Eicher, Dirk (2011)
Entwurf und tiefenlithographische Realisierung mikrostrukturierter Schrittantriebe.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Seit der Etablierung der Mikrosystemtechnik konzentrieren sich kommerzielle Anwendungen vorwiegend im Bereich der Sensorik, während in der Antriebstechnik nach wie vor feinwerktechnische Lösungen mit eingeschränktem Miniaturisierungsgrad überwiegen. In dieser Arbeit wird daher nach Aufarbeitung des Standes der Technik miniatursierter Schrittantriebe die Realisierung einer mikrostrukturierten Inchwormplattform beschrieben. Ausgangspunkt sind dabei die am Institut für Elektromechanische Konstruktionen entwickelten monolithischen Positioniersysteme. Ziel der Arbeit ist es, den Übergang vom miniaturisierbaren zum miniaturisierten und im Batchverfahren herstellbaren Antrieb zu vollziehen. Hierfür wird nach Auswahl und Beschaffung der fehlenden Anlagen eine durchgängige Prozesskette zur tiefenlithographischen Strukturierung des epoxidbasierten Negativlacks SU-8 eingeführt. Opferschichten aus unvernetztem SU-8 und galvanisch abgeschiedenem Kupfer dienen zur Herstellung freitragender nachgiebiger Strukturen. Als Grundlage für die Auslegung der mikromechanischen Antriebselemente werden relevante Materialeigenschaften, wie Elastizitätsmodul und thermischer Ausdehnungskoeffizient der realisierten SU-8-Strukturen, charakterisiert. Außerdem wird der Einsatz des Platinenmaterials FR-4 als Substrat für zukünftige Systems-on-a-PCB untersucht. Als Aktorelemente zur Erzeugung der schrittweisen Bewegung werden nach Diskussion der Vor- und Nachteile gängiger Wandlungsmechanismen der Mikrosystemtechnik aufgrund der erreichbaren hohen Kräfte und Stellwege elektrothermische Kniehebelaktoren ausgewählt. Diese lassen sich durch Metallisierung der SU-8-Strukturen prozesstechnisch einfach integrieren. Aufgrund des hohen Ausdehnungskoeffizienten und niedrigen Elastizitätsmoduls von SU-8 werden die erforderlichen Auslenkungen bereits bei Betriebstemperaturen von 100°C erreicht. Die Auslegung der für die miniaturisierte Inchwormplattform erforderlichen Vorschub- und Klemmaktoren erfolgt mittels dreidimensionaler Finite-Elemente-Simulation. Ausgehend von einer elektrischen Spannung wird zunächst das nichtlineare elektrothermische Feldproblem gelöst. Anschließend werden die resultierenden Knotentemperaturen als Last einer thermomechanischen Rechnung aufgeprägt. Aufgrund der gegebenen Größenverhältnisse kann der Wärmetransport über die Luft im Gegensatz zur Wärmestrahlung dabei nicht vernachlässigt werden und ist mittels experimentell ermittelter Übergangskoeffizienten als Randbedingung zu berücksichtigen. Ergebnis der Simulation sind die Kraft-Weg-Kennlinien der Aktoren in Abhängigkeit der angelegten Spannung. Die Verifizierung des Finite-Elemente-Modells erfolgt statisch und dynamisch auf einem umgerüsteten Wafer-Prober mittels hochauflösender CCD-Kamera und Bildverarbeitungsalgorithmen zur Mustererkennung. Auf diesem Messplatz kann schließlich auch die Funktion des tiefenlithographisch strukturierten Schrittantriebs nachgewiesen werden. Einen zusätzlichen Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung spezieller Mechanismen zur Realisierung eines bistabilen und damit energieeffizienteren Klemm-Mechanismus. Nach Diskussion theoretischer Grundlagen wird die Realisierbarkeit bistabiler Elemente aus SU-8 gezeigt und ein Konzept zur Integration in den mikrostrukturierten Schrittantrieb vorgestellt. Der letzte Teil der Arbeit behandelt schließlich mögliche Anwendungen der miniaturisierten Inchwormplattform im Bereich der Mikropositionierung und Mikro-Optik, bevor die Ergebnisse zusammengefasst werden und ein Ausblick auf mögliche Anknüpfungspunkte gegeben wird.

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