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Entwurf und tiefenlithographische Realisierung mikrostrukturierter Schrittantriebe

Eicher, Dirk :
Entwurf und tiefenlithographische Realisierung mikrostrukturierter Schrittantriebe.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwurf und tiefenlithographische Realisierung mikrostrukturierter Schrittantriebe
Language: German
Abstract:

Seit der Etablierung der Mikrosystemtechnik konzentrieren sich kommerzielle Anwendungen vorwiegend im Bereich der Sensorik, während in der Antriebstechnik nach wie vor feinwerktechnische Lösungen mit eingeschränktem Miniaturisierungsgrad überwiegen. In dieser Arbeit wird daher nach Aufarbeitung des Standes der Technik miniatursierter Schrittantriebe die Realisierung einer mikrostrukturierten Inchwormplattform beschrieben. Ausgangspunkt sind dabei die am Institut für Elektromechanische Konstruktionen entwickelten monolithischen Positioniersysteme.

Ziel der Arbeit ist es, den Übergang vom miniaturisierbaren zum miniaturisierten und im Batchverfahren herstellbaren Antrieb zu vollziehen. Hierfür wird nach Auswahl und Beschaffung der fehlenden Anlagen eine durchgängige Prozesskette zur tiefenlithographischen Strukturierung des epoxidbasierten Negativlacks SU-8 eingeführt. Opferschichten aus unvernetztem SU-8 und galvanisch abgeschiedenem Kupfer dienen zur Herstellung freitragender nachgiebiger Strukturen. Als Grundlage für die Auslegung der mikromechanischen Antriebselemente werden relevante Materialeigenschaften, wie Elastizitätsmodul und thermischer Ausdehnungskoeffizient der realisierten SU-8-Strukturen, charakterisiert. Außerdem wird der Einsatz des Platinenmaterials FR-4 als Substrat für zukünftige Systems-on-a-PCB untersucht.

Als Aktorelemente zur Erzeugung der schrittweisen Bewegung werden nach Diskussion der Vor- und Nachteile gängiger Wandlungsmechanismen der Mikrosystemtechnik aufgrund der erreichbaren hohen Kräfte und Stellwege elektrothermische Kniehebelaktoren ausgewählt. Diese lassen sich durch Metallisierung der SU-8-Strukturen prozesstechnisch einfach integrieren. Aufgrund des hohen Ausdehnungskoeffizienten und niedrigen Elastizitätsmoduls von SU-8 werden die erforderlichen Auslenkungen bereits bei Betriebstemperaturen von 100°C erreicht.

Die Auslegung der für die miniaturisierte Inchwormplattform erforderlichen Vorschub- und Klemmaktoren erfolgt mittels dreidimensionaler Finite-Elemente-Simulation. Ausgehend von einer elektrischen Spannung wird zunächst das nichtlineare elektrothermische Feldproblem gelöst. Anschließend werden die resultierenden Knotentemperaturen als Last einer thermomechanischen Rechnung aufgeprägt. Aufgrund der gegebenen Größenverhältnisse kann der Wärmetransport über die Luft im Gegensatz zur Wärmestrahlung dabei nicht vernachlässigt werden und ist mittels experimentell ermittelter Übergangskoeffizienten als Randbedingung zu berücksichtigen. Ergebnis der Simulation sind die Kraft-Weg-Kennlinien der Aktoren in Abhängigkeit der angelegten Spannung.

Die Verifizierung des Finite-Elemente-Modells erfolgt statisch und dynamisch auf einem umgerüsteten Wafer-Prober mittels hochauflösender CCD-Kamera und Bildverarbeitungsalgorithmen zur Mustererkennung. Auf diesem Messplatz kann schließlich auch die Funktion des tiefenlithographisch strukturierten Schrittantriebs nachgewiesen werden.

Einen zusätzlichen Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung spezieller Mechanismen zur Realisierung eines bistabilen und damit energieeffizienteren Klemm-Mechanismus. Nach Diskussion theoretischer Grundlagen wird die Realisierbarkeit bistabiler Elemente aus SU-8 gezeigt und ein Konzept zur Integration in den mikrostrukturierten Schrittantrieb vorgestellt.

Der letzte Teil der Arbeit behandelt schließlich mögliche Anwendungen der miniaturisierten Inchwormplattform im Bereich der Mikropositionierung und Mikro-Optik, bevor die Ergebnisse zusammengefasst werden und ein Ausblick auf mögliche Anknüpfungspunkte gegeben wird.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Since the establishment of MEMS technologies, commercial applications are mainly focused in the field of sensors, while in drive and motor technology precision engineering solutions with limited degree of miniaturization are still dominant. After wrapping up the state of the art of miniaturized stepping drives, this thesis therefor describes the realization of a micro-structured Inchworm plattform based on the monolithic positioning systems developed at the Institute of Electromechanical Design. The aim of the work is to make the transition from miniaturizable to miniaturized drives which can be fabricated in a batch process. Hence after the required equipment has been selected and procured a continuous process chain for fabrication of high-aspect-ratio micro-structures using the epoxy-based negative resist SU-8 has been introduced. Sacrificial layers of uncrosslinked SU-8 as well as electroplated copper are used to produce self-supporting flexible structures. As a basis for the design of micro-mechanical drive elements, relevant material properties, such as Young's modulus and thermal expansion coefficient of the realized SU-8 structures have been characterized. Furthermore, the use of FR-4 printed circuit board material has been examined as an alternative substrate material for future systems-on-a-PCB. Advantages and disadvantages of common conversion mechanisms used in microsystems technology are discussed and finally v-shaped electrothermal actuators are selected for the generation of stepwise movement due to their achievable large forces and displacements. These can be easily realized by metallization of the SU-8 features. Because of the high expansion coefficient and low Young's modulus of SU-8, the required deflections are already achieved at operating temperatures as low as 100°C. For the design of the feed and clamping actuators required for the miniaturized Inchworm plattform three-dimensional finite element simulation is used. Starting with an electrical voltage first the nonlinear electro-thermal field problem solved. The resulting nodal temperatures are then imposed as load on the model for a thermo-mechanical calculation. In contrast to radiation heat transport through the sourrounding air cannot be neglected due to the given geometrical dimensions and therefor has to be considered by means of experimentally determined heat transfer coefficients.As a result of the simulation the force-displacement curves of the actuators are obtained a function of the applied voltage. The finite element model is verified experimentally on a adapted wafer prober using a high-resolution CCD camera and image processing algorithms for pattern recognition. The same measurement setup is used to show the operation of the lithographically fabricated micro-stepping drive. Additionally, this thesis focuses on specific mechanisms for the implementation of bi-stable and thus more energy efficient clamping mechanisms. After discussion of the theoretical basis, the feasibility of bistable elements made of SU-8 and a concept for their integration into the micro-structured stepping drive are shown. Finally, possible applications of the miniaturized Inchworm plattform in the field of micro-positioning and micro-optics are discussed, before the results are summarized and an outlook on possible future work is presented.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 27 Jun 2011 07:40
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-26106
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Schlaak, Prof. Dr.- Helmut F. and Schwesinger, Prof. Dr.- Norbert
Refereed: 27 January 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2610
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