Forscher des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS und der BTU Cottbus-Senftenberg stellen eine neuartige Klasse elektrostatischer Mikroaktoren in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „Nature Communications“ vor.
In enger Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer IPMS und der BTU wurde in 2012 die Projektgruppe Mesoskopische Aktoren und Systeme MESYS ins Leben gerufen. Seit drei Jahren entwickeln die Forscherinnen und Forscher neuartige elektrostatische Mikroaktoren – sogenannte nanoskopische elektrostatische Antriebe (engl. nanoscopic electrostatic drives, NED). Nun wurde dieser hochinteressante wissenschaftliche Ansatz erstmalig durch eine Publikation in „Nature Communications“ der Öffentlichkeit vorgestellt. Prof. Dr. Harald Schenk, Institutsleiter des Fraunhofer IPMS und Professor für Mikro- und Nanosysteme an der BTU, zeigt sich hoch erfreut: „Wir sind überaus stolz über die Würdigung, unsere Ergebnisse in diesem renommierten Fachjournal publizieren zu können. Nach dreijähriger, grundlagenorientierter Forschung ist es uns gelungen ein völlig neuartiges aktorisches Prinzip nachzuweisen.“
Die von MESYS entwickelte, CMOS-kompatible Aktorklasse löst fundamentale Probleme elektrostatischer Aktoren. Bisher war hier die Auslenkung aufgrund des sogenannten Pull-In-Effekts stark eingeschränkt und die Bewegung herkömmlicher Aktoren auf ca. 33 Prozent des Elektrodenabstandes begrenzt. Dieses Problem ist nun gelöst. „Durch geeignete Hebelmechanismen sind nun Auslenkungen erreichbar, die wesentlich größer als der Elektrodenabstand sind. Es können somit nanometerkleine Elektrodenabstände genutzt und dadurch die enormen Kräfte elektrostatischer Felder für die Aktorik zugängig gemacht werden“, erklärt Gruppenleiter Holger Conrad.
Die patentierte Aktorklasse kann zukünftig die Leistungsfähigkeit von Mikrosystemen, wie beispielsweise kapazitive Ultraschallwandler, Mikrokippspiegel und Mikroventile stark verbessern. Außerdem eröffnet die Aktorklasse völlig neuartige Designlösungen für Mikrosysteme, wie z. B. Mikropumpen, MEMS-Lautsprecher oder Mikropositioniersysteme. „Unsere Vision ist die Entwicklung elektrostatischer Aktoren mit äußerst geringen Spaltabständen für hohe Auslenkungen bei moderaten Steuerspannungen. Wir wollen das entwickelte Prinzip zudem für eine Bewegung in der Chipebene weiterentwickeln und glauben, dass die neuen elektrostatischen Biegeaktoren perspektivisch auch piezoelektrische oder elektrostriktive Materialien ersetzen oder ergänzen können. Dies würde dann RoHS konforme Biegaktoren ermöglichen“, so Conrad abschließend.
Die Arbeiten der Projektgruppe MESYS mit Sitz an der BTU in Cottbus und am Fraunhofer IPMS in Dresden wird durch das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur MWFK des Landes Brandenburg und durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert.
Der Artikel ist am 11. Dezember erschienen und als Open Access unter folgender URL frei abrufbar: www.nature.com/ncomms/2015/151211/ncomms10078/full/ncomms10078.html
Bild: Vereinfachte Darstellung einer MEMS-basierten Mikropumpe basierend auf dem NED-Ansatz. Das Bild zeigt nichtausgelenkte Biegeaktoren (grün), ausgelenkte NED-Biegeaktoren (rot) sowie Ein- und Auslassvenile (gelb).
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Quelle / Foto: BTU Cottbus–Senftenberg, Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS
