DE19622350A1 - Verfahren zur Herstellung einer Düsenplatte - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Düsenplatte nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der DE-OS 44 35 163 ist bereits bekannt, einen oberen und einen unteren Abschnitt einer Düsenplatte durch Kombination von MIGA (Mikrostrukturierung, Galvanoformung, Abformung)-Technik und LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung)-Technik herzustellen. Die Herstellung kann auf sogenannten Nutzen (Wafern) mit mehreren hundert rasterförmig angeordneten Düsenplatten erfolgen, womit der Arbeitsaufwand pro Düsenplatte stark herabgesetzt ist. Die Herstellungstechnologie für jede einzelne Düsenplatte ist jedoch immer noch vergleichsweise kompliziert und aufwendig. Als besonders aufwendig ist anzusehen, daß während der Herstellung der Düsenplatten die Hohlräume evakuiert werden und danach durch Spritzgießen z. B. mit flüssigem PMMA aufgefüllt werden müssen. Um den aus dem Spritzgießwerkzeug und einem Prägestempel dann befreiten Kunststoffkörper (Negativteil) herum wird durch Galvanisieren eine metallische Schicht erzeugt. Nachfolgend muß das Kunststoffnegativteil wieder aus der Düsenplatte herausgelöst werden, um die gewünschten Hohlräume in der Düsenplatte zu erhalten, durch die ein Medium strömen soll.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Düsenplatte mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß mit Verfahrensschritten der klassischen MIGA-Technik bzw. LIGA-Technik Strukturen herstellbar sind, die geometrische Hinterschneidungen bzw. Hohlräume aufweisen. Sich aus der MIGA-Technik ergebende geometrische Einschränkungen lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer zweiteiligen Düsenplatte überwinden. Mit hoher Präzision sind Düsenplatten mit zwei mikromechanisch hergestellten Teilen kostengünstig in großer Stückzahl auf einem gemeinsamen Nutzen herstellbar. Mit dem Spritzgießen von Kunststofformen mit nachfolgender galvanischer Abformung und dem sich anschließenden Fügen der beiden Teile der Düsenplatte ist ein einfacher Fertigungsablauf zur Herstellung einer sehr präzisen Düsenplatte gegeben.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens zur Herstellung einer Düsenplatte möglich.

Von großem Vorteil ist es, auf einfache Art und Weise eine Filterstruktur in der Düsenplatte erzeugen zu können. Die Filterstruktur sorgt für eine Herausfiltrierung größerer Partikel und damit für ein Fernhalten solcher Schmutzpartikel von der sensiblen Austrittsgeometrie der Düsenplatte. Außerdem wird eine gleichmäßige Mediumzuströmung gewährleistet, die z. B. bei einer als Ringspaltdüse ausgebildeten Düsenplatte zu einer gleichmäßigen Verteilung des Mediums über den gesamten Ringspalt führt.

Besonders vorteilhaft ist es, als Verbindungstechnik zum Fügen der beiden Teile der Düsenplatte ein chemisches Fügen anzuwenden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 bis 9 Verfahrensschritte zur Herstellung eines ersten Teils einer Düsenplatte, Fig. 10 bis 13 Verfahrensschritte zur Herstellung eines zweiten Teils einer Düsenplatte, Fig. 14 einen Längsschnitt durch eine erste Düsenplatte bestehend aus den Teilen gemäß den Fig. 9 und 13 und Fig. 15 einen Längsschnitt durch eine zweite Düsenplatte.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Anhand der Fig. 1 bis 15 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenplatte 30 (Fig. 14) verdeutlicht. In einem ersten Verfahrens schritt wird zur Herstellung eines ersten Teils (Filterstrukturteil 17) der zweiteiligen Düsenplatte auf einer stabilen metallischen Trägerplatte 1, die z. B. aus Titan besteht, eine Haftschicht 2 durch beispielsweise Sputtern aufgebracht. Die Dicke dieser Haftschicht 2 beträgt nur einige 100 nm. Auf die Haftschicht wird eine Schicht 3 eines thermoplastisch verformbaren Kunststoffs, beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA), mit einer Dicke von ca. 250 µm aufgegossen (Fig. 1).

Über dem Schichtverbund aus der Trägerplatte 1 und der Schicht 3 wird eine nicht dargestellte Maske angeordnet, die durchlässige und undurchlässige Bereiche aufweist. Danach wird dieser Schichtverbund durch Synchrotronstrahlung über die Maske entsprechend der gewünschten Geometrie der späteren Düsenplatte 30 strukturiert. Die Synchrotronstrahlung wird nach der allgemein bekannten LIGA-Tech­ nik verwendet, nach der ein Kunststoff mit der Synchrotronstrahlung behandelt werden kann, anschließend belichtet und entwickelt wird, so daß die nicht mit Synchrotronstrahlen behandelten Bereiche 3′ des Kunststoffs als Oberflächenstrukturen zur Verfügung stehen. Während des naßchemischen Entwicklungsschrittes entstehen Bereiche 3′, des Kunststoffs (PMMA), die sowohl den äußeren Bereich eines in der Düsenplatte z. B. später gewünschten Ringspaltes als auch den Aufnahmebereich für den zweiten Teil der Düsenplatte darstellen. Bei diesen Verfahrensschritten können sehr enge Toleranzen aufgrund der sehr hohen Genauigkeit der Verfahren eingehalten werden (Fig. 2).

In einem nächsten Verfahrensschritt wird die metallische Trägerplatte 1 mit der strukturierten Schicht 3 galvanisiert, so daß in den zwischen den Bereichen 3′ geschaffenen Zwischenräumen 4 eine Galvanikschicht 5 aufwachsen kann. Für dieses galvanische Abscheiden eignet sich besonders Kupfer als Metall. Nachfolgend wird die gewünschte Endhöhe (z. B. 200 µm) dieser Schicht 5 durch mechanische Bearbeitung (z. B. Überschleifen, Diamantfräsen) eingestellt, so daß eine planarisierte Oberfläche entsteht (Fig. 3).

Im Anschluß daran wird auf den bestehenden Körper auf die Schicht 5 eine weitere Kunststoffschicht 7, für die z. B. PMMA verwendet wird, durch Gießen aufgebracht. Die obere Kunststoffschicht 7 (z. B. 155 µm dick) wird anschließend z. B. durch Fräsen in den Bereichen des späteren Ringspaltes und der Aufnahme des zweiten Teils der Düsenplatte grob vorstrukturiert. Die in der oberen Schicht 7 so gebildeten Freiräume 8 liegen genau dort, wo in der darunterliegenden Schicht 5 die Bereiche 3′ des Kunststoffs stehengeblieben sind. Dies ist nötig, um das PMMA der Schicht 5, nämlich die Bereiche 3′, herauslösen zu können (Fig. 4).

Über die jetzt vorhandene Struktur wird wiederum eine fein strukturierte, photolithographische Maske mit durchlässigen und undurchlässigen Bereichen angeordnet (Röntgentiefenlithographie). Mit einem zweiten Bestrahlungsschritt wird vor allen Dingen eine Filterstruktur 10 ausgebildet. Die in der Schicht 7 gebildete Filterstruktur 10 ist sehr feinporig ausgeführt. Die Feinporigkeit der Filterstruktur 10 wird erreicht, indem eine Vielzahl von z. B. parallel zur Längsachse der Düsenplatte verlaufenden Poren, die durch dünne Stege jeweils voneinander getrennt sind, vorgesehen wird. Die Poren können vieleckige (z. B. wabenförmige), kreisförmige oder elliptische Querschnitte aufweisen. Aufgrund der genauen Definition der Bereiche der Schicht 5 werden bei der zweiten Strukturierung keine besonderen Anforderungen an die Justiergenauigkeit gestellt. Nach der Bestrahlung und der Entwicklung der kompletten Struktur auf der Trägerplatte 1 liegt das Negativ eines Abformwerkzeugs zur Herstellung des oberen ersten, eine Filterfunktion besitzenden Teils 17 (Fig. 9) der Düsenplatte vor (Fig. 5).

In einem nächsten Verfahrensschritt wird das Negativ des Abformwerkzeugs durch galvanische Abscheidung eines Metalls, z. B. NiCo, gefüllt bzw. umhüllt. Die entstehende metallische Schicht 12 stellt dabei eine formgetreue Nachbildung des Negativs des Abformwerkzeugs dar (Fig. 6).

In der Fig. 7 ist das nun freigelegte Abformwerkzeug 13 dargestellt. Um dieses Abformwerkzeug 13 in der gezeigten Weise zu erhalten, wird zuerst die abgeschiedene Schicht 12 mechanisch auf die äußeren Endmaße bearbeitet. Danach wird die Trägerplatte 1 abgetrennt, die Schicht 5 (Cu) durch naßchemisches Ätzen mit einem alkalischen Ätzmittel entfernt und der strukturierte Kunststoff (PMMA-Schicht 7) mit einem organischen Lösungsmittel herausgelöst. Dieses Abformwerkzeug 13 (z. B. aus NiCo) kann nun durch einen Kunststoffspritzgußprozeß und nachfolgende Galvanoformung in Tochtergenerationen vervielfältigt werden.

An dem Abformwerkzeug 13 kann also eine Vielzahl von Negativen abgeformt werden. Durch den Mikrospritzgußprozeß werden die Negative des Abformwerkzeugs 13 in Kunststoff hergestellt. Dazu wird z. B. wieder Polymethylmethacrylat (PMMA) eingesetzt. Die so entstehenden Kunststoffnegative 14 werden an ihrer dem Abformwerkzeug 13 zugewandten Seite durch einen chemischen Prozeß für die folgende Galvanik metallisiert (Metallisierung 15). Da auch die Filterstruktur 10 über die Stege zwischen den Poren miteinander verbunden ist, ist eine elektrische Kontaktierung des gesamten Nutzens möglich (Fig. 8).

Die metallisierten Kunststoffnegative 14 werden anschließend in einem elektrolytischen Prozeß mit NiCo gefüllt (Galvanoformung). Dabei entsteht das erste Teil der Düsenplatte, ein sogenanntes Filterstrukturteil 17. Die endgültige Gestalt bekommt das Filterstrukturteil 17 nach der galvanischen Abscheidung durch Schleifen und nachfolgendes Herauslösen des Kunststoffs (Fig. 9).

Das Filterstrukturteil 17 besteht aus zwei axial aufeinander folgenden Ebenen 50, 51. Während die obere kreisförmige Ebene 50 die z. B. ringförmig angeordnete Filterstruktur 10 beinhaltet und bis auf diese feinporige Filterstruktur 10 durchweg von Material gebildet wird, besitzt die ebenfalls kreisförmige, beispielsweise mit einem etwas geringeren Außendurchmesser als die obere Ebene 50 ausgebildete untere Ebene 51 einen inneren Materialbereich (Paßelement 35), einen sich radial nach außen anschließenden ringförmigen Freibereich 52 sowie einen diesen Freibereich 52 vollständig radial umgebenden ringförmigen äußeren Materialbereich 53. Das zentrale Paßelement 35 dient dem besseren Fügen der beiden Teile 17, 18 der Düsenplatte 30, wobei das Düsenunterteil 18 im zusammengebauten Zustand der Düsenplatte 30 den Freibereich 52 der unteren Ebene 51 weitgehend ausfüllt (Fig. 14, 15). Die Filterstruktur 10 mündet an einer unteren Stirnfläche 54 der oberen Ebene 50 in den ringkanalähnlichen Freibereich 52, der zur oberen Ebene 50 hin also begrenzt und nach unten hin offen ist, um das Düsenunterteil 18 in ihn einsetzen und z. B. einen Ringspalt 41 (Fig. 14, 15) bilden zu können.

Die Verfahrensschritte zur Herstellung eines zweiten Teils der Düsenplatte, des sogenannten Düsenunterteils 18, werden anhand der Fig. 10 bis 13 erläutert. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein sehr genau zu strukturierendes Werkzeug 23 durch Diamantdrehen hergestellt. Dieses Werkzeug 23 weist bereits sehr genau die für das Düsenunterteil 18 geforderten Konturen auf. Auch gewünschte Abschrägungen sind an dem Werkzeug 23 mittels Diamantdrehen herstellbar. Das Werkzeug 23 dient nachfolgend als Abformwerkzeug zum Kunststoffspritzgießen von Negativen an ihm (Fig. 10).

Ein Kunststoffnegativ 24 des Werkzeugs 23 wird durch Mikrospritzguß hergestellt. Dabei wird z. B. wieder EMMA als Kunststoff eingesetzt. Das entstandene Kunststoffnegativ 24 wird anschließend an der abzuformenden Seite mit einer Leitschicht für die Galvanik versehen (Metallisierung 25). Dazu werden chemische Verfahren, Plasma- oder Spritzverfahren eingesetzt (Fig. 11).

Die Fig. 12 zeigt ein galvanisiertes Kunststoffnegativ 24. Mittels Galvanoformung wird auf der Metallisierung 25 des Kunststoffnegativs 24 ein Metall, beispielsweise NiCo, abgeschieden. Die aufwachsende metallische Schicht 27 legt sich durch das Galvanisieren eng an das Kunststoffnegativ 24 an, so daß die vorgegebenen Konturen formtreu in ihr reproduziert werden.

Das Düsenunterteil 18 aus NiCo mit den endgültigen Maßen entsteht durch Schleifen des in Fig. 12 gezeigten Kunststoff-Metall-Verbundes und nachträglichem Ablösen des Kunststoffnegativs 24 von der metallischen Schicht 27 mit einem organischen Lösungsmittel. Die so entstehenden Düsenunterteile 18 liegen nun als Einzelteile vor (Fig. 13).

Das ringförmige Düsenunterteil 18 besitzt eine zentrale innere Durchgangsöffnung 36, in die das Paßelement 35 des Filterstrukturteils 17 maßgenau eingreifen kann. Die äußeren Maße des Düsenunterteils 18 sind durch die Größe des Freibereichs 52 festgelegt, in den es zumindest teilweise eingebracht wird. Neben der genauen Fertigung der Durchgangsöffnung 36 wird auch eine zum Filterstrukturteil 17 hin ragende obere Anschlagschulter 32 mit einer oberen Stirnseite 33 sehr exakt ausgebildet. Eine untere, der Anschlagschulter 32 gegenüberliegende Stirnseite 34 des Düsenunterteils 18 muß nicht exakt bearbeitet werden, da dieser Bereich nicht beim Fügen benötigt wird und außerhalb des Strömungsweges liegt.

Die gestufte Außenkontur beinhaltet z. B. eine umlaufende Abschrägung 55, die im zusammengebauten Zustand der Düsenplatte 30 im Freibereich 52 liegt und eine verbesserte Strömung eines Fluids von der Filterstruktur 10 bis hin zur Abspritzgeometrie (Ringspalt 41) ermöglicht. An die sich in Strömungsrichtung erweiternde Abschrägung 55 schließt sich beispielsweise noch eine senkrechte Begrenzungsfläche 56 an, die nach der Montage stromabwärts des Filterstrukturteils 17 bzw. des Ringspalts 41 liegt.

In einem letzten Verfahrensschritt werden das Filterstrukturteil 17 (Fig. 9) und das Düsenunterteil 18 (Fig. 13) zu einer Düsenplatte 30, im konkret dargestellten Ausführungsbeispiel zu einer Ringspaltdüse zusammengesetzt und gefügt (Fig. 14). Das Filterstrukturteil 17 und das Düsenunterteil 18 müssen dabei exakt gefügt werden. Das Düsenunterteil 18 ist deshalb z. B. mit der zum Filterstrukturteil 17 hin gerichteten Anschlagschulter 32 (Fig. 13) versehen, wobei in der Stirnseite 33 der Anschlagschulter 32 beispielsweise eine umlaufende Rille vorgesehen ist. Beim Fügen der beiden Teile 17 und 18 wird so die Kontaktfläche zwischen beiden Teilen 17 und 18 für eine höhere Flächenpressung verkleinert. Beide Teile 17 und 18 liegen so mit ihren Stirnflächen 54 und 33 dichter und exakter aufeinander auf und garantieren eine sehr gute axiale Fügegenauigkeit. Zur Erhöhung der radialen Flächenpressung ist es auch möglich, die Umfangsfläche des am oberen Filterstrukturteil 17 zentral vorgesehenen und in das Düsenunterteil 18 hineinragenden stiftförmigen Paßelements 35 zu strukturieren. So können z. B. vier über den Umfang des Paßelements 35 gleich verteilte, axial verlaufende Rillen eingebracht werden.

In der Fig. 15 ist eine weitere zweiteilige Düsenplatte 30 dargestellt, deren Herstellungsschritte gleich sind wie bei der in Fig. 14 gezeigten, die sich aber vor allen Dingen in der Ausbildung des Düsenunterteils 18 von der in der Fig. 14 gezeigten Düsenplatte 30 unterscheidet. Während das nach den in den Fig. 1 bis 14 dargestellten Herstellungsverfahrensschritten gefertigte Düsenunterteil 18 eine zentrale, axial verlaufende Durchgangsöffnung 36 zur Aufnahme des Paßelements 35 des Filterstrukturteils 17 besitzt, weist das Düsenunterteil 18 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 15 nur eine zentrale, sacklochähnliche Öffnung 37 auf. Das Paßelement 35 des Filterstrukturteils 17 ragt in diese Öffnung 37 hinein und liegt am Boden 38 der Öffnung 37 am Düsenunterteil 18 an. Die im ersten Ausführungsbeispiel vorliegende Anschlagschulter 32 wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 nicht benötigt, da der Anschlagbereich beider Teile 17 und 18 der Boden 38 der Öffnung 37 an der unteren Stirnfläche 58 des Paßelements 35 ist. Mit dieser Variante ist eine besonders gute Fügegenauigkeit erreichbar. Insgesamt ist die Struktur des Düsenunterteils 18 bei dieser zweiten Version nach Fig. 15 stabiler als das Düsenunterteil 18 nach Fig. 14.

Als Verbindungstechniken zum exakt lagegenauen Verbinden der beiden Teile 17 und 18 mit möglichst geringen negativen mechanischen und thermischen Einwirkungen eignen sich besonders das Laserschweißen, das Diffusionslöten bzw. chemische Fügeverfahren. In der Fig. 15 ist eine Möglichkeit des Laserschweißens angegeben, bei der die beiden Teile 17 und 18 im Bereich des Bodens 38 mit einem zentralen Schweißpunkt 40 miteinander verbunden werden. Beim chemischen Fügen wird im Passungsbereich zwischen den Teilen 17 und 18 ein Fügematerial eingebracht, mit dem eine chemische Reaktion ausgelöst wird. Dies kann z. B. auch durch Aufbringen korrodierender Schichten (z. B. Aluminium, Titan, Vanadium, Wolfram, Silizium) erreicht werden, mit denen gezielt eine örtliche Oxidation in Gang gesetzt wird.

Alle Größenangaben zu den Abmessungen der Düsenplatte 30 bzw. einzelner Schichten dienen nur dem besseren Verständnis und schränken die Erfindung in keiner Weise ein.

Die Ausführung der Düsenplatte 30 als Ringspaltdüse mit einem geschlossenen, vollständig umlaufenden Ringspalt 41 stellt nur eine Möglichkeit der Konturgebung dar. Neben diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind auch zweiteilige Düsenplatten 30 mit der gleichen erfindungsgemäßen Herstellungstechnologie herstellbar, die eine von einem Ringspalt 41 abweichende Abspritzgeometrie aufweisen.

Die Düsenplatte 30 findet z. B. Verwendung bei einem Brennstoffeinspritzventil, wie es die DE-OS 44 35 163 zeigt. Der Inhalt dieser DE-OS 44 35 163 bezüglich der Ausbildung des Einspritzventils soll ausdrücklich auch in der vorliegenden Anmeldung als Offenbarung gelten. Die beschriebenen Düsenplatten sind nicht ausschließlich für den Gebrauch an Einspritzventilen vorgesehen; sie können vielmehr auch z. B. bei Lackierdüsen, bei Inhalatoren, bei Tintenstrahldruckern oder bei Gefriertrockenverfahren, zum Ab- bzw. Einspritzen von Flüssigkeiten, wie z. B. Getränken, zum Einsatz kommen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer Düsenplatte mit einem Einlaß und mit einem Auslaß für ein Medium, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Teil (17) hergestellt wird, indem zuerst zur Herstellung eines Abformwerkzeugs (13) durch Aufbringen und Strukturierung wenigstens zweier Kunststoffschichten (3, 7) auf einer Trägerplatte (1) eine Struktur erzeugt wird, in der eine Filterstruktur (10) vorgesehen ist, nachfolgend an dieser Struktur durch Galvanoformung das Abformwerkzeug (13) formtreu abgeformt wird, danach eine Abformung des Abformwerkzeugs (13) durch Spritzgießen in Kunststoff zur Gewinnung eines Kunststoffnegativs (14) erfolgt, das wiederum zur galvanischen Abformung des ersten Teils (17) dient; und ein zweites Teil (18) hergestellt wird, indem zuerst ein Werkzeug (23) durch mechanische Bearbeitung erstellt wird, an dem eine Abformung durch Spritzgießen in Kunststoff zur Gewinnung eines Kunststoffnegativs (24) erfolgt, das zur galvanischen Abformung des zweiten Teils (18) dient; und beide Teile (17, 18) in einem letzten Verfahrensschritt so zusammengefügt werden, daß zwischen beiden Teilen (17, 18) der Auslaß für das Medium gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff für die Schichten (3, 7) sowie für die durch Spritzgießen erzeugten Kunststoffnegative (14, 24) ein thermoplastisch verformbarer Kunststoff, insbesondere PMMA, eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Filterstruktur (10) die Kunststoffschicht (7) mittels Röntgentiefenlithographie strukturiert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Galvanoformung der beiden Teile (17, 18) an den Kunststoffnegativen (14, 24) mit NiCo erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Bearbeitung des Abformwerkzeugs (13) bzw. des Werkzeugs (23) mittels Diamantfräsen bzw. Diamantdrehen erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffnegative (14, 24) vor der Galvanoformung an ihnen mit einer Metallisierung (15, 25) versehen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (17, 18) mittels Laserschweißen verbunden werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (17, 18) mittels Diffusionslöten verbunden werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (17, 18) mittels chemischer Fügeverfahren verbunden werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufbringen einer Materialschicht im Fügebereich der beiden Teile (17, 18) eine chemische Reaktion zur Erzielung eines Materialverbundes in Gang gesetzt wird.