DE4031248A1 - Mikromechanisches element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Element entspre­ chend dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein solches Element ist aus der DE 38 09 597 A1 bekannt. Es besteht aus einem Substrat, an dem eine Zunge teilweise haftet und einer Ätzgrube im Substrat, in die sich die Zunge bei Tem­ peraturveränderung bewegt. Das Heizelement, das diese Bewegung auslöst, sitzt - von oben gesehen - symmetrisch angeordnet als Plättchen auf der Zunge.

Nachteilig ist hierbei, daß der Heizwiderstand auf der teil­ weise beweglichen Zunge angebracht ist und daß bei der Bewe­ gung die Verbindungsfläche zwischen Heizwiderstand und Zunge mechanisch stark beansprucht wird, so daß die Gefahr besteht, daß sich der Heizwiderstand ablöst. Ferner läßt das bekannte Element nur Bewegungen senkrecht zum Substrat zu. Meist ist jedoch eine Bewegung parallel zum Substrat günstiger, weil sich damit z. B. Zahnstangen oder Zahnräder und dergleichen an­ treiben lassen.

Aufgabe der Erfindung ist, die aufgezeigten Nachteile bei dem mikromechanischen Element der eingangs genannten Art zu besei­ tigen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher er­ läutert.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht des mikromechanischen Elements.

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung, wobei der Mikrostrukturkör­ per teilweise von einem Metallmantel umgeben ist.

Fig. 3, 4 und 5 zeigen verschiedene Schritte eines Herstel­ lungsverfahrens für die erfindungsgemäßen Elemente.

In Fig. 1 ist ein mikromechanisches Element dargestellt, bei dem sich auf einem elektrisch nicht leitenden Substrat 1, etwa einem Silizium-Wafer, einem Glas- oder Keramiksubstrat, ein Mikrostrukturkörper aus Kunststoff und Metall befindet. Der Mikrostrukturkörper besteht aus einem Grundkörper 2, der fest auf dem Substrat haftet und aus einer Zunge 3, die einen Ab­ stand von wenigen Mikrometern zum Substrat besitzt. Auf einer Seite der Zunge 3 ist asymmetrisch ein Heizwiderstand 4 einge­ lassen, der eine U-Form aufweist, wobei ein Schenkel der U-Form mäanderförmig gestaltet ist. Die Maße des Heizwiderstands sind so gewählt, daß einerseits in diesem Bereich der Zunge 3 der Metallanteil sehr hoch, beispielsweise über 50% ist, andererseits sein elektrischer Widerstand in einem für den vorgesehenen Verwendungszweck geeigneten Bereich liegt. Vor­ teilhaft sind hohe Widerstände, da damit die Zunge rasch und mit kleinen Stromstärken erwärmt werden kann. Der Heizwider­ stand ist mit größeren Metallstrukturen 5 (Bond Pads) verbun­ den, die Kontakte darstellen, an welche von außen eine Strom­ quelle angeschlossen wird.

Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Kon­ takte 5 fließt ein Strom durch den Heizwiderstand der Zunge und erwärmt sie. Da die Zunge aus Kunststoff und einem Kunst­ stoff-Metall-Verbund besteht, deren Wärmeausdehnungskoeffizi­ enten sich unterscheiden, kommt es zu inneren Spannungen. In­ folge der asymmetrischen Anordnung des Heizwiderstandes bewegt sich die Zunge bei Temperaturveränderungen parallel zum Sub­ strat.

Die Höhe der Zunge senkrecht zum Substrat gemessen liegt typi­ scherweise im Bereich von 300 µm, ihre Breite (Schnitt A-A) etwa zwischen 50 und 150 µm.

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung dieses mikromechanischen Ele­ ments, bei dem die Zunge 3 vollständig mit einer Metallstruk­ tur 12 umgeben ist. Damit die Verbindung zwischen Zunge 3 und dem Metallmantel 12 auch bei Spannungen erhalten bleibt, wer­ den das Metall und der Kunststoff der Zunge ineinander ver­ zahnt, z. B. durch Schwalbenschwanznuten 15.

Das mikromechanische Element nach Fig. 1 kann durch ein Ver­ fahren hergestellt werden, das in den Fig. 3, 4 und 5 dar­ gestellt ist. Fig. 5 zeigt das fertige Element.

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht und Fig. 4 einen Schnitt (B-B in Fig. 1) durch das mikromechanische Element während der Her­ stellung.

Auf einem dünnen nichtleitenden Substrat 1 wird zunächst eine Metallschicht 6 mit einer Dicke von vorzugsweise weniger als 1 µm durch Aufdampfen oder Aufsputtern aufgebracht, die mit den bekannten Schritten der Mikroelektronik (Belacken, Belich­ ten, Entwickeln, selektiv Ätzen) strukturiert wird. In einem weiteren Schritt wird mit denselben Methoden eine Abstands­ schicht 7 mit einer Dicke von vorzugsweise weniger als 10 µm aufgebracht, die analog strukturiert wird (Fig. 3). Dabei muß diese Abstandsschicht 7 selektiv abätzbar sein. Dies ist z. B. möglich, wenn man als Metallschicht 6 Silber, Chrom, Kupfer, Nickel oder Gold wählt und als Abstandsschicht 7 Titan. Der Teil 6a der Metallschicht 6 dient dem späteren Anschluß der Galvanikelektrode.

Alternativ kann als Abstandsschicht auch eine Kunststoff­ schicht verwendet werden, die metallisiert wird.

Auf dieses vorbereitete Substrat wird dann eine Resistschicht aufgebracht, die später sowohl den nichtleitenden Teil des Mikrostrukturkörpers 2, 3 als auch die Form für die galvani­ sche Abscheidung des Heizwiderstands 4 und der Metallstruktu­ ren 5 bildet.

Hierzu wird gem. Fig. 4 der Resist z. B. mit Röntgenstrahlung 8 über eine Röntgenmaske 9 bestrahlt.

Die bestrahlten Teilbereiche 10 und 11 des Resits werden mit einem geeigneten Entwickler entfernt, wobei die unbestrahlten Bereiche stehen bleiben.

In einem anschließenden Galvanikprozeß werden die frei ent­ wickelten Bereiche 10, die am Untergrund eine metallische Schicht 6 oder 7 aufweisen, mit Metall für den Heizwiderstand 4 und die Metallstrukturen 5 aufgefüllt. Hierzu wird eine Stromquelle an den Teil 6a der Metallschicht angeschlossen. Zur Verhinderung einer unerwünschten galvanischen Metallab­ scheidung im Bereich 6a kann dieser mit einem isolierenden Lack abgedeckt werden.

Nach der galvanischen Abscheidung des Metalls wird die Ab­ standsschicht 7 durch selektives Ätzen entfernt. Dabei muß selbstverständlich das Metall 4 beständig gegen das Ätzmittel sein, mit dem die Abstandsschicht entfernt wird. Nimmt man als Abstandsschicht z. B. Titan, so können für die Metallstruktur viele andere Materialien, z. B. Chrom, Silber, Kupfer, Nickel oder Gold gewählt werden.

In diesem Fall kann als Ätzmittel eine 5%ige Flußsäurelösung verwendet werden.

Fig. 5 zeigt das fertige mikromechanische Element nach Fig. 1 im Schnitt A-A.

Der Mikrostrukturkörper 2, 3 kann auch auf einem metallischen Substrat aufgebaut werden. In diesem Fall entfällt die Metall­ schicht 6. Dafür muß aber gesorgt werden, daß die galvanische Metallabscheidung nur an den Stellen erfolgt, die den Heizwi­ derstand 4 und die Kontakte 5 bilden. Dies kann entweder durch eine strukturierte Isolationsschicht, z. B. einen Photolack, erfolgen, die vor dem Auftragen des Resists auf das metalli­ sche Substrat aufgebracht wird.

Alternativ können nach dem Bestrahlen und Entwickeln die nicht zu galvanisierenden Bereiche mit einem Schutzlack abgedeckt werden.

In diesem Fall müssen die Kontakte 5 in den frei tragenden, beweglichen Teil 3 des Mikrostrukturkörpers verlegt werden, um die notwendige Isolierung zu gewährleisten.

Das in Fig. 1 dargestellte Element kann mit einer einzigen Be­ strahlung hergestellt werden, bei der sowohl die Resistberei­ che 10, die als Form für das elektrisch leitende Material die­ nen, als auch die zu entfernenden Resistbereiche 11 bestrahlt werden.

Das mikromechanische Element nach Fig. 2 wird durch zwei ju­ stierte Bestrahlungen hergestellt.

Im ersten Schritt werden alle Bereiche bestrahlt und ent­ wickelt, welche mit Metall aufgefüllt werden sollen. Nach der Galvanik werden die nicht benötigten Resistbereiche bestrahlt und durch den Entwickler entfernt.

Da bei dem mikromechanischen Element nach Fig. 2 die Bereiche des Resist, die die Form für den Metallmantel 12 bilden, und die Bereiche 11, die ganz entfernt werden, nebeneinander lie­ gen und so nicht mehr durch einen verbleibenden Resistbereich getrennt sind, muß dieses Element durch zwei Bestrahlungen hergestellt werden.

Es ist weiterhin auch möglich, den Mikrostrukturkörper durch Kunststoffabformung (Spritzguß, Reaktionsguß oder Prägetech­ nik) und Mikrogalvanik herzustellen. Dazu können die Abform­ werkzeuge in bekannter Weise mit Hilfe der Röntgenlithographie und Mikrogalvanik hergestellt werden.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen mikromechani­ schen Elements liegt -neben der Tatsache, daß die Auslenkung parallel zum Substrat erfolgt- darin, daß der Heizwiderstand 4 eine wesentlich festere Verbindung mit dem Kunststoffmaterial der Zunge 3 eingeht. Diese Verbindung wird noch verstärkt, wenn der Heizwiderstand zumindest teilweise mäanderförmig ge­ staltet ist. Alternativ kann er bei Bedarf in einem Verfah­ rensschritt zusätzlich mit Verzahnungselementen versehen wer­ den.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit dem erfindungsge­ mäßen mikromechanischen Element Steuerelemente z. B. für Gas- oder Flüssigkeitsströme, Zahnräder oder Zahnstangen und dgl. angetrieben werden können, die sich auf dem gleichen Substrat mit demselben Bestrahlungs-, Entwicklungs-, Ätz- und Galvanik­ schritt herstellen lassen.

Dadurch entfallen zusätzliche Justierschritte.

Claims (6)

1. Mikromechanisches Element, bestehend aus

• a) einem Substrat
• b) einem am Substrat haftenden, gegenüber diesem durch Tem­ peraturänderung teilweise beweglichen Mikrostrukturkör­ per, der seinerseits
  • b1) aus einem elektrisch nicht leitenden und
  • b2) aus einem elektisch leitenden Material aufgebaut ist, wobei,
  • b3) zumindest ein Teil des elektrisch leitenden Materials einen Heizwiderstand bildet,

dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand im beweglichen Teil des Mikrostrukurkörpers in senkrechter Richtung auf das Substrat gesehen asymmetrisch versetzt angeordnet und vollständig im Mikrostrukturkörper versenkt ist, wobei seine Dicke in der angegebenen Richtung der Dicke des Mikrostrukturkörpers entspricht.

2. Mikromechanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Heizwiderstand eine U-Form aufweist.

3. Mikromechanisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens ein Schenkel des U-förmigen Heizwiderstands eine Mäanderform aufweist.

4. Mikromechanisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrostrukturkörper zumindest teilweise von einem Me­ tallmantel umgeben ist.

5. Mikromechanisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material mit dem elektrisch nicht leitenden Material verzahnt ist.