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Optische Ablenkeinrichtung auf Basis eines Wanderkeil-Antriebes mit galvanisch abgeschiedener Nickel-Elektrode

Winterstein, Thomas :
Optische Ablenkeinrichtung auf Basis eines Wanderkeil-Antriebes mit galvanisch abgeschiedener Nickel-Elektrode.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2010)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung eines elektrostatischen Wanderkeil-Aktors zur Ablenkung eines punktförmigen Lichtsignals. Charakteristisch für einen Wanderkeil-Aktor ist ein variabler Elektrodenspalt:

Die bewegliche Elektrode des Aktors ist seitlich auf dem Dielektrikum der Basiselektrode verankert und horizontal weggekrümmt. Anlegen der Steuerspannung lässt die verspiegelte bewegliche Elektrode auf dem Dielektrikum abrollen. Der Aktor schließt und lenkt das Lichtsignal ab.

Die optische Ablenkeinrichtung soll in Oberflächenmikromechanik gefertigt werden. Zur Auslegung der Aktorgeometrie wird in einem Modell die Steuerspannung des Aktors in Beziehung zur Geometrie gebracht:

Die gekrümmte Elektrode wird als elastostatischer Biegebalken modelliert, auf den die elektrostatische Kraft als Streckenlast wirkt. Hieraus ergeben sich Eigenschaften und Dimensionen der Funktionsschichten des Aktors. Das erarbeitete Prozeßkonzept ist im Mikrotechniklabor des Instituts EMK umgesetzt:

Auf ein Silizium-Substrat wird eine Basiselektrode aufgesputtert (50 nm). Ein hierauf gesputtertes Dielektrikum aus Siliziumoxid (200 nm) isoliert die Basiselektrode. Die bewegliche Elektrode wird aus Nickel galvanisch abgeformt. Die Abscheidung bei zwei unterschiedlichen Stromdichten erzeugt einen Gradienten intrinsischer Spannungen. Dieser bewirkt die charakteristische Krümmung der beweglichen Elektrode. Eine Chrom-Opferschicht (20 nm) dient zur Freistellung. Die Oberfläche der galvanisch abgeschiedenen Elektrode weist geringe optische Eigenschaften auf. Sie wird durch eine Schicht des Photoresists SU-8 (75 µm) eingeebnet und mit Aluminium verspiegelt. Dies erzeugt einen Reflektionsfaktor von > 80 %. Auf dem Substrat werden Aktoren mit verschiedenen Geometrien gefertigt. Tabelle I zeigt exemplarisch die wichtigsten Kenndaten des Aktors.

* Dielektrikum: 205nm

* Aktordicke: 9,5µm

* Aktorlänge: 3020µm

* Aktorbreite: 486µm

* Auslenkung: 616µm

* Intrinsische Spannungen: Δp = 140MPa

Mit dem gewählten Prozesskonzept lassen sich Aktoren fertigen und freistellen, sind jedoch nicht funktionsfähig. Die Basiselektrode ist durch Unterätzung dekontaktiert. Das Prozesskonzept bleibt anzupassen. In einem Vorversuch konnte die Funktion der oben genannten Aktorgeometrie bei 45V Steuerspannung nachgewiesen werden.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2010
Autor(en): Winterstein, Thomas
Titel: Optische Ablenkeinrichtung auf Basis eines Wanderkeil-Antriebes mit galvanisch abgeschiedener Nickel-Elektrode
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung eines elektrostatischen Wanderkeil-Aktors zur Ablenkung eines punktförmigen Lichtsignals. Charakteristisch für einen Wanderkeil-Aktor ist ein variabler Elektrodenspalt:

Die bewegliche Elektrode des Aktors ist seitlich auf dem Dielektrikum der Basiselektrode verankert und horizontal weggekrümmt. Anlegen der Steuerspannung lässt die verspiegelte bewegliche Elektrode auf dem Dielektrikum abrollen. Der Aktor schließt und lenkt das Lichtsignal ab.

Die optische Ablenkeinrichtung soll in Oberflächenmikromechanik gefertigt werden. Zur Auslegung der Aktorgeometrie wird in einem Modell die Steuerspannung des Aktors in Beziehung zur Geometrie gebracht:

Die gekrümmte Elektrode wird als elastostatischer Biegebalken modelliert, auf den die elektrostatische Kraft als Streckenlast wirkt. Hieraus ergeben sich Eigenschaften und Dimensionen der Funktionsschichten des Aktors. Das erarbeitete Prozeßkonzept ist im Mikrotechniklabor des Instituts EMK umgesetzt:

Auf ein Silizium-Substrat wird eine Basiselektrode aufgesputtert (50 nm). Ein hierauf gesputtertes Dielektrikum aus Siliziumoxid (200 nm) isoliert die Basiselektrode. Die bewegliche Elektrode wird aus Nickel galvanisch abgeformt. Die Abscheidung bei zwei unterschiedlichen Stromdichten erzeugt einen Gradienten intrinsischer Spannungen. Dieser bewirkt die charakteristische Krümmung der beweglichen Elektrode. Eine Chrom-Opferschicht (20 nm) dient zur Freistellung. Die Oberfläche der galvanisch abgeschiedenen Elektrode weist geringe optische Eigenschaften auf. Sie wird durch eine Schicht des Photoresists SU-8 (75 µm) eingeebnet und mit Aluminium verspiegelt. Dies erzeugt einen Reflektionsfaktor von > 80 %. Auf dem Substrat werden Aktoren mit verschiedenen Geometrien gefertigt. Tabelle I zeigt exemplarisch die wichtigsten Kenndaten des Aktors.

* Dielektrikum: 205nm

* Aktordicke: 9,5µm

* Aktorlänge: 3020µm

* Aktorbreite: 486µm

* Auslenkung: 616µm

* Intrinsische Spannungen: Δp = 140MPa

Mit dem gewählten Prozesskonzept lassen sich Aktoren fertigen und freistellen, sind jedoch nicht funktionsfähig. Die Basiselektrode ist durch Unterätzung dekontaktiert. Das Prozesskonzept bleibt anzupassen. In einem Vorversuch konnte die Funktion der oben genannten Aktorgeometrie bei 45V Steuerspannung nachgewiesen werden.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Abscheideparameter Galvanik, Aktor elektrostatisch, Beschichten galvanisch, Dielektrische Materialien, Oberflächenmikromechanik, Spannung mechanische
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 14:04
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1720

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 08-06-2009

Ende Datum: 04-01-2010

Querverweis: 17/24 EMKD 1577, 17/24 EMKDIS60

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1720
Gutachter / Prüfer: Schlosser, Dipl.-Ing. Michael ; Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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