Mehrstufiges multistabiles Aktorsystem mit einstellbarem Hub, Reichweite und Kraft basierend auf kooperativen elektrostatischen Aktoren

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Mescheder
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424626605

Bei sehr kleinen Elektrodenabständen erreichen elektrostatische Aktoren hohe Energiedichten und Kräfte, allerdings mit aufgrund des Pull-in-Effekts kleinen Hüben. Für Sensorikanwendungen (z.B. Drehratensensoren: Anregung der Primärschwingung, bei Beschleunigungssensoren zur Rückkopplung), stellt dies keine Einschränkung dar, da bei diesen quasi massenlosen Aktoren Amplituden von einigen µm und Kräfte von einigen µN ausreichen. Nach Stand der Wissenschaft sind hingegen elektrostatische Aktoren nicht für größere Hübe (cm) und mit Kräften im Bereich N, also „Makroanforderungen“ geeignet. Stand der Technik sind hier sogenannte inch-worm-Motoren, bei denen meist mittels kooperativ arbeitender Piezoelemente Klemm- und Vorschubaktoren für einen Vorschub über cm bei hohen Kräften sorgen. Allerdings bauen solche Aktoren groß (kleinste Piezo-Chips ca. 2x2x2 mm³) und monolithische Mikrofertigung ist nicht möglich. Projektziel ist, über Kopplung einer Vielzahl kooperativ arbeitender elektrostatischer Aktoren inch-worm-Antriebe zu ermöglichen, der große Kräfte (N), große Stellwege (cm) und Miniaturisierung/Herstellung in klassischer Si-Mikrotechnik vereinen. Dazu ist ein besseres Verständnis der Prinzipien, Begrenzungen und Randbedingungen zur Realisierung von mikrosystemtechnischen Aktorsystemen, die aus mehrstufigen, multistabilen und kooperativen elektrostatischen Aktoren bestehen und deren Hub, Gesamtweg und Kraft über einen großen Bereich eingestellt werden kann, erforderlich. Eine wissenschaftliche Frage ist die mechanische Stabilität der verteilten multistabilen und kooperativen Aktoren und des Gesamtsystems im Hinblick auf Kopplung und den wirkenden nichtlinearen elektrostatischen Kräften. Dabei stellt sich die grundlegende Frage, wie viele kooperative Einzelaktoren zu einem stabilen Gesamtsystem verschaltet werden können und welche Grenzen der Miniaturisierung, der Genauigkeit und der Kontrollierbarkeit es etwa durch Rauheit oder geometrische Schwankungen der hergestellten Elemente gibt. Weiterhin ist systematisch zu untersuchen, wie sich die inhärente Sensorfunktion elektrostatischer Aktoren (Auswertung der Kapazität im ruhenden oder sogar im dynamischen Betrieb) wechselseitig beeinflusst. Ebenfalls zu untersuchen sind Miniaturisier- und Realisierbarkeit mit Standardverfahren der Mikro- und Nanotechnologie (technologische Grenzen), die Grenzen des mechanischen und elektrischen Systemverhaltens eines aus mehrstufigen, multistabilen Mikroaktoren bestehenden Gesamtsystems und ob neben homogenen Systemen (alle Aktoren elektrostatisch) auch heterogene Systemarchitekturen (z.B. Kombination elektrostatischer und piezoelektrischer Aktoren) möglich sind. Methodisch werden Simulationsverfahren (FEM, Simulink), Mikro- und Nanofertigung (zur Realisierung geeigneter Teststrukturen) und hochauflösende Charakterisierungsverfahren und diesbezüglich vorhandene Erfahrungen und Einrichtungen genutzt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2206: Kooperative mehrstufige multistabile Mikroaktorsysteme (KOMMMA)