WO2003076331A2 - Verfahren zur herstellung mikromechanischer bauteile und nach dem verfahren hergestellte bauteile - Google Patents

Verfahren zur herstellung mikromechanischer bauteile und nach dem verfahren hergestellte bauteile Download PDF

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WO2003076331A2
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing micromechanical components with at least one elastic spring tongue.
  • This spring tongue can be produced, for example, by electrodeposition, sputtering, vapor deposition and / or etching.
  • the invention further relates to a micromechanical component produced by the method, in particular a microvalve.
  • a layer is deposited on a carrier substrate in one method step, for example by means of a galvanic deposition method. Certain areas can be removed from this layer in a subsequent etching process by means of masking. In a subsequent process step, a layer can in turn be deposited on the substrate, which in turn can be deposited in certain areas can be removed by etching. In this way, three-dimensional structures can be produced by repeated layer deposition and etching.
  • the mechanical actuation of the mechanically movable components within the micromechanical component can take place by means of electrostatic forces between the movable component designed as an electrode, the so-called actuator, and another area of the component designed as an electrode. It is known to generate a specific internal stress in the actuator during manufacture, which deforms the actuator, brings it into a defined position and imparts spring properties. By applying an electrical voltage to the actuator designed as an electrode and to the section of the component designed as an electrode, the actuator can then be moved from this position, which is predetermined by the internal stress, into a second position by means of electrostatic forces.
  • the actuator As a bending beam clamped on one side, which is curved in such a way that it has a convex shape with respect to the section of the component designed as an electrode.
  • This so-called rolling actuator can build up high field forces at low actuation voltages thanks to the small electrode spacing.
  • the induction of the residual stress in the actuator is regularly achieved by a multi-layer structure of the actuator.
  • the desired internal stress and deformation of the actuator is achieved by constructing the actuator from at least two layers with different structural, mechanical or thermomechanical properties.
  • a disadvantage of this actuator structure is that the internal stress and deformation of the actuator as a result of the multilayer structure of the actuator, in particular in the case of a bimetallic structure, is strongly dependent on the temperature of the actuator. Components with actuators of this type can therefore only be used regularly in a certain temperature range.
  • the object of the invention is therefore to provide a method with which an actuator can be produced, the internal stress and deformation of which can be set in a targeted manner. Furthermore, a simplified embodiment of a microvalve possible using the method according to the invention is to be found.
  • the object is achieved according to the invention by a method for producing micromechanical components which have at least one spring tongue, in which a spring tongue is produced by electrodeposition, sputtering, vapor deposition, etching and / or other known methods, is thermally acted on areas of the spring tongue and this creates a mechanical residual stress gradient in the spring tongue.
  • a microvalve which has a valve housing having a first and a second opening and in which a spring tongue acting as a valve body and connected to the valve housing is arranged in the valve housing and in an open position the flow of a fluid through the openings allowed and closes at least one of the openings in a closed position.
  • the thermal action which differs in some areas, that is locally, makes it possible to structure certain layers or areas within the spring tongue. to change turel such that a graded internal stress is generated in the spring tongue or an existing residual stress in the layer is changed graded. In this way, the residual stress of the layer can be changed after the deposition in order to achieve a predetermined graded residual stress.
  • the spring tongue of the microcomponent can be designed as a rolling actuator connected to the housing at one end, which is deformed in such a way that it bulges away from a substrate layer lying parallel to its clamping section in such a way that the substrate layer lying parallel to it facing surface of the actuator is convex.
  • the rolling actuator can consist of a single material.
  • the layer that essentially determines the mechanical properties of the rolling actuator is made from only one material.
  • the strength and / or the duration of the thermal action is advantageously a function of the location. Thereby, differently strong thermal effects can be exerted on layers of the spring tongue lying at different depths and the strength of the thermal action can be changed in the direction of the width and / or length of the spring tongue.
  • a locally limited area of the spring tongue is preferably acted on more thermally than on other areas of the spring tongue.
  • the thermal action can advantageously take place only in a locally limited area which is closer to the clamped end of the spring tongue than the free end of the spring tongue. This results in deformation in an area whose deformation causes a large displacement of the free end of the spring tongue.
  • the spring tongue can be constructed from several layers. Layers can also be provided to achieve functions other than mechanical, such as electrical conductivity or insulation.
  • the deformation of the spring tongue during the thermal action on the spring tongue or areas of the spring tongue can be detected with sensor means and a signal characterizing the degree of deformation generated by the residual stress gradient can be generated, which signal is used to control or regulate the thermal action ,
  • a signal characterizing the degree of deformation generated by the residual stress gradient can be generated, which signal is used to control or regulate the thermal action ,
  • the thermal action can advantageously take place by means of a laser beam.
  • the signal can advantageously be obtained by measuring the capacitance between the spring tongue and a section of the component designed as an electrode.
  • An optical measuring method can advantageously also be used to determine the deformation of the substrate layer.
  • Another advantageous embodiment of the method according to the invention in which the spring tongue is deposited in a galvanic bath, provides that at least one deposition parameter is varied during the deposition of the spring tongue.
  • a spring tongue can be produced, which consists of a single material, but which has structurally differently structured layer layers.
  • a separation parameter is changed once during the separation of the spring tongue, the parts of the spring tongue which were separated before the change have a different structure than those parts of the spring tongue which are separated after the change of the parameter. Because the mechanical properties of the deposited Layer influenced by the deposition parameters, it is thus possible to deposit a spring tongue with areas or layers of different mechanical properties. In this way, a predeterminable internal stress can be generated in the spring tongue, whereby a spring tongue with a predeterminable deformation can be produced.
  • the current density, various parameters with periodic current or voltage functions and / or the chemical properties of the electroplating bath and / or the electrodes can advantageously be changed during the deposition of the spring tongue.
  • the invention further relates to a micromechanical component with a spring tongue.
  • the component can be constructed from a plurality of galvanically deposited substrate layers that are etched in certain areas, for example by means of a masking technique. It has at least one mechanically acting structural element, the spring tongue, which is constructed from only at least one substrate layer. If the spring tongue consists of only one substrate layer, it can thus expand or contract due to thermal influences in accordance with the thermal expansion coefficient of this material, but the structure element cannot be curved due to a changed ambient temperature.
  • the micromechanical component thus has the advantage that it can act reliably mechanically over a very large temperature range.
  • the spring tongue is preferably deformed by an internal stress gradient such that it is in the open or closed position under mechanical prestress.
  • an end stop connected to the housing can be provided for the spring tongue.
  • a section of the component housing is preferably designed as an electrode layer and a section of the spring tongue is designed as an electrode, and means are provided for applying a voltage to the electrode layer and the spring tongue section designed as an electrode.
  • a preferred embodiment of the microvalve according to the invention consists in the fact that more than two openings are present in the valve housing and the spring tongue closes at least one opening in the valve housing in one position and closes at least one other opening in another position.
  • a preferred further development of the component according to the invention provides that a plurality of spring tongues designed as an electrode or spring tongues provided with a section designed as an electrode are attached to the component housing. These spring tongues interact with several sections of the component housing designed as an electrode layer and can perform independent switching functions. The component constructed in this way is thus able to operate different switching paths, e.g. in switching matrices.
  • the spring tongue has a first section which is connected with its first end to the housing.
  • a second section is attached to the second, free end of the section and extends approximately in the direction of the first end of the first section.
  • the free end of the second section is used to perform a switching function.
  • the two sections thus have a V-shape in a side view.
  • the spring tongue constructed from these two sections has approximately the same electrical actuator voltage as a simple actuator.
  • the actuator has the advantage that it increases the lifting height of the free end of the second end. Section opposite the clamped first end of the first section.
  • connection point of a section with the next section lying above it is formed at a different end section than the connection point of the adjacent section with a third section lying above it.
  • connection points are preferably formed alternately at opposite ends of the sections.
  • so-called multiple unrolling actuators in Z-shape (three sections), W-shape (four sections) or also by connecting five or more sections can be constructed, which provide a considerably greater stroke height with approximately the same electrical actuator voltage as an actuator with one or two composite sections. In this way, the flow cross section of the valve can be increased further.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the method steps of the method following the method steps shown in FIG. 1;
  • 3 shows a schematic representation of the thermal action on a spring tongue of an actuator
  • 4 shows a sectional front view of a first embodiment of a component
  • FIG. 5 shows a sectional front view of a second embodiment of a component
  • FIG. 6 shows a sectional front view of a third embodiment of a component
  • FIG. 7 is a sectional front view of a fourth embodiment of a component
  • FIG. 8 shows a top view of the actuator according to FIG. 7;
  • FIG. 9 is a sectional front view of a fourth embodiment of a component.
  • FIG. 10 is a top view of the actuator of FIG. 9
  • a first conductive layer 20 is first deposited on the advantageously electrically insulating substrate carrier 10.
  • the deposition takes place in a sputtering process.
  • the substrate carrier can be made of silicon, but could also be made of cheaper materials such as Glass or ceramic exist.
  • the first conductive layer is a metallic layer, preferably made of gold.
  • the first conductive layer in certain areas 21, 22 for defining electrically insulated areas can optionally be removed by a masked etching process after this method step.
  • a first insulation layer 30 is applied to the first conductive layer.
  • the insulation layer 30 can be made of Silicon dioxide exist, but other insulation materials commonly used for microelectronic circuits can also be used.
  • the first insulation layer 30 is masked and selectively chemically or physically etched, so that the starting layer 20 is exposed for fixed regions 31 of the component.
  • the isolation layer is selectively coated with a sacrificial layer 40 made of copper, except for the area removed by a sputtering process.
  • the entire substrate can also be coated with a copper layer or another conductive sacrificial layer and subsequently the portion of the copper layer where fixed regions of the component arise can be removed in a selective etching process.
  • a second electrically conductive layer 50 is applied, which connects to the sacrificial layer 40 and the starting layer 20 in the region of the opening 31 of the first insulation layer 30.
  • the second electrically conductive layer 50 is the mechanically acting layer, the spring tongue, of the micro component. It is made of nickel, but could alternatively also be made of a nickel alloy, e.g. NiFe or Au. Nickel or nickel-containing alloys are particularly suitable as mechanically acting layers due to their elastic properties and their fatigue strength.
  • the spring tongue is applied structured in negative forms made of photoresist by means of electroplating.
  • the sacrificial layer 40 made of copper is completely removed in an etching process. It is not necessary to have windows in the layers 10, 20 and 30 below the sacrificial layer 40 or in the layers above the sacrificial layer 40 for the access of the etchant. to provide the second electrically conductive layer 50. This is in particular the prerequisite for the component being able to be used as a microvalve in order to implement a valve function, ie to seal an opening in the housing by means of the spring tongue.
  • the etchant attacks the copper layer from the sides and penetrates completely between the first insulation layer 30 and the second electrically conductive layer 50, so that the sacrificial layer 40 is completely removed. This creates a free space between the first insulation layer 30 and the spring tongue 50 and enables an independent elastic or plastic deformation of the spring tongue 50 with respect to the layers 10, 20 and 30 in the area above the free space 41.
  • the graded internal stress achieved by the variation in the current density in the second electrically conductive layer 50 causes a deformation of the spring tongue.
  • the residual stress in the spring tongue which represents the actuator, is selected such that a mechanical stress gradient is created, a first stress, in particular a compressive stress, being induced in a lower layer of the second conductive layer 50 facing the first insulation layer, and in an upper one , the position of the second conductive layer 50 facing away from the first insulation layer 30, a second voltage which is different from the first voltage, in particular a tensile stress, is induced.
  • the spring tongue 50 deforms such that its free end 53 lies further away from the first insulation layer 30 than would be the case if the actuator were not deformed.
  • the spring tongue is locally tempered in a subsequent method step, in which a temperature is applied to certain areas of the spring tongue 50.
  • a laser beam is directed from a laser beam source 60 onto a mirror 61 which can be pivoted about a pivot axis 62 and is directed through the mirror 61 onto the spring tongue, which can be formed by an electrically conductive layer 50.
  • the laser beam strikes the spring tongue in a region between the clamped end 54 and the free end 53. The impact point is closer to the clamped end 54 than to the free end 53.
  • the locally limited heating and subsequent cooling induces an internal stress in the area covered and heated by the laser beam.
  • the spring tongue deforms and the free end 53 moves away from the first insulation layer 30.
  • the deformation of the spring tongue is detected by an optical distance sensor 63.
  • the distance sensor 63 generates a signal which is sent to a control / regulator unit 64.
  • the control unit 64 compares this signal with a predetermined distance setpoint, which is a measure of the desired deformation of the spring tongue. From the comparison with the actual value provided by the distance sensor and the predetermined target value, the control unit 64 calculates a signal that controls or regulates the laser beam source 60.
  • the laser beam from the laser beam source 60 can be operated in a pulsating manner and the time length of the individual pulses, the energy of the laser beam, the beam shape and the time interval between the pulses can be controlled in order to achieve a specific deformation of the spring tongue.
  • the deformed spring tongue produced using the method according to the invention is preferably used as a rolling actuator in a microvalve.
  • a cavity 73 is circumscribed by a valve housing (70, 71, 72).
  • the valve housing is constructed from a lower layer 70, a frame layer 71 and an upper layer 72.
  • a roll-off actuator 74 is arranged in the cavity 73 is connected at its clamped end 54 to the lower layer 70.
  • the rolling actuator 74 is formed by the second electrically conductive layer 50 of the method according to the invention.
  • the rolling actuator 74 lies against the insulation layer 79 and closes with its free end 53 an inlet opening 80 which extends through the lower layer 70, the electrode layer 78 and the insulation layer 90.
  • the roll-off actuator is moved by its inherent voltage into the position shown in broken lines in FIG. 4.
  • the rolling actuator 74 can then close a second opening 81, which extends through the upper layer 72, with its free end 53.
  • the first opening 80 is no longer closed in this case, so that a fluid through the opening 80 and a third opening 82, which extends through the upper view 72, can flow.
  • the free end 53 of the rolling actuator 74 exposes the second opening 81 and closes the first opening 80. In this actuator position, a fluid can flow through the second opening 81 and the third opening 82 pass the micro valve.
  • the surface of the upper layer 72 facing the cavity 73 acts as a stop for the rolling actuator 74 when there is no electrical voltage between the actuator 74 and the electrode layer 78.
  • the end deflection of the rolling actuator 74 is mechanically limited, as a result of which a variation in the internal stress of the actuator remains in a certain range without any significant effects on the deformation of the actuator in the electrostatically voltage-free state. In this way, it is achieved that the reject of components caused by deviations of the actuator internal voltage from the target actuator internal voltage is reduced.
  • the two openings 80, 81 can also be arranged in the lower substrate layer 70, so that they can be closed simultaneously by the spring tongue.
  • a further advantageous embodiment of the invention has two rolling actuators 74a, 74b arranged opposite and in mirror image to one another, which interact with two electrode layers 78a, 78b arranged opposite and in mirror image.
  • the valve housing has a third opening 82 so that a fluid flow can flow through the openings 80a and / or 80b and the opening 82.
  • a double actuator bar can be provided in a further advantageous embodiment of the invention.
  • 6 shows a section of a component designed as a microvalve, which shows the lower layer 70, the upper layer 72 and a first opening 80 as well as a double actuator 90, 93.
  • the double actuator 90, 93 is off a base section 90 and a first attachment section 93 attached to this base section.
  • the base portion 90 is fixed to the lower layer 70 with its clamped end 91.
  • the first attachment section 93 is fastened at its free end 92 with its clamped end 94.
  • the first attachment section 93 extends in the opposite direction to the base section 90.
  • the housing can be designed such that the free end 95 of the first attachment section 93 when there is no electrostatic voltage between the double actuator 90, 93 and an electrode connected to the lower layer 40 abuts the upper layer 72 and closes a first opening 80. If a voltage is applied between the electrode layer 78 and the double actuator 90, 93, the base section 90 and the first attachment section 93 lie on top of one another on the electrode layer 78. This opens the first opening 80 and a large flow cross section, due to the large lifting height of the Double actuators 90, 93 released for the flow of a fluid.
  • the first attachment section 93 is shorter than the base section 90.
  • the first attachment section 93, the clamped end 94 and the free end 92 of the base section 90 are arranged such that the clamped end 91 of the base section and one of these End of adjacent area can be thermally treated by a laser beam incident perpendicular to the lower layer 70. These areas can also be treated differently.
  • a multiple actuator 90, 93, 96 is constructed from a base section 90 and two attachment sections 93, 96.
  • the arrangement of the base section 90 and the first attachment section 93 corresponds to the arrangement of the double actuator according to FIG. 6.
  • the clamped end 97 of the second attachment section 96 is fastened to the free end 95 of the first attachment section.
  • the second attachment section extends in the opposite direction to the first attachment section, ie in the same direction as the base section. In this form, the free end 98 of the second attachment section can close a first opening 80 if no electrostatic between the multiple actuator 90, 93, 96 and the electrode layer 78.
  • the three layers of the multiple actuator lie one above the other and on the electrode layer 78, so that the first opening 80 is released for the flow of a fluid.
  • the lifting height of the multiple actuator has been increased again compared to that of the double actuator, so that an increased flow cross-section is achieved.
  • the three actuator layers 90, 93, 96 are arranged such that the first attachment section 93 is shorter than the base section and the second attachment section is faster and shorter than the first attachment section. In this way it is achieved that the connection points of the actuators can each be thermally treated by a laser beam incident perpendicular to the lower layer.
  • the development step from the double actuator of FIG. 6 to the triple multiple actuator of FIG. 8 can be carried out in the same way from the triple multiple actuator of FIG. 8 to a quadruple, five times, etc. multiple actuator. This makes it possible to further increase the lifting height of a component and thus in particular the flow cross section through a component designed as a microvalve with the corresponding multiple actuator.
  • a stress gradient existing through the electroplating can be increased by means of a holistic thermal treatment and can be used to stabilize the curvature of the electroplated spring tongue.
  • the state of curvature of the spring tongue is first stabilized by holistic thermal treatment with temperatures above the temperatures to be expected in operation and subsequent processes, and then with local thermal treatment, e.g. with laser processes.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauteile angegeben, die mindestens eine elastische Federzunge enthalten, wobei diese Federzunge insbesondere durch galvanische Abscheidung, Sputtern, Aufdampfen und/oder Atzen erzeugt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass auf Bereiche der Federzunge thermisch eingewirkt wird und ein mechanischer Eigenspannungsgradient in der Federzunge erzeugt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauteile und nach dem Verfahren hergestellte Bauteile
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauteile mit mindestens einer elastischen Federzunge. Diese Federzunge kann beispielsweise durch galvanische Abscheidung, Sputtern, Aufdampfen und/oder Ätzen erzeugt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein mittels des Verfahrens hergestelltes mikromechanisches Bauteil, insbesondere ein Mikroventil.
Bei bekannten Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauteile wird in einem Verfahrensschritt auf einem Trägersubstrat eine Schicht abgeschieden, z.B. durch ein galvanisches Abscheideverfahren. Aus dieser Schicht können in einem nachfolgenden Ätzverfahren mittels Maskierung bestimmte Bereiche entfernt werden. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann wiederum eine Schicht auf das Substrat abgeschieden werden, welche wiederum in be- stimmten Bereichen mittels Ätzung entfernt werden kann. Auf diese Weise können durch mehrmalige Schichtabscheidung und Ätzung dreidimensionale Strukturen erzeugt werden.
Zur Herstellung der für bewegliche Bauteile innerhalb dieser Strukturen erforderlichen Hohlräume ist es bekannt, zwei oder mehr oberflächenstrukturierte Substrate zusammenzufügen, so dass im Bereich der Fügeebene ein Hohlraum entsteht. Des weiteren ist bekannt, Opferschichten, welche zwischen zwei Schichten liegen, durch selektive Ätzung zu entfernen und hierdurch zwi- sehen diesen beiden Schichten einen Hohlraum zu erzeugen. Dabei ist es regelmäßig erforderlich, dass eine der Schichten durch Fensterung durchlässig gemacht wird, um einen Zutritt des Ätzmittels zur Opferschicht zu ermöglichen.
Die mechanische Betätigung der mechanisch bewegbaren Bauteile innerhalb des mikromechanischen Bauteils kann durch elektrostatische Kräfte zwischen dem als Elektrode ausgebildeten beweglichen Bauteil, dem sogenannten Ak- tuator, und einem anderen als Elektrode ausgebildeten Bereich des Bauteils erfolgen. Dabei ist bekannt, in dem Aktuator bei der Herstellung eine bestimm- te Eigenspannung zu erzeugen, welche den Aktuator verformt, in eine definierte Lage bringt und Federeigenschaften verleiht. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den als Elektrode ausgebildeten Aktuator und den als Elektrode ausgebildeten Abschnitt des Bauteils kann dann der Aktuator aus dieser durch die Eigenspannung vorbestimmten Lage mittels elektrostatischer Kräfte in eine zweite Lage bewegt werden.
Aus der DE 197 36 674 ist bekannt, den Aktuator als einseitig eingespannten Biegebalken auszubilden, welcher solcher Art gewölbt ist, dass er zu dem als Elektrode ausgebildeten Abschnitt des Bauteils eine konvexe Form aufweist. Dieser sogenannte Abrollaktuator kann bei niedrigen Betätigungsspannungen dank geringem Elektrodenabstand hohe Feldkräfte aufbauen. Die Induzierung der Eigenspannung in dem Aktuator wird regelmäßig durch einen mehrschichtigen Aufbau des Aktuators erzielt. Dabei wird durch den Aufbau des Aktuators aus mindestens zwei Schichten mit unterschiedlichen strukturellen, mechanischen oder thermomechanischen Eigenschaften die gewünschte Eigenspannung und Verformung des Aktuators erreicht. Nachteilig bei diesem Aktuatoraufbau ist, dass die Eigenspannung und Verformung des Aktuators infolge des mehrschichtigen Aufbaus des Aktuators, insbesondere bei bimetallischem Aufbau, stark abhängig von der Temperatur des Aktuators ist. Bauteile mit solcher Art aufgebauten Aktuatoren sind daher regel- mäßig nur in einem bestimmten Temperaturbereich einsetzbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Aktuator hergestellt werden kann, dessen Eigenspannung und Verformung gezielt eingestellt werden kann. Des weiteren soll eine mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens mögliche, vereinfachte Ausführungsform eines Mikroventils gefunden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauteile, die mindestens eine Federzunge aufweisen, gelöst, bei dem eine Federzunge durch galvanische Abscheidung, Sputtern, Aufdampfen, Ätzen und/oder andere bekannte Verfahren erzeugt wird, auf Bereiche der Federzunge thermisch eingewirkt wird und hierdurch ein mechanischer Eigenspannungsgradient in der Federzunge erzeugt wird.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Mikroventil, welches ein eine erste und eine zweite Öffnung aufweisendes Ventilgehäuse aufweist und bei dem in dem Ventilgehäuse eine als Ventilkörper wirkende, mit dem Ventilgehäuse verbundene Federzunge angeordnet ist, die in einer Öffnungsstellung den Durchfluss eines Fluids durch die Öffnungen erlaubt und in einer Schließstel- lung mindestens eine der Öffnungen verschließt.
Durch die bereichsweise, d.h. lokal unterschiedliche thermische Einwirkung ist es möglich, bestimmte Lagen oder Bereiche innerhalb der Federzunge struk- turell derart zu verändern, dass eine gradierte Eigenspannung in der Federzunge erzeugt wird oder eine vorhandene Eigenspannung in der Schicht gradiert verändert wird. Auf diese Weise kann die Eigenspannung der Schicht nach der Abscheidung verändert werden, um eine vorbestimmte gradierte Eigenspannung zu erreichen.
Die Federzunge des Mikrobauteils kann als ein an einem Ende mit dem Gehäuse verbundener Abrollaktuator ausgeführt sein, der in der Weise verformt ist, dass er sich von einer parallel zu seinem Einspannungsabschnitt liegen- den Substratschicht in der Weise wegwölbt, dass die zu dieser parallel liegenden Substratschicht weisende Oberfläche des Aktuators konvex ausgebildet ist. Der Abrollaktuator kann aus einem einzigen Material bestehen. Dabei ist diejenige Schicht, welche im Wesentlichen die mechanischen Eigenschaften des Abrollaktuators bestimmt, aus lediglich einem Material gefertigt.
In vorteilhafter Weise ist die Stärke und/oder die Dauer der thermischen Einwirkung eine Funktion des Ortes. Dadurch kann auf verschieden tief liegende Lagen der Federzunge verschieden stark thermisch eingewirkt werden und zudem die Stärke der thermischen Einwirkung in Richtung der Breite und/oder Länge der Federzunge verändert werden.
Bevorzugt wird auf einen lokal begrenzten Bereich der Federzunge thermisch stärker eingewirkt als auf andere Bereiche der Federzunge. Auf diese Weise ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften der Federzunge lokal be- grenzt zu beeinflussen und auf diese Weise eine lokale gradierte Eigenspannung in der Federzunge zu erzeugen und die Federzunge somit zu verformen. Die thermische Einwirkung kann in vorteilhafter Weise nur auf einen lokal begrenzten Bereich erfolgen, welcher dem eingespannten Ende der Federzunge näher liegt als dem freien Ende der Federzunge. Hierdurch wird eine Verfor- mung in einem Bereich erzielt, dessen Verformung eine große Verschiebung des freien Endes der Federzunge bewirkt. Die Federzunge kann aus mehreren Schichten aufgebaut werden. Dabei können auch Schichten zur Erzielung anderer als mechanischer Funktionen, z.B. elektrische Leitfähigkeit oder Isolation, vorgesehen werden.
In vorteilhafter Weise kann die Verformung der Federzunge während der thermischen Einwirkung auf die Federzunge oder Bereiche der Federzunge mit Sensormitteln erfasst werden und ein den Grad der durch den Eigenspan- nungsgradienten erzeugten Verformung kennzeichnendes Signal erzeugt werden, welches zur Steuerung oder Regelung der thermischen Einwirkung verwendet wird. Auf diese Weise ist es möglich, die thermische Einwirkung genau in der Weise vorzunehmen, dass ein gewünschter Verformungsgrad der Schicht oder des Strukturelements erzeugt wird. Die thermische Einwirkung kann vorteilhafterweise mittels eines Laserstrahls erfolgen.
Dabei kann das Signal in vorteilhafter Weise durch Messung der Kapazität zwischen Federzunge und einer als Elektrode ausgebildetem Abschnitt des Bauteils gewonnen werden.
Vorteilhafterweise kann auch ein optisches Messverfahren zur Bestimmung der Verformung der Substratschicht verwendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Federzunge in einem galvanischem Bad abgeschieden wird, sieht vor, dass während der Abscheidung der Federzunge mindestens ein Abscheideparameter variiert wird. Auf diese Weise kann eine Federzunge erzeugt werden, die zwar aus einem einzigen Material besteht, die jedoch strukturell verschieden aufgebaute Schichtlagen aufweist.
Wird ein Abscheideparameter während der Abscheidung der Federzunge einmalig verändert, so weisen die Teile der Federzunge, welche vor der Veränderung abgeschieden wurden, eine andere Struktur auf als diejenigen Teile der Federzunge, welche nach der Veränderung des Parameters abgeschieden werden. Da die mechanischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht durch die Abscheideparameter beeinflusst werden, ist es somit möglich, eine Federzunge mit Bereichen oder Lagen unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften abzuscheiden. Auf diese Weise kann in der Federzunge eine vorbestimmbare Eigenspannung erzeugt werden, wodurch eine Feder- zunge mit vorbestimmbarer Verformung hergestellt werden kann.
Vorteilhafter Weise können während des Abscheidens der Federzunge die Stromdichte, verschiedene Parameter mit periodischen Strom- oder Spannungsfunktionen und/oder die chemischen Eigenschaften des Galvanikbades und/oder der Elektroden verändert werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein mikromechanisches Bauteil mit einer Federzunge. Das Bauteil kann aus mehreren galvanisch abgeschiedenen und in bestimmten Bereichen, beispielsweise mittels einer Maskierungstechnik, ge- ätzten Substratschichten aufgebaut sein. Es weist mindestens ein mechanisch wirkendes Strukturelement, die Federzunge, auf, welches aus nur mindestens einer Substratschicht aufgebaut ist. Besteht die Federzunge aus nur einer Substratschicht, so kann sie sich somit durch thermische Einflüsse entsprechend des Wärmeausdehnungskoeffizienten dieses Materials ausdehnen oder zusammenziehen, eine Wölbung des Strukturelements durch veränderte Umgebungstemperatur kann jedoch nicht auftreten. Das mikromechanische Bauteil weist somit den Vorteil auf, dass es über einen sehr großen Temperaturbereich zuverlässig mechanisch wirken kann.
Vorzugsweise wird die Federzunge durch einen Eigenspannungsgradienten so verformt, dass sie unter mechanischer Vorspannung in Öffnungs- oder Schließstellung liegt. Dabei kann in der Öffnungs- oder Schließstellung ein mit dem Gehäuse verbundener Endanschlag für die Federzunge vorgesehen sein. Auf diese Weise kann z.B. auf eine genauere Messung der Verformung der als Abrollaktuator ausgeführten Federzunge, bzw. deren Eigenspannung verzichtet werden. Fertigungsungenauigkeiten werden somit ausgeglichen und die Anzahl der nicht im erforderlichen Qualitätsbereich liegenden Bauteile (der Ausschuss) eines Fertigungsverfahrens kann reduziert werden. Vorzugsweise ist ein Abschnitt des Bauteilgehäuses als Elektrodenschicht ausgebildet und ein Abschnitt der Federzunge als Elektrode ausgebildet und Mittel zum Anlegen einer Spannung an Elektrodenschicht und den als Elektrode ausgebildeten Federzungenabschnitt vorhanden. So können, wenn an den Federzungenabschnitt und die Elektrodenschicht eine elektrische Spannung angelegt wird, elektrostatische Kräfte zwischen dem Bauteilgehäuse und der Federzunge wirken, welche eine Bewegung der Federzunge erzeugen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroventils be- steht darin, dass mehr als zwei Öffnungen im Ventilgehäuse vorhanden sind und die Federzunge in einer Stellung mindestens eine Öffnung im Ventilgehäuse verschließt und in einer anderen Stellung mindestens eine andere Öffnung verschließt.
Eine bevorzugte Weiterbildungsform des erfindungsgemäßen Bauteils sieht vor, dass mehrere als Elektrode ausgebildete Federzungen oder mit einem als Elektrode ausgebildetem Abschnitt versehene Federzungen am Bauteilgehäuse befestigt sind. Diese Federzungen wirken mit mehreren als Elektrodenschicht ausgebildeten Abschnitten des Bauteilgehäuses zusammen und kön- nen unabhängige Schaltfunktionen ausführen. Das solcherart aufgebaute Bauteil ist dadurch in der Lage, verschiedene Schaltpfade zu bedienen, z.B. in Schaltmatrizen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Bauteils sieht vor, dass die Federzunge einen ersten Abschnitt aufweist, welcher mit seinem ersten Ende mit dem Gehäuse verbunden ist. An dem zweiten, freien Ende des Abschnitts ist ein zweiter Abschnitt befestigt, der sich etwa in Richtung des ersten Endes des ersten Abschnitts erstreckt. Das freie Ende des zweiten Abschnitts dient dazu eine Schaltfunktion durchzuführen. Die beiden Abschnitte bilden besit- zen somit -in Seitenansicht- eine V-förmig Gestalt. Die aus diesen beiden Abschnitten aufgebaute Federzunge weist etwa die gleiche elektrische Aktua- torspannung auf, wie ein einfach ausgeführter Aktuator. Der Aktuator hat den Vorteil, dass er eine vergrößerte Hubhöhe des freien Endes des zweiten Ab- Schnitts gegenüber dem eingespannten ersten Ende des ersten Abschnitts aufweist.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bauteils sehen vor, dass mehrere Abschnitte der Federzunge miteinander verbunden werden. Die Verbindungsstelle eines Abschnitts mit dem nächsten, benachbart darüber liegenden Abschnitt ist an einem anderem Endabschnitt ausgebildet als die Verbindungsstelle des benachbart liegenden Abschnitt mit einem wiederum über diesen liegenden dritten Abschnitt.
Bevorzugt werden die Verbindungsstellen alternierend an gegenüberliegenden Enden der Abschnitte ausgebildet. Auf diese Weise können sog. Mehr- fachabrollaktuatoren in Z-Form (drei Abschnitte), W-Form (vier Abschnitte) oder auch durch Verbindung von fünf und mehr Abschnitten aufgebaut wer- den, welche bei etwa gleicher elektrischer Aktuatorspannung eine beträchtlich größere Hubhöhe bereitstellen als ein Aktuator mit einem oder zwei zusammengesetzten Abschnitten. Auf diese Weise kann der Durchflussquerschnitt des Ventils weiter erhöht werden.
Anhand der Figuren soll ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren und eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Darstellung der ersten Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine schematisierte Darstellung der auf die in Fig. 1 gezeigten Verfahrensschritte folgenden Verfahrensschritte des Verfahrens;
Fig. 3 eine schematisierte Darstellung der thermischen Einwirkung auf eine Federzunge eines Aktuators, Fig. 4 eine geschnittene Frontansicht einer ersten Ausführungsform eines Bauteils,
Fig. 5 eine geschnittene Frontansicht einer zweiten Ausführungsform eines Bauteils,
Fig. 6 eine geschnittene Frontansicht einer dritten Ausführungsform eines Bauteils,
Fig. 7 eine geschnittene Frontansicht einer vierten Ausführungsform eines Bauteils,
Fig. 8 eine Draufsicht auf den Aktuator nach Fig. 7;
Fig. 9 eine geschnittene Frontansicht einer vierten Ausführungsform eines Bauteils, und
Fig. 10 eine Draufsicht auf den Aktuator nach Fig. 9
Bezug nehmend zu Fig. 1a wird bei dem gezeigten Verfahren zunächst eine erste leitende Schicht 20 auf dem vorteilhafterweise elektrisch isolierenden Substratträger 10 abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt in einem Sputter- Verfahren. Der Substratträger kann aus Silizium, könnte aber auch aus kostengünstigeren Materialien wie z.B. Glas oder Keramik bestehen. Die erste leitende Schicht ist eine metallische Schicht, vorzugsweise aus Gold.
Wie aus Fig. 1b ersichtlich kann gegebenenfalls nach diesem Verfahrensschritt die erste leitende Schicht in bestimmten Bereichen 21, 22 zur Definition von elektrisch isolierten Bereichen durch ein maskiertes Ätzverfahren wieder entfernt werden.
In einem dritten Verfahrensschritt (Fig. 1c) wird auf die erste leitende Schicht eine erste Isolationsschicht 30 aufgetragen. Die Isolationsschicht 30 kann aus Siliziumdioxid bestehen, es können aber auch andere für mikroelektronische Schaltkreise gebräuchliche Isolationswerkstoffe verwendet werden.
Die erste Isolationsschicht 30 wird in einem nachfolgenden Schritt (Fig. 1d) in der Weise maskiert und selektiv chemisch oder physikalisch geätzt, so dass die Startschicht 20 für feststehende Bereiche 31 des Bauteils freigelegt wird.
Bezug nehmend zu Fig. 2a wird die Isolationsschicht selektiv, mit Ausnahme des durch entfernte Bereichs in einem Sputterprozess mit einer Opferschicht 40 aus Kupfer beschichtet.
Alternativ kann auch das gesamte Substrat mit einer Kupferschicht oder einer anderen, leitenden Opferschicht beschichtet werden und nachfolgend der Anteil der Kupferschicht, wo feststehende Bereiche des Bauteils entstehen, in einem selektiven Ätzverfahren entfernt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt (Fig. 2b) wird eine zweite elektrisch leitende Schicht 50 aufgetragen, welche sich mit der Opferschicht 40 und der Startschicht 20 im Bereich der Öffnung 31 der ersten Isolationsschicht 30 ver- bindet. Die zweite elektrisch leitende Schicht 50 ist die mechanisch wirkende Schicht, die Federzunge, des Mikrobauteils. Sie besteht aus Nickel, könnte aber alternativ auch aus einer Nickellegierung, wie z.B. NiFe oder Au, hergestellt sein. Nickel oder nickelhaltige Legierungen sind als mechanisch wirkende Schichten aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften und ihrer Dauerwech- selfestigkeit besonders geeignet.
Das Auftragen der Federzunge erfolgt strukturiert in Negativformen aus Fotolack mittels Galvanik.
In einem nächsten Verfahrensschritt (Fig. 2c) wird die Opferschicht 40 aus Kupfer in einem Ätzverfahren vollständig entfernt. Dabei ist es nicht erforderlich, für den Zutritt des Ätzmittels Fenster in den unter der Opferschicht 40 liegenden Schichten 10, 20 und 30 oder in der über der Opferschicht 40 lie- genden zweiten elektrisch leitenden Schicht 50 vorzusehen. Dies ist insbesondere die Vorraussetzung dafür, dass das Bauteil als Mikroventil verwendet werden kann, um eine Ventilfunktion, d.h. eine Abdichtung einer Öffnung im Gehäuse mittels der Federzunge, zu realisieren.
Das Ätzmittel greift die Kupferschicht vielmehr von den Seiten an und dringt vollständig zwischen die erste Isolationsschicht 30 und die zweite elektrisch leitende Schicht 50 vor, so dass die Opferschicht 40 vollständig entfernt wird. Hierdurch wird ein Freiraum zwischen der ersten Isolationsschicht 30 und der Federzunge 50 geschaffen und eine unabhängige elastische oder plastische Verformung der Federzunge 50 gegenüber den Schichten 10, 20 und 30 im Bereich oberhalb des Freiraums 41 ermöglicht.
Im Moment der Entfernung der Opferschicht 40 bewirkt die durch die Variation der Stromdichte erzielte gradierte Eigenspannung in der zweiten elektrisch leitenden Schicht 50 eine Verformung der Federzunge. Die Eigenspannung in der Federzunge, welche den Aktuator darstellt, ist so gewählt, dass ein mechanischer Spannungsgradient entsteht, wobei in einer unteren, der ersten Isolationsschicht zugewandten Lage der zweiten leitenden Schicht 50 eine erste Spannung, insbesondere eine Druckspannung, induziert wird und in einer oberen, der ersten Isolationsschicht 30 abgewandten Lage der zweiten leitenden Schicht 50 eine zweite Spannung, die von der ersten Spannung verschieden ist, insbesondere eine Zugspannung, induziert wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich die Federzunge 50 bei Entfernung der Opferschicht 40 so verformt, dass ihr freies Ende 53 durch die Verformung weiter von der ersten Isolationsschicht 30 entfernt liegt, als es bei unverformtem Aktuator liegen würde.
Der Spannungsgradient kann bereits durch geeignete Wahl der Startschicht- eigenschaften erzielt werden, ohne eine Variation der Abscheideparameter von Schicht 50 vorzunehmen. Bezug nehmend zu Fig. 3 erfolgt in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine lokale Temperung der Federzunge, in dem auf bestimmte Bereiche der Federzunge 50 eine Temperatur aufgebracht wird. Hierbei wird aus einer Laserstrahlquelle 60 ein Laserstrahl auf einen um eine Schwenkachse 62 schwenkbaren Spiegel 61 gelenkt und durch den Spiegel 61 auf die Federzunge, welcher durch eine elektrisch leitende Schicht 50 gebildet werden kann, gelenkt. Der Laserstrahl trifft in einem Bereich zwischen dem eingespannten Ende 54 und dem freien Ende 53 auf die Federzunge auf. Die Auftreffstelle liegt näher zum eingespannten Ende 54 als zum freien Ende 53.
Die lokal begrenzte Erwärmung und nachfolgende Abkühlung induziert eine Eigenspannung in dem durch den Laserstrahl überstrichenen und erwärmten Bereich. Durch diese Eigenspannung verformt sich die Federzunge und das freie Ende 53 entfernt sich von der ersten Isolationsschicht 30. Die Verfor- mung der Federzunge wird durch einen optischen Abstandssensor 63 erfasst. Der Abstandssensor 63 erzeugt ein Signal, welches an eine Steuer/Reglereinheit 64 geleitet wird. Die Steuer/Reglereinheit 64 vergleicht dieses Signal mit einem vorbestimmten Abstandssollwert, welcher ein Maß für die gewünschte Verformung der Federzunge darstellt. Aus dem Vergleich mit dem durch den Abstandssensor bereitgestellten Istwert und den vorbestimmten Sollwert berechnet die Steuer/Reglereinheit 64 ein Signal, welches die Laserstrahlquelle 60 steuert oder regelt. Auf diese Weise kann der Laserstrahl aus der Laserstrahlquelle 60 pulsierend betrieben werden und die zeitliche Länge der einzelnen Impulse, die Energie des Laserstrahls, die Strahlform sowie der Zeitabstand zwischen den Pulsen gesteuert werden, um eine gezielte Verformung der Federzunge zu erreichen.
Bezug nehmend zu Fig. 4 wird der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte, verformte Federzunge bevorzugt als Abrollaktuator in einem Mik- roventil eingesetzt. Bei dem abgebildeten Mikroventil wird durch ein Ventilgehäuse (70, 71 , 72) ein Hohlraum 73 umschrieben. Das Ventilgehäuse ist aus einer unteren Schicht 70, einer Rahmenschicht 71 und einer oberen Schicht 72 aufgebaut. Im Hohlraum 73 ist ein Abrollaktuator 74 angeordnet, welcher mit seinem eingespannten Ende 54 mit der unteren Schicht 70 verbunden ist. Der Abrollaktuator 74 wird durch die zweite elektrisch leitende Schicht 50 des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildet. Er ist aus einem elektrisch leitenden Material und über sein eingespanntes Ende durch einen ersten elektrisch lei- tenden Kanal 75 in der unteren Schicht 70 elektrisch leitend mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle 76 verbunden. Der zweite Pol der Spannungsquelle 76 ist durch einen zweiten elektrisch leitenden Kanal 77 in der unteren Schicht 70 mit einer Elektrodenschicht 78 verbunden. Die Elektrodenschicht 78 liegt zwischen der unteren Schicht und einer Isolationsschicht 79, welche die Elektrodenschicht von dem Abrollaktuator separiert. Der Abrollaktuator wirkt ebenfalls als Elektrode, so dass der vorgespannte Abrollaktuator durch elektrostatische Kräfte in die durchgezeichnet in Fig. 1 dargestellte Position bewegt wird, wenn eine Spannung aus der Spannungsquelle 76 auf die als Elektroden geschalteten Isolationsschicht und den Abrollaktuator übertragen wird. In diesem Fall liegt der Abrollaktuator 74 an der Isolationsschicht 79 an und verschließt mit seinem freien Ende 53 eine Einlassöffnung 80, welche sich durch die untere Schicht 70, die Elektrodenschicht 78 und die Isolationsschicht 90 erstreckt.
Wenn keine Spannung an den als Elektroden geschalteten Schichten 74 und 78 anliegt, so wird der Abrollaktuator durch seine Eigenspannung in die in der Fig. 4 in unterbrochenen Linien dargestellte Stellung bewegt. Der Abrollaktuator 74 kann dann eine zweite Öffnung 81 verschließen, welche sich durch die obere Schicht 72 erstreckt, mit seinem freien Ende 53. Die erste Öffnung 80 wird in diesem Fall nicht mehr verschlossen, so dass ein Fluid durch die Öffnung 80 und eine dritte Öffnung 82, welche sich durch die obere Sicht 72 erstreckt, fließen kann.
Wird eine Spannung an die als Elektrode geschalteten Schichten 74 und 78 angelegt, so gibt das freie Ende 53 des Abrollaktuators 74 die zweite Öffnung 81 frei und verschließt die erste Öffnung 80. In dieser Aktuatorstellung kann ein Fluid durch die zweite Öffnung 81 und die dritte Öffnung 82 das Mikroventil passieren. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, wirkt die zum Hohlraum 73 weisende Oberfläche der oberen Schicht 72 als Anschlag für den Abrollaktuator 74, wenn keine e- lektrische Spannung zwischen Aktuator 74 und Elektrodenschicht 78 anliegt. Hierdurch wird eine mechanische Begrenzung der Endauslenkung des Abroll- aktuators 74 erreicht, wodurch eine Variation der Eigenspannung des Aktuators in einem bestimmten Bereich ohne wesentliche Auswirkungen auf die Verformung des Aktuators im elektrostatisch spannungsfreien Zustand bleibt. Auf diese Weise wird erreicht, dass der durch Abweichungen der Aktuatorei- genspannung von der Soll-Aktuatoreigenspannung bedingte Ausschuss an Bauteilen verringert wird.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, können die beiden Öffnungen 80, 81 auch in der unteren Substratschicht 70 angeordnet sein, so dass sie simultan durch die Federzunge verschlossen werden können.
Bezug nehmend nun zu Fig. 6 weist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zwei gegenüberliegend und spiegelbildlich zueinander angeordnete Abrollaktuatoren 74a, 74b auf, welche mit zwei gegenüberliegend und spiegelbildlich angeordneten Elektrodenschichten 78a, 78b zusammenwirken. Zur Betätigung der Abrollaktuatoren 74a, b sind zwei unabhängig voneinander schaltbare Spannungsquellen 76a, 76b vorhanden. Liegt eine Spannung zwischen Abrollaktuator 74a und Elektrodenschicht 78a an, so wird eine Öffnung 80a im Ventilgehäuse verschlossen. In gleicher Weise wird eine Öffnung 80b verschlossen, wenn eine elektrische Spannung zwischen Abrollaktuator 74b und Elektrodenschicht 78b anliegt. Das Ventilgehäuse weist eine dritte Öffnung 82 auf, so dass ein Fluidstrom durch die Öffnungen 80a und/oder 80b und die Öffnung 82 fließen kann.
Bezug nehmend zu Fig. 7 kann bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungs- form der Erfindung ein Doppelaktuatorbalken vorgesehen sein. In Fig. 6 dargestellt ist ein Ausschnitt aus einem als Mikroventil ausgeführten Bauteil, welcher die untere Schicht 70, die obere Schicht 72 und eine erste Öffnung 80 sowie einen Doppelaktuator 90, 93 zeigt. Der Doppelaktuator 90, 93 ist aus einem Basisabschnitt 90 und einem an diesem Basisabschnitt befestigtem erstem Aufsatzabschnitt 93 aufgebaut. Der Basisabschnitt 90 ist mit seinem eingespannten Ende 91 an der unteren Schicht 70 befestigt. An seinem freien Ende 92 ist der erste Aufsatzabschnitt 93 mit seinem eingespannten Ende 94 befestigt. Der erste Aufsatzabschnitt 93 erstreckt sich in entgegengesetzter Richtung zu dem Basisabschnitt 90. Das Gehäuse kann so gestaltet sein, dass das freie Ende 95 des ersten Aufsatzabschnitts 93, wenn keine elektrostatische Spannung zwischen dem Doppelaktuator 90, 93 und einer mit der unteren Schicht 40 verbundenen Elektrode anliegt, an der oberen Schicht 72 anliegt und eine erste Öffnung 80 verschließt. Wird eine Spannung zwischen die Elektrodenschicht 78 und den Doppelaktuator 90, 93 angelegt, so legen sich der Basisabschnitt 90 und der erste Aufsatzabschnitt 93 aufeinander auf die Elektrodenschicht 78. Hierdurch wird die erste Öffnung 80 freigegeben und ein großer Durchflussquerschnitt, bedingt durch die große Hubhöhe des Dop- pelaktuators 90, 93 für den Durchfluss eines Fluids freigegeben.
Bezug nehmend zu Fig. 8 ist der erste Aufsatzabschnitt 93 kürzer als der Basisabschnitt 90. Der erste Aufsatzabschnitt 93, das eingespannte Ende 94 und das freie Ende 92 des Basisabschnitts 90 sind so angeordnet, dass das ein- gespannte Ende 91 des Basisabschnitts und ein diesem Ende benachbarter Bereich durch einen senkrecht zur unteren Schicht 70 einfallenden Laserstrahl thermisch behandelt werden können. Dabei können diese Bereiche auch unterschiedlich behandelt werden.
Bezug nehmend zu Fig. 9 ist ein Mehrfachaktuator 90, 93, 96 aus einem Basisabschnitt 90 und zwei Aufsatzabschnitten 93, 96 aufgebaut. Die Anordnung des Basisabschnitts 90 und des ersten Aufsatzabschnitts 93 entspricht der Anordnung des Doppelaktuators gemäß Fig. 6. Der zweite Aufsatzabschnitt 96 ist mit seinem eingespannten Ende 97 am freien Ende 95 des ersten Auf- satzabschnitts befestigt . Der zweite Aufsatzabschnitt erstreckt sich in entgegengesetzter Richtung zum ersten Aufsatzabschnitt, d.h. in gleicher Richtung wie der Basisabschnitt. Das freie Ende 98 des zweiten Aufsatzabschnitts kann in dieser Form eine erste Öffnung 80 verschließen, wenn keine elektrostati- sche Spannung zwischen dem Mehrfachaktuator 90, 93, 96 und der Elektrodenschicht 78 anliegt. Wird eine Spannung an den Mehrfachaktuator 90, 93, 96 und die Elektrodenschicht 78 angelegt, so legen sich die drei Lagen des Mehrfachaktuators übereinander und auf die Elektrodenschicht 78, so dass die erste Öffnung 80 für den Durchfluss eines Fluids freigegeben wird. Die Hubhöhe des Mehrfachaktuators ist gegenüber jener des Doppelaktuators nochmals erhöht worden, so dass ein erhöhter Durchflussquerschnitt erreicht wird.
Bezug nehmend zu Fig. 10 sind die drei Aktuatorschichten 90, 93, 96 so angeordnet, dass der erste Aufsatzabschnitt 93 kürzer als der Basisabschnitt ist und der zweite Aufsatzabschnitt schneller und kürzer als der erste Aufsatzabschnitt ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Verbindungsstellen der Ak- tuatoren jeweils durch einen senkrecht zur unteren Schicht einfallenden La- serstrahl thermisch nachbehandelt werden können.
Der Entwicklungsschritt vom Doppelaktuator der Fig. 6 zum dreifachen Mehrfachaktuator der Fig. 8 kann in gleicherweise vom dreifachen Mehrfachaktuator der Fig. 8 zu einem vierfachen, fünffachen usw. Mehrfachaktuator vollzo- gen werden. Hierdurch ist eine weitere Steigerung der Hubhöhe eines Bauteils und damit insbesondere des Durchflussquerschnitts durch ein als Mikroventil ausgeführtes Bauteil mit dem entsprechenden Mehrfachaktuator möglich.
Es sei darauf hingewiesen, dass grundsätzlich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor einer lokalen thermischen Behandlung der Federzunge ein durch die Galvanik existierender Stressgradient mittels einer ganzheitlichen thermischen Behandlung erhöht werden kann und zur Stabilisierung der Ver- wölbung der galvanisch hergestellten Federzunge genutzt werden kann. Dies bedeutet, dass in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens der Ver- wölbungszustand der Federzunge durch ganzheitliche thermische Behandlung mit Temperaturen über den im Betrieb und Folgeprozessen zu erwartenden Temperaturen zunächst stabilisiert und dann mit lokaler thermischer Behandlung, z.B. mit Laser-Verfahren, feinjustiert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauteile mit mindestens einer elastischen Federzunge (50; 74), wobei diese Federzunge insbesondere durch galvanische Abscheidung, Sputtern, Aufdampfen und/oder Ätzen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf Bereiche (51; 52) der Federzunge thermisch eingewirkt wird und ein mechanischer Eigenspannungsgradient in der Federzunge erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Federzunge mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der thermischen Einwirkung eine Funktion des Ortes ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen lokal begrenzten Bereich der Federzunge thermisch stärker eingewirkt wird als auf andere Bereiche, wobei der thermisch stärker behandelte Bereich dem eingespanntem Ende (54) der Federzunge näher liegt als dem freiem Ende (53) der Federzunge.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der thermischen Einwirkung ein Signal erzeugt wird, welches die durch die Eigenspannung erzeugte mechanische Verformung der Federzunge (50) kennzeichnet und dass dieses Signal zur Steuerung oder Regelung der thermischen Einwirkung verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal aus einer Messung der elektrischen Kapazität zwischen Federzunge (50) und einem als Elektrode ausgebildeten Abschnitt (20) des Bauteils gewonnen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal aus einer optischen Messung des Abstandes des freien Endes (53) der Federzunge von einem Referenzpunkt (63) gewonnen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federzunge (50) durch einen galvanischen Abscheidevorgang erzeugt wird und während der Abscheidung mindestens ein Abscheideparameter , insbesondere die Stromdichte und/oder mindestens ein Parameter einer periodischen Strom- oder Spannungsfunktion variiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abscheidens der Federzunge chemische Eigenschaften des Galvanikbades und/oder der Elektroden variiert werden oder verschiedene Elektrolyte verwendet werden.
10. Mikromechanisches Bauteil, hergestellt nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-9.
11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Mikroventil ausgeführt ist welches ein eine erste (80) und eine zweite Öffnung (82) aufweisendes Ventilgehäuse (70, 71 , 72) umfasst und dass in dem Ventilgehäuse eine als Ventilkör- per wirkende, mit dem Ventilgehäuse verbundene Federzunge (74) angeordnet ist, die in einer Öffnungsstellung den Durchfluss eines Fluids durch die Öffnungen (80, 82) erlaubt und in einer Schließstellung mindestens eine der Öffnungen verschließt.
12. Bauteil nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Federzunge (74) einen Eigenspannungsgradienten aufweist und hierdurch so verformt ist, dass sie unter mechanischer Vorspannung in Öffnungs- oder Schließstellung liegt.
13. Bauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen Endanschlag für die Federzunge (74) umfasst und dass die Federzunge bei Anlage an den Endanschlag in Öffnungs- oder Schließstellung liegt.
14. Bauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Federzunge (74) als Elektrode ausgebildet ist, dass eine mit dem Gehäuse verbundene Elektrodenschicht (78) vorgesehen ist, welche durch eine Isolatorschicht (79) von der Federzunge elektrisch isoliert ist, und dass Mittel (76) zum Anlegen einer elektrischen Spannung an Federzunge und Elektrodenschicht vorgesehen sind.
15. Bauteil nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Federzungen (74a, 74b) vorgesehen sind, die mehrere, insbesondere unabhängige Schaltfunktionen im Gehäuse erfüllen.
16. Bauteil nach einem der Ansprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, dass die Federzunge einen ersten Abschnitt (90) aufweist, der mit einem ersten Ende (91) mit dem Gehäuse verbunden ist und dass an dem zweiten, freien Ende (92) des ersten Abschnitts (90) ein zweiter Abschnitt (93) befestigt ist, die sich in Richtung des ersten Endes (91) des ersten Abschnitts (90) erstreckt.
17. Bauteil nach Anspruch 16, insbesondere ein Mikroventil, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (95) des zweiten Abschnitts (93) eine Öffnung (80) im Ventilgehäuse verschließt oder freigibt.
18. Bauteil nach einem der Ansprüche 10-17, dadurch gekennzeichnet, dass die Federzunge aus mehreren übereinander- liegenden Abschnitten (90, 93, 96) aufgebaut ist, welche untereinander im Bereich eines ihrer Enden in der Weise verbunden sind, dass die erste Ver- bindungsstelle (92, 94) eines ersten Abschnitts (90) mit einem benachbart darüberliegendem zweiten Abschnitt (93) an einem anderen Ende ausgebildet ist als die zweite Verbindungsstelle (95, 97) des zweiten Abschnitts (93) mit einer benachbart darüberliegenden dritten Abschnitt (96).
19. Bauteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (92, 94) und zweite (95, 97) Verbindungsstelle an gegenüberliegen Enden des zweiten Abschnitts (93) ausgebildet sind.
20. Bauteil nach einem der Ansprüche 10-19, insbesondere ein Mikroventil, dadurch gekennzeichnet, dass die Federzunge als Ventilkörper wirkt, der in einer Schließstellung mindestens eine erste Öffnung (80) und in einer Öffnungsstellung mindestens eine zweite Öffnung (81) in dem Ventilgehäuse verschließt.
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