Schwebke, Silvan: Design, Fertigung und Charakterisierung eines binären Zählmechanismus zur passiven Grenzwerterfassung in MEMS

Abstract in German:

In dieser Arbeit wird die Umsetzung mikromechanischer binärer Zählmechanismen untersucht. Vorab werden bestehende dekadische Zählmechanismen und Demonstratoren binärer Zähler betrachtet. Ein binärer Zähler besteht im Allgemeinen aus einer Reihe geeignet verkoppelter bistabiler Elemente, deren Lage jeweils den Zustand 0 oder 1 verkörpert. Für die Umsetzung neuer Mechanismen gibt es drei prinzipielle Varianten des Krafteintrags: mehrere aufeinander folgende Kraftangriffspunkte, ein paralleler Kraftangriff und eine serielle Kraftübertragung. Für diese werden verschiedene Funktionsprinzipen entworfen, die entsprechend der Restriktionen im Design von MEMS (mikroelektromechanischen Systemen) als ebene Mechanismen umgesetzt werden können. Dabei wird zusätzlich auf eine einfache elektrische Auslesbarkeit des Zählerstands mittels piezoresistiver Elemente geachtet. Nach einem Vergleich aller technischer Prinzipe werden drei ausgewählt und in Systemen mit einem bis vier Bits realisiert. In der Dimensionierung wird zunächst die Kinematik der einzelnen Funktionselemente der Systeme festgelegt. Dann werden anhand statischer Modelle für die verwendeten Federbalken und die auftretenden Reibkontakte geeignete Federführungen bestimmt. Die dimensionierten Systeme werden in ein konkretes Maskendesign für die Lithographie überführt und in SOI-Technologie (silicon on insulator) gefertigt. Zur Charakterisierung der Mechanismen wird zum einen mit eingeprägtem Weg ihre Funktion beobachtet und optisch analysiert, zum anderen mit eingeprägter Kraft der Verlauf der Schaltkräfte und -energien ermittelt. Ein realisierter Mechanismus mit fortlaufendem Kraftangriff und einer mit serieller Kraftübertragung erfüllen die Anforderungen; sie stellen funktionsfähige binäre Zählmechanismen dar.