微机械组件及其制造方法与流程

由US 2012/0325775 A1已知了一种用于制造三维微结构的方法。对于该已知方法，通过使用聚焦激光束进行照射使得液态材料被硬化。在完成照射之后，将其余的液态材料移除，从而使得在基底上保留了所期望的微机械组件。

然而，该已知的方法所具有的缺点在于，仅能够生成静态的结构。对组件的后续调整或后加工与制造可移动的组件一样都是不能实现的。

由现有技术出发，本发明的任务在于，提出一些微机械组件及其制造方法，其中能够实现微机械组件的简单后加工和/或能够制备具有可活动的独立构件的微机械组件。

根据本发明，该任务通过根据权利要求1的方法和根据权利要求9的微机械组件来实现。本发明的有利设计方案在从属权利要求中所有记载。

根据本发明提出，为制造微机械组件使用液态原料，该液态原料可通过辐射被硬化。在本发明的一些实施方式中，原料是已知的光刻胶(Fotolack)，该光刻胶在受到辐射时发生聚合。该光刻胶能够包含聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylat)和/或聚甲基戊二酰亚胺(Polymethylglutarimid)。在本发明的其它实施方式中，原料包含至少一种环氧树脂(Epoxydharz)。此外，原料可包含溶剂，例如环戊(Zyklopentanon)或γ丁内酯(γ-Butyrolactron)。

为了实现更简单的可控性，原料可至少在制造微机械组件期间被施加到基底上。在本发明的一些实施方式中，该基底为玻璃或半导体，例如硅晶片。在本发明的其它实施方式中，该基底可包含蓝宝石(Saphir)或由蓝宝石组成。微机械组件可在其制造完成之后被保留在基底上，例如为了将该微机械组件与微光学的和/或微电子的组件单片地(monolithisch)集成在一起。在本发明的其它实施方式中，微机械组件可在其制造之后从基底移除并且被单独进一步加工。

在本发明的一些实施方式中，为了硬化原料可使用电磁辐射。由于其高辉度(Brillanz)，优选可使用从第一光源发出的激光辐射硬化原料。在本发明的其它实施方式中，原料通过粒子束(例如电子束或重离子束)硬化。

在本发明的一些实施方式中，激光辐射具有从大约2μm至大约0.2μm的波长。在本发明的其它实施方式中，激光辐射具有从大约2μm至大约1μm的波长。在这种情况下，硬化可由多光子过程(Mehrphotonenprozesse)引发，从而使得各个被硬化的空间区域能够被限于具有最大强度的焦点处。通过这种方式，通过改变焦点位置还可影响深度，在该深度处原料被硬化。与光束的平移移动相结合，能够以这种方式将三维结构写入原料。

通过在预定空间区域中进行点对点写入将液态原料硬化之后，可至少部分地将剩余的液态原料移除。

根据本发明，现在提出的是，三维结构界定至少一个容腔，在该容腔内封闭有液态原料。根据本发明已知的是，在容腔内的液态原料能够作为液压液体(Hydraulikfluid)使用，以便生成微机械液压组件。通过这种方式，微机械组件例如为液压传动装置(hydraulischer Aktor)和/或传感器，或者包括液压传动装置和/或传感器。

在本发明的其它实施方式中，封闭相对薄壁的容腔的微机械组件可在随后发生形变，从而在壁中形成机械应力。而在本发明的其它实施方式中，封闭相对薄壁的容腔的微机械组件可在随后发生形变，从而使得该壁至少部分地与相邻的微观机械组件或宏观机械组件相匹配。如果不期望或不需要持续的可移动性，则液态原料可随后在容腔内部被硬化或聚合，从而使得微机械组件仅在其制造期间在容腔中包含有液态原料。

在本发明的一些实施方式中，容腔包括至少一个加强构件。该加强构件可被设置用于避免或界定微机械组件的形变或者容腔分界壁中至少一个部分区域的形变。由此能够产生在机械上更加稳定的结构。在本发明的一些实施方式中，加强构件也可通过使用由第一光源发出的聚焦辐射进行点对点照射被写入液态原料中。

在本发明的一些实施方式中，液态原料可在后续的方法步骤中转化成气态。由此，容腔可以不仅仅由液态原料填充，而是额外地或可选地还由气体填充。因此在本发明的一些实施方式中，容腔具有较大的弹性和/或被改变的阻尼。在本发明的其它实施方式中，气体可作为液压液体使用，以便驱动微机械传动装置和/或实现微机械传感器。在一些实施方式中，向气态的转化通过激光辐射来实现，该激光辐射分解(dissoziiert)最初液态原料的分子并由此瓦解(zersetzt)原料。

在本发明的一些实施方式中，容腔能够由薄膜来界定，该薄膜将在随后的方法步骤中被打开和/或穿透。由此，原料至少部分地由容腔中挤出。

在本发明的一些实施方式中，液态原料可在随后的方法步骤中通过使用第二辐射源进行辐射被硬化。该第二辐射源能够从超发光二极管(Superlumineszenzdiode)、散焦的激光束、弧光灯、气体放电灯、自然日光或其它此处未列举的辐射源中选出。相比于第一辐射源，第二辐射源能够产生相对宽的光束(Lichtkegel)和/或发射较小的波长。由此能够同时照射容腔或微机械组件的整个体积空间，从而使得在一个或多个容腔中的所有液态原料内容物被快速硬化。由此能够更快速和/或更简单地制造相对大的微机械组件，这是因为仅需要通过使用激光辐射进行点对点照射制造相对薄的容腔分界壁以及可能的独立增强构件。在将液态原料移除到容腔以外之后，微机械组件能够通过使用第二光源进行大面积辐射被快速地全面硬化并因此实现其最终的稳定性，而无需通过强聚焦的激光束将相对厚壁的结构写入液态原料。同样，几何结构复杂的微机械组件可在调整至所期望的最终形状之后通过使用第二光源进行大面积辐射从而快速固定在该最终形状。

在本发明的一些实施方式中，至少两个微机械组件能够以形状匹配(formschlüssig)的方式相连接。由此，能够使用以薄壁界定的容腔，其在形状(通过硬化容腔内的液态原料)被固定之前抵靠要连接的组件。

在本发明的一些实施方式中，具有不同尺寸的结构彼此连接。如果将这些结构液压和/或机械连通，则微观传动装置能够借助于宏观工具(例如镊子或连杆)操纵。

接下来将根据附图对本发明进行更详细地说明，但该说明无意于限制本发明的整体思想。在附图中显示的是：

图1为通过第一实施方式中的微机械组件的截面图。

图2显示了通过第二实施方式中的微机械组件的截面图。

图3显示了作为本发明的可能应用示例的液压传动装置。

图4和图5显示了具有可变屈光能力的微透镜。

图6说明了微机械组件后续的形状改变。

图7说明了第一实施方式中的两个微机械组件的连接。

图8说明了第二实施方式中的两个微机械组件的连接。

图9说明了第三实施方式中的两个微机械组件的连接。

图10示出了微机械组件中机械预载荷的产生。

图11说明了由多个部分组件所构成的微机械组件的制造。

图1显示了通过微机械组件1的截面图。该微机械组件1从总体上看包括方形的容腔10。该方形的容腔被视为关于本发明基本形式的实施例。在其它的实施方式中，微机械组件可具有更复杂的几何形状，从而使得微机械组件能够满足其预期的目的。例如，容腔能够具有其它多边形的、圆形的或者椭圆形的截面。

微机械组件由液态原料2制成，该液态原料2可通过辐射被硬化。优选使用电测辐射，该电测辐射聚焦到一焦点上并且通过第一辐射源生成。射线可在容纳原料的基底的平面上移动，例如借助于x-y工作台(x-y-Tisch)或通过至少一个偏转镜(Ablenkspiegel)。通过这种方式，能够通过选择平面中的辐射点并且通过选择焦点位置，经由点对点照射将三维结构写入所述原料中。

在本发明的一些实施方式中，原料2通过短波可见辐射或UV辐射被聚合，从而使得该原料可通过辐射被硬化并且形成聚合的固态原料21。在本发明的一些实施方式中，使用红外光或长波可见光的第一辐射源，以便通过点对点照射在预定的空间区域内固化原料2。在这些情况下，聚合作用通过多光子过程引发，从而使得原料优选在具有最大强度的焦点处被固化而其余有所述第一辐射源的光通过的光路则继续保持不受影响。被固化的材料21包围容腔10，在其内部仍存在液态原料2。如果容腔的所有侧面都闭合的话，则液态原料2被封闭在容腔内部。

根据微机械组件的预期用途，在容腔10中的液态原料2可在一随后的时间点被硬化。这可以通过第二光源被非常快速且高效地实现，该第二光源大面积辐射微机械组件1并且发出较短波长的辐射，例如紫外辐射或短波可见辐射。在本发明的其它实施方式中，原料2以液态形式存在于容腔10的内部，以便例如：使得微机械组件能够有弹性；控制材料的本征共振的振荡吸收；或者，影响容腔10的液压形状改变和/或体积改变。此外，在本发明的其它实施方式中，液态原料2可通过激光辐射分解并由此转化成气态。由此能够在容腔10的内部形成气体夹杂物(Gaseinschlusse)22。在本发明的一些实施方式中，在容腔制成后，将被封闭在该容腔的体积空间内的液态原料2全部分解，从而使得该容腔10最终完全由气体填充。在分解之前，液体的体积可小于容腔的体积。通过填充气体，能够改变压力并由此改变容腔的形状，或者影响阻尼性能(Dampfungsverhalten)或影响对外部形变的抗性。

图2显示了本发明的另一实施方式。在该情况下，微机械组件1也是大致为方形的容腔10，该实施方式仅仅用于示例性地说明本发明的功能。

根据图2的实施方式与前述实施方式的区别在于加强构件13，该加强构件13能够提高在形成容腔10的壁的硬化材料21区域处的机械载荷能力。在本发明的一些实施方式中，容腔10可仅在制造微机械组件期间暂时由液态原料2填充。也就是说，如果需要微机械组件有大的机械稳定性，则要求形成微机械组件的结构有大的壁强度。点对点照射此类结构需要相应较长的处理时间。因此，根据本发明在这里提出一种实施方式，通过聚焦的激光辐射在液态原料中形成外边缘(Umrandung)和可能的加强构件13，并随后通过大面积辐射使得容腔10的整个体积空间被硬化。由此能够通过加强构件13避免在制造期间以及在整体硬化之前该机械组件发生不期望的变形，在本发明的一些实施方式中，加强构件13以类似框架的形式穿过(durchziehen)容腔10。

图3显示了一个液压传动构件18，其作为根据本发明的微机械组件的实施例。该液压传动构件18包括第一容腔10a、第二容腔10b和将这两个容腔相连的第三容腔10c。这三个容腔10a、10b和10c通过被硬化的材料21界定。在不同的部分区域中能够将被硬化的材料21的壁强度选择为不同的，从而使得容腔的分界壁可以是尽可能形状稳定的又是可形变的。通过这种方式，容腔10a和10b通过可弹性形变的分界壁包围，这些分界壁可按照风箱(Federbalg)的方式发生形变。容腔10c是尽可能形状稳定的，并且其体积不改变或者仅会很小地改变。如果现在在上分界面10a上施加力F，这会导致容腔10a与10c内部的压力升高，从而使得容腔10b增大。由于为所述分界壁选择的几何形状，通过与力F的作用相反的、容腔10b上分界面的移动(值为Δd)实现了体积增大。如果在容腔10b的上分界面施加相应的力，则容腔10a的上分界面相应地移动。因此，在图3中所示的微机械组件表示一液压传动构件，其使用被封闭在容腔10a、10b和10c中的液态原料2作为液压液体。

在本发明的一些实施方式中，在图3中所示的微机械组件可具有从大约0.03mm至大约3mm的高度，或者从大约0.1mm至大约1.0mm的高度。在本发明的一些实施方式中，在图3中所示的微机械组件可具有从大约0.02mm至大约10mm的宽度，或者从大约0.05mm至大约1.0mm的宽度。小零件(kleine Details)或结构能够具有小于0.8μm或小于0.2μm的结构尺寸。

图4和5阐述了作为微机械组件1的实施例的透镜19的工作原理。透镜19也包括容腔10，该容腔10由被硬化的原料21界定。容腔10由液态原料2填充。容腔10的分界壁具有曲率(Krummung)，从而使得透射通过透镜的电磁辐射被聚焦到焦点f上。

如图5所示，能够通过提高在容腔10中液态原料2的压力实现透镜19的分界面的进一步形变，从而使得分界面的曲率升高并且透镜19的屈光能力(Brechkraft)增大。由此改变了焦点f的位置。根据本发明的透镜19能够被用作可聚焦的微透镜，从而使得透镜的折射率(Brechzahl)能够在工作时被调节。在本发明的其它实施方式中，屈光能力能够通过将内部压力调节到期望值而被设定一次并且通过后续的照射和在容腔10内部的液态原料2的硬化固定在该状态。

在本发明的一些实施方式中，在图4和5中所示的微机械透镜能够具有从大约0.1mm至大约1mm的直径或者从大约0.3mm至大约0.8mm的直径。所述透镜能够与其它的光学或电子组件一起被集成在基底上以得到微光学芯片。

图6显示了对微机械组件的形状的后续调整。

作为示例性的实施例，在图6a中也示出了矩形六面体形状的微机械组件，该微机械组件具有容腔10。容腔10由被硬化的原料21所界定，并且由液态原料2填充。在通过点对点照射分界壁制成微机械组件1并且移除在围绕微机械组件的外围区域中剩余的液态原料2之后，该形状能够被调整成期望的应有形状(Sollform)。

图6b示例性地显示了最初为矩形的截面的弯曲从而例如得到圆柱形透镜的形式。在本发明的其它实施方式中，形状改变还能够用于产生与相邻部件的形状配合(Formschluss)或者用于引发机械组件的分界面中的机械应力或者用于影响两个部件的相对位置。

图6c显示了微机械组件1，其在容腔10的全部内容物通过使用辐射源进行大面积照射之后被硬化。因为在第二方法步骤中微机械组件的可变形能力主要是基于：容腔的分界壁仅仅是薄壁的并因此在机械上较不稳定，并且容腔10中的液态原料2不能够传递任何剪切力(Scherkraft)，则微机械组件1能够在执行完第三方法步骤之后固定在该状态，从而避免后续不期望的形变。

图7阐述了在两个微机械组件1a与1b之间形状配合的连接的建立。微机械组件1a具有通孔或盲孔，在其内侧形成有包围液态原料2的容腔10。容腔10的壁被实现为薄壁，从而使得该壁是可形变的。

在该实施例中，第二组件1b表示为箭头形。当然，在本发明的其它实施方式中也可选择其它的形状。重要的仅仅是，第二组件1b的一部分区域可引入组件1a的凹口中，并且在该部分区域上具有扩展部分(Verbreiterung)，该扩展部分导致了容腔10的分界壁发生形变。该状态在图7b中示出。可设想的是，容腔10的分界壁紧靠组件1b的柄(Schaft)，其中突出部分作用为类似于倒钩(Widerhaken)。在图7b所示的状态下，还有可能简单地修改组件1a和1b的相对位置，这是因为在容腔10中的液态原料2不能够传递剪切力并因此在发生相对位置改变时组件1b能够占据组件1a内的其它位置。

在确定两个组件1a和1b的最终位置或最终相对位置之后，能够通过对液态原料2进行选择性的曝光(Ausbelichten)从而在组件1a与1b之间产生固定的、形状配合的、并因此低应力(spannungsarm)的连接。

图8显示在两个微机械组件1a与1b之间形状配合的连接的第二实施例。在本发明中相同的组件配有相同的附图标记，从而使得后续的说明限于必要的区别技术特征。如图8b所示，组件1b被插入组件1a的凹口中，使得容腔10的分界面的整个表面都抵靠在组件1b的柄上。通过这种方式，容腔10在引入组件1b之后重新恢复其最初形状。在通过照射容腔10从而选择性地硬化液态原料2之后，得到在图8c中所示的、组件1b在组件1a中完全无应力的固定。同时能够维持组件1b的轴向可移动能力，而可以不必将组件1b与组件1a分离开。

图9显示了根据本发明的连接构件的第三实施方式。在这种情况下，组件1a与组件1b也应当彼此持久地连接。正如图9a中所示，在组件1a中制备容腔，在本发明的一些实施方式中，该容腔的形状与组件1b的一部分互补。容腔10借助由被固化的原料所组成的薄膜封闭，以避免液态原料2从容腔溢出。

图9b显示了在将组件1b引入容腔10中时如何穿透薄膜，并且液态原料由此至少部分地从容腔10中被挤出。液态原料10在接口位置的区域中附着在容腔10中以及附着在组件1b上。通过照射液态原料2将其固化，从而使得被固化的原料21导致了在两个组件1a和1b之间安全且无应力的连接。

图10示例性地显示了，如何在制造过程中持续地将机械应力施加到微机械组件1中。所示例如为弦(Saite)或箔17，其通过两个应力构件15和16被预张紧。

第一应力构件15基本上是由永久硬化的原料21组成，其通过使用辐射源进行局部照射从而由液态原料制成。

以相同的方式，弦或平面元件17使用可聚焦的辐射源进行照射从而以液态原料制成。

第二应力构件16具有固定的轴162。该应力构件16的外部通过加强构件13与轴162点(punktformig)接触，从而使得在应力构件的外部与轴162之间形成容腔，这些容腔由液态原料2填充，其中应力构件的外部可围绕轴162旋转。

此外，外应力构件16具有把手161。通过在把手161上施力能够使外应力构件16围绕轴162旋转，从而使得加强构件13断绝(abbrechen)在轴162上的点接触并且在构件17上施加机械应力。在达到所期望的值之后，容腔内的材料2可通过照射被硬化，从而使应力构件16固定在该状态。由此在元件17中持续施加机械应力。

图11示出了机械组件1，其由第一部分结构11和第二部分结构12组合而成。由此，在制造完成后，机械组件1的结构尺寸——相比于一般通过制造方法所能实现的结构尺寸而言——可以较小，这是通过使得一个部分组件的结构部分能够嵌合到另一个部分组件的结构部分的中间区域中来实现的。根据图11的机械组件1例如能够被用作表面波或微波的滤波器。

为了持久地连接两个部分结构11和12，例如可使用在图9中所示的连接构件14。

当然，本发明并不限于在附图中所示的实施方式。因此，以上描述应被视为并非是限制性的而是说明性的。所附权利要求被理解为，在本发明的至少一个实施方式中存在所述的技术特征。然而，这并不排除存在其它的技术特征。权利要求和以上说明中定义了“第一”和“第二”技术特征，该表述用于区别两个同类技术特征而并非是确定其顺序。