Fabrication of polymer micro devices by ultrasonic hot embossing

Khuntontong, Puttachat; Schomburg, Werner Karl

doi:29362

Fabrication of polymer micro devices by ultrasonic hot embossing = Heißprägen mit Ultraschall für die Herstellung von Mikrosystemen aus Polymeren

Khuntontong, Puttachat

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Puttachat Khuntontong

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangV, 75 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schomburg, Werner Karl (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-10-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-25813
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50400/files/Khuntontong_Puttachat.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (417420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Ultraschall für die Herstellung (frei) ; Mikrostrukturen (frei) ; Mikrosysteme aus Kunststoff (frei) ; ultrasonic micro hot embossing (frei) ; MID (frei) ; molded interconnect devices (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird gezeigt, dass Heißprägen mit Ultraschall für die Herstellung von Mikrostrukturen und ganzen Mikrosystemen aus Kunststoff geeignet ist. Mikrostrukturen können hierbei in wenigen Sekunden erzeugt werden. Ähnlich wie beim Heißprägen wird ein Polymerfilm durch Erhitzen erweicht und die Mikrostruktur wird von einem Metallwerkzeug abgeformt. Die thermische Energie wird allerdings mit einem Ultraschallschweißgerät erzeugt, das mechanische Schwingungen mit bis zu einigen 10 µm Amplitude und einer Frequenz von 20 bis 70 kHz ausführt. Diese Schwingungen werden auf die Folie übertragen, indem die Sonotrode des Ultraschallgerätes die Folie auf das Werkzeug presst. Die zyklischen Deformationen der Folie erzeugen lokale Erwärmungen und das Aufschmelzen der Folie, wo sie mit erhabenen Mikrostrukturen auf dem Werkzeug in Berührung steht. Nach dem Aufschmelzen und dem Abkühlvorgang, der innerhalb weiniger Sekunden vollzogen ist, kann die Mikrostruktur aus dem Werkstück entnommen werden. Mikrostrukturen mit weiniger als 2 µm Breite wurden so bei einer Betriebsfrequenz von 35 kHz erzeugt. Mit dem gleichen Herstellungsprozess ist ein Mikrokanal mit einem besonders entworfenen Werkzeug dicht verschlossen worden. Mit den folgenden Parametern lässt sich der Prozess im Wesentlichen steuern: Frequenz, Amplitude, Einwirkzeit des Ultraschalls, Druck und Polymerart. Die Grenzen des neuen Prozesses wurden untersucht in Hinblick auf die Abmessungen der Sonotrode, das erreichbare Aspektverhältnis, die Gesamtabmessungen der mikrostrukturierten Fläche und minimale und maximale Strukturhöhe. Der Herstellungsprozess wurde demonstriert anhand er Fertigung mikrofluidischer Geräte: unter anderem ein Mikromischer, ein thermischer Flusssensor und gewellten Membranen. Erhöhungen in einem Mikrokanal dienten der besseren Vermischung zweier Flüssigkeiten. Diese Erhöhungen wurden 20 µm hoch und 250 µm breit unter einem Winkel von 45° zu den Kanalwänden eingeprägt. Der Mischkanal wurde 25 mm lang, 100 µm hoch und 500 µm breit entworfen. Der Mischkanal ist über eine T-förmige Zuleitung mit zwei Einlässen und am anderen Ende mit einem Auslass verbunden. Die Testergebnisse zeigten, dass die Mischzeit im Kanal durch die Erhöhungen um einen Faktor 4 verringert wird. Der thermische Mikroflusssensor bestand aus einem 100 µm hohen, 500 µm breiten und 1 cm langen Kanal aus Polypropylen. Quer durch diesen Kanal wurde ein Golddraht mit einem Durchmesser von 50 µm geführt. Die Messergebnisse entsprechen dem aus der Theorie zu erwartenden Verlauf. Als Reaktionszeiten wurden 24 ms bei einer plötzlichen Erhöhung des Flusses, und 20 ms beim Abschalten des Flusses ermittelt. Bei diesem Experiment wurde der Fluss von einer piezobetätigten Mikropumpe erzeugt, die mit 0.5 Hz Betriebsfrequenz betrieben wurde. Außerdem wurde gezeigt, dass durch Heißprägen mit Ultraschall Leiterbahnen auf Polymersubstraten hergestellt werden können, so genannte Molded Interconnect Devices (MID). Durch Mikrostrukturen auf den Werkzeugen wurde eine Metallfolie mit einer Plastikfolie lokal verschweißt. Scharfe Ränder an den hervorstehenden Mikrostrukturen des Werkzeugs schneiden das Metall ab und stellen eine elektrische Isolierung sicher. Die nicht geschweißten Bereiche werden nach diesem Prozess mechanisch entfernt. Eine Spule aus einer 10 µm dicken Aluminiumfolie wurde auf einer 250 µm dicken Polypropylenfolie erzeugt. Diese Spule wurde und mit einem Kondensator zu einem Transponder kombiniert. Über eine externe Spule wurde dieser elektrische Schwingkreis zu Resonanzschwingungen zwischen 1,5 und 2,5 MHZ angeregt.

In this thesis ultrasonic micro hot embossing is shown to be suitable for the fabrication of polymer micro structures and entire devices. Micro structures are generated in a couple of seconds. Similar as in hot embossing, a polymer film is softened by heating and a micro pattern is molded from a metal tool. Heating is achieved with an ultrasonic welding machine generating mechanical vibrations with up to several 10 µm amplitude at a frequency between 20 and 70 kHz. These vibrations are applied to the polymer film by pressing it with the horn of the ultrasonic machine onto the tool. The cyclical deformations of the polymer film generate local heating and melting of the polymer where it is in contact to protruding micro structures on the tool. After turning off the vibrations and cooling of the polymer within a few seconds the micro structure can be de-molded. Micro structures with feature sizes of down to 2 µm were produced this way at 35 kHz. With the same machine a micro channel was sealed by ultrasonic welding with a specially designed tool. The following parameters turned out to control the process significantly: frequency, amplitude, time, pressure, and polymer type. Process limits were observed with respect to the achievable aspect ratio, overall pattern size, and minimum and maximum structure height. The fabrication process is demonstrated by manufacturing micro fluidic devices, such as micro mixers and micro thermal flow sensors, and, corrugated membranes. Ridges on the mixing channel were used to enhance a mixing of two liquids. The micro structure of the ridges was molded onto the mixing channel 20 µm high, 250 µm wide, and orientated at an angle of 45° with respect to the channel walls. The mixing channel was designed 25 mm long, 100 µm high, and 500 µm wide with a Tjunction inlet and an outlet. Testing results show that the ridges decreased the mixing time by a factor of 4. The micro thermal flow sensor consists of a 100 µm high, 500 µm wide, and 1 cm long channel from polypropylene which is crossed by a gold wire with a diameter of 50 µm. The measurement results support theory. The reaction times of the sensor were measured to be 24 ms after switching on and 20 ms after switching off the piezo-actuated micro diaphragm pump at 0.5 Hz. Furthermore, it was shown that this technique can be applied to generate molded interconnect devices (MID) also. A pattern of an electrically conducting metal was generated on a polymer substrate by welding a polymer layer with the metal on top onto the substrate where there were protruding micro structures on the tool. Sharp edges around the protruding structures cut the metal and ensure electrical insulation. The on-welded areas are mechanically removed after this process. A coil from a 10 µm thick aluminum layer was generated this way on a 250 µm thick polypropylene sheet. The coil was combined with a capacitor to a transponder which was excited with a primary coil to resonance oscillations at 1.5 to 2.5 MHz.

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