Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung eines bistabilen mikromechanischen Schaltaktors in Siliziumtechnik

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Fertigung und der Charakterisierung eines mikromechanischen Schaltaktors in Siliziumtechnik, der aufgrund seiner bistabilen Eigenschaft zwei unterschiedliche Ruhepositionen besitzt. Durch Energiezufuhr über eine integrierte Heizerstruktur kann dabei zwischen den beiden Ruhelagen umgeschaltet werden. Hauptaugenmerk wurde dabei auf die Anwendung etablierter mikrosystemtechnischer Herstellungsverfahren gelegt, um die Batchprozessierbarkeit und damit eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen. Der Schaltaktor besteht aus einer aus dem Bulk-Material herausgeätzen Siliziummembran, die durch eine unter speziellen Bedingungen abgeschiedene Wolframschicht unter Druckspannung versetzt wird. Dabei bildet sich aufgrund des Bucklingeffektes eine von der Höhe der Druckspannung abhängige Verwölbung mit zwei stabilen Zuständen (vgl. Knackfrosch), die durch thermopneumatische Aktivierung ineinander überführt werden können. Darauf basierend wird ein elektrischer Schalter hergestellt, mit Hilfe dessen die Praxistauglichkeit des Funktionsprinzips bewiesen und getestet wird. Daraus gewonnene Erkenntnisse führen zu einer verbesserten Variante des Schaltaktors, der ebenfalls gefertigt und charakterisiert wird. Neben den Funktionsprinzipien beschreibt diese Arbeit die genauen Herstellungsprozesse, die verwendeten Charakterisierungsmethoden sowie die Herleitung eines mathematischen Modells zur Verifikation und Optimierung des Schaltelements.

This work reports on a bistable micro actuator which is fully compatible with MEMS processing methods and can be batch fabricated in a cost effective way. By supplying energy through an integrated heater structure a membrane can be switched between its two stable positions. The device setup includes a wet etched silicon membrane covered with a special sputter-deposited tungsten thin film layer, inducing a very high amount of compressive stress. This results in a deflection of the membrane and leads to a buckling behaviour with two stable positions, which can be transferred into each other by a thermopneumatic actuation principle. Based on this concept an electrical switch is designed and fabricated to prove and verify its practical suitability. Experiences gained from this prototype lead to an improved redesign which is also fabricated and characterized. The results are compared to an especially developed mathematical model together with FEM-simulations, yielding reliable predictions about the behaviour of the device depending on design parameters. All necessary fabrication and testing procedures are described in detail.