@phdthesis{Kaiser2015, author = {Kaiser, Bert}, title = {Simulation und Charakterisierung eines neuartigen mikromechanischen elektrostatischen Aktors}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36716}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2015}, abstract = {In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges elektrostatisches Aktorprinzip f{\"u}r mikroelektromechanische Systeme umfassend vorgestellt, beschrieben und modelliert. Das neuartige Aktorprinzip basiert auf einer Transformation der Kr{\"a}fte im elektrischen Feld in mechanische Schichtspannungen derart, dass sich eine Kr{\"u}mmung der Aktoren ergibt. Diese Transformation wird durch die Mikromechanik der Elektroden bewerkstelligt, wodurch deren Gestalt von grundlegender Bedeutung f{\"u}r die Leistungsf{\"a}higkeit der neuartigen Aktoren ist. Zur analytischen Beschreibung des Aktorprinzips wurde ein Modell basierend auf einer Tragwerkn{\"a}herung erstellt. Wichtige Erkenntnisse der Modellierung sind die Existenz von Optima, der Nachweis der Mikromechanik sowie einige Analogien zu Zweischichtaktoren. Das analytische Modell konnte anhand der ebenfalls erstellten FEM Modelle gest{\"u}tzt werden. Umfangreiche Parametervariationen sowie Optimierungen mit unterschiedlichen Zielstellungen erbrachten Erkenntnisse zu Charakteristika, zu Einflussm{\"o}glichkeiten und zu Grenzen der Leistungsf{\"a}higkeit der neuartigen Aktoren. Durch die Charakterisierung erster gefertigter Aktoren konnte erstmalig das neuartige Aktorprinzip nachgewiesen und insbesondere von parasit{\"a}ren Effekten abgegrenzt werden. Es zeigt sich, dass das neuartige Aktorprinzip f{\"u}r die hier dargestellten Aktoren dominierend gegen{\"u}ber den parasit{\"a}ren Effekten ist. Die elektromechanische Charakterisierung wird von Untersuchungen zum elektrischen Verhalten erg{\"a}nzt. Diese zeigen geringe parasit{\"a}re Str{\"o}me und damit eine geringe Leistungsaufnahme. Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist die implizit vielfach nachgewiesene hohe elektrische Durchbruchfestigkeit der Elektroden mit Abst{\"a}nden im Bereich weniger Hundert Nanometer. Explizit nachgewiesen wurde eine herausragende mechanische Festigkeit. Mittels der Charakterisierungsergebnisse konnten zudem alle numerischen Simulationsmodelle validiert werden. Speziell hinsichtlich des Pull-In-Problems konnte gezeigt werden, dass sich aufgrund der geringen Elektrodenabst{\"a}nde und des Hebelprinzips bisherige klassisch formulierte Grenzen erweitern lassen. Damit ist der verwendete L{\"o}sungsansatz f{\"u}r das Pull-In-Problem erfolgreich umgesetzt worden. Dieser erlaubt eine kompakte und im Vergleich zu weiteren L{\"o}sungsans{\"a}tzen weniger komplexe Umsetzung, da keine seitlichen Elektroden, komplizierten Mechaniken oder aufw{\"a}ndige Ansteuerungen f{\"u}r quasistatische Aktoren implementiert werden m{\"u}ssen. Es ist von großer Bedeutung, dass die neuartige Aktorklasse mit einer zu CMOS kompatiblen Standardtechnologie realisiert werden konnte. Dies ist m{\"o}glich, da gezeigt werden konnte, dass das Verhalten der Aktoren maßgeblich von einem {\"a}quivalenten Strukturwinkel bestimmt und sekund{\"a}r von der tats{\"a}chlichen Elektrodengestaltung beeinflusst wird. Damit ist eine Umsetzung aufwendiger alternativer Technologien nicht erforderlich. Das neuartige Aktorprinzip ist nicht auf die in dieser Arbeit vorgestellten Aktoren f{\"u}r Bewegungen aus der MEMS-Ebene heraus beschr{\"a}nkt und ebenso f{\"u}r Bewegungen in der Ebene denkbar. Die Kombination beider Bewegungsrichtungen erm{\"o}glicht die Realisierung zus{\"a}tzlicher und f{\"u}r elektrostatische Prinzipien neuartiger Bewegungsfreiheitsgrade. Eine Erweiterung des Einsatzfeldes auf gr{\"o}ßere und auf kleinere L{\"a}ngenskalen ist durch die Entwicklung entsprechender Technologien vorstellbar.}, subject = {MEMS; Aktor; Antriebsprinzip; Aktor; Antrieb ; MEMS}, language = {de} }