Elektrothermischer Out-Of-Plane-Antrieb mit bistabilen Mechanismen für ein Braille-Flächendisplay

Abstract

Zur Leseunterstützung blinder Menschen wird im Rahmen des Forschungsprojekts Mobilize am Institut EMK ein Braille-Flächendisplay entwickelt. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung, Fertigung und Charakterisierung eines neuartigen mechanisch bistabilen Antriebs. Die Bewegung aus der Ebene (Out-of-plane) wird durch einen asymmetrischen Pseudo-Bimorph-Aktor erzeugt. Ein Formschluss zwischen einem In-plane- und Out-of-plane-Aktor kann durch die Auslenkung des In-plane-Aktors entriegelt werden, sodass der Out-of-plane angehoben werden kann. Der Entwurf des Systems berücksichtigt Randbedingungen aus der Leiterplatten-Fertigungstechnologie, um eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen. Das System verfügt über zwei mechanisch stabile Arbeitspunkte. Die vorliegende Arbeit umfasst die Untersuchung und Bewertung von Out-of-plane-Getrieben und bistabilen Mechanismen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Herstellbarkeit eines mehrlagigen Verformungskörpers aus SUEX untersucht. Die Herstellung erfolgt durch das Laminieren von mehrschichtigen Strukturen aus dem Trockenlaminat SUEX. Opferschichtprozesse mit 200 nm gesputtertem Aluminium und 30 µm sprühbelacktem Photoresist AZ9260 ermöglichen die Herstellung von frei beweglichen überlappenden Strukturen. Die Verformungskörper des Systems bestehen aus zwei 250 µm dicken SUEX-Schichten. Zum Entwurf wird die nichtlineare Biegebalkentheorie analytisch und numerisch verwendet. Mit dieser Theorie werden sowohl die Out-of-plane-Getriebe, als auch formschlüssige und kraftschlüssige bistabile Mechanismen untersucht. Die Geometrie des Systems wird durch numerische thermomechanische Simulationen optimiert, sodass der Braille-Pin eine Auslenkung aus der Ebene von 543 µm erreicht. Das System weist ein bistabiles Verhalten bis zu einer gemessenen Schaltkraft von 10 N auf