DE19829202A1 - Mikrosystem und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikrosystem sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Mikrosystem enthält als Hauptelement sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksame Bestandteile, die in Form von kleinvolumigen Komponenten, beispielsweise als Fasern oder Pulver, vorliegen. Unter kleinvolumig ist hierbei insbesondere zu verstehen, daß diese Komponenten zumindest in einer Dimension Abmessungen von weniger als 200 mum aufweisen. Die Komponenten werden erfindungsgemäß ohne ein Substrat allein von ihren funktionsvermittelnden Elementen getragen. Die funktionsvermittelnden Elemente sind für die sensorische und/oder aktorische und/oder optische Funktion der Komponenten notwendig. DOLLAR A Durch Verzicht auf ein Substrat und die Verwendung der funktionsvermittelnden Elemente in einer Doppelfunktion, d. h. zur Erzeugung der mechanischen Stabilität des Systems und zur beispielsweise elektrischen Ansteuerung der Komponenten, können das Volumen und die Steifigkeit des Systems erheblich reduziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrosystem mit senso­ risch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksamen Bestandteilen sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der in vielen Bereichen zunehmende Einsatz von Sensoren und Aktoren. Einige Anwendungen erfordern hierbei Sensoren, Aktoren oder optische Systeme reduzierten Volumens (miniaturisierte Systeme) und/oder reduzierter Steifigkeit und/oder nichtgeschlossener Strukturen. Insbesondere im Einsatzbereich von Verbundwerkstoffen besteht ein zunehmender Bedarf an Mikrosystemen, die in den Werkstoff integriert werden können. Gerade für die Implementierung in Faserverbundstrukturen ist eine reduzierte Steifigkeit der Sensoren, Aktoren oder optischen Systeme erforderlich, da sonst die spezifi­ schen, strukturbedingten Eigenschaften der Verbundwerk­ stoffe nachteilig beeinflußt werden. Ein solcher nach­ teiliger Einfluß kann beispielsweise durch Steifig­ keitssprünge und/oder die Einführung zusätzlicher Grenzflächen in der Struktur verursacht werden.

Klassische Sensoren, Aktoren oder optische Systeme, die beispielsweise auf dem Einsatz piezoelek­ trischer Körper oder dotierter Gläser basieren, lassen sich zwar teilweise miniaturisieren, behalten aber in jedem Fall eine erhebliche Steifigkeit.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksames Mikrosystem anzugeben, das eine geringe Steifigkeit aufweist und für die strukturkon­ forme Integration in Verbundwerkstoffe geeignet ist. Weiterhin besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zur Herstellung des Mikrosystems bereitzustellen.

Die Aufgabe wird mit dem Mikrosystem nach Anspruch 1 und den Verfahren nach Anspruch 14 bzw. 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Mikrosystems und des Herstellungsverfahrens sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Das erfindungsgemäße Mikrosystem enthält als Hauptelemente sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksame Bestandteile, die in Form von klein­ volumigen Komponenten, beispielsweise als Fasern oder Pulver bzw. Granulat, vorliegen. Unter kleinvolumig ist hierbei insbesondere zu verstehen, daß diese Komponen­ ten zumindest in einer Dimension Abmessungen von weniger als 200 µm aufweisen. Weiterhin soll damit ausgedrückt werden, daß sich die Erfindung nicht auf stäbchen- oder faserförmige Komponenten beschränkt, sondern mit Komponenten beliebiger Geometrien reali­ siert werden kann.

Die Komponenten werden erfindungsgemäß ohne Ver­ wendung eines Substrates allein von ihren funktionsver­ mittelnden Elementen, beispielsweise von Ansteuerungs­ elementen, getragen. Die funktionsvermittelnden Ele­ mente sind für die sensorische, aktorische und/oder optische Funktion der Komponenten notwendig.

Durch Verzicht auf ein Substrat und die Verwendung der funktionsvermittelnden Elemente in einer Doppel­ funktion, d. h. zur Erzeugung der mechanischen Stabili­ tät des Systems und zur beispielsweise elektrischen Ansteuerung der Komponenten, können das Volumen und die Steifigkeit des Systems erheblich reduziert werden.

Vorzugsweise sind die Komponenten dünne, bei­ spielsweise elektrostriktive Fasern, die einen Durch­ messer von weniger als 100 µm aufweisen. Die besten Ergebnisse werden mit Fasern von ≦ 30 µm Durchmesser erzielt. Im Falle paralleler Anordnung der Fasern in einer Monolage werden die funktionsvermittelnden Ele­ mente, die bei elektrostriktiven Fasern Elektroden sind, vorzugsweise in Interdigitalgeometrie angeordnet, wobei sich die Elektroden senkrecht zur Längsachse der Fasern erstrecken. Die Länge der Fasern beträgt in der Regel zwischen 5 mm und 15 cm.

Die sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksamen Materialien können beispielsweise besondere optische, optogalvanische, photoelektrische, elektro­ mechanische, magnetomechanische, magnetoelektrische, akustoelektrische, pyroelektrische oder thermoelek­ trische Eigenschaften oder Kombinationen dieser Eigen­ schaften aufweisen. Hierbei kann es sich z. B. um Gläser, Keramiken, Halbleiter oder Polymere handeln.

In der technischen Ausführung können beispiels­ weise aus diesen Materialklassen bestehende Komponenten z. B. durch (homogene oder inhomogene, vollständige oder teilweise) Dotierungen, Beschichtungen usw. modifiziert sein.

Die erfindungsgemäßen substratlosen Mikrosysteme weisen in vorteilhafter Weise ein reduziertes Material­ volumen und eine minimierte Steifigkeit auf. Dadurch können sie in oder an Bauteile oder Verbundwerkstoffe ein- bzw. angebracht werden, ohne deren (optimierte) mechanische Eigenschaften maßgeblich zu beeinflussen. Somit ist eine strukturkonforme Integration des erfin­ dungsgemäßen Mikrosystems in ein Bauteil oder einen Verbundwerkstoff möglich.

Die Mikrosysteme finden insbesondere Verwendung als Sensor und/oder Aktor in adaptronischen Verbund­ systemen wie beim adaptiven Flugzeugflügel, beim Impact-Sensor beispielsweise für Raumfähren, bei adap­ tiven Optiken (Spiegelgeometrie, Linsenposition) etwa in Halbleiterlithographen, bei aktiver Schwingungs­ kontrolle bei Präzisionsmaschinen wie z. B. Bestückungs­ automaten, oder bei der Schwingungsdämpfung beispiels­ weise bei Magnetresonanztopographen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verbundsystem mit einem integrierten Mikrosystem. Das Mikrosystem zeichnet sich dadurch aus, daß es neben den sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirk­ samen, kleinvolumigen Komponenten nur funktionsvermit­ telnde Elemente wie beispielsweise Ansteuerelektroden enthält, also kein Trägersubstrat aufweist. Hierdurch wird eine strukturkonforme Integration des Mikrosystems in das Verbundsystem erreicht.

Die weiteren Ausgestaltungen des Mikrosystems in dem Verbundsystem entsprechen denen der Ansprüche 2 bis 11, wobei jedoch die funktionsvermittelnden Elemente keine (mechanisch) tragende Funktion ausüben müssen.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikro­ systems sowie des Verfahrens zur Herstellung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Ver­ bindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 ein Beispiel für einen Hilfsrahmen mit einer aufgebrachten Interdigital-Elektrodenstruktur zur Herstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrosystems;

Fig. 2 das Beispiel aus Fig. 1 mit aufgelegten elektrostriktiven Fasern; und

Fig. 3 eine durch Abtrennung des Hilfsrahmens der Fig. 1 entstandene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrosystems.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Mikrosystems, bei der die aktorischen bzw. sensorischen Bestandteile elektrostriktive Fasern mit Durchmessern um 30 µm sind, die elektrisch kontaktiert werden.

Die nachfolgenden Schritte der Herstellung eines solchen Mikrosystems können mit bekannten Geräten, Verfahren und Materialien durchgeführt werden.

Zunächst wird ein Hilfsrahmen mit einer Kanten­ länge im mm- bis cm-Bereich, z. B. bestehend aus einer Polyimid-Folie (z. B. 50 µm Dicke) hergestellt. Der Hilfsrahmen muß hierbei selbstverständlich nicht unbe­ dingt eine geschlossene oder ebene Form, wie im Bei­ spiel dargestellt, aufweisen. Auch kompliziertere dreidimensionale Anordnungen können zur Halterung der Drähte oder Funktionselemente während der Fertigung geeignet sein.

Es schließt sich die klebetechnische Anbringung feiner, elektrisch leitfähiger Drähte (z. B. aus Kupfer mit einem Durchmesser von einigen µm bis zu einigen 10 µm) an dem Hilfsrahmen an, so daß die Drähte das freie Feld innerhalb des Rahmens in ähnlicher Weise wie ein Netz oder ein Gitter ausfüllen, und eine geeignete Elektrodenstruktur (z. B. Interdigital-Elektroden) entsteht. Die Interdigitalstruktur zeichnet sich durch zwei spiegelbildliche, leicht versetzt ineinander­ greifende, kammartige Elektroden aus. An den beiden Elektrodenstrukturen wird je eine elektrische Zuleitung angebracht. Die Kontaktierung zwischen den Elektroden­ strukturen und den Zuleitungen kann beispielsweise mittels elektrisch leitfähigen Klebstoffs erfolgen. Fig. 1 zeigt diese Anordnung schematisch. Die leit­ fähigen Drähte (1) sind in interdigitaler Anordnung so am Hilfsrahmen (2) befestigt, daß sie sich in den freien Bereich (3) innerhalb des Rahmens erstrecken, µm auf diese Weise den freien Bereich wie ein Netz zu überdecken. Die Drähte sind mit elektrischen Zuleitun­ gen (4) verbunden.

Auf diese Drahtstruktur werden schließlich die elektrostriktiven Fasern, beispielsweise mittels geeig­ neter Vakuum-, elektrostatischer oder Adhäsionsgreifer, in paralleler Anordnung aufgebracht. Das Aufbringen kann selbstverständlich auch mit anderen geeigneten Handhabungstechniken oder in anderen Anordnungen - etwa als ungeordnete Kurzfaserschüttung - erfolgen.

Fig. 2 zeigt den Hilfsrahmen aus Fig. 1 mit den zusätzlich aufgebrachten elektrostriktiven Fasern (5) Da allein durch das Aufliegen der Fasern auf den Drähten noch keine ausreichende Kontaktierung gewähr­ leistet ist, wird anschließend eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Drähten und den Fasern z. B. mittels eines elastischen elektrisch leit­ fähigen Klebstoffs hergestellt. Niederviskose Kleb­ stoffe können hierbei eigenständig den größten Teil der Oberflächen in dünner Schicht umfließen und so die gewünschten elektrischen Verbindungen herstellen. Höherviskose Klebstoffe lassen sich mittels Mikrodis­ penstechniken gezielt an den Kreuzungspunkten von Fasern und Drähten aufbringen.

Optional kann zur Verbesserung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften - auch im Hinblick auf eine spätere Integration des Mikrosystems in ein größeres Bauteil - eine dünne Beschichtung oder, wenn es die spätere Anwendung zuläßt, ein dickerer Verguß des Fasergeleges mit einem Polymer erfolgen.

Anschließend wird der Hilfsrahmen abgetrennt. Dies ist besonders einfach möglich, wenn die Verdrahtung über eine lösbare Klebeverbindung auf dem Hilfsrahmen befestigt wurde. Nach Abtrennung des Hilfsrahmens verbleiben nur noch die kontaktierten elektrostriktiven Fasern, die von den Elektroden getragen werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Dieses Mikrosystem ist als Halbzeug einsetzbar.

Alternativ können zur Steigerung der Wirksamkeit des Mikrosystems auf beiden Seiten der Interdigital- Elektrodenstruktur Fasern in analogen Verfahrens­ schritten angebracht werden. Ebenso sind Multilayer, bestehend aus mehreren Lagen von jeweils ein- oder beidseitig mit Fasern versehenen Interdigital-Elektro­ denstrukturen, herstellbar.

Eine weitere Verfahrensvariante besteht darin, nicht die Drähte, sondern die Fasern zunächst am Hilfs­ rahmen haftend zu befestigen. Die Drahtstruktur wird dann auf die Fasern appliziert. Die weiteren Verfah­ rensschritte erfolgen in analoger Weise zu obigem Ausführungsbeispiel.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel stellt ein Mikrosystem dar, das vom späteren Anwender als Halbzeug für die Integration in Verbundwerkstoffe einsetzbar ist.

Das erfindungsgemäße Mikrosystem ist ein substrat­ loses Gelege geringer Steifigkeit, das bevorzugt aus feinsten - ggfs. funktional (z. B. elektrisch oder optisch) kontaktierten - Fasern oder Komponenten mit anderen kleinvolumigen Geometrien besteht. Dieses Mikrosystem kann direkt während der Fertigung eines Bauteils, beispielsweise eines Verbundwerkstoffes oder Faserverbundes, in dieses Bauteil integriert werden. Hierzu kann beispielsweise der Schritt des Lösens der Verdrahtung vom Hilfsrahmen erst bei Aufbringung auf eine Lage bzw. Schicht der Verbundstruktur erfolgen, so daß der Rahmen gleichzeitig als Transportmedium für das Mikrosystem dient.

Optional kann ein Polymer auf das erzeugte Gelege aufgebracht werden. Eine Polymerbeschichtung ist insbe­ sondere bei der beabsichtigten Integration des Mikro­ systems in einen elektrisch leitenden Kohlenstoffaser­ verstärkten Werkstoff für die elektrische Isolierung des Mikrosystems vom umgebenden Bauteil erforderlich, da ansonsten Kurzschlüsse im Mikrosystem auftreten könnten.

Für die Integration eines substratlosen Mikro­ systems in das Verbundsystem können bei Fertigung des Verbundsystems die Fasern direkt auf eine Schicht des Verbundsystems abgelegt werden. Hierbei kann die Elek­ trodenstruktur vor und/oder nach der Ablage der Fasern, beispielsweise in Form eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs, appliziert werden. Die Aushärtung des Klebstoffs kann dabei im gleichen Verfahrensschritt wie die Härtung des Verbundsystems erfolgen.

Eine tragende Funktion der Elektroden ist bei diesem System nicht erforderlich. Auch hierbei entsteht somit ein Mikrosystem, das innerhalb des Verbundsystems ohne Substrat vorliegt.

Claims (24)

1. Mikrosystem mit sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksamen Bestandteilen, die in Form von kleinvolumigen Komponenten (5) vorliegen, wobei die Komponenten allein von funktionsvermit­ telnden Elementen (1) getragen werden, die für die sensorische und/oder aktorische und/oder optische Funktion der Komponenten (5) erforderlich sind.

2. Mikrosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinvolumigen Komponenten (5) dünne Fasern sind, die einen Durchmesser von weniger als 100 µm aufweisen.

3. Mikrosystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einen Durchmesser von ≦ 30 µm auf­ weisen.

4. Mikrosystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern parallel zueinander in einer Mono­ lage angeordnet sind.

5. Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten aus piezoelektrischen, magne­ tostriktiven oder elektrostriktiven Materialien bestehen.

6. Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten aus einer Formgedächtnislegie­ rung bestehen.

7. Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten aus einem Glas oder einem Halbleitermaterial bestehen.

8. Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Komponenten modifiziert ist, insbesondere durch Dotierungen oder Beschichtun­ gen.

9. Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis B, dadurch gekennzeichnet, daß die funktionsvermittelnden Elemente (1) An­ steuerungselemente für die Komponenten sind.

10. Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die funktionsvermittelnden Elemente (1) Elek­ troden oder Zuführungsleitungen sind.

11. Mikrosystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden oder Zuführungsleitungen in Interdigitalgeometrie angeordnet sind.

12. Verbundsystem mit mehreren Materialschichten, in das ein Mikrosystem mit sensorisch und/oder akto­ risch und/oder optisch wirksamen, kleinvolumigen Komponenten integriert ist, wobei das Mikrosystem nur funktionsvermittelnde Elemente und kein Substrat aufweist.

13. Verbundsystem nach Anspruch 12 mit einem Mikro­ system nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

14. Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems der Ansprüche 1 bis 11 mit folgenden Schritten:

• - Bereitstellen eines Hilfsrahmens (2);
• - Anbringen feiner elektrischer Leitungen (1) an dem Hilfsrahmen, so daß diese am Rahmen haften und sich in den freien Bereich (3) innerhalb des Rahmens erstrecken;
• - Aufbringen von sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksamen Komponenten (5) auf die Leitungen innerhalb des Hilfsrahmens;
• - Erzeugen einer haftenden Verbindung zwischen den Leitungen und den Komponenten; und
• - Lösen der Leitungen und Komponenten von dem Hilfsrahmen oder Abtrennen des Hilfsrahmens.

15. Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems der Ansprüche 1 bis 11 mit folgenden Schritten:

• - Bereitstellen eines Hilfsrahmens (2);
• - Aufbringen von sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksamen Komponenten (5) auf den Hilfsrahmen, so daß diese am Rahmen haften und sich über den freien Bereich (3) innerhalb des Rahmens erstrecken;
• - Aufbringen feiner elektrischer Leitungen (1) auf die Komponenten innerhalb des Hilfsrahmens, so daß sie die Leitungen über den freien Bereich verteilt sind;
• - Erzeugen einer haftenden und elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Leitungen und den Komponenten; und
• - Lösen der Komponenten und Leitungen von dem Hilfsrahmen oder Abtrennen des Hilfsrahmens.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsrahmen rechteckig ausgestaltet ist und eine Kantenlänge im Bereich von einigen mm bis mehreren cm aufweist, vorzugsweise zwischen 5 mm und 15 cm.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsrahmen aus einer Polymerfolie besteht.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsrahmen zumindest auf einer Seite mit einer haftvermittelnden Beschichtung versehen ist oder selbst aus einem haftvermittelnden Material besteht.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen elektrischen Leitungen den freien Bereich innerhalb des Rahmens netz- oder gitterartig ausfüllen.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Komponenten auf die Leitungen bzw. den Hilfsrahmen mit Hilfe eines Vakuum-, elektrostatischen oder Adhäsionsgreifers erfolgt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die haftende Verbindung zwischen den Leiturigen und den Komponenten durch Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Klebstoffes erzeugt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten zusätzlich mit einer Beschichtung überzogen werden.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten auf beiden Seiten der dünnen elektrischen Leitungen aufgebracht und/oder mehrere der entstehenden ein- bzw. beidseitigen Fasergelege als Multilayer geschichtet werden.

24. Verwendung des Mikrosystems der Ansprüche 1 bis 11 in einem Verbundwerkstoff, wobei das Mikrosystem bei der Herstellung des Verbundwerkstoffes auf eine Schicht des Verbundwerkstoffes aufgebracht und gegebenenfalls weitere Schichten auf das Mikrosystem auflaminiert werden.