Entwurf und tiefenlithographische Realisierung mikrostrukturierter Schrittantriebe

Seit der Etablierung der Mikrosystemtechnik konzentrieren sich kommerzielle Anwendungen vorwiegend im Bereich der Sensorik, wahrend in der Antriebstechnik nach wie vor feinwerktechnische Losungen mit eingeschranktem Miniaturisierungsgrad uberwiegen. 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 fur Elektromechanische Konstruktionen entwickelten monolithischen Positioniersysteme. Ziel der Arbeit ist es, den Ubergang vom miniaturisierbaren zum miniaturisierten und im Batchverfahren herstellbaren Antrieb zu vollziehen. Hierfur wird nach Auswahl und Beschaffung der fehlenden Anlagen eine durchgangige Prozesskette zur tiefenlithographischen Strukturierung des epoxidbasierten Negativlacks SU-8 eingefuhrt. Opferschichten aus unvernetztem SU-8 und galvanisch abgeschiedenem Kupfer dienen zur Herstellung freitragender nachgiebiger Strukturen. Als Grundlage fur die Auslegung der mikromechanischen Antriebselemente werden relevante Materialeigenschaften, wie Elastizitatsmodul und thermischer Ausdehnungskoeffizient der realisierten SU-8-Strukturen, charakterisiert. Auserdem wird der Einsatz des Platinenmaterials FR-4 als Substrat fur zukunftige Systems-on-a-PCB untersucht. Als Aktorelemente zur Erzeugung der schrittweisen Bewegung werden nach Diskussion der Vor- und Nachteile gangiger Wandlungsmechanismen der Mikrosystemtechnik aufgrund der erreichbaren hohen Krafte und Stellwege elektrothermische Kniehebelaktoren ausgewahlt. Diese lassen sich durch Metallisierung der SU-8-Strukturen prozesstechnisch einfach integrieren. Aufgrund des hohen Ausdehnungskoeffizienten und niedrigen Elastizitatsmoduls von SU-8 werden die erforderlichen Auslenkungen bereits bei Betriebstemperaturen von 100°C erreicht. Die Auslegung der fur die miniaturisierte Inchwormplattform erforderlichen Vorschub- und Klemmaktoren erfolgt mittels dreidimensionaler Finite-Elemente-Simulation. Ausgehend von einer elektrischen Spannung wird zunachst das nichtlineare elektrothermische Feldproblem gelost. Anschliesend werden die resultierenden Knotentemperaturen als Last einer thermomechanischen Rechnung aufgepragt. Aufgrund der gegebenen Grosenverhaltnisse kann der Warmetransport uber die Luft im Gegensatz zur Warmestrahlung dabei nicht vernachlassigt werden und ist mittels experimentell ermittelter Ubergangskoeffizienten als Randbedingung zu berucksichtigen. Ergebnis der Simulation sind die Kraft-Weg-Kennlinien der Aktoren in Abhangigkeit der angelegten Spannung. Die Verifizierung des Finite-Elemente-Modells erfolgt statisch und dynamisch auf einem umgerusteten Wafer-Prober mittels hochauflosender CCD-Kamera und Bildverarbeitungsalgorithmen zur Mustererkennung. Auf diesem Messplatz kann schlieslich auch die Funktion des tiefenlithographisch strukturierten Schrittantriebs nachgewiesen werden. Einen zusatzlichen 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 schlieslich mogliche Anwendungen der miniaturisierten Inchwormplattform im Bereich der Mikropositionierung und Mikro-Optik, bevor die Ergebnisse zusammengefasst werden und ein Ausblick auf mogliche Anknupfungspunkte gegeben wird.