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Ermittlung und Beurteilung der Zuverlässigkeit von lateralen elektrostatischen Nanoaktoren und ihr Einfluss auf zukünftige Anwendungen

Determination and assessment of the reliability of lateral electrostatic nanoactuators and their influence on future applications

  • 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 unerwünschteIn 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.show moreshow less
  • 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 beIn 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Michael Stolz
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-65332
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6533
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. nat. habil. Harald Schenk
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/10/13
Release Date:2023/11/08
Tag:MEMS; NED; Nanoaktor; Zuverlässigkeit
Nano actuators; Nanoscopic electrostatic drive; Reliability
GND Keyword:Mikroaktor; MEMS; Zuverlässigkeit
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Mikro- und Nanosysteme
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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