Hamel, Stefan (2008)
Bistabiler Klemm-Mechanismus für den Einsatz in einem miniaturisierten Schrittantrieb.
Technische Universität Darmstadt
Diplom- oder Magisterarbeit, Bibliographie
Kurzbeschreibung (Abstract)
Zusammenfassung:
Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen werden miniaturisierte Schrittantriebe entwickelt. Dabei muss ein Läufer an parallel zueinander oszillierenden Führungsstegen fixiert werden. Klemmung und Vorschub werden durch elektrothermische Aktoren gewährleistet. In dieser Diplomarbeit wird ein bistabiler, elektrothermischer Klemm-Mechanismus aus SU-8 für den Einsatz in einem miniaturisierten Schrittantrieb entwickelt.
Elektrothermische Aktoren bieten für ihren Bauraum große Kräfte und Auslenkungen. Sie sind skalierfähig und monolithisch integrierbar. Durch das Einführen eines bistabilen Mechanismus kann der Energieverbrauch des Schaltvorgangs minimiert werden. Im Rahmen von Vorarbeiten wurde ein solches System entwickelt, dessen Bistabilität bestätigt werden konnte.
Diese Arbeit optimiert das bistabile Verhalten in Hinblick auf mechanische Spannungen, die das Vorgängerkonzept zerstören. Durch eine mechanische Finite-Elemente-Simulation werden konstruktive Möglichkeiten aufgezeigt, um die Spannungen zu minimieren. Eine gekoppelte elektro-thermo-mechanische FE-Simulation prüft das Schaltverhalten der Aktorik bei Bestromung. Beide Untersuchungen zeigen, dass der kombinierte Aktor nicht in SU-8 gefertigt werden kann. Ferner wird Nickel als Strukturmaterial untersucht und dessen Eignung als Aktormaterial gezeigt.
Daran anschließend wird eine getrennte Aktor-/Federstruktur aus SU-8 eingeführt. Die modellierten Federn ermöglichen ein weiteres Absenken der mechanischen Spannungen bei gleichzeitiger Maximierung der Klemmkraft. Die Aktoren werden auf den zur Verfügung stehenden Bauraum von 22 x 5 mm² ausgelegt und das Zusammenspiel mit dem Klemm-Mechanismus bestätigt. Die entwickelten Strukturen werden auf ein Maskenlayout zur tiefenlithografischen Realisierung im institutseigenen Reinraum übertragen. Dabei wird ein neu eingeführter Kupfer-Opferschichtprozess zum Erstellen freitragender Strukturen aus SU-8 verwendet. Kritische Schritte des Prozesses werden dargelegt und erfolgreiche Abhilfen aufgezeigt.
Die Ergebnisse aus Simulation und Fertigung werden ausgewertet und ein Konzept zur Integration des Klemm-Mechanismus in die Inchwormplattform gegeben. Abschließend wird ein auf das tatsächliche E-Modul angepasste Konzept vorgestellt.
| Typ des Eintrags: | Diplom- oder Magisterarbeit |
|---|---|
| Erschienen: | 2008 |
| Autor(en): | Hamel, Stefan |
| Art des Eintrags: | Bibliographie |
| Titel: | Bistabiler Klemm-Mechanismus für den Einsatz in einem miniaturisierten Schrittantrieb |
| Sprache: | Deutsch |
| Referenten: | Eicher, Dipl.-Ing. Dirk ; Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich |
| Publikationsjahr: | 2 Mai 2008 |
| Zugehörige Links: | |
| Kurzbeschreibung (Abstract): | Zusammenfassung: Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen werden miniaturisierte Schrittantriebe entwickelt. Dabei muss ein Läufer an parallel zueinander oszillierenden Führungsstegen fixiert werden. Klemmung und Vorschub werden durch elektrothermische Aktoren gewährleistet. In dieser Diplomarbeit wird ein bistabiler, elektrothermischer Klemm-Mechanismus aus SU-8 für den Einsatz in einem miniaturisierten Schrittantrieb entwickelt. Elektrothermische Aktoren bieten für ihren Bauraum große Kräfte und Auslenkungen. Sie sind skalierfähig und monolithisch integrierbar. Durch das Einführen eines bistabilen Mechanismus kann der Energieverbrauch des Schaltvorgangs minimiert werden. Im Rahmen von Vorarbeiten wurde ein solches System entwickelt, dessen Bistabilität bestätigt werden konnte. Diese Arbeit optimiert das bistabile Verhalten in Hinblick auf mechanische Spannungen, die das Vorgängerkonzept zerstören. Durch eine mechanische Finite-Elemente-Simulation werden konstruktive Möglichkeiten aufgezeigt, um die Spannungen zu minimieren. Eine gekoppelte elektro-thermo-mechanische FE-Simulation prüft das Schaltverhalten der Aktorik bei Bestromung. Beide Untersuchungen zeigen, dass der kombinierte Aktor nicht in SU-8 gefertigt werden kann. Ferner wird Nickel als Strukturmaterial untersucht und dessen Eignung als Aktormaterial gezeigt. Daran anschließend wird eine getrennte Aktor-/Federstruktur aus SU-8 eingeführt. Die modellierten Federn ermöglichen ein weiteres Absenken der mechanischen Spannungen bei gleichzeitiger Maximierung der Klemmkraft. Die Aktoren werden auf den zur Verfügung stehenden Bauraum von 22 x 5 mm² ausgelegt und das Zusammenspiel mit dem Klemm-Mechanismus bestätigt. Die entwickelten Strukturen werden auf ein Maskenlayout zur tiefenlithografischen Realisierung im institutseigenen Reinraum übertragen. Dabei wird ein neu eingeführter Kupfer-Opferschichtprozess zum Erstellen freitragender Strukturen aus SU-8 verwendet. Kritische Schritte des Prozesses werden dargelegt und erfolgreiche Abhilfen aufgezeigt. Die Ergebnisse aus Simulation und Fertigung werden ausgewertet und ein Konzept zur Integration des Klemm-Mechanismus in die Inchwormplattform gegeben. Abschließend wird ein auf das tatsächliche E-Modul angepasste Konzept vorgestellt. |
| Freie Schlagworte: | Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Aktor elektrothermisch, FEM-Simulation bistabiler Mechanismen, Klemmmechanismus bistabil, Kupfer Opferschichtprozess, Schrittantrieb monolithisch |
| ID-Nummer: | 17/24 EMKD 1671 |
| Zusätzliche Informationen: | EMK-spezifische Daten: Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate, Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1671 Art der Arbeit: Diplomarbeit Beginn Datum: 15-10-2007 Ende Datum: 02-05-2008 Querverweis: 17/24 EMKS 1584, 17/24 EMKS 15891, 17/24 EMKS 1637 Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT) Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT) Abschluss: Diplom (MFT) |
| Fachbereich(e)/-gebiet(e): | 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen (aufgelöst 18.12.2018) 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme |
| Hinterlegungsdatum: | 06 Sep 2011 15:40 |
| Letzte Änderung: | 05 Mär 2013 09:53 |
| PPN: | |
| Referenten: | Eicher, Dipl.-Ing. Dirk ; Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich |
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