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Optimierung der Leistungsfähigkeit elektrothermischer Polymeraktoren aus SU-8 am Beispiel eines haptischen Displays

Winterstein, Thomas :
Optimierung der Leistungsfähigkeit elektrothermischer Polymeraktoren aus SU-8 am Beispiel eines haptischen Displays.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Optimierung der Leistungsfähigkeit elektrothermischer Polymeraktoren aus SU-8 am Beispiel eines haptischen Displays
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The examination of the operating limits and an optimization of miniaturized electro-thermal polymer actuators are subject of this thesis. This type of actuator is defined by applying local Joule heating to micro structured cantilevers or plates. Precise thermal expansion results in directional movement. The analysis of the state of the art covers 115 publications and provides a survey of miniaturized electrothermal actuators in general. The most common designs are discussed as well as applications and performance characteristics. The actuators take up an area of 118 µm² to 825 mm², reach deflections of 35 nm to 621 µm and blocking forces of 2,8 µN to 40 mN. The power consumption is between 0,5 mW an 6 W. Polymer electrothermal actuators make 14 % of the state of the art. The main constructional material is the UV negative photoresist SU-8, which allows cost-efficient fabrication of large, mechanically stable devices with large output forces. Regarding miniaturized actuators interacting with the surrounding environment, relatively large dimensions are necessary. The overview of polymer actuators leads to the research questions: The thermal and mechanical stability of SU-8 (expansion body) and electroplated nickel (heater) need to be examined and optimized for actuator use. Furthermore, the temperature distribution of the heated geometry can be homogenized to improve the overall actuator performance. An overview of the fabrication technologies at hand shows the technical capabilities. Further process development improves the possibilities: The existing lithography steps for electroforming molds, which provive a feature size of 50 µm on rough substrates, are optimized up to 20 µm. Furthermore, a spray process is established for conformal coating of structures up to 300 µm in height with 7...30 µm photoresist. Finally, substrates carrying micro systems are structured successfully by micro-milling. This allows to batch fabricate complex PCB-components with micro systems. The construction materials of the electrothermal actuators, SU-8 and electroplated nickel, are examined regarding their operating limits. The material properties prove to be dependent on the process parameters. The degree of cross-linking, the glass transition temperature and intrinsic layer stress are determined for SU-8. The degree of cross-linking is examined using infrared spectroscopy. The maximum temperatures of post- and hardbake prove to be the critical parameters and need to be chosen as high as possible. The glass transition temperature and the temperature dependence of the Young’s modulus are measured using a dynamic-mechanical analysis. An influence of the postbake temperature on the glass temperature is apparent even after hardbake. To keep a good structural resolution, the postbake temperature is chosen to 95 °C, the hardbake temperature is limited to 180 °C by the PCB substrate made of FR-4. This results in a glass temperature of about 135 °C and an maximum actuator temperature of 120 °C. Intrinsic layer stress is determined using indicator structures. Again depending on the process temperature, stress of 3...11 MPa is achieved. By sequential fabrication of two SU-8 layers, gradients of layer stress can be obtained, allowing normally latched structures. Electroplated nickel from a sulphamate bath is examined regarding it mechanical and electrical properties. The parameters temperature, current density, pulse-plating frequency, pulse-break ratio, electrolyte flow and cathode rotation influence the layer quality. The mechanical properties Young’s modulus (150 GPa), breaking stress (540 MPa) and intrinsic layer stress (≤20 MPa) are already examined and provided by literature research. The characterization of the resistivity is done using design of experiments. Average values of 0,065 Ωmm²/m to 0,078 Ωmm²/m are achieved, which are in the range of bulk material. The main influencing factors are current density, pulse-plating and substrate material. The temperature coefficient is determined by Joule heating a conducting path and result in 5,93·10−3K−1. To optimize the actuators, a defined and homogeneous temperature field is to be achieved along the heated geometry. Therefore, a new coupled FEM model is designed, which features the full actuator geometry containing substrate, air gaps, expansion body and the heater. Parametrization is done by applying the material properties discussed in the previous sections and the experimental determination of the convection coefficient (40 W/(m²K)). The model is validated using a characterized micro actuator leading to an accuracy of ±4 % for all domains. The model allows a novel optimization approach: First, the course of the thermal conductivity along the expansion body is determined. This provides the necessary local power output of the heater and leads to a geometryspecific heater design. Thus, the maximum temperature of the actuator is reached at wide areas along the heated beam. This method is applied to a reference actuator with an active space of 4 x 1 x 0,3 mm³. A blocking force of 43,7 mN and a deflection of 56,9 µm are reached. This equals an improved performance by 17 %. The actuators with improved materials and optimized heater are characterized by static, dynamic and long term tests. Deflection and temperature are proportional to the driving power, a permanent offset drift of 25 % of the deflection occurs during the first actuation cycles. A driving power of 150 mW leads to a maximum temperature of 120 °C and a deflection of 50 µm. During long term testing the maximum number of cycles decreases with the driving power: >45.000 cycles are achieved at 150 mW and reduce to 900 cycles at 315 mW. This is caused by fatigue failure of the metallic heater. Thermal degradation (about 200 °C) is reached at 350 mW. The rise time of the actuators at 150 mW is 1,9 s if driven by a current, voltage supply lead to 1,4 s. The relatively slow heat-up of the nickel structures lead to this notable difference. An experimental comparison of the reference actuator to the optimized design shows an improved deflection of 20...30 %. The last past of this thesis focuses on a novel application for electrothermal polymer actuators: A haptic display, an array of tactile pixels (taxels), is integrated in the button of a remote control. Each taxel can be raised out of the button surface by one fixed step to provide a haptic icon to the user. The two-point threshold of elderly people is required as a design rule and is determined by a user test applying a staircase procedure. It results in a distance (2,5 mm), a height (0,5 mm) and the shape (quadratic) of the taxels. The latter allows creating closed lines as well as tangible gaps. A novel drive consisting of a bistable locking mechanism with in-plane and out-of-plane actuators is presented, fabricated and characterized. Driving powers of 110 mW (in-plane) and 290 mW (out-of-plane) lead to a stroke of 0,6 mm and a total switching time of 5,2 s. The switching energy amounts to 1,26 Ws. This proves the feasibility of the application and the technical approach. The results serve as preliminary work for further operational scenarios such as large area Braille displays or adaptive computer terminals.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Mikroaktorik, Mikrosystemtechnik, SU-8, galvanisches Nickel, elektrothermisch, Optimierung, Braille, Display, geometrieangepasst
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 26 Oct 2016 12:23
Last Modified: 16 Nov 2016 14:29
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-57198
Referees: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F. and Wallrabe, Prof. Dr. Ulrike
Refereed: 30 August 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5719
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