Erste Ergebnisse elektrostatischer Aktuatorik auf Basis UV-aushärtender Polymere

Bei der Miniaturisierung von Aktuatorik sind zwei Punkte zu beachten: Zum einen die Verringerung der Effizienz in Abhängigkeit vom genutzten physikalischen Prinzip. Zum anderen die steigenden Anforderungen an die Positioniergenauigkeit in der Montage und Herstellung. Daraus resultiert ein starker Trend zur Funktionsintegration, mit dem Ziel der Wafer-level-Fertigung ohne Einzelteilmontage. Die Elektrostatik ist ein reiner Oberflächeneffekt und aus diesem Grund unabhängig vom Volumen, die erzeugte Kraft steigt mit kleiner werdendem Elektrodenabstand. Damit zeigen elektrostatische Aktuatoren im Vergleich zu anderen Prinzipien bei der Verkleinerung einen geringeren Effizienzverlust und sind gut für die Miniaturisierung geeignet. Ziel ist es, das elektrostatische Wirkprinzip mit der Wafer-level-Fertigung zu kombinieren. Die relativ simple Geometrie elektrostatischer Aktuatoren wird im Schichtaufbau mittels UV-aushärtender, nicht leitender Polymere im Vielfachnutzen erzeugt, die Elektroden werden über zusätzliche Beschichtungs- und Strukturierungsschritte realisiert. Damit ist eine montagelose Niedrigkostenfertigung miniaturisierter Aktuatorik mit hoher Genauigkeit möglich. In dieser Arbeit wird die erfolgreiche Fertigung solcher elektrostatischer Aktuatoren auf Basis des UV-aushärtenden ORMOCOMPs beschrieben. Für eine FEM Simulation wird der Elastizitätsmodul mit 1,278 GPa ermittelt und eine gute Übereinstimmung mit den Literaturwerten festgestellt. Die FEM Simulation zeigt, dass aufgrund des geringen Elastizitätsmoduls deutlich größere Auslenkungen bei gleicher Geometrie und Spannung im Vergleich zu Silizium (Elastizitätsmodul 160 GPa) möglich sind. Es werden elektrostatische Aktuatoren auf Basis beidseitig eingespannter Biegebalken mit Balkendicken von 75 µm in drei unterschiedlichen Längen realisiert. Intrinsische Spannungen, verursacht durch Materialschrumpf des Polymers beim Belichten, resultieren in einer Abweichung von der Sollgeometrie. Messergebnisse der spannungsabhängigen Auslenkung sind mit 49,1 µm bei 500 V mit den Simulationsergebnissen vergleichbar.