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Optimierung elektrothermomechanischer Mikroaktorik aus dem negativen Photolack SU-8

Deder, Alexander (2011):
Optimierung elektrothermomechanischer Mikroaktorik aus dem negativen Photolack SU-8.
TU Darmstadt, [Bachelor Thesis]

Abstract

Das Ziel der Arbeit ist es, die am Institut für Elektromechanische Konstruktionen der Technischen Universität Darmstadt entwickelte elektrothermomechanische U-förmige Aktorik eines MEMS Relais in ihrem Wirkungsgrad zu optimieren. Der Aktor wird aus dem negativen Photoresist SU-8 gefertigt, der sich durch ein niedriges Elastizitätsmodul, gute thermische Eigenschaften und einfache Verarbeitung als geeignetes Material erwiesen hat. Die Leerlaufauslenkung von ca. 75 μm, bzw. die erzeugte Blockierkraft von ca. 19 mN, erfordert aktuell eine zu große Heiztemperatur von ca. 150°C, die auf Dauer den Aktor schädigt und daher durch eine Überarbeitung der Geometrie gesenkt werden soll. Um dieses Ziel zu erreichen, wird zuerst ein mechanisches Modell des Aktors erstellt, welches die Beeinflussung durch den direkt am SU-8 Balken angebrachten Nickel-Heizleiter, die Temperaturverteilung im Balkenquerschnitt und die Möglichkeit von Querschnittsänderungen im Balkenverlauf berücksichtigt. Mit diesem Modell ist es möglich zu bestimmen, wie die geometrischen Abmessungen des Aktors, dessen Kraft und Auslenkung beeinflussen. Aus dem Modell ergibt sich, dass lange und schmale Balken eine Steigerung der Auslenkung bewirken, wohingegen kurze und breite Balken eine höhere Aktorkraft erzeugen. Um diese Gegensätzlichkeit zu umgehen, bietet es sich an, den Balken in mehrere Segmente mit unterschiedlichen Abmessungen zu unterteilen. Der optimierte Aktor ist nicht nur an den zur Verfügung stehenden Bauraum (b = 1, 25mm; l = 4, 6 mm; h = 0, 3mm) gebunden, sondern auch durch die fertigungsbedingte Anforderung eines Mindestabstands der Aktorbalken von 0,1 mm. Dennoch ist es durch eine geeignete Wahl der Abmessungen gelungen, mit der neuen Aktorform eine Absenkung der Betriebstemperatur von 153°C auf 118°C, bei gleich bleibender Kraft und Auslenkung zu erreichen, was einer Leistungssteigerung von 23% entspricht.

Item Type: Bachelor Thesis
Erschienen: 2011
Creators: Deder, Alexander
Title: Optimierung elektrothermomechanischer Mikroaktorik aus dem negativen Photolack SU-8
Language: German
Abstract:

Das Ziel der Arbeit ist es, die am Institut für Elektromechanische Konstruktionen der Technischen Universität Darmstadt entwickelte elektrothermomechanische U-förmige Aktorik eines MEMS Relais in ihrem Wirkungsgrad zu optimieren. Der Aktor wird aus dem negativen Photoresist SU-8 gefertigt, der sich durch ein niedriges Elastizitätsmodul, gute thermische Eigenschaften und einfache Verarbeitung als geeignetes Material erwiesen hat. Die Leerlaufauslenkung von ca. 75 μm, bzw. die erzeugte Blockierkraft von ca. 19 mN, erfordert aktuell eine zu große Heiztemperatur von ca. 150°C, die auf Dauer den Aktor schädigt und daher durch eine Überarbeitung der Geometrie gesenkt werden soll. Um dieses Ziel zu erreichen, wird zuerst ein mechanisches Modell des Aktors erstellt, welches die Beeinflussung durch den direkt am SU-8 Balken angebrachten Nickel-Heizleiter, die Temperaturverteilung im Balkenquerschnitt und die Möglichkeit von Querschnittsänderungen im Balkenverlauf berücksichtigt. Mit diesem Modell ist es möglich zu bestimmen, wie die geometrischen Abmessungen des Aktors, dessen Kraft und Auslenkung beeinflussen. Aus dem Modell ergibt sich, dass lange und schmale Balken eine Steigerung der Auslenkung bewirken, wohingegen kurze und breite Balken eine höhere Aktorkraft erzeugen. Um diese Gegensätzlichkeit zu umgehen, bietet es sich an, den Balken in mehrere Segmente mit unterschiedlichen Abmessungen zu unterteilen. Der optimierte Aktor ist nicht nur an den zur Verfügung stehenden Bauraum (b = 1, 25mm; l = 4, 6 mm; h = 0, 3mm) gebunden, sondern auch durch die fertigungsbedingte Anforderung eines Mindestabstands der Aktorbalken von 0,1 mm. Dennoch ist es durch eine geeignete Wahl der Abmessungen gelungen, mit der neuen Aktorform eine Absenkung der Betriebstemperatur von 153°C auf 118°C, bei gleich bleibender Kraft und Auslenkung zu erreichen, was einer Leistungssteigerung von 23% entspricht.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen
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: 09 Jan 2012 13:37
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKB1776

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 30-05-2011

Ende Datum: 31-10-2011

Querverweis:

Identification Number: 17/24 EMKB1776
Referees: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F.
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