TU Darmstadt / ULB / TUprints

Mikro-Nano-Integration für metallische Mikrosysteme mit vertikal integrierten Federelementen

Greiner, Felix :
Mikro-Nano-Integration für metallische Mikrosysteme mit vertikal integrierten Federelementen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

[img]
Preview
Text
Dissertation-FelixGREINER-DINA5-Mikro-Nano-Integration-fuer-metallische-Mikrosysteme-mit-vertikal-integrierten-Federelementen.pdf - Published Version
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives, 2.5.

Download (14MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Mikro-Nano-Integration für metallische Mikrosysteme mit vertikal integrierten Federelementen
Language: German
Abstract:

Mikro-Nano-Integration (MNI) ist ein skalenübergreifender Ansatz, um Nanomaterialien in Mikrosystemen zur Anwendung zu bringen. Die Nanotechnologie bietet vielfältige, vollständig neuartige Effekte sowie wesentlich verstärkt auftretende Effekte und stellt so eine Bereicherung für die Funktionalität von Mikrosystemen dar. Gleichzeitig liefert die Mikrotechnik eine sehr gezielte Anbindung der Nanomaterialien an die Systemtechnik, sodass sich aus geringen Mengen Nanomaterial große Effekte im MNI-System erzielen lassen. Daher ist zu erwarten, dass der Einsatz von Nanomaterialien in Mikrosystemen zukünftig stark anwachsen wird. Das Anwendungsspektrum der MNI-Systeme erstreckt sich bereits heute von einem sehr starken Sektor der Mikrosensorik, über Mikroaktorik, Mikroelektronik und Optik bis hin zu Chemie, Energie und biotechnischen Systemen. Eine umfangreiche Analyse zum Stand der Technik und zum Stand der Standardisierung verdeutlicht die Relevanz des Themenfelds.

Die Technologie zur Integration von Nanomaterialien weist eine Reihe an Herausforderungen auf, da die Integrationsschritte erheblichen Einfluss auf die Nanomaterialeigenschaften haben. In dieser Arbeit werden Verfahren zur Vor-Ort-Synthese hochgeordneter 1-D Nanomaterialien betrachtet, insbesondere galvanisch abgeschiedener metallischer Nanodrähte.

Sind diese Nanodrähte senkrecht stehend auf einem Trägersubstrat verankert, können sie als einseitig eingespannte Biegestäbe betrachtet und in alle lateralen Richtungen flexibel federnd gebogen werden. Diese Eigenschaft macht sich der hier untersuchte Ansatz zum Aufbau eines Inertialsensors zunutze. Fixiert man eine Inertialmasse am freien Ende des Biegestabs, ist diese in erster Näherung mit zwei lateralen translatorischen und zwei lateralen rotatorischen Freiheitsgraden aufgehängt. Somit lässt sich mit einer einzigen Inertialmasse die Beschleunigung in zwei lateralen Raumrichtungen bzw. die Drehrate aus der Ebene hinaus in Richtung der Biegestab-Hauptachse messen. Die Besonderheit dieses Ansatzes liegt in den geringen Abmessungen sowie der Skalierbarkeit des Konzepts. Im Gegensatz zum Stand der Technik bei Silizium-Inertialsensoren wird für Federelement und Masseelement deutlich weniger Chipfläche benötigt. Die Arbeit beschreibt die statische und dynamische Auslegung des Beschleunigungs- und des Drehratensensors einschließlich Stabilitätsbetrachtung des Biegestabs, der Übertragungsfunktionen und der Dimensionierung von der Mikroaktorik.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Fertigung des Technologie-Demonstrators basierend auf den Verfahren UV-Lithographie mit anschließender Galvanoformung (UV LIGA) und Röntgen-Synchrotron-Lithographie mit anschließender Galvanoformung (Röntgen LIGA). Diese ermöglichen die Fertigung senkrecht stehender dünner Stäbe aus Metall, die als Federelemente dienen, in direkter Umgebung von Metallquadern, die als Inertialmassen fungieren. Mit Hilfe tiefenlithographischer Verfahren auf Basis von UV-Strahlung bzw. von Röntgen-Synchrotron-Strahlung lassen sich Photoresiste so mikrostrukturieren, dass Öffnungen mit Länge-zu-Durchmesser-Verhältnissen (Aspektverhältnissen) von bis zu 14,5 für UV-Strahlung und von bis zu 70 für Röntgen-Synchrotron-Strahlung entstehen. Die Kombination von Lithographieschritten in mehreren aufeinander folgenden Ebenen mit Metallabscheideschritten erlaubt die Vor-Ort-Synthese der Inertialsensor-Funktionselemente.

Im Rahmen dieser Arbeit entstehen so Technologie-Demonstatoren für einachsige, differentiell kapazitiv auswertbaren Beschleunigungssensoren mit Federelementen und Inertialmassen aus galvanisch abgeschiedenem Kupfer. Ihr Aufbau zu Sensor-Demonstratoren mündet in der Charakterisierung des statischen und dynamischen Übertragungsverhaltens. Der Übertragungsfaktor eines Sensor-Demonstrators beträgt 26,46 fF/g. Die Durchmesser der als Federelemente eingesetzten Stäbe lassen sich entsprechend der Auslegung gezielt zwischen 1,5 µm und 75 µm bei Längen zwischen 94 µm und 409 µm einstellen. Die Skalierbarkeit des Konzepts stellt jedoch in Aussicht, auch Submikro- und Nanodrähte mit Durchmessern kleiner als 1 µm einzusetzen.

Diese Arbeit stellt den internationalen Stand der Technik zur Mikro-Nano-Integration in einem neuen Umfang dar. Beispielhaft geht sie intensiv auf die Auslegung eines Multi-Inertialsensor-Technologie-Demonstrators mit nur einer Probemasse und nur einem Federelement ein und stellt so einen wegweisenden Ansatz für neuartige hochminiaturisierte Inertialsensoren vor. Auf technologischer Ebene geht die Arbeit auf neuartige Ansätze zur Optimierung der galvanischen Multiskalenfertigung ein und gibt detaillierte Parameter zur Reproduktion der gesamten Prozesskette an. Erstmals wird die Funktion eines Inertialsensors mit nur einem vor Ort synthetisierten Biegestab aus Metall als Federelement experimentell nachgewiesen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Micro nano integration (MNI) is an approach for the usage of nanomaterial in microsystems covering multiple scales. Nanotechnology offers novel effects and significantly intensifies effects, thus enriching the functionality of microsystems. Microtechnology provides a very specific connection of nanomaterial to systems technology enabling huge effects in MNI-systems even with small amounts of nanomaterial. Therefore, a widespread usage of nanomaterial in microsystems is anticipated. Even today, the applications of MNI-systems already cover various fields such as the sector of microsensors, being highly developed, micro actuators, microelectronics, optics, chemistry, and biotechnological systems. A substantial analysis of the state of the art for technology and standardization points out the importance of this area of research. Integration of nanomaterial bears diverse challenges as the steps of integration have strong influence on the properties of the resulting nanomaterial. This work investigates methods of in-situ synthesis of highly ordered 1-D materials, in particular of electroformed metallic nanowires. The nanowires, in this case fixed vertically oriented on substrates, are considered to be unilaterally clamped posts that can be elastically flexed in all lateral directions. The described approach makes use of these properties to build an inertial sensor. An inertial mass fixed to the free end of the flexible post can be regarded as suspended with two laterally translational and two laterally rotational degrees of freedom. Hence a single inertial mass can be used to measure acceleration in two lateral directions or gear-rate out of plane in the direction of the flexible post's main axis. What makes this approach so special are the small dimensions and the scalability of the concept. Compared to the state of the art silicon inertial sensors, the chip size needed for suspension element and mass element are dramatically reduced. This thesis describes the static and dynamic design of the accelerometer and the vibratory gyrometer including a stability analysis of the flexible post, the transfer function, and the dimensioning of the micro actuator. A further focus is on the fabrication of the technology demonstrator based on UV lithography with subsequent electroforming (UV LIGA) and X-ray synchrotron lithography with subsequent electroforming (Röntgen LIGA). Both offer the possibility to fabricate thin metal posts serving as suspension elements in the vincinity of metal cubes serving as inertial masses. Using depth lithography methods based on UV or X-ray radiation, photoresists can be micro structured in a way causing holes with high ratios of depth to diameter. These aspect ratios reach 14.5 for UV and even 70 for X-ray radiation. A combination of lithography steps in several consecutive layers with metal desposition steps allows the in-situ synthesis of the inertial sensor functional elements. As a part of this thesis, technology demonstrators for one axis sensing accelerometers are fabricated and evaluated by measuring their differential capacitance. Their suspension and mass elements are made of electroformed copper. The assembly of sensor demonstrators leads to the characterization of the static and the dynamic transfer behavior. The transfer factor of one sensor demonstrator is 26,46 fF/g. According to the dimensioning, the diameter of the suspension elements can be varied between 1.5 and 75 µm with lengths ranging from 94 µm to 409 µm. The scalability of this concept even promises the use of submicron and nanowires with diameters less than 1 µm. This work presents the international state of the art in advanced technology for micro nano integration in a new scope. The dimensioning of a multi-inertial sensor with a single mass and a single suspension element is elaborated in an exemplary fashion. A path breaking approach for highly miniaturized inertial sensors is introduced. On the technological side, this work comprises new approaches to optimize galvanic multi scale fabrication. It gives detailed parameters in order to provide the reproducibility of all steps in the process chain. For the first time, the functionality of an inertial sensor applying only one grown in place metal flexible post as suspension element is proven in experiment. English
Series Name: Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Volume: 30
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
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: 25 Oct 2013 06:03
Last Modified: 16 Jun 2017 09:13
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36406
Referees: Schlaak, Prof. Helmut F.
Refereed: 27 September 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3640
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year