Mikroaktorik

In der klassischen Mikrosystemtechnik nimmt die Integration weiter zu und Strukturabmessungen werden immer kleiner. Hier gehen wir neue Wege: Aktorabmessungen im unteren mm Bereich bieten die Möglichkeit, die hochauflösenden Prozesse aus der Mikrosystemtechnik und feinwerktechnische Verfahren mit kostengünstigen metallischen und polymeren Werkstoffen kombinieren. So enstehen stark struktur- und systemintegrierte Geometrien, die noch robust genug sind, mit der Außenwelt in Interaktion zu treten: Hübe > 100 µm und Kräfte bis 100 mN sind möglich.

Dies erlaubt eine Vielzahl klassischen Aktoraufgaben, wie das Schalten von elektrischen Lasten und Signalen bis in den THz-Bereich, aber auch neuartige Anwendungen z. B. im Bereich der Mensch-Maschine-Schnittstellen oder Smart-Home Applikationen.

Wirkprinzipien

Elektrothermische Aktoren bestehen aus polymeren Balkenstrukturen, die durch lokale Metallisierung gezielt geheizt werden. Die thermische Dehnung wird durch Festkörpergetriebe in eine Auslenkung umgeformt. Im Fokus stehen Aktorgeometrien aus einer oder zwei Polymerlagen, die lateral und vertikal bewegt werden können. Hinsichtlich einer industriellen Nutzbarkeit der Aktorik wird ihre Integration in herkömmliche elektronische Systeme immer wichtiger. Das Ziel sind kurze, einfache, robuste und kostengünstige Fertigungsprozesse. Dies wird derzeit durch das Photostrukturieren des Photoresists SU 8 und das feinwerktechnische Strukturieren von PEEK-Folien erreicht.


Elektrostatische Wanderkeilaktoren
bestehen aus einer planaren festen und einer vertikal gekrümmten beweglichen Elektrode. Durch den zum Aktoransatz hin kleiner werdenden Luftspalt lassen sich bei kleinen Steuerspannungen hohe Schalthübe erzielen. Die Aktoren bestehen aus wenigen teils isolierten Metallschichten. Die gekrümmte Elektrode wird durch gezielte Prozessführung der Galvanoformung von Nickel hergestellt.


Aktuelle Forschungsarbeiten

Leistungsoptimierung elektrothermischer Polymeraktoren und Betriebsgrenzen

Diese Arbeit konzentriert sich auf das Aktorverhalten und die Belastbarkeit im Betrieb. Hierzu wird die Prozessierung des Aktorpolymers SU-8 2000 schrittweise untersucht und hinsichtlich hoher mechanischer Steifigkeit und thermischer Beständigkeit optimiert. Bislang war es möglich, die maximale Betriebstemperatur der Aktoren von 130 °C auf über 180 °C bei gleichzeitiger Reduzierung der Nulllagenverschiebung von 20 % auf unter 5 % zu erreichen.

Weiterer Aspekt der Arbeit ist die Entwicklung einer neuen FEM-basierten Entwurfsmethode. Allein durch die Optimierung von Form und Lage des metallischen Heizers wurde die Leistung um 25 % erhöht.

Bearbeiter: Thomas Winterstein

Adaptives haptisches Display für die Mensch-Technik-Interaktion

Innerhalb der neuen Forschungstätigkeiten in der Mensch-Technik-Interaktion für den demographischen Wandel wird die Eignung elektrothermomechanischer Antriebe zur haptischen Informationsdarstellung untersucht. Durch die Integration aktiver Elemente in die Tasten einer konventionellen Fernsehfernbedienung lassen sich Informationen durch Oberflächendeformation ertastbar darstellen und bieten adaptive und situationsbezogen fokussierte Information.

Die hierfür nötigen Aktoren bestehen aus  feinwerktechnisch strukturierten Folien von Polyetheretherketon (PEEK), das gute thermische und mechanische Eigenschaften, sowie eine gute Integrationsmöglichkeiten in Fertigungsprozesse der Leiterplattenindustrie aufweist.

Bearbeiter: Thomas Winterstein

Mobiles Braille-Display auf Basis von integrierten elektrothermischen Mikroaktoren in Leiterplatten

Blinde Menschen nutzen bei der Verwendung eines Computers Braille-Zeilen zum Lesen und die Sprachausgabe zum Hören von Texten. Viele Informationen – gerade grafische Elemente – lassen sich jedoch nicht in vollem Umfang darstellen.

Im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts MOBILIZE (Förderkennzeichen 16SV6403) wird daher ein tragbares Braille-Flächendisplay entwickelt. Zur Bewegung der Braille-Pins auf der Oberfläche des Displays wird ein elektrothermisches, mechanisch bistabiles Aktorsystem erforscht, das die für Braille mit Abständen von 2,5 mm passende Packungsdichte bei gleichzeitig hohen Auslenkungen von 500 µm aufweist. Ziel des Projekts ist der Aufbau eines mobilen Demonstrators, auf dem sich auch grafische Objekte darstellen lassen.

Bearbeiter: Christian Nakic

 

 

Mikrostrukturierbare schaltbare Hohlwellenleiter für mm- und THz-Wellen

Für THz-Sensorsysteme sollen Signalwege geschaltet werden um Referenzmessungen zu gewährleisten. Da die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle die Strukturgröße des Wellenleiters bestimmt, ist bei Frequenzen oberhalb von 100 GHz die Verwendung von mikrotechnischen Fertigungsverfahren notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit werden Nickel-Wanderkeile in Hohlwellenleiter integriert und auf ihre Verwendbarkeit hin überprüft.

Bearbeiter: David Lämmle

THz-Sensorsystemtechnik und polymere elektrothermische Mikroaktorik

THz-Systeme besitzen bisher aufgrund fehlender oder noch unzulänglicher Technologien einen geringen Integrationsgrad, d.h. die einzelnen Komponenten sind räumlich weitläufig angeordnet. Daher soll in dieser Arbeit ein THz-Freistrahlaufbau mit geringem Integrationsgrad mit Hilfe von Mikrofertigungsverfahren zu einem hochintegrierten Lab-On-Chip-System umgebaut werden (siehe Abbildung). Insbesondere soll ein integriertes optisches System zur Verwendung für modulare THz-Sensorsyteme aufgebaut werden. Zusätzlich sollen die verwendeten Laser und THz-Komponenten durch elektrothermische Aktoren präzise an das optische System gekoppelt werden.  

Bearbeiter: Roland Dörr


Elektrothermisch aktuiertes magnetostatisch bistabiles Mikrorelais für Matrixanordnungen

In dieser Arbeit wird ein neuartiges bistabiles Mikrorelais (vgl. Abb. links) für den Einsatz in einer Telekommunikationsmatrix (vgl. Abb. rechts) erforscht. Im Gegensatz zu vielen anderen Systemen erreicht die vorgestellte Arbeit eine Kontaktkraft von ca. 9 mN bei einem Schalthub von 100 µm. Auf diese Weise können ein geringer Kontaktwiderstand von ca. 40 mOhm und eine hohe Isolationsfestigkeit des MEMS-Relais erreicht werden. 

Bearbeiter: Matthias Staab

 

 

Mikromechanisch abstimmbarer Hohlleiter für Hochfrequenzanwendungen

In Kooperation mit der Mikrowellentechnik wird ein mikroaktorisch abstimmbarer Hohlleiter für den Hochfrequenzbereich entwickelt. Die mikrosystemtechnische Fertigung der Hohlleiterstrukturen erlaubt die Integration von Aktorelementen, die durch Geometrieveränderungen im Wellenkanal definierte Diskontinuitäten erzeugen und für Anpassaufgaben oder zum Aufbau von Filtern eingesetzt werden können.

Beabeiterin: Anika Kohlstedt

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Institut für Elektromechanische Konstruktionen

Mikrotechnik

Prof. Dr.-Ing. Helmut F. Schlaak

S3/06 128
Merckstraße 25
64283 Darmstadt

+49 6151 16-23851
+49 6151 16-23852

A A A | Drucken | Impressum | Sitemap | Suche | Kontakt
Zum SeitenanfangZum Seitenanfang