Winterstein, Thomas (2016)
Optimierung der Leistungsfähigkeit elektrothermischer Polymeraktoren aus SU-8 am Beispiel eines haptischen Displays.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Untersuchung der Betriebsgrenzen und die Optimierung der Leistungsfähigkeit miniaturisierter elektrothermischer Polymeraktoren sind Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Diese Aktorklasse definiert sich durch die Nutzung der thermischen Ausdehnung von eingespannten mikrostrukturierten Stäben oder Platten. Durch lokale Erzeugung Joule’scher Wärme wird die Aktorgeometrie definiert ausgedehnt und eine gerichtete Bewegung erzeugt.

Die Analyse des Stands der Technik umfasst 115 Publikationen und gibt eine Übersicht über miniaturisierte elektrothermische Aktoren. Zunächst werden die häufigsten Grundgeometrien diskutiert und auf Applikationen und Kenndaten der Aktoren eingegangen. Die Aktoren nehmen aktive Flächen von 118 µm² bis 825 mm² ein, erreichen Auslenkungen zwischen 35 nm und 621 µm und Kräfte von 2,8 µN bis 40 mN. Die Leistungsaufnahme liegt zwischen 0,5 mW und 6 W. Elektrothermische Polymeraktoren sind mit 14 % im Stand der Technik vertreten. Als Material kommt überwiegend der UV-Negativresist SU-8 zum Einsatz, der die kostengünstige Fertigung großer, mechanisch stabiler Aktoren mit hohen Kräften ermöglicht. Gerade im Hinblick auf eine Interaktion mit der Umwelt ist dies erforderlich. Aus der Übersicht der Polymeraktoren leiten sich die Forschungsfragen ab: Die thermische und mechanische Stabilität der Werkstoffe SU-8 (Dehnungskörper) und galvanisch abgeschiedenes Nickel (Heizer) soll untersucht und optimiert werden. Weiterhin soll die Temperaturverteilung in den geheizten Bereichen der Aktorgeometrie homogenisiert werden, um die Leistungsfähigkeit der Aktoren zu erhöhen.

Eine Übersicht der notwendigen Fertigungstechnologien zeigt den Gestaltungsspielraum der Aktorauslegung auf. Die im Rahmen der Arbeit durchgeführte Prozessentwicklung eröffnet weitere Möglichkeiten. Die bestehenden Lithographieprozesse für Galvanoformen mit einer Strukturweite von 50 µm auf rauen Substraten werden hin zu 20 µm optimiert. Weiterhin wird ein Sprühbelackungsprozess etabliert, mit dem sich große freistehende Topologien bis zu 300 µm Höhe konform mit 7...30 µm Lack beschichten lassen. Außerdem werden Substrate im Anschluss an die mikrotechnische Fertigung erfolgreich durch Mikrofräsen strukturiert. So können Leiterplattenkomponenten mit Mikrosystemen im Batch gefertigt werden.

Die Konstruktionsmaterialien der Mikroaktoren, SU-8 und galvanisch abgeschiedenes Nickel, werden im Hinblick auf ihre Einsatzgrenzen untersucht. Die Eigenschaften von beiden Werkstoffen sind abhängig von den Herstellungsparametern. Für SU-8 werden der Vernetzungsgrad, die Glastemperatur und die intrinsischen Spannungen bestimmt. In der Untersuchung des Vernetzungsgrade mittels Infrarotspektrometrie erweisen sich die Maximaltemperaturen von Post- und Hardbake als kritische Parameter, die so hoch wie möglich zu wählen sind. Die Glastemperatur und das Temperaturverhalten des Elastizitätsmoduls werden mittels Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA) untersucht. Unterschiede in der Postbaketemperatur beeinflussen die Glastemperatur auch nach dem Hardbake. Zu Gunsten der Strukturauflösung wird der Postbake auf 95 °C festgelegt, der Hardbake darf wegen des gewählten Substratmaterials FR-4 180 °C nicht überschreiten. Daraus folgt eine Glastemperatur von ca. 135 °C und eine Betriebsgrenze der Mikroaktoren von 120 °C. Intrinsische Schichtspannungen werden mit Hilfe von Zeigerteststrukturen untersucht. Es ergeben sich Spannungsbeträge von 3...11 MPa. Durch sequentielles Fertigen von zwei SU-8-Schichten mit unterschiedlichen Parametern lassen sich Spannungsgradienten und damit vorgespannte Strukturen erzeugen. Für galvanisch aus einem Sulfamatbad abgeschiedenes Nickel als Heizermaterial sind die mechanischen und elektrischen Eigenschaften wichtig. Die Parameter Temperatur, Stromdichte, Pulse-Plating-Frequenz, Puls-Pause-Verhältnis, Kathodenanströmung und -rotation beeinflussen die Schichtbeschaffenheit während der Herstellung. Die mechanischen Eigenschaften E-Modul (150 GPa), Zugfestigkeit (540 MPa) und intrinsische Spannungen (≤20 MPa) sind im Stand der Technik bereits untersucht und werden anhand einer Literaturrecherche aufgearbeitet. Die Charakterisierung des spezifischen Widerstands erfolgt durch eigene Versuche mit Hilfe eines statistischen Versuchsplans. Es ergeben sich Mittelwerte von 0,065 Ωmm²/m bis 0,078 Ωmm²/m, was in der Größenordnung von Bulk-Material liegt. Auswirkungen haben vor allem die Parameter Stromdichte, Pulse-Plating und Substratmaterial. Der Temperaturkoeffizient wird aus der Bestromung einer metallischen Streifenprobe bestimmt und ergibt sich zu 5,93·10−3/K.

Für die Optimierung der Aktoren ist eine gezielte Beeinflussung des Temperaturfelds durch die Heizergeometrie nötig. Hierfür wird ein neues gekoppeltes FEM-Modell erarbeitet, das erstmals Substrat, Luftspalte, Dehnungskörper und vor allem den Heizer als Volumenkörper berücksichtigt. Die Parametrisierung erfolgt über das in den vorigen Kapiteln bestimmte Materialverhalten und eigene Versuche zum Konvektionskoeffizienten (40 W/(m²K). Das Modell wird an einem vermessenen Aktor validiert und eine Genauigkeit aller Domänen von ±4 % erreicht. Das Modell ermöglicht ein neuartiges Optimierungsverfahren für die Mikroaktoren: Die thermische Leitfä- higkeit eines zu heizenden Dehnungskörpers wird analysiert. Daraus leitet sich die lokal nötige Leistungsabgabe des Heizers und damit ein geometrieangepasster Heizer ab. Damit stellt sich auf möglichst weiten Bereichen des heißen Balkens die Maximaltemperatur ein. Die Methode wird am Beispiel eines Referenzaktors mit einem aktiven Volumen von 4 x 1 x 0,3 mm³ vorgestellt und angewendet. Es wird eine Blockierkraft von 43,7 mN und eine Leerlaufauslenkung von 56,9 µm erreicht. Die simulierte Leistungssteigerung beträgt damit 17 %.

Das Verhalten der Aktoren mit verbesserten Materialien und optimiertem Heizer wird in statischen, dynamischen und Langzeituntersuchungen bestimmt. Auslenkung und Temperatur sind proportional zur Steuerleistung, in den ersten Aktorzyklen tritt jedoch eine remanente Nulllagenverschiebung entgegen der Betriebsrichtung von 25 % des Aktorhubs auf. Bei einer Steuerleistung von 150 mW stellen sich eine maximale Temperatur von 120 °C und eine Auslenkung von 50 µm ein. Im Dauertest sinkt die erreichbare Anzahl Aktorzyklen mit ansteigender Steuerleistung: Bei 150 mW werden >45.000 Zyklen, bei 315 mW noch ca. 900 Zyklen erreicht. Ausfallgrund ist der Ermüdungsbruch des Heizers. Die Leistung von ca. 350 mW führt zur thermischen Zerstörung (ca. 200 °C) der Aktoren. Die Ansprechzeit der Aktoren bei 150 mW ergibt sich bei Stromspeisung zu 1,9 s, bei Spannungsspeisung werden 1,4 s erreicht. Der Grund hierfür ist die träge Erwärmung des Heizers. Der Vergleich von Referenzaktor und optimiertem Design ergibt eine Steigerung der Auslenkung von 20...30 %.

Im letzten Teil der Arbeit wird eine neuartige Applikation für elektrothermische Polymeraktoren behandelt: Ein haptisches Display, bestehend aus einem Array taktiler Bildpunkte (Taxel), wird in die Taste einer Fernsehfernbedienung integriert. Jedes Taxel lässt sich um eine feste Höhenstufe aus der Tastenfläche anheben, um dem Benutzer haptische Icons darzustellen. Mit Hilfe der Staircase-Methode mit festen Stimuli wird die Zweipunktschwelle von Senioren ermittelt. Daraus folgt ein Taxelabstand von 2,5 mm, eine Taxelhöhe von 0,5 mm und die quadratische Grundform zur Darstellung geschlossener Linienzüge und deutlicher Abstände. Ein neuartiger Antrieb, basierend auf einer mechanisch bistabilen Verriegelung mit je einem elektrothermischen In-Plane- und Out-of-Plane-Aktor, wird vorgestellt, aufgebaut und charakterisiert. Mit einem Leistungsbedarf von 110 mW (In-Plane) und 290 mW (Out-of-Plane) wird ein Hub von 0,6 mm und eine Schaltzeit von 5,2 s erreicht. Die Schaltenergie beträgt 1,26 Ws. Damit ist die prinzipielle Machbarkeit der Applikation und des technischen Ansatzes gezeigt. Die erzielten Ergebnisse sind Vorarbeiten für andere Einsatzszenarien, wie großflächige haptische Displays oder adaptive Kiosksysteme.

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