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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.
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.
Der Trend zur Miniaturisierung von elektrischen, optischen und mechanischen Systemen bleibt ungebrochen. So setzt sich diese Entwicklung gleichermaßen im Bereich von THz- Systemen fort, in dessen Zuge zusätzliche Potentiale hinsichtlich der Applikationen, des Leistungsvermögens aber auch die Reduzierung von Fertigungskosten in Aussicht gestellt werden. Dabei stellen halbleiterbasierte Wellenleitersysteme, vor allem durch ihre hohe Integrationsfähigkeit, vielversprechende Lösungen dar. Eine Funktionserweiterung derartiger Systeme lässt sich darüber hinaus durch die Integration von fundamentalen Komponenten wie aktuierbaren Wellenleiterschaltern oder auch -Kombiniern und -Splittern erreichen. In diesem Zusammenhang befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung und Charakterisierung von rechteckigen THz-Hohlleiterschaltern aus Silizium, welche auf neuartigen elektrostatischen Biegebalken des Fraunhofer IPMS, auch NEDs genannt, basieren.
Dahinführend erfolgen theoretische Vorbetrachtungen zur Identifizierung und Evaluation von performanzbestimmenden Parametern. Im Anschluss werden mit Hilfe von FEM-Simulationen diverse Schalterkonzepte entwickelt und charakterisiert. Da die NED-Technologie für diese Konzepte noch in Entwicklung ist, erfolgen die experimentellen Funktionsnachweise im Rahmen eines Rapid-Prototyping-Ansatzes mit gedruckten Wellenleiterkomponenten, basierend auf dem Fertigungsverfahren der Zwei-Photonen-Lithographie.
Durch die theoretischen Vorbetrachtungen kann vorausgesagt werden, dass Wellenleitersysteme aus Silizium zwingend metallisiert werden müssen und möglichst glatte Seitenwände benötigen. Zusätzlich wird der Pull-in-Effekt als Limitierung der NED-Auslenkung und des Schaltvermögens identifiziert. Anhand der FEM-Simulationen wird gezeigt, dass Schaltkonzepte, bei denen zwei NEDs den Wellenleiter längs entlang der langen Querschnittsseite schließen, am vorteilhaftesten sind. Außerdem wird nachgewiesen, dass Lücken zwischen den NEDs und den Seitenwänden parallel zur NED-Auslenkung signifikanten Einfluss auf das Dämpfungsvermögen des Schalters nehmen und damit nur Größen von wenigen Mikrometer einnehmen dürfen. Gedruckte Wellenleiter mit integrierten Biegebalkenstrukturen liefern letztlich einen experimentellen Funktionsnachweis. Statische Bauteile ohne bewegliche Strukturen und elektrostatisch aktuierbare Bauteile erlauben es dabei, die Änderung der Cutoff-Frequenz und der Dämpfung während des Schließvorganges quantitativ zu bestimmen. Die gemessene Dämpfung beträgt dabei etwa 20 dB.
Folglich erlaubt die Identifizierung von diversen Limitierungen und einflussnehmenden Parametern sowie deren Abschätzung und experimentelle Funktionsnachweise, die Entwicklung eines NED-basierten Wellenleiterschalters zu fördern. Darüber hinaus zeigen die experimentellen Versuche, dass sich die Zwei-Photonen-Lithographie im hohen Maße zur Prototypen- und Kleinserienfertigung von statischen Wellenleiterkomponenten des THz- und Mikrowellenbereiches eignet.
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.
Im heutigen Bereich der Analytik spielen optische Verfahren eine wichtige Rolle und kommen in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz. Vorteilhaft ist dabei die berührungslose und zerstörungsfreie Messung mit Licht, die die Analyse von kritischen Substanzen deutlich vereinfacht. Die optische Spektroskopie nimmt dabei einen wichtigen Teil der Analytik ein. Speziell die Nah-Infrarot (NIR)-Spektroskopie im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 3000 nm weist zahlreiche Anwendungen auf, die von chemischen Reaktionen und Prozessanalysen, der Untersuchung von Polymeren und Textilien, der Qualitätskontrolle von Früchten und Samen bis in die Medizintechnik reichen. Die hierfür verwendeten NIR-Spektrometer sind überwiegend als Spektrografen ausgelegt, wobei das dispersive Element fest eingebaut ist und das Spektrum über ein Galliumarsenid basiertes Diodenarray vermessen wird. Diodenarrays im NIR-Bereich sind kostenintensiv, tragen allerdings maßgeblich zur spektralen Auflösung der Spektrografen bei. Ein alternativer Ansatz ergibt sich durch Monochromatoren mit einem beweglichen dispersiven Element, wobei das Spektrum zeitabhängig über den Detektor streicht. Dadurch ist nur eine Einzeldiode als Detektor ausreichend. Die spektrale Auflösung ist in diesem Fall allerdings eine Funktion der zeitabhängigen Position des dispersiven Elements, die mit hoher Präzision kontrolliert und bestimmt werden muss. In Kombination mit schnellen Messzeiten eines Spektrums im Millisekunden-Bereich, ist eine makroskopische Realisierung sehr aufwendig. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich alternativ mit der Herstellung und Charakterisierung eines mikromechanischen NIR-Beugungsgitters, durch das ein neuartiges, miniaturisiertes NIR-Spektrometer, basierend auf einer Monochromator-Konfiguration, realisiert werden konnte. Das Beugungsgitter basiert dabei auf einem resonant schwingenden Mikrospiegel, der als mikroelektromechanisches System (MEMS) mittels siliziumbasierter, oberflächennaher Volumen-mikromechanik hergestellt wurde. Dabei konnte durch den Einsatz des mikromechanischen Beugungsgitters ein äußerst kompaktes und robustes NIR-Spektrometer (10 x 8 x 7,5 cm³) entwickelt werden, das als Monochromator-System einen deutlichen Kostenvorteil gegenüber derzeitigen NIR-Spektrografen erzielen kann. Erforderlich war hierbei, die Anforderungen an das mikromechanische Beugungsgitter zwingend an den Randbedingungen des NIR-Spektrometers zu spiegeln und mit Ihnen in Übereinstimmung zu bringen. Durch eine gezielte Dimensionierung und Optimierung der mechanischen und optischen Eigenschaften des mikromechanischen Beugungsgitters, zu der unter anderem die Größe, Beugungseffizienz, Schwingungsfrequenz, Schwingungsstabilität, Schockfestigkeit und ein Verfahren zur Detektion des zeitabhängigen Torsionswinkels gehörte, konnte eine spektrale Auflösung des NIR-Spektrometers von unter 10 nm bei einem Wellenlängenbereich von 900 – 2500 nm erreicht werden. Gleichzeitig wurden 3 verschiedene Gitterstrukturen zur Maximierung der Beugungseffizienz untersucht, erfolgreich hergestellt und vermessen.