DE4421494C1

DE4421494C1 - Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule unter Vermeidung der Wicklungstechnik

Info

Publication number: DE4421494C1
Application number: DE4421494A
Authority: DE
Inventors: Barbara Matthis; Alfons Thommes; Rolf Schwarz; Klaus Leyendecker; Monika Saumer; Walter Dr Stark; Rupert Laier
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-06-20
Filing date: 1994-06-20
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2014-06-21
Also published as: DE59502222D1; EP0689213A1; EP0689213B1; ATE166489T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mi krospule gemäß dem ersten Patentanspruch.

In der Mikrosystemtechnik spielen Mikrospulen, deren Windungen spiralförmig um ihre Längsachse verlaufen, eine wichtige Rolle. Solche Mikrospulen werden z. B. zum Antrieb von Aktoren in Mikroelektromotoren, Mikroventilen, Mikrorelais, Mikrosen soren etc. benötigt.

Ebene, spiralförmig gewundene Mikrospulen lassen sich in na hezu beliebiger Windungszahl mit Hilfe des bekannten LIGA- (Lithographie und galvanische Abformung)-Verfahrens problemlos herstellen. Spulen mit Windungen, die spiralförmig um ihre Längsachse verlaufen, erfordern bei Anwendung dieses Verfah rens einen hohen Aufwand, da jede Windung einzeln mit Hilfe einer justierten Bestrahlung, Entwicklung und galvanischen Ab formung hergestellt werden muß. Solche Spulen lasen sich zwar gemäß dem deutschen Gebrauchsmuster DE 93 18 386 U1 durch Wickeln herstellen; der Wicklungstechnik sind jedoch bei sehr dünnen Spulenwindungen Grenzen gesetzt.

Aus der JP 2-2562 A in Patents Abstracts of Japan, Sect. E, Vol. 14 (1990), Nr. 584 (E-1018), ist eine weitere (nicht entwickelte) Mikrospule bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für eine Mikrospule anzugeben, bei den Spulen mit sehr feinen Windungen ohne Anwendung der Wicklungstechnik rationell herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im ersten Patentanspruch beschriebene Verfahren gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen dieses Verfahrens an.

Erfindungsgemäß wird ein Draht aus einem elektrisch leitfähigen Material, der mit einer isolierenden Schicht überzogen ist, bereitgestellt. Das elektrisch leitende Material wird so ausgewählt, daß es sich gegenüber dem Material der durch gal vanische Abscheidung erzeugten Spule selektiv entfernen läßt. Vorzugsweise wird als elektrisch leitendes Material ein Metall eingesetzt, wobei sich das Metall des Drahtes gegenüber dem in einem späteren Schritt galvanisch abzuscheidenden Metall oder der Metallegierung etwa durch Säuren, Eisen(III)chlorid, Per sulfatätzlösungen oder anderen bekannten Ätzmitteln selektiv entfernen läßt. Als elektrisch leitendes Material für den Draht kann prinzipiell auch Kohlenstoff eingesetzt werden, so fern das im späteren Schritt galvanisch abzuscheidene Metall oder die Metallegierung bei einer thermischen Entfernung des Kohlenstoffs ausreichend beständig ist.

Es lassen sich kommerziell angebotene Drähte einsetzen, die bereits mit einer isolierenden Schicht versehen sind. Zur Her stellung sehr feiner Mikrospulen kann, z. B. auf handelsübli che Drähte aus Silber zurückgegriffen werden, deren isolie rende Schicht einige µm (z. B. 2,5 oder 5 µm) dick ist und aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyurethan besteht. Drähte aus anderen Metallen lassen sich durch die üblichen Beschichtungstechniken auf einfache Weise mit einer Isolierung z. B. aus Kunststoffen wie PTFE, Lacken etc. versehen.

Durch die Dicke des Drahtes ist der Innendurchmesser der fer tiggestellten Spule vorgegeben, sofern keine zusätzlichen Maß nahmen vorgesehen werden. Besonders vorteilhaft ist das erfin dungsgemäße Verfahren, wenn sehr dünne Drähte, z. B. mit einem Durchmesser von 500 µm bis unter 100 µm eingesetzt werden, da sich Mikrospulen einer solchen Größe durch Wickeln nur schwer herstellen lassen. Im Handel werden Drähte mit Durchmessern von 200 µm. 125 µm, 100 µm und 75 µm angeboten, die sich zur Herstellung einer Mikrospule eignen.

Nunmehr werden diejenigen Teile der isolierenden Schicht ent fernt, die auf einer Schraubenlinie liegen, so daß an diesen Stellen das elektrisch leitende Material des Drahtes frei liegt. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß der Draht mit seiner Isolierung unter Rotation um die Längsachse und kon stantem Vorschub an einem Schneidwerkzeug vorbeigeführt wird. Die Gestalt der Schraubenlinie bestimmt im wesentlichen die Gestalt der späteren Spule. Durch den Abstand der Windungen der Schraubenlinie zueinander wird in der fertiggestellten Spule die Breite der Wicklungen in ihrer Längsrichtung be grenzt.

Der Draht mitsamt den nicht entfernten Teilen der isolierenden Schicht wird nun in ein galvanisches Bad gebracht und als Kathode geschaltet. Durch Anlegen einer Spannung zwischen der Anode des Bades und dem als Kathode geschalteten Draht schei den sich auf den von der isolierenden Schicht befreiten Teilen des Drahtes Metall oder eine Metallegierung ab. Das Metall oder die Metallegierung füllt zuerst die Windungen der Schrau benlinie aus, bis die zuvor entfernten Bereiche der isolierenden Schicht durch das Metall oder die Metallegierung ersetzt sind und die Oberfläche sowohl der verbliebenen Teile der iso lierenden Schicht als auch der galvanischen Abscheidung eine glatte Fläche ausbilden. Die galvanische Abscheidung kann in diesem Stadium beendet werden, wenn die isolierende Schicht eine Dicke aufweist, die der gewünschten Dicke der Spulenwin dungen in radialer Richtung entspricht.

Wird die galvanische Abscheidung fortgesetzt, überwächst das galvanisch abgeschiedene Metall oder die Metallegierung Teile der verbliebenen isolierenden Schicht und bildet dadurch einen im Querschnitt halbkreisförmigen Überstand über den ausgefüll ten Windungen der Schraubenlinie. Hierdurch können Mikrospulen hergestellt werden, deren Wicklungen in radialer Richtung dicker sind als die Dicke der isolierenden Schicht. Um einen Kurzschluß in der Mikrospule zu vermeiden, muß die galvanische Abscheidung beendet werden, bevor das galvanische Seitenwachs tum so weit fortgeschritten ist, daß die galvanische Abschei dung über einer Windung die galvanische Abscheidung über den benachbarten Windungen der Schraubenlinie berührt. Der Abstand der Windungen der Schraubenlinie begrenzt deshalb die erreich bare Dicke der Wicklungen der fertiggestellten Mikrospule.

Die galvanische Abscheidung des Metalls oder der Metallegie rung erfolgt gleichmäßiger, wenn der Draht im galvanischen Bad während der Metallabscheidung in Rotation um seine Längsachse versetzt wird. Alternativ kann eine rohrförmige Anode einge setzt werden, die den Draht umgibt.

Spulen mit besonders kleinem Innendurchmesser und vergrößerter Dicke der Wicklungen in radialer Richtung können hergestellt werden, wenn der mit der schraubenlinienartig bearbeiteten isolierenden Schicht versehene Draht vor dem Galvanikschritt angeätzt wird. Hierdurch entstehen an den freiliegenden Stel len des Drahtes vertiefte Gräben. Als Ätzmittel werden bei me tallischen Drähten die bekannten Reagenzien eingesetzt. Das verwendete Ätzmittel darf die isolierende Schicht nicht an greifen. Auf diese Weise kann der Durchmesser des Drahtes an den geätzten Stellen ohne Schwierigkeiten um 20 bis 30% re duziert werden. Bei der nachfolgenden galvanischen Abscheidung werden die vertieften Gräben ausgefüllt, wodurch der Innen durchmesser der fertigen Spule gegenüber dem Durchmesser des verwendeten Drahtes um denselben Betrag reduziert wird.

Nach der galvanischen Abscheidung des Metalls oder der Metallegierung empfiehlt es sich besonders bei sehr kleinen Spulen, das galvanisch abgeschiedene Metall und die verblei bende Isolierung mit einem chemisch beständigen Kunststoff oder Lack zu überziehen. Hierfür eignet sich z. B. PTFE, Poly imid oder andere gegen Ätzmittel beständige Kunststoffe oder Lacke. Der Überzug darf bei der nachfolgenden selektiven Ent fernung des Drahtes nicht angegriffen werden. Mit dieser Maß nahme werden besonders feine Mikrospulen mechanisch stabili siert. Der Überzug verhindert zugleich, daß die Spulenwindun gen miteinander in Kontakt kommen.

Im letzten Schritt wird der Draht selektiv gegenüber dem gal vanisch abgeschiedenen Metall oder der Metallegierung sowie gegebenenfalls selektiv gegenüber dem Überzug entfernt. Die selektive Entfernung erfolgt bevorzugt mit einem Ätzmittel. Besteht der Draht aus einem niedrig schmelzenden Metall, kann die selektive Entfernung auch durch Anwendung von Temperaturen oberhalb dessen Schmelzpunktes erreicht werden.

Wird kein Überzug angebracht, können ggf. die verbliebenen Teile der isolierenden Schicht zuvor thermisch oder durch an dere Verfahren entfernt werden. Hierdurch verläuft die selek tive Entfernung des Drahtes schneller, weil das Ätzmittel den Draht nicht nur an den Enden, sondern auch zwischen den Spu lenwicklungen angreifen kann.

Die durch dieses Verfahren hergestellten Spulen können auch mit einem Kern versehen werden. Als Kern eignen sich feine Drähte aus den üblichen für Spulenkerne eingesetzten Metallen, die ihrerseits mit einer Isolation versehen sind. Das An schließen der elektrischen Zuführungen für die Mikrospule und ggf. das Fixieren des Spulenkerns kann durch Bonden oder durch Anwendung leitfähiger Kleber erfolgen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule, bei dem

a) ein Draht aus einem elektrisch leitfähigen Material, der mit einer isolierenden Schicht überzogen ist, bereitge stellt wird,
b) Teile der isolierenden Schicht in der Weise entfernt werden, daß der Draht aus dem elektrisch leitfähigen Ma terial in einem zusammenhängenden Bereich, der die Form einer Schraubenlinie um den Draht aufweist, von der iso lierenden Schicht befreit ist,
c) der Draht mit der verbleibenden isolierenden Schicht in ein galvanisches Bad eingebracht und als Kathode ge schaltet wird,
d) auf den von der isolierenden Schicht befreiten Bereichen des Drahtes ein Metall oder eine Metallegierung in Form der Schraubenlinie abgeschieden wird,
e) der Draht selektiv gegenüber dem Metall oder der Metallegierung entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Teile der isolieren den Schicht mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs entfernt wer den, an dem der mit der isolierenden Schicht versehene Draht unter Rotation um die Längsachse und konstantem Vor schub vorbeigeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der als Kathode geschal tete Draht im galvanischen Bad in Rotation um seine Längsachse versetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der als Kathode geschal tete Draht im galvanischen Bad in eine rohrförmige Anode eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor der selektiven Ent fernung des Drahtes das galvanisch abgeschiedene Metall oder die galvanisch abgeschiedene Metallegierung und die verbleibende isolierende Schicht mit einem chemisch stabi len Kunststoff oder Lack überzogen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach der Entfernung der Teile der isolierenden Schicht der Draht in dem zusammen hängenden Bereich geätzt wird.