Elektromagnetische Ansteuerung von Mikrooptiken: Adaptive Systeme auf der Basis ferrofluidischer Aktoren
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde ein ferrofluidischer Mikroaktor zur Ansteuerung einer flüssigen Linse entworfen, simuliert, gefertigt und charakterisiert. Außerdem wurden erste Prototypen aufgebaut, mit denen flüssige Linsen erfolgreich angesteuert werden konnten. Der ferrofluidische Mikroaktor besteht aus zwei Statorsystemen mit Mikrospulen und einem Mikrokanal zwischen den Statorsystemen. In dem Kanal befindet sich ein Ferrofluid, das über ein von den Spulen erzeugtes elektromagnetisches Feld in dem Kanal bewegt wird. Die Bewegung des Ferrofluids verdrängt eine optische Flüssigkeit, die in einer Bohrung eine flüssige Linse ausbildet. Die Statorsysteme bestehen neben den Mikrospulen aus einer magnetischen Flussführung und integrierten SmCo-Hartmagneten, die das Ferrofluid ohne Energiezufuhr von außen im Kanal auf einer eingestellten Position halten. Somit kann die Flüssiglinse durch diesen ferrofluidischen Mikroaktor elektromagnetisch angesteuert werden. Zu Beginn des Projektzeitraumes wurden in Zusammenarbeit und Abstimmung mit den Projektpartnern die Spezifikationen für den Aktor festgelegt. Ausgehend von den festgelegten Werten wurde ein Lastenheft für die Auslegung und Simulation des Systems abgeleitet. Für die Auslegung des Systems wurden die Kräfte im System analytisch berechnet und so die benötigte Hubkraft ermittelt, die das Ferrofluid auf die optische Flüssigkeit zur Erzeugung einer flüssigen Linse ausüben muss. Es wurden Simulationen mit dem Programm ANSYS™ durchgeführt. Zum einen waren dies elektromagnetische Simulationen zur Verteilung der erzeugten magnetischen Flussdichte der elektrisch erregten Mikrospulen und der Hartmagneten. Zum anderen wurden thermische Simulationen durchgeführt, um die Temperaturerhöhung aufgrund der Erregung der Mikrospulen zu erhalten. Die mittels Simulation gewonnenen Daten für die magnetische Flussdichte dienten dazu, die magneto-mechanische Kopplung zwischen Feld und Ferrofluid zu berechnen. Damit wurden einerseits die Hubkraft und andererseits die Haltekraft der Hartmagneten ermittelt. In den Simulationen erfüllte das entwickelte Aktordesign die Spezifikationen, so dass darauf aufbauend der Aktorentwurf in einen Maskensatz für die dünnfilmtechnische Fertigung umgesetzt wurde. Ein Statorsystem besteht aus drei Hauptebenen: Die erste enthält das weichmagnetische Joch, das unter dem gesamten Spulenfeld als Flussführung verläuft. In der zweiten und dritten Hauptebene befinden sich die Spulenlagen der Mikrospulen. Die dünnfilmtechnische Fertigung der Statorsysteme erfolgte mittels einer Kombination von Fotolithografie und galvanischer Abscheidung. Für die Herstellung der Hartmagnete aus SmCo wurde ein Lift-off-Prozess entwickelt. Die Charakterisierung der Statorsysteme erfolgt durch Untersuchung der Spulen und der Hartmagnete aus SmCo. Hierbei erfolgt die Charakterisierung der Spulen durch eine Messung des Spulenwiderstandes und durch thermische beziehungsweise qualitative magneto-optische Messungen der elektrisch erregten Spulen. Die qualitativen magneto-optischen Messungen werden durchgeführt, um die Funktionalität der Spulen zu überprüfen. Das Messprinzip basiert auf dem magneto-optischen Kerr-Effekt (MOKE). Die Hartmagneten aus SmCo werden hinsichtlich ihrer Koerzitivfeldstärke Hc charakterisiert. Nach der Fertigung und Charakterisierung eines ersten Designs von Statorsystemen wurde aufbauend auf den bis dahin gewonnen Erkenntnissen und Erfahrungen eine Optimierung der Statorsysteme durchgeführt. Die Optimierung hatte zum einen das Ziel, höhere Kräfte zu erzielen, und zum anderen die Ausfallsicherheit zu erhöhen. Im Vergleich zum ersten Design wurde die Anzahl der Spulen verringert, aber dafür die Anzahl der Windungen erhöht. Außerdem wurden die Hartmagnetschichten und die Isolationsschichten verstärkt. Zum Aufbau erster Prototypen wurde ein Verfahren zur Systemintegration entwickelt. Als Vorbereitung wurde ein Kanal in einem PMMA-Chip durch Trennschleifen erzeugt und dieser Kanal von der Rückseite her in einem definierten Bereich geöffnet. Ferner wurde ein Statorsystem auf eine Platine mit Al-Kühlkörperchen geklebt und mittels Drahtbonden mit der Platine verbunden. Mit einem Flip-Chip-Bonder wurden die Statorsysteme zum Kanal ausgerichtet und durch UV-aushärtenden Klebstoff fixiert. Der Kanal wurde durch PMMA-Folien geschlossen, die Bohrungen für das Befüllen und den Austritt des Fluids zur Bildung der Flüssiglinse enthalten. Mit den aufgebauten Prototypen wurden erfolgreich Flüssiglinsen erzeugt. Es wurde außerdem ein spezieller Prototyp aufgebaut, bei dem der Kanal von der Seite her einsehbar ist. Damit konnte beobachtet werden, wie sich die Ferrofluidfront im Kanal bei Erregung der Spulen erwartungsgemäß zu den entsprechenden Spulen hin bewegt, wenn sich die Ferrofluidfront in unmittelbarer Nähe der erregten Spulen befindet. Bezüglich der Funktionalität des Systems konnte ein kalkulatorischer Zusammenhang zwischen der Brennweite bzw. dem Krümmungsradius der Linse und dem im Kanal bewegten Volumen hergestellt werden. Die Kanalstrukturen wurden außer mit dem erwähnten Trennschleifverfahren mit Hilfe des Heißprägeverfahrens und der Heißprägeanlage HEX03 produziert. Die dafür benötigten Masterstrukturen wurden eigens dafür entworfen und hergestellt. Eine weitere Methode konnte erfolgreich eingesetzt werden: Die Herstellung der Kanalstrukturen durch Einsatz einer Ultrapräzisionsbearbeitungsmaschine Microgantry der Firma Kugler. Die Systemintegration der einzelnen Komponenten wurde mit Hilfe eines Fineplacers zur Bestückung von Platinen vorgenommen. Für die Aktoren wurde die Steuerungselektronik entworfen und angefertigt sowie eine entsprechende Bedien- und Steuersoftware programmiert. Bildfehler konnten mithilfe der Zernike-Polynome bzw. deren Koeffizienten durch Simulation beschrieben werden. Weiterhin wurden die aufgebauten Prototypen in einen Versuchsstand integriert, mit dem optische Analysen zum Auflösungsvermögen und zur Schärfentiefe vorgenommen werden konnten. Dabei wurde die Abhängigkeit dieser Eigenschaften -ebenso wie die Brennweitenabhängigkeit- vom Krümmungsradius erfasst. Es wurde eine Methodik entwickelt, um den Schärfentiefebereich nach objektiven Maßstäben zu bestimmen.
Publications
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(2010): 3D-measurement Using a Scanning Electron Microscope, Applied Mathematics and Computation
Reithmeier, E.; Vynnyk, T.; Schultheis, T.
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(2010): 3D-measurement with the stereo scanning electron microscope on sub-micrometer structures, JEOS:RP, p. 208-210
Vynnyk, T.; Schultheis, T.; Fahlbusch, T.; Reithmeier, E.
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Einsatz elektromagnetischer Antriebe in fluidischen Systemen. Tagungsband Kolloquium Mikroproduktion und Abschlusskolloquium SFB 499, 11.-12. Oktober 2011, Karlsruhe, S. 105-110, 2011, In: O. Kraft, A. Haug, F. Vollertsen, S. Büttgenbach (Hrsg.): Kolloquium Mikroproduktion und Abschlusskolloquium SFB 499. KIT Scientific Reports 7591, 2011
D. Hoheisel, T. Schultheis, L. Spani Molella, E. Reithmeier, and L. Rissing
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Sputtering of SmCo Thin Films and Application in a Ferrofluidic Microactuator. IEEE Transactions on Magnetics, 47(10), S. 4473-4475, 2011
J. Chen, D. Hoheisel, L. Rissing
