Lithografisch hergestellte, polymerbasierte elektrostatische Aktuatoren ohne Pull-In-Effekt

Lange, Nicolas

Eine potenzielle Nutzung siliziumbasierter Aktuatoren in abbildenden Optiksystemen wird durch die fehlende Transparenz von Silizium im sichtbaren Spektrum beschränkt. Mikrolinsen müssen aus Fremdmaterialien gefertigt und in zusätzlichen Justage- und Montageschritten in die jeweiligen miniaturisierten Systeme integriert werden. Mit Polymeren können Mikrolinsen auf Waferlevel abgeformt werden, der im Vergleich zu Silizium um Größenordnungen geringere Elastizitätsmodul ermöglicht elektrostatische Aktua-toren mit geringeren Spannungen zu betreiben. Um diese Vorteile zu nutzen, ist das Ziel dieser Arbeit die Qualifizierung des UV-härtbaren Polymers ORMOCOMP® als Basismaterial zum Aufbau elektrostatischer Wanderkeilaktuatoren mit Funktionsplattform zur montagefreien Abformung einer Mikrolinse. Die Anforderungen zur Realisierung eines Autofokussystems umfassen einen Stellweg von ≥ 100 µm, eine Spannung von ≤ 100 V und Resonanzfrequenzen von ≥ 1 kHz bei einer lateralen Größe von ≤ 6,5 mm × 6,5 mm. Der typische Pull-In-Effekt wird durch die Segmentierung und Formanpassung der Elektroden vollständig vermieden. Die theoretische Auslegung wird auf Basis von analytischen und numerischen Modellen durchgeführt und das resultierende Aktuatorsystem mit einem neu entwickelten Herstellungs-prozess realisiert. Anhand hergestellter Demonstratoren werden Messungen zur Bestimmung von Materialkennwerten sowie Langzeituntersuchungen zur Überprüfung des Herstellungs-prozesses durchgeführt. Die Aktuatoren werden statisch und dynamisch charakterisiert und die experimentellen Ergebnisse mit der Theorie verglichen. Erreicht wird eine stabile Stellbe-wegung von 121 µm bei 80 V mit einer Resonanzfrequenz von 1,8 kHz. Das Konzept der Elektrodenteilung und -formung wird durch das vollständig Pull-In-freie Stellverhalten bestä-tigt. Anhand eines Demonstrators mit abgeformter Mikrolinse wird durch Scharfstellen einer Testabbildung die Anwendbarkeit in miniaturisierten, abbildenden Optiksystemen bestätigt.

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Lange, Nicolas: Lithografisch hergestellte, polymerbasierte elektrostatische Aktuatoren ohne Pull-In-Effekt. 2015.

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