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In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges elektrostatisches Aktorprinzip für mikroelektromechanische Systeme umfassend vorgestellt, beschrieben und modelliert.
Das neuartige Aktorprinzip basiert auf einer Transformation der Kräfte im elektrischen Feld in mechanische Schichtspannungen derart, dass sich eine Krümmung der Aktoren ergibt. Diese Transformation wird durch die Mikromechanik der Elektroden bewerkstelligt, wodurch deren Gestalt von grundlegender Bedeutung für die Leistungsfähigkeit der neuartigen Aktoren ist. Zur analytischen Beschreibung des Aktorprinzips wurde ein Modell basierend auf einer Tragwerknäherung 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 gestützt werden. Umfangreiche Parametervariationen sowie Optimierungen mit unterschiedlichen Zielstellungen erbrachten Erkenntnisse zu Charakteristika, zu Einflussmöglichkeiten und zu Grenzen der Leistungsfähigkeit der neuartigen Aktoren.
Durch die Charakterisierung erster gefertigter Aktoren konnte erstmalig das neuartige Aktorprinzip nachgewiesen und insbesondere von parasitären Effekten abgegrenzt werden. Es zeigt sich, dass das neuartige Aktorprinzip für die hier dargestellten Aktoren dominierend gegenüber den parasitären Effekten ist. Die elektromechanische Charakterisierung wird von Untersuchungen zum elektrischen Verhalten ergänzt. Diese zeigen geringe parasitäre Ströme und damit eine geringe Leistungsaufnahme. Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist die implizit vielfach nachgewiesene hohe elektrische Durchbruchfestigkeit der Elektroden mit Abständen 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 Elektrodenabstände und des Hebelprinzips bisherige klassisch formulierte Grenzen erweitern lassen. Damit ist der verwendete Lösungsansatz für das Pull-In-Problem erfolgreich umgesetzt worden. Dieser erlaubt eine kompakte und im Vergleich zu weiteren Lösungsansätzen weniger komplexe Umsetzung, da keine seitlichen Elektroden, komplizierten Mechaniken oder aufwändige Ansteuerungen für quasistatische Aktoren implementiert werden müssen.
Es ist von großer Bedeutung, dass die neuartige Aktorklasse mit einer zu CMOS kompatiblen Standardtechnologie realisiert werden konnte. Dies ist möglich, da gezeigt werden konnte, dass das Verhalten der Aktoren maßgeblich von einem äquivalenten Strukturwinkel bestimmt und sekundär von der tatsächlichen Elektrodengestaltung beeinflusst wird. Damit ist eine Umsetzung aufwendiger alternativer Technologien nicht erforderlich.
Das neuartige Aktorprinzip ist nicht auf die in dieser Arbeit vorgestellten Aktoren für Bewegungen aus der MEMS-Ebene heraus beschränkt und ebenso für Bewegungen in der Ebene denkbar. Die Kombination beider Bewegungsrichtungen ermöglicht die Realisierung zusätzlicher und für elektrostatische Prinzipien neuartiger Bewegungsfreiheitsgrade. Eine Erweiterung des Einsatzfeldes auf größere und auf kleinere Längenskalen ist durch die Entwicklung entsprechender Technologien vorstellbar.