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Bistabiler Klemm-Mechanismus für den Einsatz in einem miniaturisierten Schrittantrieb

Hamel, Stefan (2008):
Bistabiler Klemm-Mechanismus für den Einsatz in einem miniaturisierten Schrittantrieb.
Technische Universität Darmstadt, [Diploma Thesis or Magisterarbeit]

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.

Item Type: Diploma Thesis or Magisterarbeit
Erschienen: 2008
Creators: Hamel, Stefan
Title: Bistabiler Klemm-Mechanismus für den Einsatz in einem miniaturisierten Schrittantrieb
Language: German
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.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Aktor elektrothermisch, FEM-Simulation bistabiler Mechanismen, Klemmmechanismus bistabil, Kupfer Opferschichtprozess, Schrittantrieb monolithisch
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 06 Sep 2011 15:40
Additional Information:

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)

Identification Number: 17/24 EMKD 1671
Referees: Eicher, Dipl.-Ing. Dirk and Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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