(57) Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Verfahren zur Herstellung
einer Mikrospule vorzuschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte
auf:
a) ein Draht aus einem ersten Metall wird mit einem Faden aus einem elektrisch nicht
leitenden Material in der Weise umwickelt, daß der Faden die Form einer Spirale annimmt,
deren Windungen durch Zwischenräume voneinander getrennt sind,
b) der mit dem Faden umwickelte Draht wird in ein galvanisches Bad eingetaucht und
als Kathode geschaltet,
c) in den Zwischenräumen wird galvanisch ein zweites Metall abgeschieden, so daß der
Draht in den Zwischenräumen mit dem zweiten Metall bedeckt ist,
d) der Faden wird nachfolgend entfernt und
e) der Draht selektiv mit einem Ätzmittel, das das zweite Metall nicht angreift, aufgelöst.
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule gemäß dem ersten
Patentanspruch.
[0002] In der Mikrosystemtechnik spielen Mikrospulen, deren Windungen spiralförmig um ihre
Längsachse verlaufen, eine wichtige Rolle. Solche Mikrospulen werden z. B. zum Antrieb
von Aktoren in Mikroelektromotoren, Mikroventilen, Mikrorelais, Mikrosensoren etc.
benötigt.
[0003] Ebene, spiralförmig gewundene Mikrospulen lassen sich in nahezu beliebiger Windungszahl
mit Hilfe des bekannten LIGA-(Lithographie und galvanische Abformung)-Verfahrens problemlos
herstellen. Spulen mit Windungen, die spiralförmigum ihre Längsachse verlaufen, erfordern
bei Anwendung dieses Verfahrens einen hohen Aufwand, da jede Windung einzeln mit Hilfe
einer justierten Bestrahlung, Entwicklung und galvanischen Abformung hergestellt werden
muß. Solche Spulen lassen sich zwar gemäß dem deutschen Gebrauchsmuster G 93 18 386
durch Wickeln herstellen; der Wicklungstechnik sind jedoch bei sehr dünnen Spulenwindungen
Grenzen gesetzt.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Herstellungsverfahren für
eine Mikrospule dieser Art anzugeben. Dieses Herstellungsverfahren soll es ermöglichen,
auch Spulen mit sehr feinen Windungen herzustellen, die durch Wicklung nicht zugänglich
sind.
[0005] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im ersten Patentanspruch beschriebene
Verfahren gelöst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens
nach Anspruch 1 an.
[0006] Als Draht werden vorzugsweise dünne Metalldrähte, etwa mit einem Durchmesser von
150 µm bis zu 20 µm, eingesetzt. Das Metall der Drähte kann beliebig gewählt werden,
solange es sich durch Ätzen selektiv gegenüber dem in einem späteren Schritt galvanisch
abzuscheidenden zweiten Metall entfernen läßt. Geeignete Drähte mit dem angegebenen
Durchmesser werden im Handel angeboten. Außerdem sind für eine Vielzahl von Metallen
selektiv wirkende Ätzmittel bekannt.
[0007] Der Draht wird im ersten Verfahrensschritt mit einem Faden aus einem elektrisch nichtleitenden
Material in der Weise umwickelt, daß der Faden den Draht im Form einer Spirale umgibt.
Die Windungen der Spirale müssen durch einen Zwischenraum voneinander getrennt sein.
Geeignete Fäden aus Kunststoffen, etwa aus Polytetrafluorethylen, Polyethylen, Polypropylen,
Polyester, Perlon, Nylon, Kevlar etc. mit einem Durchmesser zwischen etwa 20 µm und
50 µm werden ebenfalls im Handel angeboten.
[0008] Das Umwickeln des Drahtes mit dem Faden kann z. B. in der im eingangs genannten Gebrauchsmuster
beschriebenen Weise erfolgen, wonach der Draht zwischen zwei synchron rotierende Halterungen
eingespannt und der Faden unter Vorschub in axialer Richtung aufgewickelt wird. Der
Faden soll hierbei über eine möglichst gleichmäßige Auflagefläche mit dem Draht in
Kontakt stehen. Bevorzugt wird ein Faden mit einem polygonalen, etwa einem dreieckigen
Querschnitt, weil hierbei eine ebene Fläche des Fadens auf dem Draht aufliegt und
die Aufstandsfläche eindeutig definiert ist.
[0009] Prinzipiell kann auch ein im Querschnitt runder Faden eingesetzt werden. Ein runder
Faden steht mit dem Draht jedoch nur über eine sehr schmale Aufstandsfläche in Kontakt.
Deshalb wird in diesem Fall vorzugsweise ein Faden aus einem schmelzbaren Material,
z. B. einem schmelzbaren Kunststoff wie Nylon, eingesetzt und der Draht nach dem Umwickeln
kurz erwärmt. Durch das Erwärmen schmilzt der Faden auf dem Draht auf, wodurch sich
die Aufstandsfläche verbreitert und zugleich der Faden fixiert wird. Das Erwärmen
des Drahtes kann erfolgen, indem seine beiden Enden - ggf. unter Zwischenschalten
eines elektrischen Widerstands - mit einer Spannungsquelle verbunden werden.
[0010] Anschließend wird der umwickelte Draht in ein galvanisches Bad eingesetzt und als
Kathode geschaltet. Aus dem galvanischen Bad wird ein zweites Metall auf dem Draht
abgeschieden. Da die Aufstandsfläche des Fadens auf dem Draht durch den elektrisch
nichtleitenden Faden abgeschirmt ist, kann sich der galvanische Metallniederschlag
nur in den Zwischenräumen zwischen den Windungen des spriralförmigen Fadens abscheiden.
Der Draht wird somit ausschließlich im Bereich der Zwischenräume durch das galvanisch
abgeschiedene Metall abgedeckt. Die galvanische Abscheidung wird bei geeigneter Stromdichte
und Galvanisierzeit so lange fortgeführt, bis die gewünschte Dicke der Spulenwindungen
erreicht ist. Mechanisch stabile Mikrospulen werden erzielt, wenn die Dicke des galvanisch
abgeschiedenen Metallniederschlags mindestens einige Mikrometer beträgt. Die galvanische
Metallabscheidung wird spätestens dann beendet, wenn die Zwischenräume vollständig
ausgefüllt sind, da sonst auch der Faden mit einer Metallschicht überzogen würde.
Hierdurch könnte sich ein Kurzschluß in der Mikrospule ergeben.
[0011] Die galvanische Abscheidung des Metalls oder der Metallegierung erfolgt gleichmäßiger,
wenn der Draht im galvanischen Bad während der Metallabscheidung in Rotation um seine
Längsachse versetzt wird. Alternativ kann eine rohrförmige Anode eingesetzt werden,
die den Draht umgibt.
[0012] Nach Beendigung des Galvanikschrittes wird der Faden entfernt. Sofern der Faden nicht
aufgeschmolzen ist, kann dies am einfachsten durch Abwickeln erfolgen. Aufgeschmolzene
Fäden aus Kunststoff lassen sich durch ein geeignetes Lösungsmittel, etwa Dimethylformamid
(DMF), entfernen, ohne daß die übrigen Materialien angegriffen werden. Eine weitere
Möglichkeit besteht darin, den Faden durch thermische Behandlung etwa bei 500° C bis
700° C zu entfernen, sofern der Schmelzpunkt der Metalle höher liegt.
[0013] Nun erfolgt als letzter Schritt das selektive Herausätzen des Drahtes. Da der Draht
sowohl an seinen Enden als auch an den ursprünglichen Aufstandsflächen des Fadens
freiliegt, erfolgt der Angriff des Ätzmittels an vielen verschiedenen Stellen; das
Ätzen ist daher in verhältnismäßig kurzer Zeit beendet.
[0014] Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich in kurzer Zeit Mikrospulen mit einem
innern Durchmesser von beispielsweise 50 µm bis 100 µm, einer Windungsbreite z. B.
von 15 µm bis 80 µm (in axialer Richtung gemessen) und einer Windungsdicke z. B. zwischen
5 mm und 20 µm (in radialer Richtung gemessen) herstellen. Die Länge der Mikrospulen
kann problemlos bis zu 8 cm betragen. Mikrospulen in dieser Länge werden in der Mikrostrukturtechnik
zwar nicht benötigt; solche Mikrospulen können jedoch zu einer Vielzahl kurzer Mikrospulen
zerteilt werden.
[0015] Die Erfindung wird im folgenden anhand von Durchführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
[0016] Ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 100 µm wird spiralförmig mit einem 20 µm
dicken, im Querschnitt dreieckigen Faden aus Nylon umwickelt. Die Fadenenden werden
am Draht festgeklebt. Der mit dem Faden umwickelte Draht wird in ein Nickel-Galvanikbad
mit der Zusammensetzung:
Ni-Sulfat·6 H₂O |
300 [g/l] |
NiCl₂·6 H₂O |
50 [g/l] |
H₃BO₃ |
30.[g/l] |
Netzmittel |
300.[g/l] |
eingetaucht und als Kathode geschaltet. Die Temperatur des Bades betrug 52° C. Mit
Hilfe eines Motors wird der Draht in Rotation um seine Achse versetzt. Bei einer Spannung
von 800 mV wird während einer Dauer von 30 min Nickel in den Zwischenräumen zwischen
den Windungen des Fadens abgeschieden. Danach wird der Faden abgezogen und das Kupfer
durch ein wäßriges Ätzmittel mit der Zusammensetzung
Ammoniumcarbonat |
120 [g/l] |
Natriumchlorit |
30 [g/l] |
Konz. Ammoniak |
100 [ml/l] |
vollständig weggelöst. Dieser Schritt dauerte ca. zwei Stunden. Es wurde eine Spule
mit ca. 170 Windungen pro cm erhalten, deren Windungen in axialer Richtung ca. 40
µm und in radialer Richtung ca. 10 µm dick waren. Der Innendurchmesser entspricht
der Dicke des Drahtes.
Beispiel 2
[0017] Ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 100 µm wird wie in Beispiel 1 angegeben
mit einem im Querschnitt dreieckigen Faden umwickelt. Durch den Draht wird kurzzeitig
Strom (2 A) geleitet, wodurch der Faden auf dem Draht aufgeschmolzen wurde. Mit dem
in Beispiel 1 beschriebenen Nickel-Galvanikbad wird der Draht im Bereich der Zwischenräume
mit einer 7 µm dicken Nickelschicht versehen. Der Nylon-Faden wurde durch Verbrennen
abgelöst. Anschließend wurde der Kupferdraht mit Hilfe des in Beispiel 1 angegebenen
Ätzmittels vollständig aufgelöst. Die Dauer der Auflösung betrug ca. zwei Stunden.
Anschließend wurde die Nickel-Spule mit einer ca. 0,5 µm dicken Goldauflage versehen.
Hierzu wurde die Nickel-Spule in ein Goldbad der Zusammensetzung
Goldsulfit |
10 [g/l] |
Natriumsulfit |
10 [g/l] |
Natriumsulfat |
10 [g/l] |
Nitrilotriessigsäure |
20 [g/l] |
getaucht und als Kathode geschaltet. Die Spule wurde wiederum in Rotation versetzt.
Während einer Zeit von 5 min bei einer Spannung von 750 mV und einer Badtemperatur
von 50 °C wurde auf der Spule Gold abgeschieden.
1. Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule, bei dem
a) ein Draht aus einem ersten Metall mit einem Faden aus einem elektrisch nicht leitenden
Material in der Weise umwickelt wird, daß der Faden die Form einer Spirale annimmt,
deren Windungen durch Zwischenräume voneinander getrennt sind,
b) der mit dem Faden umwickelte Draht in ein galvanisches Bad eingetaucht und als
Kathode geschaltet wird,
c) in den Zwischenräumen galvanisch ein zweites Metall abgeschieden wird, so daß der
Draht in den Zwischenräumen mit dem zweiten Metall bedeckt ist,
d) der Faden nachfolgend entfernt und
e) der Draht selektiv mit einem Ätzmittel, das das zweite Metall nicht angreift, aufgelöst
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der der Faden aus einem schmelzbaren Material besteht
und der mit dem Faden umwickelte Draht kurzzeitig auf eine solche Temperatur gebracht
wird, daß der Faden auf der Oberfläche des Drahtes aufschmilzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der als Kathode geschaltete Draht im galvanischen
Bad in Rotation um seine Längsachse versetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der als Kathode geschaltete Draht im galvanischen
Bad in eine rohrförmige Anode eingesetzt wird.