三维微结构、具有至少两个三维微结构的装置、用于制造所述微结构的方法和所述微结构的应用

摘要

本发明涉及一种三维的微结构，其具有：大量的彼此邻近的、相对于其相应的微柱纵向伸展部基本彼此平行地且彼此间隔地被安置的微柱，所述微柱具有至少一种微柱材料，所述微柱各自具有一在20至1000范围内的纵横比，并各自具有一在0.1微米直至200微米范围内的微柱直径；以及在毗邻的微柱之间配设的微柱空隙，所述微柱空隙具有在所述毗邻的微柱之间从1微米至100微米范围中选出的微柱间距。本发明也提出一种用于建造所述的三维微结构的方法，其具有如下方法步骤:a)用模板材料制备一模板，其中，所述模板具有一基本与所述微结构相反的三维模板结构，所述三维模板结构具有柱状模板空腔，b)将所述微柱材料安置在所述柱状模板空腔中，从而形成所述微柱，和c)至少部分地移去所述模板材料。有利地，将硅晶片用作模板。为了制备所述模板，以PAECE（PhotoAssistedElectro-ChemicalEtching光辅助电化学蚀刻）-方法为基础。借助于本发明，具有极大表面的微结构得以实现。

说明书

本发明涉及一种三维微结构、具有至少两个三维微结构的装置、以及用于制造所述三维微结构的方法和所述三维微结构的应用。

对于各种应用，具有非常大的表面的结构具有优势。这种类型的结构例如是多孔的结构。这样的结构的性质——例如所述结构的材料成分——仅仅能够有限地变化。

所述发明的目的是，提供一种具有非常大的表面的结构，其特性能够在一种宽范围中改变。

为了实现所述目的，提出一种三维微结构，其具有：大量的彼此邻近的或者说并列的、相对于其相应的微柱纵向伸展长度基本上彼此平行地且彼此间隔地被安置的微柱，所述微柱具有至少一种无定形的微柱材料，所述微柱各自具有一种在20至1000范围内的纵横比（Aspekt- Verhältnis ），并且各自具有一种在0. 1微米直至200微米范围内的微柱直径；以及在毗邻的微柱之间配设的微柱空隙，所述微柱空隙具有在所述毗邻的微柱之间从1微米至100微米范围中选出的微柱间距。在这种情况下，特别地，所述微柱直径从0.3微米至200微米的范围中选出。所述微柱的基本平行的布置在此意味着：关于所述微柱纵向伸展部的(平均的或者说一般的)取向，能够允许直至10°的偏差。

优选地，所述微柱中的至少一个微柱的所述微柱纵向伸展部从50微米直至10毫米的范围中、并且特别地从100微米直至1毫米的范围中选出。优选地，所述微柱中大量的或者所有的微柱的微柱纵向伸展部(线长度)是来自所述的范围。因此所述微柱能够是相等长度。也可考虑的是，一种微结构的所述微柱有不同的长度，由此具有不同的微柱纵向伸展部。

为了实现所述目的，也提出一种用于制造所述三维微结构的方法，其具有下列方法步骤：a) 用模板材料制备一模板，其中所述模板具有一基本与所述微结构相反的三维模板结构，所述三维模板结构具有柱状模板空腔，b) 将微柱材料安置在柱状模板空腔中，从而形成所述微柱，并且c) 至少部分地移去所述模板材料。

优选地，为了安置所述微柱材料，执行下文的进一步的步骤方法：d) 将所述微柱材料的原料引入到所述模板空腔中，和e) 将所述微柱材料的原料转化为微结构材料。

所述无定形的微柱材料是一种非单晶体材料。例如，所述微柱材料是多晶体的或者非晶体的。因此，各种任意材料可考虑用作微柱材料，例如金属、半金属和任何的无机的和有机的化合物。

按照本发明的第三方面，提出一种至少两个微结构的装置，其中，所述微结构之一的微柱被设置在另一个微结构的微柱空隙之中，反之亦然。

借助于本发明，制备一种毛刷类型的三维构造的微结构，所述微结构由（系统性地）矩阵类型地配设的、非常薄的并且同时是自支承的微柱（线体，针体）组成。所述微结构是自支承的（selbst-tragend）。它不需要用于支撑所述微结构的支撑面。所述微结构具有一种带有网目点的网目。所述网目点由所述微柱构成。这种类型的微结构此外具有一种非常大的表面。至今没有给出用于制造这种微结构的方法——所述微结构在长达1000微米或更长的线长时具有一种小于10微米的线网目。

为了制造所述微结构的基础思想在于：基于一模板(型件，模件)，制备一种与微结构相反的模板结构(型件-结构)，该模板结构具有模板空腔。所述模板空腔在其模板空腔纵向延伸长度方面基本上彼此平行地取向，并且各自具有一种在20至1000范围中的纵横比，以及各自具有一种在0.1微米至200微米的范围中的模板空腔直径。按照所述微结构，在所述毗邻的模板空腔之间的间距也为1微米至100微米。

所述模板空腔直径对应于所述微柱直径，且所述模板空腔纵向延伸部对应于所述微柱纵向伸展部。所述微柱的和所述模板空腔的所述纵横比也相互协调一致。通常，一结构的纵横比是所述结构的高度与所述结构的侧向的延展部的比率，对于一种模板空腔来说，纵横比就是所述模板空腔纵向延伸部与(平均的)模板空腔直径的比率，并且对于于一种微柱来说，纵横比就是所述微柱纵向伸展部与其(平均的)微柱直径的比率。

所述模板空腔例如利用作为原料的流态的微柱材料或者所述微柱材料的另一流态的原料来进行填充。随后在所述模板空腔中将所述流态材料转化为固态的微柱材料。就形成了所述微柱。

例如在升高的温度下，作为原料的流态的金属被引入到所述模板空腔中。随后，所述温度被降低。所述流态的金属凝固，并且形成相应的由所述金属制成的微柱。

也可考虑的是，所述模板空腔起到微反应器的作用。在此，流态的原料被引入到所述模板空腔中。随后的化学反应导致所述微柱材料的形成。该微柱材料就形成了所述微柱。

在形成了所述微柱之后，所述模板材料至少部分地被移除。这意味着，所述微柱部分地或者完全地被暴露出来。

按照所述方法的一种特别的设计方案，模板使用硅作为模板材料。例如，所述方法借助于硅晶片来实现。所述硅晶片起到模板的作用。硅特别好地适用于制作上述的具有必要的纵横比的柱状模板空腔。为此执行PAECE（光辅助的电化学蚀刻（Photo>Assisted>Electro-Chemical>Etching））-方法。该方法的起点是在所述硅晶片的表面中掏制蚀刻凹坑（etch>

在另一设计方案中，具有载体的模板被用于所述微结构，所述载体具有载体材料。因此，大量的微柱被设置在具有载体材料的共同的载体上。在此所述载体材料能够是弹性的，例如是一种弹性体。例如所述载体是一橡胶带。在移去所述模板材料之后，仅仅还将所述微结构设置在所述载体上。所述橡胶带能够弹性地变形。但是，也可考虑的是，所述载体材料为无弹性的。例如，上述的硅晶片不仅仅用作为模板，而是还用作为载体。在建造所述微结构之后，所述硅晶片的硅仅仅部分地被移除。所述留存的硅晶片用作为载体。所述载体材料具有所述模板材料，在该情形中所述载体材料是硅。

在移去所述模板材料之后，具有功能材料的功能层能够被设置在所述微柱的端部处。为此保证， 具有功能材料的功能层被设置在至少一部分的所述微柱的端部处。所述功能层能够承担任何功能。例如，所述功能层能够是一保护层，用于保护所述微结构。所述功能层能够用作为支承层。此外，所述功能层也能够作为机械的功能层这样地构建：所述微结构能够作为连接元件来使用，例如作为维可牢尼龙搭扣（Klettverschluss）的连接元件。但也可考虑其它的功能层。因此所述功能层能够是一种具有电介质功能材料的绝缘层。也可考虑一种具有导电功能材料的导电功能层。这类功能层按彼此导电的方式连接例如所述微柱。

按照另一设计方案，所述微柱中的至少一个微柱具有至少两个沿着所述微柱纵向伸展部安置的部段，所述部段具有彼此不同的无定形的微柱材料。例如所述微柱由两个具有不同的微柱材料的部段(部分-部段) 组成。这例如由此实现：所述模板空腔首先用一第一微柱材料部分地进行填充。在形成所述相应的部分微柱之后，所述模板空腔的自由的留存的区域用一第二微柱材料填充。在转化成所述第二微柱材料之后导致：形成一种微柱，其具有两个由不同的微柱材料制成的部段。也可考虑的是，所述模板空腔从不同的侧面开始用所述两种微柱材料进行填充，并且在单个的共同的方法中，被转变成所述相应的微柱材料。

所述微结构能够由具有仅仅一种确定的微柱材料的微柱组成。得到均质的、一致的微结构。当然还可考虑的是，包含有一异质的、由不同的微柱材料构造的微结构。因此按照一种特别的设计方案，所述微柱中的至少两个微柱具有彼此不同的无定形的微柱材料。这允许例如通过这样的方式来实现：在安置所述微柱材料中的一种微柱材料时，所述模板空腔的一部分被遮盖。随后，所述被遮盖的模板空腔用另一种微柱材料来进行填充。所述微柱材料能够再同时在共同的处理过程中转化为所述相应的微柱。这得到一种具有微柱的微结构，所述微柱具有不同的微柱材料。当然也可考虑这些微柱的批量式制造。这意味着，在所述第二微柱材料在所述之前被遮盖的模板空腔中被填充并且随后被转化之前，所述第一微柱材料首先被转化。

在另一设计方案中，所述微柱中的至少一个微柱具有至少一个包覆体，该包覆体具有至少一种包覆材料。所述包覆体的所述包覆材料与所述微柱的所述微柱材料不同。例如，所述包覆体牢固地与所述微柱连接在一起。所述微柱构成一芯体，其由所述包覆体环绕。在此，所述微柱能够仅仅部分地由所述包覆体环绕，例如在所述微柱的端部处被环绕。此外，所述包覆体能够不仅仅由一涂层制成，它还能够是多层的。借助于所述包覆体，所述微柱的形状例如能够被匹配。一包覆体——其仅设置在微柱的所述端部处——导致所述微柱的端部变厚。

所述包覆体例如能够通过电化学的沉积而被施加 (对于所述微柱材料是导电的情形)。也可考虑的是，所述包覆材料通过一气相沉积方法而被涂覆在所述微柱的表面上。所述气相沉积方法例如是一种蒸汽沉积方法。同样可以考虑PVD（物理蒸气沉积（Physikal>Vapour>Deposition））方法——如喷涂，或者CVD（化学蒸汽沉积（Chemical>Vapour>Deposition））方法。

在另一种设计方案中，在所述毗邻的微柱之间的微柱空隙中设置至少一种空隙材料。按照另一种设计方案，所述空隙材料构成一种连续的或者说粘着的（zusammenhängende）空隙层，通过所述空隙层，所述毗邻的微结构柱被固定。例如，所述空隙材料与所述微柱不固定地连接。所述空隙材料仅仅用于将所述微柱保持在一起。

能够仅仅存在唯一的连续的或者说粘着的（zusammenhängende）空隙层。也可考虑的是， 至少两种空隙材料被设置在所述毗邻的微柱之间的微柱空隙中，所述至少两种空隙材料各自形成至少一个连续的或者说粘着的涂层。这得到一种多层式的空隙层。

在另一种设计方案中，所述微柱中的至少一个微柱具有微柱空腔。所述微柱具有一微柱壁。在所述微柱壁的内部中，所述微柱是空的。所述微柱被构造成空心针体。所述微柱空腔导致所述微结构的表面进一步增大。优选地，所述微柱空腔在此沿着所述整个微柱纵向伸展部延伸。当然也可考虑的是，所述微柱空腔仅仅部分地沿所述微柱纵向伸展部伸展。所述微柱仅仅部分地被构造成空心针体。

此外可能的是，所述微柱的微柱表面被结构化。为此，所述微柱中的至少一个微柱具有一沿着所述微柱的所述微柱纵向伸展部或者微柱纵向伸展长度变化的微柱直径。所述微柱直径的改变例如通过改变在PAECE方法中用到的电流来实现。

例如，所述微柱直径连续地按一方向增加或者递少。所述微柱锥形地延伸。也可考虑的是，所述微柱直径按周期地变化。也可考虑的是，所述微柱直径在所述微柱的端部处比在所述微柱的中心要大。这产生这样的微柱：所述微柱在它们的端部变厚。在所有在这里所描述的实施方式中，为了计算所述纵横比，平均的微柱直径被考虑。

所介绍的微结构能够应用到不同的领域中，尤其依赖于所使用的微柱材料、存在的功能层、或者所述微结构的所使用的载体。

因此所述微结构——其中所述微柱材料是导电的——例如用作为电极。例如，具有导电性的材料的载体或者功能层提供在所述微柱之间的电连接。这得到一种具有非常大的表面的电极。该电极例如用在电容器中。

也可考虑的是，借助于所述功能层，一热偶元件得以实现。所述微结构用于检测热幅射。由于所述微结构的精密的栅栏，所以能够高空间分辨率地检测所述热幅射。

另一方面，具有在所述微柱的端部处的相应增厚的微结构能够用作为机械连接元件。

概括地，利用本发明得出如下优点：

- 它是一种容易接近的微结构，其具有一种非常大的表面。

- 所述微结构具有自支承的微柱。所述微结构因此不需要支撑表面来支承所述微结构。

- 所述微结构能够有针对性地和可控地被建造。

- 存在许多可能性来改变所述微结构的特性。因此所述微结构能够适用于大量的可能的用途。

借助更多的实施例和其所属的附图，本发明在下面进行详细地描述。所述附图是示意性的，并且没有示出真实比例的图样。

图1和2各自从侧向示出了一种微结构。

图3在透视图中显示出一种微结构。

图4显示用于建造所述微结构的基础方法。

图5显示用于充填一种模板的模板空腔的方法。

图6显示用于在载体上安置一种微结构的方法。

图7显示在弹性载体上的一种微结构。

图8显示用于建造一具有间隔层的微结构的方法。

图9和10示出用于建造具有结构化的微柱的微结构的方法。

图11显示用于建造一微结构的方法，所述微结构包括微柱，所述微柱具有不同的微柱材料。

图12显示用于建造一微结构的方法，所述微结构具有空心的微柱。

图13显示用于建造一微结构的方法，其中，所述微柱中的每个具有多种不同的微柱材料。

图14显示一方法，通过该方法建造具有不同的微结构区域的微结构。

图15显示一图表，其示出在不同的微柱直径时所述微柱表面与所述微柱纵向伸展部的关系。

图16显示一微结构的两毗邻的微柱。

下文实例的主题分别是一种三维微结构1，其具有一大量的彼此毗邻的或者说并排的、关于其相应的微柱纵向伸展长度21基本上彼此平行地且彼此间隔地被安置的微柱2，所述微柱2具有至少一种微柱材料20，所述微柱2各自具有一种在20至1000范围中的纵横比（Aspekt-Verhältnis），并且各自具有一种在0. 1微米直至200微米范围内的微柱直径22(参见图16)。在毗邻的微柱之间存在一微柱空隙3。所述微柱空隙具有在毗邻的微柱之间的在1微米至100微米的范围中的一种微柱间距31。

所述微结构与一载体(基底)4相连在一起，所述载体由所使用的模板5通过部分地移去所述模板材料得到(图1)。在一种可选择的实施形式中，所述微结构保持在一载体4上，所述载体4在制造方法的过程中与所述模板连接在一起。所述模板材料完全地被移除。所述微结构留存在所述载体上 (图2和3)。

为了制造所述三维微结构，下列方法步骤被执行（图4）：a) 用模板材料50制备一模板5，其中，所述模板具有一基本上与所述微结构相反的三维模板结构51，所述三维模板结构具有柱状的模板空腔52，b) 将微柱材料安置在柱状的模板空腔中，从而形成所述微柱，并且c) 至少部分地移去所述模板材料。

起点是一硅晶片。所述硅晶片用作模板。所述模板材料是硅。借助于PAECE-加工方法，所述模板空腔被引入或者说掏制到所述硅晶片中。所述模板空腔按照空腔纵向延伸部或者说空腔纵向延伸长度53和空腔直径54被引入，所述模板空腔对应于所述要建造的微柱。在所述模板空腔之间的间距也被选定对应于所述微柱的间距。

随后，所述柱状的模板空腔用液态的微柱材料填充。该设置按实例在图5中示出：具有所述模板空腔的所述模板借助于加热元件501被加热，并浸没在具有流态的金属503的容器502中。通过改变外部压力来保证：所述流态的金属渗入到所述模板空腔中。随后，具有所述已填充的模板空腔的所述模板从所述容器中被移出。所述模板冷却下来。从而，所述金属在所述模板空腔中凝固。所述微柱由所述金属产生。所述流态的金属用作为所述微柱材料的原料。通过冷却，使得所述原料被转化成所述微柱材料(固态金属)。

实例1：

微结构被建造在载体4上(图6)。为此制备一模板，所述模板具有模板结构，所述模板结构具有模板空腔，正如上文描述的那样，在所述模板空腔中设置具有微柱材料的微柱。随后，载体被设置在所述微柱上，使得所述微柱与所述载体连接在一起。随后，所述模板材料几乎完全地被移除。留下所述微结构，所述微结构具有配设在所述载体上的微柱。

按照该实例，所述载体由一硬质的载体材料41制成。所述载体材料是陶瓷。在一种可选择的实施形式中，所述载体材料是金属。

实例 2

与实例1相反，使用一种载体，该载体具有弹性体的载体材料。所述弹性体的载体材料是橡胶。所述橡胶载体能够弹性地变形(图7)。

实例 3：

按照该实例，空隙材料33被设置在所述微柱空隙中。所述空隙材料形成了一种空隙层32，借助于所述空隙层，所述微柱被固定，亦即彼此地被保持。

因此在所述微柱在所述模板空腔中形成之后，所述模板材料部分地被移除(图8)。随后，所述空隙材料这样地被安置在所述毗邻的微柱之间的空隙中：形成空隙层。最终，所述余下的模板材料被移除。其微柱由所述空隙层固定的微结构留存下来。

实例 4：

建造具有微柱的微结构，其微柱表面23被结构化。为此使用具有模板空腔的模板，所述模板具有沿所述模板空腔纵向延伸部变化的模板空腔直径 (图9)。

把所述相应的微柱材料安置在所述结构化的模板空腔中并部分地移除所述模板材料之后，得到具有微柱的微结构，所述微结构具有结构化的微柱表面。所述留存的模板起到作为载体的作用。

实例 5：

建造一种微结构，其中包覆体27被设置在所述微柱的端部26上(图10)。也是在这里，所述微柱表面被结构化。所述包覆体在部分地移除所述模板材料之后按PVD-方法（PVD-Verfahren）被施加。所述包覆体起到功能层28的作用。按照所期望的功能，施加任何的具有各种功能材料280的功能层。

因此，具有微柱的微结构——所述微结构在所述端部处变厚——能够用作为连接元件。通过两个这种类型的微结构的彼此内置（Ineinander - Anordnen），在所述两个微结构之间产生传力连接的接触。在此，所述一个微结构的微柱耸入到所述另一个微结构的微柱空隙中，反之亦然。

在一种对此的可选择的实施形式中，所述包覆体通过电化学的沉积方法被施加。为此，所述微柱材料是导电的。例如，所述微柱起到阴极的作用， 一种金属、诸如铜被电化学地沉积在所述微柱的微柱表面上。在该情形中，所述微结构被构造作为电极。该电极能够用作为一电容器的电容器电极。

实例 6：

建造一种具有微柱的微结构，所述微结构从微柱到微柱地具有不同的微柱材料201和202 (图11)。所述微结构具有带有微柱材料201的微柱和带有另外的与上述微柱材料不同的微柱材料202的微柱。

为此，所述模板空腔由所述不同的微柱材料的不同的原料来进行填充。这通过这样的方式实现：所述各个不被填充的模板空腔被遮盖。

在将所述原料转化成所述微柱材料之后，再部分地移除所述模板材料。所述模板的余下部分被保留用作为微结构的载体，该微结构具有两组微柱，这两组微柱具有不同的微柱材料。

实例 7：

建造具有微柱的微结构，所述微结构具有微结构空腔29。所述微结构最终具有空心针体(图12)。

为此，所述模板空腔由所述微柱材料的原料施加衬里。所述原料仅仅设置在空腔表面上。在所述原料进行转化之后，形成微柱，所述微柱具有一微柱壁，该微柱壁由所述微柱材料制成。此外，所述微柱是空心的。

随后，所述模板材料再部分地被移除。具有空心针形式的微柱的微结构得以保留，所述微结构被设置在由模板材料制成的基底上。

实例 8：

建造一种微结构，其中，所述单个的微柱具有不同的微柱材料。沿着所述微柱纵向伸展部存在具有微柱材料201的一段部210和具有相对于所述微柱材料不同的另一微柱材料202的另一段部220(图13)。

从所述模板5开始，所述模板空腔从其敞开侧首先用所述微柱材料之一的原料进行填充。在所述原料转化成所述相应的微柱材料(步骤1301)之后，从所述模板的封闭侧再这样截除模板材料：所述模板空腔被露出(步骤1302)。随后，用于所述的不同于所述微柱材料的另一微柱材料的原料被填充，并对所述相应的微柱材料进行转化（步骤1303）。最终，所述模板材料再部分地被移除(步骤1304)。

实例 9：

该实例示出前述实例的组合。通过合适的顺序的前述方法步骤，实现制造一种微结构，所述微结构具有不同的区域 (图14):微柱141，142，其中每一微柱具有仅仅一种类型的微柱材料，但所述微柱材料的类型彼此不同。此外，所述微柱141和142具有不同的长度。它们具有不同的微柱纵向伸展部。除此之外，存在微柱143，所述微柱143沿着它的微柱纵向伸展部具有不同的微柱材料。最后，存在区域144，在所述区域144中，根本就不存在微柱。

为了建造所述微结构，操作如下：首先仅仅在选定的模板空腔中设置具有第一微柱材料的微柱(步骤141)。为此，这样的模板空腔被遮盖：不是这种微柱不应被设置在所述的模板空腔中。在所述敞开的模板空腔中，所述相应的微柱材料的原料被填充进去。

在所述原料转化为所述微柱材料之后，模板材料从所述封闭侧开始被移除(步骤142)。所述模板空腔露出。下列模板空腔现在被敞露出来：不是另一微柱材料的原料被填充进所述模板空腔中。在该原料转化为另一微柱材料(步骤143)之后，并且随后部分地移去模板材料(步骤144)，就得到上述的微结构，在此，所述微柱被设置在由所述模板材料制成的基底上。

所述微结构的特征在于非常大的表面。图15明示这种特征。在此，针对所述微柱纵向伸展部 (157，针体长度)，对于不同的微柱直径（针体直径）和微柱间距（针体间距）描绘出扩大比率151。所述曲线153相关于10微米的微柱直径和5微米的微柱间距。所述曲线154和155相关于5微米和2.5微米或者2微米和1微米的数值。