DE19731425A1 - Mikromechanische Verbindung sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Verbindung sowie ein Verfahren zu deren Her­ stellung. Die Erfindung erlaubt eine Miniaturisierung derartiger Verbindungen bzw. der Ver­ bindungselemente bis auf einige Mikrometer.

In der Gerätekonstruktion, wie auch in der Bekleidungsindustrie, werden häufig besonders flache Verbindungssysteme benötigt. Durch Spritzen, Gießen oder auch Nähen lassen sich Verbindungselemente mit einer Größe bis zu 300 µm herstellen. Die bekannten Klett- und Reißverschlüsse, hergestellt nach diesen aufbauenden Prinzipien, die auf den mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe beruhen, können nicht beliebig verkleinert werden. Auch von der mechanischen Seite her lassen sich die angesprochenen Verbindundungsarten verbessern. Eine Klettverbindung wird im allgemeinen durch Biegen der Trägersysteme gelöst. Starre Bauelemente können mit einer derartigen Verbindung nicht zusammengefügt und getrennt werden.

Aus der EP 0 283 546 ist ein Verfahren zum Herstellen beliebig geformter mikromechani­ scher Bauteile bekannt das insbesondere die Herstellung von Durchführungsöffnungen be­ handelt und sich der Photoresistmaskenbei beim Plasmaätzen bedient.

Aus der EP 0 325 473 ist ein Folienmaterial zum Herstellen von Haftverschlußelementen be­ kannt, bei dem die Verhakungsmittel genäht werden.

Aus der WO 94/23610 ist ein Flächenreißverschluß mit pilzförmigen Haken bekannt. Diese Schrift gibt ein Erzeugnis bekannt, das homogen aus thermoplastischem Kunststoff besteht.

Aus der EP 0 657 118 ist ein Befestigungselement bekannt, welches aus thermoplastischem Kunststoff gegossen bzw. gespritzt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine mikromechanische Verbindung sowie ein Verfahren zur Herstellung anzugeben, mit dessen Hilfe eine mehrkomponentige beliebig modellierbare und miniaturisierbare Struktur hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine mikromechanische Verbindung entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Weiterhin wird die Aufgabe durch die im Anspruch 10 angegebenen Verfahrensschritte gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine mikromechanische Verbindung im Sinne der Erfindung erlaubt die Verkettung von mehreren kleinen bzw. Mikroverbindungselementen. Als Verbindungselement wird ein mehr­ komponentiges Gebilde mit einem Stiel und einem Kopfteil verstanden, das in seinen fronta­ len Abmessungen größer/gleich dem Stiel ist. Mehrere Verbindungselemente, entsprechend der erwünschten Verkettung angeordnet, bilden eine sogenannte Anordnung für die mikro­ mechanische Verbindung.

Dies wird durch ein Verfahren folgendermaßen erreicht:
Durch den Einsatz von Laminationsprozessen werden mehrkomponentige Foliensysteme zu­ sammengefügt (Gesamtdicke < 0,5 mm). Die Haftung zwischen den einzelnen Schichten wird durch die Anwendung von makromechanischen Technologien wie Pressen, Rollen, Extrudie­ ren o. dgl. erreicht. Durch eine Strukturierung der außenliegenden Schichten des Foleinsy­ stems mittels bekannter Verfahren, werden die Ansätze für die künftigen Mikroverbindungs­ elemente gelegt. Bei diesem Prozeßschritt bleiben die darunterliegenden Schichten des Folien­ systems unverändert.

Das Layoutbild dieser Strukturierung ist immer so ausgelegt, daß Teile und Fragmente des oberen und unteren Strukturbildes sich aus den Foliensystemen überlagern, so daß ein in sich zusammengeschlossener strapazierfähiger Aufbau gewährleistet wird.

Nachfolgend werden durch ein weiteres Ätzverfahren, das reaktiv bezüglich der innenliegen­ den Folienschichten und neutral für das außenliegende Material ist, jene Stellen der darunter­ liegenden Folienschichten weggeätzt, die nicht unter dem Schutz von den zuerst strukturierten außenliegenden Schichten geraten. Der Kostenvorteil dieser Technologie resultiert aus dem Verzicht auf Maskenstrukturen bei diesem Ätzvorgang.

Somit werden aus den außenliegenden Schichten des Foliensystems die Kopfteile der Mikro­ verbindungselemente gebildet, die darunter liegenden Reste (Stiele und Stege) der innenlie­ genden Folienschichten werden durch den zweiten Ätzvorgang nach dem zuerst strukturierten Muster geformt.

Auf diese Weise ist ein Verfahren gegeben, welches eine einfache und reproduzierbare Her­ stellung der Anordnungen ermöglicht. Da es sich hier um simultane Verfahren handelt, kann dadurch eine hohe Produktivität erzielt werden.

Abgeleitet von der Dicke des Foliensystems und ausgehend vom Herstellungsverfahren ergibt sich eine minimale Bauhöhe der Verbindungselemente von einigen Mikrometer (bis ca. 5 µm). Auf diese Weise kann ein extrem dünne Anordnung hergestellt werden, die mit den bisher bekannten Herstellungsverfahren nicht die notwendigen engen Toleranzen aufweisen kann.

Der Vorteil der Erfindung besteht in der Nutzung der herkömmlichen Mikrostrukturierungs­ verfahren und in den vorhandenen Möglichkeiten, mit einer sehr hohen Genauigkeit beliebige Strukturen mit einer minimalen Größe von einigen µm herzustellen. Die geometrischen Ab­ messungen der einzelnen Verbindungselemente können, entsprechend dem heutigen Stand der Technik, einige Mikrometer betragen. Die Toleranzen, die dabei erreicht werden, liegen im Bereich von einigen Zehnteln Mikrometer.

Die für die Herstellung des Schichtsystems angewendeten Verfahren haben gegenüber den Abscheidungsverfahren, die für ähnliche technische Lösungen in der Mikrosystemtechnik eingesetzt werden, den entscheidenden Vorzug, daß zwischen den einzelnen Schichten der bekannten makromechanischen Fügeverfahren (bspw. Laminieren) genau definierte und sehr hohe Werte der Haftfestigkeit erreicht werden. Außerdem übertreffen die dünnen Folien, die aus monolitem Material hergestellt worden sind, hinsichtlich deren mechanischen Eigenschaf­ ten die dünnen Schichten, die mittels Abscheidungsverfahren hergestellt worden sind. Die aus Kostengründen notwendige erhöhte Abscheidungsrate wirkt sich ungünstig auf die obener­ wähnten mechanischen Eigenschaften und die Haftfestigkeit aus.

Die photolitographische Strukturierung ist unbegrenzt bei der Fragmentierung des Layout­ bildes gesetzt. Demnach ist jede für die form/kraftschlüssige Verkettung von Verbindungs­ elementen notwendige Verteilung von Verhakungsmitteln möglich.

Das Abtragen der einzelnen Schichten bei der Strukturierung kann theoretisch durch sequen­ tielle Verfahren vollzogen werden. Der mechanischen Verarbeitung durch Fräsen oder Bohren sind Grenzen bis auf 0,1 mm gesetzt. Durch Laser können die weiterbeschriebenen Strukturen nicht problemlos realisiert werden, da eine End-Punkt-Bestimmung beim Abtragen nicht im­ mer reproduzierbar vollständig gewährleistet ist, zumal es sich in diesem Anwendungsfall um Abtragen vom relativ großen Mengen von Material mit unterschiedlichen lateralen Abmessun­ gen handeln kann. Es werden für die Herstellung von einem mikromechanischen Verbin­ dungssystem naßchemische Strukturierungsverfahren für die außenliegenden Folienschichten und Plasmaätzverfahren für die innenliegenden Folienschichten favorisiert.

Die Anordnungen im Sinne der Erfindung besteht aus mehreren Verbindungselementen, die in ihrem Ausbau inhomogen bzw. schichtaufweisend sind. Wird die untere Lage - Träger der Verbindungselemente - aus Metall gewählt, so können diese durch Löten oder Metallschwei­ ßen auf ein Bauteil mit einer Oberfläche aus Metall formstabil aufgesetzt werden. Die Tempe­ raturbeständigkeit eines solchen Verbundes ist wesentlich höher als die bisher bekannter An­ ordnungen, bei denen das Anbringen der flachen Verbindungspartner auf die zu verbindenden Bauteile nur durch Kleben, Nähen oder Kunststoffschweißen erfolgen.

Die bekannten Herstellungsverfahren für Klett- und Reißverschlüsse eignen sich nicht so gut wie die hier beschriebene zur Realisierung von Renkverbindungen. Die mit hoher Positions- und Konturgenauigkeit behaftete Renkverbindung zeichnet sich dadurch aus, daß Teile des einen Verbindungspartner in das andere eingefügt und durch eine zusätzliche Bewegung ver­ kettet werden. Der Vorteil dieser Verbindungsart gegenüber der Klett- und Reißverschlüsse beruht auf dem Umgehen der Biegung zum Lösen bzw. Zusammenfügen der Verbindungs­ elemente. Hierbei ist die Möglichkeit gegeben, eine einfach lösbare und sehr flache Verbin­ dung zwischen starren Bauteilen zu realisieren.

In einer Reihe von Ausführungsbeispielen ist die Erfindung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. In den Zeichnungen werden dargestellt:

Fig. 1 ein Verfahren in vier Verfahrensschritten, deren einzelnen Phasen in den Bildern a) bis d) dargestellt sind

Fig. 2 eine Reihe unterschiedlicher Formen von Verbindungselementen

Fig. 3 eine mögliche Ausführung der mikromechanischen Verbindung in Form einer Renk­ verbindung

Fig. 4 eine mögliche Ausführung der mikromechanischen Verbindung in Form eines form­ flächigen Reißverschlusses

Fig. 5 eine Anordnung in Ausbildung als Zugmittelglied eines Zahnriemengetriebes.

In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Verfahrensablauf dargestellt. Fig. 1a zeigt ein Folien­ system 2, auf dessen Oberfläche ganzflächig die Foliensysteme 1 und 3 aufgebracht wurden. Als Material für das Foliensystem 2 ist eine Polyimidfolie und als Material für die außenlie­ genden Schichten 1 und 3 ist Kupfer verwendet worden. Die Foliendicken betragen für Kupfer 18 µin für Polyimid 25 µin. Das Aufbringen erfolgt durch eine makromechanische Verarbei­ tung, z. B. Auflaminieren der Kupferfolien auf die Polyimidfolie. Alternativ dazu können die Metallfolien durch Verpressen oder Extrudieren zu einem Verbundsystem mit der Polymerfo­ lie vereinigt werden.

Fig. 1b gibt die Darstellung aus der Fig. 1a nach einer Strukturierung der außenliegenden Folien wieder. In diesem Verfahrensschritt wird die eigentliche Form der Kopfteile der ein­ zelnen Verbindungselemente 4 hergestellt. Das Muster des Strukturbildes wird entsprechend der kraft/formschlüssigen Verkettung ausgelegt.

Zu diesem Zweck wurden die außenliegenden Schichten mittels eines photolitographischen Prozesses (Beschichten mit Photolack, Belichten über Maske, Freimachen der zu ätzenden Zonen auf den Folien, Ätzen der Struktur, Lackstriping) strukturiert. Das Layoutbild ist so ausgelegt daß die geometrische Relation der Strukturen auf den beiden außenliegenden Fo­ lien 1, 3 sich in ihren Projektionen entlang der z-Achse teilweise überdecken, derart, daß jede Struktureinheit der Folie 1 wenigstens teilweise über einer Struktureinheit der Folie 3 liegt.

Fig. 1c zeigt die Darstellung aus der Fig. 1b, die einem weiteren Verfahrensschritt unterzo­ gen wurde. Die außenliegenden Strukturfragmente, die im vorherigen Verfahrensschritt er­ zeugt werden, dienen als Maske für einen zweiten Ätzvorgang, der das Abtragen der Mittel­ schicht 2 bewirkt. Die Strukturen, die aus den Folien 1 und 3 hervorgehen, sind resistent ge­ gen die Ätzwirkung dieses Prozesses.

Zur Entfernung von Material aus der Folie 2 in den Zonen, die nicht mit einem Fragment aus den strukturierten Folien 1 und 3 geschützt sind, kann beispielsweise ein Trockenätzprozeß mit einem Plasma verwendet werden, der zum Abtragen von unbedeckten Teilen der Folie 2 führt, ohne die z. B. aus Metall bestehenden außenliegende Strukturen anzugreifen. Favorisiert wird eine doppelseitige Wirkung des Ätzmediums.

In Fig. 1d ist das Zusammenfügen von zwei Anordnungen 8, 9 dargestellt. Hier erfolgt die Verbindung zwischen zwei nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Anordnungen, indem die Konstruktionsprinzipien einer Renkverbindung eingehalten werden oder eine Ver­ kettung nach dem Prinzip eines flächigen Reißverschlusses zustande kommt. Alternativ dazu kann die Verbindung zwischen einer nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten An­ ordnung und einer anderen Anordnung, hergestellt nach bekannten Technologien, und die zur Herstellung der Verbindung notwendige Struktur- bzw. Oberflächenbeschaffenheit besitzt (bspw. Klettverschlußband, Textilien), realisiert werden.

Fig. 2 gibt einige der möglichen Geometrien von Verbindungselementen 4 wieder. Vergrößert dargestellt sind Ausschnitten aus plasmageätzten Strukturen.

Die Entstehung der Verbindungselemente 4 wird durch zwei Faktoren erreicht. Zum einen ist der mit einer Unterätzung behaftete Trennvorgang für die Bildung von einem Stiel 6 bzw. Steg unter dem Kopfteil 5 verantwortlich, in dem der Stiel in seinem kleinsten Querschnitt kleiner als der Kopfteil 5 ist.

Zum anderen ist es völlig dem Konstrukteur überlassen, wie die Struktur zu gestalten ist, der­ art daß unter der zweiseitigen Wirkung des Ätzvorganges an den Überdeckungsstellen zwi­ schen Kopfteil 5 und Trägerteil 7 Stiele bzw. Stege 6 aus dem Folienmaterial 2 verbleiben und die übrigen Zonen der Strukturen von 5 und 6 vom Material befreit werden. Da das Struktur­ bild der eigentlichen außenliegenden Teile 5 und 7 über die Photolitographieprozesse hinaus frei wählbar ist und beispielsweise so ein Layout gewählt wird, wodurch das Kopfteil 5 nicht völlig durch den schmaleren Trägerteil 7 von der doppelseitigen Ätzwirkung abgeschirmt ist, kann erreicht werden, daß die frontalen Abmessungen der Kopfteile 5 größer/gleich der Stiele 6 dimensioniert sind.

Fig. 3 zeigt zwei Anordnungen hergestellt nach dem aus der Fig. 1 zu entnehmenden Ver­ fahren. Abgebildet ist ein Ausführungsbeispiel einer Renkverbindung als eine mögliche Va­ riante der mikromechanischen Verbindung.

Die Anordnungen 8 und 9 sind so ausgelegt daß die Kopfteile 5 der Anordnung 8 in den Aus­ nehmungen der Anordnung 9 eingepaßt werden können. Werden die Teile durch eine Ortsver­ änderung entlang der z-Achse axial ineinander gefügt, indem nur die Kopfteile der Anordnung 8 zwischen den Lamellen 10 der Anordnung 9 gesenkt werden, dann ist durch eine zusätzliche translatorische Bewegung entlang der x-Achse eine Verhakung der beiden Anordnungen in­ einander gegeben. Die somit realisierte Verbindung gewährleistet eine Lagesicherung in z- und y-Achse sowie in allen Drehrichtungen.

Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines flächigen Reißverschlusses hergestellt erfin­ dungsgemäß nach dem dargestellten Verfahren. In der Darstellung ist der Ablauf der Verha­ kung abgebildet. Alternativ dazu kann das Zusammenfügen und das Lösen der Verbindung mittels eines zusätzlichen Elementes (wie bei einem Reißverschluß) erfolgen.

Fig. 5 eine weitere Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Verbindung. Die hohe Genauigkeit der Fertigung der Anordnung, die durch das Verfahren gegeben ist, führt zu der Verwendung als mikromechanisches Zahnriemengetriebe. Durch das beschriebene Herstel­ lungsverfahren lassen sich z. B. mikromechanische Zahnriemen (Riemenzahnteilung p_b < 100 µm) anfertigen. Die Verkettung eines Zahnriemens mit einem Förderelement ist theo­ retisch eine kurzzeitige, lösbare Verbindung zur Kräfteübertragung.

Du die Trockenätzverfahren durch eine gute Justierbarkeit der Ätzrate und der End-Punkt-Be­ stimmung gekennzeichnet sind, lassen sich Strukturen wie der abgebildete Zahnriemen her­ stellen, bei denen ein teilweises Abtragen des Folienmaterials 2 zum Zwecke der Stabilisie­ rung vorgesehen ist. Im Gegensatz zu den in der Fig. 2 abgebildeten Verbindungselementen wird hier die Mittelschicht 2 nicht vollständig abgetragen, so daß ein verstärktes Trägerband des Zahnriemens gebildet wird.

Claims (12)

1. Mikromechanische Verbindung, bestehend aus wenigstens einer Anordnung (8; 9) mit den Verbindungselementen (4), die durch eine form- und/oder kraftschlüssige Paarung mit ei­ ner weiteren Anordnung mittels an sich bekannter konstruktiver Prinzipien, wie Reiß-, Renk-, Klettverschluß o. dgl., eine mechanische Zusammenfügung bilden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) aus einem Kopfteil (5) und einem Stiel (6) besteht, wobei das Material des Kopfteils (5) eine höhere Resistenz gegenüber Ätzprozes­ sen als der Stiel (6) aufweist, der Stiel (6) in seinem kleinsten Querschnitt kleiner als der Querschnitt des Kopfteiles ist, eine Vielzahl von Verbindungselementen (4) auf einem Trä­ ger (7) angeordnet sind, und Verbindungselemente (4) und Träger (7) eine Anordnung (8; 9) bilden, die mit einer weiteren Anordnung (8; 9) oder einer Anordnung eines Reiß-, Renk-, oder Klettverschlusses die mikromechanische Verbindung ergeben.

2. Mikromechanische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paa­ rung der Anordnungen (8, 9) durch eine determinierte Anordnung von Verbindungselemen­ ten (4) mit einer beliebig wählbaren Geometrie gebildet wird.

3. Mikromechanische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die me­ chanischen Eigenschaften der mikromechanischen Verbindung durch die Trägematerialien (7) und deren Haftfestigkeit im Foliensystem eingestellt werden.

4. Mikromechanische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ bindungselemente (4) aus einem Kopfteil (5) aus Metall und einem Stiel (6) aus Kunststoff bestehen.

5. Mikromechanische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mini­ male Bauhöhe der Verbindung durch die Dicke der verwendeten Folienkomponenten (1); (2) und (3) bestimmt wird.

6. Mikromechanische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beid­ seitig kaschierte Folie (2) aus einem thermoplastischen Material besteht und unter Anwen­ dung von Wärme, die eine Plastifizierung der Verbindungselemente (4) bewirkt, die Ver­ bindung lösbar ist.

7. Mikromechanische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine An­ ordnung (8 oder 9) in Form eines Zahnrades und die andere Anordnung in Form eines Ban­ des ausgebildet ist, wobei die mikromechanische Verbindung leicht lösbar ist und ein Zug­ mittelglied eines Getriebes bildet.

8. Mikromechanische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine An­ ordnung (8; 9) vorgesehen ist, und die weitere Anordnung ein textiles Flächengebilde ist, dessen freie Faserenden die Verbindungselemente (4) umschlingen.

9. Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Verbindungen, bestehend aus wenigsten einer Anordnungen (8; 9) mit mikromechanischen Verbindungselemente (4) nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein mindestens einlagiges Foliensystem (2) mittels an sich bekannter Verfahren ein- oder beidseitig mit homogenen oder schichtaufweisenden Folien (1) und (3) verse­ hen wird,
• b) der Layoutentwurf zur Strukturierung der außenliegenden Folienschichten (1) und (3) photolithographisch erfolgend so ausgelegt ist, daß die Strukturen auf den beiden außenliegenden Folien sich in ihren Projektionen entlang der z-Achse mindestens teilweise überdecken und die Strukturen eine Verkettung nach bekannten Konstruk­ tionsprinzipien ermöglichen,
• c) die geometrischen Strukturen zum Zwecke der Verbindung aus den außenliegenden Folien (1) und (3) mittels bekannter Strukturierungsverfahren hergestellt werden und dabei das Foliensystem (2) nicht vom Ätzprozeß angegriffen wird,
• d) die von den außenliegenden Folienschichten (1) und (3) ungeschützten Gebiete des Foliensystems (2) in einem weiteren Trockenätzverfahren abgetragen werden, in­ dem aufgrund des mit Unterätzung behafteten Ätzprozesses Verbindungselemente (4) aus Kopfteil (5) oder Fragment (10) des strukturierten Materials und aus minde­ stens einem Stiel (6) des Foliensystemmaterials (2) gebildet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung der Folien (1) und (3) in einem naßchemischen Ätzprozeß erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als trockenes Ätzverfah­ ren Plasmaätzen durchgeführt wird, wobei eine geringfügige Unterätzung toleriert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Foliensystem mit den Komponenten (1), (2) und (3) eine doppelseitig kupferkaschierte Polyimidfolie ver­ wendet wird.