Laserumformen von Siliziummikrostrukturen, 2007. - Online-Ressource (PDF-Datei: 205 S., 5925 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2007
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In dieser Arbeit werden erstmalig grundlegende theoretische und praktische Untersuchungen zum Umformen von Siliziummikrostrukturen mit Hilfe von Laserstrahlung durchgeführt. Vorangestellt ist eine gründliche Analyse des Kenntnisstandes der Technik. Die Simulation des Laserumformprozesses von Siliziummikrostrukturen an einem auf die experimentellen Untersuchungen zugeschnittenen FE-Modell gibt Aufschluss über die entstehenden Temperatur-, Dehnungs- und Spannungsfelder im Material und die entstehenden Biegewinkel. Die Berechnungsergebnisse fließen in eine modellhafte Beschreibung des laserinduzierten Biegeprozesses von Siliziummikrostrukturen ein. Die experimentellen Untersuchungen mit Nd:YAG-Laserstrahlung der Wellenlängen 1064 nm und 532 nm liefern Erkenntnisse zu wichtigen Parametern im Laserumformprozess wie beispielsweise zum Einfluss von Laserleistung, der Anzahl an wiederholten Bearbeitungen oder der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Die experimentellen Ergebnisse sind denen aus den Simulationsrechnungen gegenübergestellt. Nach der Umformung werden die Biegeproben hinsichtlich Veränderungen gegenüber unverformten Proben beurteilt. Neben Materialveränderungen in der Biegezone liegen sowohl geometrische Abweichungen als auch veränderte mechanische Festigkeitseigenschaften vor. Durch den Aufbau eines Regelkreises mit dem Biegewinkel als Stellgröße lässt sich die Reproduzierbarkeit der hergestellten Umformungen von den Toleranzfeldern im Laserumformprozess entkoppeln und dadurch deutlich verbessern. Das entwickelte Verfahren eignet sich sehr gut zum Umformen von Siliziumbauteilen für verschiedenste Anwendungen. Speziell entworfene mikromechanische Bauteile aus Silizium können so umgeformt werden, dass sie in der Lage sind, andere Bauteile mechanisch in ihrer Lage zu fixieren, zu führen, zu stapeln oder sogar mechanische oder elektrische Aufgaben auch über mehrere Waferebenen zu übertragen. Abschließend werden spezielle Umformuntersuchungen mit Laser und zusätzlichem Biegewerkzeug durchgeführt.
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Untersuchung des Zusammenhangs spannungsinduzierter Martensitbildung bei superelastischen Formgedächtnislegierungen und der physikalischen Kenngrößen, 2007. - Online-Ressource (PDF-Datei: 134 S., 7954 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2007
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Superelastische Formgedächtnislegierungen (SEFGL) sind eine Untergruppe der Formgedächtnislegierungen, welche wiederum zu den so genannten Smart Materials gehören, zu jenen Werkstoffen, welche den derzeitigen Grad der Automatisierung in die nächste Generation überführen sollen.Hierbei sind nicht nur die aktorischen Aufgaben von Interesse, sondern auch die sensorischen. SEFGL bieten einen Ansatz für eine neue Technologie im Bereich der Sensorik. Diese Legierungen haben die Eigenschaft in bestimmten Temperaturbereichen ein superelastisches Verhalten mit bis zu 15 % Verformungsvermögen aufzuweisen. Dieses superelastische Verhalten wird von einer überproportional starken Änderung des elektrischen Widerstandes begleitet und verspricht neue Ansätze zur Erfassung und Auswertung von Messgrößen.Hintergrund dieses Effektes ist eine spannungsinduzierte Phasenumwandlung, welche mittels experimenteller Methoden nur sehr aufwendig nachzuweisen ist. Aus diesem Grunde ist es das Ziel dieser Arbeit, eine einfache, versuchsgestützte Methode zu entwickeln, welche Schlüsse auf das Phasenumwandlungsverhalten und die Bestandteile der einzelnen Phasen einer SEFGL während eines Dehnprozesses zulässt. Mit dieser Methode der Sequentiellen Einflussanalyse (SQEA) wird der zu erwartende elektrische Widerstand des SEFGL-Drahtes mithilfe der Erkenntnisse des Standes der Technik aus den vorhandenen Daten berechnet und mit der tatsächlich ermittelten Widerstandskurve verglichen. Hierzu werden die Korrelationen des elektrischen Widerstandes mit den mechanischen Spannungen während des Verformungsprozesses von SEFGL-Drähten unter verschiedenen Bedingungen ermittelt. Die Berechnung des elektrischen Widerstandes erfolgt dabei einerseits mit möglichst vielen Variationen der vorliegenden Daten und mit gezielter Minimierung der Einflussparameter andererseits. Es werden dementsprechend Variationen der Phasenumwandlungsmodelle angefertigt, welche vom einfachsten Ablauf der Phasenumwandlung bis hin zum komplexesten Verlauf, aber auch von dem wahrscheinlichsten bis hin zum unwahrscheinlichsten Verlauf der Phasenumwandlung alle Möglichkeiten abdecken.Mit den gewonnen Erkenntnissen über die physikalischen Vorgänge und Eigenschaften wird in Zukunft die Beurteilung von Anwendungen, aber auch von Legierungssystemen in Bezug auf verschiedene Anwendungen erleichtert.
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Potentialunterstützte Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, 2006. - Online-Ressource (PDF-Datei: 138 S., 10,5 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2006
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Die Entwicklung von langfaserverstärkten Oxid/Oxid-Verbundwerkstoffen hat in den letzten Jahren wegen der Oxidationsbeständigkeit und der guten thermomechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe stark zugenommen. So sind sie bspw. für Bauteile in Brennkammern, Wärmetäuschern oder in der Luft- und Raumfahrt von Interesse. Die schwierige und teure Fabrikation von Verbundwerkstoffen mit mehreren Gewebelagen begründet die Anwendung des elektrophoretischen Infiltrationsverfahrens (EPI) zur Herstellung der Matrix. Bei dem EPI-Verfahren wurden Fasergewebe Nextel(TM) 720 als Verstärkungsmaterial und alpha-Al2O3 als Matrixmaterial verwendet. Die Ergebnisse der elektrophoretischen Infiltration werden speziell für diese Materialkombination dargestellt und interpretiert. Der Hauptteil dieser Arbeit widmet sich den Reaktionsabläufen bei der elektrophoretischen Infiltration. Diesbezüglich wurde für das System alpha-Al2O3/Nextel(TM) 720 eine Arbeitshypothese aufgestellt und diese experimentell untersetzt. Darüber hinaus wurden zwei Techniken, die auf der EPI-Technik basieren, entwickelt und erprobt. Sie werden in dieser Arbeit als Laminationsverfahren und Mehrlageninfiltrationsverfahren bezeichnet. Die Ergebnisse zeigen, dass beim Mehrlageninfiltrationsverfahren die simultane elektrophoretische Infiltration eine vollständige Ausfüllung der Fasernzwischenräume mit Matrixpartikeln für bis zu sechs Gewebelagen ermöglicht. Damit ist dieses Verfahren der bekannten Schlickertechnik deutlich überlegen. Die im Labor hergestellten Sinterproben haben einen Faseranteil von 45 % und eine Porosität von ca. 30 %. Sie zeigen das typische quasiduktile Bruchverhalten für keramische Verbundwerkstoffe mit einer schwachen Faser-Matrix-Bindung.
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Der Mechanismus der Verchromung und Möglichkeiten der Prozesssteuerung. - 230 S. Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2006
Technologieorientierte Forschung zur Herstellung und Optimierung von Polymersolarzellen auf flexiblen Kunststoffsubstraten. - Ilmenau : ISLE, 2006. - XI, 105 S. Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2006
ISBN 3938843179
Der Zusammenhang zwischen der chemischen Struktur und den optischen sowie den elektrochemischen Eigenschaften verschiedener konjugierten Polymere und der Einfluss dieser Eigenschaften auf die photovoltaischen Parameter der entsprechenden Polymersolarzellen sind untersucht. Die Leerlaufspannung der Donator:Akzeptor-Polymersolarzelle ist von der Energiedifferenz LUMOAkzeptor - HOMODonator abhängig und wird von der Morphologie der photoaktiven Schicht beeinflusst. Polymere mit kleiner optischer Bandlücke und hohem Absorptionskoeffizient sind geeignet zur Verwendung als Lichtabsorber in Polymersolarzellen, da diese Eigenschaften zur Erhöhung des Kurzschlussstromes der Zelle führen. Großflächige, flexible Polymersolarzellen auf PET-Folien mit vergleichbarem Wirkungsgrad zu den in Literatur gefundenen, auf Glas aufgebauten Polymersolarzellen sind realisierbar. Polymersolarzellen mit unterschiedlichen Aufbauten (normal und invers) zeigen vergleichbares photovoltaisches Verhalten.Die Herstellparameter (Lösungsmittel, Donator:Akzeptor-Mischverhältnis, thermische Behandlung) der P3HT:PCBM-Schichten beeinflussen die Eigenschaften dieser Schichten. Nach der Optimierung der Herstellparameter ist die Realisierung einer flexiblen, großflächigen PET-Folie/ITO/ P3HT:PCBM (1:1)/Al-Solarzelle unter Raumbedingungen mit einem Wirkungsgrad von 3,4% möglich.
Mikro- und nanoelektromechanische Resonatoren für die Sensorik. - Aachen : Shaker, 2006. - 162 S.. - (Berichte aus der Halbleitertechnik) Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2005
ISBN 3832252754 = 978-3-8322-5275-5
Das Hauptziel der vorliegenden Dissertation war die Realisierung von unter normalen Umgebungsbedingungen arbeitenden Mikro- und Nanoresonatoren für die Sensorik. Das angestrebte Anwendungsgebiet ist die Viskositätsmessung, eine Temperaturmessung und selektive Sensoren für die Bio-Medizin. Hoch sensitive Sensorsysteme erfordern die Entwicklung und Optimierung einer Technologie für die Herstellung SiC-basierender mikro- und nanoelektromechanischer Resonatoren möglichst kleiner Masse. Der theoretische Anteil dieser Arbeit befasst sich mit der Resonatortheorie, dem Resonatordesign und dem Einfluss unterschiedlich verspannter Epitaxieschichten auf die zu erzielenden Resonanzfrequenzen. Die technologische Herausforderung bestand in der Entwicklung eines Epitaxieprozesses für gering verspanntes 3C-SiC und die Optimierung der Schichteigenschaften hinsichtlich der Anwendung als MEMS- und NEMS-Resonatoren. Des weiteren musste eine geeignete Strukturierungstechnik für das chemisch sehr stabile Material SiC mit der entsprechenden Ätzcharakteristik entwickelt werden. Diese Optimierung erfolgte bezüglich anisotroper und isotroper Ätzprofile sowie der Selektivität zwischen Silizium und Siliziumkarbid. Hierzu wurden drei unterschiedliche Plasmatechnologien charakterisiert und ihrer Anwendbarkeit für Mikro- und Nanostrukturen diskutiert. Die experimentelle Bestimmung der Resonanzfrequenzen und Resonatorgüten unter normalen Messbedingungen erfolgt mit einer Impulsmessmethode. Die unter Luft charakterisierten Resonatoren erzielen Resonanzfrequenzen bis 2 MHz und Resonatorgüten bis 350. Die Güte wird hauptsächlich durch die viskose Dämpfung der Luft bestimmt.
Die LTCC-Technologie als Basis von sensorischen, aktorischen und fluidischen Komponenten für Mikrosysteme. - Ilmenau : ISLE, 2006. - 99 S. Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2005
ISBN 3938843144
Thema der Arbeit ist die Nutzung von LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) als Werkstoff für Mikrosysteme bzw. deren Komponenten. Es werden zunächst allgemeine Anforderungen an derartige Werkstoffe beschrieben. Anschließend wird dargelegt, in welcher Weise LTCC diese Forderungen erfüllt. Eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz von LTCC in Mikrosystemen ist die gute 3D-Strukturierbarkeit. Dreidimensionale Strukturen erfordern eine Modifikation des LTCC-Standardprozesses, insbesondere in Hinblick auf die mechanische Bearbeitung und den Laminierprozess. Es werden Materialeigenschaften untersucht, die bei einem Einsatz von LTCC als reinen Schaltungsträger von untergeordnetem Interesse sind, dafür aber eine stärkere Bedeutung beim Einsatz als Werkstoff für Mikrosysteme haben. Anschließend werden ausgewählte sensorische, aktorische, fluidische, mikromechanische und elektronische Komponenten beschrieben, die in einem späteren Schritt aufgrund einer gemeinsamen technologischen Basis zu Mikrosystemen zusammengeführt werden können.
Entwicklung und Erprobung neuartiger Düsen für das atmospärische Plasmaspritzen. - Chemnitz : Techn. Univ., Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, 2005. - 150 S.. - (Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen ; 20) : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2005
Das Design der als Anode fungierenden Düse bestimmt beim Atmosphärischen Plasmaspritzen (APS) sowohl das Strömungsverhalten des Plasmafreistrahls als auch das Verhalten des Gleichstromlichtbogens und ist somit ein entscheidender Parameter für den Spritzprozess im Hinblick auf den Pulverauftragwirkungsgrad und die Qualität der DC-plasmagespritzten Schichten. Düsen mit einem konvergenten Einlaufgebiet und einem zylindrischen Ausgang, so genannte Standard-Düsen (V0s), sind mit dem industriellen Einsatz des APS seit mehr als einem Jahrzehnt Stand der Technik. Eine Effizienzsteigerung des APS-Prozess wird mit dem Einsatz von de-Laval-Düsen, die herkömmlich für das Vakuumplasmaspritzen (VPS) eingesetzt werden, erzielt. Der divergente Ausgang der konvergenten-divergenten de-Laval-Düse erzeugt beim Einsatz für das VPS bei einem bestimmten Druckverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangs- bzw. Reaktordruck eine wandangepasste Strömung, die in einem expandierenden Plasmafreistrahl mit bis zu mehrfacher Überschallgeschwindigkeit resultiert. Beim Einsatz für das APS operiert eine de-Laval-Düse im Normafall als Diffusor, was ein Aufweiten des heißen Kerns und ein Abbremsen des Plasmafreistrahls, verglichen mit der V0s-Düse, zur Folge hat. Weiterhin wird eine Reduzierung der Kaltgaseinwirbelungen in den Plasmafreistrahl erreicht. Die Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit des Plasmafreistrahls beim Einsatz einer konvergenten-divergenten de-Laval-Düse für das APS führt, verglichen mit der V0s-Düse, zu einer Erhöhung des Pulverauftragwirkungsgrads aufgrund längerer Aufenthaltszeiten der injizierten Spritzpulverpartikel im Plasmafreistrahl. Der Gleichstromlichtbogen wird mit dem Einsatz von de-Laval-Düsen beim APS im divergenten Teil der Düse axial fixiert. Ein Neuzünden (restriking) des Gleichstromlichtbogens, das mit dem Einsatz der V0s-Düse beim APS aufgrund der Lichtbogenbewegung auf der Anode auftritt, wird verhindert und die zeitabhängigen Spannungsfluktuationen, die zu Schwankungen in der Plasmafreistrahlleistung führen, reduziert. Der APS-Prozess wird in Bezug auf den Pulverauftragwirkungsgrad effizienter und im Hinblick auf die Schallemission ökonomischer. Es werden zwei neuartige konvergente-divergente de-Laval-Düsen (V70, V21) für das APS mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen entwickelt und Laser-Doppler-Anemometrie sowie Enthalpiesondenmessungen an dem durch die jeweilige Düsenkonfiguration erzeugten Plasmafreistrahl durchgeführt. Das Ziel ist die Untersuchung der Flugbahnen der injizierten Spritzpulverpartikel im Plasmafreistrahl sowie die Untersuchung der durch Wechselwirkung mit der kalten Umgebungsluft im Plasmafreistrahl auftretenden Turbulenzen. Die Qualität der DC-plasmagespritzten Schichten mit den Spritzpulverzusätzen Al2O3 und Cr2O3 wird durch Untersuchungen der Porosität, elektrische Durchschlagsfestigkeit und Haftzugfestigkeit ermittelt. Die zeitabhängigen Spannungsfluktuationen des Gleichstromlichtbogens werden oszillographiert und mit akustischen Messungen am Plasmafreistrahl verglichen, um das Verhalten des Gleichstromlichtbogens im DC Plasmatron näher zu charakterisieren.
Entwurf von magnetischen Mini- und Mikroaktoren mit stark nichtlinearem Magnetkreis, 2005. - Online-Ressource (PDF-Datei: 176 S., 3738 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2005
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Die vorliegende Arbeit stellt eine Erweiterung der Entwurfsmethodik für mechatronische Systeme nach der VDI-Richtlinie 2206 für mikromechatronische Systeme dar. Die Spezifika des mikromechatronischen Entwurfs werden unter funktionellen und geometrisch-stofflichen Aspekten betrachtet und bewertet. In Ergänzung zur VDI 2206 werden außerdem allgemeine Konstruktionsrichtlinien und Konstruktionsprinzipien für den Entwurfsprozess von Mikroaktoren dargelegt. Magnetische Aktoren weisen ein großes Einsatzpotential im Mikrobereich auf. Sie werden bisher im Vergleich zu elektrostatischen Aktoren jedoch nur wenig eingesetzt. Wie anhand von Ähnlichkeitsgesetzen für die Verkleinerung magnetischer Aktoren nach dem Reluktanzprinzip gezeigt wird, weisen sie im Mini- und Mikrobereich teilweise größere Stellkräfte bei größeren Hüben auf als vergleichsweise elektrostatische und piezoelektrische Mikroaktoren, wenn sie optimal ausgesteuert werden. Gegenstand der Arbeit ist weiterhin die Untersuchung verschiedener Magnetkreisgrundformen von neutralen und polarisierten Hub- und Klappankermagneten und deren Bewertung anhand von berechneten charakteristischen Kennlinien. Die Berechnung der optimalen Hauptabmessungen acht verschiedener Magnetkreisgrundformen mit und ohne Bauraumbeschränkungen zeigt die starken Unterschiede antriebstechnischer Eigenschaften (Magnetarbeit, Bauvolumen, maximaler Hub) in Abhängigkeit von der Magnetkreisgrundform und der Stromdichte. In diesem Zusammenhang wird die Durchflutungssteuerbarkeit von Magnetaktoren definiert, die für die Bewertung von magnetischen Aktoren und die Integration in mechatronische Systeme wichtig ist. Resonante Antriebssysteme sind im besonderen Maße für die Entwicklung von verlustarmen, schnellen und kleinen Aktorsystemen geeignet. In der Arbeit wird auf den Entwurf eines derartigen Systems eingegangen und anhand eines Miniaktors für Gaswechselventile gezeigt, dass die Grenze der Schnellwirkung bei Nutzung dieses Wirkprinzips in den Bereich kürzerer Schaltzeiten verschoben werden kann. Ein besonders interessanter Aspekt für die Integration mechatronischer Systeme ist die Reduzierung der Hardwarekomplexität. Es wird ein neuartiges Verfahren zur sensorlosen Positionsbestimmung von Magnetankern vorgeschlagen, das auch für stark nichtlineare Magnetkreise geeignet ist. Durch Simulation wird der Funktionsnachweis erbracht.
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Herstellung und Eigenschaften von Nickeldispersionswerkstoffen mit nanoskaligen Oxidkeramikpartikeln, 2005. - Online-Ressource (PDF-Datei: 148 S., 11,7 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2005
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Der Fortschritt in der Mikrotechnik fordert die Entwicklung neuer funktioneller Werkstoffe für die Erweiterung der technischen Einsatzfelder von Mikrobauteilen bei vertretbaren Kosten. Die Mitabscheidung von nanoskaligen Partikeln bei der galvanischen Beschichtung kann diese Weiterentwicklung fördern. Die vorliegende Arbeit liefert hierzu einen Beitrag mit oxidkeramischen Partikeln aus Al2O3 und TiO2. Der Primärteilchendurchmesser der zusammen mit einem konventionellen Watts-Nickelelektrolyten abgeschiedenen Partikel liegt im Bereich von 10 bis 30 nm. Für die galvanischen Prozesse wurde eine spezielle Laboranlage konzipiert. Theoretische Überlegungen zu den Mechanismen des Partikeltransports in Elektrolyten und den hydrodynamischen Bedingungen während der Abscheidung führten zu einer Modellvorstellung über die Konzentrationsverhältnisse der Partikel bei fortschreitender Dispersionsabscheidung in tiefe Mikrostrukturen. Der Einbau von nanoskaligen Partikeln bei der Abscheidung in Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen konnte in der modellhaft vorhergesagten Größenordnung nachgewiesen werden. Das Verhalten der nanoskaligen Partikel in Abhängigkeit von der Konzentration der Bestandteile eines Watts-Nickelelektrolyten wurde untersucht. Zur Messung des mittleren Teilchendurchmessers und des Zetapotentials kam ein "Malvern Zetasizer 3000HS(r)" zum Einsatz. Insbesondere Nickelsulfat führt schon bei geringsten Konzentrationen zu einem verstärkten Agglomeratwachstum. Eine Messmethode zur schnellen und einfachen Bewertung der Einbaurate von Partikeln mit der Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) ist entwickelt und verifiziert worden. Der Einfluss der Anwesenheit von Partikeln auf die Kristallisation, die inneren Spannungen und Textur der abgeschiedenen Nickelschichten wurde mit verschiedenen Methoden wie z.B. Streifenkontraktometer, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Röntgendiffraktometrie (XRD) untersucht. Ausgehend von Partikeln konnten Zwillingskristalle beobachtet werden, die möglicherweise durch innere Spannungen hervorgerufen wurden. Weitere Eigenschaften der nano-Dispersionsschichten werden im Vergleich zu partikelfrei abgeschiedenen Nickelschichten dargestellt.
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