Nichtlineare, quasi-statische Modellierungsansätze für elektrostatische Aktoren

Diese Arbeit fokussiert sich auf die quasi-statische Modellierung für den Grenzfall niedriger Frequenzen. Die mathematische Modellstruktur des differentiell elektrostatisch angetriebenen Nano-e-Drive-Aktors wird beleuchtet und eine Methode der Parameterschätzung auf Basis der harmonischen Verzerrungen vorgestellt. Dies erlaubt die Modellierung der gesamten Statik des Aktors. Die Pull-in Spannung, für welche die Elektroden in Kontakt kommen und das Bauteil kurzgeschlossen wird, kann zerstörungsfrei bestimmt werden. Beispielhaft wird die Anwendung als µ-Lautsprecher diskutiert. Diese Anwendung ist durch ein stark gedämpftes System, das ein breitbandiges Signal wiedergeben soll, geprägt. Zielgrößen sind der Schalldruckpegel, der zur Auslenkung der Aktoren verknüpft ist und harmonische Verzerrungen, welche ein Maß für die Wiedergabequalität sind. Weiterhin werden Strategien zur effizienten Verknüpfung des ordnungsreduzierten Modells mit FEM-Simulationen zur Einschätzung von Fertigungstoleranzen aufgezeigt und neue Design-Richtungen zur Verbesserung des Aktors vorgeschlagen. Am Beispiel des Cantilevers wird demonstriert, dass die zerstörungsfreie Schätzung des Pull-ins auf andere MEMS-Systeme übertragbar ist. Abschließend wird eine effektive Methode zur Modellkonstruktion aus FEM Simulationen im Fall eines differentiellen Antriebs für Systeme, die auf ein ordnungsreduziertes Modell mit einem Freiheitsgrad projiziert werden können, vorgestellt.