专利名称：孔片的制造方法
现有技术本发明涉及独立权利要求中提及的一种制造孔片的方法。
从EP-OS0354660已经得知，将喷嘴做成孔片形，即所谓的“S型片”，其含义是孔片上的入口与出口相对错开，从而迫使流过此孔片的液体的液流被迫呈“S形”。所推荐的孔片由两块平整的、被粘结在一起的硅片构成。硅片上加工出厚度较薄的区域，因而在第一片的开口与第二片的开口之间形成了平行于硅片端面的切缝。在拥有许多个孔片结构的硅片上，应用熟悉的掩膜技术通过腐蚀得到入口和出口。孔片上圆台形的开口自然地是通过非各向同性腐蚀技术获得的。
EP-OS0314285中介绍了一种阀门构造。它由一块弹性的硅阀门片和一块同样用硅制作的喷嘴片构成。这两块硅片互相连在一起，并能够彼此相对偏开。在硅阀门片上加工有入口，它与喷嘴片上的出口相对错开。在阀门关闭状态下，硅阀门片上的平台面将喷嘴片上的出口封严，而当喷嘴片借助于一个控制环节发生弯曲时，形成了液体可流过的S形通道，阀门被打开。
US-PS4907748对一种燃料入喷阀作了介绍，此阀液流下游端上拥有一个由两个硅片构成的喷嘴。与上面所描述的孔片相似，两个硅片上的入口与出口相互错开，由此流过的液体-这里为燃料，其液流呈“S形”。
所有上述孔片由硅制成，因而表现出一个缺点断裂韧性不够高，原因是硅的脆性。仅由入喷阀(发动机的振动)上的持续载荷的作用就形成了使硅片破碎的危险。硅片往金属构件上的装配，比如装配到入喷阀上，是很麻烦的，这是因为必须要寻找到特殊的无应力的夹紧方法，同时阀门的密封也非常困难。不可能使用焊接法将硅制的孔片联接到入喷阀上去。此外还存在着硅制孔片的开口处在多次的液体穿流过程中发生棱角损坏的缺点。
另外，DE-PS483615已经报导了一种内燃油动力机器用的喷嘴，它也由两块(金属的)喷嘴片构成，其中两个喷嘴片上有位置安排上互相错开的入口和出口，以利于穿流的燃料分散开。使用这种喷嘴无论如何不可能使得实际喷出燃料的造型与人们的预先希望相一致。这种喷嘴中的两个金属的喷嘴片是通过传统的技术(铸造、挤压、轧制、切割、钻、铣、磨等)加工制造成的。
本发明的优点具有独立权利要求所给出特征的本发明的方法，用于孔片的生产制造，其优点是可以重复性地、极其精确地、经济地、一次性非常大量地制造孔片，由于构造的金属属性孔片不会破碎，孔片可以非常简单而又经济地通过如焊接方法，装配到如入喷阀这样的金属性的构件上去。本发明的制造方法给予了极大的构造自由度，这是由于孔片中开口形状可以自由选择。与硅制孔片相比这种灵活的形状选择特别具有优越性，因为硅制孔片中由于晶体方向性缘故可得到的开口形状已被预先死死地给定了(棱台)。
诸如深度紫外光刻平版印刷术、干蚀或剥离等方法与显微电镀技术以颇具优点的方法组合到一起，用来沉积出一个个薄的金属层及功能层(“三明治方式”)，每个层在结构上都有别于它所附着的下面一层，最终这些层共同构成孔片。此过程适合于把属于一个孔片的一、二、三个或更多片层一层接一层地制造出来。
与硅制孔片的制造过程相比，金属沉积的优点特别在于使用材料的多样性上。本发明的显微电镀技术中，可以使用具有不同的磁特性及硬度的金属材料。
使用本发明的制造方法能够制得S形片的孔片，优点在于，利用这些孔片可获得奇异的、异乎寻常的射流形状。这些孔片能够使得单射流、双射流和多射流的雾状体的射流横截面呈现数不清的花样变化，如矩形、三角形、十字交叉形、椭圆形。这些不寻常的射流形状允许其与预先给定的几何形状实现最佳配合，例如，孔片用于燃油动力机器的入喷阀中时与不同的吸管横截面的配合。
通过本发明的显微电镀技术，后续切割可以没有任何困难、极其精确而又经济地完成，因而极具优越性。
通过采用其它权利要求所给出的措施，有可能使独立权利要求所给出的制造孔片的方法的优点进一步增加和使之完善。
其优点特别在于在一道电镀工序中制造出两个功能层，这里应用了所谓的电镀过程的“侧向过生长法”。此时无需再次地在已有的片层上制备电镀起始层和新的光敏抗蚀剂层，就可使金属继续沉积生长在先前的功能层的光敏抗蚀剂结构之上。借助于这种“侧向过生长法”，达到了显著节约时间和费用的目的。
图例根据本发明的制造方法生产的孔片的实施例简单地示于图例中，并在随后的说明中进行详细解释。
图1是使用通过本发明的制造方法生产的孔片的入喷阀的不完整图示；图2为一个孔片的仰视图；图3是图2所示孔片沿III-III线的剖面；图4是一个三层孔片的穿流区域；图5是带有一个一级通道突的三层孔片的穿流区域；图6是带有一个二级通道突的三层孔片的穿流区域；图7是带有通道突的五层孔片的穿流区域；图8是带有通道突的四层孔片的穿流区域；图9是带有侧边上的通道突的孔片的俯视示意图；图10是带有绊流沉台的孔片穿流区域；图11是一个孔片的仰视图；图12是图11所示的孔片的XII-XII剖面图；图13是一个孔片的仰视图；图14是另一个非多边形开口的孔片的俯视图；图15是图14所示的孔片的XV-XV剖面以及示意性的工具(Werkzeugen)(在颠倒过来的液流方向上)；图16至20是采用多层电镀法制造孔片的工艺步骤；图21是侧向过生长后的孔片；图22为单个片层直径不同的孔片的剖面示意图；图23是图22以剖面所示的孔片的中心区域俯视图；图24是另一个孔片的俯视图，图25至27是各拥有一个矩形入口的三个孔片的中心区域；图28是开口区呈非对称分布的孔片的俯视图；图29和30给出开口区呈非对称分布的两个孔片的中心区；图31是开口完全为圆形的孔片的中心区域；图32为拥有16个镰刀形入口的孔片的中心区；图33是入口近似为半圆形而出口为镰刀形的孔片的中心区域。
实施例的说明图1中部分地示出了一个阀门的实施例，此阀门以入喷阀门的形式用于混合压缩、外部点燃式燃油动力机器的喷入装置中，此阀门中可装备有本发明方法制造的孔片。该入喷阀门有一个管形阀门底座承载体1，它的内部形成一个与阀门长轴2同心的长孔3。在这个长孔3中安装着一个管形阀门顶杆5，此阀门顶杆5在其液流下游一端6与一个例如为球形的阀门塞体7联在一起，而此阀门塞体7的外缘上加工有可以为数五个的缓曲面8。
入喷阀门的控制方式是已为人们周知的，例如电磁方式。一个示意出来的电磁回路，包括磁线圈10、衔铁11和芯12，能使阀门顶杆5做轴向移动。从而克服图中未示出的复位弹簧的弹性力开启入喷阀门以及使之关闭。衔铁11借助于激光处理通过一条焊接线被联接到阀门顶杆5上与阀门塞体7所在端相对的另一端，并且与芯12对齐。为做轴向运动的阀门塞体7导向的是阀门座体16的导向开口15。阀门座体16呈圆柱形，位于与阀门长轴2同心的长孔3内，通过焊接密闭地装配到阀门底座承载体1上与芯12所在端相对的一端，在其背离阀门塞体7的下侧端面17上，阀门座体16与一筒形支撑片21同心地固定联接在一起，两者直接地紧靠在一起。这里的支撑片21具有与已知的筒形喷嘴孔片相似的形状，只是在支撑片21的中间区域有一个带台阶的通孔22，以便承纳本发明方法制造的孔片23。
阀门座体16与支撑片21的联接可以通过借助激光处理形成的第一条焊接线25实现，此焊线环绕一周并且连续无断点。通过这种装配工艺可以避免支撑片21在带有通孔22的中心区域及其通孔22中装入的孔片23出现变形。而支撑片21还通过第二条环形连续焊接线30与阀门底座承载体1的长孔3的壁相联接在一起。
由阀门座体16和筒形支撑片21组成的阀门座部分伸入到长孔3中的深度决定了阀门顶杆5升降的尺寸，这是由于阀门顶杆5在磁线圈10未受激时处于其一个极限端位上，它对应于阀门塞体7置于阀门座体16的座面29上的位置。阀门顶杆5的另一个极限端位由磁线圈10受激时使得衔铁11紧靠到芯12的情况确定下来。这两个阀门顶杆5的极限端位之间的路程就代表了其升降的尺寸。
球形阀门塞体7与阀门座体16上的沿液流方向变细的圆台形阀门座面29共同起作用。其中的阀门座面29沿轴向形成于阀门座体16的导向开孔15与其下侧端面17之间。
图2给出了使用本发明制造方法生产的孔片23的仰视图。图1中已提到此孔片23，它被做成由多个片层构成的平整的圆形扁片，因而也被称作多层喷孔片。孔片23可以同心地安置于支撑片21上。通过本发明的制造方法使所生产的孔片23具有几个片层叠加起来的结构。图3是图2所示孔片23的III-III剖面图，通过它可以很清楚地看到孔片23的这种多层性及其几个功能层的构造。这里已经很扼要地提到了几个有关制造方法的重要特征。
图2和图3中所示的孔片23，是由三个通过电镀沉积下来的金属层构造起来的。由于制造过程采用了电镀技术和深度平版印刷术，在外形定形方面有下列特征-片层/功能层的厚度均匀，在整个片上无变化，-通过深度平板印刷的图形在片层上制出垂直切口，它们就形成了液体穿过的各个孔洞，-在各个其自身结构的单个金属片层逐层制取以形成多层结构过程中，可以对切口按希望进行覆盖及后续切割，-缺口的侧面壁平行于轴向，其横截面形状可随意选择，如矩形、多边形、倒角矩形、倒角多边形、椭圆、圆形等等。
单个的片层依次序先后电镀沉积出来，因而后沉积层与其下面先沉积片层依靠电镀附着力牢固地结合在一起。
在第一个实施例中，三个等直径的圆形片层构成了孔片23。顶层35上有四个矩形入口36，它们与阀门长轴2以及孔片23的中轴的间距相同，彼此相差90°排列。相对于孔片23的直径尺寸而言，入口36的位置非常靠近阀门长轴2。在底层37上也有4个矩形的口，即出口38，它们与阀门长轴2的距离要大得多，因而与入口36在径向上相互错开。出口38可以具有比入口36略小的开口宽度。孔片23的两条互相垂直并相交于阀门长轴2的轴线39，分别将入口36与出口38从中间分开，因而这两条轴线39是具有对称性构造的孔片23的对称轴。沿着轴39伸展着四条径向通道42，它形成于顶层35与底层37所夹的中间层40上，将入口36与出口38直接连通起来。略呈梯形的通道42的尺寸选择以在投影上它将入口36及出口38正好覆盖住为宜。在这个实施例中，所有的四个通道42都彼此隔离。在图2和图3中通过虚线给出了其它的可能性。在这些可能的演变中通道42具有不同的、明显增加的径向尺寸，这就使得通道42在径向上超过了底层37上的出口38的位置而明显地继续向外延续(见图5和6)。
当孔片23的直径为4至5mm时，其厚度为0.5mm，其中顶层35和底层37的厚度可分别为0.1mm，而中间层40为0.3mm。所有孔片23的上述给定尺寸以及以下说明中给出的尺寸均是为了帮助理解，它们对本发明没有任何限制。同样，所有图中的单个孔片23的相对尺寸也不一定呈现此例性。
如上面所述，出口38与入口36在径向上相互错开，由此形成了S形介质液流，比如S形的燃料流。图4再一次突出了孔片23上切过入口36、通道42和出口38的剖面的穿流区。借助此图对液流原理加以解释。表示液流走向的箭头线清楚地示出了此S形。因此本发明方法制造的孔片23，由于有入口36及出口38之间的错位，也涉及到所谓的“S型片”。孔片23将从入口36到相连通的出口38穿流而过。从入口36开始，进入每个入口36的液流，穿过各自相应的水平通道42被径向导向外侧，根据图4的例子出口38就位于此通道42的终端。
孔片23的“S型片”构造与本发明的制造方法的应用之间没有任何直接关联，它仅是优先选择的实施例的一种可能性方案。使用本发明的制造方法也可以生产在入口36及出口38之间没有或只有很小的错位的孔片23。
通过径向延伸的通道42，介质获得了径向速度分量。液流在短距离内沿轴向穿流而出时并未完全失去此径向速度分量。更多地，它离开处于入口36所在一侧、出口38的口壁，与阀门长轴以及中轴2成一定角度从孔片23中流出。通过入口36、出口38和通道42，并与若干个这样的组合单元的相对位置、方向的排列情况相对应，可获得数个非对称相对取向的单个射流束，以及它们的组合所形成的全新的、独特又复杂的射流总体造形，各带有其液量分布特征。
孔片23内的所谓S形，使液流发生数次急剧的方向改变，由此液流带有强烈的、可促使其雾化的湍流特征。由之产生的液流在流向横截面上的速度梯度特别突出。这个速度梯度表征了液流横截面上速度的变化，其中在液流中心部位的速度明显大于靠近壁部处。由于速度差造成了液体中的切向力增加，此力有利于液体在出口38附近碎化成细小的液滴。液流流出时发生单面分离，由于没有导流形体(Konturfuhrung)，不会变得稳定。在分离的那一侧，液体的速度格外高，而出口38这一侧，液体紧贴其流动，因而其速度降低下来。由此有利于促成雾化的湍流和切向力在流出时未被消除掉。
图5和图6中给出的孔片23的实施例中，中间层40上的通道42不只是起始于入口36而终止于出口38，而是超过出口38继续向孔片23的外缘延伸了一段。下面将这种通道42的延长记作通道突43(孔洞)。原则上讲以上的阐述表达了液体流动原理和射流造型及雾化的作用机理。流进到出口38的液体还要擦过通道突43(孔洞)，因而在通道突43中激起一个液体涡流。涡流与驱动它的液流之间的变换作用，导致了交换作用界区的时间不稳定性。涡流周期性地改变着它的大小。当它涨大时，将向下挤迫擦过它的液体(当涡流收缩变小时，相应地起相反作用)。于是流出的液体在方向上周期性地倾斜，因而激发出振荡。流出液流振荡的周期和频率取决于通道突43的形状，即与径向上的深度c和它的高度h有关。其中高度h就是中间层40的厚度。图5所示的实施例中，c＝h，而图6所给的实施例中，通道突43的尺寸中，c＝2×h。图6中的通道突43的尺寸致使在它当中形成涡流对，这两个涡流通过交换动量互相驱动，并具有相反的涡流旋转方向。
通过流出射流各自的振荡，不仅在单个射流中形成振动造型，也同样形成于整个的雾状体中。由于这种振动造型，可以得到各式各样、千奇百怪的射流横截面形状(如矩形、三角形、十字形、圆形)。若是没有这种射流的振荡，就无法得到这些横截面形状，而是趋向于呈现单个射流具有的圆形截面。单个射流的造型，以及彼此间持续地通过交换动量而互相作用的几个单射流构成的雾状体的造型及横截面形状均有随意选择性，而它们的获得在液体以高频率振动时特别有可能实现。此外，通过改变方向，雾状体在射流的横截面上的分布将更加平均，从而使雾状体更均匀，与吸管气流的混合更好，进而形成有利于减少废气的混合体。
由于湍流而产生的垂直于液流线的横向动量，还将使得喷出的雾状体具有很均匀的液滴密度分布。这就导致了小液滴凝结，即小液滴结合成较大液珠过程出现的几率下降。雾状体中液滴平均直径的减小是有益的，其结果是形成相当均匀雾状体分布。由于S形在液体中形成小范围(高频率)的湍流，它将使射流从孔片23流出后立即分散成相应的细小液滴。由于湍流造成的切应力越大，液流速度矢量的分散度越大。切应力使得液体中所有平面上都处于一种“混沌态”，因而液体分散成了所希望的射流及雾状体，并能进一步形成上面已叙述过的各种各样的横截面及造型。
图7、8和9分别示出了几个略加演变的实施例，它们区别于前面例子之处首先在于其构成片层多于三个，而且拥有的通道突43’不再仅仅是通道42的径向延长。图7是一个五层的孔片23，其中除了已知的片层35、37和40之外，还有两个中间片层40’。这两个附加的片层40’分别处于顶层35与中间层40以及中间层40与底层37之间。为保证液体能从入口36到出口38穿过孔片23，这两个片层40’也有相应的开口区45，它构成了与片层40上的通道42的沟通。片层40’上，在开口区45的附近，每层还加进了至少一个通道突43’，其高度取为片层40’的轴向厚度。沿径向看上去，通道突43’可位于入口36与出口38之间。液体的液流现在又在这些通道突43’中造成涡流，除了轴向上相对于通道42错开的通道突43’，通道42仍在其径向上有通道突43。
图8示出由四个片层构成的孔片23的变体，它只有一个附加中间层40’。根据此片层40’与片层40在上下方向上的相对位置，它拥有相应的开口区45，图8中表现为直接挨着出口38的开口区45。在片层40’上还有附加的通道突43’，它们是一些轴向上相对于通道42错开的室，在其中形成液体涡流。片层40’上的三个通道突43’的布置既可彼此等间距，也可以随意性的。图9给出了一个孔片23的局部的俯视图。这里可以清楚地看到，通道突43’不只处于孔片23的轴向上，即在深度方向上，也可以沿通道42的宽度方向凸出出去而形成。这样一来，通道突43、43’可以在通道42的长、宽、深三个方向上制得。
所有以上实施例均能以一个端层绊流沉台的特征形式出现，如图10所示。在图示的具体情况下，孔片23由四层组成。在顶层35与底层37之间有两个中间层40和40’。其中附加的中间层40’紧挨着底层37，其构造方式是在通道42中液流方向的垂直面上形成一个方形的、尖棱角的凸起，即是所谓的绊流沉台50。当然也可以考虑将绊流沉台50建立在中间层40上，那样的话，它就从上向下凸出到通道42中去。从几何形状出发，绊流沉台50应在径向上与入口36错开。此处的通道42在端层35和37之间展开于两个片层40和40’中。
液体的主流擦过端层绊流沉台50。在其后面，即液流下游一方的绊流面51上，液体从绊流沉台50上分离。由于突然的截面扩张，液流流过绊流沉台50后压强增高(动能转化成压强能-扩散道效应)。此压强提升导致在绊流沉台50以后的液流中形成强烈的端层涡流。
在绊流沉台50以后的液流中形成一个不断增大的涡流带，此带一直伸展到出口38处，并具有很高的横向动量。此涡流带进入主流中成为“湍流束”。涡流带中的湍流能够很细小(高频)，因而具有很大幅度。频率和振幅大小是由绊流沉台50的高度和擦过它的主流的速度来确定的，也就是说，由绊流沉台50上方的通道横截面积决定。
涡流带能减小穿流损失，因为其中垂直于主流而朝向壁的方向上进行着强烈的湍流动量交换。由此使得在绊流沉台50以后的主流倾向于减少从通道42的壁上分离，因而更好地利用了可使用的穿流横截面。液流从壁上分离将导致压强损失。绊流沉台50也有益于喷出均匀的雾状体，它是液流分散成非常细小的液滴的结果，这里也同样可以得到各式各样的喷射造型。
在上述的实施例中，每个入/出口对36、38都由一个孤立的通道42作为开口36和38的连通道。图11和图12所示的实施例则不然，此孔片23只有唯一一个贯通的通道42’。所有四个入口36都通入到这个可为方形的通道42’，而所有四个出口38又都起始于这个通道42’。如果选用矩形或方形出口38，中间层上的通道42’的外侧轮廓可以相应取八角形，而透过两个近角的附近区看，则近似为方形，如图11所示的那样。通道42’往内侧方向上，以一个位于中间层40上的方形材料岛53为界。这个内部材料岛53的横截面尺寸大约等于顶层35上的四个入口36所环围的面积。片层40由两部分组成，即被通道42’完全包围的材料岛53和反过来完全包围通道42’的外部区域54。图12是此孔片23沿图11中所给线XII-XII的剖面图。
这里附加的连通部位的体积，增加了所谓的死水区，即主流擦过的区域。在死水区内形成了对主流的振荡激发，其依据是带通道突43、43’的孔洞原理。与之相应的是射流造型以及雾化的作用机理，呈现与上述带有通道突43、43’(孔洞)的例子相同的情况。
出口38与入口36之间的错位并非只有出现在径向上，如同上述实施例中所给出的。完全可以将其设计在任意所希望的方向上，这样的实施例在图13和图14中分别以孔片23的仰视图和俯视图示出。这里很明显的是出口38与入口36并非沿径向，而是在圆周方向上错开，与径向错位的例子相比可以认为是转动了90°。图13中孔片23的中间层40上开有八角形通道42’，其外侧轮廓呈方形，通道42’的壁角总处于入口36和出口38的附近。中间层上的材料岛53给定了通道42’的内侧边界，它的轮廓几乎是方形，只是有八个角。通道42’的外侧边壁与内侧边壁相对地转动45°，因而其外侧区域54与材料岛53没有平行的壁。
图14和图15(图14的XV-XV剖面)所给的孔片23的特征在于非多边形的入口36和出口38。顶层35上的入口36具有椭圆形截面，而底层37上的出口38呈圆形。内侧的材料岛53可呈方形横截面，而中间层40上的通道42’向外以外侧区域54为界呈圆形。为了在各种孔片23的制造过程中易于操作，在靠近外沿的地方制出两个通孔作为定位孔56。
入口36和出口38可以安排在任意的错位距离上。图13和14所给的实施例中，这个错位距离较此前的例子要小得多。通过调节这个错位距离能够确定并调整射流的方向以及湍流程度。
到图13为止，所有的入口36、出口38及通道42、42’，均呈方形或矩形横截面。而本发明的制造方法制备的孔片23，可以具有完全不同的穿流区截面形状(见图14)。可以考虑的横截面形状包括有导角的矩形或方形、圆形、弓形、椭圆形、椭圆弓形、多边形、导角多边形等。各种结构的开口的壁均平行于阀门长轴2。有趣的是一个通道42、42’直接连通的入口36和出口38可以是不同的形状。横截面的变化可以是，从方形过渡到矩形、从矩形过渡到圆形、从椭圆过渡到圆形、以及各自的反方向过渡。
本发明的方法特别适合于制造孔片23。借助图16至21可将此制造方法更清楚地表述出来。这里的图示并不是要精确表达图1至15所列孔片23的实施例及其相应的各自形状，而是给出反映制造原理的构造。仅就片层厚度与开口及通道尺寸的相对比例而言，图16至20所示例子与前面所描述的实施例之间已发生偏离。但是本发明的制造方法的工艺步骤却使人们在任何时候都能制得所有已给的实施例。
为了满足喷入嘴对结构尺寸及精度的极高要求，作为其特殊生产技术，微结构方法在今天获得越来越重要的应用。一般而言，要求喷嘴及孔片内部供燃料之类的液体流过的通道，有利于液流形成上面提到的湍流，此外出口的宽度尺寸应为几十个μm，以达到使燃料之类的液体能尽量有效地雾化的目的。本发明推出了一种新的方法来制造金属孔片，它以逐步使用光刻平版印刷工艺(深度紫外线平版印刷术)与随后的显微电镀工艺为基础。此方法的特点是可以保证在大面积上结构的精度，因而用于很大工件数量的批量生产很理想。应用本发明的制造工艺能够同时制造很大数量的孔片23于一个基板上。
此方法的起始点是一个平整、坚固的托盘60，其材质可以是金属(铜)、硅、玻璃或陶瓷。此托盘60的厚度通常介于500μm至2mm之间。不过此厚度值对接下来的制造工艺并无影响。首先要将托盘60进行清洁处理，其后在使用硅或玻璃等不导电的材料的情况下，还要先在托盘60上电镀上一个辅助层61。这里涉及到电镀初始层61’(如Cu)，它对其后的显微电镀过程中的导电是必须的。电镀初始层61’也可以作为牺牲层61，借助它能使孔片结构通过腐蚀这样的非常简单的处理逐个分开。当托盘60已经是导电材料，如用铜制成，则可以省掉电镀初始层61’的制备工序。如果用铜作为牺牲层/电镀初始层61、61’，则必须在托盘60和电镀初始层61’之间加入一个薄铬层(如80nm)，作为二者的结合层61”。可以通过诸如溅射或无电流参与的金属沉积制得辅助层61、61’、61”(当使用聚酰亚胺作为抗蚀剂时，典型地为CrCu或CrCuCr。)。
完成了上述托盘60的预处理之后，将在可选择的辅助层61、61’、61”的整个面上覆盖一层光敏抗蚀剂(光漆)63。此工序有如下三种不同的方法可供选择
1、在大约100℃下用固体抗蚀剂涂覆，2、液体抗蚀剂的离心喷涂，或者3、液态聚酰亚胺的离心喷涂。
经过干燥后，所用三种可能的光敏抗蚀剂63均呈固态。光敏抗蚀剂63的厚度应与随后的电镀过程中得到的金属层的厚度相对应，即与孔片23的底层37的厚度相对应。典型的片层厚度为10至300μm，依所希望的孔片23的片层厚度的不同而异。欲得到的金属结构借助于光刻平版印刷工艺的掩膜64以蚀刻模式转制在光敏抗蚀剂63上。这里有两种可能选择。一种是在掩膜64之上直接用紫外线照明65对光敏抗蚀剂63进行曝光(深度紫外线平版印刷术)。另一种在光敏抗蚀剂63上获得结构的过程是在光敏抗蚀剂63上沉积一层氧化物(如SiO2)或氮化物，其上通过光刻平版印刷术形成构造，它就作为光敏抗蚀剂63的干腐蚀过程的掩膜。此外还有激光剥离方法，这里覆盖上掩膜后，光敏抗蚀剂63在激光照射下呈爆炸方式被剥离。图16通过图片对以上所述工艺过程进行了总结。
紫外线曝光后的光敏抗蚀剂63经显影处理后，或者其它方法(干腐蚀、剥离)处理后，光敏抗蚀剂63上留下了由掩膜64预先确定的结构，如图17所示。光敏抗蚀剂63的结构，是最终的孔片23的片层37的负结构66。图18示出经电镀填充了光敏抗蚀剂63中形成的蚀剂沟槽68之后的结构。电镀填充至少要达到光敏抗蚀剂63的上沿。在电镀过程中，金属70在抗蚀剂沟槽68中沉积在托盘60上，并通过电镀紧靠在负结构66的轮廓上，因而预先给定的结构又被金属70原样地复制再现出来。为了得到包括几个功能层的孔片结构，金属70的镀层高度应与光敏抗蚀剂63层的高度相对应。但是也可以考虑使抗蚀剂63高于所希望的金属70的镀层高度，这样电镀层厚度均匀性能得到改善，而选择沉积用的材料要以对片层或功能层的要求为依据，这里特别重要的因素是机械强度、化学稳定性、可焊接性等。通用的是Ni、NiCo、NiFe或者Cu，其它的金属及合金也在考虑范围之内。
在此对所用的“片层”和“功能层”两个名词作简短的定义。片层指的是在一道电镀工序中得到的孔片23的层。一个片层可以包含有几个功能层，这一点将在后续段落中借助于“侧向过生长”进一步给予说明。那里在一道电镀工序中同时形成几个功能层。而它们表现为一个连在一起的单片层。各个功能层与其直接相邻的功能层的开口形状(入口、出口、通道)均有所差异。图1至15所示的孔片23，均实实在在地包含有至少三个片层35、37、40、40’，而且每个片层也就是一个功能层。
为了实现孔片23的结构，必须重复自可以选择的辅助层61、61’、61”的制备开始的各道工序，重复次数则等于欲得的孔片23的片层数。图19对此加以说明，这里的光敏抗蚀剂63’层用于制造孔片23的中间层40。这里与前相同而带有撇号’的标号表示是重复过程。各个金属层相继沉积，并且相邻层间以金属附着力结合在一起。孔片23的各构成片层可以使用不同的金属70。
最终是孔片23分割成单个片的工序。为此需将牺牲层61腐蚀掉，这样孔片23就可以从托盘60上脱下。之后再通过腐蚀除掉电镀初始层61’，并将残留的光敏抗蚀剂63、63’从金属结构中清理出来，可以通过KOH的处理或者用氧等离子体完成，对聚酰亚胺则可借助溶剂(如丙酮)来实现。光敏抗蚀剂63、63’的清出过程一般统称为“脱膜”。在适当选用的电镀初始层61’情况下，可以考虑诸如借助磁力机械地使之从托盘60上取下，作为分离的方式。图20示出了一个从托盘60上取下的三层结构的孔片23的例子，其入口36和出口38高度一般要小些。
图21是另一个“S型”孔片23的实施例，其制造技术则与上面刚叙述的有所不同。这种新的技术可以称为“侧向过生长法”。此方法使得人们能够在一道电镀沉积工序中完成孔片23中至少两个功能层的制造，从而使得比如由三个功能层构成的孔片的制造过程无需第三道电镀工序即可完成。一次电镀所制造的两个以上的功能层之间没有界面，因而仅以一个片层形式出现。
首先用前面所述方法制得底层37，如图16至18所示。接下来在第二层光敏抗蚀剂63’所限定的结构中，电镀沉积的金属70一直生长到光敏抗蚀剂63’的上沿(图19)，之后镀层继续生长并超出光敏抗蚀剂63’。超出光敏抗蚀剂63’的这种过生长，将同时发生在垂直和水平两个方向上，其生长尺寸也在同一个量级上。这个过生长过程可以取代再一次在镀层上制造电镀初始层61’及随后的第三次电镀沉积工序，因为最终孔片23的两个功能层35、40在这一道电镀工序中均已制得。过生长层的高度可以控制，使得在上生长片层35’(与功能层35、40相对应)上所形成的入口36与对S型孔片的要求相适合，即与出口38形成错位。在这种情况下，过生长过程最早要等到在投影上，出口38完全被过生长层35’的材料完全覆盖住才能中止。在这种制造方法中，沉积生长环绕给定出口38和通道42的形状的两个光敏抗蚀剂层63和63’进行。另外的可能性在于用光敏抗蚀剂层63’作为又一个结构漆层来给定入口36的形状尺寸。为此光敏抗蚀剂63、63’形成三层结构。其中光敏抗蚀剂63’的第三层，还作为“时钟”限定侧向过生长过程以得到含有给定形状的入口36的片层35’。侧向过生长法也能用于制造入口36与出口38之间无错位或错位很小的孔片23。从理想情况出发，使用侧向过生长工艺能够制造出只有一个上面给定含义的片层，但包含三个功能层的孔片23。
以上面描述的方法能够制取圆、椭圆、或多边形的入口36。借且于“侧向过生长工艺”可以显著地缩短孔片23的生产时间。此外镀层表面的粗糙度也可减小。它总是随着电镀层数的增加而增大。由此使得诸如电解抛光之类的旨在使表面光滑平整的辅助性工艺就不再是必要的了。侧向过生长法的另一个优点在于，在使入口36成形过程中无需再于不导电的光敏抗蚀剂63’上制备新的电镀初始层61’。
图22至33给出了另外的一些孔片23的实施例。对它们只做简短介绍，因为它们都可由上面作了详细描述的制造方法制备得到，只是具有一些有趣的设计及形状上的特殊之处。借助这些实施例更主要要说明的是用电镀金属沉积制造方法可以获得数量极其巨大的形状结构的变化花样。
图22和23所示的孔片23，至少其中一部分是通过侧向过生长工艺制得的。它的顶层35’拥有两个功能层，即一个层中伸展着的通道42’，另一个位于其上的层上有入口36，底层37的直径可以显著地大于上层35’。入口36的横截面为圆形，而四个出口38则为圆环分断成四部分的镰刀形。上层35’的下面功能层中的通道42’也被制成圆形，其直径略大于镰刀形出口38的外径。此结构下所谓的S形液流出现在径向向外路径上。由此人们得到一个径向对称的射流形态，雾化效果良好。
图24是一个孔片23的俯视图，通过它可得到平面状射流。顶层35上的四个入口36呈矩形，每个入口36与一个通道42及一个出口38相配套。出口38可呈方形或矩形，投影上完全覆盖住入口36和出口38的通道42具有六边形轮廓，它可随入口36和出口38的尺寸变化相应地改变。入口36与出口38的相对错位的选择要使得很好地形成两个方向上的平面射流花样。
与图24相类似，图25至27给出孔片23的俯视图，通过它们可得到平面射流。作为简化图例，这些图示仅给出了孔片23的中间区域。通道42’的构造均保证将各自的单一入口36与所有出口38连通起来。液体通过中心矩形入口36流入。出口38可以同样呈矩形或方形轮廓，而其中矩形出口38的长边与入口36的矩形长边平行或者垂直。无论如何这种错位都将给出平面射流花样。通过改变入口36的尺寸和位置以及出口38的形状和数目能够使得射流造型与各种要求相适应。
图28所示孔片23，与图24所示在单个开口区从大小到形状都很相似。对于特殊的用途，如燃油动力机器中异乎寻常的入喷阀门的安装位置，不仅从孔片23喷出的平面射流是所希望的，而且相对于阀门长轴/中轴2(图1和3)的喷出角度同样希望等于某一个给定值。使用图28所示的孔片23能够实现这一要求。每一个由入口36、通道42和出口38组成的功能单元在S形方向上喷出一个雾锥。本实施例由四个这样的功能单元组成。如果以适当方式将这些雾锥或射流锥安排在一起，则其总体射流造型能很好地适应各种给定的特征要求。使用图28所示的孔片23能够成功地沿两个方向喷出液流，而这两个单射流方向并不正好相对。
图29和30给出孔片23的中心喷射区域，使用它们同样可得到不寻常的射流造型。孔片23各拥有三个由入口36、通道42和出口38组成的功能单元。依据所希望的射流造型，将功能单元非对称地、或不同心地布置在孔片23的中轴2、即两个轴39的交点的周围。通过这种外观上不规则的分布可得到很独特的射流方向。图29中的孔片23各有一条扇形轮廓的通道42将一个圆形入口36和一个镰刀形出口38连通起来。与此不同，图30中的孔片23的开口区域被做成多边形。液体通过方形入口36流入，经六边形通道42到达矩形出口38。与两个入口36配套的通道42在出口38处连成一体，这样，液体在孔片23的一个V形出口流出。由此可见，入口36与出口38在数目上也并非一定相同。
拥有个数不等的入口36与出口38的孔片23的实施例又见图31至33。图31中的实施例显示出全部为圆形开口的布置。液体通过顶层35上的中心圆形入口36进入，从四个亦为圆形的出口38离开孔片23。底层37上的这四个出口38以入口36为中心对称分布，圆形通道42’要能够完全覆盖住所有出口38。
图32所示的孔片23有四个带有开口区的功能单元。液体通过属于每一个功能单元的四个镰刀形入口36，亦即总数为三十六个的入口36，进入到孔片23中。与每四个入口36相连的是一个圆形通道42，其直径的选取使其能够全部地覆盖住这四个镰刀形入口36。每一个功能单元只有一个圆形出口38，在投影上，它完全被镰刀形入口36包围于其中。这四个功能单元可以相对于中心轴2对称地安排在轴39上。
图33给出的孔片23拥有完全非对称排布的开口区。位于中心的入口36被做成近似的半圆形，而底层37上的出口38，明显地小于入口36，呈镰刀形，分布于入口36的圆弧一侧。出口38的个数也可以任意改变，所示例中为三个。圆形的通道42’的大小同样是满足覆盖所有其余开口的要求。
还应该再次指出，应用本发明的制造方法生产孔片，并非只适合于那些详细地描述过的S型孔片，即其入口与出口相对错开，使得液流呈S形的孔片，而是所有形状的孔片。借助多层电镀技术，还可以制造拥有正对的入出口的或它们只是部分地错开的孔片。
所有描述的孔片23并非无例外地都为入喷阀门所用。它们能更多地在诸如涂漆喷嘴、吸入器、喷墨打印机或冷冻干燥过程中使用，用作如饮料等液体的喷出、喷入、药物的喷雾等。本发明方法制造的孔片23特别适用于喷射产生细微的雾状体，例如大角度的喷射。
权利要求
1.一种制造孔片的方法，孔片中有液体的贯通通路，孔片至少有一个入口及一个出口，每个入口都处在该孔片的顶部片层或功能层上，每一个出口则都处于该孔片的底部片层或功能层上，其特征是，通过孔片(23)的数个片层或功能层(35、35’、37、40、40’)，依次先后电镀金属沉积而制得之(多层电镀技术)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是方法的第一步骤是在一个托盘(60)上，当其用不导电材料制成时，要制造出至少一个辅助层(61、61’、61”)，以满足此方法的后续步骤的所需，之后涂抹上一个光敏抗蚀剂层(63)，接着要对光敏抗蚀剂层(63)进行造形处理，使之具有其后孔片(23)的片层(37)的负结构(66)，再后进行显微电镀，在这个过程中，光敏抗蚀剂(63)上的负结构(66)中的光敏抗蚀剂沟槽(68)以电镀方式被金属(70)填充，之后根据孔片(23)所希望拥有的片层或功能层(35、35’、37、40、40’)的数目相应地重复上述方法步骤，最后是将孔片(23)分割成单个以及从金属结构中取出光敏抗蚀剂(63)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是，电镀初始层(61’)作为辅助层(61)制备在表面上，
4.如权利要求2所述的方法，其特征是光敏抗蚀剂(63)的制备通过固态抗蚀剂的涂胶来实现。
5.如权利要求2所述的方法，其特征是光敏抗蚀剂(63)的制备通过液态抗蚀剂的离心喷涂来实现。
6.如权利要求2所述的方法，其特征是光敏抗蚀剂(63)的制备通过聚酰亚胺在液态下离心喷涂来实现。
7.如权利要求2所述的方法，其特征是光敏抗蚀剂(63)的结构形成是借助掩膜(64)上方的UV(紫外线)曝光(65)以及随后的显影来实现(深度UV平版印刷术)。
8.如权利要求2所述的方法，其特征是光敏抗蚀剂(63)的结构形成通过氧化物或氮化物的沉积完成，其结构通过光刻平版印刷方式形成，并作为光敏抗蚀剂(63)的干腐蚀过程的掩膜。
9.如权利要求2所述的方法，其特征是光敏抗蚀剂(63)的结构形成通过借助激光完成的剥离来完成。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征是几个功能层(35、35’、40、40’)作为一个孔片(23)的片层，在一道电镀工序中制得，该过程中，金属(70)超过光敏抗蚀剂(63’)同时沿垂直和水平两个方向向外生长(侧向过生长)。
11.如权利要求10所述的方法，其特征是侧向过生长过程最早的结束时间是等到孔片(23)的另一个片层(35，37)上的入口(36)或出口(38)要完全被过生长的功能层(35’)的材料盖住。
全文摘要
本发明涉及到一种孔片的制造方法。孔片呈多层结构，突出之处在于，其中制造有一条轴向完全贯通的液体通路，尤其是供燃油流过的通路。此通路由入口(36)、出口(38)和至少一条介于二者之间的连通通道(42)构成。孔片(23)的片层或功能层(35、37、40)通过电镀金属沉积依次逐层得到(多层电镀技术)。由此制得的孔片特别适用于燃料喷入装置中的入喷阀门上、涂漆喷嘴、吸入器、喷墨打印机或冷冻干燥过程中，以完成如饮料等液体的喷出、喷入。
文档编号F02M61/00GK1149907SQ96190029
公开日1997年5月14日 申请日期1996年3月23日 优先权日1995年3月29日
发明者斯特凡·阿恩特, 迪特马尔·亨, 海因茨·富克斯, 格特弗里德·弗利克, 京特·丹特斯, 吉尔贝特·默尔施, 德特勒夫·诺瓦克, 约尔格·海泽, 贝亚特·沃尔兹, 弗朗克·舍茨 申请人:罗伯特·博施有限公司