Simulation and characterization of a novel micromechanical electrostatic actuator

In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges elektrostatisches Aktorprinzip für mikroelektromechanische Systeme umfassend vorgestellt, beschrieben und modelliert. Das neuartige Aktorprinzip basiert auf einer Transformation der Kräfte im elektrischen Feld in mechanische Schichtspannungen derart, dass sich eine Krümmung der Aktoren ergibt. Diese Transformation wird durch die Mikromechanik der Elektroden bewerkstelligt, wodurch deren Gestalt von grundlegender Bedeutung für die Leistungsfähigkeit der neuartigen Aktoren ist. Zur analytischen Beschreibung des Aktorprinzips wurde ein Modell basierend auf einer Tragwerknäherung erstellt. Wichtige Erkenntnisse der Modellierung sind die Existenz von Optima, der Nachweis der Mikromechanik sowie einige Analogien zu Zweischichtaktoren. Das analytische Modell konnte anhand der ebenfalls erstellten FEM Modelle gestützt werden. Umfangreiche Parametervariationen sowie Optimierungen mit unterschiedlichen Zielstellungen erbrachten Erkenntnisse zu Charakteristika, zu Einflussmöglichkeiten und zu Grenzen der Leistungsfähigkeit der neuartigen Aktoren. Durch die Charakterisierung erster gefertigter Aktoren konnte erstmalig das neuartige Aktorprinzip nachgewiesen und insbesondere von parasitären Effekten abgegrenzt werden. Es zeigt sich, dass das neuartige Aktorprinzip für die hier dargestellten Aktoren dominierend gegenüber den parasitären Effekten ist. Die elektromechanische Charakterisierung wird von Untersuchungen zum elektrischen Verhalten ergänzt. Diese zeigen geringe parasitäre Ströme und damit eine geringe Leistungsaufnahme. Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist die implizit vielfach nachgewiesene hohe elektrische Durchbruchfestigkeit der Elektroden mit Abständen im Bereich weniger Hundert Nanometer. Explizit nachgewiesen wurde eine herausragende mechanische Festigkeit. Mittels der Charakterisierungsergebnisse konnten zudem alle numerischen Simulationsmodelle validiert werden. Speziell hinsichtlich des Pull-In-Problems konnte gezeigt werden, dass sich aufgrund der geringen Elektrodenabstände und des Hebelprinzips bisherige klassisch formulierte Grenzen erweitern lassen. Damit ist der verwendete Lösungsansatz für das Pull-In-Problem erfolgreich umgesetzt worden. Dieser erlaubt eine kompakte und im Vergleich zu weiteren Lösungsansätzen weniger komplexe Umsetzung, da keine seitlichen Elektroden, komplizierten Mechaniken oder aufwändige Ansteuerungen für quasistatische Aktoren implementiert werden müssen. Es ist von großer Bedeutung, dass die neuartige Aktorklasse mit einer zu CMOS kompatiblen Standardtechnologie realisiert werden konnte. Dies ist möglich, da gezeigt werden konnte, dass das Verhalten der Aktoren maßgeblich von einem äquivalenten Strukturwinkel bestimmt und sekundär von der tatsächlichen Elektrodengestaltung beeinflusst wird. Damit ist eine Umsetzung aufwendiger alternativer Technologien nicht erforderlich. Das neuartige Aktorprinzip ist nicht auf die in dieser Arbeit vorgestellten Aktoren für Bewegungen aus der MEMS-Ebene heraus beschränkt und ebenso für Bewegungen in der Ebene denkbar. Die Kombination beider Bewegungsrichtungen ermöglicht die Realisierung zusätzlicher und für elektrostatische Prinzipien neuartiger Bewegungsfreiheitsgrade. Eine Erweiterung des Einsatzfeldes auf größere und auf kleinere Längenskalen ist durch die Entwicklung entsprechender Technologien vorstellbar.In this thesis a novel electrostatic driving principle for microelectromechanical systems is thoroughly presented, described and modelled. The novel driving principle is based on a transformation of forces from the electrostatic field into mechanical stress such that a bending of an actuator results. This transformation is generated through the micromechanics of the electrodes, which is why their shape is of fundamental importance for the performance. An analytical model was created utilizing a approximating framework. This model allows to describe optima, to proof the micromechanics of the electrodes and to show some analogies to bimorphs. The analytical was confirmed by numerical FEM-models. Extensive parameter variations as wells as optimization with different objectives yielded knowledge about characteristics, influencing parameters and limits of the actuators performance. Through characterization of fabricated actuators it was possible to give evidence of the novel driving principle for the first time. Furthermore it could be shown, that the novel driving principle is dominating parasitic effects. The electromechanical characterization is completed by electrical measurements. Noteworthy in this context are the implicitly and multiply shown high breakthrough voltages of the electrodes with separations of about two hundred nanometer. Explicitly shown was the mechanical strength of the actuators. The measurement results also validate the numerical simulation models. Particular for the pull-in-problem it could be shown that classic limitations are extended because of the small electrode gaps and the underlying lever principle. Hence the presented solution successfully addresses the pull-in-problem. Compared to other reported solutions the presented one is less complex as it does not require additional side-electrodes, complex mechanics or sophisticated driving electrodes. It is of great importance that the novel driving principle can be fabricated with a CMOS-compatible standard technology. That is possible because the electrode shape can be described with an equivalent structure angle. Detailed shape-features are of secondary importance. Hence non-standard alternative technologies are not necessary. The new driving principle is not limited to the out-of-plane actuators shown in this work but can be used for in-plane actuators too. Combination of both leads to up to now unrivalled freedom of movement for electrostatic actuators. Application of the novel driving principle to bigger or smaller scales will be possible by further development of the technology