Search

Intraokulare mechatronische Implantate sind ein vielversprechender Ansatz zur Wiederherstellung der Akkommodationsfähigkeit des menschlichen Auges bei Alterssichtigkeit oder im Rahmen einer Kataraktoperation. Die Dissertation beschreibt die systematische Entwicklung von mikromechanischen Antrieben für die Optik eines solchen „Künstlichen Akkommodationssystems“. Es werden zwei verschiedene Antriebslösungen für unterschiedliche Linsensysteme – eine axial-bewegte Triple-Optik und eine lateral-bewegte Alvarez-Optik – erarbeitet. Beide basieren auf piezoelektrischen Aktoren und planaren Mikrogetrieben aus einkristallinem Silizium, für die jeweils neuartige elastische Verformungsmechanismen entwickelt werden. Neben theoretischen Funktionsnachweisen wurden beide Antriebslösungen als Funktionsmuster im Maßstab 1,5:1 bzw. 1,2:1 aufgebaut, erfolgreich getestet und mit positivem Ergebnis messtechnisch charakterisiert. Damit wird erstmals die Realisierbarkeit mikromechanischer Antriebe für mechatronische Akkommodationsimplantate nachgewiesen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Fertigung und der Charakterisierung eines mikromechanischen Schaltaktors in Siliziumtechnik, der aufgrund seiner bistabilen Eigenschaft zwei unterschiedliche Ruhepositionen besitzt. Durch Energiezufuhr über eine integrierte Heizerstruktur kann dabei zwischen den beiden Ruhelagen umgeschaltet werden. Hauptaugenmerk wurde dabei auf die Anwendung etablierter mikrosystemtechnischer Herstellungsverfahren gelegt, um die Batchprozessierbarkeit und damit eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen. Der Schaltaktor besteht aus einer aus dem Bulk-Material herausgeätzen Siliziummembran, die durch eine unter speziellen Bedingungen abgeschiedene Wolframschicht unter Druckspannung versetzt wird. Dabei bildet sich aufgrund des Bucklingeffektes eine von der Höhe der Druckspannung abhängige Verwölbung mit zwei stabilen Zuständen (vgl. Knackfrosch), die durch thermopneumatische Aktivierung ineinander überführt werden können. Darauf basierend wird ein elektrischer Schalter hergestellt, mit Hilfe dessen die Praxistauglichkeit des Funktionsprinzips bewiesen und getestet wird. Daraus gewonnene Erkenntnisse führen zu einer verbesserten Variante des Schaltaktors, der ebenfalls gefertigt und charakterisiert wird. Neben den Funktionsprinzipien beschreibt diese Arbeit die genauen Herstellungsprozesse, die verwendeten Charakterisierungsmethoden sowie die Herleitung eines mathematischen Modells zur Verifikation und Optimierung des Schaltelements. This work reports on a bistable micro actuator which is fully compatible with MEMS processing methods and can be batch fabricated in a cost effective way. By supplying energy through an integrated heater structure a membrane can be switched between its two stable positions. The device setup includes a wet etched silicon membrane covered with a special sputter-deposited tungsten thin film layer, inducing a very high amount of compressive stress. This results in a deflection of the membrane and leads to a buckling behaviour with two stable positions, which can be transferred into each other by a thermopneumatic actuation principle. Based on this concept an electrical switch is designed and fabricated to prove and verify its practical suitability. Experiences gained from this prototype lead to an improved redesign which is also fabricated and characterized. The results are compared to an especially developed mathematical model together with FEM-simulations, yielding reliable predictions about the behaviour of the device depending on design parameters. All necessary fabrication and testing procedures are described in detail.

Da die Mikrosystemtechnik eine Vielzahl unterschiedlichster sensorischer, aktorischer und datenverarbeitender Funktionen integriert, ist auch das Spektrum an benötigten Werkstoffen sehr breit. Es reicht von traditionellen Werkstoffklassen wie Halbleiter, Gläser, Polymere oder Metalle bis hin zu intelligenten nanostrukturierten und maßgeschneiderten Werkstoffen mit besonderen Eigenschaften. Die funktions- und leistungsbestimmenden Strukturen besitzen Abmessungen vom Millimeter- bis hinab in den Nanometerbereich. Ihre Realisierbarkeit beruht auf der genauen Kenntnis der Eigenschaften und fertigungstechnischen Beherrschung eingesetzter Struktur-, Funktions- und Hilfswerkstoffe. Dieser Beitrag gibt einen kurzen Überblick über aktuelle Werkstoffe der Mikrosystemtechnik und Entwicklungsmöglichkeiten.

Microsystems, consisting of integrated circuits (IC, CMOS), microsensors such as microactuators, can be build up monolithically as well as hybrid. These systems enable a high degree of functionality to be made with at the same time high level of integration density. While microsensors for such systems are far developed and commercially available, microactuators, which are needed for the control of energy or mass flows, are still at the beginning. The operational areas of control drives in microtechnical applications (microactuators) are various and lie within the range of micropumps, microvalves but also microswitches for the control of electric currents or voltages (microrelays) or for the specific refraction of light (micromirror). These applications require large strokes or deflections from the control drive with at the same time high switching frequencies as low CMOS-compatible applied voltages. With the piezoelectric drive principle high switching cycles are possible with low power consumption and small space requirement. To reach a high level of integration density piezoelectric materials with high piezoelectric coefficients, like lead zirconate titanate [Pb {Zr(x)Ti(1-x)} O3, PZT], have to be selected for the active layer. For this layer suitable techniques for the integration into a CMOS process have to be developed. In the context of this thesis a control drive was developed with piezoelectric energy transformation principle in a modified IC process flow on silicon substrates. The control drive was manufactured in a process consisting of procedures of microelectronics, bulk micromechanics and CSD (Chemical Solution deposition) technology. The characterisation of the microactuators took place at capacitive test-structures and at freely movable cantilever structures. Here the control drives appeared to be fully functionally with tip deflections up to 70µm at applied voltages up to 10V. For an exact evaluation of the mechanical and electrical characteristics of the piezoelectric control drive the tip deflection of the cantilever structure is needed. To determine this mechanical characteristic an experimental setup consisting of a laser interferometer was developed, with which the tip deflection as a function of the applied voltage could be measured. Additionally, the dynamic characteristics of the cantilever structures could be determined with this setup. Other important layer properties such as permittivity, electrical losses, resistivity, breakdown voltage and the ferroelectrical properties of the PZT layers were determined by CV, SE and hysteresis measurements. In addition, to the mechanical and electrical measurements XRD analyses of the crystal structure of the metallic electrodes and the piezoelectric layers were accomplished. For the achievement of good piezoelectric characteristics a specific preferred orientation in both layers is necessary. With the help of these analyses the desired textures in the material system could be proven. Important aspects in micromechanics are the tensions (stress) in complex layer systems, which can lead to unwanted deflection of cantilever structures. Therefore in the context of this work the stress influence of the different layers on each other was examined. This led to the integration of a stress compensation layer. With the help of this optimised process flow and the developed fabrication methods piezoelectric control drives were manufactured as lab samples. The full functionality of the microactuators could be shown in the context of the requirements.

Die Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung eines Mikrorelais für den Einsatz im Bereich Messtechnik, speziell zur Miniaturisierung von Relaiskarten und piezoelektrischen Messsystemen. Ausgehend von einer Analyse des Verhaltens metallischer Mikrokontakte werden die Anforderungen an den Mikroaktuator aufgestellt, der die Schaltfunktion ausführt. Die Kontaktkraft muss 100 µN übersteigen, um einen stabilen Kontaktwiderstand zu erhalten. Zur Trennung der geschlossenen Kontakte, ist eine Mindestrückstellkraft von > 100 µN nötig. Die offenen Kontakte werden über eine Luftstrecke von 1.5 µm isoliert. Das elektrostatische Antriebsprinzip ist prädestiniert für einen Einsatz in Mikrorelais, weil es die Realisierung eines schnellen und leistungsarmen Aktuators ermöglicht, der eine hohe Normalkraft am Ende seines Stellweges erzielt, wenn die Kontakte geschlossen werden. Nach einer analytischen Abschätzung wird das Mikrorelais mit Hilfe einer elektro-mechanisch gekoppelten FEM-Simulation dimensioniert. Ein neues Aktuator-Konzept mit mehrstufigen Federn (Nulllage-, Rückstell- und Relaisankerfeder) und planparallelen, verstärkten Elektrodenplatten erzeugt auf einer Nettofläche von unter 0.2 qmm eine elektrostatische Gesamtkraft von mindestens 600 µN bei einem Stellweg von etwa 2 µm. Das Mikrorelais wird mit den Prozessen der Oberflächen-Mikromechanik realisiert. Die elektro-mechanischen Strukturen (Relaisanker und Elektroden) bestehen aus Polysilizium. Der Schalt- ist vom Lastkreis galvanisch durch eine Siliziumnitridschicht getrennt und die Kontakte bestehen aus Gold. Nach einer Initialisierung des drehbar gelagerten Relaisankers führt dieser die Schaltfunktion durch eine Bewegung normal zum Substrat aus, wobei ein Brückenkontakt zwei Gegenkontakte elektrisch leitend verbindet. Das Schaltverhalten des Relais wird messtechnisch untersucht und alle relevanten Kennwerte aufgenommen. Das Relais benötigt eine Ansteuerspannung von etwa 35 Volt. Der Kontaktwiderstand beträgt 1.3 Ohm, der Durchgangswiderstand 6.5 Ohm, der Sperrwiderstand mehr als 100 GOhm und die Spannungsfestigkeit 150 Volt. Das Relais wird bei Normaldruck betrieben, so dass die Luftdämpfung (Squeeze-Film-Damping) das dynamische Schaltverhalten bestimmt. Schon bei der analytischen Berechnung mit Hilfe der Reynoldsgleichung zeigt sich die Prellfreiheit des Schaltvorgangs, wobei trotz der hohen Dämpfung eine Einschaltzeit von unter 150 µs erreicht wird. Wenn die Belastung auf den untersten Trockenlastbereich (Lasten unter 5 V / 100 µA) beschränkt bleibt, beträgt die Lebensdauer mindestens 10E6 Schaltspiele. Die Arbeit wird ergänzt durch eine ausführliche tabellarische Übersicht bisher veröffentlichter Mikrorelais.