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Entwickeln und Implementieren einer Kraft- und E-Modulmessung für Mikrostrukturen

Yapici, Süha Orcun (2009):
Entwickeln und Implementieren einer Kraft- und E-Modulmessung für Mikrostrukturen.
Technische Universität Darmstadt, [Seminar paper (Midterm)]

Abstract

Zusammenfassung:

Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen besteht die Möglichkeit, die Auslenkung von Mikrostrukturen in Abhängigkeit von statischen und dynamischen Ansteuersignalen zu messen. Dieser Messplatz (Motion-Analyzer) wird im Rahmen dieser Arbeit um eine Kraft und E-Modulmessung erweitert und eine Abschätzung der Messunsicherheit durchgeführt.

Ausgehend von einer Literaturrecherche zu wissenschaftlichen und kommerziellen Messsystemen, werden verschiedene Messmethoden zur Bestimmung des E-Moduls eingeholt. Durch einen Vergleich auf funktioneller Ebene mit Kraftmessmethoden werden die Gemeinsamkeiten von Kraft- und E-Modulmessungen aufgezeigt. Davon ausgehend wird ein Messkonzept entwickelt, mit dem eine Kraft-Weg-Kennlinie von Mikrostrukturen aufgenommen werden kann.

Durch diese Kennlinie werden sowohl Mikroaktoren mechanisch charakterisiert, als auch das E-Modul von Mikrostrukturen durch eine Zwei-Punkt-Messung bestimmt.

Das entwickelte Messkonzept basiert auf einem am Rand des Motion-Analyzers fixierten Tastarm. Dieser setzt sich aus einem Biegebalken-Kraftsensor und einer angebrachten Tastspitze zusammen. Mit der Tastspitze wird die vom Prüfling ausgehende Kraft erfasst. Das Messsystem ist für Maximalkräfte von 1N ausgelegt. Um Prüflinge auf unterschiedlichen Waferdicken vermessen zu können, wird der Tastarm mit einer Höhenpositionierung ausgestattet. Dadurch kann der Tastarm in einem Höhenbereich von 6mm verstellt werden.

Es können Prüflinge aus allen möglichen Festkörpermaterialien gemessen werden. Erste Messungen zur Bestimmung des E-Moduls von SU-8 werden an 10mm langen Mikrobiegebalken durchgeführt und mit den Ergebnissen aus FEM-Simulationen verglichen. Für das gemessene SU-8 wird ein E-Modul von 2,53GPa bestimmt. Um eine Aussage über die Qualität der Messergebnisse zu machen, wird die Messunsicherheit des entwickelten Messsystems abgeschätzt.

Für Kraft- und E-Modulmessung wird der reduzierte Fehler bestimmt. Er liegt für Kraftmessungen bei f-Kraft = 0,69%. Bei der E-Modulmessung beträgt der Fehler f-E-Modul = 6,38%, dessen Großteil aus der geometrisch ungenauen Prozessierung des Prüflings stammt.

Item Type: Seminar paper (Midterm)
Erschienen: 2009
Creators: Yapici, Süha Orcun
Title: Entwickeln und Implementieren einer Kraft- und E-Modulmessung für Mikrostrukturen
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen besteht die Möglichkeit, die Auslenkung von Mikrostrukturen in Abhängigkeit von statischen und dynamischen Ansteuersignalen zu messen. Dieser Messplatz (Motion-Analyzer) wird im Rahmen dieser Arbeit um eine Kraft und E-Modulmessung erweitert und eine Abschätzung der Messunsicherheit durchgeführt.

Ausgehend von einer Literaturrecherche zu wissenschaftlichen und kommerziellen Messsystemen, werden verschiedene Messmethoden zur Bestimmung des E-Moduls eingeholt. Durch einen Vergleich auf funktioneller Ebene mit Kraftmessmethoden werden die Gemeinsamkeiten von Kraft- und E-Modulmessungen aufgezeigt. Davon ausgehend wird ein Messkonzept entwickelt, mit dem eine Kraft-Weg-Kennlinie von Mikrostrukturen aufgenommen werden kann.

Durch diese Kennlinie werden sowohl Mikroaktoren mechanisch charakterisiert, als auch das E-Modul von Mikrostrukturen durch eine Zwei-Punkt-Messung bestimmt.

Das entwickelte Messkonzept basiert auf einem am Rand des Motion-Analyzers fixierten Tastarm. Dieser setzt sich aus einem Biegebalken-Kraftsensor und einer angebrachten Tastspitze zusammen. Mit der Tastspitze wird die vom Prüfling ausgehende Kraft erfasst. Das Messsystem ist für Maximalkräfte von 1N ausgelegt. Um Prüflinge auf unterschiedlichen Waferdicken vermessen zu können, wird der Tastarm mit einer Höhenpositionierung ausgestattet. Dadurch kann der Tastarm in einem Höhenbereich von 6mm verstellt werden.

Es können Prüflinge aus allen möglichen Festkörpermaterialien gemessen werden. Erste Messungen zur Bestimmung des E-Moduls von SU-8 werden an 10mm langen Mikrobiegebalken durchgeführt und mit den Ergebnissen aus FEM-Simulationen verglichen. Für das gemessene SU-8 wird ein E-Modul von 2,53GPa bestimmt. Um eine Aussage über die Qualität der Messergebnisse zu machen, wird die Messunsicherheit des entwickelten Messsystems abgeschätzt.

Für Kraft- und E-Modulmessung wird der reduzierte Fehler bestimmt. Er liegt für Kraftmessungen bei f-Kraft = 0,69%. Bei der E-Modulmessung beträgt der Fehler f-E-Modul = 6,38%, dessen Großteil aus der geometrisch ungenauen Prozessierung des Prüflings stammt.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Elastizitätsmodul Messung, Kraftmessung statisch, Kraft-Weg Kennlinie, Mikrostruktur, Motion-Analyzer
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: 05 Sep 2011 14:00
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1699

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 20-10-2008

Ende Datum: 03-04-2009

Querverweis: 17/24 EMKS 1635

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

Identification Number: 17/24 EMKS 1699
Referees: Staab, Dipl.-Ing. Matthias and Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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