Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6801
Herstellung von dreidimensionalen Mikrostrukturen aus
Polymermembranen
R.
Truckenmüller , Z. Rummler, W. K. Schomburg
Zusammenfassung
In
der vorliegenden Arbeit wurden 2 neue Ansätze für mikrotechnische
3-D-Fertigungstechnologien auf der Basis polymerer Membranen, welche von ebenen
zu räumlichen Gebilden verwölbt werden, entwickelt.
In einem 1. Ansatz für ein Verfahren zur Herstellung von polymeren,
dreidimensionalen Membranmikrostrukturen wurde ein paralleles, auf der
Fotolithografie aufsetzendes Verfahren auf der Grundlage von strukturiert
miteinander bzw. mit einem Substrat verbundenen und anschließend bei
Raumtemperatur verwölbten Polymermembranen erarbeitet. Für das strukturierte
Verbinden bzw. Trennen der Membranen wurde zum einen die Differential Adhesion
Method verwendet. Unter anderem wurden dazu Polyimidmembranen mit einer wenige
10 nm dicken, flexiblen Schicht aus ‚Pyrex’ als Antihaftschicht gegenüber Gold
ausgerüstet. Zum anderen wurde eine neue, so genannte ‚parallele
Opferschichttechnik’ eingesetzt. Das Löse- oder Ätzmedium erreicht hierbei die
Grenzschicht zwischen Membran und Opferschicht durch Permeation. Für das
Auffalten der Hohlstrukturen durch Aufpumpen wurden Druckanschlüsse entwickelt.
Es wurde ein Funktionsdemonstrator in Form eines einseitig eingespannten,
spiralig gekrümmten Schwellkörpers aufgebaut. Wird der eingerollte
Schwellkörper pneumatisch ausgerollt, ähnelt die Bewegung in ihrem Ablauf der
der 3 Glieder des menschlichen Zeigefingers zwischen den Endlagen der Beugung
und Streckung. Ein so oder ähnlich gearteter pneumatischer Aktor
könnte etwa für mikrotechnische Manipulationsaufgaben eingesetzt werden.
In einem 2. Ansatz wurde ein Verfahren auf der
Grundlage von thermogeformten und auf ein Kunststoffsubstrat geschweißten bzw.
heißgesiegelten Kunststofffolien erarbeitet. Das so genannte
‚Mikrothermoformen’ wird als Verfahren zur Herstellung polymerer fluidischer
Mikrostrukturen eingeführt. Dabei wird in einer Heißprägepresse eine dünne
thermoplastische Folie durch ein Druckgas zu einer Fluidstruktur thermogeformt
und auf ein Substrat gesiegelt. Das Substrat ist eine Folie aus Kunststoff mit
fluidischen Anschlüssen in Form von Durchgangslöchern. Zur Abschätzung der
Machbarkeit des Mikrothermoformens, speziell auch von Fluidkanälen und deren
Kreuzungen z. B. für die Kapillarelektrophorese (CE, Capillary
Electrophoresis), wurden, aufsetzend auf einer Materialcharakterisierung eines
typischen Thermoformhalbzeugs bei Umformtemperatur,
Finite-Elemente-Simulationen des eigentlichen Formvorgangs gerechnet. Es wurden
einfache Werkzeuge für das Mikrothermoformen entwickelt, welche mit
vergleichbar geringem Aufwand wie Werkzeuge für das Heißprägen in und aus einer
Abformmaschine gerüstet werden können. Schließlich wurden Demonstratoren, unter
anderem flexible CE-Chips mit 4 x 4 CE-Strukturen im Raster von 10 x 10 mm,
gebaut. Die CE-Strukturen wurden bei 115 °C mit Stickstoff unter 5 bar in eine
25 µm dicke Polystyrolfolie geformt. Die Kanäle der CE-Strukturen haben eine
innere Breite von 150 µm und eine Tiefe von 75 und 50 µm. Der innere
Eckenradius der Kanalkreuzungen beträgt 125 µm. Der vorgestellte
Verfahrensansatz eröffnet die Chance für einen zukünftigen großserientauglichen
mikrotechnischen Low-Cost-Prozess in der Gestalt eines Fließ- bzw.
Endlosprozesses durch das Fahren von bzw. auf Folienrollen.
Fabrication
of Polymer Three-Dimensional Membrane Microstructures
Abstract
This
thesis describes two new basic approaches to 3-D microfabrication technology
using polymer membranes.
The first approach in fabricating polymer three-dimensional membrane microstructures is based on warped membranes connected with each other at their edges. To connect and separate the membranes, the differential adhesion method was used. Polyimide membranes were coated with a flexible layer of ‘Pyrex’, a few tens of nanometers thick, to which a subsequently applied gold layer has very poor adhesion. An alternative connecting and separating method uses a novel, so-called ‘parallel sacrificial layer technique’. The solvent or etchant reaches the interface between membrane and sacrificial layer by permeation. To inflate the hollow structures, pressure ports were developed. As show piece, a spirally curved inflatable cantilever beam was built. The beam may be pneumatically unrolled. The motion of the beam is then similar to that of the three phalanges of the human index finger between the extreme positions of flexion and extension. A comparably designed actuator could be used, for example, in handling tasks.
The second
approach is based on plastic films, which are thermoformed and welded or
heat-sealed onto a plastic substrate. This so-called ‘microthermoforming’ is
introduced as a method to fabricate polymer fluidic microstructures. Inside a
hot-embossing press, a thin thermoplastic film is thermoformed into a fluidic
structure by a compressed gas and sealed onto a substrate. The substrate is a
plastic film with through holes, which act later as fluidic ports. To estimate
the feasibility of microthermoforming, in particular, of fluidic channels and
channel intersections for CE (capillary electrophoresis), finite elements
simulations were calculated. Simple tools for microthermoforming, which are
easily mounted into a hot-embossing machine, were developed. As show pieces,
flexible CE chips with 4 x 4 CE structures arranged in a 10 x 10 mm grid were
built. The CE structures were formed into a 25 µm thick polystyrene film at a
temperature of 115 °C with nitrogen under 5 bar pressure. The channels have an
inner width of 150 µm and a depth of 75 and 50 µm. The inner corner radius of
the channel intersections is 125 µm. The approach presented provides the
opportunity to have a future low-cost reel-to-reel process.