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DE102006056837A1 - Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mittels überkritischen Gas - Google Patents

Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mittels überkritischen Gas Download PDF

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DE102006056837A1
DE102006056837A1 DE200610056837 DE102006056837A DE102006056837A1 DE 102006056837 A1 DE102006056837 A1 DE 102006056837A1 DE 200610056837 DE200610056837 DE 200610056837 DE 102006056837 A DE102006056837 A DE 102006056837A DE 102006056837 A1 DE102006056837 A1 DE 102006056837A1
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Germany
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polymer
glass transition
transition temperature
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gas
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DE200610056837
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English (en)
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Robert Bleidiessel
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements vorgeschlagen, wobei das Bauelement ein erstes Teil und ein zweites Teil aufweist, wobei das erste und/oder das zweite Teil mindestens ein Polymer umfasst, wobei bei der Herstellung des Bauelements mindestens ein Polymer des ersten und/oder des zweiten Teils bis unterhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt wird und das erste und das zweite Teil in Kontakt zueinander gebracht werden und die Glasübergangstemperatur mindestens eines Polymers durch die Verwendung eines überkritischen Gases herabgesetzt wird. Des Weiteren wird ein Bauelement, das nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird, offenbart.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Bauelements, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Patentschrift US 2006/0016556 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bekannt, bei dem ein Gas mit einem geringen Gasdruck verwendet wird. In der Druckschrift wird dabei offenbart, dass durch die Verwendung des Gases die Glasübergangstemperatur eines Polymers oberflächennah herabgesetzt werden kann. Nachteilig bei dem Verfahren ist jedoch, dass dies nur unter bestimmten Bedingungen und zeitlichen Randbedingungen erfolgt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Bauelements und das Bauelement gemäß der Merkmale der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die Verwendung eines überkritischen Gases die Glasübergangstemperatur zumindest eines Polymers ganz gezielt in definierten Bereichen und besonders stark bzw. schnell herabgesetzt werden kann. Vorteilhafterweise muss daher zur Herstellung des Bauelements ein verwendetes Polymer nur noch bis unterhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt werden. Hierdurch können Hitzeschäden bei den Teilen, die das Bauelement bilden, dadurch vermieden werden, da zum Zusammenfügen zweier Teile des Bauelements nicht das gesamte Bauelement oberhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt werden muss. Des weiteren können die besonderen Eigenschaften eines überkritischen Gases und sein Einfluss auf ein Polymer besonders effektiv bei der Herstellung genutzt werden. Beispielsweise weist Kohlendioxid im überkritischen Zustand ein besonders hohes Lösungsvermögen und eine gasähnliche Viskosität auf.
  • Vorteilhaft wird als Gas Kohlendioxid (CO2) in einem Druckbereich oberhalb von oder gleich etwa 7,38 MPa, besonders bevorzugt oberhalb von oder gleich etwa 10 MPa, ganz besonders bevorzugt oberhalb von oder gleich etwa 15 MPa verwendet. Weiterhin bevorzugt wird CO2 in einem Temperaturbereich von etwa 32 C° oder darüber verwendet. Durch die Verwendung von CO2 in den oben genanten Druckbereichen und in dem oben genannten Temperaturbereich entsteht überkritisches CO2-Gas. Hierdurch kann die oberflächliche Verflüssigung des zu fügenden Polymers besonders schnell und effektiv erfolgen, so dass der Fertigungsprozess schnell erfolgen kann und empfindliche bzw. kleine Strukturen besser geschützt werden. Die Verwendung von CO2 als überkritisches Gas ist besonders vorteilhaft, da CO2 ein farb- und geruchsloses Gas ist und nach der Herstellung des Bauelements keine Rückstände hinterlässt. Des weiteren ist CO2 im wesentlichen nicht gesundheitsgefährdend, sehr kostengünstig und umweltverträglich.
  • Bevorzugt ist, dass das überkritische Gas nur in oberflächennahe Schichten mindestens eines Polymers bei der Herstellung eindringt. Es ist hierdurch vorteilhaft möglich, die Effekte, die das überkritische Gas auf ein Polymer ausübt, nur in oberflächennahen Schichten zu erzielen. Des weiteren wird bei der Herstellung des Bauelements nur relativ wenig Gas benötigt, da nur soviel Gas bei der Herstellung zur Verfügung gestellt werden muss, wie in die oberflächennahen Schichten des Polymers eindringt. Der Fachmann versteht, dass die Glasübergangstemperatur des Polymers nur in den Schichten gesenkt wird, in denen das überkritische Gas eingedrungen ist.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass sich mindestens bei einem Polymer des ersten und/oder des zweiten Teils bereits vor Erreichen der Glasübergangstemperatur des gesamten Bauelements eine fließfähige Schicht an der Oberfläche bildet. Vorteilhaft können die beiden Teile durch die fließfähige Schicht miteinander verbunden werden, wobei die Verbindung dadurch entsteht, dass die beiden Teile mittels der fließfähigen Schicht verklebt bzw. verschweißt werden. Die Verbindung ist dann nach der Abkühlung der fließfähigen Schicht im wesentlichen stabil. Unter Verkleben bzw. Verschweißen soll verstanden werden, dass sich das erste und das zweite Teil mit einander verbinden, beispielsweise miteinander verschmelzen. Der Fachmann versteht, dass eine fließfähige Schicht eines Polymers wie eine Art Klebeschicht wirkt, die beispielsweise mittels Adhäsion eine Verbindung zu einem anderen Gegenstand herstellt.
  • Bevorzugt weisen das erste und/oder das zweite Teil Kanäle und/oder Aussparungen auf, wobei trotz Erwärmung mindestens eines Polymers des ersten und/oder des zweiten Teils die Kanäle und/oder die Aussparungen im wesentlichen erhalten bleiben. Es ist hierdurch vorteilhaft möglich, ein Bauelement mit Aussparungen und/oder Kanälen sehr einfach durch Erwärmen mindestens eines Polymers herzustellen, wobei jedoch Kanäle und/oder Aussparungen durch das Erwärmen des Polymers nicht zerstört werden. In vorteilhafter Weise wird bei der Verwendung von überkritischem Gas nur die Glasübergangstemperatur von oberflächennahen Schichten gesenkt, so dass bei einer Erwärmung des Polymers nur die oberflächennahen Schichten bereits vor Erreichen der Glasübergangstemperatur fließfähig werden. Ist die Eindringtiefe des überkritischen Gases geringer als die Breite eines Kanals oder einer Aussparung, wird die Struktur des Kanals oder der Aussparung im wesentlichen durch die Erwärmung nicht verändert (keine Gefahr von „Strukturkollaps). Unter einer Aussparung soll verstanden werden, wenn in einem Bereich des ersten und/oder des zweiten Teils Material ausgespart wurde. Unter einem Kanal soll verstanden werden, wenn sowohl das erste Teil wie auch das zweite Teil eine Aussparung aufweist, wobei beim Zusammenfügen der Teile die Aussparung des ersten Teils und die Aussparung des zweiten Teils im wesentlichen übereinanderliegen.
  • Besonders bevorzugt umschließt das Bauelement zumindest teilweise ein Element. Beispielsweise kann sich ein Element in einer Aussparung eines der beiden Teile befinden und wird mittels des anderen Teils abgedeckt. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Element von dem anderen Teil nur teilweise oder überhaupt nicht abgedeckt wird. In den beiden letzten Fällen ist das Element folglich nicht vollständig von dem Bauelement eingekapselt und hat weiterhin Kontakt zu der Umgebung des Bauelements. In vorteilhafter Weise ist es hierdurch möglich, ein Element durch das Bauelement zu schützen (beispielsweise vor Verschmutzung oder Feuchtigkeit). Wird das Element nur teilweise von dem Bauelement umschlossen, können die umschlossenen Bereiche des Elements von dem Bauelement geschützt werden, wohingegen nicht umschlossene Bereiche des Elements Kontakt zu der Umwelt haben können.
  • Insbesondere für Sensoren ist eine nur teilweise Umschließung des Elements von dem Bauelement vorteilhaft.
  • Bevorzugt ist das Element ein Protein, insbesondere ein Enzym und/oder eine oder mehrere lebende Zellen. Der Fachmann versteht, dass das Umschließen eines Enzyms, eines Proteins oder einer lebenden Zelle bei gleichzeitiger Erhaltung der Funktion oder der Lebensfähigkeit des Elements nur bei geringen Temperaturen erfolgen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Umschließung solcher Elemente, da ein Polymer durch die Verwendung von überkritischem Gas nur noch unterhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt werden muss. Die fließfähige Schicht, die zur Verbindung mit dem anderen Teil benötigt wird, entsteht folglich bereits bei niedrigeren Temperaturen als ohne die Verwendung von überkritischem Gas. Da das Element bei der Erwärmung des Polymers zwangsläufig miterwärmt wird, ist die Herabsetzung der Temperatur ein wesentlicher Vorteil.
  • Bevorzugt wird als Polymer Poly-Methyl-Meta-Acrylat und/oder Polystyrol verwendet. Denkbar sind jedoch auch andere Polymere. Des weiteren ist denkbar, dass ein Teil aus mehr als einem Polymer besteht, wobei die verschiedenen Polymere bevorzugt unterschiedliche Glasübergangstemperaturen aufweisen. Hierdurch ist es möglich, dass eines der Polymere bereits bei geringen Temperaturen eine fließfähige Schicht aufweist, wobei die Temperatur, die für eine fließfähige Schicht benötigt wird, durch die Verwendung von überkritischem Gas weiter gesenkt werden kann. Es ist folglich vorteilhaft möglich, das Bauelement bei sehr geringen Temperaturen herzustellen, wodurch auch das Umschließen von sehr temperatursensiblen Elementen, insbesondere Biomoleküle, ermöglicht wird.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Bauelement, das nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird. Das Bauelement weist dabei bevorzugt zwei Teile auf, wobei mindestens eines der Teile ein Polymer umfasst. Denkbar ist jedoch auch, dass beide Teile ein Polymer umfassen oder ein oder mehreren Polymeren umfassen oder das nur ein Teil mehr als ein Polymer umfasst. Es ist weiterhin denkbar, dass eines der Teile oder beide Teile zwei Polymere aufweist bzw. aufweisen, wobei eines der Polymere nur oberflächennah ausgebildet ist und eine vergleichsweise niedrige Glasübergangstemperatur aufweist und das andere Polymer eine hohe Glasübergangstemperatur aufweist. In vorteilhafter Weise ist es so möglich, das Polymer mit niedrigerer Glasübergangstemperatur als eine Art Kleber bei der Herstellung zu verwenden, während das andere Polymer im wesentlichen seinen Zustand trotz der Erwärmung nicht ändert. Es ist weiterhin auch denkbar, dass ein Teil lediglich ein Polymer mit einer vergleichsweise niedrigen Glasübergangstemperatur und ein weiteres, nicht polymeres, Material aufweist. Bevorzugt ist in diesem Fall das Polymer nur an der Oberfläche oder in oberflächennahen Schichten des Teils vorhanden. In beiden Fällen, in denen das Polymer nur an der Oberfläche oder in oberflächennahen Schichten des Teils vorhanden ist, kann das Polymer als Kleber verwendet werden. Es ist durch ein Polymer mit einer vergleichsweise niedrigen Glasübergangstemperatur vorteilhaft möglich, zwischen zwei Teilen einen Kontakt herzustellen.
  • Bevorzugt ist das Bauelement ein Mikrofluidik-Bauelemet oder ein Sensor. Bevorzugt wird das Bauelement als Sensor oder als Biosensor verwendet.
  • Ganz besonders bevorzugt ist das erste und/oder das zweite Teil mittels eines Hot-Embossing-Verfahrens strukturiert vorgesehen. Als Strukturierung können beispielsweise Stege und/oder Aussparungen vorgesehen sein. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die so strukturierten Teile dann zu dem Bauelement zusammen verklebt bzw. verschweißt werden. Der Fachmann versteht, dass bei einem Hot-Embossing-Verfahren ein Material als Ganzes sehr stark erhitzt bzw. erwärmt wird, damit dem Material mittels einer Prägeform Strukturen eingeprägt werden können. Der Fachmann versteht weiterhin, dass die erzeugten Strukturen nach der Herstellung zerfliesen würden, wenn das Teil noch einmal stark, das heißt insbesondere über die Glasübergangstemperatur, erwärmt würde. Durch eine Kombination aus dem Hot-Embossing-Verfahren und dem erfindungsgemäßen Verfahren können so die Vorteile des Hot-Embossings-Verfahrens (Erzeugung kleiner Strukturen mittels Prägeform) genutzt werden und gleichzeitig temperatursensible Elemente von dem Bauteil umschlossen werden, ohne dass Aussparungen, Stege oder Kanäle bei der Umschließung zerfließen würden oder die temperatursensiblen Elemente zerstört werden würden.
  • Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 stellt schematisch ein erfindungsgemäßes Bauelement mit Aussparungen und drei Stegen dar.
  • 2 stellt schematisch das Bauelement in einer Detaildarstellung und mit einer fließfähigen Schicht dar.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In der 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Bauelement 7 dargestellt. Das Bauelement 7 umfasst ein erstes Teil 1 und ein zweites Teil 2, wobei mindestens das erste Teil 1 oder das zweite Teil 2 ein Polymer umfassen. Das zweite Teil 2 weist Aussparungen 3 auf, wobei in einigen Aussparungen 3 ein Element 4 liegt. Das erste Teil 1 kann so auf das zweite Teil 2 gelegt werden, dass die Elemente 4 durch Zusammenfügen der Teile 1, 2 eingeschlossen oder teilweise eingeschlossen werden. Des weiteren ist in der 1 ein Ausschnitt 8 gekennzeichnet, der in der 2 vergrößert dargestellt wird.
  • Die 2 stellt schematisch das Bauelement 7 mit einer fließfähigen Schicht 5 im Bereich des ersten Teils 1 und des zweiten Teils 2 dar. Die fließfähige Schicht 5 befindet sich nur in oberflächennahen Schichten 9 der Teile 1, 2 und entsteht durch die Herabsetzung der Glasübergangstemperatur in diesen Bereichen 9 und durch das Erwärmen der Teile 1, 2 bis unterhalb der Glasübergangstemperatur des Vollmaterials. Zur Herabsetzung der Glasübergangstemperatur dringt ein überkritisches Gas, insbesondere CO2, in die Bereiche 9 ein. Beim Erwärmen des ganzen Teils 1, 2 beginnen die Bereiche 9 aufgrund der herabgesetzten Glasüberhangstemperatur, noch vor Erreichen der Glasübergangstemperatur des Vollmaterials in einen flüssigen Zustand überzugehen. Ein Steg 6 oder eine andere vergleichsweise kleine Struktur wird dabei zwar auch oberflächennah erwärmt, ändert aber im wesentlichen nicht seine Form durch die Erwärmung. Die Aussparungen 3 und die Stege 6 können so trotz der Erwärmung erhalten bleiben. Zudem müssen die Teile 1, 2 wegen der Herabsetzung der Gasübergangstemperatur nur auf einen geringere Temperatur erwärmt werden bis eine fließfähige Schicht 5 entsteht, wodurch auch temperatursensible Elemente 4 im Bauelement 7 integriert werden können. Wird das erste Teil 1 mit dem zweiten Teil 2 in Kontakt gebracht, so entsteht eine Verbindung zwischen dem ersten Teil 1 und dem zweiten Teil 2, wenn zumindest eines der Teile die fließfähige Schicht 5 aufweist. In diesem Fall verkleben bzw. verschweißen das erste Teil 1 und das zweite Teil 2 miteinander. Durch die Bildung einer fließfähigen Schicht 5 noch vor der Glasübergangstemperatur des Vollmaterials ist die Herstellung des Bauelements 7 besonders schnell, so dass der Fertigungsprozess zeitlich verkürzt wird.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (7), wobei das Bauelement (7) ein erstes Teil (1) und ein zweites Teil (2) aufweist, wobei das erste und/oder das zweite Teil (1, 2) mindestens ein Polymer umfasst, wobei bei der Herstellung des Bauelements (7) mindestens ein Polymer des ersten und/oder des zweiten Teils (1, 2) bis unterhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt wird und das erste und das zweite Teil (1, 2) in Kontakt zueinander gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasübergangstemperatur mindestens eines Polymers durch die Verwendung eines überkritischen Gases herabgesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Kohlendioxid in einem Druckbereich oberhalb von oder gleich etwa 7,38 MPa, besonders bevorzugt oberhalb von oder gleich etwa 10 MPa, ganz besonders bevorzugt oberhalb von oder gleich etwa 15 MPa verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Kohlendioxid in einem Temperaturbereich von etwa 32 °C oder darüber verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens bei einem Polymer des ersten und/oder des zweiten Teils (1, 2) bereits vor der Glasübergangstemperatur eine fließfähige Schicht (5) an der Oberfläche bildet.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas nur in oberflächennahe Schichten (9) mindestens eines Polymers eindringt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Teil (1, 2) Kanäle und/oder Aussparungen (3) aufweist, wobei trotz der Erwärmung mindestens eines Polymers des ersten und/oder des zweiten Teils (1, 2) die Kanäle und/oder Aussparungen (3) im wesentlichen erhalten werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Bauelement (7) ein Element (4) zumindest teilweise umschlossen wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Element (4) ein Protein und/oder ein Enzym und/oder eine lebende Zelle von dem Bauelement (7) zumindest teilweise umschlossen wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymer Poly-Methyl-Meta-Acrylat und/oder Polystyrol verwendet wird.
  10. Bauelement (7) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Bauelement (7) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (7) ein Mikrofluidik-Bauelement oder ein Sensor ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3488998A4 (de) * 2016-07-15 2020-03-11 Ushio Denki Kabushiki Kaisha Substratbindeverfahren und verfahren zur herstellung eines mikrochips

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