Aktuatorisch unterstützte Haftelemente mit hierarchischem Aufbau für den Einsatz auf technischen Oberflächen
Mikrosysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt wurden trockene Haftelemente mit hierarchischem Aufbau (2 Hierarchieebenen) bezüglich ihres Haft- und Löse-Verhaltens untersucht. Schwerpunkte lagen bei isotrop wirkenden Haftelementen mit quadratischen Strukturen in beiden Hierarchieebenen und deren Haft- und Löse-Verhalten auf technischen Oberflächen (glatt/aufgeraut/periodisch vorstrukturiert, isotrope/anisotrope Vorstrukturierung, Glas/technische Kunststoffe), insbesondere in Bezug auf die Ablösung unter Scherung. Ein weiterer Schwerpunkt in der Verlängerungsphase lag in der Untersuchung anisotrop wirkender Haftelemente, bei denen die obere Hierarchieebene in Form von Linien ausgeführt war. Bevorzugt wurden die Haftelemente in einem kommerziell verfügbaren Eastomer (PDMS, Sylgard 184) ausgeführt. Für die Untersuchung des Haft-/Löse-Verhaltens wurde ein pneumatisch initiiertes Membran- Aktuatorsystem entwickelt. Die Membranen wurden durch Abformung realisiert; die dafür notwendigen Master mit zwei Hierarchieebenen wurden durch eine Kombination von Fotolithographie und Ätzverfahren hergestellt. Das Aktuatorsystem erlaubt die kontrollierte Anheftung der Membranen an die zu untersuchenden Oberflächen unter definiertem Druck (20-100 mbar). Für die Messung der Scherkräfte während des Ablöseprozesses wurde ein computergesteuerter Messplatz entwickelt. Bei konstantem Vorschub können mit Hilfe eines Kraftsensors die Scherkräfte erfasst und auch grafisch dargestellt werden. Über ein Mikroskop-Objektiv und eine CCD-Kamera kann der Scherversuch überwacht und Videosequenzen oder Einzelbilder aufgenommen werden. Als Referenz/Vergleichs-Oberfläche für das Haftverhalten diente Glas ohne Oberflächenbehandlung bzw. Vorstrukturierung. Die Ergebnisse können folgendermaßen zusammengefasst werden: Isotrope Haftelemente: Auf einer aufgerauten Haft-Oberfläche steigt die Scherkraft gegenüber der glatten Referenzoberfläche an (teilweises Verankern der Strukturen mit den Unebenheiten). Der Effekt einer Aufrauhung ist bei PMMA (Thermoplast) geringer als bei Glas und noch geringer bei SU-8 (Duroplast). Bei periodisch vorstrukturierten Haft-Oberflächen tritt infolge mechanischer Verschränkung eine deutliche Vergrößerung der Haftung auf wenn die Strukturgrößen der wechselwirkenden Oberflächen in der gleichen Größenordnung sind. Eine anisotrope Vorstrukturierung führt zu einer anisotropen Haftwirkung. Anisotrope Haftelemente: Ähnlich zu anisotrop vorstrukturierten Oberflächen zeigen auch linienförmige Haftelemente auf glatten Oberflächen eine anisotrope Haftwirkung. Allerdings ist diese auf das elastische Verhalten der Elastomer-Strukturen zurück zu führen: Werden sie quer zur Linienrichtung mit Scherkräften beansprucht, biegen sie sich zunächst zur Seite und gleiten dann ab; Scherkräfte entlang der Linienrichtung bewirken dies nicht; der Effekt ist auf Aspekt-Verhältnisse ≥2 begrenzt. Anisotrope Haftelemente sind effizienter als eine anisotrope Vorstrukturierung der Haftoberfläche. Zur Entwicklung von Modellvorstellungen wurden der Elastizitätsmodul des verwendeten Elastomers zum einen an dünnen Zugproben, zum anderen an dünnen Schichten ermittelt. Die ermittelten Werte sind stark präparationsabhängig. Eine makroskopische FEM-Simulation des Abscherungs-Prozesses der 2. HE verdeutlicht anhand der lokal wechselnden Normalspannung von einer Druck-Belastung auf eine Zug- Belastung das Abrollen der Haftelemente beim Ablöseprozess. Die mikroskopische Simulation der 1. HE zeigt im Fall von linienförmigen Haftstrukturen die Anisotropie der Haftwirkung und bestätigt die experimentell entwickelte Vorstellung, dass das Ablösen mit einer Verbiegung der Haftelemente einhergeht, deren Höhe die Haftkräfte einstellt. Die experimentelle Verifikation der Wirksamkeit der Haftelemente wurde mit Hilfe eines mobilen Aktuators vorgenommen. Auf einer sauberen unbehandelten Glasoberfläche von 45 cm Länge erfolgte ohne Haftelemente bereits bei einer Neigung von 5° ein Abrutschen, mit Haftelementen (2 x 2 µm 2 Strukturen in der 1.HE) erst bei einer Neigung von über 45°. Im Fall anisotroper Haftstrukturen (1 µm breite Linien) lagen die Grenzwinkel der Neigung bei 40° bzw. 50° bei Anordnung der Linien längs bzw. quer zur Laufrichtung, in Übereinstimmung mit den Scherkraftmessungen und mit der Simulation. Im Hinblick auf eine Nutzung der hier untersuchten isotropen und anisotropen Haftelemente ist deren einfache Herstellung bzw. Vervielfachung durch ein Replikationsverfahren von Interesse.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A scalable anti-sticking layer process via controlled evaporation, Microelectron. Engin. 123 (2014) 4-8
C. Steinberg, K. Dhima, D. Blensgens, A. Mayer, S. Wang, M. Papenheim, H.-C. Scheer, J. Zajadacz, K. Zimmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.mee.2014.04.002) - Stamp design towards instability-induced 3D patterning, Microelectron. Eng. 132 (2014) 100-104
A. Mayer, M. Papenheim, K. Dhima, S. Wang, C. Steinberg, H.-C. Scheer, F. Schröter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.mee.2014.05.010) - Shear force measurement of membrane-actuated gecko-like structures, MNE Poster (2015)
J. Zajadacz, P. Lorenz, K. Zimmer, M. Papenheim, H.-C. Scheer
- Single-layer versus two-layer stamps for reduced pressure thermal nanoimprint, Appl. Phys. A 121 (2015) 481-487
M. Papenheim, K. Dhima, S. Wang, C. Steinberg, H.-C. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00339-015-9301-2) - The underestimated impact of instabilities with nanoimprint, Appl. Phys. A 121 (2015) 405-414
A. Mayer, K. Dhima, S. Wang, C. Steinberg, M. Papenheim, H.-C. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00339-015-9300-3) - Flat and highly flexible composite stamps for nanoimprint, their preparation and their limits, J. Vac. Sci. Technol. B 34 (2016) 06K406-1-6
M. Papenheim, A. Mayer, S. Wang, C. Steinberg, H.-C. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1116/1.4965703) - Impact of preparation conditions on the properties of materials for replica stamps, J. Vac. Sci. Technol. B 35 (2017) 06G305-1-8
M. Papenheim, W. Eidemüller, C. Steinberg, A. Mayer, Scheer H.-C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1116/1.4991868) - Multiple replication of hierarchical structures from polymeric masters with anisotropy, J. Vac. Sci. Technol. B37 (2019) 061601
A. Mayer, J. Rond, J. Staabs, M. Leifels, J. Zajadacz, M. Erhardt, P. Lorez, H. Sunagawa, Y. Hirai, K. Zimmer, H.-C. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1116/1.5120881) - Shear force measurement of actuated, gecko-inspired adhesion elements with hierarchical polydimethylsiloxane patterns, J. Micromech. Microengin. 30 (2020)
K. Zimmer, J. Zajadacz, P. Lorenz, A. Mayer, M. Papenheim, H.-C. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6439/ab60bd)
