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Abb. 1: Thermografiebild eines MEMS-gesteuerten Aktors mit drei Freiheitsgraden und thermischen AntriebenMicroelectromechanical systems (MEMS) offer a wide range of possible applications in the field of nanotechnology. The position recognition of cell phones or the use in airbags, digital cameras or pacemakers are everyday examples. Further applications can be found especially in the field of miniaturized medical diagnostics. At the TU Chemnitz, a research team is working on such MEMS drives using thermography. This enables insights and optimizations in thermal microdrives.
Mikromechanik gilt als Stütze zukünftiger Nanotechnologie-Anwendungen. Wachsende Ansprüche an die Miniaturisierung betreffen gleichermaßen die dafür erforderlichen Systemlösungen als auch die zu entwickelnden Sensoren und Steuerelemente. Die Professur Mikrosysteme und Medizintechnik der Technischen Universität Chemnitz beschäftigt sich mit Mikroantrieben auf MEMS-Basis, die als Steuerplattform für Untersuchungen an Nanokomponenten dienen sollen und nur wenige Mikrometer klein sind.
Thermische Mikroantriebe für Nanotechnologien
Ähnlich wie bei konventionellen elektromechanischen Positioniertischen mit drei Freiheitsgraden soll auch im Mikromechanischen eine hochgenaue und horizontale bzw. vertikale Beweglichkeit von Bauteilen ermöglicht werden. Seit mehr als 20 Jahren verfügt die Professur über Erfahrung im Bereich elektrostatischer Aktoren.
Abb. 2: Vergleich einer mikroskopischen Aufnahme mit einem hochaufgelösten Thermografiebild, das mit einer ImageIR 9300 und einem 8Å~-Mikroskopobjektiv erstellt wurde
Abb. 3: Detailaufnahme eines der verwendeten MEMS-Antriebselemente (relative Temperaturwerte)Diese elektrostatischen Antriebe sind bei den hier vorgestellten Steuerelementen jedoch ungeeignet, da die entsprechenden Untersuchungen von MEMS an Elektronenmikroskopen durchgeführt werden, deren Felder sich störend auswirken würden. Alternativ kommen daher thermische Antriebe zum Einsatz, bei denen die aus elektrischer Leistung resultierende Erwärmung in Bewegung umgewandelt wird.
An der Technischen Universität Chemnitz wurden bereits Prototypen entwickelt, die Bewegungen mit einer Genauigkeit von bis zu 2 μm und 0,3° ermöglichen. Will man eine solche Präzision erreichen, ist eine genaue Analyse der Materialparameter an den verwendeten Aktoren erforderlich. Und im Falle der thermischen Antriebe ist der wichtigste Faktor eine möglichst genaue Messung der Komponententemperatur. Eingesetzt wird dafür das Infratec-System ImageIR 9300, das die erforderliche Thermografie-Auflösung und -Auswertung bei Untersuchung der miniaturisierten Stelltriebe ermöglicht.
Durch die sehr kleinen Abmessungen und mechanischen Besonderheiten dieser ungewöhnlichen Messobjekte sind die Anforderungen an die zum Einsatz kommende Thermografiekamera extrem hoch. Aufgrund der nur wenige Mikrometer großen Komponenten ist eine möglichst hochvergrößernde Infrarot-Mikroskopoptik erforderlich. Durch den großen Infrarotdetektor der ImageIR 9300 mit (1280 Å~ 1024) IR-Pixeln ist es zudem möglich, auch die Peripheriekomponenten um die Stelltriebe herum zu erfassen.
Beugungsbegrenztes Auflösungsvermögen
An der Technischen Universität Chemnitz kommt das System mit 8,0Å~-Mikroskopobjektiv zum Einsatz. Mit dem verwendeten Spektralbereich von 1,5 bis 5,5 μm ist man hier am physikalischen Limit des Auflösungsvermögens angelangt. Die gewonnenen Messwerte ermöglichen dank experimenteller Emissionsgradbestimmungen einzelner Testmaterialien eine Ermittlung von Wärmeaustragskoeffizienten und weiterer Materialparameter. Die Auswertung erfolgt mit der Thermografiesoftware Irbis 3 professional. Zusätzlich wird ein Lock-In- Thermografie-Prüfplatz mit der InfraTec-Software Irbis active zur Echtzeit-Aktivthermografie verwendet. Da man auf Silizium und Aluminium misst, sind die Emissivitätskoeffizienten hier sehr gering und bedürfen einer sorgfältigen Anwendung spezieller Korrekturmodelle.
Ergebnisse
Die vorgestellten Ergebnisse veranschaulichen die thermischen Prozesse innerhalb der MEMS-Strukturen sehr deutlich. Dennoch bleiben Details, die zu klären sind:
- Die Arbeit an der Neugestaltung der Aktoren, um thermisches Übersprechen der Komponenten zu reduzieren.
- Die Suche nach einer Messmethode für die ganzheitliche Bewegungserfassung, die auf einer automatisierten Bildauswertung der Thermografiebilder basiert.
Ebenfalls im Blick hat man den Versuch einer Quantifizierung der thermoelastischen Dämpfung in den MEMS-Federn bei Anregungsfrequenzen bis ca. 10 kHz. Bei diesen Untersuchungen wird auch die hochpräzise Triggerschnittstelle des verwendeten Thermografie-Systems gefordert, um mit Hilfe der Aktivthermografie schnell und präzise folgen zu können.
Abb. 4: Temperaturprofil zu Abbildung 3 mit relativen Temperaturwerten
An diesem Punkt wird die Fähigkeit der Lock-In-Thermografie, kleinste Temperaturdifferenzen darstellen zu können, verstärkt zum Tragen kommen. Gerade auf dem Gebiet der miniaturisierten medizinischen Diagnostik und Analytik werden zukünftige Anwendungen noch stärker auf nanotechnologische Komponenten zurückgreifen. Durch die vorgestellten Untersuchungen und den Thermografie-Einsatz gewinnen die Forscherinnen und Forscher an der TU Einblicke in das Verhalten dafür erforderlicher MEMS-Bauteile, um bei deren Entwicklung deutliche Fortschritte erreichen zu können.
