TY - THES A1 - Stolz, Michael T1 - Ermittlung und Beurteilung der Zuverlässigkeit von lateralen elektrostatischen Nanoaktoren und ihr Einfluss auf zukünftige Anwendungen T1 - Determination and assessment of the reliability of lateral electrostatic nanoactuators and their influence on future applications N2 - In dieser Dissertation wurden Zuverlässigkeitsaspekte der NED-Aktoren betrachtet und ihre Langzeitstabilität untersucht. Die Langzeituntersuchungen an einzelnen NED-Aktoren haben gezeigt, dass insbesondere große elektrische Felder zur Verkürzung der Lebensdauer der Aktorik führen können. Elektrische Felder beschleunigen Oxidation der NED-Siliziumelektroden. Dabei wurden zwei unterschiedliche Oxidationsmechanismen beobachtet: die anodische Oxidation von Siliziumelektroden im Isolatorbereich und die feldemissionsunterstützte Oxidation. Die beiden Degradationsmechanismen begünstigen das Wachstum des Siliziumoxides an Siliziumelektroden und resultieren in der Veränderung der Oszillationseigenschaften der NED-Aktoren mit der Zeit. Weitere Untersuchungen an den NED-basierten Anwendungen – Mikrolautsprecher haben verdeutlicht, dass solche Faktoren wie Feuchtigkeit die Degradation am meisten forcieren. Durch Passivierung der Aktoren, wobei sie z. B. mit Aluminiumoxid im ALD-Verfahren verkapselt werden, können unerwünschte Degradationsmechanismen deutlich verlangsamt werden. Durch eine geeignete Materialwahl bei der Verkapselung kann sogar gleichzeitig die Effizienz der Aktoren verbessert werden. N2 - In this dissertation, reliability aspects of the NED actuators were considered and their long-term stability was investigated. The long-term studies on individual NED actuators have shown that large electrical fields in small electrode gaps in particular can lead to a reduction of the actuator's lifetime. Strong electric fields accelerate oxidation of the silicon electrodes of NED actuators. Two different oxidation mechanisms were observed: the anodic oxidation of silicon electrodes in the insulator area and the field emission assisted oxidation. Both degradation mechanisms support the growth of silicon oxide on silicon electrodes and result in the change in the oscillation properties of the NED actuators over time. Further investigations on the NED based applications such as micro-speakers have clarified that such factor as air humidity is the main acceleration driver of degradation. By passivation of the actuators, where they would be encapsulated e. g. with aluminum oxide in the ALD process, unwanted electrode oxidation can be significantly slowed down. By choosing a suitable material for the encapsulation, the efficiency of the NED-actuators can even be improved at the same time. KW - Nanoaktor KW - NED KW - Zuverlässigkeit KW - MEMS KW - Nanoscopic electrostatic drive KW - Nano actuators KW - Reliability KW - Mikroaktor KW - MEMS KW - Zuverlässigkeit Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-65332 ER - TY - THES A1 - Schweiger, Severin Franziskus Georg T1 - Additive manufacturing on chip T1 - Additive Fertigung auf Chipoberflächen N2 - Recent advances in additive manufacturing offer promising opportunities for the fabrication of structures on existing micro-(opto-acoustic )electro-mechanical systems, i.e., chips. This is of particular significance in research and development due to the adaptability and adaptation speed of additive manufacturing. These advantages provide the ability to individualize the fabrication of structures and to enable the rapid prototyping approach. The combination of additive manufacturing on chip already enables current research, especially in photonic and microfluidic fields. Despite this, additive manufacturing on chip has never been applied to acoustic sensors or micro-positioning chips. Such devices could benefit from the mentioned advantages, especially for the fabrication of beam shaping waveguides, packaging, grating and end effector structures. Additive manufacturing by two-photon polymerization lithography gathers interest in industry and research due to its capabilities for the fabrication of structures with minimum feature sizes beyond the diffraction limit. The objective of this work is the investigation of additive manufacturing on chip by two-photon polymerization lithography at the example of an acoustic sensor and a micro-positioning chip. One of the greatest challenges is posed by the optical, thermodynamic, adhesion and alignment effects, which are introduced to the fabrication process by these complex substrates. Optical and thermodynamic models were established, and simulations were performed, culminating in a compensation method to address these effects, which was verified by parameter studies. The substrate alignment was investigated via optical technique, resulting in the development, manufacturing and verification of a novel alignment upgrade to the fabrication system employed in this work. The influence of process materials posed another challenge, as they led to chip performance alterations and restrictions. Chips treated with these materials were characterized, e.g., using high frequency optical microphones. Owing to the high precision of the alignment upgrade and the compensation method developed in this work, additive manufacturing on chip using two-photon polymerization lithography on the investigated devices was reported for the first time and presented for expedient examples, e.g., waveguides, end effectors and gratings. The residue contamination was determined as the main origin of the exhibited performance issues. Development strategies were recommended for further research, to enable additive manufacturing on chip insensitive to residual materials. In this work, the requirements for additive manufacturing on chip were illustrated and the fundamental arrangement to enable the rapid prototyping approach as well as design individualization were demonstrated. The compensation methods developed in this work facilitate upcoming research on desirable chip types that form the basis for optical and microfluidic applications. N2 - Jüngste Fortschritte in der additiven Fertigung bieten vielversprechende Möglichkeiten zur Herstellung von Strukturen auf mikro-(opto-akustischen) elektromechanischen Systemen, d.h. Chips. Dies ist aufgrund der Anpassungsfähigkeit und -geschwindigkeit der additiven Fertigung von besonderer Bedeutung für die Forschung und Entwicklung. Diese Vorteile bieten die Möglichkeit, die Herstellung von Strukturen zu individualisieren und die Rapid-Prototyping-Methode einzusetzen. Der Kombinationsansatz der additiven Fertigung auf Chipoberflächen ermöglicht bereits Forschung, insbesondere in der Photonik und Mikrofluidik. Es wurde auf akustischen Sensoren oder Mikro-Positionierungschips bisher nie angewendet. Solche Komponenten könnten von den genannten Vorteilen profitieren, insbesondere bei der Herstellung von strahlformenden Wellenleitern sowie von Gitter- und Endeffektorstrukturen. Additive Fertigung mittels Zwei-Photonen-Polymerisationslithographie stößt auf großes Interesse, da der Prozess die Fertigung von Strukturen mit minimalen Dimensionen jenseits der Beugungsgrenze ermöglicht. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von dieses Fertigungsansatzes am Beispiel eines akustischen Sensors und eines Mikro-Positionierungschips. Eine der größten Herausforderungen stellen die optischen, thermodynamischen, Adhäsions- und Ausrichtungseffekte dar, die durch diese komplexen Substrate eingebracht werden. Auf der Grundlage von optischen und thermodynamischen Modellen wurden Simulationen durchgeführt, die in einer Kompensationsmethode zur Bewältigung der Effekte kulminierten, welche durch Parameterstudien verifiziert wurde. Die Substratausrichtung wurde untersucht, was zur Entwicklung und Herstellung eines Ausrichtungs-Upgrades für das hier verwendete Fertigungssystem führte. Der Einfluss der Prozessmaterialien stellte eine weitere Herausforderung dar, da sie zu Veränderungen der Leistungsfähigkeit der Chips führten. Mit Entwicklungsmitteln und Fotolacken behandelte Chips wurden unter anderem mit optischen Hochfrequenzmikrofonen charakterisiert. Aufgrund der hohen Präzision der Kompensationsmethode und des Ausrichtungs-Upgrades, wurde erstmals die additive Fertigung mittels Zwei-Photonen-Polymerisationslithographie auf den untersuchten Bauelementen berichtet und an Wellenleitern, Endeffektoren und Gittern demonstriert. Die Kontamination durch Rückstände wurde als Hauptursache für die aufgezeigten Leistungsprobleme ermittelt. Es wurden Entwicklungsstrategien für die weitere Forschung empfohlen, um den Fertigungsansatz unempfindlich gegenüber Reststoffen zu machen. In dieser Arbeit wurden die Anforderungen an den Fertigungsansatz veranschaulicht und die grundlegende Anordnung zur Ermöglichung des Rapid-Prototyping-Ansatzes sowie der Design-Individualisierung demonstriert. Die in dieser Arbeit entwickelten Kompensationsmethoden ermöglichen die künftige Forschung an weiteren Chiptypen, die z. B. die Grundlage für optische oder mikrofluidische Anwendungen bilden. KW - Additive manufacturing KW - Microelectromechanical systems KW - Two-photon polymerization KW - Capacitive micromachined ultrasonic transducer KW - Nanoscopic electrostatic drive KW - Additive Fertigung KW - Zwei-Photonen Lithographie KW - Akustische Wellenleiter KW - Mikronadeln KW - Mikrofluidik KW - Additive Fertigung KW - Mikrofluidik KW - MEMS KW - Rapid Prototyping KW - Microfluidics KW - Microelectromechanical systems Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64555 ER -