Nanoscopic Electrostatic Drive – elektrostatische MEMS Biegewandler

© Fraunhofer IPMS
NED-basierter Inchworm Drive

Mikromechanische Systeme sind der Schlüssel für die Miniaturisierung von Bauelementen und Geräten ohne die keine wachstumsstarke technische Branche mehr auskommt. Seien es Schallwandler für den Audiobereich, Wandler für den Ultraschallbereich, Antriebe für mikroskopisch kleine Pumpen oder Ventile, Mikrospiegel und Optiken zur Strahlführung, sowie Strahlformung von Licht verschiedenster Wellenlängen oder miniaturisierte Varaktoren zur Signalverstärkung und Anpassung von elektrischen Antennennetzwerken.

Die mikromechanischen Systeme ermöglichen Komponenten, die einen deutlich geringeren Bauraum, als bisher bekannt ist, aufweisen. Gleichzeitig sind die Anforderungen an eine möglichst geringe Energieaufnahme derartiger Komponenten gestiegen. Zukünftig sind diese Komponenten in internetfähigen und ultramobilen Geräten verbaut, die durch eine lange Akkulaufzeit gekennzeichnet sind. Funkschnittstellen und Prozessoren bestimmen dabei maßgeblich den Energiebedarf solcher Systeme. Da der Platz für die Energieversorgung in derartigen Geräten sehr begrenzt ist, müssen alle Komponenten mit einem sehr geringen Energiebudget auskommen.

Das bedeutet auch, dass aktorische Prinzipien für mikro- und nanomechanische Systeme notwendig werden, die sich durch geringen Platz- und Energiebedarf auszeichnen. Das Geschäftsfeld »Monolithisch Integrierte Aktor- und Sensorsysteme« (MAS) entwickelt hierfür elektrostatische Biegeaktoren, welche nach dem Bimorph-Prinzip arbeiten. Die Nanoscopic Electrostatic Drives, kurz NED, sind in MEMS Technologien realisiert und für verschiedenste Anwendungsfelder geeignet.

Funktionsweise von Nanoscopic Electrostatic Drives (NED)

NED ist ein neuartiges MEMS-Aktor-Prinzip. Ein balkenförmiger Aktor besteht aus mindestens zwei zueinander beabstandeten Elektroden, die durch bis zu wenige 10 nm dünne Spalte voneinander elektrisch getrennt sind. Durch Anlegen einer Steuerspannung wird ein elektrostatisches Feld zwischen diesen Elektroden erzeugt, woraus große Anziehungskräfte zwischen den Elektroden resultieren. Durch geeignete Geometrien und Topografien der balkenförmigen Elektroden werden diese Kräfte wiederum in laterale Kräfte transformiert. Aus technologischer Sicht gibt es zwei Grundarten von NED Aktoren. Vertikale NED (V-NED) Aktoren bewegen sich aus der Chipebene heraus und laterale NED (L-NED) Aktoren bewegen sich innerhalb der Chipebene. Ein Herausstellungsmerkmal ist, dass die Auslenkung eines Aktors deutlich größer ist als der Elektrodenspalt. Dadurch sind große Auslenkungen mit geringen Steuerspannungen realisierbar und somit ein äußerst geringer Energiebedarf möglich.

Vorteile von NED

Geringer Energiebedarf → geringe Kapazität, kleine Blindströme und niedrige Steuerspannungen ermöglichen den Einsatz von energieeffizienten Treiberschaltungen und führen somit zu einer geringen Leistungsaufnahme des Gesamtsystems
CMOS Kompatibilität → Integration der Aktoren mit CMOS-Schaltkreisen, RoHS Kompatibilität
Alternative zu Funktionskeramiken → NED Biegeaktoren ersetzen Funktionskeramiken wie beispielsweise PZT, die von der RoHS- Richtlinie derzeit ausgenommen sind
Hohe Anzahl an Freiheitsgraden →

Anstatt einer Balkenform kann der NED-Aktor als rotationssymmetrische Platte gestaltet werden. Dadurch erhält man eine Aktorplatte, die sich sphärisch verkrümmt.
Durch geeignete Elektrodentopographien bzw. -geometrien können die Aktoren in eine positive oder eine negative Richtung ausgelenkt werden. Eine Kombination von Topographien bzw. Geometrien oder eine Anordnung der Aktorzellen auf beiden Oberflächen des Biegeaktors ermöglicht Bewegungen in beide Richtungen (bidirektional).
Durch zwei mechanisch gekoppelte NED-Aktoren kann eine Kippbewegung erzeugt werden. Werden mehrere NED-Aktorpaare geeignet miteinander verbunden, so sind Linearbewegungen möglich.
Die NED Aktoren können kaskadiert werden um beispielsweise die Auslenkung (Rainbow-Konfiguration) oder Kraft (Parallele Konfiguration) weiter zu steigern.

Nanoscopic Electrostatic Drive – elektrostatische MEMS Biegewandler