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Entwicklung eines stromgesteuerten MEMS-Aktors für bistabile Mikrorelais

Dassinger, Florian :
Entwicklung eines stromgesteuerten MEMS-Aktors für bistabile Mikrorelais.
Technische Universität Darmstadt
[Haus-, Projekt- oder Studienarbeit], (2009)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Ziel dieser Studienarbeit ist die Entwicklung eines stromgesteuerten Aktorsystems für den Einsatz in bistabilen Mikrorelais. Das System muss zwei wesentliche Anforderungen erfüllen:

Zum einen ist eine hohe Kontaktkraft von mindestens 1 mN erforderlich, um einen stabilen und geringen Kontaktwiderstand zu erhalten. Zum anderen muss im geöffneten Zustand ein möglichst großer Kontaktabstand (> 50 µm) eine ausreichende Durchschlagfestigkeit gewährleisten. Zusätzlich soll das System bistabiles Verhalten aufweisen, d.h. der Schaltzustand wird ohne Zufuhr von elektrischer Energie gehalten.

Bisher entwickelte Mikrorelais erfüllen, abhängig vom verwendeten Aktorprinzip, jeweils nur einen Teil der Anforderungen zufriedenstellend. Vor allem Kräfte im Millinewton-Bereich stellen für viele Prinzipien wegen ihrer geringen Leistungsdichte ein Problem dar.

Um ein bistabiles Aktorsystem zu entwickeln, muss das Gesamtsystem in drei Teilaufgaben zerlegt werden: physikalisches Wirkprinzip, mechanische Übersetzung und bistabiler Mechanismus.

Im Rahmen der Konzeptentwicklung erweist sich ein magnetisch bistabiler Mechanismus mit elektrothermomechanischer Aktuierung als vorteilhaft. Das Wirkprinzip ist elektrothermisch, die Übersetzung erfolgt über eine mechanische Kniehebelstruktur und die Bistabilität wird durch ein statisches Magnetfeld erzeugt.

Durch die Kombination von zwei elektrothermischen Aktoren und einer optimierten magnetischen Flussführung, können große Kräfte (bis 10 mN) und Hübe (bis 100 µm) erzeugt werden. Die zu Beginn geforderten Werte, 1 mN Kraft und 10 µm Hub, werden somit weit übertroffen. Dies wird dadurch erreicht, dass beide Kraftquellen im jeweils optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Die resultierende Kraft der beiden Quellen ist über den gesamten dargestellten Weg größer als die durch die Kontaktfeder erzeugte Gegenkraft. In der Nähe der Flussführung steigt sie stark an und ermöglicht eine hohe Haltekraft, die ohne elektrische Energieaufnahme bestehen bleibt. Die vergleichsweise große Zeitkonstante der thermischen Aktoren wird durch den Pull-In-Effekt des Permanentmagneten kompensiert.

Die Entwicklung des Aktorsystems und eine Dimensionierung der funktionsrelevanten Teile ist abgeschlossen. Die Prozessschritte für die mikrotechnische Fertigung auf einem FR-4 Substrat sind erarbeitet. Eine Fertigung steht noch aus.

Typ des Eintrags: Haus-, Projekt- oder Studienarbeit
Erschienen: 2009
Autor(en): Dassinger, Florian
Titel: Entwicklung eines stromgesteuerten MEMS-Aktors für bistabile Mikrorelais
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Ziel dieser Studienarbeit ist die Entwicklung eines stromgesteuerten Aktorsystems für den Einsatz in bistabilen Mikrorelais. Das System muss zwei wesentliche Anforderungen erfüllen:

Zum einen ist eine hohe Kontaktkraft von mindestens 1 mN erforderlich, um einen stabilen und geringen Kontaktwiderstand zu erhalten. Zum anderen muss im geöffneten Zustand ein möglichst großer Kontaktabstand (> 50 µm) eine ausreichende Durchschlagfestigkeit gewährleisten. Zusätzlich soll das System bistabiles Verhalten aufweisen, d.h. der Schaltzustand wird ohne Zufuhr von elektrischer Energie gehalten.

Bisher entwickelte Mikrorelais erfüllen, abhängig vom verwendeten Aktorprinzip, jeweils nur einen Teil der Anforderungen zufriedenstellend. Vor allem Kräfte im Millinewton-Bereich stellen für viele Prinzipien wegen ihrer geringen Leistungsdichte ein Problem dar.

Um ein bistabiles Aktorsystem zu entwickeln, muss das Gesamtsystem in drei Teilaufgaben zerlegt werden: physikalisches Wirkprinzip, mechanische Übersetzung und bistabiler Mechanismus.

Im Rahmen der Konzeptentwicklung erweist sich ein magnetisch bistabiler Mechanismus mit elektrothermomechanischer Aktuierung als vorteilhaft. Das Wirkprinzip ist elektrothermisch, die Übersetzung erfolgt über eine mechanische Kniehebelstruktur und die Bistabilität wird durch ein statisches Magnetfeld erzeugt.

Durch die Kombination von zwei elektrothermischen Aktoren und einer optimierten magnetischen Flussführung, können große Kräfte (bis 10 mN) und Hübe (bis 100 µm) erzeugt werden. Die zu Beginn geforderten Werte, 1 mN Kraft und 10 µm Hub, werden somit weit übertroffen. Dies wird dadurch erreicht, dass beide Kraftquellen im jeweils optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Die resultierende Kraft der beiden Quellen ist über den gesamten dargestellten Weg größer als die durch die Kontaktfeder erzeugte Gegenkraft. In der Nähe der Flussführung steigt sie stark an und ermöglicht eine hohe Haltekraft, die ohne elektrische Energieaufnahme bestehen bleibt. Die vergleichsweise große Zeitkonstante der thermischen Aktoren wird durch den Pull-In-Effekt des Permanentmagneten kompensiert.

Die Entwicklung des Aktorsystems und eine Dimensionierung der funktionsrelevanten Teile ist abgeschlossen. Die Prozessschritte für die mikrotechnische Fertigung auf einem FR-4 Substrat sind erarbeitet. Eine Fertigung steht noch aus.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Aktor elektrothermisch, Aktorprinzipien, Mechanismus magnetisch bistabil
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 05 Sep 2011 14:00
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1702

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 03-11-2008

Ende Datum: 21-04-2009

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKS 1702
Gutachter / Prüfer: Staab, Dipl.-Ing. Matthias ; Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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