MEMS Aktorik

Digitale Mikroaktorik

Mikrokippspiegel

Elektrostatische Biegeaktoren (NED)

Die am Fraunhofer IPMS entwickelten, neuartigen MEMS-basierten Biegeaktoren besitzen folgende Merkmale:

Name: »Nanoscopic Electrostatic Drive« | kurz: NED

  • V-NED: Ermöglicht vertikale Auslenkungen (aus der Chip-Ebene heraus)
  • L-NED: Ermöglicht laterale Auslenkungen (innerhalb der Chip-Ebene)

V-NED-Aktor

V-NED Aktor
© Fraunhofer IPMS

L-NED-Aktor

Funktionsweise

Durch bis zu 200 nm dünne Elektrodenspalte werden enorm hohe Kräfte elektrostatischer Felder mithilfe einer Steuerspannung erzeugt. Diese Kräfte werden durch geeignete Topographien (V-NED) oder Geometrien (L-NED) wiederum in laterale Kräfte transformiert und führen zu einer Verkrümmung von Biegebalken:

  • NED sind: MEMS-Biegeaktoren, die eine der bimorphen Aktorik (piezoelektrische oder thermomechanische Effekte) vergleichbare Funktionsweise besitzen. Sie werden in Oberflächenmikromechanik (V-NED) oder Volumenmikromechanik (L-NED) auf oder in Silizium-Substraten gefertigt.
  • Novum: Durch das Antriebsprinzip ist die Auslenkung der NED-Aktoren wesentlich größer als der Elektrodenspalt. Es können daher große Auslenkungen mit geringen Steuerspannungen erzeugt werden. Unsere Vision ist: enorm kleine Elektrodenabstände und die damit verbundenen enorm hohen Kräfte elektrostatischer Felder für elektrostatische Aktoren zugänglich zu machen.
  • NED-Aktoren können: quasistatisch, resonant aber auch digital – d. h. mit diskreten Auslenkungszuständen – betrieben werden.

Freiheitsgrade der Bewegung

  • Krümmung: Durch die zylindrische Verkrümmung der NED-Aktoren kann eine Auslenkung des freien Balkenendes erzeugt werden. Anstatt einer einfachen Balkenform kann der NED-Aktor als rotationssymmetrische Platte gestaltet werden. Dadurch erhält man eine Aktorplatte, die sich sphärisch verkrümmt.
  • Bidirektional: Durch geeignete Elektrodentopographien bzw. -geometrien können die Aktoren in eine positive oder eine negative Richtung ausgelenkt werden. Eine Kombination von Topographien bzw. Geometrien oder eine Anordnung der Aktorzellen auf beiden Oberflächen des Biegeaktors ermöglicht Bewegungen in beide Richtungen (bidirektional).
  • Kippung und Linearbewegung: Durch zwei mechanisch gekoppelte NED-Aktoren kann eine einfache Kippbewegung erzeugt werden. Werden mehrere NED-Aktorpaare geeignet miteinander verbunden, so sind Linearbewegungen möglich.

CMOS-Kompatibilität

Ermöglicht eine Integration von Elektronik in Biegeaktoren und die Integration von Biegeaktoren in CMOS-Schaltkreisen.

Perspektive: Starke Integration von Aktoren, Sensoren und Elektronik innerhalb eines Halbleiterbauelements.

RoHS-Kompatibilität

Ermöglicht RoHS-konforme Biegeaktorik und zeigt eine Alternative zu den gegenwärtig aus RoHS ausgenommenen Funktionskeramiken.