DE19537211C2

DE19537211C2 - Test device for determining material data by examining micro samples

Info

Publication number: DE19537211C2
Application number: DE19537211A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Feit; Mathias Heckele; Patrick Ruther; Klaus Weindel
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-10-08
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2015-10-07
Also published as: DE19537211A1

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Ermittelung von Materialdaten durch Untersuchen von mikrome chanischer Proben, z. B. eines Biegestabes im Mikromaßstab, mit einer Einrichtung zur Belastung der Probe und einer Meßein richtung zur Bestimmung der Probenverformung.The present invention relates to a test device for Determination of material data by examining microme chanic samples, e.g. B. a microscale bending rod with a device for loading the sample and a measuring unit direction for determining the sample deformation.

Werkstoffprüfeinrichtungen zur Bestimmung mechanischer Eigen schaften von Bauteilen oder allgemeiner Materialien bestehen im Normalfall, d. h. bei makrogeometrischen Abmessungen der zu untersuchenden Bauteile, aus einer Probe, einer Probenhalte rung, einer Vorrichtung zum Aufbringen einer Last auf die Probe, sowie einer Meßeinrichtung zur Bestimmung der Proben verformung oder deren Versagens. Derartige makroskopische Vor richtungen sind zur Untersuchung von mikromechanischen Proben jedoch nur bedingt geeignet. Vorrichtungen zur ausschließli chen Untersuchung von Werkstoffen oder Bauelementen im Mi krobereich, d. h. aus der sog. Mikrotechnik, sind in Mikrodi mensionen oder als Mikrosystem bisher nicht bekannt geworden. Allgemein ist ein Mikrosystem dadurch definiert, daß seine we sentlichen Bestandteile Abmessungen im Mikrometermaßstab auf weisen. Mit dem vorliegenden Mikrosystem werden Mikroproben in demselben Maßstab geprüft oder untersucht.Material testing equipment for determining mechanical properties components or general materials normally, d. H. with macro-geometric dimensions of the investigating components, from a sample, a sample holder tion, a device for applying a load to the Sample, as well as a measuring device for determining the samples deformation or their failure. Such macroscopic pre directions are for examining micromechanical samples however only suitable to a limited extent. Exclusive devices Chen examination of materials or components in Mi kro area, d. H. from the so-called microtechnology, are in microdi dimensions or as a microsystem so far not known. In general, a microsystem is defined by the fact that its we essential components dimensions on the micrometer scale point. With the present microsystem, micro samples in checked or examined on the same scale.

Es sind nun mikromechanische Aktoren bekannt, die zu anderen Zwecken eingesetzt werden, wobei die derzeit erzielbaren Kräfte noch sehr gering sind. Die bekannten Aktoren können da her nur für Zwecke verwendet werden, bei denen geringe Kräfte unterhalb des mN-Bereiches ausreichen. Ein derartiger Aktor ist z. B. aus: Sniegowski, J. J.: "A Micro Actuation Mechanism Based on Liquid-Vapor Surface Tension", 7th Intern. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators, Yokohama 1993, bekannt. Der Aktor besitzt einen Kolben mit Kolbenstange, der in einem Ge häuse größerer Abmessungen durch eine Dampfblase bewegt wird. Die Abdichtung des Kolbens im Gehäuse erfolgt durch die Eigen spannung der Dampfblasenwand. Der Kolben selbst wird durch zwei an der Kolbenstange seitlich angreifende Blattfedern ge führt und gehalten. Da der Aktor in traditioneller Silizium technologie hergestellt wird, weist er keine Strukturen mit hohem Aspektverhältnis auf. Dies führt zwangsläufig zu gerin gen Zylinderabmessungen und damit auch geometriebedingt neben den Einschränkungen durch die Eigenspannung der Dampfblase nur zu geringen erzielbaren Kräften. Der beschriebene Aktor ist daher für die Anwendung in einem Prüfsystem, mit welchem Kräfte auf Baukörper zur Verformungsbestimmung ausgeübt werden sollen, nicht geeignet.Micromechanical actuators are now known that lead to others Purposes are used, the currently achievable Forces are still very low. The known actuators can forth used only for purposes where low forces sufficient below the mN range. Such an actuator is z. B. from: Sniegowski, J.J .: "A Micro Actuation Mechanism Based on Liquid-Vapor Surface Tension ", 7th Intern. Conf. On Solid-State Sensors and Actuators, Yokohama 1993. Of the Actuator has a piston with piston rod, which is in one Ge housing of larger dimensions is moved by a vapor bubble. The piston is sealed in the housing by the company tension of the vapor bubble wall. The piston itself is through two leaf springs acting laterally on the piston rod leads and held. Because the actuator is in traditional silicon technology is manufactured, it has no structures high aspect ratio. This inevitably leads to little cylinder dimensions and thus also due to geometry the restrictions due to the internal stress of the vapor bubble only to low achievable forces. The actuator described is therefore for use in a test system with which Forces are exerted on the structure to determine the deformation should not be suitable.

Aus der US-Z: J. Appl. Phys., Vol 63 (1988) Nr.10, S. 4799 bis 4803 ist eine Testmethode von Silicon-Mikroelementen bekannt, bei welcher diese mittels einer Apparatur zu Bruch gebracht werden. Die beschriebene Methode SEM ist jedoch kein Mikro system im Sinne obiger Definition. Das SEM System wird nur zur Beobachtung der Probenverbiegung verwendet, das Prüfsystem selbst, d. h. die Belastungseinrichtung ist jedoch makrosko pisch. Mit der makroskopischen Vorrichtung werden Mikroproben getestet, wobei diese auf einer wiederum makroskopischen Ver fahreinrichtung montiert und gegenüber der Prüfspitze positio niert werden. Das Funktionsprinzip des "Biegebalkens" wird nicht beschrieben, d. h. die Art der Krafteinleitung wird nicht näher dargestellt. Das Beobachtungssystem und die belastende Nadel, sind beide makroskopisch und demnach nicht als Mikro system zu bezeichnen. Die erhaltenen Kennwerte können daher auch nicht auf Bauteile im Mikromaßstab übertragen werden.From US-Z: J. Appl. Phys., Vol 63 (1988) No. 10, pp. 4799 bis 4803 a test method of silicone microelements is known in which this was broken by means of an apparatus will. However, the SEM method described is not a micro system as defined above. The SEM system only becomes Observation of the sample bending used the test system itself, d. H. however, the loading device is macrosco nice. With the macroscopic device, micro samples tested, this again on a macroscopic ver driver installed and opposite the test tip positio be kidneyed. The principle of operation of the "bending beam" is not described, d. H. the type of force application is not shown in more detail. The observation system and the stressful Needle, both are macroscopic and therefore not as micro system. The characteristic values obtained can therefore also not to be transferred to micro-scale components.

Das Gleiche gilt auch für die in der GB-Z: Meas. Sci. Tech nol., Vol. 3 (1992), Nr. 4, S. 347 bis 351 beschriebene Me thode. Die dort mit den normalen makroskopischen Biegemessun gen auszumessenden Wafer weisen keine Mikroabmessungen auf, so daß auch hier eine ganz andersartige Problematik als bei Un tersuchungen im Mikrometermaßstab vorliegt.The same applies to those in GB-Z: Meas. Sci. Tech nol., Vol. 3 (1992), No. 4, pp. 347 to 351 Me method. The one there with the normal macroscopic bending measurement wafers to be measured have no micro dimensions, so that here, too, a completely different problem than with Un examinations are available on a micrometer scale.

Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, eine Prüfvor richtung im Mikromaßstab mit einem mikromechanischen Aktor zu schaffen, mit welchem Kräfte auf Baukörper zur Verformungs bestimmung ausgeübt werden können. Dabei sollen für die Prü fung der Proben relativ große Kräfte erzeugt werden. Diese Kräfte sollten kontinuierlich aufgebracht werden können und eine vom Stellweg der krafterzeugenden Einheit unabhängige Kennlinie aufweisen. Probe, Aktor und Meßsystem müssen für die genaue Messung von Materialkennwerten exakt gegeneinander ju stiert sein. Die vom Aktor erzeugte Deformation der Probe muß gemessen werden können.The present invention therefore has the task of a test Direction on a micro scale with a micromechanical actuator create with what forces on structures to deform determination can be exercised. It should be for the Prü relatively large forces are generated. This Forces should be able to be applied continuously and an independent of the travel of the force-generating unit Have characteristic. The sample, actuator and measuring system must be used for the exact measurement of material characteristics exactly against each other ju be bull. The deformation of the sample generated by the actuator must can be measured.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Mikroprüfsystem vor, welches die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufweist, wobei die komplette Integra tion von Probe, Aktor und Meßsystem zu einem Prüfsystem, des sen laterale Abmessungen im Mikrometerbereich liegt, grundle gend neu ist. Diese Integration ermöglicht erst die exakte Längenmessung im Mikroprüfsystem. Besonders vorteilhafte Aus führungen der Erfindung weisen die Merkmale der kennzeichnen den Teile der Unteransprüche 2 bis 7 auf, wobei insbesondere die gleichzeitige Herstellung von Probe, Meßeinheit und Aktor gem. Anspruch 7 die Erfindung in vorteilhafter Weise kenn zeichnet.To achieve the object, the present invention suggests Micro test system, which features the features in the characteristic Part of claim 1, wherein the complete integra tion of sample, actuator and measuring system to a test system, the lateral dimensions are in the micrometer range, basic is new. This integration enables the exact Length measurement in the micro test system. Particularly advantageous off guides of the invention have the features of characterize the parts of subclaims 2 to 7, in particular the simultaneous production of sample, measuring unit and actuator acc. Claim 7 identifies the invention in an advantageous manner draws.

Bei der vorliegenden Erfindung entfällt eine aufwendige Ju stierung der Proben. Infolge der geringen Baugröße des Prüf systemes treten Probleme durch Temperaturschwankungen nicht mehr auf, da das System leicht temperiert und in ein thermi sches Gleichgewicht gebracht werden kann. Weiter wird als Vor teil auch noch die Messung direkt am Probenort ermöglicht. Probleme, wie sie bei makroskopischen Meßsystemen auftreten, entfallen hier.In the present invention, a complex Ju is not necessary the samples. Due to the small size of the test system problems with temperature fluctuations do not occur more because the system is slightly tempered and in a thermi equilibrium can be brought. Farther than before partly also enables measurement directly at the sample location. Problems that occur with macroscopic measuring systems omitted here.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im fol genden und anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zei gen:Further details of the present invention are explained in the fol lowing and with reference to FIGS . 1 to 3. Show it:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Aktor, eine Biegeprobe und den Sensor von oben gesehen, Fig. 1 seen a section through the actuator, a bending sample and the sensor from above,

Fig. 2 die rasterelektronenmikroskopische Originalaufnahme des mit LIGA-Technik gefertigten Aktors und der Biegeprobe schräg von oben bei abgenommener Deckplatte, Fig. 2 shows the scanning electron micrograph of the original recording made with LIGA technique actuator and the bend specimen obliquely from above with the cover plate removed,

Fig. 3 die Kolbenstange des Aktors und die Biegeprobe mit im Vergleich zur Fig. 2 vergrößertem Maßstab Fig. 3 shows the piston rod of the actuator and the bending test on an enlarged scale compared to Fig. 2

Fig. 4 eine besondere Ausführung der Probeneinspannung. Fig. 4 shows a special embodiment of the sample clamping.

Gemäß der Fig. 1 besteht das Mikroprüfsystem aus den drei Hauptelementen Mikroaktor A, Probe B und Sensor C, die alle in einer Ebene angeordnet und exakt gegeneinander ausgerichtet sind. Das gesamte Mikroprüfsystem bildet dabei zusammen eine teilweise bewegliche Mikrostruktur, die durch eine Kombination des LIGA-Verfahrens (Röntgentiefenlithografie mit Galvanofor mung und Kunststoffabformung) mit einer Opferschichttechnik hergestellt wird. Die Herstellungsmethode ermöglicht es, Mi krostrukturen mit Strukturhöhen bis zu mehreren 100 µm bei la teralen Abmessungen von wenigen µm zu fertigen. Durch die zu sätzliche Anwendung der Opferschichttechnik ist man in der Lage, freibewegliche Teile herzustellen. Das Prinzip der Her stellung wird späterfolgend beschrieben.According to FIG. 1, the micro test system consists of the three main elements micro actuator A, sample B and sensor C, all of which are arranged in one plane and are exactly aligned with one another. The entire micro-test system together forms a partially movable micro-structure, which is produced by a combination of the LIGA process (X-ray depth lithography with galvanoforming and plastic molding) with a sacrificial layer technique. The manufacturing method makes it possible to manufacture microstructures with structural heights of up to several 100 µm with a lateral dimension of a few µm. Through the additional application of sacrificial layer technology, one is able to manufacture freely movable parts. The principle of manufacture will be described later.

Der Aktor A als Hauptelement des Prüfsystemes besteht im we sentlichen aus einem flachen Gehäuse 1, welches auf einer Sub stratplatte 2 sitzt und mit ihr fest verbunden ist. In dem Ge häuse 1 ist ein Kanal 3 vorhanden, in welchem ein axial längs beweglicher Kolben 4 hin- und herbewegt wird, an dessen einer Seite eine Führungstange 11 und an seiner anderen Seite eine Kolbenstange 12 befestigt ist, jeweils in Hubrichtung gesehen. Der Kanal 3 mündet mit seinem einen Ende in einer Druckkammer 5, die über eine Bohrung 6 mit einem druckführenden Fluid be aufschlagt wird, welches dadurch von dieser Seite her eine Kraft auf den Kolben 4 ausübt. Diese Bohrung 6 dient neben der Zufuhr auch der Abfuhr des Fluides. Neben dem Kolben 4 bzw. vor und hinter ihm, von der Druckseite aus gesehen, ist je weils ein Lagerblock 7 und 8 zusammen mit dem Gehäuse 1 eben falls auf der Substratplatte 2 befestigt. Die Lagerblöcke 7 und 8 weisen Schlitze 9 und 10 auf, wobei in dem Schlitz 9 die Führungsstange 11 und in dem Schlitz 10 die Kolbenstange 12 gleitet. Dadurch wird der Kolben 4 mittels der Lagerblöcke 7 und 8 in Hub- bzw. Arbeitsrichtung geführt. Dabei sind die La gerblöcke in ihrer Geometrie (Breite, Lagerspiel) so ausge legt, daß der Kolben nicht verkanten kann. Der Kolben selbst hat dabei eine laterale Ausdehnung von etwa 400 × 450 µm. Die Spaltbreite zwischen Kolben 4 und Kanal 3 beträgt etwa 2 µm. Der Kolben 4 sowie die Stangen 11 und 12 im Kanal 3 und in den Bohrungen 9 und 10 werden dabei z. B. mit Silikonöl fluidisch geschmiert.The actuator A as the main element of the test system consists essentially of a flat housing 1 , which sits on a sub stratplatte 2 and is firmly connected to it. In the Ge housing 1 , a channel 3 is present, in which an axially longitudinally movable piston 4 is moved back and forth, on one side of which a guide rod 11 and on the other side a piston rod 12 is fastened, each seen in the stroke direction. The channel 3 opens at one end into a pressure chamber 5 , which is opened via a bore 6 with a pressure-carrying fluid, which thereby exerts a force on the piston 4 from this side. In addition to the supply, this bore 6 also serves to discharge the fluid. Seen adjacent to the piston 4 or in front and behind it, from the pressure side, a bearing block is just depending weils if attached 7 and 8 together with the housing 1 on the substrate plate. 2 The bearing blocks 7 and 8 have slits 9 and 10, wherein the guide rod slides in the slot 9 and in the slot 10, the piston rod 11 12th As a result, the piston 4 is guided in the lifting or working direction by means of the bearing blocks 7 and 8 . The bearing blocks are laid out in their geometry (width, bearing clearance) so that the piston cannot tilt. The piston itself has a lateral dimension of approximately 400 × 450 µm. The gap width between piston 4 and channel 3 is approximately 2 µm. The piston 4 and the rods 11 and 12 in the channel 3 and in the bores 9 and 10 are z. B. fluidically lubricated with silicone oil.

Die aus dem Lagerblock 8 herausragende Kolbenstange 12 über trägt die vom Kolben 4 erzeugte Kraft nach außen. Die in den Figuren dargestellte Ausführung des Aktors ist nach der Her stellung mittels des LIGA-Verfahrens nach oben offen. Um die Druckkammer 5 mit dem Kolben 4 sowie den gesamten Aktor nach oben abzuschließen und einen geschlossenen Druckraum zu erzie len, ist das Gehäuse 1 nach oben durch eine nicht dargestellte Deckplatte verschlossen. Diese wird auf dem Gehäuse fest ver klebt, wobei die umlaufende Nut 13 ein Einlaufen des Klebers ins Innere des Aktors verhindert. Die Abdichtung des bewegli chen Kolbens 4 gegenüber dem Gehäuse 1 und der Kanalwand sowie gegenüber der Deckplatte erfolgt durch fluidische Schmierung, wodurch auch die Reibung des Kolbens 4 im Kanal 3 verringert wird. The piston rod 12 protruding from the bearing block 8 transmits the force generated by the piston 4 to the outside. The embodiment of the actuator shown in the figures is open upwards after the manufacture by means of the LIGA method. In order to complete the pressure chamber 5 with the piston 4 and the entire actuator at the top and to form a closed pressure chamber, the housing 1 is closed at the top by a cover plate, not shown. This is firmly glued to the housing, the circumferential groove 13 preventing the adhesive from entering the interior of the actuator. The sealing of the movable piston 4 against the housing 1 and the channel wall and against the cover plate is carried out by fluidic lubrication, which also reduces the friction of the piston 4 in the channel 3 .

Die Probe B ist bei der dargestellten Ausführung ein langge streckter Biegestab 14, dessen Auslenkung bzw. Biegung nach dem Prinzip des einseitig eingespannten Balkens bei Aufbringen einer bestimmten Kraft gemessen werden soll. Ein Teil dieser Probe (B) ist ebenfalls ortsfester Bestandteil der Mikrostruk tur, der andere, lose, jedoch unter Verformung gegenüber die ser beweglich. Dabei ist der feste Teil integraler Bestandteil des gesamten Stabes 14 in Form eines einzigen Teiles. Der fe ste Teil kann aber auch durch eine Einspannvorrichtung 15 er setzt sein, dann wäre der jetzt "lose" Stab nur im Zusammen hang mit dieser Einspannvorrichtung 15 bzw. in ihr eingespannt integraler Bestandteil der Vorrichtung. Wesentlich ist, daß alle Teile zusammen, also fester und loser Teil des Stabes 14 oder Einspannvorrichtung 15 plus Stab 14 Bestandteile der ge samten Mikrostruktur auf der Platte 2 sind. Ein Ende des Sta bes 14 sitzt somit entweder fest auf der Substratplatte 2 oder es ist in der Einspannvorrichtung 15 eingespannt, wobei das andere, bewegliches Ende von seiner Vorderseite 16 her nach hinten von der Kolbenstange 12 des Aktors A zur Biegebelastung auslenkbar ist und zur Messung ausgelenkt wird. Bei einer sol chen Messung mit einspannbaren Proben läßt sich dann, wenn die Auslenkung bestimmter Proben 14 durch Eichmessungen bekannt ist, über die Verbiegung der Probe 14 auch als Nebeneffekt die vom Aktor A erzeugte Kraft ermitteln. Will man jedoch nur Werkstoffkennwerte aus der Verbiegung ermitteln, so kann die Probe 14, wie eingangs beschrieben, aus einem ortsfesten und einem losen Teil bestehen.The sample B is in the illustrated embodiment a long stretched bending rod 14 , the deflection or bending of which is to be measured according to the principle of the cantilever beam when a certain force is applied. Part of this sample (B) is also a fixed component of the microstructure, the other, loose, but is movable under deformation relative to the water. The fixed part is an integral part of the entire rod 14 in the form of a single part. The fe ste part can also be set by a jig 15 , then the now "loose" rod would only be connected with this jig 15 or clamped in it an integral part of the device. It is essential that all parts together, that is, fixed and loose part of the rod 14 or jig 15 plus rod 14 are components of the entire microstructure on the plate 2 . One end of the sta bes 14 thus either sits firmly on the substrate plate 2 or it is clamped in the clamping device 15 , the other, movable end from its front side 16 to the rear from the piston rod 12 of the actuator A being deflectable for bending stress and for measurement is deflected. In such a measurement with clamped samples, if the deflection of certain samples 14 is known by calibration measurements, the force generated by actuator A can also be determined as a side effect via the bending of sample 14 . However, if one only wants to determine material properties from the bending, the sample 14 can , as described at the beginning, consist of a stationary and a loose part.

Eine besondere Ausführung der Probeneinspannung ist in der Fig. 4 dargestellt. Hier weist die Probe B, bei der darge stellten Ausführung ein Biegestab 14, ein verdicktes Ende 21 auf, welches mittels Federzungen 22, die es gegen feste An schläge 23 drücken, eingespannt ist. Die festen Anschläge 23 sind dabei ortsfeste und die Federzungen 22 bewegliche Be standteile der gesamten Struktur. Sie werden mit dem später beschriebenen Verfahren erzeugt. Mittels dieser Ausführung der Probeneinspannung, die gegenüber dem Aktor exakt ausgerichtet ist, lassen sich die Proben leicht und einfach auswechseln.A special embodiment of the sample clamping is shown in FIG. 4. Here, the sample B, in the Darge presented embodiment, a bending rod 14 , a thickened end 21 which is clamped by means of spring tongues 22 , which press it against fixed 23 strikes. The fixed stops 23 are stationary and the spring tongues 22 movable loading components of the entire structure. They are created using the procedure described later. With this type of sample clamping, which is precisely aligned with the actuator, the samples can be changed easily and simply.

Der Sensor (C) besteht aus einem ebenfalls auf der Substrat platte 2 festsitzenden Gehäuse 17 als Bestandteil der Gesamt struktur mit einem innenliegenden, gegen die Rückseite 18 der Probe 14 gerichteten, innenliegenden Faserschacht 19 zur Auf nahme eines optischen Glasfasersystemes, welches mit Hilfe ei ner nicht näher dargestellten Koppelstruktur Licht einer LED auf die Rückseite 18 der Probe 14 leitet. Das an der Rückseite 18 der Probe 14 in die Glasfaser zurückreflektierte Licht wird in der Koppelstruktur 20 an einem Prisma total in eine Glasfa ser reflektiert und über diese Glasfaser zu einem Photodetek tor geleitet. Aus der Änderung der reflektierten Lichtintensi tät kann die Verbiegung bzw. Verformung der Probe 14 festge stellt und mit einer Genauigkeit von < = 1 µm vermessen wer den.The sensor (C) consists of a also on the substrate plate 2 fixed housing 17 as part of the overall structure with an inner, directed against the back 18 of the sample 14 , inner fiber shaft 19 for receiving an optical fiber system, which with the help of egg ner Coupling structure, not shown, directs light from an LED onto the rear side 18 of the sample 14 . The light reflected back into the glass fiber on the rear side 18 of the sample 14 is totally reflected in the coupling structure 20 on a prism in a glass fiber and is guided via this glass fiber to a photodetector. From the change in the reflected light intensity, the bending or deformation of the sample 14 can be determined and measured with an accuracy of <= 1 µm.

Im folgenden werden die Fertigungsschritte des LIGA-Verfahrens für das gesamte Mikroprüfsystem, d. h. für eine Mikrostruktur mit festen und beweglichen Elementen, in einem Ausführungsbei spiel kurz beschrieben:The following are the manufacturing steps of the LIGA process for the entire micro test system, d. H. for a microstructure with fixed and movable elements, in one execution Game briefly described:

Ausgangspunkt ist eine bis zu mehreren 100 µm dicke strahlungsempfindliche Kunststoffschicht. Dieser sogenannte Resist wird durch direkte Polymerisation auf ein Substrat mit Opfer schicht und Galvanikstartschicht aufgebracht. Die 3-7 µm dicke Opferschicht aus Ti wurde vorstrukturiert, so daß bei der anschließenden, justierten Röntgenbestrahlung die später beweglichen Teile der Mikrostruktur, bei dem Aktor A z. B. der Kolben 4 mit den Stangen 11 und 12 und bei der Probe B der be wegliche Teil des Biegestabes 14, auf der Opferschicht zu lie gen kommen. Unter den unbeweglichen Bereichen, die mit der Substratplatte 2 fest verankert sind wie das Aktorgehäuse 1 und die Lagerblöcke 11 und 12, der feste Teil der Probe B, so wie das Sensorgehäuse 17, liegt keine Opferschicht. The starting point is a radiation-sensitive plastic layer up to several 100 µm thick. This so-called resist is applied by direct polymerization to a substrate with sacrificial layer and electroplating start layer. The 3-7 µm thick sacrificial layer made of Ti was pre-structured so that during the subsequent, adjusted X-ray irradiation, the later moving parts of the microstructure, in the actuator A z. B. the piston 4 with the rods 11 and 12 and in sample B the movable part of the bending rod 14 , come to lie on the sacrificial layer. There is no sacrificial layer under the immovable areas, which are firmly anchored to the substrate plate 2 , such as the actuator housing 1 and the bearing blocks 11 and 12 , the fixed part of the sample B, like the sensor housing 17 .

Die Strukturierung des Resists erfolgt durch justierte Syn chrotonbestrahlung, wobei die hierbei verwendete Maske gegen über der Opferschicht ausgerichtet wird. Die Synchrotonstrah lung hat den Vorteil, daß sie bei kleiner Wellenlänge (0,2 bis 0,5 nm) eine hohe Energiedichte und große Parallelität be sitzt. Dadurch ist es möglich, eine über die gesamte Resist dicke hochpräzise Abbildung der Röntgenmaske zu erzielen. Die Genauigkeit liegt über die gesamte Strukturhöhe im Submikrome terbereich. Bei lateralen Abmessungen der Strukturen im Mikro meterbereich erreicht man ein Aspektverhältnis (d. h. das Ver hältnis von Strukturhöhe zu minimaler lateraler Ausdehnung) von bis zu 100.The resist is structured by adjusted syn chroton irradiation, the mask used here against is aligned over the sacrificial layer. The synchrotron beam has the advantage that it is at a small wavelength (0.2 to 0.5 nm) a high energy density and great parallelism sits. This makes it possible to resist over the entire resist to achieve thick, high-precision imaging of the X-ray mask. The Accuracy lies across the entire structure height in the submicron area. With lateral dimensions of the structures in the micro an aspect ratio (i.e. ver ratio of structure height to minimal lateral expansion) up to 100.

Durch die Bestrahlung ändert sich die chemische Zusammenset zung des Resists so, daß bei der anschließenden Entwicklung die bestrahlten Bereiche herausgelöst werden und man ein Nega tiv der gewünschten Struktur erhält. Die so erzeugten Zwi schenräume werden galvanisch mit einem Metall aufgefüllt. Er neutes Bestrahlen ohne Maske zum Entfernen des unbelichteten Resists ergibt die gewünschte Mikrostruktur. Schließlich wird die Ti-Schicht selektiv gegenüber den anderen Materialien weg geätzt, so daß der auf der Opferschicht aufgebaute Teil der Struktur, hier z. B. unter anderem der Kolben 4, frei beweg lich ist.By irradiation, the chemical composition of the resist changes so that the irradiated areas are detached in the subsequent development and a negative of the desired structure is obtained. The spaces thus created are galvanically filled with a metal. Repeated exposure without a mask to remove the unexposed resist gives the desired microstructure. Finally, the Ti layer is selectively etched away from the other materials, so that the part of the structure built up on the sacrificial layer, here z. B. among other things, the piston 4 is freely movable Lich.

Auf entsprechende Art wie die beweglichen Teile des Aktors und des Biegestabes werden auch die in der Fig. 4 dargestellten Fe derzungen 22 gegenüber den festen Anschlägen 23 beweglich er zeugt.In a manner corresponding to the movable parts of the actuator and the bending rod, the tongue tongues 22 shown in FIG. 4 are movable relative to the fixed stops 23 .

Vor dem letzten Bestrahlungsschritt werden die Mikrostrukturen poliergefräst, um eine glatte Oberfläche zu erzielen, die für das dichte Schließen der Abschlußplatte notwendig ist.Before the last irradiation step, the microstructures polished to achieve a smooth surface that is suitable for tight closing of the end plate is necessary.

BezugszeichenlisteReference list

1 Aktorgehäuse
2 Substratplatte
3 Kanal
4 Kolben
5 Druckkammer
6 Bohrung
7 Lagerblock
8 Lagerblock
9 Schlitz
10 Schlitz
11 Führungsstange
12 Kolbenstange
13 Nut
14 Biegestab
15 Einspannvorrichtung
16 Vorderseite
17 Sensorgehäuse
18 Rückseite
19 Faserschacht
20 Koppelstruktur
21 verdicktes Ende
22 Federzungen
23 feste Anschläge 1 actuator housing
2 substrate plate
3 channel
4 pistons
5 pressure chamber
6 hole
7 bearing block
8 bearing block
9 slot
10 slot
11 guide rod
12 piston rod
13 groove
14 bending rod
15 clamping device
16 front
17 sensor housing
18 back
19 fiber shaft
20 coupling structure
21 thickened end
22 spring tongues
23 fixed stops

Claims

1. Test device for determining material data by examining micromechanical samples, for. B. a bending rod on a micro scale, with a device for loading the sample and a measuring device for determining the Ben benformung, characterized by the following features:

a) all elements of the test device including the sample are designed on a microscale,
b) the loading device consists of a micromechanical actuator (A), the immovable or stationary structural elements of which are components of a structure firmly attached to a substrate ( 2 ),
c) the actuator (A) has a piston rod ( 12 ) which transmits the force generated by the actuator (A),
d) part of the micromechanical sample (B) is also a fixed component of the structure, but the other is movable with respect to the structure,
e) the piston rod ( 12 ) of the actuator (A) presses against the moving part of the sample (B) when the actuator (A) applies a force to the bending load,
f) the measuring device consists of a sensor (C) which optically recognizes the deformation of the sample (B) and converts it into a measurement signal, the stationary parts of the sensor (C) also being an integral part of the structure.

2. Test device according to claim 1, characterized by the further features:

g) the actuator has as a fixed part a flat housing ( 1 ) in which a channel ( 3 ) runs, in which an axially longitudinally movable piston ( 4 ) can be moved back and forth and which has one end in a pressure chamber ( 5 ) mün det, which is acted upon by a bore ( 6 ) with a pressure-carrying fluid,
h) on one side of the piston ( 4 ) is a guide rod ( 11 ) and on its other side a piston rod ( 12 ) attached, being in front and behind the piston ( 4 ), seen from the pressure side, each as a fixed Element a bearing block ( 7 and 8 ) is attached,
i) the bearing blocks ( 7 and 8 ) have slots ( 9 and 10 ) for guiding the piston ( 4 ), the guide rod ( 11 ) and. in the slot ( 9 ) of the bearing block ( 7 ) in front of the piston ( 4 ) in the other slot ( 10 ) the piston rod ( 12 ) slides,
j) the housing ( 1 ) is closed at the top by a cover plate.

3. Testing device according to claim 1 or 2, characterized by the further features:

k) the sample (B) is an elongated bending rod ( 14 ), one end of which is firmly seated on the substrate plate and the other, movable end of which is from its front side ( 16 ) to the rear from the piston rod ( 12 ) of the actuator (A) is deflectable for bending stress.

4. Test device according to claim 1 or 2, characterized by the further features:

l) The sample (B) is an elongated bending rod ( 14 ) which is clamped at one end in a clamping device ( 15 , or 22 and 23 ) and the other, movable end from its front ( 16 ) to the rear from the Piston rod ( 12 ) of the actuator (A) can be deflected for bending.

5. Testing device according to claim 4, characterized by the further features:

m) The sample (B) has at the end of the bending rod ( 14 ) a thickened end ( 21 ) which is clamped in by means of spring tongues ( 22 ) which press it against fixed stops ( 23 ), the stops ( 23 ) stationary and the spring tongues ( 22 ) are movable components of the entire structure.

6. Test device according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized by the further features:

n) the sensor (C) consists of a also on the sub stratplatte stuck housing ( 17 ) with an inner, against the back ( 18 ) of the sample (C) ge directed fiber shaft ( 19 ) for receiving an optical fiber system, by means of which the deflection of a light beam applied to the back ( 18 ) of the sample (B) can be determined by the deformation or bending thereof.

7. Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the entire structure of the actuator (A), ie the housing ( 1 ), the bearing blocks ( 7 and 8 ) and the piston ( 4 ), as well as the fixed and the movable Part of the sample (B) and the clamping device and the entire structure of the sensor (C) are produced on the substrate of the base plate in the same operations on X-ray lithography, X-ray depth lithography-galvoplastic or in a manner derived therefrom from molding technology or molding technology-galvanoplastic The mechanical separation of the moving parts is carried out by first applying a separating layer locally in the corresponding areas of the sub strate, which is finally removed by etching again.