DE19829202B4

DE19829202B4 - Mikrosystem, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung

Info

Publication number: DE19829202B4
Application number: DE19829202A
Authority: DE
Inventors: Kord Dr. Pannkoke; Matthias Dipl.-Ing. Clüver; Thomas Dr. Gesang
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2018-07-01
Also published as: DE19829202A1; WO2000002264A1

Abstract

Mikrosystem mit sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksamen Bestandteilen, die in Form von länglichen, insbesondere stäbchen- oder faserförmigen Komponenten (5) vorliegen, wobei die Komponenten einen Querschnitt von weniger als 200 μm × 200 μm aufweisen und allein von Elementen (1) getragen werden, die für die sensorische und/oder aktorische und/oder optische Funktion der Komponenten (5) erforderlich sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrosystem mit sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksamen Bestandteilen, ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie die Verwendung des Mikrosystems.
Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der in vielen Bereichen zunehmende Einsatz von Sensoren und Aktoren. Einige Anwendungen erfordern hierbei Sensoren, Aktoren oder optische Systeme reduzierten Volumens (miniaturisierte Systeme) und/oder reduzierter Steifigkeit und/oder nichtgeschlossener Strukturen. Insbesondere im Einsatzbereich von Verbundwerkstoffen besteht ein zunehmender Bedarf an Mikrosystemen, die in den Werkstoff integriert werden können. Gerade für die Implementierung in Faserverbundstrukturen ist eine reduzierte Steifigkeit der Sensoren, Aktoren oder optischen Systeme erforderlich, da sonst die spezifischen, strukturbedingten Eigenschaften der Verbundwerkstoffe nachteilig beeinflußt werden. Ein solcher nachteiliger Einfluß kann beispielsweise durch Steifigkeitssprünge und/oder die Einführung zusätzlicher Grenzflächen in der Struktur verursacht werden.
Klassische Sensoren, Aktoren oder optische Systeme, die beispielsweise auf dem Einsatz piezoelektrischer Körper oder dotierter Gläser basieren, lassen sich zwar teilweise miniaturisieren, behalten aber in jedem Fall eine erhebliche Steifigkeit.

Aus der DE 4033091 C1 ist ein Mikrosystem aus einem elektrostriktiven Faserverbund mit elektrisch gesteuerten elastischen Eigenschaften bekannt. Bei diesem System sind elektrisch leitende Fasern vorgesehen, von denen zumindest ein Teil mit einer elektrostriktiven Beschichtung als sensorisch und/oder aktorisch wirksamen Komponente versehen ist. Die Fasern sind in eine Matrix eingebettet. Durch Anlegen einer Spannung zwischen beschichtete und unbeschichtete elektrisch leitende Fasern bzw. zwischen beschichtete elektrisch leitende Fasern und die (in einer Variante) elektrisch leitende Matrix wird die elektrostriktive Beschichtung angesteuert.

Auch dieses System weist aufgrund der zur Einbettung der elektrisch leitenden Fasern erforderlichen Matrix jedoch noch eine erhebliche Steifigkeit auf.

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

Die Aufgabe wird mit dem Mikrosystem nach Anspruch 1 und den Verfahren nach Anspruch 12 bzw. 13 gelöst. Die Verwendung des Mikrosystems ist Gegenstand des Anspruchs 22. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Mikrosystems und des Herstellungsverfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Mikrosystem enthält als Hauptelemente sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksame Bestandteile, die in Form von länglichen, insbesondere stäbchen- oder faserförmigen Komponenten vorliegen. Diese Komponenten weisen einen Querschnitt von weniger als 200 μm × 200 μm auf.

Die Komponenten werden erfindungsgemäß ohne Verwendung eines Substrates allein von ihren funktionsvermittelnden Elementen, beispielsweise von Ansteuerungselementen, getragen. Die funktionsvermittelnden Elemente sind Elemente, die für die sensorische, aktorische und/oder optische Funktion der Komponenten notwendig sind.

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

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

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

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

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

Die Mikrosysteme finden insbesondere Verwendung als Sensor und/oder Aktor in adaptronischen Verbundsystemen wie beim adaptiven Flugzeugflügel, beim Impact-Sensor beispielsweise für Raumfähren, bei adaptiven Optiken (Spiegelgeometrie, Linsenposition) etwa in Halbleiterlithographen, bei aktiver Schwingungskontrolle bei Präzisionsmaschinen wie z.B. Bestückungsautomaten, oder bei der Schwingungsdämpfung beispielsweise bei Magnetresonanztopographen.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrosystems sowie des Verfahrens zur Herstellung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen
1 ein Beispiel für einen Hilfsrahmen mit einer aufgebrachten Interdigital-Elektrodenstruktur zur Herstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrosystems;
2 das Beispiel aus 1 mit aufgelegten elektrostriktiven Fasern; und
3 eine durch Abtrennung des Hilfsrahmens der 1 entstandene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrosystems.
Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrosystems, bei der die aktorischen bzw. sensorischen Bestandteile elektrostriktive Fasern mit Durchmessern um 30 μm sind, die elektrisch kontaktiert werden.
Die nachfolgenden Schritte der Herstellung eines solchen Mikrosystems können mit bekannten Geräten, Verfahren und Materialien durchgeführt werden.
Zunächst wird ein Hilfsrahmen mit einer Kantenlänge im mm- bis cm-Bereich, z.B. bestehend aus einer Polyimid-Folie (z.B. 50 μm Dicke) hergestellt. Der Hilfsrahmen muß hierbei selbstverständlich nicht unbedingt eine geschlossene oder ebene Form, wie im Bei spiel dargestellt, aufweisen. Auch kompliziertere dreidimensionale Anordnungen können zur Halterung der Drähte oder Funktionselemente während der Fertigung geeignet sein.
Es schließt sich die klebetechnische Anbringung feiner, elektrisch leitfähiger Drähte (z.B. aus Kupfer mit einem Durchmesser von einigen μm bis zu einigen 10 μm) an dem Hilfsrahmen an, so daß die Drähte das freie Feld innerhalb des Rahmens in ähnlicher Weise wie ein Netz oder ein Gitter ausfüllen, und eine geeignete Elektrodenstruktur (z.B. Interdigital-Elektroden) entsteht. Die Interdigitalstruktur zeichnet sich durch zwei spiegelbildliche, leicht versetzt ineinandergreifende, kammartige Elektroden aus. An den beiden Elektrodenstrukturen wird je eine elektrische Zuleitung angebracht. Die Kontaktierung zwischen den Elektrodenstrukturen und den Zuleitungen kann beispielsweise mittels elektrisch leitfähigen Klebstoffs erfolgen. 1 zeigt diese Anordnung schematisch. Die leitfähigen Drähte (1) sind in interdigitaler Anordnung so am Hilfsrahmen (2) befestigt, daß sie sich in den freien Bereich (3) innerhalb des Rahmens erstrecken, um auf diese Weise den freien Bereich wie ein Netz zu überdecken. Die Drähte sind mit elektrischen Zuleitungen (4) verbunden.
Auf diese Drahtstruktur werden schließlich die elektrostriktiven Fasern, beispielsweise mittels geeigneter Vakuum-, elektrostatischer oder Adhäsionsgreifer, in paralleler Anordnung aufgebracht. Das Aufbringen kann selbstverständlich auch mit anderen geeigneten Handhabungstechniken oder in anderen Anordnungen – etwa als ungeordnete Kurzfaserschüttung – erfolgen.
2 zeigt den Hilfsrahmen aus 1 mit den zusätzlich aufgebrachten elektrostriktiven Fasern (5).
Da allein durch das Aufliegen der Fasern auf den Drähten noch keine ausreichende Kontaktierung gewährleistet ist, wird anschließend eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Drähten und den Fasern z.B. mittels eines elastischen elektrisch leitfähigen Klebstoffs hergestellt. Niederviskose Klebstoffe können hierbei eigenständig den größten Teil der Oberflächen in dünner Schicht umfließen und so die gewünschten elektrischen Verbindungen herstellen. Höherviskose Klebstoffe lassen sich mittels Mikrodispenstechniken gezielt an den Kreuzungspunkten von Fasern und Drähten aufbringen.
Optional kann zur Verbesserung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften – auch im Hinblick auf eine spätere Integration des Mikrosystems in ein größeres Bauteil – eine dünne Beschichtung oder, wenn es die spätere Anwendung zuläßt, ein dickerer Verguß des Fasergeleges mit einem Polymer erfolgen.
Anschließend wird der Hilfsrahmen abgetrennt. Dies ist besonders einfach möglich, wenn die Verdrahtung über eine lösbare Klebeverbindung auf dem Hilfsrahmen befestigt wurde. Nach Abtrennung des Hilfsrahmens verbleiben nur noch die kontaktierten elektrostriktiven Fasern, die von den Elektroden getragen werden, wie in 3 dargestellt ist. Dieses Mikrosystem ist als Halbzeug einsetzbar.
Alternativ können zur Steigerung der Wirksamkeit des Mikrosystems auf beiden Seiten der Interdigital- Elektrodenstruktur Fasern in analogen Verfahrensschritten angebracht werden. Ebenso sind Multilayer, bestehend aus mehreren Lagen von jeweils ein- oder beidseitig mit Fasern versehenen Interdigital-Elektrodenstrukturen, herstellbar.
Eine weitere Verfahrensvariante besteht darin, nicht die Drähte, sondern die Fasern zunächst am Hilfsrahmen haftend zu befestigen. Die Drahtstruktur wird dann auf die Fasern appliziert. Die weiteren Verfahrensschritte erfolgen in analoger Weise zu obigem Ausführungsbeispiel.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel stellt ein Mikrosystem dar, das vom späteren Anwender als Halbzeug für die Integration in Verbundwerkstoffe einsetzbar ist.
Das erfindungsgemäße Mikrosystem ist ein substratloses Gelege geringer Steifigkeit, das bevorzugt aus feinsten – ggfs. funktional (z.B. elektrisch oder optisch) kontaktierten – Fasern oder Komponenten mit anderen kleinvolumigen Geometrien besteht. Dieses Mikrosystem kann direkt während der Fertigung eines Bauteils, beispielsweise eines Verbundwerkstoffes oder Faserverbundes, in dieses Bauteil integriert werden. Hierzu kann beispielsweise der Schritt des Lösens der Verdrahtung vom Hilfsrahmen erst bei Aufbringung auf eine Lage bzw. Schicht der Verbundstruktur erfolgen, so daß der Rahmen gleichzeitig als Transportmedium für das Mikrosystem dient.
Optional kann ein Polymer auf das erzeugte Gelege aufgebracht werden. Eine Polymerbeschichtung ist insbesondere bei der beabsichtigten Integration des Mikrosystems in einen elektrisch leitenden Kohlenstoffaserverstärkten Werkstoff für die elektrische Isolierung des Mikrosystems vom umgebenden Bauteil erforderlich, da ansonsten Kurzschlüsse im Mikrosystem auftreten könnten.
Für die Integration eines substratlosen Mikrosystems in das Verbundsystem können bei Fertigung des Verbundsystems die Fasern direkt auf eine Schicht des Verbundsystems abgelegt werden. Hierbei kann die Elektrodenstruktur vor und/oder nach der Ablage der Fasern, beispielsweise in Form eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs, appliziert werden. Die Aushärtung des Klebstoffs kann dabei im gleichen Verfahrensschritt wie die Härtung des Verbundsystems erfolgen.
Eine tragende Funktion der Elektroden ist bei diesem System nicht erforderlich. Auch hierbei entsteht somit ein Mikrosystem, das innerhalb des Verbundsystems ohne Substrat vorliegt.

Claims

Mikrosystem mit sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksamen Bestandteilen, die in Form von länglichen, insbesondere stäbchen- oder faserförmigen Komponenten (5) vorliegen, wobei die Komponenten einen Querschnitt von weniger als 200 μm × 200 μm aufweisen und allein von Elementen (1) getragen werden, die für die sensorische und/oder aktorische und/oder optische Funktion der Komponenten (5) erforderlich sind.
Mikrosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen Komponenten (5) dünne Fasern sind, die einen Durchmesser von weniger als 100 μm aufweisen.
Mikrosystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einen Durchmesser von ≤ 30 μm aufweisen.
Mikrosystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern parallel zueinander in einer Monolage angeordnet sind.
Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die. Komponenten aus piezoelektrischen, magne tostriktiven oder elektrostriktiven Materialien bestehen.
Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten aus einer Formgedächtnislegierung bestehen.
Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten aus einem Glas oder einem Halbleitermaterial bestehen.
Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Komponenten modifiziert ist, insbesondere durch Dotierungen oder Beschichtungen.
Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (1) Ansteuerungselemente für die Komponenten sind.
Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (1) Elektroden oder Zuführungsleitungen sind.
Mikrosystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden oder Zuführungsleitungen in Interdigitalgeometrie angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems der Ansprüche 1 bis 11 mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Hilfsrahmens (2); – Anbringen feiner elektrischer Leitungen (1) an dem Hilfsrahmen, so daß diese am Rahmen haften und sich in den freien Bereich (3) innerhalb des Rahmens erstrecken; – Aufbringen von sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksamen, länglichen Komponenten (5) auf die Leitungen innerhalb des Hilfsrahmens; – Erzeugen einer haftenden Verbindung zwischen den Leitungen und den Komponenten; und – Lösen der Leitungen und Komponenten von dem Hilfsrahmen oder Abtrennen des Hilfsrahmens.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems der Ansprüche 1 bis 11 mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Hilfsrahmens (2); – Aufbringen von sensorisch und/oder aktorisch und/oder optisch wirksamen, länglichen Komponenten (5) auf den Hilfsrahmen, so daß diese am Rahmen haften und sich über den freien Bereich (3) innerhalb des Rahmens erstrecken; – Aufbringen feiner elektrischer Leitungen (1) auf die Komponenten innerhalb des Hilfsrahmens, so daß die Leitungen über den freien Bereich verteilt sind; – Erzeugen einer haftenden und elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Leitungen und den Komponenten; und – Lösen der Komponenten und Leitungen von dem Hilfsrahmen oder Abtrennen des Hilfsrahmens.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsrahmen rechteckig ausgestaltet ist und eine Kantenlänge im Bereich von einigen mm bis mehreren cm aufweist, vorzugsweise zwischen 5 mm und 15 cm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsrahmen aus einer Polymerfolie besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsrahmen zumindest auf einer Seite mit einer haftvermittelnden Beschichtung versehen ist oder selbst aus einem haftvermittelnden Material besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen elektrischen Leitungen den freien Bereich innerhalb des Rahmens netz- oder gitterartig ausfüllen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Komponenten auf die Leitungen oder den Hilfsrahmen mit Hilfe eines Vakuum-, elektrostatischen oder Adhäsionsgreifers erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die haftende Verbindung zwischen den Leitungen und den Komponenten durch Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Klebstoffes erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten zusätzlich mit einer Beschichtung überzogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten auf beiden Seiten der dünnen elektrischen Leitungen aufgebracht und/oder mehrere der entstehenden ein- oder beidseitigen Fasergelege als Multilayer geschichtet werden.
Verwendung des Mikrosystems der Ansprüche 1 bis 11 in einem Verbundwerkstoff, wobei das Mikrosystem bei der Herstellung des Verbundwerkstoffes auf eine Schicht des Verbundwerkstoffes aufgebracht und gegebenenfalls weitere Schichten auf das Mikrosystem auflaminiert werden.