Entwicklung eines LIGA-Mikrosystems zur Messung mechanischer Eigenschaften von Mikroproben

Wissenschaftlliche Berichte - FZKA 5986
Bei der Entwicklung der Mikroelektronik standen zunächst nur die elektrischen und thermischen Materialkenndaten im Vordergrund. Im Zuge der Weiterentwicklung zur Mikrosystemtechnik, bei der mikromechanische Komponenten mit der entsprechenden Auswerteelektronik kombiniert werden, ergibt sich die Notwendigkeit, daß auch die mechanischen Materialeigenschaften der verwendeten Werkstoffe bekannt sind. Da diese Kenndaten aufgrund der spezifischen Herstellungsverfahren der Mikrosystemtechnik und charakteristischer Dimensionen nicht ohne weiteres von der Makromechanik auf Dimensionen im Mikrometerbereich übertragen werden können, müssen sie an mikrostrukturierten Proben ermittelt werden.
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Um die Handhabung der Mikroproben hinsichtlich Montage und Justage bei der Materialprüfung zu erleichtern, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Prüfsystem entwickelt, dessen laterale Dimensionen mit denjenigen des Prüflings vergleichbar sind. Mit diesem sog. Mikroprüfsystem wird der Elastizitäts-Modul von Mikrobalken in einem Biegeexperiment ermittelt. Das Prüfsystem besteht aus einem Mikroaktor mit integriertem Kraftsensor auf der Basis von Dehnmeßstreifen (DMS), einer optischen Wegmeßeinheit und einer Probenhalterung. Es stellt das erste nach dem LIGA-Verfahren gefertigte Mikrosystem dar, das fluidische Aktorik mit optischer und elektrischer Sensorik kombiniert. Die Gesamtabmessungen des Systems betragen 6.5 x 4.5 mm2 bei einer Strukturhöhe von ca. 250 µm. Für die Realisierung einer optimierten Fluidankopplung wurde das LIGA-Verfahren mit dem hierfür entwickelten Opferstrukturverfahren kombiniert. Die DMS werden über einen neuen, zum LIGA-Verfahren kompatiblen Herstellungsprozeß gefertigt, bei dem zunächst die DMS auf dem Substrat realisiert und anschließend die Mikrostrukturen auf diesen galvanisch aufgebaut werden.
Für das Mikroprüfsystem wurde ein druckbetriebener Mikroaktor entwickelt, der Prüfkräfte im Bereich mehrerer 10 mN auf die Mikrobalken übertragen kann. Er besteht aus einer Aktorkammer und einem beweglichen Kolben, der sich aufgrund einer Druckdifferenz zwischen Kammer und Außenraum parallel zum Substrat bewegen kann. Wesentlicher Vorteil im Vergleich zu bestehenden Mikroaktoren ist, daß die übertragbaren Kräfte unabhängig vom Stellweg des Kolbens sind. Um die am Prüfling angreifenden Kräfte ermitteln zu können, wurden Kraftsensoren auf dem Kolben integriert. Dabei handelt es sich um DMS, die die Relativbewegung einer beweglichen Komponente innerhalb des beweglichen Kolbens detektieren.
Die Wegmeßeinheit ermittelt die Balkenverbiegung indirekt über den Stellweg des Kolbens. Ihr Funktionsprinzip beruht auf der Reflexion eines divergenten Lichtstrahls an einem beweglichen Spiegel und der entsprechenden Detektion der reflektierten Lichtintensität als Funktion der Spiegelposition. Die Ankopplung der Mikrostruktur an die erforderliche Lichtquelle und Detektoren erfolgt über Lichtleitfasern. Die Balkenverbiegung kann mit diesem optischen Meßaufnehmer mit einer Genauigkeit von 200 nm bestimmt werden.
Alternativ zum Einsatz des druckbetriebenen Mikroaktors im Mikroprüfsystem konnte dessen mögliche Anwendung in der minimal invasiven Chirurgie nachgewiesen werden. Dabei wird der Aktor die Antriebseinheit für ein Schneidwerkzeug auf einem Herzkatheter bilden.

Development of a LIGA-made microtest system to determine mechanical properties of micro samples
The development of microelectronics was concentrated initially on the electric and thermal characteristics of materials. In the course of its advanced development into microsystems technology, which is a combination of micromechanical components and the corresponding evaluation electronics, also the mechanical properties of the materials used must be known. As a consequence of the special manufacturing techniques in microsystems technology, and also of the characteristic dimensions involved, it is not possible to transfer these characteristics simply from macromechanics to dimensions in the micrometer range. ... mehrHence, the characteristics must be determined from microstructured samples.
To facilitate handling of the micro samples during set-up and adjustment in materials tests, a test system has been developed in this study whose lateral dimensions are comparable to those of the sample being tested. This so-called microtest system is used to determine the Young's modulus of microbeams in a bending experiment. The test system is composed of a micro actuator with an integrated force sensor based on strain gauges, an optical displacement measuring unit, and a sample holder. This is the first microsystem made by the LIGA-process to combine fluidic actuators with optical and electric sensors. The overall dimensions of the system are 6.5 x 4.5 mm2; the structural height is approx. 250 µm. To achieve an optimum connection to the fluid supply, the LIGA-process was combined with the sacrificial structure technique specially developed for the process. The strain gauges are manufactured in a new process compatible with the LIGA process; first, the strain gauges are made on the substrate, and then the microstructures of the force sensor are added by an electrodeposition process.
A pressure-operated micro actuator has been developed for the microtest system which can transfer to the microbeams test forces on the order of several 10 mN. It is made up of an actuator chamber and a movable piston able to move parallel to the substrate under the differential pressure between the chamber and the outer environment. One major advantage over existing micro actuators is the independence of the piston movement of the forces that can be transmitted. To determine the forces acting on the test sample, force sensors have been integrated into the piston. These are strain gauges detecting the relative motion of a movable component within the movable piston.
The displacement measuring unit determines the extent of bending of the beam indirectly through the displacement of the piston. It works on the principle of a divergent beam of light being reflected by a movable mirror, with the corresponding detection of the intensity of the reflected light as a function of the position of the mirror. The microstructure is coupled to the necessary light source and the detectors by means of optical fibers. This optical transducer is able to determine the amount of bending of the beam to an accuracy of 200 nm.
The pressure-operated micro actuator has not only been employed in a microtest system but also has been shown to have potential use in minimally invasive surgery. In that case, the actuator will constitute the drive for a cutting tool on a cardiac catheter.