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Elektrothermisch aktuiertes magnetostatisch bistabiles Mikrorelais für Schaltmatrizen

Staab, Matthias :
Elektrothermisch aktuiertes magnetostatisch bistabiles Mikrorelais für Schaltmatrizen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Elektrothermisch aktuiertes magnetostatisch bistabiles Mikrorelais für Schaltmatrizen
Language: German
Abstract:

Viele Mikroaktoren dienen der Interaktion eines technischen Systems mit einer makroskopischen Umgebung. Im Gegensatz zu Mikrosensoren sind sie daher nicht beliebig miniaturisierbar. Bei lateralen Abmessungen im Millimeterbereich ist eine Kostenreduzierung daher nur durch robuste Fertigungsprozesse und kostengünstige Werkstoffe in Verbindung mit einem speziell darauf angepassten Systemkonzept möglich. Diese Aspekte sind Gegenstand der vorliegenden Arbeit und werden am Beispiel eines auf elektrothermischer polymerer Mikroaktorik basierenden bistabilen Mikrorelais erforscht.

Der bis ins Jahr 1978 zurückreichende Stand der Technik umfasst mehr als 80 Mikrorelaiskonzepte, wobei bis heute keine kommerzielle Variante bekannt ist, die auf Grund annähernd vergleichbarer Eigenschaften als Ersatz für klassische Signalrelais (z.B. Tyco Axicom P1 V23026) Anwendung findet. Basierend auf einer Analyse der veröffentlichten Konzepte, dem Einbeziehen von alternativen Werkstoffen und dem Kombinieren von feinmechanischen und mikrotechnischen Fertigungstechnologien, wird ein neuartiges, elektrothermisch aktuiertes, magnetostatisch bistabiles Mikrorelais samt robustem Herstellungsprozess entwickelt. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der eingesetzten polymeren Mikroaktorik. Diese muss einerseits eine Kontaktkraft > 6 mN für einen stabilen Kontaktwiderstand < 50 mOhm und andererseits einen Stellweg > 30 µm für eine ausreichende Isolationsfestigkeit > 500 V bei geringem Bauraum (< 1 x 4 x 0,3 mm³) zur Verfügung stellen. Die thermischen Ausdehnungskörper sind zur Kompensation von Umgebungstemperaturänderungen als Pseudo-Bimorph ausgelegt und werden aus dem epoxidbasierten Negativphotoresist SU-8 mittels UV-Tiefenlithographie gefertigt. Die Funktionsintegration des bistabilen Haltemechanismus und des elektrischen Kontaktsystems wird durch die gleichzeitige Nutzung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften mikrogalvanisch strukturierter Nickelelemente realisiert. Miniaturmagnete erzeugen das erforderliche Magnetfeld, weshalb das Mikrorelais außerhalb der Schaltvorgänge keine elektrische Leistung aufnimmt. Der bei Mikrosystemen große Anteil des Gehäuses am Gesamtbauraum sinkt deutlich beim Übergang zu einer Schaltmatrix, bei der nur ein Gehäuse für alle auf dem Substrat befindlichen Einzelrelais benötigt wird.

Im Rahmen der Arbeit entsteht ein analytisch geschlossenes Modell zur statischen und dynamischen Beschreibung der polymeren Mikroantriebe, das mit numerischen Finite-Elemente-Rechnungen (ANSYS) und umfangreichen Messungen an aufgebauten Demonstratoren sehr gut übereinstimmt. Zur Beschreibung des magnetostatisch bistabilen Kontaktsystems wird die analytische Herleitung der qualitativen Kraftwirkung erarbeitet. Die absoluten Kraftbeträge werden auf Grund der komplexen Magnetfeldgeometrie numerisch (CST EM Studio) ermittelt. In beiden Fällen ist der Einfluss aller Parameter auf die Mikroaktorik bzw. auf das Kontaktsystem ausführlich diskutiert. Im Bereich der Technologieforschung werden alternative Substratmaterialien zum Silizium wie FR-4 und Keramik und die Auswirkungen auf die Fertigungsprozesse untersucht. Neben der Kombination von Verfahren der Feinmechanik und der Mikrotechnik sind auch der Einsatz unempfindlicher Mikrogalvanik mit wartungsarmen Nickel- und Kupferelektrolyten und die Prozessoptimierung im Bereich der UV-Tiefenlithographie mit Schichtdicken > 200 µm zentrale Aspekte dieser Arbeit.

Insgesamt werden acht unterschiedliche Demonstratorversionen auf über 350 4-Zoll-Substraten im institutseigenen Reinraum eigenhändig gefertigt. Ergebnisse sind unter anderem die vollständige Charakterisierung der polymeren Mikroaktorik, der bistabilen Mikrorelais und der darauf basierenden Schaltmatrizen. Die Mikroaktoren weisen typische Kennwerte von 29 mN Blockierkraft und 60 µm Leerlaufauslenkung bei einer Steuerleistung von 120 mW auf. Langzeituntersuchungen der aufgebauten Mikrorelais konnten mit über zwei Millionen nachgewiesenen Schaltspielen ohne einen Ausfall erfolgreich absolviert werden. Der Kontaktwiderstand der Relais liegt bei einer Kontaktkraft von ca. 9 mN im Bereich < 30 mOhm, was das Schalten eines Stromes > 1,5 A bei 5 V an Luft ermöglicht. Die Kombination aus robuster Fertigungstechnologie und neuartigem Relaiskonzept ermöglicht es erstmals, mit dem vorgestellten Mikrorelais an die Kennwerte von klassischen Signalrelais heran zu reichen.

Die vorliegende Arbeit zeigt das Potential kostengünstiger, polymerer, bidirektionaler Mikroaktorik in einer exemplarischen Anwendung und ermöglicht die Weiterführung in zwei grundsätzlich unterschiedliche Forschungsrichtungen: Zum einen können auf Basis des vorgestellten Relaisentwurfs und der Fertigungsprozesse weitere Dickschicht-Mikrosysteme, wie Mikroventile, optische Mikroschalter und smarte Sensor-Aktor-Systeme entstehen. Zum anderen kann die vielversprechende Integration von Verfahren der Feinmechanik in Form von z.B. Mikrofräsen, Mikrolaserbearbeitung oder Mikrospritzguss weiter untersucht und optimiert werden. Dabei können weitere Mikroaktorsysteme, wie beispielsweise mobile haptische Braille-Displays, realisiert werden. Kostengünstige polymere Mikroaktorik kann auf diese Weise in vielen Bereichen Anwendung finden, wofür die vorliegende Arbeit wesentliche Grundsteine legt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Many micro actuators are used for an interaction between a technical system and a macroscopic environment. Compared to micro sensors they are limited in miniaturization. With lateral dimensions in the millimeter range, cost reduction is only possible through robust manufacturing processes with low-cost materials in combination with a specially adapted system concept. These aspects are the subject of this work and are explored using the example of a polymeric electrothermal micro actuator based bistable micro relay. The state of the art reaches back to 1978 and includes more than 80 micro relay concepts. Presently, there is no known commercial micro relay with comparable properties that can be used as a replacement for classical signal relays (e.g. Tyco Axicom P1 V23026). Based on an analysis of published concepts, the application of alternative materials and the combination of precision engineering and micro manufacturing technologies, a new electrothermally operated, magneto-static bistable micro relay including a robust fabrication process is developed. The focus of this work is on polymeric micro actuators. These must provide both a contact force > 6 mN for a stable contact resistance < 50 mOhm and an overall travel > 30 µm for a sufficient dielectric strength > 500 V needing only a small component volume (< 1 x 4 x 0,3 mm³). The thermal expansion bodies are designed as a pseudo-bimorph to compensate changes in ambient temperature and are made of the epoxy-based negative photoresist SU-8 using UV depth lithography. The functional integration of a bistable mechanism and an electrical contact system is realized by simultaneously using the magnetic and electric properties of electroplated nickel elements. Miniature magnets produce the required magnetic field, and therefore the micro relay does not consume electrical power outside of the switching operations. The space required for housing micro systems is significantly reduced by a transition from a single MEMS relay to a switching matrix, where only one housing for all relays on a substrate is needed. A closed analytical model for the static and dynamic behaviour of the polymeric micro actuators is developed, which corresponds to the numerical finite element calculations (ANSYS) and extensive measurements of the assembled demonstrators. To describe the magneto-static bistable contact system, the analytical description of the qualitative force effect is derived. The absolute magnitude of the force is numerically calculated on the base of the complex magnetic field geometry (CST EM Studio). In both cases, the influence of all parameters on the micro actuator and the contact system are discussed in detail. In the area of technology research alternative substrate materials like FR-4 and ceramics and their influence on the manufacturing processes are investigated. The use of robust micro electroplating with low maintenance nickel and copper electrolytes and the process optimization of UV depth lithography with layer thicknesses > 200 µm are also key aspects of this work. A total of eight different versions of functional models are fabricated on over 350 4-inch-substrates in the institute's own cleanroom. The polymeric micro actuators, the bistable micro relays and the switching matrices are fully characterized. The micro actuators show typical characteristics of 29 mN blocking force and 60 µm overall travel with a power consumption of 120 mW. Long-term studies of the fabricated micro relays have been successfully completed with over two million documented cycles without any failure. The contact resistance of the relay at a contact force of about 9 mN is < 30 mOhm, which enables the switching of a current > 1,5 A at 5 V in air. The presented novel MEMS relay fabricated by a low-cost and robust fabrication technology for the first time approaches the performance of classical signal relays. This thesis shows the potential of low-cost, polymeric and bi-directional micro actuators in an exemplary application. It further allows the continuation in two fundamentally different research directions: First, more thick-film micro systems like micro valves, optical micro switches and smart sensor actuator systems can arise on the basis of the presented relay design and manufacturing processes. Second, the promising integration of precision mechanics like micro milling, micro laser machining or micro injection molding can be further investigated and optimized. In this case, further micro actuator systems such as mobile tactile Braille displays can be realized. Low-cost polymeric micro actuators can thus find application in many areas, for which this thesis lays important foundations.English
Volume: 31
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: 16 Dec 2013 11:46
Last Modified: 16 Dec 2013 11:46
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37048
Referees: Schlaak, Prof. Helmut F. and Seidel, Prof. Helmut
Refereed: 28 November 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3704
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