TENDENZEN DER MIKROMECHANIK IN DER DDR

Definitions for micromechanics are given in this articIe. The meaning of micromechanics in the technology of instruments, in the mechanics of materials and in the microtechnics are discussed. There is a report about the actual situation and the perspective of micromechanics in the GDR

ANWENDUNG VON MIKROTECHNIK (MIKROELEKTRONIK, MIKROOPTIK UND MIKROMECHANIK) IM MASCHINEN- UND GERÄTEBAU DER DDR

Dieser Bericht wurde vorgetragen auf dem Jubiläums-Seminar "Mikrotechnik" in Balaton- füred vom 30. Nov. bis 3. Dec. 1987 aus Anlaß des 30jährigen Bestehens des Institutes für Fein- mechanik /Optik der TU Budapest (BME). Teile des Berichtes wurden veröffentlicht in der Zeitschrift "Feingerätetechnik", Berlin 36 (1987) 12, S. 530

Beitrag zur Integration von thermomechanischen flüssigkristallinen Elastomeren als Aktoren in die Mikromechanik

This work is a contribution to the monolithic integration of thermo-mechanical functional liquid-crystalline elastomers (FULCE) as actuators into microtechnology. Common actuator types used in MEMS and microtechnology are characterised and shown, which benefits emphasises the new actuator family of functional liquid-crystalline elastomers. From the point of view of the possible applications the unique properties of the novel, potential actuator material is described. Because of the characteristic of the actuator the application field is narrowed to microtechnology and nanotechnology, respectively. Basic conditions and requirements of microtechnology, which are necessary for the application of the novel actuator are developed. Bibliographical references concerning mechanical actuator tension and stain are investigated experimentally. A possible workflow for the successful non-hybrid integration of the actuator material FULCE is presented. The pre-material of the acuator is processed to gain a functional liquid-crystalline elastomer actuator. On some sample items the functionality of the actuator is proven by optical polarisation microscopy and functional experiences, respectively. For further works and investigations ideas are given.Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur monolithischen Integration von thermomechanischen flüssigkristallinen Elastomeren (FULCE) als Aktor in die Mikromechanik. Es wird dargestellt, welche üblichen Aktoren in der Mikromechanik verwendet werden und verdeutlicht, welche Vorteile eine neuartige Aktorfamilie, die funktionellen flüssigkristallinen Elastomere herausstellt. Aus der Sicht der Anwendung wird der potentielle Aktorwerkstoff beschrieben und das mögliche Anwendungsgebiet in der Mikro- beziehungsweise Nanotechnologie eingeschränkt. Die Randbedingungen der Mikromechanik, die für den Einsatz des Aktors notwendig sind, werden erarbeitet. Es werden Literaturangaben bezüglich der mechanischen Aktorspannung experimentell untersucht, und es wird ein möglicher Ablaufplan für die erfolgreiche nicht-hybride Integration des Werkstoffes dargestellt. Aus dem potentiellen Aktorwerkstoff wird durch Prozessierung der Aktor hergestellt. Bei den Demonstratoren wird die Funktionsfähigkeit des Aktors mittels optischer Polarisationsmikroskopie sowie mittels thermoelastische Experimente als Funktionstests nachgewiesen. Für die Weiterführung der Forschung werden Hinweise vorgeschlagen

MEMS weit abstimmbare VCSEL bei 1,55μm und 1,95μm

In der vorliegenden Arbeit werden der Entwurf, die Technologie sowie eine umfassende Charakterisierung von mikroelektromechanisch weit abstimmbaren Oberflächen-emittierendenLaserdiodenmitVertikalresonator(engl.micro-electro-mechanical system vertical-cavity surface-emitting laser, MEMS-VCSEL) vorgestellt. Die Laser werden in Wellenlängenbereichen um 1550nm und 1950nm realisiert. Dank der vielen Vorteile wie die hochfrequente direkte Modulierbarkeit, exzellente Strahleigenschaften, Energieeffizienz, Zuverlässigkeit, Kompaktheit sind VCSEL heute in vielen Bereichen der faseroptischen Kommunikation präsent. Eine kontinuierliche und weite Abstimmung der Emissionswellenlänge (einige 10nm ) ist eine essentielle Eigenschaft für Telekommunikationsnetzwerke der Zukunft. Darüber hinaus sind weit und kontinuierlich abstimmbare Laserdioden für viele Sensoranwendungen, insbesondere für die Absorptionsspektroskopie mit abstimmbaren Laserdioden (engl. tunable diode laser absorption spectrocsopy, TDLAS) von großem Interesse. TDLAS wird u.a. zur Messung der Emission von Treibhausgasen oder für die Überwachung von Verbrennungsprozessen verwendet. Mit dem Einsatz von MEMS-VCSEL können kompakte, kostengünstige und für simultane Detektion mehrerer Gase taugliche Gassensoren realisiert werden. Auf Grund der vorteilhaften vertikalen Ausrichtung des VCSEL-Resonators kann einer der beiden flachen Resonatorspiegel durch einen auslenkbaren Spiegel ersetzt werden. Hierzu bietet sich die etablierte, kostengünstige MEMS-Technologie an, welche in dieser Arbeit sowohl in Volumen, für 1550nm -, als auch erstmalig in Oberflächen-Mikromechanik, für 1950nm -langwellige VCSEL realisiert wird. Der MEMS-Spiegel wird mit nur einer Steuergröße elektrothermisch ausgelenkt. Dies resultiert in einer kontinuierlichen Abstimmung der Emissionswellenlänge. Im Rahmen dieser Arbeit werden erstmalig dynamische Eigenschaften direkt modulierbarer wellenlängenabstimmbarer MEMS-VCSEL im Wellenlängenbereich um 1550nm untersucht. Eine rekordhohe Amplitudenmodulationsbandbreite von f 3dB = 9GHz wird demonstriert, ebenfalls wie die quasi-fehlerfreie Übertragung mit der höchsten bisher publizierten Übertragungsrate von 12Gbit/s für abstimmbare VCSEL, welche hier sowohl in einem back-to-back Verfahren als auch über eine Faserstrecke der Länge von 6,3km erzielt werden. In einem weiten Abstimmbereich von 1530nm – 1580nm , welcher das komplette C-Band ( 1530nm – 1565nm ) abdeckt, wird eine quasi-fehlerfreie Übertragung bei einer Datenrate von ≥ 10Gbit/s demonstriert. Weitere und bisher unübertroffene Merkmale der hier entwickelten MEMS-VCSEL sind die hohe monomodale Ausgangsleistung von bis zu 4mW sowie eine exzellente spektrale Reinheit, welche durch eine hohe Nebenmodenunterdrückung mit einem Spitzenwert von SMSR = 64dB sowie mit SMSR > 57dB innerhalb des gesamten Abstimmbereichs gekennzeichnet ist. Eine schmale spektrale Linienbreite von ∆ν = 27MHz wird ebenfalls erstmals für einen MEMS-VCSEL nachgewiesen. Wegen der zylindrischen Geometrie des VCSEL-Resonators ist die Polarisation grundsätzlich nicht stabil in VCSEL und kann sich z.B. bei der Abstimmung der Wellenlänge oder bei der Änderung des Laserstroms umschalten. Durch Einschreiben eines optischen Gitters mit Abmessung im Sub-Wellenlängenbereich auf der Oberfläche der Spiegelmembran, können polarisationsabhängige Verluste in den DBR-Spiegel eingebaut werden. Eine in einem weiten Abstimmbereich und in dem gesamten Strombereich des Lasers polarisationsstabile Lichtemission wird demonstriert. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung weit abstimmbarer, auf Oberflächen-Mikromechanik basierenden MEMS-VCSEL für Sensoranwendungen (TDLAS), erstmalig in einem Wellenlängenbereich um 1950nm. Bei höheren Wellenlängen weisen Gase stärkere Absorptionskennlinien auf, womit die Detektion deutlich geringerer Gaskonzentrationen möglich wird. Die hier vorgestellten MEMS-VCSEL sind durch eine kontinuierliche und mit 120Hz schneller Wellenlängenabstimmung von > 90nm und durch eine in dem gesamten Abstimmbereich hohe Ausgangsleistung von > 0,5mW sowie eine hohe Nebenmodenunterdrückung von SMSR = 64dB gekennzeichnet. Spitzenleistungen von > 3,9mW bei Raum- sowie > 0,5mW bei höheren Temperaturen von 77°C können ebenfalls gezeigt werden. Eine rekordhohe Betriebstemperatur von 90°C mit > 0,2mW Ausgangsleistung wird erstmalig für einen MEMS-abstimmbaren VCSEL demonstriert. Solch hohe Betriebstemperaturen erreichen heute ausschließlich nicht abstimmbare VCSEL. Darüber hinaus ist für einen kommerziellen Gebrauch der MEMS-VCSEL, wo eine langzeitstabile, zuverlässige und von der Umgebung unbeeinflusste Funktion erforderlich ist, ein geschlossenes und robustes Gehäuse erforderlich. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte hermetisch geschlossene Gehäuse mit einem optischen Anschluss kann dem mit einer Langzeitmessung belegten Drift der Wellenlänge positiv entgegenwirken. Das Gehäuse unterbindet störende Effekte wie optisches Feedback, Einwirkungen der Luftzirkulation, der Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit

Design und Realisierung eines elektrostatischen Mikrorelais in Oberflächen-Mikromechanik

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

Manufacturing of Micro-Components for New Applications in Chemistry by Injection Moulding of Polymers

The H. Weidmann AG has set up a unique injection-moulding tool for replication of optical and nonoptical microstructures down to a sub-µm scale. Our approach simplifies the initial tooling and, thus, substantially lowers the cost threshold for feasibility studies and testing of injection-moulded microstructures. Two case studies, with micro-pipettes and a micro-spectrometer, respectively, show the usefulness of this new process technology. The service for polymer-sample prototyping is available on a commercial basis at reasonable costs and turn-around times

Volumenmikromechanische Inertialsensoren

Im Rahmen dieser Arbeit wurden volumenmikromechanische, kapazitive Inertialsensoren auf Siliziumbasis entwickelt. Ein neuartiger Beschleunigungssensor wurde zum Funktionsmuster entwickelt. Dieser Sensor basiert auf einer Schrägbalkentechnologie, die in [AND95] und [BUE00] beschrieben wird. Durch Nutzung derartiger schräger Balken lassen sich mit nur einem Sensorchip Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen messen. Im Rahmen der Herstellung des Beschleunigungssensors wurde eine neuartige Kompensationsstruktur für das anisotrope Ätzen von Silizium erstellt. Ferner wurde eine neuartige Passivierungsschicht entwickelt, die geeignet ist, das Festbonden bzw. Haften von beweglichen Siliziumstrukturen beim Fügen von Silizium- und Glassubstraten durch anodisches Bonden zu verhindern [BEI03]. Hierdurch kann der Sensor problemlos, zuverlässig und durch Batchfertigung in großen Stückzahlen hergestellt werden. Zur Charakterisierung des Beschleunigungssensors wurden Messungen seiner Teilkapazitäten im Beschleunigungsbereich von ±1g vorgenommen. Mit den Ergebnissen dieser Charakterisierung wurden drei unterschiedliche Auswertungsschaltungen entwickelt und auf ihre Eignung untersucht. Zwei dieser Schaltungen arbeiten nach dem Auslenkungsabtastprinzip (Open-Loop-Auswertung), bei dem die Auslenkung der seismischen Massen lediglich gemessen wird. Eine Schaltung arbeitet nach dem Kraftkompensationsprinzip (Closed-Loop-Auswertung), bei dem die seismischen Massen durch einen Regelkreis in der Mittellage gehalten werden, und bei dem die Stellgröße des Regelkreises als Ausgangsgröße der Schaltung dient. An diesen Schaltungen wurden statische Messungen der Ausgangsspannungen im Bereich von ±1g vorgenommen. Ferner wurde das dynamische Verhalten des Sensors durch Frequenzgangsmessungen charakterisiert. Der Sensor bietet ein großes Potential für die hochauflösende Messung von Beschleunigungen in Messbereichen bis zu mehreren g. Es wurden drei Konzepte für Drehratensensoren untersucht. Dabei handelte es sich um ein Gyroskop nach dem Vibrating-Ring-Prinzip, um ein Doppelstimmgabel-Gyroskop und ein Einmassenschwinger-Gyroskop. Es wurde untersucht, ob sich ein elektromagnetisch angeregtes und kapazitiv ausgewertetes Vibrating-Ring-Gyroskop auf Basis des Polymerwerkstoffs SU-8 mit den vorhandenen Mitteln herstellen lässt. Durch eine Simulation nach der Methode der Finiten Elemente wurde eine Struktur gefunden, mit der sich ein Vibrating-Ring-Gyroskop herstellten lässt, sobald eine Technologie zur Verfügung steht, mit der sich 2 mm dicke SU-8 Schichten zuverlässig strukturieren lassen. Da sich bisher nur Schichten von bis zu 400 μm zuverlässig bearbeiten ließen, musste von einer Fertigung dieses Gyroskops noch Abstand genommen werden. Es wurde ein Konzept für ein elektrostatisch angeregtes und kapazitiv ausgewertetes Doppelstimmgabel-Gyroskop erstellt, bei dem die Primärschwingung durch die Biegung von vier Balken erfolgt, während bei der Sekundärschwingung die Torsion einer Drehfeder auftritt. Die beiden Schwingungsmoden weisen ein Frequenzmatching von 99,6 % auf. Die Siliziumstruktur dieses Gyroskops ist so strukturiert, dass auch in der sekundären Schwingungsmode eine geringe Dämpfung auftritt. Berechnungen haben ergeben, dass sich die beim Auftreten einer Sekundärschwingung entstehenden Kapazitätsänderungen gut detektieren lassen. Es zeigte sich, dass sich die berechnete Struktur durch nasschemisches Ätzen nicht exakt herstellen lässt. Daher wurde von einer weiteren Untersuchung des Doppelstimmgabel-Gyroskops abgesehen. Es ist jedoch vorstellbar, die berechnete Struktur durch ein Trockenätzverfahren herzustellen, dass nicht, wie das anisotrope, nasschemische Ätzen auf bestimmte Kristallebenen als Ätzstopp angewiesen ist. Eine Siliziumstruktur für ein Einmassenschwinger-Gyroskop wurde mit Mitteln der Finiten- Element-Methode dimensioniert. Zur Herstellung dieser Struktur wurde eine spezielle Ätztechnik entwickelt, mit der sich rechteckige Balken herstellen lassen, die eine deutlich geringere Höhe als die Waferdicke aufweisen. Das Einmassenschwinger-Gyroskop wurde mikrotechnisch hergestellt. Hierfür wurden spezielle Kompensationsstruktur zum Schutz konvexer Ecken vor Ätzangriffen verwendet. Es wurde eine Auswertungsschaltung für dieses Gyroskop entwickelt, und der Sensor wurde messtechnisch charakterisiert. Aufgrund der einfachen Herstellung dieses Sensors verspricht er, eine kostengünstige Alternative zu bestehenden Drehratensensoren darstellen zu können, wenn die Dämpfung der Struktur durch hermetisches Versiegeln des Sensors unter verringertem Druck herabgesetzt wird