Resonante Mikrobauelemente mit elektrostatischem Antrieb finden seit einigen Jahren vermehrt Anwendung in vielen Bereichen der Technik. So beruhen beispielsweise Drehraten- oder Beschleunigungssensoren, die im Automobilbau eingesetzt werden auf diesem Prinzip. Neue Anwendungsfelder ergeben sich vor allem für Aktoren, beispielsweise für die am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikroscannerspiegel mit Out-of-plane-comb-Antrieb. Sie dienen zur geometrischen Ablenkung von Licht und können zur Realisierung von hochintegrierten Systemen zur Ausgabe (Laser-Projektor) oder Aufnahme (Laser-Imager) von Daten genutzt werden. Zum Entwurf von Mikroaktoren gibt es eine Reihe von Arbeiten, die sich meist auf ein konkretes Antriebsprinzip beziehen oder den Entwurf im Allgemeinen behandeln. Die vorliegende Arbeit verfolgt daher das Ziel, speziell die Randbedingungen beim Entwurf resonanter Mikroaktoren mit Out-of-plane-comb-Antrieb zu identifizieren bzw. zu systematisieren sowie die gewonnenen Erkenntnisse in einem effizienten Entwurfsprozess umzusetzen. Dabei sollen möglichst auch relevante nichtlineare Effekte berücksichtigt werden, sodass sich neue Möglichkeiten zur Optimierung der Bauelemente und damit zur Erweiterung des Entwurfsraums ergeben. / Electrostatically driven microsystems are utilized in technical systems for several years. For instance, they are used in automotive applications as acceleration sensors or angular rate sensors. New fields of applications appear especially for actuators. The scanning micromirror of the Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems is such an actuator. It is a micro-­optical-­electrical microsystem (MOEMS) which is driven resonantly by an electrostatic comb drive and can be used in scanning laser imaging systems or laser projectors. Several technical and scientific publications occupy with the design and the simulation of microactuators, which refer usually to a concrete drive principle or to the issues of design in general. The intention of this thesis is to identify and systematize particularly the boundary conditions of design regarding to resonant micro actuators with out-­of-­plane­comb drive. The findings are implemented in efficient design tools and design processes. One emphasis thereby is the investigation of nonlinear properties and effects. This includes geometrically non-­linearities of suspensions as well as non-linearities caused by fluid damping and the electrostatic comb drive. The findings are utilized in an analytical, nonlinear stability analysis of the device's equation of motion as well as in an object oriented software library for the MATLAB environment, which can be used to create nonlinear reduced order models of scanning micromirrors. With the developed techniques for design and optimization the available parameter range of scanning micromirrors can be extended. By that means, it is possible to improve the properties of existing devices as well as create new devices with outreaching performance.

Resonante Mikrobauelemente mit elektrostatischem Antrieb finden seit einigen Jahren vermehrt Anwendung in vielen Bereichen der Technik. So beruhen beispielsweise Drehraten- oder Beschleunigungssensoren, die im Automobilbau eingesetzt werden auf diesem Prinzip. Neue Anwendungsfelder ergeben sich vor allem für Aktoren, beispielsweise für die am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikroscannerspiegel mit Out-of-plane-comb-Antrieb. Sie dienen zur geometrischen Ablenkung von Licht und können zur Realisierung von hochintegrierten Systemen zur Ausgabe (Laser-Projektor) oder Aufnahme (Laser-Imager) von Daten genutzt werden. Zum Entwurf von Mikroaktoren gibt es eine Reihe von Arbeiten, die sich meist auf ein konkretes Antriebsprinzip beziehen oder den Entwurf im Allgemeinen behandeln. Die vorliegende Arbeit verfolgt daher das Ziel, speziell die Randbedingungen beim Entwurf resonanter Mikroaktoren mit Out-of-plane-comb-Antrieb zu identifizieren bzw. zu systematisieren sowie die gewonnenen Erkenntnisse in einem effizienten Entwurfsprozess umzusetzen. Dabei sollen möglichst auch relevante nichtlineare Effekte berücksichtigt werden, sodass sich neue Möglichkeiten zur Optimierung der Bauelemente und damit zur Erweiterung des Entwurfsraums ergeben.:1 Einordnung und Ziele der Arbeit 2 Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Herstellungstechnologien 2.2 MEMS-Aktoren 2.2.1 Antriebsprinzipien 2.2.2 Elektrostatische Antriebe 2.3 Der Fraunhofer IPMS Mikroscannerspiegel 2.3.1 Synchronisierte Anregung 2.3.2 Parametrische Anregung 2.3.3 Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen 2.4 Motivationen der Arbeit 3 Randbedingungen beim Entwurf 3.1 Vereinbarungen und Definitionen 3.1.1 Material- und Strukturvereinfachungen 3.1.2 Koordinatensysteme 3.1.3 Mathematische Vereinfachungen und Definitionen 3.2 Strukturmechanische Randbedingungen 3.2.1 Richtungsabhängige Materialeigenschaften 3.2.2 Geometrische Nichtlinearitäten 3.2.3 Strukturmechanische Spannungen 3.2.4 Eigenschwingungen 3.2.5 Fertigungstoleranzen 3.2.6 Dynamische Deformation 3.2.7 Strukturdämpfung 3.3 Fluidmechanische Randbedingungen 3.3.1 Näherungen zur Slip-Korrektur 3.3.2 Gültigkeit der quasistatischen Näherung 3.3.3 Dämpfungsmechanismen innerhalb der Kammstruktur 3.3.4 Dämpfungsmechanismen der bewegten Spiegelplatte 3.4 Randbedingungen der Elektrik bzw. Elektrostatik 3.4.1 Antriebskapazitäten und Randfelder 3.4.2 Spannungsfestigkeit 3.4.3 Leistungsaufnahme 3.4.4 Elektromechanische Stabilität 3.5 Optische Randbedingungen 4 Nichtlineare Dynamik 4.1 Stabilitätsanalyse 4.1.1 Fixpunkte und Grenzzyklen 4.1.2 Stabilität 4.1.3 Bifurkationen 4.1.4 Diskussion 4.2 Geometrische Nichtlinearitäten 4.2.1 Einfluss auf die Dynamik 4.2.2 Diskussion 4.2.3 Möglichkeiten zur Beeinflussung 5 Werkzeuge für den Entwurf 5.1 Anforderungen an Entwurfswerkzeuge 5.1.1 Kopplung physikalischer Domänen 5.1.2 Spezielle Anforderungen an FEM-Werkzeuge 5.1.3 Ordnungsreduktion 5.1.4 Spezielle Anforderungen an Optimierungswerkzeuge 5.2 Relevante Entwurfswerkzeuge 5.2.1 MOSCITO Optimierungsumgebung 5.2.2 MATLAB-Toolbox SUGAR 5.3 Klassenbibliothek IMtk 5.3.1 Programmierparadigmen 5.3.2 Vererbungsstrategie 5.3.3 Ordnungsreduktion 5.3.4 Verifikation der Modelle 5.3.5 Gültigkeitsbedingungen 6 Entwurfsprozess 6.1 Strategie des Bauelemententwurfs 6.2 Entwurfsbeispiel 6.2.1 Anforderungen und Randbedingungen 6.2.2 Vorauslegung 6.2.3 Eigenwertanalyse 6.2.4 Statische nichtlineare Analysen 6.2.5 Deformationsanalyse 6.2.6 Statische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.2.7 Dynamische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Listings Anlagenverzeichnis A Materialeigenschaften A.1 Einkristallines Silizium A.2 Umgebungsluft B MEMS-Prozess des Fraunhofer IPMS B.1 Prozessablaufplan AME1 B.2 Prozessabh ̈angige Materialeigenschaften C Strukturmechanische FE-Analysen C.1 FEM-Werkzeuge am Fraunhofer IPMS C.1.1 ANSYS C.1.2 COMSOL Multiphysics TM C.2 Nichtlinearitäten prismatischer Torsionsstäbe C.3 Typische Eigenformen von Mikroscannerspiegeln C.4 Mechanische Spannungen in Torsionsfedern C.5 Dynamische Deformation der Spiegelplatte C.6 Konvergenzeigenschaften von FE-Netzen D Dämpfungsmechanismen D.1 Slide-film-Dämpfung D.2 Squeeze-film-Dämpfung E Bewegungs-Dgl. des IPMS Mikroscannerspiegels E.1 Fixpunkte E.2 Stabilität E.3 Bifurkationen E.4 Phasenportraits F IMtk-Klassenbibliothek F.1 Klassenübersicht F.2 Funktionen F.3 Datenstruktur IMTK F.4 Eigenschaften und Methoden der Basisklasse imtk element F.5 Implementation F.6 Beispiele G Experimentelle Ergebnisse (Entwurfsbeispiel) G.1 Charakterisierung G.1.1 Synchronisierte Anregung G.1.2 Parametrische Anregung G.2 Dynamische Deformation / Electrostatically driven microsystems are utilized in technical systems for several years. For instance, they are used in automotive applications as acceleration sensors or angular rate sensors. New fields of applications appear especially for actuators. The scanning micromirror of the Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems is such an actuator. It is a micro-­optical-­electrical microsystem (MOEMS) which is driven resonantly by an electrostatic comb drive and can be used in scanning laser imaging systems or laser projectors. Several technical and scientific publications occupy with the design and the simulation of microactuators, which refer usually to a concrete drive principle or to the issues of design in general. The intention of this thesis is to identify and systematize particularly the boundary conditions of design regarding to resonant micro actuators with out-­of-­plane­comb drive. The findings are implemented in efficient design tools and design processes. One emphasis thereby is the investigation of nonlinear properties and effects. This includes geometrically non-­linearities of suspensions as well as non-linearities caused by fluid damping and the electrostatic comb drive. The findings are utilized in an analytical, nonlinear stability analysis of the device's equation of motion as well as in an object oriented software library for the MATLAB environment, which can be used to create nonlinear reduced order models of scanning micromirrors. With the developed techniques for design and optimization the available parameter range of scanning micromirrors can be extended. By that means, it is possible to improve the properties of existing devices as well as create new devices with outreaching performance.:1 Einordnung und Ziele der Arbeit 2 Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Herstellungstechnologien 2.2 MEMS-Aktoren 2.2.1 Antriebsprinzipien 2.2.2 Elektrostatische Antriebe 2.3 Der Fraunhofer IPMS Mikroscannerspiegel 2.3.1 Synchronisierte Anregung 2.3.2 Parametrische Anregung 2.3.3 Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen 2.4 Motivationen der Arbeit 3 Randbedingungen beim Entwurf 3.1 Vereinbarungen und Definitionen 3.1.1 Material- und Strukturvereinfachungen 3.1.2 Koordinatensysteme 3.1.3 Mathematische Vereinfachungen und Definitionen 3.2 Strukturmechanische Randbedingungen 3.2.1 Richtungsabhängige Materialeigenschaften 3.2.2 Geometrische Nichtlinearitäten 3.2.3 Strukturmechanische Spannungen 3.2.4 Eigenschwingungen 3.2.5 Fertigungstoleranzen 3.2.6 Dynamische Deformation 3.2.7 Strukturdämpfung 3.3 Fluidmechanische Randbedingungen 3.3.1 Näherungen zur Slip-Korrektur 3.3.2 Gültigkeit der quasistatischen Näherung 3.3.3 Dämpfungsmechanismen innerhalb der Kammstruktur 3.3.4 Dämpfungsmechanismen der bewegten Spiegelplatte 3.4 Randbedingungen der Elektrik bzw. Elektrostatik 3.4.1 Antriebskapazitäten und Randfelder 3.4.2 Spannungsfestigkeit 3.4.3 Leistungsaufnahme 3.4.4 Elektromechanische Stabilität 3.5 Optische Randbedingungen 4 Nichtlineare Dynamik 4.1 Stabilitätsanalyse 4.1.1 Fixpunkte und Grenzzyklen 4.1.2 Stabilität 4.1.3 Bifurkationen 4.1.4 Diskussion 4.2 Geometrische Nichtlinearitäten 4.2.1 Einfluss auf die Dynamik 4.2.2 Diskussion 4.2.3 Möglichkeiten zur Beeinflussung 5 Werkzeuge für den Entwurf 5.1 Anforderungen an Entwurfswerkzeuge 5.1.1 Kopplung physikalischer Domänen 5.1.2 Spezielle Anforderungen an FEM-Werkzeuge 5.1.3 Ordnungsreduktion 5.1.4 Spezielle Anforderungen an Optimierungswerkzeuge 5.2 Relevante Entwurfswerkzeuge 5.2.1 MOSCITO Optimierungsumgebung 5.2.2 MATLAB-Toolbox SUGAR 5.3 Klassenbibliothek IMtk 5.3.1 Programmierparadigmen 5.3.2 Vererbungsstrategie 5.3.3 Ordnungsreduktion 5.3.4 Verifikation der Modelle 5.3.5 Gültigkeitsbedingungen 6 Entwurfsprozess 6.1 Strategie des Bauelemententwurfs 6.2 Entwurfsbeispiel 6.2.1 Anforderungen und Randbedingungen 6.2.2 Vorauslegung 6.2.3 Eigenwertanalyse 6.2.4 Statische nichtlineare Analysen 6.2.5 Deformationsanalyse 6.2.6 Statische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.2.7 Dynamische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Listings Anlagenverzeichnis A Materialeigenschaften A.1 Einkristallines Silizium A.2 Umgebungsluft B MEMS-Prozess des Fraunhofer IPMS B.1 Prozessablaufplan AME1 B.2 Prozessabh ̈angige Materialeigenschaften C Strukturmechanische FE-Analysen C.1 FEM-Werkzeuge am Fraunhofer IPMS C.1.1 ANSYS C.1.2 COMSOL Multiphysics TM C.2 Nichtlinearitäten prismatischer Torsionsstäbe C.3 Typische Eigenformen von Mikroscannerspiegeln C.4 Mechanische Spannungen in Torsionsfedern C.5 Dynamische Deformation der Spiegelplatte C.6 Konvergenzeigenschaften von FE-Netzen D Dämpfungsmechanismen D.1 Slide-film-Dämpfung D.2 Squeeze-film-Dämpfung E Bewegungs-Dgl. des IPMS Mikroscannerspiegels E.1 Fixpunkte E.2 Stabilität E.3 Bifurkationen E.4 Phasenportraits F IMtk-Klassenbibliothek F.1 Klassenübersicht F.2 Funktionen F.3 Datenstruktur IMTK F.4 Eigenschaften und Methoden der Basisklasse imtk element F.5 Implementation F.6 Beispiele G Experimentelle Ergebnisse (Entwurfsbeispiel) G.1 Charakterisierung G.1.1 Synchronisierte Anregung G.1.2 Parametrische Anregung G.2 Dynamische Deformation

Noble metal nanoparticles have attracted the attentions of many researchers because of unique plasmonic properties since their discovery and successful preparation. Nanocluster formed by the assembly of noble metal nanoparticles can exhibit plasmonic characteristics beyond those of individual nanoparticles, which can be tuned, to a large extent, by adjusting the size, shape, chemical composition, and arrangement of individual nanoparticles. Usually nanocluster with special ordered structures is called as superstructure, which can be designed for different purposes through various methods. Colloidal assembly as a cost-efficient approach can be widely used for fabrication of plasmonic superstructure in solution media. As an introduction of background, the developments of plasmonic nanoparticles and nanoclusters have been discussed in the aspects of their LSPR properties, surface modification for colloidal assembly, and sensing applications. Both colorimetry and SERS detection based on plasmonic assemblies have been presented as effective sensing methods, which are also the motivations for the main experiments in this thesis. As a proof-of-motivation, the different kinds of thiol-terminated PEG assisted hybrid gold nanoparticles have been applied for the protein colorimetric detections based on the specific interaction between heparin and proteins with different surface affinities. In addition, PEG-assisted core/satellite superstructures with various polymer thickness as SERS platform have been demonstrated for trace sensing of specific target molecules in solution. Especially, the method to differentiate between the radiative and non-radiative contributions of plasmonic superstructure has been proposed using diffuse reflectance spectroscopy, which provides a favorable selection and design of best candidates for specific application scenarios. Finally, the concept of NIR-II SERS using biological transparency window has been introduced including the fundamental requirements, which proposed a future experiment to fabricate suitable superstructures for potential biomedical applications with high penetration depth at low laser powers. Generally speaking, the central focus of this thesis is the effect of polymer modification on the structures and properties of plasmonic superstructure and its sensing application. The main research efforts are divided into three parts: (I) investigate the topological effect of polymer structure parameters on plasmonic properties for colorimetric analytics; (II) investigate the impact of interparticle spacing within the assemblies and polymer dimensions on the SERS activity; (III) investigate the plasmonic properties tailoring of superstructures as well as the contribution of scattering (radiative) and absorption (non-radiative), i.e. light-to-heat conversion, within the ensemble optical response.