Optimierung des mechanischen Verhaltens von MEMS-basierten Kompensationswaagen. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Kompensationskraftsensoren vereinen durch ihr Funktionsprinzip eine hohe Präzision der Messung mit einem vergleichsweisen großen Messbereich. Zur Bestimmung sehr kleiner Massen eignen sich MEMS-basierte Sensoren in besonderem Maße, da sie eine hohe Funktionsintegration mit großer Kompaktheit vereinen. In dieser Arbeit wird daher ein als Mikrosystem konzipierter Sensor mit einer maximalen Messkraft von 50 [my]N vorgestellt. Eine Schwäche solcher Sensoren sind auftretende Querkräfte, da diese zu einer Verringerung der Auflösung sowie zu Messfehlern führen. Zur Minimierung dieser Fehler von Kraftkompensationssensoren mittels eines passiven Ansatzes - also ein Lösungsansatz ohne zusätzliche Aktorik - wird ein Steifigkeitsverhältnis von Querrichtungen gegenüber der Hauptfunktionsrichtung von mindestens zehn gefordert. In dieser Arbeit werden insbesondere die Festkörpergelenke der Parallelführung des Kraftkompensationssystems untersucht, mit dem Ziel, die Steifigkeit der Waage in Querrichtung zu maximieren. Darüber hinaus werden grundlegende Untersuchungen zu alternativen Führungskonzepten angestellt. Für alle Alternativen müssen geometrische, funktionelle und fertigungstechnische Randbedingungen eingehalten werden. Die Optimierungen ergeben ein maximales, theoretisches Steifigkeitsverhältnis von 408 unter idealisierten Bedingungen. Selbst bei Berücksichtigung von räumlichen Verformungseffekten und Fertigungsfehlern stellt dies eine deutliche Verbesserung zum Verhältnis von 3,35 des gegebenen Systems dar.
Entwicklung einer leistungsfähigen Elektronik für eine EWOD-getriebene Mikropumpe. - Ilmenau. - 148 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Gegenstand dieser Masterarbeit ist der Entwurf einer Elektronik zur Steuerung und Überwachung einer neuartigen EWOD-getriebenen Mikropumpe. Im Konkreten beinhaltet diese die Bereitstellung einer Steuerspannung mit einer Schwingungsbreite von bis zu 200 V bei einer Eingangsgleichspannung im Akkuspannungsbereich von ca. 5 V. Die Steuerspannung stellt dabei verschiedene Ansteuerformen wie Sinus-, Rechteck- oder Dreieck-Profile zur Verfügung. Zur Überwachung des Pumpbetriebs sowie zur Erlangung eines besseren Systemverständnisses gilt es, sowohl die genaue Aktorspannung, als auch den Aktorstrom in Form der Aufzeichnung der zeitlichen Verläufe der Signale zu überwachen. Im ersten Schritt wurden die genauen Anforderungen an die Elektronik in einem Lastenheft dokumentiert. Im Rahmen einer Modellbildung wurde zudem ein elektrisches Ersatzschaltbild zur Mikropumpe erstellt und die elektrische Last anhand von Simulationsergebnissen quantifiziert. Basierend auf dieser Datengrundlage erfolgte die Erstellung mehrerer Konzepte für eine Steuerelektronik. Die Konzepte wurden gegenübergestellt und einer Nutzwertanalyse unterzogen. Das am besten geeignete Konzept wurde in Voruntersuchungen evaluliert und im Entwurfsprozess in eine elektronische Schaltung umgesetzt. Das entworfene Layout wurde als Leiterplatte aufgebaut und mit Hilfe von Experimenten hinsichtlich der Anforderungen überprüft. Basierend auf den Ergebnissen wurden Verbesserungsvorschläge unterbreitet, die weiterführend in einer überarbeiteten Variante der Elektronik umgesetzt werden können. Ein besonderes Augenmerk lag im ganzen Entwicklungsprozess auf der Kompaktheit des Systems, im Hinblick auf die Integration der Elektronik im Pumpenchip. Zudem wurden vorbereitende Maßnahmen, wie die Wahl eines geeigneten Mikrocontrollers für die drahtlose Kommunikation zwischen Mikropumpe und Peripheriegeräten getroffen. Der netzunabhängige Betrieb mit einem Akkumulator wurde ebenfalls vorgesehen.
Entwicklung eines Versuchsaufbaus für die optische Auslesung eines MEMS-basierten Kompensationskraftsensors. - Ilmenau. - 44 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
In der vorliegenden Arbeit wird der konstruktive Entwicklungsprozess eines Versuchsaufbaus vorgestellt, der die optische Auslesung eines MEMS-basierten Kompensationskraftsensors ermöglichen soll. Hierbei wird ein technischer Entwurf einer Justagevorrichtung erarbeitet, welche ermöglicht den Messkopf eines Fabry-Pérot-Interferometers auf die \textmu m feinen Strukturen des MEMS-basierten Kompensationskraftsensors auszurichten, und damit seine Bewegung erfassen und messen zu können. Für die entwickelte Justagevorrichtung findet auf Basis eines vektoriellen metrologischen Modells eine Messunsicherheitsanalyse in nichtlinearisierter Form nach GUM, sowie nach dem Monte-Carlo-Verfahren statt. Über das hieraus entstandene Messunsicherheitsbudget wird die Justagevorrichtung mit der konventionellen kapazitiven Auslesung verglichen und seine Eignung für die optische Auslesung bewertet. Daraus geht hervor dass Position und Winkel des Messkopfes hinreichend genau gegenüber dem MEMS-basierten Kompensationskraftsensor eingestellt werden kann. Jedoch muss bei dieser optischen Auslesung, durch ihren großen Einfluss auf die metrologische Kette, auf eine möglichst konstante Temperatur während des Messvorganges geachtet werden.
Entwurf und Realisierung eines Sensors für die Ozonkonzentration. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit war es, einen Sensor zu entwickeln, der anhand einer UV-Absorptionsmessung die Konzentration von Ozon am Ausgang eines Ozonerzeugers messen kann. Dieser Sensor soll genutzt werden, um den Ozonerzeuger eines Stickoxid-Messsystems zu regeln. Die Hauptschwerpunkte der Entwicklung lagen in der Miniaturisierung und Wirtschaftlichkeit des Sensors. Dafür wurden sowohl sämtliche Komponenten dimensioniert, als auch die notwendige Schaltungstechnik ausgelegt. Diese umfasst die Strahlungsquelle in Form einer UV-LED, die Küvette in Form eines Kunststoffschlauches sowie die Auswerteelektronik mit Fotodiode und Verstärkerschaltung. Die Dimensionierungen wurden nach der Erarbeitung der wissenschaftlichen Grundlagen anhand von Versuchen bewertet. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, die UV-Absorptionsmessung durch einen FEP-Schlauch durchzuführen und mit kostengünstigen Komponenten eine Auflösung der Massenkonzentration von Ozon von 0,045 g/m^3 zu erreichen. Es wurden Möglichkeiten erarbeitet, diese Auflösung zu verbessern und über eine lange Messdauer aufrecht zu halten.
Erarbeitung einer Designbibliothek für MEMS-Elemente auf Silizium-Keramik-Substraten. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Die Kombination von kristallinem Silizium und hochfrequenztauglicher, amorpher LTCC ermöglicht die Umsetzung neuartiger, hoch integrierter MEMS-Systeme, vor allem in harschen Umgebungen. In dieser Arbeit werden Konzepte von Einzelstrukturen komplexer MEMS-Systeme erarbeitet und zu einer Designbibliothek zusammengefasst. Ausgehend von der Formulierung der Anforderungen an die Sensorteilsysteme findet ein Transfer der technischen Umsetzung auf die neue SiCer Technologie statt. Hierbei werden Lösungen für konkrete MEMS-Elemente wie Biegebalken und Membran erarbeitet sowie Gestaltungsrichtlinien formuliert. Es wird eine Berechnungsmethode entwickelt, mit der sich die SiCer Komponenten modellieren und ihre grundsätzliche Funktionsweise in statischen ANSYS Workbench Simulationen nachweisen lassen.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf einer Regelung für eine MEMS basierte Kompensationswaage. Die Wägezelle, bestehend aus einem kapazitiven Sensor zur Lagebestimmung und einem kapazitiven Aktor zur Aufbringung der Kompensationskraft, soll eine minimale Auflösung von 1-10 [my]g erreichen. Hierfür soll der Hebel - als beweglicher Teil der Waage - im Nullpunkt austariert werden und über die aufgebrachte Kompensationskraft auf die zu bestimmende Masse rückgeschlossen werden. Zur Erstellung eines Reglers wird ein Modell zur Beschreibung des Systemverhaltens erarbeitet. Durch eine zeitkontinuierliche Betrachtung des Systems wird ein Regelkreis modelliert und der Regler parametrisiert. Eine Diskretisierung des Reglers und die Analyse der Zeitkonstanten des Systems dienen als Vorbereitung für eine später mögliche Implementierung auf das Zielsystem. Aufgrund der vernachlässigbar kleinen Dämpfung der Wägezelle ergibt sich eine hohe Eigenfrequenz für das System und daraus resultierend eine kleine Abtastzeit. Dies hat zur Folge, dass die Kapazität des Sensors mit einer hohen Frequenz ausgelesen werden und die Regelung sehr schnell reagieren muss. Allerdings ließ sich durch geeignete Regelparameter der maximale Spannungsanstieg am Aktor ausreichend klein halten. Des Weiteren wird der Regler, aufgrund der Nichtlinearität der elektrostatischen Kraft, für eine virtuelle Größe entworfen, welche separat als Teil der Eingangs-Ausgangslinearisierung zur eigentlichen Stellgröße umgewandelt wird. Durch eine simulative Betrachtung lässt sich erkennen, dass das Modell auch mit realen Komponenten umsetzbar ist.
Direktintegration von piezoelektrischen Bauelementen auf LTCC-Schaltungsträger. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Durch die immer weiter zunehmende Vernetzung elektrischer Systeme wird auch der Bedarf an kompatiblen Technologien immer größer. Viele Sensoren werden tagtäglich genutzt um Prozesse, Umgebungen und allgemein Vorgänge sensorisch zu erfassen. Eine solche sensorische Anwendung sind Surface-Acoustic-Wave-Sensoren (SAW-Sensoren), welche in dieser Arbeit thematisiert werden sollen. Eine Anregung eines piezoelektrischen Werkstoffes mittels Interdigitalstrukturen erzeugt die Oberflächenwellen. Diese werden durch Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel die Umgebungstemperatur, -luftfeuchtigkeit oder eine chemische Diffusion beeinflusst. Durch den piezoresistiven Effekt ist es möglich die veränderte Oberflächenwelle in ein elektrisches Signal zu wandeln. Eine Veränderung der Oberflächenwelle deutet auf eine Veränderung der Umgebungsbedingungen hin und so ist es möglich diese zu detektieren und mit entsprechenden Kennlinien auf die Umgebungsgrößen zurück zu schließen. Ziel dieser Arbeit soll es sein, eine solche Teststruktur neuartig auf einer Niedertemperatur-Einbrandkeramik (Low Temperature Cofired Ceramic LTCC) aufzubauen, elektrisch zu testen und mit bereits existierenden Silicium Strukturen zu vergleichen. Vorweg wurden Versuche zur Einebnung von LTCC-Substraten durch Sol-Gel-Verfahren unternommen. Eine hohe Rauheit der Substrate bereits zu Beginn der Prozessierung wirkt sich negativ auf die Piezokonstanten und somit den Sensoreffekt aus. Dadurch sind die Vorversuche von großer Bedeutung für die weitere Prozessierung. Alle darauffolgenden Prozessschritte orientieren sich an der Prozessierung auf Silicium.
Optimizing alignment accuracy of nanoimprint using PDMS-based stamps. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
UV Nonoimprint ist die bevorzugte Methode im Vergleich zu thermischen Abformen. In dieser Arbeit wird die SCIL Technologie (Substrate Conformal Imprint Lithography) untersucht. Sie wurde 2010 von SUSS MicroTEc und Philips Research entwickelt. Es ist eine innovative Methode um mit hohem Durchsatz, hohe Auflösungen bei niedrigen Kosten zu realisieren. Die Positioniergenauigkeit ist dabei aber eine wichtigsten Prozesseinschränkungen. Diese Arbeit untersucht den Einfluss einzelner Prozessparameter auf die Positioniergenauigkeit. Alle Prameter wurden optimiert um den Prozess für eine bestmögliche Überlagerungsgenauigkeit einzustellen.
Untersuchung von Lebensmittelbestandteilen als unkonventionelle Sensormaterialen in der Mikrosystemtechnik. - Ilmenau. - 118 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
In dieser Arbeit werden Lebensmittelbestandteile hinsichtilich physikalischer Eigenschaften untersucht, die sich direkt als Sensormaterialien in einem Mikrosensor für Lebensmittel eigenen. Aus der Menge der in Frage kommenden Stoffe wird Kaliumnatriumtartrat-tetrahydrat, der Lebensmittelzusatzstoff E337, ausgewählt und näher untersucht. Neben den bereits bekannten Eigenschaften werden weitere Eigenschaften ermittelt, die wichtig sind, um den Lebensmittelzusatzstoff E337 als Sensormaterial verwenden zu können und insbesondere in einen mikrosystemtechnischen Prozessablauf zu integrieren. Hierbei sind besonders die Beschichtungsverfahren aus der flüssigen Phase interessant, da Kaliumnatriumtartrat-tetrahydrat sich sehr gut in Wasser löst und die Untersuchung von anderen Beschichtungsverfahren aus technischen Gründen nicht realisiert werden konnte. Das Spin-Coating-Verfahren der wässrigen Rochelle-Salz Lösung erzeugte keine befriedigenden Ergebnisse. Dies wurde durch die inhomogene Flüssigkeitsschicht und auch durch lokale Entnetzungserscheinungen verursacht, weshalb mit diesem Verfahren keine homogenen Dünnschichten erzeugt werden konnten. Das Dip-Coating-Verfahren hingegen ermöglicht zuverlässig die Beschichtung verschiedener Substrate. Die aufgebrachte Flüssigkeitsschicht weist ebenfalls Inhomogenitäten auf, doch sind diese deutlich geringer als beim Spin-Coating. Unter Verwendung des Dip-Coating-Verfahrens konnten reproduzierbare Dünnschichten mit einer Schichtdicke von 100 nm bis hin zu 800 nm erzeugt werden. Die Rauhigkeit dieser Schichten betrug in der Regel 5% bis 30% der absoluten Schichtdicke. Mit Hilfe des Dip-Coating-Verfahrens war es auch möglich, die prinzipielle Anwendbarkeit des Lift-off-Verfahrens nachzuweisen. Dabei konnten Balken und Säulen mit einer Strukturgröße von 5[my]m bis hin zu 100 [my]m erzeugt werden. Darüber hinaus wurde auch die galvanische Abscheidung des Salzes untersucht. Dabei bilden sich Schichten auf den metallisierten Proben, in welcher alle Bestandteile von Kaliumnatriumtartrat-tetrahydrat mit einer AES-Analyse nachgewiesen werden können. Die Anwendbarkeit des Verfahrends der elektrophoretischen Anscheidung kann belegt werden, jedoch ist die Partikelgröße für mikrosystemtechnische verwendbare Schichten zu groß Insgesamt zeigt sich, dass die Wahl der Kristallisationsstartschicht einen großen Einfluss auf die resultierende Homogenität und Reproduzierbarkeit der DÜnnschicht hat. Besonders gut eignen sich metallisierten Siliicumsubstrate, wohingegen reines Silicium oder Siliciumoxid häufig Entnetzungserscheinungen zeigten.
Aufbau und Charakterisierung eines kapillaren Schalters in einem hybriden Silizium-Keramik-Verbundsubstrat. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Diese Arbeit befasst sich mit dem CapSwitch, einem mikrofluidischen kapillaren Schalter, der elektronisch ansteuerbar ist und optisch zwischen zwei adiabatischen Wellenleitern koppelt. Es können insgesamt acht Eingangswellenleiter angebracht werden und pro Eingang können vier Ausgänge angesteuert werden. Um diesen optischen Schaltvorgang elektronisch zu steuern, wird mit zwei nicht mischbaren Fluiden gearbeitet, einem polaren Fluid und einem apolaren Fluid. Diese besitzen unterschiedliche Brechungsindices. Das Schalten von einem adiabatischen Wellenleiter auf einen anderen erfolgt durch den Wechsel von apolarem zu polarem Fluid. Das polare Fluid ermöglicht die adiabatische Kopplung zwischen Ein- und Ausgang. Damit diese Kopplung räumlich definiert ist, werden die Fluide in einem engen Kanalabschnitt (Kapillare) geschaltet, welcher direkt zwischen Ein- und Ausgangswellenleiter liegt. Der CapSwitch kann zum Beispiel in der Telekommunikationsinfrastruktur genutzt werden um das manuelle Umschalten zwischen Wellenleitern zu ersetzen. Dies bietet eine schnelle und flexible Lösung um auf Wellenleiterdefekte zu reagieren. Der Schalter basiert auf dem Electrowetting on dielectrics (EWOD) Prinzip. Dafür befinden sich Elektroden unter den Kapillaren. Wenn eine Spannung an einer Elektrode angelegt wird, zieht sich das polare Fluid in diese Kapillare. Weil es ein abgeschlossenes fluidisches System ist, wird das apolare Fluid in, die nicht mit Spannung beaufschlagt Kapillaren verdrängt. Eine Schaltreihe besteht aus vier Kapillaren. Eine Kapillare ist mit polaren Fluid gefüllt die anderen drei mit apolaren. Insgesamt verfügt der CapSwitch über acht Schaltkanäle und somit 32 Schaltkapillaren. Die Arbeit beschreibt die Ansteuerung der Elektroden mittels Mikrocontroller. Durch eine Programmierung und mehrere Eingangstaster ist die Ansteuerung einfach zu handhaben. Dazu wird ein Überblick über die Funktionsweise des Schalters und die dafür benötigten Effekte gegeben. Am Schluss wird die elektronische Schaltung zur Ansteuerung des Schalters, sowie der verwendete Softwarecode erläutert.