EP0691663A1 - Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule - Google Patents

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EP0691663A1
EP0691663A1 EP95107648A EP95107648A EP0691663A1 EP 0691663 A1 EP0691663 A1 EP 0691663A1 EP 95107648 A EP95107648 A EP 95107648A EP 95107648 A EP95107648 A EP 95107648A EP 0691663 A1 EP0691663 A1 EP 0691663A1
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wrapped
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
    • H01F41/041—Printed circuit coils
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/44—Magnetic coils or windings

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a microcoil according to the first claim.
  • Micro coils whose turns run spirally around their longitudinal axis, play an important role in microsystem technology. Such micro coils are e.g. B. needed to drive actuators in micro-electric motors, micro-valves, micro-relays, microsensors etc.
  • the invention is based on the object of specifying a further production method for a microcoil of this type. This manufacturing process should make it possible to produce coils with very fine turns that are not accessible by winding.
  • Thin metal wires for example with a diameter of 150 ⁇ m to 20 ⁇ m, are preferably used as the wire.
  • the metal of the wires can be chosen as long as it is can be selectively removed by etching with respect to the second metal to be galvanically deposited in a later step. Suitable wires with the specified diameter are commercially available. In addition, selectively acting etchants are known for a large number of metals.
  • the wire is wrapped with a thread made of an electrically non-conductive material in such a way that the thread surrounds the wire in the form of a spiral.
  • the turns of the spiral must be separated by a space.
  • Suitable threads made of plastics, such as polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyester, Perlon, nylon, Kevlar etc. with a diameter between about 20 microns and 50 microns are also commercially available.
  • Wrapping the wire with the thread can e.g. B. in the manner described in the aforementioned utility model, after which the wire is clamped between two synchronously rotating brackets and the thread is wound with feed in the axial direction.
  • the thread should be in contact with the wire over a surface that is as uniform as possible.
  • a thread with a polygonal, for example a triangular cross section is preferred because a flat surface of the thread rests on the wire and the contact area is clearly defined.
  • a thread that is round in cross section can also be used.
  • a round thread is only in contact with the wire over a very narrow contact area. Therefore, in this case, a thread made of a fusible material, e.g. B. a fusible plastic such as nylon, used and the wire heated briefly after wrapping. By heating, the thread melts on the wire, which widens the contact area and at the same time fixes the thread.
  • the wire can be heated by its two ends - possibly with the interposition of one electrical resistance - to be connected to a voltage source.
  • the wrapped wire is then placed in a galvanic bath and switched as a cathode.
  • a second metal is deposited on the wire from the galvanic bath. Since the contact surface of the thread on the wire is shielded by the electrically non-conductive thread, the galvanic metal deposit can only be deposited in the spaces between the turns of the spiral thread. The wire is therefore only covered in the area between the spaces by the galvanically deposited metal.
  • the galvanic deposition is continued with a suitable current density and electroplating time until the desired thickness of the coil turns is reached. Mechanically stable micro-coils are achieved if the thickness of the electrodeposited metal deposit is at least a few micrometers.
  • the galvanic metal deposition is terminated at the latest when the spaces are completely filled, since otherwise the thread would also be covered with a metal layer. This could result in a short circuit in the micro coil.
  • the galvanic deposition of the metal or the metal alloy takes place more uniformly if the wire in the galvanic bath is set in rotation about its longitudinal axis during the metal deposition.
  • a tubular anode that surrounds the wire can be used.
  • the thread is removed. If the thread has not melted, the easiest way to do this is to unwind.
  • Melted plastic threads can be removed with a suitable solvent, such as dimethylformamide (DMF), without attacking the other materials.
  • a suitable solvent such as dimethylformamide (DMF)
  • Another possibility is to remove the thread by thermal treatment at around 500 ° C to 700 ° C, provided the melting point of the metals is higher.
  • the last step is the selective etching out of the wire. Since the wire is exposed both at its ends and at the original contact surfaces of the thread, the etchant is attacked in many different places; the etching is therefore completed in a relatively short time.
  • micro coils with an inner diameter of, for example, 50 ⁇ m to 100 ⁇ m, a winding width of z. B. from 15 microns to 80 microns (measured in the axial direction) and a winding thickness z. B. between 5 mm and 20 microns (measured in the radial direction).
  • the length of the microcoils can easily be up to 8 cm. Micro coils of this length are not required in microstructure technology; such micro-coils can, however, be divided into a large number of short micro-coils.
  • a copper wire with a diameter of 100 ⁇ m is spirally wrapped with a 20 ⁇ m thick, triangular cross-section of nylon thread.
  • the thread ends are glued to the wire.
  • the wire wrapped with the thread is placed in a nickel electroplating bath with the composition: Ni sulfate ⁇ 6 H2O 300 [g / l] NiCl2 ⁇ 6 H2O 50 [g / l] H3BO3 30. [g / l] Wetting agent 300. [g / l] immersed and switched as cathode.
  • the temperature of the bath was 52 ° C. With the help of a motor, the wire is rotated around its axis.
  • nickel is deposited in the spaces between the turns of the thread for a period of 30 minutes.
  • the thread is drawn off and the copper by an aqueous etchant with the composition Ammonium carbonate 120 [g / l] Sodium chlorite 30 [g / l] Concentrated ammonia 100 [ml / l] completely detached. This step took about two hours.
  • a coil with approx. 170 turns per cm was obtained, the turns of which were approx. 40 ⁇ m in the axial direction and approx. 10 ⁇ m in the radial direction.
  • the inside diameter corresponds to the thickness of the wire.
  • a copper wire with a diameter of 100 ⁇ m is wrapped with a triangular cross-section thread as indicated in Example 1.
  • Current (2 A) is briefly passed through the wire, causing the thread to melt on the wire.
  • the wire With the nickel electroplating bath described in Example 1, the wire is provided with a 7 ⁇ m thick nickel layer in the area between the spaces.
  • the nylon thread was peeled off by burning.
  • the copper wire was then completely dissolved using the etchant specified in Example 1. The dissolution took about two hours.
  • the nickel coil was then provided with an approximately 0.5 ⁇ m thick gold plating.
  • the nickel coil was placed in a gold bath of the composition Gold sulfite 10 [g / l] Sodium sulfite 10 [g / l] Sodium sulfate 10 [g / l] Nitrilotriacetic acid 20 [g / l] dipped and switched as cathode. The spool was again rotated. Gold was deposited on the coil over a period of 5 minutes at a voltage of 750 mV and a bath temperature of 50 ° C.

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule vorzuschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf: a) ein Draht aus einem ersten Metall wird mit einem Faden aus einem elektrisch nicht leitenden Material in der Weise umwickelt, daß der Faden die Form einer Spirale annimmt, deren Windungen durch Zwischenräume voneinander getrennt sind, b) der mit dem Faden umwickelte Draht wird in ein galvanisches Bad eingetaucht und als Kathode geschaltet, c) in den Zwischenräumen wird galvanisch ein zweites Metall abgeschieden, so daß der Draht in den Zwischenräumen mit dem zweiten Metall bedeckt ist, d) der Faden wird nachfolgend entfernt und e) der Draht selektiv mit einem Ätzmittel, das das zweite Metall nicht angreift, aufgelöst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule 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, Mikrosensoren etc. benötigt.
  • Ebene, spiralförmig gewundene Mikrospulen lassen sich in nahezu beliebiger Windungszahl mit Hilfe des bekannten LIGA-(Lithographie und galvanische Abformung)-Verfahrens problemlos herstellen. Spulen mit Windungen, die spiralförmigum ihre Längsachse verlaufen, erfordern bei Anwendung dieses Verfahrens einen hohen Aufwand, da jede Windung einzeln mit Hilfe einer justierten Bestrahlung, Entwicklung und galvanischen Abformung hergestellt werden muß. Solche Spulen lassen sich zwar gemäß dem deutschen Gebrauchsmuster G 93 18 386 durch Wickeln herstellen; der Wicklungstechnik sind jedoch bei sehr dünnen Spulenwindungen Grenzen gesetzt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Herstellungsverfahren für eine Mikrospule dieser Art anzugeben. Dieses Herstellungsverfahren soll es ermöglichen, auch Spulen mit sehr feinen Windungen herzustellen, die durch Wicklung nicht zugänglich sind.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im ersten Patentanspruch beschriebene Verfahren gelöst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens nach Anspruch 1 an.
  • Als Draht werden vorzugsweise dünne Metalldrähte, etwa mit einem Durchmesser von 150 µm bis zu 20 µm, eingesetzt. Das Metall der Drähte kann beliebig gewählt werden, solange es sich durch Ätzen selektiv gegenüber dem in einem späteren Schritt galvanisch abzuscheidenden zweiten Metall entfernen läßt. Geeignete Drähte mit dem angegebenen Durchmesser werden im Handel angeboten. Außerdem sind für eine Vielzahl von Metallen selektiv wirkende Ätzmittel bekannt.
  • Der Draht wird im ersten Verfahrensschritt mit einem Faden aus einem elektrisch nichtleitenden Material in der Weise umwickelt, daß der Faden den Draht im Form einer Spirale umgibt. Die Windungen der Spirale müssen durch einen Zwischenraum voneinander getrennt sein. Geeignete Fäden aus Kunststoffen, etwa aus Polytetrafluorethylen, Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Perlon, Nylon, Kevlar etc. mit einem Durchmesser zwischen etwa 20 µm und 50 µm werden ebenfalls im Handel angeboten.
  • Das Umwickeln des Drahtes mit dem Faden kann z. B. in der im eingangs genannten Gebrauchsmuster beschriebenen Weise erfolgen, wonach der Draht zwischen zwei synchron rotierende Halterungen eingespannt und der Faden unter Vorschub in axialer Richtung aufgewickelt wird. Der Faden soll hierbei über eine möglichst gleichmäßige Auflagefläche mit dem Draht in Kontakt stehen. Bevorzugt wird ein Faden mit einem polygonalen, etwa einem dreieckigen Querschnitt, weil hierbei eine ebene Fläche des Fadens auf dem Draht aufliegt und die Aufstandsfläche eindeutig definiert ist.
  • Prinzipiell kann auch ein im Querschnitt runder Faden eingesetzt werden. Ein runder Faden steht mit dem Draht jedoch nur über eine sehr schmale Aufstandsfläche in Kontakt. Deshalb wird in diesem Fall vorzugsweise ein Faden aus einem schmelzbaren Material, z. B. einem schmelzbaren Kunststoff wie Nylon, eingesetzt und der Draht nach dem Umwickeln kurz erwärmt. Durch das Erwärmen schmilzt der Faden auf dem Draht auf, wodurch sich die Aufstandsfläche verbreitert und zugleich der Faden fixiert wird. Das Erwärmen des Drahtes kann erfolgen, indem seine beiden Enden - ggf. unter Zwischenschalten eines elektrischen Widerstands - mit einer Spannungsquelle verbunden werden.
  • Anschließend wird der umwickelte Draht in ein galvanisches Bad eingesetzt und als Kathode geschaltet. Aus dem galvanischen Bad wird ein zweites Metall auf dem Draht abgeschieden. Da die Aufstandsfläche des Fadens auf dem Draht durch den elektrisch nichtleitenden Faden abgeschirmt ist, kann sich der galvanische Metallniederschlag nur in den Zwischenräumen zwischen den Windungen des spriralförmigen Fadens abscheiden. Der Draht wird somit ausschließlich im Bereich der Zwischenräume durch das galvanisch abgeschiedene Metall abgedeckt. Die galvanische Abscheidung wird bei geeigneter Stromdichte und Galvanisierzeit so lange fortgeführt, bis die gewünschte Dicke der Spulenwindungen erreicht ist. Mechanisch stabile Mikrospulen werden erzielt, wenn die Dicke des galvanisch abgeschiedenen Metallniederschlags mindestens einige Mikrometer beträgt. Die galvanische Metallabscheidung wird spätestens dann beendet, wenn die Zwischenräume vollständig ausgefüllt sind, da sonst auch der Faden mit einer Metallschicht überzogen würde. Hierdurch könnte sich ein Kurzschluß in der Mikrospule ergeben.
  • Die galvanische Abscheidung des Metalls oder der Metallegierung erfolgt gleichmäßiger, wenn der Draht im galvanischen Bad während der Metallabscheidung in Rotation um seine Längsachse versetzt wird. Alternativ kann eine rohrförmige Anode eingesetzt werden, die den Draht umgibt.
  • Nach Beendigung des Galvanikschrittes wird der Faden entfernt. Sofern der Faden nicht aufgeschmolzen ist, kann dies am einfachsten durch Abwickeln erfolgen. Aufgeschmolzene Fäden aus Kunststoff lassen sich durch ein geeignetes Lösungsmittel, etwa Dimethylformamid (DMF), entfernen, ohne daß die übrigen Materialien angegriffen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Faden durch thermische Behandlung etwa bei 500° C bis 700° C zu entfernen, sofern der Schmelzpunkt der Metalle höher liegt.
  • Nun erfolgt als letzter Schritt das selektive Herausätzen des Drahtes. Da der Draht sowohl an seinen Enden als auch an den ursprünglichen Aufstandsflächen des Fadens freiliegt, erfolgt der Angriff des Ätzmittels an vielen verschiedenen Stellen; das Ätzen ist daher in verhältnismäßig kurzer Zeit beendet.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich in kurzer Zeit Mikrospulen mit einem innern Durchmesser von beispielsweise 50 µm bis 100 µm, einer Windungsbreite z. B. von 15 µm bis 80 µm (in axialer Richtung gemessen) und einer Windungsdicke z. B. zwischen 5 mm und 20 µm (in radialer Richtung gemessen) herstellen. Die Länge der Mikrospulen kann problemlos bis zu 8 cm betragen. Mikrospulen in dieser Länge werden in der Mikrostrukturtechnik zwar nicht benötigt; solche Mikrospulen können jedoch zu einer Vielzahl kurzer Mikrospulen zerteilt werden.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Durchführungsbeispielen näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 100 µm wird spiralförmig mit einem 20 µm dicken, im Querschnitt dreieckigen Faden aus Nylon umwickelt. Die Fadenenden werden am Draht festgeklebt. Der mit dem Faden umwickelte Draht wird in ein Nickel-Galvanikbad mit der Zusammensetzung:
    Ni-Sulfat·6 H₂O 300 [g/l]
    NiCl₂·6 H₂O 50 [g/l]
    H₃BO₃ 30.[g/l]
    Netzmittel 300.[g/l]
    eingetaucht und als Kathode geschaltet. Die Temperatur des Bades betrug 52° C. Mit Hilfe eines Motors wird der Draht in Rotation um seine Achse versetzt. Bei einer Spannung von 800 mV wird während einer Dauer von 30 min Nickel in den Zwischenräumen zwischen den Windungen des Fadens abgeschieden. Danach wird der Faden abgezogen und das Kupfer durch ein wäßriges Ätzmittel mit der Zusammensetzung
    Ammoniumcarbonat 120 [g/l]
    Natriumchlorit 30 [g/l]
    Konz. Ammoniak 100 [ml/l]
    vollständig weggelöst. Dieser Schritt dauerte ca. zwei Stunden. Es wurde eine Spule mit ca. 170 Windungen pro cm erhalten, deren Windungen in axialer Richtung ca. 40 µm und in radialer Richtung ca. 10 µm dick waren. Der Innendurchmesser entspricht der Dicke des Drahtes.
    • Beispiel 2
  • Ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 100 µm wird wie in Beispiel 1 angegeben mit einem im Querschnitt dreieckigen Faden umwickelt. Durch den Draht wird kurzzeitig Strom (2 A) geleitet, wodurch der Faden auf dem Draht aufgeschmolzen wurde. Mit dem in Beispiel 1 beschriebenen Nickel-Galvanikbad wird der Draht im Bereich der Zwischenräume mit einer 7 µm dicken Nickelschicht versehen. Der Nylon-Faden wurde durch Verbrennen abgelöst. Anschließend wurde der Kupferdraht mit Hilfe des in Beispiel 1 angegebenen Ätzmittels vollständig aufgelöst. Die Dauer der Auflösung betrug ca. zwei Stunden. Anschließend wurde die Nickel-Spule mit einer ca. 0,5 µm dicken Goldauflage versehen. Hierzu wurde die Nickel-Spule in ein Goldbad der Zusammensetzung
    Goldsulfit 10 [g/l]
    Natriumsulfit 10 [g/l]
    Natriumsulfat 10 [g/l]
    Nitrilotriessigsäure 20 [g/l]
    getaucht und als Kathode geschaltet. Die Spule wurde wiederum in Rotation versetzt. Während einer Zeit von 5 min bei einer Spannung von 750 mV und einer Badtemperatur von 50 °C wurde auf der Spule Gold abgeschieden.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule, bei dem
    a) ein Draht aus einem ersten Metall mit einem Faden aus einem elektrisch nicht leitenden Material in der Weise umwickelt wird, daß der Faden die Form einer Spirale annimmt, deren Windungen durch Zwischenräume voneinander getrennt sind,
    b) der mit dem Faden umwickelte Draht in ein galvanisches Bad eingetaucht und als Kathode geschaltet wird,
    c) in den Zwischenräumen galvanisch ein zweites Metall abgeschieden wird, so daß der Draht in den Zwischenräumen mit dem zweiten Metall bedeckt ist,
    d) der Faden nachfolgend entfernt und
    e) der Draht selektiv mit einem Ätzmittel, das das zweite Metall nicht angreift, aufgelöst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der der Faden aus einem schmelzbaren Material besteht und der mit dem Faden umwickelte Draht kurzzeitig auf eine solche Temperatur gebracht wird, daß der Faden auf der Oberfläche des Drahtes aufschmilzt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der als Kathode geschaltete Draht im galvanischen Bad in Rotation um seine Längsachse versetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der als Kathode geschaltete Draht im galvanischen Bad in eine rohrförmige Anode eingesetzt wird.
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DE59502034D1 (de) 1998-06-04
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