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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-84716
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8471/


Schmidt, Manuela

Untersuchung zum Aufbau hybrider Mikrosysteme unter Verwendung von Polymermaterialien

Investigation on the assembly of hybrid microsystems using polymer materials

Dokument1.pdf (13.655 KB) (md5sum: 741211b5a24397acf89e189d8da06a64)

Kurzfassung in Deutsch

In der vorliegenden Arbeit wird der Aufbau hybrider Mikrosysteme unter Verwendung von Polymermaterialien anhand von zwei Anwendungsbeispielen beschrieben. Für das Erste, eine polymerbasierte Technologieplattform für Lab-on-a-Chip
Systeme, wurden ausschließlich Polymermaterialien eingesetzt. Ziel war dabei, ein robustes, von den Eigenschaften der Materialoberflächen und Flüssigkeiten unabhängiges, aktiv steuerbares Mikrosystem aufzubauen, welches für verschiedenste
(bio)chemische Reaktionsabläufe eingesetzt werden kann. Die dazu notwendigen Ventile und Pumpen wurden durch das Verbinden mehrerer Lagen aus formstabilen Trägerebenen mit Mikrokanalstrukturen und flexiblen, elastischen Membranen ins System integriert. Durch eine mit Druckluft gefüllte Kontrollebene kann die Membran bewegt und damit die Ventile geöffnet und geschlossen werden. Die strukturierten Ebenen wurden aus transparentem Polycarbonat hergestellt, während die Membranen aus einem rußgefärbten, thermoplastischen Polyurethan-Elastomer extrudiert wurden. Ziel der Untersuchung ist das fluidisch dichte und mechanisch feste
Verbinden der unterschiedlichen Polymerlagen. Die Fügeverbindung zwischen den einzelnen Ebenen muss ortsspezifisch, ohne Deformation oder Verstopfen der Mikrokanalstrukturen und ohne Verkleben der Membranen in den Ventilbereichen erfolgen. Aufgrund dieser Anforderungen wurde das Laserdurchstrahlschweißverfahren als das am besten geeignete Fügeverfahren ausgewählt.
Ergänzende Aspekte zu dieser Anwendung sind die Passivierung von Polymeroberflächen in Lab-on-a-Chip Systemen sowie die Integration von siliziumbasierten Mikrosystemen in transparente Polymerhalbschalen.
Im zweiten Teil der Arbeit wird der Aufbau eines hybriden Mikrosystems durch die Kombination eines Polymer-Metall-Verbundmaterials mit Silizium beschrieben. Als Anwendungsbeispiel dient die preiswerte Verkappung eines MEMS Sensors aus Silizium mit einer Polymerkappe. Da MEMS Sensoren gasdicht verkappt werden müssen, während Polymere für Gase permeabel sind, wurde als Kappenmaterial eine Polymer-Metall-Verbundfolie zum Einsatz gebracht, deren Metallschicht als Gasbarriere wirkt. Eine mögliche konkrete Anwendung für diese neue Verkappungstechnologie sind Beschleunigungssensoren für die Unterhaltungselektronik.
Aus der LCP/Cu-Verbundfolie wurden durch ein Prägeverfahren Kappen hergestellt. Für das verwendete Chipformat konnten Kappentiefen von bis zu 150 μm ohne ein Einreißen der Kupferfolie erzeugt werden. Um die Gasdichtheit der Verkappung zu gewährleisten, ist es notwendig, die Kupferseite der LCP-Cu-Verbundfolie gasdicht mit der Siliziumoberfläche zu verbinden. Beim eingesetzten Solid Liquid Interdiffusion – Bonden, kurz SLID-Bonden, werden zwei metallische Fügepartner verbunden, indem an ihrer Kontaktfläche ein niedrigschmelzendes Metall in den flüssigen Aggregatzustand überführt und durch Lösen des hochschmelzenden Fügepartners eine intermetallische Phase erzeugt wird.


Kurzfassung in Englisch

In the presented work the assembly of hybrid microsystems using polymer materials is investigated on the basis of two applications.
For the build-up of the first one – a polymer-based platform for lab-on-a-chip devices – only polymer materials were used. It was the aim to build a robust, active microsystem for miscellaneous (bio)chemical reaction processes which can be controlled independently from material surface and fluid properties. The therefore required valves and pumps are integrated in the microsystem by the joining of a multilayer stack consisting of dimensionally stable layers containing microchannel structures and flexible, elastic diaphragms. A control layer filled with pressurized air allows opening and closing the valves by moving the elastic membrane. The structured layers are made of polycarbonate while the diaphragms are extruded out of carbon black coloured thermoplastic elastomer. The joining of the layers must be realized without any deformation or blinding of the microchannel structures and without stiction of the diaphragms in the valve areas.
On the basis of these requirements, laser transmission welding was chosen to be the most appropriate joining technology.
As continouative aspects of this work the passivation of polymer surfaces in lab-on-a-chip systems as well as the integration of silicon-based microsystems in polymer half-shells are investigated.
The second part of this work describes the assembly of a hybrid microsystem by combining a polymer-metal-composite material with silicon. A MEMS sensor made of silicon packaged by a polymer cap on wafer-level is taken as an example of use for this technology. As MEMS sensors need a gas-proof package – while polymers are permeable to gas – a polymer-metal-laminate in which the metal layer functions as a gas barrier was chosen for this application. Acceleration sensors for consumer applications are one practical use for this new wafer-level-packaging technology.
Microcaps were built out of the LCP/Cu-laminate by embossing. For the used chip size caps with a maximum depth of 150 μm were produced without ripping the copper foil. To ensure a gas-proof encapsulation of the sensor element, it is necessary to produce a gas-proof bond between the LCP-Cu-laminate and the silicon surface. Solid Liquid Interdiffusion Bonding (SLID Bonding) allows the joining of two high temperature melting metals by melting a low temperature melting metal at their contact area. The bonding takes place by the solving of the high-melting join partners in the liquid metal phase of the low-melting metal layer and thus the creation of an intermetallic phase.


SWD-Schlagwörter: Lab on a Chip , Polymere , MEMS , Flüssigkristalline Polymere
Freie Schlagwörter (deutsch): PC , TPE , Laserschweißen , SLID-Bonden , Mikrosysteme
Freie Schlagwörter (englisch): laser welding , SLID bonding , microsystems
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Reinecke, Holger (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 25.11.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 08.03.2012
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