Bistabile Mikrorelais-Matrix für Telekommunikationsanwendungen

Motivation

Der Stand der Technik weist duzende von MEMS-Relaiskonzepten auf. Kommerziell ist allerdings bisher keine Variante erhältlich. Erste Prototypen verlassen aktuell bei einigen wenigen großen Unternehmen die Entwicklungsabteilungen und werden von Partnern getestet. Diese Tatsachen geben Anlass, die Schwachstellen existierender Konzepte zu analysieren und auf Basis der am Institut EMK vorhandenen Technologien ein eigenes MEMS-Relaiskonzept zu entwickeln.

 

Konzept des Mikrorelais

Komponenten des Mikrorelais:

  • physikalisches Antriebsprinzip » elektrothermomechanisch
  • mechanische Übersetzung » Bimorphstruktur
  • bistabiler Mechanismus » magnetostatische Haltung

Wichtige Vorteile des Konzepts:

  • Große Kraft bei großem Hub
  • Kraftquellen arbeiten immer im optimalen Arbeitsbereich
  • Magnetischer Pull-In-Effekt kompensiert große thermische Zeitkonstante der Aktorik
  • Integrierte Umgebungstemperaturkompensation
  • AVT lässt sich ohne Drahtbonden realisieren
  • Preiswert wegen kostengünstigem FR4-Substrat

Mechanischer Aufbau des Mikrorelais

Im Folgenden ist das CAD-Modell des Mikrorelais dargestellt.

 

Magnetostatisches Konzept des Mikrorelais

Das Magnetfeld übt auf den Kontaktsteg sowohl in x- als auch in z-Richtung eine Kraft aus. Um die gewünschte x-Komponente der Kraft (Haltekraft) zu maximieren und die parasitäre z-Komponente der Kraft zu minimieren, ist eine optimierte Flussführung mit Durchkontaktierung durch das Substrat notwendig.
Entscheidenden Einfluss bei der Simulation haben die magnetischen Eigenschaften des galvanisch abgeschiedenen Nickels. Bisher sind keine ausreichenden Informationen zur magnetischen Permeabilität verfügbar. Analog zu anderen Materialien ist eine deutlich geringere magnetische Permeabilität als im Bulkmaterial zu erwarten.
Simulationen mit verschiedenen Magnetisierungskennlinien zeigen, dass selbst bei deutlich schlechteren magnetischen Eigenschaften des galvanischen Nickels (Sättigungs-magnetisierung BS = 0,37 T) im Vergleich zum Bulk-Material eine Kontaktkraft von 7,5 mN erreicht werden kann.

 

Elektrothermomechanische Aktorik des Mikrorelais

Bei elektrothermischen SU-8-Aktoren dominieren die Wärmeverluste über die Luft als Kombination aus Konduktion und Konvektion. Die Wärmestrahlung ist vernachlässigbar klein. In der Simulation erreicht der Aktor im Leerlauf an seiner Spitze eine maximale Auslenkung von 118 µm. Bei einer Gegenkraft von 10 mN beträgt die Auslenkung noch 64 µm.

 

Fertigungsprozess des Mikrorelais

Beim dargestellten Fertigungsprozess handelt es sich um eine Integration von Mikro- und Feinwerktechnik.

 

Aktueller Stand des Mikrorelais

Der Magnetkreis besteht aus galvanischem Nickel, die elektrothermischen Aktoren aus SU-8. Schwankungen der Umgebungstemperatur kompensiert die symmetrische Bimorphstruktur der Aktoren prinzipbedingt.

  • Steuerspannung: 9 V
  • Elektrische Leistungsaufnahme der Heizschicht: 290 mW
  • Bauraum: 3,6 x 6,2 x 0,2 mm³
  • Kontaktkraft: ca. 9 mN (ohne elektrische Energieaufnahme)
  • Isolationsabstand: 100 µm

Studentische Arbeiten

Im Bereich der MEMS-Relaisentwicklung gibt es aktuell offene Opens internal link in current windowStudien- und Diplomarbeiten. Bei Fragen stehe Opens internal link in current windowich gerne zur Verfügung.

 

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Institut für Elektromechanische Konstruktionen

Mikrotechnik

Dr.-Ing. Matthias Staab

S3/06 133
Merckstraße 25
64283 Darmstadt

+49 6151 16-3496
+49 6151 16-4096

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