtendes Medium wie z. B. Silikongel 19 oder Klebstoff 6 aus Epoxydharz.
Aus 1b ist ersichtlich, dass sich im Bereich der Trennstege 4 ein geschlossener Klebstofffilm bildet. Das anschließende Klebstoffeinspritzen über mindestens eine entsprechende Zuführung 5 ist in 1c) dargestellt.
Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft die erfindungsgemäße Herstellung eines Mikroventils mit geringem Totvolumen 10 und kurzen Schaltzeiten. In verschiedenen Anwendungsfeldern besteht Bedarf an kleinen Ventilen mit kurzen Schaltzeiten, geringem Energieverbrauch und vor allem kleinem Totvolumen 10, um geringe Fluidmengen zu dosieren oder zu mischen. Die zu schaltenden Drücke liegen dabei im Bereich von maximal 1 bar. Als Beispiel sei die Dosierung von Medikamenten am Patienten (Insulin-Dosierung) oder die chemische bzw. biochemische Analytik genannt. Eine zusätzliche Forderung ist eine kostengünstige, zuverlässige Herstellungstechnik.
Das erfindungemäß hergestellte Ventil erfüllt diese Anforderungen. Der Antrieb erfolgt durch einen Piezoaktor 14, der wenig Energie verbraucht und eine Schaltzeit des Ventils von 0,7 ms ermöglicht. Durch die einfache Struktur der Fluid führenden Kanäle 12, 13 ist ein Totvolumen 10 von weniger als 6 nl, z. B. 3 nl, realisierbar.
Die Herstellung des Ventils erfolgt auf der Basis von Polymeren. Die Gehäuseschalen 1', 2' werden durch Heißprägen oder Spritzguss hergestellt, die 3 μm dünne Kunststoffmembran 17 wird durch Verkleben mit den Gehäuseschalen verbunden.
Ein Schema des Ventils ist in 2a) dargestellt. Das Ventil besteht aus zwei Gehäuseschalen, einer dazwischen liegenden Membran und dem Piezoaktor. Das untere Gehäuse 2' enthält die fluidischen Strukturen, d.h. zwei Kanäle 12, 13, die durch Heißprägen sehr klein (z. B. mit einem 50 × 50 μm² Querschnitt) hergestellt werden können und die durch eine z. B. 10 μm dünne Wand voneinander getrennt sind. Wie in 3a) dargestellt, erzeugt man durch Aufstempeln einer sehr dünnen Schicht 19 im Bereich der Trennwand 11 auf die Gehäuseoberfläche einen Klebstoff abweisenden Bereich. Wird die Membran auf das Gehäuse aufgedrückt, so erfolgt die Verklebung, wie aus 3b) ersichtlich, durch Ausnutzen der Kapillarkräfte. Der Klebstoff wird in den Spalt zwischen Membran und Gehäuse 18 gezogen. Der bestempelte Bereich 19 definiert den Klebstoff freien Bereich, in dem die Membran nicht mit dem unteren Gehäuse verbunden ist. Der Siliziumwafer 20, der als Substrat zur Membranherstellung dient, wird entsprechend 3c) abgetrennt, und die zum einfachen Abtrennen der Membran vom Substrat (Siliziumwafer) notwendige Goldschicht 21 wird entfernt. Weitere Details können aus W. Schomburg, R. Ahrens, W. Bacher, J. Martin, Z. Rummler, V. Saile, Microfluidic sensors and actuators from polymers fabricated by the AMANDA process, Transducers '99: The 10th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Sendai, Japan, 1999, entnommen werden.
Das obere Gehäuse 1' umfasst das Aktorprinzip gemäß DE 199 499 12 A1 und wird gemäß 3d) durch Stempeln des Gehäuses 1' und Kammerkleben auf den Verbund aus unterem Gehäuse 2' und Membran 17 aufgebracht. Ein zweischichtiger Aktor 14, bei dem eine Schicht aus Piezokeramik besteht, verschließt ein Volumen, das durch die Membran auf dem unteren Gehäuse 2' und einem Hohlraum im oberen Gehäuse gebildet und mit einem nicht kompressiblen, elastischen Medium 15, wie in 3e) dargestellt, unter Druck gefüllt wird. Die Herstellung erfolgt im Nutzen und ist hier für zwei Ventile dargestellt. Der Nutzen wird anschließend etwa durch Sägen vereinzelt.
Durch den Innendruck in der Kammer 15 wird die Membran auf die Trennwand 11, die mit Silikon 19 bestempelt ist, gedrückt. Dieser Bereich ist von oben in 2d) im Detail dargestellt. Das Ventil ist, wie in 2b) dargestellt, geschlossen. Biegt sich der Aktor durch Anlegen einer elektrischen Spannung, so vergrößert er das Volumen 15 der durch ihn gebildeten Kammer. Das Medium folgt dem Aktor und zieht im Ventilsitzbereich 19, der Be reich der durch Stempeln an der Oberfläche verändert wurde, die Membran 17' nach sich. Das Ventil ist nun gemäß 2c) geöffnet. Ohne Spannung bleibt das Ventil, wie aus 2b) ersichtlich, durch den Innendruck in (15) verschlossen.

1, 2: flächige Teile aus Kunststoff (Gehäusehälften)
1', 2': Gehäuseteile aus Kunststoff des Mikroventils
3, 3': Klebstoffkammer
4: Steg zwischen Klebstoffkammer und Funktionskammer
5: Zuführung zum Klebstoffeinspritzen in das Kammersystem
6: Klebstofftröpfchen (Stempelmedium)
6': Klebstofffilm, der sich aus den Tröpfchen beim Aufsetzen bildet
6'': eingespritzter Klebstoff
7: Funktionskammer
10: Totvolumen des Ventils
11: Trennwand zwischen den Kanälen 12 und 13 (Ventilsitz)
12: Ventil-Einlass
13: Ventil-Auslass
14: Piezo-Aktor
15: Silikon (Stempelmedium)
16: Piezoaktor-Fixierung
17: Membran
17': Ausgelenkte Membran
18: Durch Kapillarkräfte eingeflossener Klebstoff
19: Aufgestempeltes Silikon über dem Ventilsitz
20: Substrat zur Membranherstellung (Siliziumwafer)
21: Goldtrennschicht

Claims

Verfahren zum selektiven Verbinden von mindestens zwei mikrostrukturierten Teilen (1, 2) mit den Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines mikrostrukturierten Teils (1), b) Stempeln einer Oberfläche des mikrostrukturierten Teils (1) an selektierten Stellen mit einem aushärtbaren Stempelmedium, c) Aufbringen eines zweiten mikrostrukturierten Teils (2) auf die gestempelte Oberfläche und d) Einbringen von Klebstoff (6) zwischen die beiden mikrostrukturierten Teile (1, 2), wobei der Klebstoff nur in durch das ausgehärtete Stempelmedium, dessen Dicke im Bereich zwischen 1 μm und 50 μm liegt, abgegrenzte Bereiche eindringen kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des ausgehärteten Stempelmediums im Bereich zwischen 2 μm und 40 μm liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des ausgehärteten Stempelmediums im Bereich zwischen 5 μm und 30 μm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelmedium mittels eines mikrostrukturierten Stempels auf eines oder beide der Teile (1, 2) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelmedium mittels eines porösen, mit dem Stempelmedium getränkten Stempels auf den mikrostruktu rierten Stempel und/oder eines oder beide der Teile (1, 2) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelmedium Klebstoff enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelmedium klebstoffabweisende Substanzen enthält.