Konzept und Fertigung von Komponenten eines ferrofluidischen Mikroaktors Concept and Fabrication of Components for a Ferrofluidic Microactuator Dipl.-Ing. Dominik Hoheisel1, Dipl.-Ing. Thanin Schultheis2,3, Dr. Luca Spani Molella3, Prof. Dr.-Ing. Eduard Reithmeier2,3, Prof. Dr.-Ing. Lutz Rissing1 1Institut für Mikroproduktionstechnik, Produktionstechnisches Zentrum Hannover, Leibniz Universität Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen, Deutschland 2Hannoversches Zentrum für Optische Technologien, Leibniz Universität Hannover, Nienburger Straße 17, 30167 Hannover, Deutschland 3Institut für Mess- und Regelungstechnik, Leibniz Universität Hannover, Nienburger Straße 17, 30167 Hannover, Deutschland Kontaktautor: hoheisel[at]impt.uni-hannover.de

Kurzfassung Ein ferrofluidischer Mikroaktor für die elektromagnetische Ansteuerung eines adaptiven mikrooptischen Systems wurde entwickelt und mikrotechnologisch gefertigt. Der Aktor besteht aus Mikrospulenarrays mit denen die Position eines Ferrofluidtropfens in einem heißgeprägten Mikrokanal eingestellt wird. Durch die Verschiebung des Ferrofluids wird eine optische Flüssigkeit bewegt und bildet eine Flüssiglinse aus, deren Brennweite einstellbar ist.

Abstract A ferrofluidic microactuator intended for electromagnetical control of an adaptive micro-optical system was designed und fabricated with thinfilm technology. The actuator consists of microcoil arrays for manipulating the position of a ferrofluidic plug in a micro channel. The channel structures were produced by hot embossing. By moving the ferrofluid in the channel, an optical liquid is displaced and forms a liquid lense with adjustable focal length.

1 Einleitung Das Ziel dieses Projektes ist es, einen ferrofluidischen Mikroaktor zu entwickeln, der ein adaptives mikrooptisches System ansteuert. Ein Ferrofluid ist eine Suspension aus magnetischen Nanopartikeln und einer Trägerflüssigkeit [1]. Ein Ferrofluid kann durch ein Magnetfeld manipuliert werden und dies wird in dem folgenden Konzept für die Erzeugung einer Bewegung genutzt. Das Ferrofluid befindet sich in einem Mikrokanal, der in PMMA (Polymethylmetacrylat) heißgeprägt wird. Auf der Ober- und Unterseite des Kanals befinden sich Statorsysteme, deren Hauptbestandteil eine Anordnung von Mikrospulen ist. Die Statorsysteme sind durch eine PMMA-Membran vom Kanalvolumen getrennt. Durch Erregung der mikrotechnologisch hergestellten Mikrospulen wird ein magnetischer Fluss erzeugt, der zu einer Bewegung des Ferrofluids in dem Mikrokanal führt. Am Ende des Kanals befindet sich eine optische Flüssigkeit, welche durch die Ferrofluidbewegung über ein Koppelmedium verdrängt wird. Die optische Flüssigkeit bildet hierdurch am kreisförmigen Auslass des Mikrokanals eine Flüssiglinse aus. Die Brennweite der Flüssiglinse wird durch eine Bewegung des Ferrofluids gezielt verändert. Es sind Hartmagnete in der Flussführung der

Statorsysteme integriert, um das Ferrofluid ohne Energiezufuhr von außen im Kanal zu halten (siehe Bild 1) [2].

Bild 1 Schematische Darstellung eines ferrofluidischen Mikroaktors (nach [2])

2 Design Das Volumen, welches das Ferrofluid verdrängen und welches für die Bildung der Flüssiglinse (Durchmesser 2 mm) zur Verfügung stehen soll, beträgt 1 mm³. Davon

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ausgehend wird die Kanalhöhe zu 100 µm und die Kanalbreite zu 2 mm festgelegt, womit das Ferrofluid für eine maximale Linsenkrümmung um 5 mm zu verschieben ist. Die Statorsysteme bestehen im Wesentlichen aus zwei Gruppen von Strukturen. Zum einen sind dies die Erzeuger des magnetischen Flusses zum anderen dessen Leiter. Erzeugt wird der Fluss von 31 zweiwindigen und doppellagigen Mikrospulen und durch integrierte Hartmagnete. In der Mitte einer jeden Mikrospule befindet sich ein weichmagnetischer Pol, der den erzeugten magnetischen Fluss bündelt, verstärkt und leitet. Die Pole sind über ein Joch miteinander verbunden, das sich unterhalb des gesamten Spulenfeldes befindet. Am Übergang von Pol zu Joch befindet sich in jedem zweiten Pol ein Hartmagnet, um Rastpositionen für das Ferrofluid im Mikrokanal zu bilden. Damit kann die Flüssiglinsenbrennweite, welche durch die Position des Ferrofluids im Kanal eingestellt wird, ohne dauerhafte Erregung der Spulen energielos gehalten werden [3]. Die Querschnittsfläche einer Spulenleitung beträgt 35 µm x 20 µm (Breite x Höhe). Die von den Spulen umschlossenen weichmagnetischen Pole haben eine Breite von 40 µm und eine Länge von 2 mm, die der Kanalbreite entspricht. Die Gesamthöhe der Pole beträgt 40 µm, wobei die Höhe der Hartmagnete von 3 µm hierin bereits enthalten ist. Der Abstand zwischen den Polen ist 250 µm. Da die Hartmagnete während der Systemintegration übereinander liegen, ist der Abstand zwischen den Rastpositionen 500 µm. Das Joch als zweiter Teil der Flussführung hat eine Höhe von 20 µm. Die Isolierung in vertikaler Richtung zwischen den Spulen besteht aus 250 nm Si3N4. Die Isolierung in horizontaler Richtung wird mit 14 µm SU-8™ realisiert. Das Epoxidharz SU-8™ ist ein negativer Fotoresist und wird gleichzeitig als Einbettung der Strukturen in jeder Schicht benutzt. Hierbei sind die Außenabmaße der Einbettungen in jeder Schicht um 2,5 µm größer als in der vorherigen Schicht, um eine bessere Haftung zu erzeugen. Um das Mikrospulenarray herum ist in der Einbettung eine umlaufende Nut von 20 µm Breite und 20 µm Höhe vorgesehen, die als Stoppposition für Klebstoff während der Systemintegration dient und Klebstoff vom Mikrospulenarray fernhalten soll. Die Zuleitungen und Kontaktpads befinden sich auf der Ebene des Jochs, wobei die Zuleitungen den gleichen Querschnitt aufweisen wie die Spulenleitungen. Jede Spule verfügt über ein separates Kontaktpad, das jeweils quadratisch mit einer Seitenlänge von 200 µm ausgeführt ist. Allerdings ist für alle Spulen eine gemeinsame Masseleitung mit einer vierfachen Querschnittsfläche vorgesehen. Um die Stabilität des Gesamtsystems während der Systemintegration zu gewährleisten, haben die Kontaktpads der einzelnen Spulen einen Abstand von 4 mm zum Mikrokanal. Außerdem sind für die Systemintegration Kreisringe als Montagemarken vorgesehen, die einen Außendurchmesser von 500 µm und einen Innendurchmesser von 380 µm haben. Eine Montagemarke weist damit in etwa die gleiche Fläche wie ein weichmagnetischer Pol auf. Die Außenabmaße eines

Statorsystems sind 7,0 mm x 9,2 mm (Breite x Länge) (siehe Bild 2) [2].

Bild 2 Schematische Darstellung eines Statorsystems (nach [2])

3 Fertigung Die Statorsysteme werden mikrotechnologisch gefertigt, wobei als Substrat beidseitig poliertes polykristallines Al2O3 verwendet wird. Die Herstellung der Strukturen erfolgt mittels einer Kombination von Fotolithografie und galvanischer Abscheidung. Die für die galvanische Abscheidung notwendigen leitenden Startschichten werden durch Kathodenzerstäubung hergestellt. Für eine Ni- oder NiFe45/55-Galvanik besteht die Startschicht aus 50 nm Cr als Haftvermittler sowie 400 nm NiFe bzw. für eine Cu- oder Au-Galvanik aus Cr / Au (50 nm / 200 nm). Die Strukturen aus Fotolack, die mit der Fotolithografie erzeugt werden, dienen als temporäre Mikroformen während der galvanischen Abscheidung. Der Fotolack wird nach der galvanischen Abscheidung mit einem Lösemittel und die Startschicht durch Ionenstrahlätzen entfernt [2]. Die Statorsysteme sind in drei Hauptschichten aufgebaut. Die erste Schicht besteht aus den Justier- und Trennschleifmarken aus Ni, dem Joch und ringförmigen Montagemarken für die Systemintegration aus NiFe45/55 sowie den Zuleitungen und Kontaktpads aus Cu. Die zweite Hauptschicht enthält die durch Lift-off hergestellten Hartmagnete aus SmCo, die erste Spulenlage und die Durchkontaktierung der Masseleitung aus Cu sowie den ersten Teil der Pole aus NiFe45/55. Da die Montagemarken gleichzeitig die Funktion von Stützstrukturen für die Systemintegration erfüllen sollen, werden diese in allen Schichten verstärkt. Aufgrund der gewählten ähnlichen Größe der Montagemarken und der weichmagnetischen Pole können diese gemeinsam abgeschieden werden. Die dritte Schicht besteht aus der zweiten Spulenlage mit der gemeinsamen Masseleitung, den Montagemarken und dem zweiten Teil der Pole. Zum Abschluss der Fertigung werden die Kontaktpads mit einer Schicht aus Ni und Au versehen und das System gekapselt. Für diese Kapselung und für die Isolierung in vertikaler Richtung zwischen den Spulenlagen bzw. zwischen der ersten Spulenlage und dem Joch wird Si3N4 verwendet, das mittels plasmaunterstützter Abscheidung

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aus der Dampfphase ganzflächig aufgebracht und durch Ionenstrahlätzen strukturiert wird. Um eine ebene und gleichmäßige Oberfläche für die nachfolgenden Prozesse zu erhalten, wird jede Schicht chemisch-mechanisch planarisiert [2], [4]. Statorsysteme konnten bereits erfolgreich gefertigt werden. Da die Hartmagnete aus SmCo nach dem Sputtern einem Annealing-Schritt mit 560°C für 6 h unterzogen werden müssen [3], erfolgt die Abscheidung der Hartmagnete möglichst früh in der Fertigung, um eine Schädigung umgebender Strukturen zu vermeiden. Bild 3 zeigt Mikroskopbilder aus der Fertigung der Statorsysteme in Kombination mit einem schematischen Querschnitt. a)

b)

c)

d)

Bild 3 Fertigung der Statorsysteme (jeweils Mikroskop-bild oben, schematischer Querschnitt unten): a) Hartmagnete auf Joch; b) erste Spulenlage nach dem CMP; c) zweite Spulenlage nach Ätzen der Startschicht; d) abschließende Kapselung bzw. Isolierung mit Si3N4

4 Heißprägen der Kanalstruktur Heißprägen ist ein thermoplastischer Umformprozess, bei dem ein Thermoplast wie etwa PMMA einem bestimmten Prozesszyklus ausgesetzt wird und bei einer Temperatur, die der Glasübergangstemperatur entspricht (oder darüber liegt), plastisch verformt wird. Die einzustellenden Parameter sind in der Regel die Temperatur, der Prägedruck bzw. die Prägekraft und der zeitliche Verlauf, innerhalb dessen die anderen Prozessgrößen auf das Substrat wirken. Verwendet wurde die Maschine HEX03 der Firma Jenoptik. Sie besteht aus zwei Prägestempeln in einer evakuierbaren Kammer mit integriertem Kühl- und Heizmechanismus, der Temperaturen im Bereich 20°C bis 320°C, durch zwei PT100 Elemente kontrolliert, erzeugen kann. Weiter werden die Prägestempel, die das Substrat strukturieren, an der Ober- bzw. Unterseite der Kammerhydraulik befestigt und können beim Zusammenfahren eine Prägekraft bis 250kN auf das Substrat ausüben. Alle Prozessparameter sind während des gesamten Prägeprozesses computergesteuert und –kontrolliert. Nachdem die Prägekammer evakuiert wurde, werden die Stempel mit dem dazwischen befindlichen Substrat zusammengefahren bis die eingestellte Berührungskraft erreicht ist. Der Temperatur- und Prägekraftzyklus wird dann über die Prägedauer angewendet, bevor der Entformprozess eingeleitet wird. Auf diese Weise werden mit entsprechend konstruierten Prägestempeln Kanalstrukturen durch das Heißprägen aus PMMA hergestellt. Der Prozess wurde aufgrund seiner Kosteneffizienz gewählt. Es ist möglich, mit geringen Kosten für das PMMA-Substrat durch einmaliges Konstruieren der Masterform, eine Vielzahl von Kopien herzustellen und damit massenproduktionstauglich zu fertigen [5]. Desweiteren ist die Fertigung von präzisen,

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(sub)-mikrometergroßen Strukturen in guter Qualität möglich [6]. Die geprägten Kanäle wurden durch eine taktile Messung untersucht. Ein morphologischer Filtereffekt ist sichtbar und es zeigt sich eine gute Reproduzierungsqualität (siehe Bild 4) [7]. Versuche haben gezeigt, dass es möglich ist, den Kanal in zwei Hälften herzustellen und diese durch Lösemittelkleben zu verbinden. Hierbei werden die zu verbindenden Flächen mit Lösemittel angelöst und unter Druck aufeinander gepresst. Im nächsten Schritt sollen die Einzelkomponenten in einen gemeinsamen Aufbau integriert und das System getestet werden.

Bild 4 Ergebnis einer taktilen Messung einer heißge-prägten Kanalstruktur; morphologische Filterwirkung an horizontaler Differenz der Messlinien erkennbar [7]

5 Schlussfolgerung Es konnte ein Konzept für einen ferrofluidischen Mikroaktor entwickelt werden, mit dem die Brennweite einer Flüssiglinse eingestellt werden soll. Das Ferrofluid wird dabei durch Mikrospulen in einem heißgeprägten Kanal bewegt und verformt die Flüssiglinse. Die Mikrospulen sind Bestandteil von Statorsystemen, welche außerdem integrierte Hartmagnete aufweisen, um das Ferrofluid ohne dauerhafte Erregung der Spulen im Kanal und damit den Linsenzustand zu halten. Statorsysteme konnten erfolgreich mikrotechnologisch gefertigt werden. Zudem ist es gelungen, die erforderlichen Kanalstrukturen mit dem Heißprägeverfahren über die Abformung entsprechender Masterstrukturen zu erzeugen.

6 Danksagung Diese Forschungsarbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogrammes 1337 „Aktive Mikrooptik“ gefördert.

7 Literatur [1] R.E. Rosensweig: Ferrohydrodynamics. Cambridge,

1985 [2] D. Hoheisel, C. Leng, L. Rissing, H.H. Gatzen,

Design, Modeling and Fabrication Sequence of a Ferrofluidic Microactuator. Proceedings of the 12th International Conference on New Actuators (Actuator 2010), Bremen, Deutschland, June 14-16, 2010, pp. 361-364, ISBN 978-3-933339-12-6

[3] J. Chen, D. Hoheisel, L. Rissing, Sputtering of SmCo Thin Films and Integration in a Ferrofluidic Microactuator. 2011 International Magnetic Conference (Intermag 2011), Taipei, Taiwan, April 25-29, 2011, accepted

[4] S. Cvetkovic, H.H. Gatzen, Evaluation of a Prototype CMP Machine for Improving the Global Planarization by MEMS. 24th Annual Meeting ASPE, Monterey, CA, USA, October 4-9, 2009, pp. 315-318

[5] M. Worgull, Hot Embossing – Theory and Technology of Microreplication. William Andrew Elsevier, 2009, ISBN 978-0-8155-1579-1

[6] E. Reithmeier, T. Vynnyk, T. Schultheis; 3D-measurement Using a Scanning Electron Microscope, Applied Mathematics and Computation, 2010, (doi:10.1016/j.amc.2010.01.107)

[7] T. Schultheis, T. Fahlbusch, L. Spani Molella; E. Reithmeier, Electromagnetic control of microoptics: Adaptive systems based on ferrofluidic actuators. Tagungsband Dritter Workshop Optische Technologien, Hannover, Deutschland, 23. November, 2009, pp. 208-211, ISBN 978-3-941416-63-5941416-17-8

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