[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines zweidimensional ausgedehnten
Mikrostrukturkörpers aus Metall mit einer Vielzahl feiner Öffnungen vorgebbarer Abmessungen
und Verteilung, bei dem
a) ein an der Oberfläche mit Mikrostrukturen versehenes Werkzeug hergestellt wird,
b) die Mikrostrukturen des Werkzeuges wiederholt mit einer Abformmasse abgeformt
werden, wobei die Abformmasse aus einer elektrisch isolierenden und einer elektrisch
leitenden Schicht besteht und die Mikrostrukturen des Werkzeuges durch die elektrisch
isolierende Schicht hindurch bis in die elektrisch leitende Schicht eingeführt werden,
c) worauf die so entstandene Form galvanisch unter Verwendung der elektrisch leitenden
Schicht als Kathode mit einem Metall aufgefüllt und danach die Form entfernt wird
und ein Verfahren zur Herstellung eines mit Mikrostrukturen versehenen Werkzeuges.
[0002] Die zweidimensional ausgedehnten Mikrostrukturkörper können beispielsweise Folien
oder Platten darstellen, die zur Filtration von Flüssigkeiten oder als optische Gitter
verwendet werden.
[0003] Mikrostrukturkörper gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 können durch zwei verschiedene
Methoden hergestellt werden: durch Photolithographie in Kombination mit Galvanik oder
durch das Verfahren nach DE-PS 35 37 483. Dieses Verfahren wird als LIGA-(Röntgentiefenlithographie-Mikrogalvanoformungs)-Verfahren
bezeichnet.
[0004] Aus der DE-OS 36 11 732 geht ferner hervor, daß zur Herstellung von Katalysatorträger-Körpern
einzelne nach dem LIGA-Verfahren hergestellte plattenförmige Mikrostrukturkörper
aufein andergeschichtet, ausgerichtet und zu einem stabilen Körper zusammengefügt
werden.
[0005] Durch Photolithographie in Kombination mit Galvanik lassen sich in Abhängigkeit von
der Galvanikschichtdicke vorgegebene Öffnungsgrößen einstellen. Dabei nimmt aber die
Transparenz insbesondere bei abnehmender Größe der Öffnungen stark ab. Deshalb sind
hohe Transparenz, kleine Öffnungsgröße und große Plattendicke nicht gleichzeitig realisierbar.
[0006] Außerdem ist die Strukturierung von dicken Photoresists mit Schwierigkeiten verbunden.
Deshalb werden meist dünne Resistschichten verwendet, wobei die Größe der Öffnungen
dadurch eingestellt wird, daß eine Galvanikschicht oberhalb der Resiststruktur frei
zusammenwächst. Dabei hängen die erreichbaren Toleranzen für diese Öffnungen jedoch
stark von den Parametern des Galvanikbades ab.
[0007] Mit dem LIGA-Verfahren nach der DE-PS 35 37 483 können keine Mikrostrukturen hergestellt
werden, bei denen sich die Querschnittsform über die Höhe der Mikrostruktur verändert,
so daß die Öffnungsabmessungen nicht über die Höhe der Galvanikschicht einstellbar
sind.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden.
Es sollen sich zweidimensional ausgedehnte Mikrostrukturkörper wie z. B. Folien oder
Platten serienmäßig herstellen lassen, die eine Vielzahl feiner Öffnungen oder Schlitze
aufweisen, deren Abmessungen und Verteilung frei bestimmbar sind. Weiterhin soll ein
Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges angegeben werden, mit dessen Hilfe diese
Mikrostrukturkörper hergestellt werden können.
[0009] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Werkzeug solche Mikrostrukturen
aufweist, daß in der Abformmasse eng benachbarte, sich zur elektrisch leitenden Schicht
hin verjüngende Mikrostrukturen abgeformt werden, und daß die so entstandene Form
galvanisch so weit aufgefüllt wird, bis der Abstand zwischen je zwei benachbarten
galvanischen Füllungen an deren Oberfläche der vorgegebenen Abmessung der betreffenden
Öffnung des herzustellenden Mikrostrukturkörpers entspricht.
[0010] Das Werkzeug zur Herstellung der plattenförmigen Mikrostrukturkörper wird erfindungsgemäß
dadurch hergestellt, daß in die Oberfläche eines zerspanbaren Substrats mittels eines
oder mehrerer Formdiamanten eng benachbarte Nuten eingebracht werden, die sich zum
Nutgrund hin verjüngen, worauf die so strukturierte Oberfläche des Substrates mit
Metall oder Keramik abgeformt und die abgeformte Oberfläche als Werkzeug verwendet
wird.
[0011] Als zerspanbares Substrat kann eine Metallplatte beispielsweise bestehend aus Kupfer
oder einer Aluminium-Magnesium-Legierung (AlMg3) verwendet werden, das zur Abformung
seiner strukturierten Oberfläche galvanisch mit einem weiteren Metall, z. B. Nickel,
bedeckt wird.
[0012] Als zerspanbares Substrat kann auch eine Verbundplatte, bestehend aus einer elektrisch
leitenden und einer elektrisch isolierenden Schicht, verwendet werden, in die die
Nuten so tief eingebracht werden, bis sie in die elektrisch leitende Schicht reichen,
wonach die Abformung mit Metall auf galvanischem Wege unter Verwendung der elektrisch
leitenden Schicht als Kathode mit anschließender Entfernung des Substrats durchgeführt
wird.
[0013] Es erweist sich als vorteilhaft, wenn beim Abformen der Mikrostrukturen das Werkzeug
mit Ultraschallunterstützung in die Abformmasse eingeführt und wieder herausgeführt
wird. Ein Aufheizen der Verbundschicht während der Abformung ist nicht notwendig.
Zudem wird die Abformung durch die sich verjüngende Form der Mikrostrukturen gegenüber
der Abformung von Mikrostrukturen mit senkrechten Wänden begünstigt.
[0014] Gegenüber der Photolithographie in Kombination mit Galvanik ist erfindungsgemäß eine
wesentlich höhere Transparenz bei vergleichbarer Öffnungsgröße und Plattendicke erreichbar,
wobei sich gleichzeitig engere Toleranzen erzielen lassen.
[0015] Im Gegensatz zum LIGA-Verfahren läßt sich erfindungsgemäß eine über die Plattenhöhe
variable Öffnungsgröße sowie eine für die Filtration verteilhafte, sich erweiternde
Öffnungsform herstellen.
[0016] Die Erfindung wird im folgenden anhand von Durchführungsbeispielen näher erläutert.
In den Figuren 1 bis 9 ist die Herstellung des Werkzeugs, die Abformung und die galvanische
Auffüllung der abgeformten Strukturen dargestellt.
Beispiel 1
Schritt a)
Herstellung des Werkzeugs
[0017] Als Ausgangsmaterial zur Herstellung des Werkzeugs wird als zerspanbares Substrat
eine Platte aus AlMg3 mit den Abmessungen 20 x 30 mm² verwendet.
[0018] Die Oberfläche der Platte wird mit einem keilförmigen Mikro-Formdiamanten ohne Fase
an der Spitze durch kreuzweises Bearbeiten strukturiert. Die hierbei erzeugten Nuten
haben eine Tiefe von 100 Mikrometern und einen Öffnungswinkel von 53°. Die Dichte
der Nuten beträgt 9,1 Nuten pro mm.
[0019] Fig. 1 zeigt die durch Nuten 1 strukturierte Metallplatte 2.
[0020] Auf der Metallplatte 2 wird galvanisch eine Nickelschicht 3 abgeschieden.
[0021] Die Nickelschicht wird auf ihrer freien Oberfläche plan bearbeitet.
[0022] Fig. 2 zeigt die plan bearbeitete Nickelschicht 3 auf der Metallplatte 2. Anschließend
wird die Metallplatte 2 in einer geeigneten Ätzlösung, z. B. in Natronlauge aufgelöst.
[0023] Fig. 3 zeigt das so erhaltene Werkzeug 5 mit den sich verjüngenden Mikrostrukturen
4.
Schritt b)
Abformen der Mikrostrukturen 4 des Werkzeugs 5
[0024] Aus einer elektrisch isolierenden Schicht 6, die aus dem Thermoplasten Polymethylmethacrylat
(PMMA) besteht und einer elektrisch leitfähigen Schicht 7, die aus dem Thermoplasten
PMMA mit eingelagerten Graphitpartikeln gebildet wird, wird eine Verbundschicht hergestellt.
[0025] Als Thermoplasten können auch die Materialien Polypropylen, Polyethylen, Polycarbonat,
Polystyrol, ABS, PVC, Polyacetal und Polyamid verwendet werden.
[0026] Die elektrisch leitende Schicht kann auch aus einem niedrig schmelzenden Metall oder
einer niedrig schmelzenden Metallegierung bestehen.
[0027] Zweckmäßigerweise wird die Verbundschicht in der Weise hergestellt, daß auf eine
Metallplatte oder Metallfolie die elektrisch leitende Schicht 7 aufgegossen wird.
Die erstarrte elektrisch leitende Schicht wird durch Aufgießen der elek trisch isolierenden
Schicht 6 überdeckt. Die Verbundschicht wird in erstarrter Form weiterverarbeitet.
[0028] Das nach Schritt a) hergestellte Werkzeug 5 wird soweit in die Verbundschicht eingedrückt,
bis die Mikrostrukturen 4 des Werkzeugs 5 die elektrisch isolierende Schicht 6 durchstoßen
und in die elektrisch leitende Schicht 7 hineinragen.
[0029] In Fig. 4 ist dieser Vorgang dargestellt.
[0030] Nachdem das Werkzeug entfernt wurde, bleibt in der Verbundschicht der Abdruck der
Mikrostrukturen 4 als Negativform zurück.
Schritt c)
Galvanisches Auffüllen der Negativform.
[0031] Die in Schritt b) erzeugte Negativform wird galvanisch mit einem Metall aufgefüllt,
indem die elektrisch leitende Schicht 7 als Kathode geschaltet wird.
[0032] In Fig. 5 ist dieser Vorgang dargestellt.
[0033] Die Höhe h der galvanisch erzeugten Füllung 8 bestimmt die Transparenz und die Öffnungsgröße
d des plattenförmigen Mikrostrukturkörpers. Als Füllungsmaterial sind die Metalle
Nickel, Gold und Kupfer in besonderer Weise geeignet.
[0034] Schließlich wird die Verbundschicht entfernt. Dies kann z.B. durch Auflösen mit Dichlormethan
erfolgen, wonach die galvanisch erzeugte Metallfüllung der Negativform zurückbleibt.
Es entsteht ein gitterförmiges Metallnetz mit Strukturen von dreieckigem Querschnitt
und sich erweiternden Öffnungen, deren Abmessungen d über die Höhe der galvanischen
füllung bzw. der Dicke des Metallnetzes eingestellt werden können. Bei einer Höhe
h der galvanisch erzeugten Metallfüllung von 70 µm werden quadratische Öffnungen mit
den Abmessungen d = 40 µm erhalten. Die Transparenz des Metallnetzes oder das Öffnungsverhältnis,
das sich als das Verhältnis der Summe der freien Öffnungen zu der Gesamtfläche des
Metallnetzes berechnet wird, beträgt in diesem Fall etwa 13 %. Wird dagegen die Höhe
h der galvanisch erzeugten Metallfüllung auf 50 µm gewählt, so entstehen Öffnungen
im Metallnetz mit den Abmessungen von d = 60 µm und die Transparenz beträgt etwa 30
%. Durch die entsprechende Wahl des Keilwinkels des Formdiamanten können selbstverständlich
auch andere Abmessungen und Transparenzen im Metallnetz in Abhängigkeit von der Höhe
der galvanischen Füllung realisiert werden.
Beispiel 2
Schritt a)
Herstellung eines walzenförmigen Werkzeugs
[0035] Ein Hohlzylinder 9 aus Kupfer, der einen Außendurchmesser von 170 mm und einen Innendurchmesser
von 120 mm besitzt, wird auf seiner innenliegenden Oberfläche längs der Zylinderachse
gemäß Fig. 6 mit sich verjüngenden Nuten 11 versehen. In größeren Abständen werden
senkrecht zur Zylinderachse Quernuten 10 angebracht, die breiter sind als die Längsnuten.
Die Nuten 11 haben eine Tiefe von 240 µm und eine maximale Breite von 200 µm, während
die Quernuten bei der gleichen Tiefe eine Breite von 400 µm besitzen. Die Dichte der
Nuten 11 beträgt 3,5 Nuten pro mm.
[0036] Der mit Längsnuten 11 und Quernuten 10 versehen Hohlzylinder 9 wird galvanisch abgeformt.
Dazu wird entlang der Zylinderachse ein dünner Stab eingeschoben, zentriert und als
Anode geschaltet.
[0037] Der Hohlzylinder selbst dient als Kathode. Mit Hilfe dieser Anordnung wird auf der
Innenseite des Hohlzylinders 9 so lange Nickel abgeschieden, bis sich der freie innere
Durchmesser auf einen gewünschten Wert, beispielsweise auf den Durchmesser einer Welle,
vermindert hat. Dabei wird die innere, strukturierte Oberfläche des Hohlzylinders
auf das galvanisch abgeschiedene Metall als Negativform übertragen.
[0038] Nach Beendigung der Abscheidung wird die Anode aus dem z. T. galvanisch aufgefüllten
Hohlzylinder herausgezogen und die verbliebene freie innere Oberfläche des Hohlzylinders
rotationssymmetrisch geschliffen und poliert.
[0039] Danach wird der ursprünglich eingesetzte Kupfer-Hohlzylinder 9 mit Hilfe einer CuCl₂-Lösung
selektiv weggeätzt, wobei das im Innern des Kupfer-Hohlzylinder galvanisch abgeschiedene
Nickel zurückbleibt.
[0040] Fig. 7 zeigt das hierdurch hergestellte Werkzeug 12 mit seiner abgeformten Mikrostruktur
auf seiner äußeren Oberfläche. Das Werkzeug besitzt einen Außendurchmesser von 120
mm und einen Innendurchmesser von 60 mm und ist 260 mm lang.
[0041] Im Falle, daß die Längs- oder Quernuten 11, 10 sehr eng und tief gewählt werden müssen,
kann es vorkommen, daß sich der mit dieser inneren Mikrostruktur erzeugte Hohlzylinder
aus Kupfer nicht vollständig mit galvanisch abgeschiedenem Metall abformen läßt. In
den engen Nuten können Hohlräume entstehen. In diesem Fall empfiehlt es sich, anstelle
eines Hohlzylinders 9 aus reinem Kupfer oder einem anderen Metall einen Hohlzylinder
zu verwenden, der z. B. aus Kupfer besteht und auf seiner Innenseite mit einer dünnen
Schicht aus elektrisch isolierenden Material, z. B. aus PMMA oder einem anderen elektrisch
isolierenden Kunststoff, überzogen ist. Die Schichtdicke soll kleiner sein als die
Höhe der zu erzeugenden Nuten 10, 11, so daß die Nuten die Schicht aus elektrisch
isolierendem Kunst stoff durchstoßen und sich bis in das Metall fortsetzen. Hierdurch
wird die formtreue Galvanisierung wesentlich erleichtert.
[0042] Die Schicht aus elektrisch isolierendem Kunststoff wird nach der Entfernung des Metalls
durch ein geeignetes Lösungsmittel z. B. durch Dichlormethan im Falle von PMMA, entfernt.
Schritt b)
Abformen des Werkzeugs in einer Verbundschicht
[0043] Analog zu Schritt b) von Beispiel 1 wird eine flexible Verbundschicht hergestellt,
wobei in diesem Fall zweckmäßigerweise die elektrisch isolierende Schicht 6 und die
elektrisch leitende Schicht 7 durch Walzen als Folien vorgefertigt und anschließend
aufeinander laminiert werden. Als Material für die elektrisch isolierende Schicht
6 wird Polypropylen und für die elektrisch leitende Schicht 7 eine niedrig schmelzende
Metallegierung, bevorzugt eine Blei-Zinn-Legierung, verwendet.
[0044] In Fig. 8 ist die Abformung des Werkzeugs 12 auf dieser Verbundschicht dargestellt.
Die Verbundschicht 15 wird zwischen zwei benachbarten Walzen 12, 14 durchgeführt.
Zur Erleichterung der Abformung und zur Begrenzung der von den Walzen 12, 14 auf
die Verbundschicht ausgeübten Druckes kann die Verbundschicht unmittelbar vor der
Einführung in das Walzenpaar 12, 14 durch einen Infrarotstrahler aufgewärmt werden.
[0045] Die obere Walze ist mit dem in Schritt a) hergestellten Werkzeug 12 identisch.
[0046] Die Verbundschicht wird in der Weise zwischen den beiden Walzen 12, 14 hindurchgeführt,
daß die Mikrostrukturen der Walze 12 die elektrisch isolierende Schicht 16 der Verbundschicht
durchdringen und bis in die elektrisch leitende Schicht 17 der Verbundschicht hineinragen.
Schritt c)
Galvanisches Auffüllen der Negativform
[0047] Die in dieser Weise erzeugte Negativform 18 auf der Verbundschicht wird, wie in
Beispiel 1, Schritt c) beschrieben, galvanisch mit Nickel aufgefüllt. Zu diesem Zweck
wird die Verbundschicht als endloses Bahnmaterial in einer Durchlaufanlage galvanisiert,
wonach die galvanisch erzeugte Füllung als eine endlose Schlitzfolie aus Metall durch
Abziehen von der Verbundschicht und auf eine Spule aufgerollt wird.
[0048] Das Ergebnis dieses Arbeitsvorgangs ist in Fig. 9 dargestellt. Es ergibt sich eine
endlose Schlitzfolie aus Nickel mit Verstärkungsrippen 20. Die Schlitzbreite 19 ist
wie nach Beispiel 1, Schritt c) über die Höhe der Galvanikschicht aus Nickel einstellbar.
Im vorliegenden Beispiel wird bei einer der Galvanikschichthöhe entsprechenden Dicke
der Schlitzfolie von 120 µm eine Schlitzbreite von 125 µm und ohne Berücksichtigung
der Verstärkungsrippen eine Transparenz von ca. 44 % erhalten.
[0049] Die so erzeugte Schlitzfolie ist als optisches Gitter oder als Bedampfungsmaske verwendbar.
Beispiel 3
Abformung des Werkzeugs mit Hilfe von Ultraschall.
[0050] Für den Fall, daß analog zu Beispiel 1 ein gitterförmiges Metallnetz hergestellt
werden soll, ist die Abformung des Werkzeugs gemäß Schritt b) mit Hilfe von Ultraschall
vorteilhaft.
[0051] In einem ersten Schritt wird eine Verbundschicht erzeugt. Diese Verbundschicht kann
auf drei verschiedenen Arten hergestellt werden.
a) Eine mit elektrisch leitenden Partikeln wie z. B. Graphitpulver versetzte Thermoplastschicht
wird auf einer ebenen Unterlage ausgegossen. Diese Schicht bildet die elektrisch leitende
Schicht der zu erzeugenden Verbundschicht.
Nach deren Erstarren wird darüber eine weitere, reine Thermoplastschicht ausgegossen.
Als Thermoplast sind die Materialien Polypropylen, Polyethylen, PMMA, Polycarbonat,
PVC, Polystyrol, ABS, Polycetal oder Polyamid verwendbar. Die letztgenannte Thermoplastschicht
bildet die elektrisch isolierende Schicht der Verbundschicht.
b) Die elektrisch leitende Schicht wird durch ein niedrig schmelzendes Metall oder
eine niedrig schmelzende Metallegierung gebildet. Geeignet ist z. B. eine Metallegierung
aus Blei, Zinn, und ggf. Wismut.
Die Herstellung der Verbundschicht erfolgt ansonsten analog zu a) oder durch Auflaminieren
der beiden durch Walzen als Folien vorgefertigten Schichten.
c) Die elektrisch leitende Schicht nach a), b) oder c) wird auf eine Metallplatte
z. B. aus Aluminium aufgegossen.
Die weitere Herstellung der Verbundschicht erfolgt analog zu a).
[0052] Das plattenförmige Werkzeug wird auf der Sonotrode einer Ultraschall-Schweißmaschine
befestigt. Die Befestigung kann durch Kleben oder Löten erfolgen. Die Verbundschicht
wird mit ihrer elektrisch leitenden Schicht auf den Amboß der Ultraschall-Schweißmaschine
aufgelegt. Der Amboß ist mit Ansaugöffnungen versehen, die mit einer Vakuum-Pumpe,
einem evakuierten Behälter oder einer sonstigen geeigneten Vorrichtung in Verbindung
stehen. Durch den Unterdruck haftet die Verbundschicht auf dem Amboß.
[0053] Die Abformung des Werkzeugs erfolgt analog zu Beispiel 1, Schritt b), wobei jedoch
das Werkzeug mit Ultraschallunterstützung in die Verbundschicht eingepreßt und wieder
entfernt wird.
[0054] Die weiteren Verarbeitungsschritte entsprechen dem Beispiel 1.
1. Verfahren zum Herstellen eines zweidimensional ausgedehnten Mikrostrukturkörpers
aus Metall mit einer Vielzahl feiner Öffnungen vorgebbarer Abmessungen und Verteilung,
bei dem
a) ein an der Oberfläche mit Mikrostrukturen versehenes Werkzeug hergestellt wird,
b) die Mikrostrukturen des Werkzeuges wiederholt mit einer Abformmasse abgeformt werden,
wobei die Abformmasse aus einer elektrisch isolierenden und einer elektrisch leitenden
Schicht besteht und die Mikrostrukturen des Werkzeuges durch die elektrisch isolierende
Schicht hindurch bis in die elektrisch leitende Schicht eingeführt werden,
c) worauf die so entstandene Form galvanisch unter Verwendung der elektrisch leitenden
Schicht als Kathode mit einem Metall aufgefüllt und danach die Form entfernt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
d) das Werkzeug solche Mikrostrukturen aufweist, daß in der Abformmasse eng benachbarte,
sich zur elektrisch leitenden Schicht hin verjüngende Mikrostrukturen abgeformt werden,
und daß
e) die so entstandene Form galvanisch so weit aufgefüllt wird, bis der Abstand zwischen
je zwei benachbarten galvanischen Füllungen an deren Oberfläche der vorgegebenen
Abmessung der betreffenden Öffnung des herzustellenden Mikrostrukturkörpers entspricht.
2. Verfahren zur Herstellung eines mit den Mikrostrukturen nach Anspruch 1 versehenen
Werkzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß
f) in die Oberfläche eines zerspanbaren Substrats mittels eines oder mehrerer Formdiamanten
eng benachbarte Nuten eingebracht werden, die sich zum Nutgrund hin verjüngen,
g) worauf die so strukturierte Oberfläche des Substrates mit Metall oder Keramik abgeformt
und die abgeformten Oberfläche als Werkzeug verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat eine Metallplatte
verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat eine Verbundplatte,
bestehend aus einer elektrisch leitenden und einer elektrisch isolierenden Schicht,
verwendet wird, daß die Nuten so tief eingebracht werden, bis sie in die elektrisch
leitende Schicht reichen, und daß die Abformung mit Metall auf galvanischem Wege unter
Verwendung der elektrisch leitenden Schicht als Kathode mit anschließender Entfernung
des Substrats durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abformen der Mikrostrukturen
das Werkzeug mit Ultraschallunterstützung in die Abformmasse eingeführt und wieder
herausgeführt wird.