DE19616506C1

DE19616506C1 - Meßaufnehmer zur Bestimmung von Kräften in Mikrosystemen

Info

Publication number: DE19616506C1
Application number: DE1996116506
Authority: DE
Inventors: Patrick Dr Ruther; Klaus Dr Feit; Alexander Both
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2016-04-26

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Meßaufnehmer im Mi kromaßstab zur Bestimmung von Kräften in Mikrosystemen, z. B. der von einem Mikroaktor erzeugten Kraft, mit einem, gegenüber einem ersten Teil des Grundkörpers des Meßaufnehmers bewegli chen und mit diesem verbundenen zweiten Element, wobei zwi schen dem ersten Teil und dem zweiten Element ein mit diesem durch eine Lageänderung desselben dehnbares Zwischenstück ge schaltet ist, auf welchem Dehnmeßstreifen angebracht sind, mittels denen die Wegänderung und über diese die sie bewir kende Kraft auf das bewegliche Element erfaßbar ist und alle Teile, wie fester Teil, bewegliches Element, Zwischenstück und Dehnmeßstreifen gemeinsame Bestandteile der Mikrostruktur des Meßaufnehmers sind.

Meßaufnehmer oder Sensoren dieser Art in makroskopischer Aus führung sind aus der DE 42 26 224 A1 und der DE 43 09 786 A1 bekannt. Mikrosysteme hingegen sind im allgemeinen dadurch de finiert, daß ihre wesentlichen Bestandteile Abmessungen im Mi krometermaßstab aufweisen. Herzstück eines Mikrosystemes, in welchem Kräfte auftreten, ist die krafterzeugende Komponente, der Aktor. Trotz kleinster Bauweise werden bei Mikrosystemen relativ große Kräfte benötigt, wobei auch die gewünschten Stellwege verglichen zu den Bauteilabmessungen groß sein müs sen. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Messung der Kräfte, die von Mikroaktoren erzeugt werden.

Bisher wird in der Mikrosystemtechnik meist die Kraftmessung über Mikrobalken angewendet. Hierbei wirkt die zu messende Kraft auf den Mikrobalken. Die optische Detektion der Balken verbiegung liefert die auf den Balken einwirkende Kraft. Bei dieser Technik muß die Balkenverbiegung optisch ermittelt wer den. Eine exakte Kalibrierung ist nur bedingt möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Meßauf nehmer im Mikromaßstab anzugeben, mittels welchem Kräfte z. B. von Aktoren derselben Größenordnung mit zu den Bauteilabmes sungen vergleichbaren Stellwegen exakt bestimmt werden können.

Zur Lösung schlägt die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt sind. Weiter schlägt die Erfindung gemäß Anspruch 2 noch ein besonders vorteilhaftes Herstellungsverfahren zur Erzeugung des neuen Meßaufnehmers vor.

Die Erfindung ermöglicht durch die Integration von Dehnmeß streifen in einer Mikrokomponente die Messung kleinster Kräfte. Die Komponente besteht dabei in vorteilhafter Weise aus gegeneinander verformbaren bzw. verschiebbaren Teilberei chen, die über Dehnmeßstreifen miteinander verbunden sind. Aus der Widerstandsänderung der Dehnmeßstreifen kann dann auf die einwirkende Kraft geschlossen werden. Eine externe Kalibrie rung des Meßaufnehmers ermöglicht dann die genaue Kraftmes sung. Dazu genügt bereits eine geringe Verformung des Meßauf nehmers, um ein verwertbares Signal zu erhalten.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im fol genden und anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zei gen:

die Fig. 1 das prinzipielle Aussehen des Meßaufnehmers von oben und

die Fig. 2 von a) bis h) die schematischen Fertigungsschritte zur Erzeugung derselben anhand des Teilschnittes AB der Fig. 1 im Bereich einer der beiden DMS.

Grundelement des Meßaufnehmers ist gemäß Fig. 1 der flache Strukturkörper 1 im Mikromaßstab, der vollständig von weiteren Strukturen bzw. von dem zur seiner Herstellung notwendigen Substrat gelöst ist und der aus einem Metall wie z. B. Kupfer besteht. Unter "flach" sind Abmessungen zu verstehen, wie sie eingangs als für die Mikrotechnik charakteristisch beschrieben wurden. Innerhalb des Strukturkörpers 1 ist in einem Hohlraum 2 ein ebenfalls flacher Anker 3 als gegen einen ersten Bereich 5 verschiebbarer zweiter Bereich angeordnet. An dem Anker 3 ist ein Stab 6 angebracht, der aus dem Hohlraum 2 des ersten Bereiches 5 herausführt und der über eine Feder 4 wieder mit dem Endbereich 7 des ersten Bereiches 5 vom Strukturkörper 1 verbunden ist. Die Feder 4 ist dabei Bestandteil des Struktur körpers 1, liegt jedoch außerhalb des ersten Bereiches 5 und ist daher in ihrer Dimensionierung je nach gewünschter Feder kraft variabel. Der Strukturkörper 1 besteht somit aus dem Be reich 5, dem Anker 3, dem Stab 6 und der Feder 4, wodurch wie bereits erwähnt, der Anker 3 durch die Federwirkung der Feder 4 gegenüber dem ersten Bereich 5 beweglich bzw. verschiebbar wird. Wirkt auf den Stab 6 eine Kraft 8, so wird der bewegli che Anker 3 auf den Bereich 5 hin bewegt, sofern auf diesen eine gleichgroße Gegenkraft einwirkt.

Über den Strukturkörper 1 sind zwei parallel liegende Polyi midmembranen 9 beidseitig des Stabes 6 so gelegt, daß sie den Anker 3 überdecken und vom Bereich 5 bis zu dem Endbereich 7 des Strukturkörpers 1 oder mindestens vom Anker 3 bis zu dem Endbereich 7 des Strukturkörpers 1 reichen. Die Membranen sind dabei sowohl auf den Bereichen 5 und 7 als auch auf dem Anker 3 befestigt, so daß sie bei einer Längsbewegung desselben durch die Kraft 8 entlang ihrer Länge elastisch verformt bzw. im Bereich 10 zwischen dem Anker 3 und dem Endbereich 7 ge dehnt werden. Auf den Polyimidmembranen 9 als Trägerfolien sind im Dehnbereich 10 zwei Dehnmeßstreifen 11 (DMS) ange bracht, die so auf den Membranen 9 zwischen Anker 3 und Endbe reich 7 befestigt sind, daß sie die volle Wegänderung zwischen diesen erfassen. Die Kontaktierung der Dehnmeßstreifen 11 er folgt mittels der beiden Bondpads 12, die auf den Membranen 9 über dem Endbereich 7 befestigt sind durch Drahtbonden. Die auf der Struktur befindlichen Dehnmeßstreifen 11 werden somit bei einer Krafteinleitung durch die Kraft 8 mitgedehnt, wobei durch Messung deren elektrischen Widerstandes über die Bond pads 12 die mechanische Belastung durch die Kraft 8 detektiert werden kann. Die Abmessungen der Membranen 9 als Trägerfolien sowie der Dehnmeßstreifen 11 liegen dabei ebenfalls in dem er wähnten Mikrobereich.

Die gesamte Struktur des Meßaufnehmers bildet zusammen eine teilweise gegeneinander bewegliche Mikrostruktur, die durch eine Kombination des LIGA-Verfahrens (Röntgentiefenlithografie mit Galvanoformung und Kunststoffabformung) mit einer Opfer schichttechnik hergestellt wird. Die Herstellungsmethode er möglicht es, Mikrostrukturen mit Strukturhöhen bis zu mehreren 100 µm bei lateralen Abmessungen von wenigen µm zu fertigen. Durch die zusätzliche Anwendung der Opferschichttechnik ist man in der Lage, gegenüber einem Substrat als für die Herstel lung notwendige Basisschicht freibewegliche Teile herzustel len.

Das Prinzip der Herstellung wird im folgenden anhand der Fig. 2, die von a) bis h) einzelne Fertigungsschritte zeigt, be schrieben:
Ausgangsmaterial ist gemäß Fig. 2a eine Substratschicht 13 (Keramik- oder Siliziumwafer) mit einer darauf aufgebrachten 3 - 7 µm starken TiOx-Schicht 14 als selektiv ätzbare Opfer- und Galvanikstartschicht sowie einer darüberliegenden Metall schicht 15 mit einer Dicke von ca. 250 nm aus z. B. NiCr, Au oder Konstantan zur späteren Bildung der DMS 11.

Diese Metallschicht 15 wird gemäß der Form der späteren DMS 11 naßchemisch oder anderweitig strukturiert, so daß die Streifen oder Mäander der DMS 11 mit den Bondpads 12 in der Fig. 1 üb rigbleiben, wie in der Fig. 2b dargestellt.

Nach der Fig. 2c wird dann die ca. 1,5 µm dicke Polyimidmembran 9 über die Streifen der DMS 11 durch Aufschleudern aufgebracht und mit Hilfe von Licht strukturiert. Die DMS Mäander und die Bondpads sind dabei vollständig von der Polyimidmembran 9 be deckt.

Nach der Fig. 2d werden dann auf die nichtleitende Polyimid membran 9 an den Stellen, an denen sie später mit dem Anker 3 und dem Endbereich 7 verbunden ist, Galvanikstartschichten 16 z. B. aus Cr/Au zur späteren Befestigung aufgebracht.

Die Fig. 2e bis 2h zeigen die weiteren Fertigungsschritte des LIGA-Verfahrens,
2e: das Aufbringen eines Röntgenresists 17 über das im vorher gehenden Schritt hergestellte Teil,
2f: Strukturieren des Röntgenresists 17 auf die in der Fig. 1 dargestellte und gewünschte Form des Meßaufnehmers mit Feder 4, Stab 6 und Anker 3 mit Hilfe von Synchrotonstrahlung und Entfernen der bestrahlten Resistbereiche 18, so daß die unbe strahlten Bereiche des Resists 17 stehenbleiben,
2g: galvanisches Auffüllen der Bereiche 18 zur Herstellung der Mikrostrukturen 5 und 7 und Entfernen der unbestrahlten Berei che des Resistes 17,
2h: selektives Wegätzen der Schichten 13 und 14, nach Umdrehen ist der Meßaufnehmer nach der Fig. 1 mit freitragender Polyi midmembran 9 sowie den daraufliegenden DMS 11 fertig.

Bezugszeichenliste

1 Strukturkörper
2 Hohlraum
3 Anker, zweiter Bereich
4 Feder
5 erster Bereich
6 Stab
7 Endbereich
8 Kraft
9 Polyimidmembran
10 Dehnbereich
11 Dehnmeßstreifen, DMS
12 Bondpads
13 Substratschicht
14 Opferschicht
15 Metallschicht
16 Galvanikstartschicht
17 Röntgenresist
18 bestrahlte Resistbereiche

Claims

1. Meßaufnehmer im Mikromaßstab zur Bestimmung von Kräften in Mikrosystemen, z. B. der von einem Mikroaktor erzeugten Kraft, mit einem, gegenüber einem ersten Teil des Grundkör pers des Meßaufnehmers beweglichen und mit diesem verbun denen zweiten Element, wobei zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Element ein mit diesem durch eine Lageänderung desselben dehnbares Zwischenstück geschaltet ist, auf wel chem Dehnmeßstreifen angebracht sind, mittels denen die Wegänderung und über diese die sie bewirkende Kraft auf das bewegliche Element erfaßbar ist und alle Teile, wie fester Teil, bewegliches Element, Zwischenstück und Dehnmeßstrei fen gemeinsame Bestandteile der Mikrostruktur des Meßauf nehmers sind, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) der Meßaufnehmer weist einen Strukturkörpers (1) auf, innerhalb dem in einem Hohlraum (2) ein Anker (3) als gegen den ersten Bereich (5) verschiebbarer zweiter Teil angeordnet ist,
b) an dem Anker (3) ist ein Stab (6) angebracht, der aus dem Hohlraum (2) des ersten Bereiches (5) herausführt und der über eine Feder (4) wieder mit dem Endbereich (7) des ersten Bereiches (5) verbunden ist,
c) die Feder (4) ist dabei Bestandteil des Strukturkörpers (1) und liegt außerhalb des ersten Bereiches (5), wobei der Anker (3) durch die Federwirkung der Feder (4) ge genüber dem ersten Bereich (5) verschiebbar ist,
d) über den Strukturkörper (1) sind zwei parallel liegende Polyimidmembranen (9) beidseitig des Stabes (6) den An ker (3) überdeckend gelegt, die mindestens vom Anker (3) bis zu dem Endbereich (7) des Strukturkörpers (1) rei chen und dort jeweils befestigt sind,
e) auf den Polyimidmembranen (9) ist in ihrem Dehnbereich (10) ein Dehnmeßstreifen (11) angebracht, die die Wegän derung des Dehnbereiches (10) erfassen, wobei die Abmes sungen der Membranen (9) sowie der Dehnmeßstreifen (11) ebenfalls im Mikrobereich liegen.

2. Verfahren zur Herstellung eines Meßaufnehmers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine gesamte Struktur, d. h. der Strukturkörper (1) mit dem Anker (3), der Feder (4), dem Stab (6) sowie den beiden Bereichen (5 und 7) in denselben Arbeitsgängen durch eine Kombination des LIGA-Verfahrens, der Röntgentiefenlithografie mit Galvanoformung und Kunststoffabformung, mit einer Opferschichttechnik her gestellt wird, wobei die mechanische Trennung des Struktur körpers dadurch erfolgt, daß in den entsprechenden Berei chen des Substrats zunächst lokal eine Trennschicht aufge bracht wird, die zum Schluß ätztechnisch wieder entfernt wird.