Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Ziel dieser Arbeit ist es, die pH-Sensitivität von Hämatit in Bezug auf die zugehörigen Ramanspektren zu diskutieren. So könnte zukünftig eine neue Methode der optischen pH-Wert Messung entstehen. Dafür wird mittels Ramanspektroskopie innerhalb der Ramanspektren nach Veränderungen gesucht, welche durch eine pH-Wert Änderung induziert werden. Zuerst wurden vollflächige Hämatitproben in pH-Pufferlösungen vermessen, um zu bestimmen, ob eine pH-Sensitivität vorliegt. Im Anschluss daran wurden zwei strukturierte Hämatitsonden hinsichtlich ihrer Raman-Aktivität sowie verwendbarer Strukturgrößen charakterisiert. Die vollflächigen Hämatitproben wurden in einem pH-Bereich von pH 5 bis pH 8 anhand ihrer Spektren untersucht. Dabei konnten keine relativen Intensitätsänderungen, die einen Rückschluss auf eine pH-Sensitivität zulassen, gefunden werden. Auch die Entstehung neuer Intensitätsmaxima innerhalb des Spektrums, die eine Verbindung zu den verwendeten pH-Werten aufweisen, konnte nicht festgestellt werden. Aus diesem Grund wurden die vollflächigen Hämatitproben als nicht pH-sensitiv eingestuft. Darauf hin wurden die strukturierten Hämatitsonden spektroskopiert, um die Signalintensität verschiedener Strukurgrößen zu charakterisieren. Diese Untersuchung ergab, dass eine ähnliche Ramanaktivität wie bei den vollflächigen Proben vorliegt, welche jedoch von den gemessenen Strukturgrößen abhängig ist. Abschließend lässt sich keine pH-Sensitivität der Hämatitproben erkennen, was eine Nutzung dieses Materials für die Entwicklung zukünftiger Methoden zur optischen pH-Wert Messung unattraktiv macht.
Fully Inkjet Printed Organic Photodiodes for Lab-on-a-Chip Systems. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Photodioden auf Basis hybrider Perovskite (HPPDs) stehen aufgrund ihrer mechanischen Flexibilität, den potenziell geringen Herstellungskosten sowie der Möglichkeit zur Beschichtung großer Flächen zunehmend im Fokus der Wissenschaft und Industrie. Hauptuntersuchungspunkt war und ist die Optimierung der Effizienz der HPPDs zum Einsatz als interessante Alternative im Bereich der Photovoltaik. In dieser Arbeit wurde die Herstellung von HPPDs unter Nutzung der Tintenstrahldruck-Technologie untersucht. Diese neuartige Herstellungstechnologie organischer Elektronik ist sehr kosteneffizient, nachhaltig und zudem skalierbar. Innerhalb dieser Arbeit wurden vollständig Tintenstrahl-gedruckte HPPDs hergestellt und charakterisiert. Es konnte eine maximale Leerlaufspannung von 512 mV bei einer Schichtdicke der Elektronen-Transport-Schicht von 63 nm sowie bei einer Schichtdicke der Perovskit-Schicht von 7,435 μm erzielt werden. Die maximal erzielte Effizienz lag aufgrund des hohen internen Serienwiderstands bei 1,32x10-4 %. Während der Arbeit wurde unter anderem die Luftfeuchte als potenzielle Ursache für eine Degradation der gedruckten Dioden beobachtet. Dies legt die Notwendigkeit der Herstellung solcher Dioden in einer Stickstoffumgebung nahe.
System modelling and validation of MEMS accelerometer. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die Systemmodellierung ist der übliche erste Ansatz in jedem Produktentwicklungszyklus. Er beginnt mit der Auswahl des Konzepts und der Überprüfung des Konzepts durch Simulationen. Das eigentliche Produkt wird auf der Grundlage des Konzepts entworfen. Das Produkt, in diesem Fall der Sensor, wird dann anhand von Simulationen validiert. Theoretisch muss sich das Produkt genauso verhalten wie das Modell. Mit der zunehmenden Komplexität und Leistung von Sensoren werden jedoch selbst nach der Verifizierung und Validierung des Sensorsystemmodells anhand aller möglichen Anwendungsfälle und Eingaben einige Messergebnisse mit dem tatsächlichen Produkt fragwürdig. Der Grund dafür könnte eine unzureichende Systemvalidierung oder ein Mangel an Simulationsdaten sein, mit denen die Messungen verglichen werden können, oder der Sensor könnte problematisch sein. Außerdem sind die meisten Labormessungen teuer und zeitaufwändig, da sie wiederholt werden müssen. Die Handhabung der Sensoren ist mit zunehmender Miniaturisierung der Sensoren extrem mühsam. Darüber hinaus wird ein erheblicher Teil der Zeit für die Charakterisierung und Auswertung der Testergebnisse aufgewendet, um die Leistungsparameter des Sensors zu ermitteln. Daher ist es hilfreich, Informationen darüber zu haben, ob das Ergebnis eines Tests eine Analyse wert ist. Diese Arbeit befasst sich erstens mit der Validierung des Systemmodells und zweitens mit der Verbesserung der Arbeitsmethodik durch den Vergleich der Simulations- und Messdaten, die beide Zeitreihen sind. Es wird eine Einführung in die Modellierung von MEMS (mikroelektromechanische Struktur) und Sensorausleseschaltungen gegeben. Zunächst wurde das Modell des Sensorsystems untersucht und modifiziert, um verschiedene Rauschquellen zu berücksichtigen. Anschließend wurden die Änderungen anhand von Messungen validiert. Zweitens wurde ein MATLAB-Skript zum Vergleich von Messung und Simulation durch Merkmalsextraktion implementiert. Ein Vergleich konnte für verschiedene Leistungsparameter durchgeführt werden. Als Beispiel wurde für den Nachweis des Konzepts der Diplomarbeit das Rauschverhalten des Sensors gewählt. Das Validierungsergebnis zeigte, dass das Modell im Hinblick auf das Rauschen noch verbessert werden kann. Einige der aus beiden Daten extrahierten Merkmale wiesen Ähnlichkeiten auf.
Entwicklung einer Montagestrategie für optomechanische Mikrosysteme mittels Kleben und ggf. bonden. - Ilmenau. - 216 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Am Fraunhofer Institut für angewandte Optik und Feinmechanik entstehen im Institutsalltag häufig Verbindungsaufgaben. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es eine Montagestrategie zu entwickeln, mit welcher man unterschiedliche Materialien verschiedener Geometrien miteinander verbinden kann. Dazu wurde mit Hilfe des Vorgehensmodell Kanban ein Montageprogramm an der Maschine AL 2000 der Firma ficonTEC Service GmbH entwickelt. Als Beispiel für eine Verbindung wurde das Fügeverfahren „Kleben” verwendet. Am Ende der Entwicklungsphase wurde ein Scherversuch durchgeführt. Mit Hilfe von Testklebungen während der Entwicklungsphase konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche Materialien verschiedener Geometrien gefügt werden können. Darüber hinaus gab der Scherversuch erste Indizien dafür, dass die Montagestrategie Klebverbindungen mit gewünschten Scherfestigkeiten erreichen kann. Das Montageprogramm wurde im modularen Design erstellt, wobei jedes einzelne Modul einen bestimmten Arbeitsschritt der Montage repräsentiert. Auf dieser Grundlage können nun neue Verbindungsaufgaben gelöst und das Montageprogramm weiterentwickelt werden.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Piezoelektrizität ist ein physikalisches Phänomen, das das elektrische und mechanische Verhalten bestimmter Materialien wie Quarz oder Langasit miteinander verbindet. Dieses Phänomen wird genutzt, um ein passives elektrisches Bauteil, einen so genannten Resonator, zu konstruieren, der bei elektrischer Anregung mit einer sehr genauen Frequenz schwingt. Diese Resonanzfrequenz wird für die Zeitmessung in elektronischen Geräten verwendet. Quarz ist dank seiner sehr guten piezoelektrischen Eigenschaften eines der am häufigsten verwendeten Materialien für die Herstellung von Resonatoren. Sein intrinsischer Qualitätsfaktor ist hoch, seine Empfindlichkeit gegenüber externen Parametern wie der Temperatur ist gering und er lässt sich leicht synthetisieren, was ihn für die Herstellung interessant macht.Die Konzeption eines hochfrequenten Quarzresonators, der sowohl leistungsfähig als auch von geringer Größe ist, stellt ein wichtiges Thema in der Mikroelektronik dar. Gegenwärtige MEMS-Oszillatoren (mikroelektromechanische Systeme) verwenden häufig Siliziumresonatoren, die leichter zu miniaturisieren, aber weniger leistungsfähig sind als Quarzresonatoren. Die Miniaturisierung von Quarzresonatoren würde es ermöglichen, die Leistung von MEMS-Oszillatoren zu verbessern und sie gleichzeitig zu verkleinern. Der Ausgangspunkt für die Konzeption unseres Quarz-MEMS-Resonators ist ein kreisförmiger Resonator mit einem Schermodus bei 100 MHz. Sein derzeitiges Volumen beträgt etwa 30 mm3 und soll durch etwa 10 geteilt werden. Eine Modellierung dieses Resonators wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt, um sein Verhalten zu beschreiben. Gleichzeitig wurde eine Forschungsarbeit über den Herstellungsprozess durchgeführt, da die in der Entwurfsphase erreichten Dicken sehr gering sind. Da es unmöglich ist Standardwafer zu verwenden, wurden "hybride" Wafer eingesetzt. Schließlich konnte eine Charakterisierungsarbeit durchgeführt werden, die erste Ergebnisse zeigte, die Grundschwingung, aber auch die fünfte Harmonische konnten gemessen werden.
Calculation of Mutual Inductance between Circular and Arbitrary-Shaped Filaments. - Ilmenau. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die analytische Formel für die gegenseitige Induktivität zwischen Filamenten ist ein wichtiger Bestandteil der analytischen Modellierung und der Modellierung mit quasi-finiten Elementen von elektromagnetischen Systemen. Frühere Techniken zur Bestimmung der gegenseitigen Induktivität zwischen Filamenten waren hinsichtlich der Form der Filamente zu starr. Je nach Geometrie und Ausrichtung der Filamente war oft ein eigener Satz analytischer Gleichungen zur Bestimmung der gegenseitigen Induktivität erforderlich. In dieser Studie wurde eine direktere und allgemeinere analytische Methode entwickelt, die die Berechnung der gegenseitigen Induktivität zwischen einem primären kreisförmigen Filament und einem sekundären Filament ermöglicht, das eine beliebige Form hat und in Bezug auf das primäre Filament zufällig im Raum ausgerichtet ist. Die entwickelte Methode basiert auf der Annäherung des sekundären Filaments an Punkte, die durch Liniensegmente im Raum verbunden sind, und wird im Weiteren als Segmentierungsmethode (SM) bezeichnet. Die Validierung der SM-Gegeninduktivität wurde anhand des in FastHenry verwendeten Standardalgorithmus durchgeführt, bei dem es sich um ein numerisches technik und Gleichungen durch Grover, Babic, und Poletkin handelt. Der Algorithmus wurde in MATLAB implementiert und zeigt die Vielseitigkeit der Methode für die Simulation von Fällen, in denen das sekundäre Filament eine n-seitlige form und komplexere Formen wie ein Ellipsenbogen, eine konische Helix und eine Spirale ist. Die SM-Genauigkeit wird anhand der Variation der Segmentanzahl geschätzt. Simulationen, die zur Untersuchung der Genauigkeit von SM für kreisförmige Filamente durchgeführt wurden, ergaben, dass ein prozentualer Fehler bis auf 0,1 % im Vergleich zu früheren Methoden erreicht werden kann, wenn das kreisförmige Filament in 75 Segmente unterteilt wird. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der prozentuale Fehler des Umfangs eines n-seitigen eingeschriebenen Polygons in Bezug auf den Umkreis des umschriebenen Kreises 0,1 % beträgt, wenn n 40 ist. Bei dem Versuch, die Rechenzeit zu verkürzen, kann diese Zahl als konservative Schätzung der Anzahl der Segmente angesehen werden. Aufgrund des analytischen Charakters dieses Ansatzes eignet er sich neben der Berechnung der gegenseitigen Induktivität auch für die Anwendung bei der Modellierung von elektromagnetischen Geräten.
Two-dimensional hybrid perovskites with alkylammonium cations for field-effect transistors. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Zweidimensionale (2D) organisch-anorganische Hybrid-Perowskite als eine spezielle Gruppe von Halbleitern mit abwechselnden organischen und anorganischen Schichten haben großes Interesse für Solarzellen und Leuchtdioden geweckt. Dies liegt an ihren natürlichen Vorteilen: den sperrigen hydrophoben organischen Kationen und dem dielektrischen Einschluss in der 2D-Schicht-Quantentopfstruktur, die im Vergleich zu ihren 3D-Gegenstücken die Luftstabilität erheblich verbessern und die Ionenbewegung unterdrücken kann. Darüber hinaus wirkt sich die chemische Struktur der organischen Kationen stark auf die optoelektronischen Eigenschaften von 2D-Hybridhalogenid-Perowskiten und Bauelementen aus. Die Korrelation zwischen der chemischen Struktur des organischen Kations und dem Ladungsträgertransport in 2D-Perowskiten wird jedoch weniger beachtet. In dieser Studie untersuchen wir mit Hilfe eines Feldeffekttransistors (FET) den Ladungsträgertransport in Sn(II)-basierten 2D-Perowskit-Dünnschichten unter Verwendung von Zinnjodid-basierten 2D-Perowskiten mit organischen Spacern auf Alkylammoniumbasis. Es wird gezeigt, dass eine subtile Änderung der Molekularstruktur des organischen Kations die Kristallinität und Oberflächenmorphologie erheblich beeinflusst, was wiederum den Ladungsträgertransport in Perowskitfilmen in FETs bestimmt. Schließlich wird eine klare Korrelation zwischen der Anzahl der Kohlenstoffatome in der Alkylkette und der Mobilität der Bauelemente festgestellt.
Einfluss der Plasmadiffusionbehandlung auf das Eigenschaftsprofil von nichtrostenden austenitischen Stählen. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, austenitische Stähle hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz als alternative Materialien für Bipolarplatten in Brennstoffzellen zu untersuchen. Für die Randschichtbehandlung der RS-Stähle wurde in der vorliegenden Arbeit der austenitische Stahl 1.4404 aufgrund seiner guten Korrosionseigenschaften ausgewählt und mithilfe von plasmagestützen Diffusionsverfahren behandelt. Dabei stand der Einfluss der verschiedenen Prozessparameter auf die veränderten Werkstoffeigenschaften im Vordergrund. Die mikrostrukturellen Eigenschaften wurden mittels Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht und die Korrosionseigenschaften wurden mittels potentiodynamischer Polarisationsprüfung in säurehaltiger Umgebung getestet. Zudem wurde der Kontaktwiderstand vor und nach der Korrosion gemessen. Es wurden statistische Auswertungen durchgeführt, um signifikante Effekte zwischen der Mikrostruktur und den Prozessparametern und den Korrosionseigenschaften, sowie den elektrischen Kontakteigenschaften zu identifizieren. Dabei wurde ein Zusammenhang zwischen Mikrogefüge und gewählten Prozessparametern aufgezeigt. Die durch den Diffusionsprozess in die Oberfläche eingelagerte Fremdelemente wie Stickstoff bzw. Kohlenstoff führten zu Gitterverzerrungen, die zu einem Härteanstieg und einer Aufrauung der Oberfläche beitragen. In Korrosionstests zeigten sich plasmacarburierte Proben als korrosionsbeständiger als entsprechende plasmanitrierte Proben. Auch die Kontaktwiderstände ergaben bessere Eigenschaften für carburierte Stähle im Vergleich zu nitrierte, wohingegen die carburierten Stähle nach der Korrosion wesentlich schlechtere Kontaktwiderstände aufwiesen. Insbesondere scheint das Plasmanitrocarburieren als eine Kombination aus Plasmanitrieren und -carburieren vielversprechende Ergebnisse zu liefern. Darüber hinaus wurde auf experimenteller Basis ein Modell entwickelt, welches es erlaubt, die Dicke der S-Phase für ausgewählte austenitische Stähle vorherzusagen. Dies bietet das Potenzial, neben der tribologischen Optimierung auch den Einfluss der Parameter auf die Korrosionseigenschaften zu untersuchen.
Mikrotechnologischer Aufbau und Evaluation eines magneto-mikrofluidischen Demonstrator-Systems. - Ilmenau. - 210 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Mikrofluidik gewinnt in den letzten Jahren vor allem in den Bereichen Industrie und Forschung aber auch in Privatanwendungen gerade als sogenanntes "Lab-on-a-chip"-System immer mehr an Bedeutung. Diese mikrofluidischen Systeme sollen Funktionen eines modernen Labors auf einem Mikrochip erfüllen. Dafür ist zum Beispiel das präzise Transportieren von Fluiden notwendig. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fertigung einer miniaturisierten Pumpe, die den magnetohydrodynamischen Effekt nutzt, der durch die Überlagerung von induziertem Strom und Magnetfeld eine das Fluid antreibende Lorentzkraft erzeugt. Im Rahmen dieser Masterarbeit werden mehrere Designkonzepte des eigentlichen Pumpenkörpers evaluiert und verglichen. Der Schwerpunkt wird dabei auf die Transparenz der Pumpe für eine optische Charakterisierung, die flüssigkeitsdichte Verkapselung sowie die Kompatibilität der Materialien mit dem Arbeitsmedium gelegt. Die drei vielversprechendsten Varianten werden anhand entworfener Prozesspläne mikrotechnologisch gefertigt und evaluiert. Als Ergebnis stehen mehrere verschiedene fluidisch dicht getestete Pumpenkörper mit integrierten Elektroden zur Verfügung, die für aufbauende Forschung verwendet werden können. Mit der vorliegenden Arbeit wird durch die Evaluation und Umsetzung verschiedener technologischer Ansätze die Grundlage für den Einsatz und die Weiterentwicklung von Pumpen auf Basis des magnetohydrodynamischen Effekts in mikrotechnologischen "Lab-on-a-chip"-Systemen gelegt.
Untersuchung zur Abformung von Mikro- und Nanostrukturen für mikrotechnische Anwendungen. - Ilmenau. - 110 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die Grenzflächeneigenschaften von Oberflächen werden maßgeblich durch deren Mikro- und Nanostrukturierung beeinflusst. Zu diesen Eigenschaften zählt beispielsweise der Grad der Benetzbarkeit, die optischen Eigenschaften oder auch die Hafteigenschaften. Sie sind für technologische Anwendungen sehr interessant und werden in diversen Bereichen bereits gezielt eingesetzt. Die Erzeugung dieser mikro- und nanostrukturierten Oberflächen mit den Standardverfahren der Mikrosystemtechnik sind jedoch aufwändig und kostenintensiv. Ein zielführender Weg ist die direkte Replikation von natürlichen Oberflächen mit funktionalen Eigenschaften und deren parallele Übertragung auf mikrotechnische Substrate und Strukturen. Dieser Ablauf wird bisher jedoch in keinen reproduzierbaren Prozess integriert. Ziel dieser Arbeit ist es, einen solchen Prozess zu entwickeln. Dazu werden zuerst von den ausgewählten Naturoberflächen Negative der Oberflächenstrukturen aus PDMS erstellt. Diese sogenannten weichen Stempel werden anschließend in einen Lack mittels Soft Stamp UV-Lithografie übertragen. Abschließend erfolgt ein Ätzen der Imprints in das darunterliegende Zielsubstrat. Gegenstand dieser Untersuchungen sind die Beispieloberflächen hydrophober Blätter wie Kohlrabi, Rose oder Kapuzinerkresse. Mit Hilfe eines optimierten Regimes zur Erzeugung von weichen Negativen können Strukturen der biologischen Proben parallel und schnell übertragen werden. Die Messungen zeigen, dass die ausgewählten Pflanzenproben Strukturen in einem Höhen- und Breitenbereich von 5-10 [my]m bzw. 20-120 [my]m aufweisen. Strukturbreiten dieser Größenordnung sind auch auf den erstellten PDMS-Stempeln, Imprints und geätzen Siliziumchips zu finden. In den PDMS-Stempeln werden außerdem die gleichen Strukturhöhen gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Strukturtreue mit einer Abweichung von unter 5 % bei der Replikation vorhanden ist. Zur erfolgreichen Übertragung der Strukturhöhen in einen Lack, muss dessen Mindesthöhe den Maximalwerten der Strukturhöhen entsprechen. Der vorhandene Lack AMONIL MMS4 besitzt eine Höhe von 0,2 [my]m. Anhand einer Kontaktwinkelmessung werden die Benetzungseigenschaften der Imprints und geätzten Siliziumchips ermittelt. Durch die aufgebrachte Strukturierung ist keine Veränderung der Benetzungseigenschaften zu den unstrukturierten Vergleichsproben festzustellen. Dies lässt sich auf die begrenzende Lackhöhe zurückführen. Durch eine wiederholte Prozessdurchführung und Auswertung der Strukturen der einzelnen Schritte wird die Strukturtreue und Reproduzierbarkeit des erarbeiteten Prozesses verifiziert. Die LSM- und REM-Aufnahmen, sowie die statistische Auswertung der Ergebnisse zeigen, dass die Mikrostrukturen der Blattoriginale abgeformt werden können. Damit leistet die Arbeit einen wichtigen Beitrag, biologische Oberflächen zu replizieren und in technische Anwendungen zu überführen. So kann für zukünftige Forschungsvorhaben in diesem Bereich der erarbeitete Prozessplan als Ausgangspunkt genutzt werden.