DE19920161A1 - Verfahren zum Herstellen von Mikrobauteilen mit Strömungskanälen - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von Mikrobauteilen mit StrömungskanälenInfo
- Publication number
- DE19920161A1 DE19920161A1 DE19920161A DE19920161A DE19920161A1 DE 19920161 A1 DE19920161 A1 DE 19920161A1 DE 19920161 A DE19920161 A DE 19920161A DE 19920161 A DE19920161 A DE 19920161A DE 19920161 A1 DE19920161 A1 DE 19920161A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- layer
- metal
- metal layer
- screen printing
- channels
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
- B32B38/10—Removing layers, or parts of layers, mechanically or chemically
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/40—Static mixers
- B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
- B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
- B01F25/432—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa
- B01F25/4323—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa using elements provided with a plurality of channels or using a plurality of tubes which can either be placed between common spaces or collectors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/30—Micromixers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00819—Materials of construction
- B01J2219/00822—Metal
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00819—Materials of construction
- B01J2219/00835—Comprising catalytically active material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00873—Heat exchange
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00889—Mixing
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Mikrobauteilen mit Strömungskanälen in mindestens einer Ebene, insbesondere von chemischen Mikroreaktoren, Wärmeaustauschern, Mischern und Verdampfern, mit den Verfahrensschritten: A) Herstellen einer ersten Metallschicht oder einer Metallfolie 1; B) Überziehen mindestens einer Oberfläche der ersten Metallschicht oder Metallfolie 1 mit einer strukturierten Resistschicht 3, wobei die erste Metallschicht oder Metallfolie 1 an allen Stellen 6, die den zu bildenden Kanälen nicht entsprechen, freiliegt; C) Abscheiden einer zweiten Metallschicht 7 an den freiliegenden Stellen 6 der ersten Metallschicht oder Metallfolie 1; wobei die Verfahrensfolge A bis C zum Bilden der mehreren Ebenen mehrmals nacheinander durchgeführt wird und/oder sich an die Verfahrensfolge A bis C der Verfahrensschritt A zum Bilden eines Abschlußsegments für die Strömungskanäle anschließt; und D) Entfernen der Resistschicht 3 nach dem Bilden der Ebenen. Als Resistschicht 3 kann eine Siebdrucklackschicht, eine photoempfindliche Schicht oder eine perforierte Folie eingesetzt werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Mikrobauteilen mit
Strömungskanälen in mindestens einer Ebene, insbesondere chemische Mikro
reaktoren, die in der chemischen Industrie unter anderem für Synthesereaktio
nen und auf anderen Gebieten, beispielsweise als Wasserstoffquellen zur
Energieumwandlung (Brennstoffzellen), eingesetzt werden können, sowie von
Wärmeaustauschern, Mischern und Verdampfern.
In der Literatur wird seit einigen Jahren über chemische Mikroreaktoren be
richtet, die gegenüber den herkömmlichen Produktionsanlagen zur Herstellung
chemischer Verbindungen Vorteile aufweisen. Hierbei handelt es sich um eine
Anordnung von Reaktionszellen, deren Abmessungen von wenigen Mikro
metern bis zu einigen Millimetern betragen und somit sehr viel kleiner sind als
die herkömmlicher Reaktoren. Diese Reaktionszellen sind so gestaltet, daß in
ihnen physikalische, chemische oder elektrochemische Reaktionen ablaufen
können. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen porösen System (heterogene
Katalyse) sind die Abmessungen dieser Zellen durch die Konstruktion definiert,
also planmäßig mit einem technischen Verfahren herstellbar. Auch die An
ordnung einzelner Reaktionszellen im Ensemble des Reaktors ist geordnet,
insbesondere periodisch in einer, zwei oder drei Dimensionen. Zu den che
mischen Mikroreaktoren werden im erweiterten Sinne auch die notwendigen
Zu- und Ableitungsstrukturen für die Fluide (Flüssigkeiten, Gase) sowie Sensoren
und Aktoren gerechnet, beispielsweise Ventile, die den Stoffstrom durch die
einzelnen Zellen kontrollieren, und Heizelemente.
Die Verwendung von chemischen Mikroreaktoren als Wasserstoffquellen für
Brennstoffzellen zur Energieumwandlung ist beispielsweise von R. Peters et al.
in "Scouting Study about the Use of Microreactors for Gas Supply in a PEM-
Fuel Cell System for Traction", Proc. of the 1st Int. Conf. on Microreaction
Technology, Frankfurt, 1997 beschrieben worden.
Dieses Konzept für chemische Mikroreaktoren wurde auch auf Wärmeaustau
scher angewendet. In diesem Fall sind in dem Wärmeaustauscher mindestens
zwei voneinander getrennte Fluidkanäle vorhanden, die zur Übertragung von
Wärme von Fluid in dem einen Kanal zu Fluid im anderen Kanal dienen.
Zur Herstellung chemischer Mikroreaktoren bzw. von Wärmeaustauschern gibt
es eine Reihe von Vorschlägen:
Beispielsweise kann ein chemischer Mikroreaktor durch Stapeln von mehreren Kupferfolien hergestellt werden, in die zur Bildung von Strömungskanälen mittels eines Diamantwerkzeuges Rillen eingeritzt werden. Ein derartiges Her stellverfahren wird von D. Hönicke und G. Wiesmeier in "Heterogeneous Cataly zed Reactions in a Microreactor" in DECHEMA Monographs, Volume 132, Papers of the Workshop on Microsystem Technology, Mainz, 20 bis 21. Februar 1995, Seiten 93 bis 107 beschrieben. Für die Herstellung von Acrolein aus Propen wurden die Innenwände der Reaktionskanäle teilweise zu Kupfer(I)-oxid oxidiert.
Beispielsweise kann ein chemischer Mikroreaktor durch Stapeln von mehreren Kupferfolien hergestellt werden, in die zur Bildung von Strömungskanälen mittels eines Diamantwerkzeuges Rillen eingeritzt werden. Ein derartiges Her stellverfahren wird von D. Hönicke und G. Wiesmeier in "Heterogeneous Cataly zed Reactions in a Microreactor" in DECHEMA Monographs, Volume 132, Papers of the Workshop on Microsystem Technology, Mainz, 20 bis 21. Februar 1995, Seiten 93 bis 107 beschrieben. Für die Herstellung von Acrolein aus Propen wurden die Innenwände der Reaktionskanäle teilweise zu Kupfer(I)-oxid oxidiert.
Mit dem LIGA-Verfahren (Lithographie Galvano-Formung, Abformung) wird
eine Kunststoffschicht, meistens Polymethylmethacrylat (PMMA), mittels Syn
chrotronstrahlung belichtet und anschließend entwickelt. Die derart erzeugte
Struktur wird mit einem elektrolytischen Verfahren mit Metall ausgefüllt. Die
Metallstruktur kann dann in weiteren Verfahrensschriften mittels einer Kunst
stoffabformung (Kunststoffspritzverfahren) vervielfältigt werden. Dieses Verfah
ren wurde von W. Ehrfeld und H. Lehr in Radiat. Phys. Chem., Band 45, Seiten
349 bis 365 beschrieben.
Eine mit dem LIGA-Verfahren verwandte Technik, die ohne die sehr aufwendige
Synchrotronstrahlung auskommt, ist das sogenannte Laser-LIGA-Verfahren.
Hierbei wird die Kunststoffschicht aus PMMA mit einem leistungsfähigen UV-
Laser strukturiert und anschließend wie im LIGA-Verfahren galvanisch abge
formt (W. Ehrfeld et al., "Potentials and Realization of Microreactors" in
DECHEMA Monographs, Volume 132, Seiten 1 bis 29).
Auch die Methoden, die in der Halbleiterindustrie zur Strukturierung von Sili
ziumoberflächen entwickelt worden sind, wurden ebenfalls zur Herstellung von
Mikroreaktoren übernommen. Beispielsweise wurde von J.J. Lerou et al. in
"Microfabricated Minichemical Systems: Technical Feasibility", DECHEMA
Monographs, Volume 132, Seiten 51 bis 69 ein Verfahren beschrieben, bei dem
drei geätzte Silizium-Wafer und zwei End-Wafer an den Außenseiten mitein
ander verbunden wurden. Ferner wurde ein mit polykristallinen Silberpartikeln
gefüllter Wärmeaustauscher, der ebenfalls als Mikroreaktor ausgebildet war,
verwendet.
In EP 0 212 878 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers
beschrieben, bei dem die Strömungskanäle des Wärmemediums in Stahlplatten
durch chemisches Ätzen gebildet werden. Die Stahlplatten werden anschlie
ßend durch Diffusionsbonden miteinander verschweißt.
In WO-A-9215408 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mikrosieben beschrie
ben, bei dem in einen mit einer ätzfesten Schicht überzogenen flächigen Träger
Löcher und andere Vertiefungen mit einem bestimmten Muster durch Plasma
technik geätzt werden. Mehrere dieser gelochten Träger werden anschließend
miteinander verbunden.
In DE 197 08 472 A1 ist ein Herstellverfahren für chemische Mikroreaktoren
beschrieben, bei dem Fluidkanäle in einzelnen Ebenen gebildet werden, indem
mit Metalloberflächen versehene Substrate mittels photolithographischer Tech
niken oder Siebdruckverfahren strukturiert und die erhaltenen Kanalstrukturen
durch Metallabtrags- oder -auftragsverfahren gebildet werden. Die einzeln
hergestellten Ebenen werden anschließend zu einem Stapel zusammengefaßt
und fest miteinander verbunden. Beispielsweise können die Kanäle durch
partielles Wegätzen der Metallschicht auf dem Substrat erzeugt werden.
Die bisher bekannten Methoden zur Herstellung der chemischen Mikroreakto
ren und Wärmeaustauscher weisen vielfältige Nachteile auf. Beispielsweise
sind komplizierte und/oder teuere Techniken zur Herstellung der Kanäle er
forderlich. In einigen Fällen ist die Herstellung der Reaktoren ausschließlich auf
Silizium als Material beschränkt.
Nachteilig ist insbesondere auch, daß für spezifische Anwendungen in der
chemischen Reaktionstechnik bestimmte empfindliche funktionelle Oberflächen
schichten beim Zusammenfügen der einzelnen Ebenen zerstört oder zumindest
beschädigt werden können, vor allem wenn eine hohe Temperatur beim Fü
geprozeß angewendet wird. Als mögliche Abhilfe wurde auch vorgeschlagen,
die einzelnen Schichten durch Kleben miteinander zu verbinden. Diese Technik
hat jedoch Grenzen und Risiken, die darin bestehen, daß der Kleber in die
feinen Kanäle gelangt und diese verstopft und/oder daß die Klebeverbindung
unter den Betriebsbedingungen nicht fest genug ist, um dem im allgemeinen
hohen Druck, der beim Hindurchleiten der Fluide durch den Reaktor oder Wär
meaustauscher auftritt, standzuhalten. Außerdem sind Kleber wegen deren im
allgemeinen geringer Wärme- und Chemikalienbeständigkeit zur Herstellung
der Mikroreaktoren nur in Sonderfällen geeignet.
In der chemischen Reaktionstechnik dienen die funktionellen Oberflächen
schichten beispielsweise zur Katalyse chemischer Reaktionen. Eine nach
trägliche Beschichtung der Strömungskanäle in den Ebenen ist häufig jedoch
nicht möglich, da die funktionellen Schichten in diesem Falle wegen der elek
trischen Abschirmung durch den Reaktor oder Wärmeaustauscher selbst nicht
auf elektrolytischem Wege aufgebracht werden können. Auch bei der stromlo
sen Metallisierung hat sich herausgestellt, daß eine sichere Beschichtung nicht
möglich ist, da die üblicherweise verwendeten Metallisierungsbäder auf unter
schiedliche Strömungsgeschwindigkeit der Metallisierungsflüssigkeit an den zu
beschichtenden Oberflächen sehr empfindlich reagieren. Unter diesen Bedin
gungen werden unter anderem solche Oberflächenbereiche stromlos metalli
siert, an denen die Metallisierflüssigkeit langsam vorbeiströmt, während Ober
flächenbereiche, an denen die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit vorbei
strömt, nicht mit Metall überzogen werden.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist auch, daß in der Praxis erhebliche
Schwierigkeiten beim Zusammenbau der stapelförmigen Reaktoren zu über
winden sind und beim Einhausen der Mikrobauteile auftreten. Diese Schwierig
keiten sind auf Undichtigkeiten beim Fügen und auf Materialverzug bei ther
mischer Belastung zurückzuführen. Je mehr Fügenähte ein Bauteil aufweist,
desto höher ist das Risiko von Undichtigkeiten, so daß in der Regel mit einem
hohen Ausschuß bei der Herstellung der Reaktoren gerechnet werden muß,
wenn diese Technik angewendet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt von daher das Problem zugrunde, Mikrobautei
le mit Strömungskanälen in mindestens einer Ebene, insbesondere chemische
Mikroreaktoren, Wärmeaustauscher, Mischer und Verdampfer, herzustellen, die
für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen in der chemischen Reak
tionstechnik, zum Wärmeaustausch, zum Mischen von Stoffen oder zum Ver
dampfen von Flüssigkeiten geeignet sind. Insbesondere soll es möglich sein, für
verschiedene Anwendungen des Mikrobauteils unterschiedliche Beschichtun
gen auf die Kanaloberflächen aufzubringen. Ferner soll das Herstellverfahren
möglichst preiswert und schnell durchführbar sein, ohne daß hohe Ausfallraten
beim Fertigen der Mikrobauteile entstehen. Derartige Mikroreaktoren, Wärme
austauscher, Mischer und Verdampfer sollen auch in großen Stückzahlen
einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Gelöst wird dieses Problem durch das Verfahren nach Anspruch 1. Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen von Mikrobauteilen mit
Strömungskanälen in mindestens einer Ebene, insbesondere von chemischen
Mikroreaktoren, Wärmeaustauschern, Mischern und Verdampfern. Die Strö
mungskanäle weisen vorzugsweise Abmessungen von wenigen Mikrometern
bis zu einigen Millimetern auf.
Die chemischen Mikroreaktoren werden vorzugsweise in der chemischen Indu
strie unter anderem für Synthesereaktionen und auf anderen Gebieten, bei
spielsweise als Wasserstoffquellen zur Energieumwandlung (Brennstoffzellen),
eingesetzt.
Als chemische Mikroreaktoren werden Vorrichtungen mit Strömungskanälen in
mindestens einer Reaktorlage verstanden, die neben den eigentlichen Re
aktionszonen gegebenenfalls auch Hilfszonen aufweisen, die zum Mischen,
Dosieren, Heizen, Kühlen oder Analysieren der Ausgangsstoffe, Zwischen
produkte oder Endprodukte dienen. Jede Zone ist durch einen an die jeweiligen
Anforderungen angepaßten Aufbau charakterisiert. Während Heiz- und Kühlzo
nen entweder als Wärmeaustauscher oder als mit elektrischen Widerstandshei
zungen bzw. elektrischen Kühlelementen ausgerüstete Reaktorabteile ausge
bildet sind, weisen Analysenzonen angepaßte Sensoren auf. Dosierzonen
enthalten beispielsweise Mikroventile und Mischzonen, beispielsweise Kanäle
mit geeignet geformten Einbauten zur Verwirbelung der zusammengeführten
Fluide.
In den Mikroreaktoren, Wärmeaustauschern, Mischern und Verdampfern sind
Strömungskanäle in mindestens einer Ebene enthalten. Die Strömungskanäle
in den einzelnen Ebenen können teilweise auch miteinander verbunden sein.
Zur nachfolgenden Erläuterung des Verfahrens wird auf die Fig. 1 und 2
verwiesen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Ablaufes für das Her
stellverfahren in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs für das Her
stellverfahren in einer zweiten Ausführungsform.
In der ersten Ausführungsform der Erfindung (Fig. 1) wird zur Herstellung der
mehrlagigen Mikrobauteile zuerst eine erste Metallschicht 1 hergestellt (Verfah
rensschritt A). Diese Metallschicht kann mit einem galvanotechnischen oder
physikalischen Metallabscheideverfahren entweder auf einem Träger 2 gebildet
werden, beispielsweise auf einer Kunststoffplatte oder einer Metallplatte, oder
es kann eine freitragende Folie hergestellt werden. Derartige Folien sind aus
der Leiterplattentechnik bekannt. Zur Beschichtung mit einem physikalischen
Metallabscheideverfahren können alle üblichen Vakuumverfahren eingesetzt
werden, nämlich das CVD-(chemical vapour deposition), PECVD-(plasma
enhanced chemical vapour deposition), Aufdampf- und Sputterverfahren. Vor
zugsweise wird diese Metallschicht durch elektrolytische Metallabscheidung
gebildet. Sie besteht üblicherweise aus Kupfer, Nickel, Kobalt, Zink, Zinn,
Chrom, Eisen (Stahl, Edelstahl), Aluminium oder Legierungen dieser Metalle
untereinander oder mit anderen Elementen, beispielsweise Phosphor oder Bor.
Sie kann grundsätzlich aber auch aus einem anderen Metall bestehen. Zur
elektrolytischen Metallabscheidung, bei der eine äußere Stromquelle zur Metall
abscheidung benötigt wird, ist zuerst die Abscheidung einer elektrisch leit
fähigen Startschicht erforderlich. Diese kann beispielsweise durch stromlose
Metallabscheidung nach einer vorherigen Aktivierung der nicht-katalytischen
Oberfläche mit Palladiumkeimen gebildet werden. Die Dicke der Metallschicht 1
beträgt vorzugsweise mindestens 0,1 µm, um eine ausreichende elektrische
Leitfähigkeit für nachfolgende Herstellschritte zu gewährleisten. Üblich ist eine
Dicke von 5 µm bis 1 mm.
Anschließend wird die erste Metallschicht oder Metallfolie in einer ersten Ver
fahrensvariante an mindestens einer der beiden Oberflächen mit einer photo
empfindlichen Schicht 3 überzogen (Verfahrensschritt B). Die Dicke dieser
Schicht ist von der Höhe der später zu bildenden Strömungskanäle bestimmt.
Üblicherweise werden hierzu aus der Leiterplattentechnik, der Mikrosystem
technik und von den Chip-Herstellungstechniken bekannte Positiv- oder
Negativ-Photoresiste eingesetzt. Die gebildete photoempfindliche Schicht wird
nach dem Trocknen mit dem Muster der Kanäle beispielsweise durch eine
Maske 4 hindurch belichtet (Lichtstrahlen 5; Verfahrensschritt B1) und die
darunterliegende Metallschicht oder Metallfolie 1 beim Entwicklungsprozeß
anschließend an allen Stellen 6 freigelegt, die den zu bildenden Kanälen nicht
entsprechen (Verfahrensschritt B2).
In einer anderen Variante (in der Figur nicht dargestellt) wird mindestens eine
Oberfläche der ersten Metallschicht oder Metallfolie 1 mit einer Siebdrucklack
schicht an den Stellen auf der Oberfläche, die den zu bildenden Kanälen ent
sprechen, überzogen.
In einer dritten Verfahrensvariante wird auf mindestens eine Oberfläche der
ersten Metallschicht oder Metallfolie 1 eine Folie, vorzugsweise eine Kunststoff
folie, auflaminiert, wobei die Folie mit Perforationen an allen Stellen 6 der Ober
fläche versehen ist, die den zu bildenden Kanälen nicht entsprechen. Die Ver
wendung einer derartigen Folie ist dann vorteilhaft, wenn besonders hohe
Strömungskanäle gebildet werden sollen, so daß die Resiststruktur sehr dick
sein muß. Daher werden vor allem Folien mit einer Dicke von 50 µm und mehr
eingesetzt.
Sowohl bei der Beschichtung mit einem photoempfindlichen Resist und beim
anschließenden Belichten und Entwickeln des Resists als auch beim Überzie
hen mit einer Siebdrucklackschicht oder einer perforierten Folie wird eine Struk
tur erhalten, bei der die erste Metallschicht oder Metallfolie an allen Stellen mit
dem Resist bzw. der Folie bedeckt ist, die den zu bildenden Strömungskanälen
entsprechen.
An den freigelegten oder freiliegenden Stellen 6 der ersten Metallschicht oder
Metallfolie 1 wird dann eine zweite Metallschicht 7 abgeschieden (Verfahrens
schritt C1). Typischerweise wird hierzu ein galvanotechnisches Verfahren
eingesetzt, vorzugsweise ein elektrolytisches Metallabscheideverfahren, bei
dem eine äußere Stromquelle zur Metallabscheidung verwendet wird. Selbst
verständlich kann die zweite Metallschicht aber auch durch stromlose Metalli
sierung hergestellt werden. Wird eine selektive Abscheidung der zweiten Metall
schicht ausschließlich an den freigelegten oder freiliegenden Stellen 6 der
ersten Metallschicht oder Metallfolie 1, nicht aber auf der Siebdrucklackschicht,
der photoempfindlichen Schicht oder der perforierten Folie 3 gewünscht, so
muß bei Anwendung des stromlosen Verfahrens separat dafür gesorgt werden,
daß die zweite Metallschicht 7 nur auf der ersten Metallschicht oder der Metall
folie gebildet wird, beispielsweise durch Anlegen eines negativen elektrischen
Potentials an die erste Metallschicht oder die Metallfolie während der Abschei
dung des zweiten Metalls. Wird dagegen ein elektrolytisches Metallabscheide
verfahren gewählt, scheidet sich dieses Metall automatisch selektiv nur auf den
freiliegenden Stellen der ersten Metallschicht oder Metallfolie ab. Das Metall der
zweiten Metallschicht kann mit dem Metall der ersten Metallschicht oder Metall
folie identisch sein. Zur Bildung der zweiten Metallschicht kann auch ein ande
res Metall aufgebracht werden. In dem fertigen Mikroreaktor, Wärmeaustau
scher, Mischer oder Verdampfer bildet die zweite Metallschicht die Wände der
Strömungskanäle. Daher muß diese Metallschicht eine Dicke aufweisen, die der
Höhe der Strömungskanäle entspricht. Vorzugsweise sollte die zweite Metall
schicht ebenso dick sein wie die Siebdrucklackschicht, die photoempfindliche
Schicht oder die perforierte Folie.
Vor der Bildung weiterer Kanalebenen oder eines Abschlußsegments zum
Verschließen der Strömungskanäle kann die erste gebildete Kanalebene - falls
erforderlich - durch eine mechanische oder andere Oberflächenbehandlung
eingeebnet werden, beispielsweise durch Mikrofräsen oder Polieren.
Zur Bildung der zweiten und weiterer Kanalebenen wird die vorstehend be
schriebene Verfahrensfolge A bis C mehrmals nacheinander durchgeführt. Das
bedeutet, daß anschließend in einem Verfahrensschritt A' wieder eine weitere
erste Metallschicht 1' auf die Oberfläche der Photoresistschicht, Siebdruck
resistschicht oder auf der perforierten Folie 3 und auf die zweite Metallschicht 7
aufgebracht wird. Diese weitere erste Metallschicht 1' stellt ebenso wie die
entsprechende Metallschicht oder Metallfolie 1 in der ersten Ebene eine Grund
schicht dar, auf der die einzelnen Strömungskanäle der nächsten Kanalebene
gebildet werden. Zur Herstellung dieser Grundmetallschicht in der zweiten
Ebene muß ebenso wie zur Bildung der ersten Metallschicht oder Metallfolie 1
in der ersten Kanalebene zunächst eine dünne leitfähige Startschicht aus Metall
abgeschieden werden, wenn diese erste Metallschicht elektrolytisch abgeschie
den wird. Falls diese Startschicht auf stromlosem Wege gebildet wird, muß
zunächst eine für die stromlose Metallabscheidung katalytische Schicht abge
schieden werden. Hierzu eignen sich beispielsweise Palladiumkolloide. Diese
werden eingesetzt, um die elektrisch nichtleitenden Oberflächen für die Ab
scheidung der dünnen leitfähigen Startschicht vorzubereiten, die die Grundlage
für eine elektrolytisch abgeschiedene Metallschicht bildet. Die zweite Grund
schicht kann auch mit einem physikalischen Metallabscheideverfahren gebildet
werden, beispielweise durch Sputtern.
Nach der Bildung dieser zweiten Grundschicht 1' wird wiederum eine photoem
pfindliche Schicht, eine strukturierte Siebdrucklackschicht oder perforierte Folie
aufgebracht. Die photoempfindliche Schicht, Siebdrucklackschicht bzw. perfo
rierte Folie wird danach getrocknet. Die photoempfindliche Schicht wird an
schließend mit dem Bild der Strömungskanäle belichtet und entwickelt. Die
Siebdrucklack- bzw. die Folienstruktur weist ebenfalls das Abbild der Strö
mungskanäle auf. Im Anschluß daran wird wiederum das zweite Metall auf den
freiliegenden Metalloberflächen gebildet. Anschließend werden weitere Ebenen
in der beschriebenen Weise aufgebracht.
Nach der Fertigstellung der einzelnen Ebenen wird die oberste Reaktor- oder
Wärmeaustauscherebene durch eine letzte Metallschicht abgedeckt, um die
oberste Kanalebene zu schließen. Diese Metallschicht wird auch als Abschluß
segment bezeichnet. Gegebenenfalls können abschließend Frontplatten an den
beiden Stirnflächen des Reaktors, Wärmeaustauschers, Mischers oder Ver
dampfers vorgesehen werden, die beispielsweise miteinander verschraubt
werden, um die beim Durchfluß auftretenden Kräfte aufzunehmen.
Falls ein Mikrobauteil mit nur einer Strömungskanalebene hergestellt wird, wird
im Anschluß an die vorgenannte Verfahrensfolge mit den Schritten A bis C, mit
der eine Strömungskanalebene gebildet wird, der Verfahrensschritt A zum
Bilden eines Abschlußsegments für die Strömungskanäle durchgeführt. In
diesem Fall stellt die auf die Bildung der ersten Kanalebene nachfolgend aufge
brachte Metallschicht 1' das Abschlußsegment dar.
Nach der Fertigstellung des Mikrobauteils mit einer oder mehreren Strömungs
kanalebenen wird der Photoresist, Siebdruckresist oder die perforierte Folie aus
den bei der Metallisierung freigehaltenen Strömungskanälen entfernt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die einzelnen Mikrobauteilebe
nen also im Gegensatz zu den bekannten Verfahren auf sequentiellem Wege
hergestellt. Damit entfällt der Nachteil, daß die einzelnen Ebenen nach deren
separater Herstellung miteinander und mit dem Abschlußsegment in einem
Fügeverfahren verbunden werden müssen. Zum anderen können keine Undich
tigkeiten im fertiggestellten Mikrobauteil durch ein mangelhaftes Fügeverfahren
auftreten. Außerdem können als Werkstoffe grundsätzlich alle mittels galvano
technischer Verfahren abscheidbare Metalle eingesetzt werden. Für die Her
stellung der Strömungskanalwände können beispielsweise Kupfer, Nickel,
Kobalt, Zink, Zinn, Chrom und Eisen sowie deren Legierungen eingesetzt wer
den. Für die funktionellen Schichten eignen sich insbesondere Edelmetalle, wie
Platin, Gold, Silber, Ruthenium und Palladium. Bei Anwendung der bekannten
Herstellverfahren werden die zunächst separat hergestellten Einzellagen durch
Diffusionsschweißen oder Löten nachträglich miteinander verbunden. Dies setzt
jedoch voraus, daß auch Materialien eingesetzt werden, die diffusionsschweiß- oder
lötbar sind. Außerdem stellt sich bei der Herstellung der erfindungsgemä
ßen Mikrobauteile im Gegensatz zu den nach den bekannten Verfahren her
gestellten Bauteilen kein Materialverzug ein. Ein derartiger nachteiliger Effekt ist
beim Fügen der herkömmlichen Mikrobauteile durch die große Wärmeeinwir
kung meist nicht zu vermeiden. Weiterhin besteht ein Vorteil des erfindungs
gemäßen Verfahrens darin, daß keine besonderen Maßnahmen ergriffen wer
den müssen, um eine gute Haftung zwischen der zweiten und weiterer Grund
schichten 1' (bzw. 1'', 1''', . . .) und der Photoresistschicht, Siebdruckresistschicht
oder der perforierten Folie zu gewährleisten.
Vorteilhaft ist auch, daß bereits im Zuge der Bildung der einzelnen Ebenen
funktionelle, beispielsweise katalytische, Schichten auf die Strömungskanalwän
de aufgebracht werden können. Die funktionellen Schichten könnten zwar
grundsätzlich auch nach der Herstellung des Mikrobauteils erzeugt werden. Im
Falle der gefügten Bauteile stören jedoch die Lötverbindungen zwischen den
einzelnen Kanalebenen, da diese die stromlos arbeitenden Metallisierungs
bäder zur Herstellung der funktionellen Schichten deaktivieren können. Außer
dem kann ein Metallisierungsverfahren unter Verwendung einer äußeren Strom
quelle zum Aufbringen dieser Schichten nicht eingesetzt werden, nachdem der
Reaktor fertiggestellt ist.
Zur Herstellung der funktionellen Schichten wird nach Durchführung von Ver
fahrensschritt C1 in einem zusätzlichen Verfahrensschritt C2 (Fig. 1) eine
dritte Metallschicht 8 durch elektrolytische oder stromlose Metallabscheidung
oder mit einem physikalischen Metallabscheideverfahren, beispielsweise einem
Sputter-, Aufdampf-, CVD- oder PECVD-Verfahren, gebildet. Alternativ können
auch Molekülschichten, die spezifische katalytische Eigenschaften aufweisen,
chemisorbiert oder adsorbiert oder auch Kunststoffschichten oder Keramik
schichten gebildet werden. Die Keramikschichten sind insbesondere dann
vorteilhaft, wenn eine große Oberfläche an den Strömungskanalwänden er
zeugt werden soll. Für diesen Zweck werden poröse Keramikschichten gebildet,
beispielsweise Oxidschichten durch Aufsputtern. Besonders gut geeignet ist
auch eine aufgedampfte Aluminiumschicht, die nachträglich durch Eloxieren
oder Behandlung beispielsweise mit Salpetersäure zu einer Aluminiumoxid
schicht umgewandelt werden kann. Eine derartige Schicht kann als Träger für
Katalysatoren dienen, mit denen diese Schicht imprägnierbar ist.
Schicht 8 kann ihrerseits auch aus verschiedenen Schichten aufgebaut sein.
Diese Schichten können auch als trägerfixierte Katalysatoren dienen. Hierzu
werden die Oberflächen der Siebdrucklackschicht, der photoempfindlichen
Schicht oder der perforierten Folie und der zweiten Metallschicht zunächst
gereinigt. Danach können die gereinigten Oberflächen mit einer Aktivierungs
lösung in Kontakt gebracht werden, beispielsweise einer Palladiumkolloidlö
sung, die für die nachfolgende stromlose Metallabscheidung katalytisch wirkt,
um auf den nicht-katalytischen Oberflächen der Siebdrucklackschicht, photo
empfindlichen Schicht oder der perforierten Folie stromlos Metall abscheiden zu
können. Die Schicht 8 kann auch selektiv ausschließlich auf die Siebdrucklack
schicht, die photoempfindliche Schicht oder die perforierte Folie durch geeigne
te Maskenprozesse aufgebracht werden, um zu verhindern, daß auf die Metall
schicht 7 niedergeschlagene Schichten 8 die Haftfestigkeit von nachfolgend auf
die Schicht 7 aufgebrachte Metallschichten beeinträchtigt.
Derartige Aktivierungslösungen sind an sich bekannt. Üblicherweise werden
diese durch Vermischen von Palladiumchlorid, Zinn(II)-chlorid und Salzsäure
oder von Palladiumsulfat, einem Aminopyridin und Lauge oder von Palladium
sulfat, einem organischen Schutzkolloid, wie Polyvinylpyrrolidon, und Natrium
hypophosphit gebildet. Anschließend werden die aktivierten Oberflächen mit
einer Metallisierungslösung in Kontakt gebracht, beispielsweise einer sauren
Palladiumionen enthaltenden Lösung. Eine für diesen Zweck gut einsetzbare
Palladinierlösung enthält zusätzlich ein Oxidationsmittel, beispielsweise Na
triumperoxodisulfat. Alternativ kann beispielsweise auch eine Korrosionsschutz
schicht aus einer Nickel/Phosphor-Legierung abgeschieden werden. Hierzu
stehen kommerzielle Bäder zur Verfügung, in denen neben einem Nickelsalz
Carbonsäuren als Komplexbildner für Nickelionen und zusätzlich Natriumhypo
phosphit als Reduktionsmittel enthalten sind.
In einer weiteren Verfahrensvariante (Fig. 2) wird die zweite Metallschicht 7 in
Abwandlung zum zuvor beschriebenen Verfahren in einer Reaktor-, Wärme
austauscher-, Mischer- oder Verdampferebene gemäß Verfahrensschritt C und
die erste Metallschicht 1' in der darauffolgenden Ebene bzw. die als Abschluß
segment dienende erste Metallschicht 1' gemäß Verfahrensschritt A' in einem
einzigen kombinierten Verfahrensschritt gebildet. Damit entfällt ein separater
Verfahrensschritt. Die Metalle der ersten und der zweiten Metallschicht sind
vorzugsweise identisch.
An die Bildung der kombinierten Schicht 7, 1' gemäß Verfahrensschritt C + A',
die gleichzeitig die Grundschicht für die nächstfolgende Kanalebene darstellt,
schließt sich das vorstehend beschriebene Verfahren zur Bildung der nächsten
Ebene an. Anschließend wird die Oberfläche zunächst mittels eines Siebdruck
lackes, einer photoempfindlichen Schicht oder einer perforierten Folie struktu
riert und danach eine weitere Metallage gemäß den Verfahrensschritten C und
A' aufgebracht. Die in Fig. 2 angegebenen Bezugsziffern entsprechen im
übrigen denen in Fig. 1.
Auch in diesem Falle dient die Metallschicht 1' als Abschlußsegment, an deren
Bildung sich keine weiteren Verfahrensschritte anschließen, wenn nur eine
Strömungskanalebene gebildet werden soll.
Auch bei der Herstellung von Mikrobauteilen nach diesem Verfahrensschema
werden funktionelle Schichten 8 abgeschieden. Diese werden auf die Resist
oberflächen aufgebracht (Verfahrensschritt B3 in Fig. 2). Hierzu werden die
selben Verfahrenstechniken eingesetzt wie bei der zuerst beschriebenen Ver
fahrensvariante gemäß Fig. 1.
Weiterhin können weitere Metallschichten abgeschieden werden, sofern spezi
fische Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalles dies erfordern. So
lassen sich beispielsweise besonders verschleißbeständige Schichten gegen
Korrosion und Abrasion, beispielsweise aus Chrom, einer Nickel/Phosphor-
Legierung oder Palladium abscheiden, oder Oberflächen aus katalytisch akti
vem Metall (Platin, Palladium) elektrolytisch oder stromlos bilden. Auch magne
tische Schichten, beispielsweise aus einer ferromagnetischen Nickel/Kobalt-
Legierung können für bestimmte Anwendungen, wie beispielsweise für den
Einsatz von Magnetventilen als Aktoren, notwendig sein. Weiterhin kann die
Oberflächenstruktur auch durch chemische oder elektrolytische Ätztechniken
aufgerauht oder geglättet werden.
Nachdem die gewünschte Anzahl von Kanalebenen gebildet worden ist, wird
die Siebdrucklackschicht, photoempfindliche Schicht oder perforierte Folie in
einem weiteren Verfahrensschritt D entfernt. Hierzu kann die erzeugte Struktur
beispielsweise mit einem Lösungsmittel für die Siebdrucklackschicht, die photo
empfindliche Schicht oder die perforierte Folie unter gleichzeitiger Einwirkung
von Ultraschall und Wärme in Kontakt gebracht werden. Das Lösungsmittel
enthält vorzugsweise ein Netzmittel mit einer niedrigen Oberflächenspannung.
Die Wahl des Lösungsmittels richtet sich nach der Art des aufzulösenden
Kunststoffmaterials (Siebdrucklack, photoempfindliche Schicht, perforierte
Folie). Für Polymethylmethacrylat als Kunststoffmaterial sind beispielsweise
Aceton, Chloroform, Butanon, 1,4-Dioxan und N,N-Dimethylformamid und deren
Gemische und für Photoresiste N-Methylpyrrolidon, Trichlorethan, Dimethylsulf
oxid und Methylenchlorid und deren Gemische geeignet. Außerdem können
wäßrige alkalische Systeme mit geeigneten Cosolventien eingesetzt werden.
Alternativ kann die Siebdrucklackschicht, photoempfindliche Schicht oder perfo
rierte Folie auch durch Pyrolyse entfernt werden. Hierzu wird die gebildete
Mikrobauteilstruktur in einen Ofen überführt und der Siebdrucklack, die
photoempfindliche Schicht oder die perforierte Folie thermisch zersetzt. Even
tuelle Reste des zersetzten organischen Materials können anschließend in
einem Lösungsmittel entfernt werden, wiederum vorzugsweise unter Einwirkung
von Ultraschall und in Gegenwart eines geeigneten Netzmittels.
In einer weiteren Verfahrensvariante kann der Kunststoff auch mit einem Plas
maverfahren entfernt werden. Hierzu wird die fertiggestellte Mikrobauteilstruktur
in eine Glimmentladungszone eines Plasmareaktors gebracht.
In einer noch weiteren Verfahrensalternative kann die Siebdrucklackschicht,
photoempfindliche Schicht oder perforierte Folie gemäß Verfahrensschritt D mit
überkritischen Flüssigkeiten entfernt werden. Hierzu wird die Mikrobauteil
struktur unter geeigneten Druck- und Temperaturverhältnissen, beispielsweise
in einem Autoklaven, mit Kohlendioxid, Ethylen, Propan, Ammoniak, Distick
stoffdioxid, Wasser, Toluol, Stickstoffheterocyclen oder anderen Stoffen, die
sich in überkritischem Zustand befinden, in Kontakt gebracht. Gut geeignet sind
solche überkritischen Flüssigkeiten, die bereits nahe Raumtemperatur in den
überkritischen Zustand überführbar sind. Eine gut geeignete überkritische
Flüssigkeit ist Kohlendioxid. Die hierfür geeigneten Bedingungen sind T ≈ 40°C
und P = 80.103 bis 200.103 hPa ( 80 bis 200 Bar).
Nach Fertigstellung der Reaktor-, Wärmeaustauscher-, Mischer- oder Verdamp
ferstruktur werden die erforderlichen Fluidverbindungen zu externen Bauteilen,
beispielsweise zu Pumpen und Behältern, gebildet.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden Mikrobauteilebenen exem
plarisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch
einen Wärmeaustauscher;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Querschnittes von
mehreren Kanalebenen in einem Mehrfachnutzen für
sechs Durchlaufreaktoren.
In Fig. 3 ist eine Kanallage 10 in einem Wärmeaustauscher dargestellt. Diese
Einzellage besteht aus zwei übereinanderliegenden metallischen Schichten
(dunkle Fläche) auf jeweiligen Unterlagen (Begrenzungen strichpunktiert ange
deutet), die gemäß einem der vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt
worden sind. Beispielsweise können diese beiden metallischen Schichten durch
elektrolytische Abscheidung von Kupfer gemäß den Verfahrensschritten A bis C
auf der Unterlage erzeugt worden sein. Mehrere dieser Lagen bilden einen
Wärmeaustauscher.
In der Lage 10 befinden sich Kanäle 11, durch die beim Betrieb des Wärme
austauschers ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas) geleitet wird. Die Kanäle werden
im vorliegenden Fall durch ein photolithographisches Verfahren hergestellt.
Diese Kanäle erstrecken sich in der oberen der beiden Schichten und haben
eine Breite von etwa 400 µm und eine Höhe von etwa 100 µm. Die Kanäle 11
enden in Anschlußräumen 12', 12''', die zur Verbindung des chemischen Mikro
reaktors zu entsprechenden Zu- und Ableitungen für das hindurchzuleitende
Fluid dienen. Den Wärmeaustauscher durchströmendes Fluid kann im Betrieb
beispielsweise über den in der Figur oben dargestellten Anschlußraum 12' in
die Kanäle 11 geleitet werden und nach Durchtritt durch die Kanäle den Mikro
reaktor durch den in der Figur unten gezeigten Anschlußraum 12''' wieder
verlassen.
Mehrere Lagen der gezeigten Art liegen in dem Wärmeaustauscher überein
ander. Die an die gezeigte Lage angrenzenden Lagen darüber und darunter
weisen Kanäle auf, die gegenüber den Kanälen der dargestellten Lage um 90°
verdreht sind. Damit ergibt sich eine Stapelfolge . . .ABABAB. . ., wobei A die
Lagen mit der gezeigten Ausrichtung und B die angrenzenden Lagen mit um
90° verdrehter Ausrichtung bedeuten. Dadurch liegen einerseits die Anschluß
räume 12' und 12''' der Lagen mit der Bezeichnung A übereinander und ande
rerseits die Anschlußräume 12'' und 12'''' der Lagen mit der Bezeichnung B
übereinander. Die Kanäle in den Lagen mit der Bezeichnung A stehen über die
jeweiligen Anschlußräume miteinander in Verbindung. Dasselbe gilt für die
Kanäle in der Lage mit der Bezeichnung B. Eine Fluidverbindung zwischen den
Strömungskanälen in den beiden Lagentypen A und B besteht nicht. Dadurch
ist es möglich, zwei Fluide unabhängig voneinander durch den Wärmeaustau
scher hindurchzuleiten, beispielsweise eine heiße und eine kalte Flüssigkeit. Im
Betrieb wird die heiße Flüssigkeit im Wärmeaustauscher durch die kalte abge
kühlt und die kalte durch die heiße aufgewärmt.
Zur gas- und flüssigkeitsdichten Verbindung der Anschlußräume
12', 12'', 12''', 12'''' mit entsprechenden Zu- und Ableitungen sind beispielsweise
Schraubverbindungen vorgesehen. Die die Anschlußräume begrenzenden
Kanalebenenbereiche 13 dienen als Stutzen für die Schraubverbindungen und
werden hierzu so bearbeitet, daß von der jeweiligen Stirnfläche des Reaktors
aus gesehen kreisrunde Vorsprünge mit Außengewinden entstehen, so daß Zu- und
Ableitungsrohre an diese Stutzen beispielsweise mit Überwurfmuttern gas- und
flüssigkeitsdicht angeschlossen werden können. Die Zu- und Ableitungen
stehen mit den nach außen offenen Anschlußräumen 12', 12'', 12''', 12 in Ver
bindung. Selbstverständlich können die Anschlüsse zu den Zu- bzw. Ableitungs
rohren auch durch Schweiß- oder Lötverbindungen hergestellt werden. In
diesem Falle ist jedoch wiederum zu berücksichtigen, daß beim Fügen wär
meempfindliche funktionelle Schichten in den Wärmeaustauscherkanälen
beschädigt oder gar zerstört werden könnten. Daher ist ein mechanisches
Verfahren zum Herstellen der Anschlüsse vorzuziehen.
Ein erfindungsgemäßes Mikrobauteil weist typischerweise äußere Seitenlängen
auf, die im Bereich von einem bis zu einigen Zentimetern liegen. Die Anschluß
räume 12', 12'', 12''', 12'''' der in Fig. 3 dargestellten Lage 10 weist im vorliegen
den Fall Seitenlängen von jeweils 1 cm auf.
Selbstverständlich können die Lagen auch Kanäle mit anders gestalteter Form
aufweisen, beispielsweise für Anlagen im Gegenstromprinzip, sowie Durch
brechungen zu benachbarten Lagen. Durchbrechungen können durch geeigne
te Abscheidung von Metall beim Bilden der ersten und der zweiten Metallschicht
gebildet werden. Die Durchbrechungen können auch durch chemisches oder
elektrochemisches Ätzen der gebildeten ersten und zweiten Metallschicht
erzeugt werden.
Auf der metallischen Schicht einer Lage 10 können auch weitere Funktionen
vorgesehen werden. Zum einen können sogenannte Aktoren und Sensoren in
einen Mikroreaktor integriert werden. Bei den Aktoren handelt es sich um extern
oder durch Meßsignale automatisch ansteuerbare Schaltglieder, beispielsweise
Ventile, aber auch elektrische Widerstandsheizungen oder nach dem Peltier
effekt funktionierende Kühlelemente. Mikroreaktoren, in denen Aktoren und
Sensoren vorgesehen sind, lassen sich bei geeigneter regelungstechnischer
Verknüpfung von Aktoren und Sensoren lokal optimieren. Gleichzeitig können
die Sensorenausgänge für die externe Überwachung des Reaktorzustands (wie
beispielsweise die Alterung, Vergiftung von Katalysatoren und ähnliche Para
meter) verwendet werden.
Für die Aktoren und Sensoren sind gegebenenfalls auch elektrische Verbin
dungsleitungen zur Ansteuerung oder zur Erfassung von Meßsignalen auf den
Substraten vorzusehen. Für diese Elemente müssen jeweils geeignete Struktu
rierungselemente beim Photoprozeß berücksichtigt werden.
In das Innere von Mikroreaktoren können beispielsweise auch Mikrochips zur
Steuerung von Aktoren und Sensoren integriert werden, indem die Mikrochips
gegenüber den metallischen Lagen elektrisch isoliert werden. Hierzu können die
Chips beispielsweise auf die Siebdrucklackschicht, photoempfindliche Schicht
oder perforierte Folie aufgesetzt werden. Die elektrischen Verbindungen zu
entsprechenden Steuer- und Signalleitungen können durch gebondete Drähte
oder andere bekannte Verbindungstechniken, wie beispielsweise durch Löten
oder Kleben, hergestellt werden.
Ferner können bei der Bildung der Strukturen neben den eigentlichen Reak
tionszellen gleichzeitig auch periphere Reaktorkomponenten, wie Zuleitungen,
Mischzonen, Heiz- oder Kühlkreisläufe gebildet werden, so daß der Herstell
aufwand verringert wird. Daher sind diese Elemente beim Photostrukturieren
bereits vorzusehen. Außerdem werden auch die üblicherweise auftretenden
Dichtungsprobleme minimiert.
In Fig. 4 ist ein Ensemble von sechs Kanalebenen für mehrere Durchflußreak
toren in einem Mehrfachnutzen dargestellt. Der Nutzen erhält in der Nähe der
Ecken sogenannte Tooling-Holes 15, die zur genauen Ausrichtung von Masken
zur Erzeugung von Strukturen in aufeinanderfolgenden Lagen dienen.
Gegenüber der Kanallage in Fig. 3 unterscheiden sich die hier gezeigten
Lagen dadurch, daß nur Aussparungen für Anschlußräume 12', 12''' auf zwei
einander gegenüberliegenden Seiten der Lagen vorgesehen sind, während im
Falle der Lage von Fig. 3 auch um 90° verdreht angeordnete Aussparungen
vorhanden sind.
Um die Herstellung der Reaktoren besonders wirtschaftlich zu gestalten, wer
den die Einzelelemente der Reaktoren in diesem Fall in einem Mehrfachnutzen
gleichzeitig hergestellt. Die Einzelreaktoren werden anschließend längs der
gestrichelten Linien 14 voneinander getrennt.
Claims (9)
1. Verfahren zum Herstellen von Mikrobauteilen mit Strömungskanälen in
mindestens einer Ebene, insbesondere von chemischen Mikroreaktoren, Wär
meaustauschern, Mischern und Verdampfern, mit folgenden Verfahrensschrit
ten:
- A. Herstellen einer ersten Metallschicht oder einer Metallfolie;
- B. Überziehen mindestens einer Oberfläche der ersten Metallschicht oder
Metallfolie mit einer photoempfindlichen Schicht, Belichten der photo
empfindlichen Schicht mit dem Muster der Kanäle und Freilegen der
ersten Metallschicht oder Metallfolie an allen Stellen, die den zu bilden
den Kanälen nicht entsprechen; oder
Überziehen mindestens einer Oberfläche der ersten Metallschicht oder Metallfolie mit einer Siebdrucklackschicht an den Stellen auf der Ober fläche, die den zu bildenden Kanälen entsprechen; oder
Auflaminieren einer perforierten Folie auf mindestens eine Oberfläche der ersten Metallschicht oder Metallfolie, wobei die Perforationen der Folie an allen Stellen der Oberfläche vorgesehen sind, die den zu bilden den Kanälen nicht entsprechen; - C. Abscheiden einer zweiten Metallschicht an den freigelegten oder freilie genden Stellen der ersten Metallschicht oder Metallfolie,
- D. daß die Siebdrucklackschicht, die photoempfindliche Schicht oder die perforierte Folie erst nach dem Bilden der Ebenen entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der ersten
Metallschicht oder der Metallfolie und der Siebdrucklackschicht, photoempfindli
chen Schicht oder perforierten Folie nach Durchführung des Verfahrensschrittes
B oder auf der zweiten Metallschicht und auf der Siebdrucklackschicht, photo
empfindlichen Schicht oder perforierten Folie nach Durchführung von Verfah
rensschritt C eine dritte Metallschicht, eine Molekülschicht, eine Kunststoff
schicht oder eine Keramikschicht gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Metall
schicht in einer Ebene gemäß Verfahrensschritt C und die erste Metallschicht in
der darauffolgenden Ebene gemäß Verfahrensschritt A in einem einzigen Ver
fahrensschritt gebildet werden, wobei die Metalle der ersten Metallschicht und
der zweiten Metallschicht identisch sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Verfahrensschritt B und dem Verfahrensschritt C eine dritte Metallschicht, eine
Molekülschicht, eine Kunststoffschicht oder eine Keramikschicht auf die Sieb
drucklackschicht, photoempfindliche Schicht oder perforierte Folie aufgebracht
wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Siebdrucklackschicht, photoempfindliche Schicht oder perforierte
Folie gemäß Verfahrensschritt D mit einem Lösungsmittel unter Einwirkung von
Ultraschall entfernt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Siebdrucklackschicht, photoempfindliche Schicht oder perforierte Folie ge
mäß Verfahrensschritt D durch Pyrolyse entfernt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Siebdrucklackschicht, photoempfindliche Schicht oder perforierte Folie ge
mäß Verfahrensschritt D durch ein Plasmaverfahren entfernt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Siebdrucklackschicht, photoempfindliche Schicht oder perforierte Folie ge
mäß Verfahrensschritt D mit überkritischen Flüssigkeiten entfernt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die erste Metallschicht oder die Metallfolie und die zweite Metallschicht
durch elektrolytische Metallabscheidung gebildet werden.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19920161A DE19920161A1 (de) | 1998-11-06 | 1999-04-28 | Verfahren zum Herstellen von Mikrobauteilen mit Strömungskanälen |
AU16476/00A AU1647600A (en) | 1998-11-06 | 1999-10-07 | Method for producing microcomponents having flow channels |
PCT/DE1999/003286 WO2000028381A1 (de) | 1998-11-06 | 1999-10-07 | Verfahren zum herstellen von mikrobauteilen mit strömungskanälen |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19852523 | 1998-11-06 | ||
DE19920161A DE19920161A1 (de) | 1998-11-06 | 1999-04-28 | Verfahren zum Herstellen von Mikrobauteilen mit Strömungskanälen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19920161A1 true DE19920161A1 (de) | 2000-05-25 |
Family
ID=7887769
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19920161A Ceased DE19920161A1 (de) | 1998-11-06 | 1999-04-28 | Verfahren zum Herstellen von Mikrobauteilen mit Strömungskanälen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19920161A1 (de) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002002224A2 (de) * | 2000-07-05 | 2002-01-10 | Mir-Chem Gmbh | Vorrichtung zum ausführen einer katalytischen reaktion |
DE10206708A1 (de) * | 2002-02-18 | 2003-12-18 | P21 Power For The 21St Century | Mikrokanalsystem |
WO2005054547A2 (en) * | 2003-11-25 | 2005-06-16 | Media Lario S.R.L. | Fabrication of cooling and heat transfer systems by electroforming |
DE102004057497A1 (de) * | 2004-11-29 | 2006-06-01 | Siemens Ag | Wärmeaustauschvorrichtung und Verfahren zum Herstellen der Wärmeaustauschvorrichtung sowie Anordnung eines Bauelements und der Wärmeaustauschvorrichtung und Verfahren zum Herstellen der Anordnung |
DE102005012415A1 (de) * | 2005-03-17 | 2006-09-28 | Syntics Gmbh | Verfahrenstechnisches Funktionselement aus einem Folienstapel |
US7241778B2 (en) | 2000-08-08 | 2007-07-10 | Ortho Mcneil Pharmaceutical, Inc | Non-imidazole aryloxypiperidines |
US7429586B2 (en) | 2000-08-08 | 2008-09-30 | Ortho-Mcneil Pharmaceuticlas, Inc. | Non-imidazole aryloxyalkylamines |
-
1999
- 1999-04-28 DE DE19920161A patent/DE19920161A1/de not_active Ceased
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002002224A3 (de) * | 2000-07-05 | 2003-01-09 | Mir Chem Gmbh | Vorrichtung zum ausführen einer katalytischen reaktion |
WO2002002224A2 (de) * | 2000-07-05 | 2002-01-10 | Mir-Chem Gmbh | Vorrichtung zum ausführen einer katalytischen reaktion |
US7241778B2 (en) | 2000-08-08 | 2007-07-10 | Ortho Mcneil Pharmaceutical, Inc | Non-imidazole aryloxypiperidines |
US7429586B2 (en) | 2000-08-08 | 2008-09-30 | Ortho-Mcneil Pharmaceuticlas, Inc. | Non-imidazole aryloxyalkylamines |
DE10206708A1 (de) * | 2002-02-18 | 2003-12-18 | P21 Power For The 21St Century | Mikrokanalsystem |
DE10206708B4 (de) * | 2002-02-18 | 2005-12-22 | P21 - Power For The 21St Century Gmbh | Mikrokanalsystem |
WO2005054547A2 (en) * | 2003-11-25 | 2005-06-16 | Media Lario S.R.L. | Fabrication of cooling and heat transfer systems by electroforming |
WO2005054547A3 (en) * | 2003-11-25 | 2005-11-24 | Media Lario Srl | Fabrication of cooling and heat transfer systems by electroforming |
US8061032B2 (en) | 2003-11-25 | 2011-11-22 | Media Lario S.R.L. | Fabrication of cooling and heat transfer systems by electroforming |
DE102004057497A1 (de) * | 2004-11-29 | 2006-06-01 | Siemens Ag | Wärmeaustauschvorrichtung und Verfahren zum Herstellen der Wärmeaustauschvorrichtung sowie Anordnung eines Bauelements und der Wärmeaustauschvorrichtung und Verfahren zum Herstellen der Anordnung |
DE102004057497B4 (de) * | 2004-11-29 | 2012-01-12 | Siemens Ag | Wärmeaustauschvorrichtung und Verfahren zum Herstellen der Wärmeaustauschvorrichtung sowie Anordnung eines Bauelements und der Wärmeaustauschvorrichtung und Verfahren zum Herstellen der Anordnung |
DE102005012415A1 (de) * | 2005-03-17 | 2006-09-28 | Syntics Gmbh | Verfahrenstechnisches Funktionselement aus einem Folienstapel |
DE102005012415B4 (de) * | 2005-03-17 | 2006-12-28 | Syntics Gmbh | Verfahrenstechnisches Funktionselement aus einem Folienstapel |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0961953B1 (de) | Chemische mikroreaktoren und verfahren zu deren herstellung | |
EP1198344B1 (de) | Verfahren zum herstellen von mikrobauteilen | |
EP0885086B1 (de) | Verfahren zur herstellung von mikrowärmetauschern | |
DE19825102C2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines kompakten katalytischen Reaktors | |
US6672502B1 (en) | Method for making devices having intermetallic structures and intermetallic devices made thereby | |
DE19841993B4 (de) | Mikrostruktur-Reaktor | |
EP1829608B1 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Mikroreaktors und dessen Verwendung als Reformer | |
EP1415748A2 (de) | Verfahren zum Verbinden und zur Herstellung von Mikrostrukturbauteilen geeigneten, mikrostrukturierten Bauteillagen sowie Mikrostrukturbauteil | |
US20020119079A1 (en) | Chemical microreactor and microreactor made by process | |
WO1996012051A1 (de) | Verfahren zur abscheidung von metallschichten | |
DD246257A1 (de) | Verfahrenstechnische mikroapparaturen und verfahren zu ihrer herstellung | |
DE19920161A1 (de) | Verfahren zum Herstellen von Mikrobauteilen mit Strömungskanälen | |
DE102005022958B3 (de) | Mikrostrukturreaktor und Verwendung desselben | |
WO2015036908A2 (de) | Fügeverfahren, gefüge- und/oder materialzusammensetzungsänderungs-verfahren, sicherungsverfahren, fügemittel und sicherheitssystem unter verwendung reaktiver materialsysteme | |
WO2000028381A1 (de) | Verfahren zum herstellen von mikrobauteilen mit strömungskanälen | |
DE102009015502B4 (de) | Verfahren zum Herstellen eines reaktiven Halbzeuges und reaktives Halbzeug | |
EP0692178B1 (de) | Strukturieren von leiterplatten | |
DE10209898A1 (de) | Photoreaktor zur Durchführung von heterogen-photokatalysierten chemischen Reaktionen | |
DE102007012689B3 (de) | Verfahren zum Herstellen eines mindestens einen Mikrohohlraum aufweisenden Bauteils und Verfahren zum Herstellen eines mikrostrukturierten Bauteils | |
DE19920517C1 (de) | Membranmodul zur selektiven Permeatgasabtrennung | |
DE10124501C2 (de) | Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen | |
EP3658698A1 (de) | Verfahren zur herstellung einer einphasigen schicht aus intermetallischen verbindungen | |
DE4201612C2 (de) | Verfahren zur galvanischen Metall- und Legierungseinbringung in strukturierte Glas- oder Glaskeramikkörper und Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von Metallverbunden | |
WO1997039163A1 (de) | Verfahren zur herstellung von induktiv arbeitenden zählsystemen | |
EP1046507A1 (de) | Verfahren zum Herstellen von miniaturisierten Hohlkörpern |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |