Studentische Arbeiten

Quarz-Stimmgabeln (QTF) wurden ursprünglich als Quarzkristall-Oszillatoren in elektronischen Uhren entwickelt, sind aber inzwischen in einer Vielzahl von Anwendungen als Sensorelemente eingesetzt worden. Sie wurden als Kraftsensor in der Raster-Sonden-Mikroskopie eingesetzt, um die Wechselwirkungskräfte zwischen der Sonde und der Probenoberfläche zu messen, in der Gas Sensorik wie der quarzverstärkten photoakustischen Spektroskopie als akustischer Resonanzwandler zum Nachweis verschiedener Gasspezies und in der Flüssigkeitssensorik zur Messung der dynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten. Ihre signifikanten Eigenschaften machen sie zu vielversprechenden Kandidaten als Kraftsensorelement, wie z.B. hohe Empfindlichkeit, hoher Q-Faktor und Resonanzfrequenz, Selbstabtastung und Betätigung aufgrund ihrer Piezoelektrizität, Stabilität und Vielseitigkeit. Aufgrund ihrer hohen Steifigkeit (k=103-104 Nm-1) können sie beispielsweise kleine Schwingungsamplituden und kleine Entfernungen abtasten, ohne dass die Spitze in Kontakt springt, oder aufgrund ihres hohen Q-Faktors (>10.000) können sie kleine Frequenzverschiebungen erkennen. Diese bedeutenden Eigenschaften ergeben sich aus ihrer symmetrischen und ausgewogenen Geometrie. Um als Kraftsensor verwendet zu werden, muss eine scharfe Spitze an der Spitze eines der Zinken des QTF angebracht werden. Das Spitzenmaterial muss mit leitfähigem Epoxidharz befestigt werden, um den elektrischen Kontakt zwischen der Spitze und der Elektrodenstruktur auf dem QTF herzustellen. Das zusätzliche Gewicht des Klebers und des Spitzenmaterials, das durch das Verfahren zur Befestigung der Spitze verursacht wird, stört die ausgewogene Geometrie des QTF. Dies beeinträchtigt die Leistung des QTF, indem es den Q-Faktor und die Resonanzfrequenz senkt. Es ist von entscheidender Bedeutung, sein dynamisches Verhalten zu verstehen und die verschiedenen Spitzenkonfigurationen zu charakterisieren, um die ideale Spitzenkonfiguration für die beabsichtigte Anwendung zu entwickeln und auszuwählen. Ziel dieser Studie ist es, verschiedene QTF-Spitzendesigns herzustellen und sie mit Hilfe verschiedener Techniken zu charakterisieren, darunter elektrische Anregung, Laser-Doppler-Vibrometer und numerische Simulationen. Quarz-Stimmgabel-Sonden wurden durch Anbringen verschiedener Spitzenmaterialien hergestellt, um verschiedene Spitzenkonfigurationen zu charakterisieren. Als Spitzenmaterialien wurden Wolframdraht, Platin-Iridium-Draht und Diamantpartikel verwendet, und die Befestigung erfolgte mit Silberepoxid oder Silberlackkleber. Nach der Befestigung der Spitzen wurden diese mittels REM-Bildgebung charakterisiert und die Resonanzfrequenzen gemessen. Für eine genaue Charakterisierung sind die Position und die Menge des Spitzenmaterials und des Klebstoffs entscheidend, und der Prozess der Spitzenbefestigung muss optimiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Resonanzfrequenz und der Qualitätsfaktor von QTF mit der Entfernung der evakuierten Metallkappe sinken. Auf die gleiche Weise wird die Resonanzfrequenz durch das Hinzufügen von Spitzenmaterial und Epoxidkleber gesenkt. Dies lässt sich durch die unausgewogene Geometrie des QTF erklären, die durch die zusätzliche Masse des Spitzenmaterials entsteht. Das dynamische Verhalten verschiedener Spitzenkonfigurationen wurde ebenfalls entwickelt und mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen untersucht. Die Eigenfrequenzanalyse und die Frequenzbereichsanalyse wurden verwendet, um die Schwingungsmoden und das Frequenzverhalten von QTFs zu simulieren. Während der Simulationen wurden verschiedene Parameter untersucht, darunter die Menge und Position des Epoxidklebers, das Spitzenmaterial (Wolfram und Platin-Iridium), die Geometrie des Spitzenmaterials (z.B. die Länge) und ihre Auswirkungen auf die dynamischen Eigenschaften der QTF. Wie die Simulationen zeigen, nimmt die Resonanzfrequenz mit der Zugabe von Klebstoff und Spitzenmaterial ab, was mit experimentellen Beobachtungen übereinstimmt. Es wurde festgestellt, dass auch die Position des Klebstoffs und die Länge des Materials die QTF-Dynamik beeinflussen. Auf der Grundlage dieser Charakterisierungsergebnisse sollen geeignete QTF-Sonden für den Einsatz in der Feldemissionslithographie hergestellt und eingesetzt werden. Stichworte: Quarz-Stimmgabel, Rasterkraftmikroskopie, Rastersonde

In einer MEMS-basierenden Wägezelle mit flexiblen Gelenken und Balken kann für eine Kraftkompensationswaage verwendet werden. Die Auflösung der Wägezelle hängt linear mit der Steifigkeit der Wägezelle zusammen, somit kann die Auflösung erhöht werden, indem die Steifigkeit reduziert wird. Das Funktionsprinzip eines elektromagnetischen kraftkompensierten Makrosystems (EMFC) bietet einen monolithischen, nachgiebigen Mechanismus zur Steifigkeitskompensation, der die Präzision und Genauigkeit erhöht. Daher kann ein solches Arbeitsprinzip auch bei der Herstellung eines Mikrosystems von Bedeutung sein, um neben der Steifigkeitskompensation auch die Genauigkeit und Präzision zu erreichen. Ziel der Arbeit ist es, das Funktionsprinzip von EMFC-Makrosystemen in einem Mikrosystem zur Steifigkeitskompensation zu übertragen. Für den mikroskopischen Bereich gibt es bestehende Mechanismen wie T-förmige Biegezapfen oder TIVOT- oder Variable Static Aktor (VSA)-basierte Mikrosysteme, die sich für eine Steifigkeitskompensation im System eignen. Die Mängel solcher bestehenden Systeme bestehen darin, dass sie nicht in der Lage sind, eine Steifigkeit nahezu Null zu erreichen. Das monolithische Prinzip der Steifigkeitskompensation eines EMFC-Mikrosystems scheint jedoch am vielversprechendsten zu sein, da die Steifigkeit nahezu null erreichen werden kann. Einschließlich der Feineinstellung im Mechanismus kann die Steifigkeit nahezu Null erreichen, was das System zu einem neuartigen Design macht. Die Steifigkeit variiert in einer Skala, die dem 1,2- bis 0,8-fachen der Steifigkeit der reinen Wägezelle (28 N/m) entspricht. Bei einer weiteren parametrischen Analyse (l1, l2, l3) nach der Entwurfssimulation des Systems anhand der Steifigkeit des Systems wurde festgestellt, dass der Parameter l1 eine wichtige Rolle bei der Steifigkeitskompensation spielt, da er beim Mindestwert von nahezu die ideale Steifigkeit erreicht 50 mm. Darüber hinaus sorgt die Einführung eines elektrostatischen Aktuators für eine Kraft von 1,6E-06 N, was viel größer ist als die Balkensteifigkeit von etwa 5,4E-14 N/m. Dadurch kann der Aktor das System aus der ursprünglichen Position zurückziehen und das Gleichgewicht herstellen. Schlüsselwörter: MEMS, EMFC, Steifigkeitskompensation, Balance, TIVOT, VSA, Balkenlänge, Feinjustage, elektrostatischer Aktor.

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.

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.

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.

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.

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.

Soft UV-Nanoimprint Lithografie (Soft UV-NIL) ist eine bekannte Lithografie Technik, die sich durch ihre relativ einfache Implementierung auszeichnet und leicht nachträglich an Geräte angebracht werden kann. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Herausforderungen bei der Herstellung von Strukturen auf einem Spin Coated Wafer mittels Soft UV-NIL mit einem selbst gebauten NIL Gerät, welches über drei Achsen und einen Kraftsensor verfügt. Hierbei werden verschiedene Einflüsse auf die resultierenden Strukturen experimentell untersucht. Es wurde sowohl die zeitliche Nutzbarkeit des verwendeten Resists AMONIL MMS4, als auch der Einfluss der verwendeten Imprint-Kraft auf die resultierende Strukturhöhe getestet. Dabei zeigte sich das der Resist bis zu 90 min nach dem Auftragen nutzbar blieb. Die Ergebnisse zeigen, dass besonders der Einfluss der parasitären Eigenschaften, die durch das Verwenden von UV-Licht (Radiation Bleed) entstehen und den Abstand zwischen Imprints für späteres Stitching limitiert. Hierbei wurde getestet, ob mit einer geringeren UV Dosis der Abstand verringert werden kann, was bei dem selbstgebauten Gerät erfolglos blieb. Des Weiteren zeigte die Untersuchung der parasitären Effekte, dass diese richtungsabhängig sind und berücksichtigt werden müssen.

Diese Arbeit befasst sich mit der Prozessoptimierung zum Tiefenätzen komplexer Gläser im Fluorplasma mit dem Ansatz der statistischen Versuchsplanung. Dabei ist das Ziel den Einfluss ausgewählter Prozessparamater auf das Ätzergebnis zu untersuchen. Als Ätzmaskierung werden kostengünstige Alternativen zu den aufwendigen Hartmasken aus Nickel betrachtet. Für das Ätzen wird ein induktiv-gekoppeltes Plasma (ICP-RIE) mit hoher Plasmadichte und niedrigem Prozessdruck und als Substratmaterial Borofloat 33 eingesetzt. Borofloat 33 gestattet ein breites Anwendungsspektrum in der Mikrotechnologie. Auf Grund der chemischen Zusammensetzung und der damit verbundenen Bildung nichtflüchtiger Reaktionsprodukte im Fluorplasma ist die plasmabasierte Strukturierung von Borofloat 33 durchaus herausfordernd. Mit Hilfe des "Design-of-Experiment"-Ansatzes (DoE) werden Einfluss und Wechselwirkungen der Prozessparameter auf das Ätzergebnis untersucht. Dabei werden die Oberflächenrauheit, die Ätzrate, der Flankenwinkel als auch die Selektivität gegenüber der verwendeten Resistmaske betrachtet. Um den Einfluss der Prozessparameter im Plasma quantitativ zu verstehen und zu bewerten, wurde ein vollfaktorieller Versuchsplan angewendet. Das lineare Modell für jede Prozessreaktion (Glas-Ätzrate, Oberflächenrauheit, Selektivität und Flankenwinkel) wurde per Statistik-Software erstellt und die Ergebnisse wurden überprüft. Die Analyse der Glasätzrate zeigt, dass sowohl die Bias- als auch die ICP-Leistung sowie deren Wechselwirkung einen signifikanten Einfluss haben. Die Betrachtung der Residuen-Diagramme zeigt aber, dass das lineare Modell nicht genau die Prozessreaktion (Glas-Ätzrate) abbildet. Als Haupteffekt für die Rauheit lässt sich der Druck identifizieren und mit Hilfe des Regressionsmodells abbilden. Die Selektivität hingegen wird hauptsächlich durch die Bias-Leistung beeinflusst. Je nach Wahl der Prozessparameter lassen sich beim aktuellen Stand der Untersuchungen Ätzraten im Bereich von 610 nm/min und Selektivitäten im Bereich von 0,45 erreichen. Eine Beeinflussung der Rauheit und es Flankenwinkels für Ätztiefen im Bereich von 10 [my]m sind ebenfalls möglich. In Zukunft sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Modelle weiter zu verfeinern und das Ätzen tieferer Strukturen zu untersuchen.

Die Mikrofluidik kann bestimmte Flüssigkeitsvolumina (in [my]l) kontrollieren und manipulieren, was in Anwendungen wie der Analyse von Mikroorganismen (z.B. Einzelzell-basierte Analyse zur Untersuchung der Zellaktivität), der Sortierung biologischer Zellen usw. genutzt wird. Es gibt verschiedene Arten von aktiven Trenntechniken für biologische Zellen, die viele externe Kräfte wie magnetische, elektrische und akustische benötigen, die eine bessere Effizienz haben und komplizierte Herstellungstechniken beinhalten. Deterministic Lateral Displacement (DLD) ist eine passive mikrofluidische Filtrationstechnik, die die Trennung von Zellen basierend auf ihrer Größe mit Hilfe verschiedener Pfosten oder Säulen ohne externe Kräfte ermöglicht. Die deterministic lateral displacement technik hängt von vielen Parametern ab, wie z.B. dem Säulendurchmesser, dem Abstand zwischen den Säulen, der Anordnung der Säulen, etc. Experimentelle- und Simulationsergebnisse haben die Funktionsweise der deterministic lateral displacement und ihre Fähigkeit, Partikel nach Größe zu trennen, gezeigt. Polystyrenespartikeln mit einer Größe ähnlich der von Erythrozyten (9 [my]m) und Krebszellen (25 [my]m) sind durch das DLD-Array geflossen. Dann wurde die Effizienz des DLD-Arrays untersucht und seine Funktionsweise experimentell verifiziert. Finite-Elemente-Analyse-Software wie comsol multiphysics wurde verwendet, um die Flugbahn größerer und kleinerer Partikel innerhalb des DLD-Arrays zu simulieren und ihr Verhalten zu untersuchen. Die Particle tracing physics, die laminar flow physics und die wall interface physics wurden in Comsol verwendet, um das Arbeitsmodell der DLD zu erstellen. Die primäre Randbedingung ist die Geschwindigkeitsinitialisierungsbedingung, die in der Particle tracing physics verwendet wird, um den deterministic lateral displacementprozess innerhalb des mikrofluidischen Chips zu simulieren. Die mikrofluidischen Kanäle werden im Silizium-Keramik-Substrat (SiCer) deterministic lateral displacement durch reaktives Ionenätzen hergestellt. Später werden die Silizium- und LTCC-Bänder übereinander gestapelt. Sie werden bei einer Temperatur von etwa 80 ˚C laminiert. Das SiCer-Substrat wird schließlich durch anodisches Bonden mit dem Glas verbunden. Der mikrofluidische Chip wird im Mikroskop für Partikelverfolgungsstudien analysiert. Schlüsselwörter: Comsol Multiphysics, Deterministic Lateral Displacement, Silizium-Keramik-Substrat.

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.

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.

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.

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.

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.

Durch Fortschritte in der Mikrosystemtechnik werden in der Messtechnik zunehmend monolithisch konstruierte Systeme aus Silizium anstatt makroskopisch gestalteter Tastsysteme mit diskreten Teilkomponenten verwendet. Diese als MEMS (mikroelektromechanisches System) bezeichnete Bauweise ermöglicht u. a. Systeme mit höherer Dynamik, höherer Auflösung und geringeren Antastkräften, jedoch tritt beim Messvorgang Sticking der Tastspitze am Messobjekt auf. Um dies zu verhindern, werden dynamische Tastsysteme mit Aktoren und oszillierender Tastspitze verwendet, die im Nicht- oder Semi-Kontaktmodus arbeiten. Die bei MEMS üblicherweise verwendeten elektrostatischen Aktoren können dabei in Vertikal- oder Tangentialaktoren unterteilt werden. In der vorliegenden Arbeit wird auf Basis eines bereits vorhandenen Mikrotastsystems mit Vertikalaktoren vier Versionen mit Tangentialaktoren entworfen. Die Unterschiede beider Aktuierungssysteme und deren Auswirkungen auf das Design werden diskutiert, das neue System wird in einem iterativen Prozess modelliert und die wichtigsten Parameter in einer Simulation betrachtet. Es werden unterschiedliche Fälle der Luftdämpfung betrachtet und entsprechend modifizierte Versionen des Tastsystems entworfen. Schließlich werden die Fertigungsmasken für das System gestaltet und ein Konzept zur Auswerteelektronik erstellt, das die Unterschiede zur vorhandenen Ansteuerung aufzeigt und alternative Methoden zur Auswertung der Tastersensorik erörtert.

Das Projekt SACCA (System for Automated Cell Cultivation and Analysis) umfasst ein System für automatisierte Zellkultivierung und Analyse. Biomassesensoren sollen dabei das Zellwachstum innerhalb der Zellkammern überwachen. Ein Flexural-Plate-Wave-Sensor (FPW-Sensor) arbeitet mit sogenannten Lambwellen, die auf einer piezoelektrischen Membran gesendet und empfangen werden. Er funktioniert in flüssiger Umgebung besonders gut und reagiert durch die hohe Eindringtiefe der Lambwellen empfindlich auf Veränderungen innerhalb der Zellkammer. In der vorliegenden Masterarbeit erfolgten Design und Optimierung eines solchen FPW-Sensors. Anhand der numerischen Simulationen konnte die Eindringtiefe der Lambwellen in die Flüssigkeit auf 65 [my]m optimiert werden, was im Vergleich zum ersten Entwurf eine Steigerung um 400 % ausmacht. Durch eine Membrandicke von insgesamt 19 [my]m wurde außerdem die Gefahr des Zerbrechens aufgrund äußerer Erschütterungen verringert. Eine neuartige Elektrodenstruktur zeigte in der Simulation deutlich messbare Spannungsunterschiede für unterschiedliche Belastungen. Es zeigte sich aber auch, dass ein einzelner Sensor nicht die gesamte Zellkammer überwachen kann. Es empfiehlt sich daher ein kombiniertes System aus zwei Piezoaktoren und drei FPW-Sensoren zu verwenden.

In dieser Arbeit wurde die Untersuchung und Entwicklung möglicher Konzepte, die eine mikrooptische Realisierung eines 3-D-Scanners zulassen, dokumentiert. Für die Erstellung der Konzepte erfolgte eine detaillierte Evaluation des Stands der Technik bezogen auf Time-of-Flight-Messysteme. Diese Erkenntnisse werden für eine differenzierte und kategorisierte Aufstellung der Anforderungen, die an eine mikrotechnische Umsetzung eines 3-D-Scanners gestellt sind, genutzt. Aus dieser Aufstellung wurden anschließend Festlegungen und Berechnungen für die Messtechnik, die Lasersicherheit, die Optik und die Aktuierung des Gesamtsystems durchgeführt. Im nächsten Schritt wurde aus dem favorisierten Systemkonzept ein Design entworfen, dass die zuvor aufgestellt Anforderungen berücksichtigt. Der rotatorische-Kammaktor auf SOI-Basis wurde anhand von numerischen und analytischen Modellen auf eine hohe Abtastrate und großer Winkelauslenkungen optimiert und erlaubt eine gezielte Regelbarkeit der Auslenkung. In Machbarkeitsstudien wurden erste Varianten der Mikroaktoren umgesetzt und an einem angepassten Versuchsstand ausgewertet. Ein Vergleich mit dem theoretischen Modell zeigt die Funktionsfähigkeit dieses Aktors für die Anwendung als Mikroscanner für Time-of-Flight-Messsysteme. Der Herstellungsprozess wurde weiterhin hinsichtlich der Rauheit der Ätzflanken optimiert, um diese als Spiegelfläche zu verwenden und somit den Grad der Integration zu erhöhen.

Im Rahmen des Projekts SACCA (System for Automated Cell Cultivation and Analysis) soll einen Biosensor entwickelt werden, der im flüssigen Medium mit einer transparenten Oberflächen, wodurch optische Messverfahren ermöglicht werden und worauf die Zellen nicht anwachsen wollen sollen, die Anwesenheit der Zellen messen soll. Die vorliegende Masterarbeit greift das Konzept und die Technologie auf. Eine technologische Umsetzung wird erfolgreiche zur Erzeugung der Nanostrukturen durchgeführt. Auf Basis des Konzepts und Anwendung des SAW-Sensors wird ein neuer Sensortyp entwickelt. Bei diesem werden Lamb-Wellen durch Interdigital Strukturen auf einer piezoelektrischen Membran erzeugt. Diese Wellentypen ermöglichen die Messungen im flüssigen Medium und die Änderung der Eigenschaften des Fluids zu erkennen. Das Konzept wird für den Flexural-Plate-Wave-Sensor (FPW) in der Arbeit bearbeitet und einen Entwurf mit einem SAW-Sensor mit einer Membran technologische umgesetzt. Die Fähigkeit des Entwurfs wird durch einen Vergleichung mit einem SAW-Sensor und Messungen im flüssigen Medium verifiziert. Der Einfluss von Wasser, Isopropanol und der Unterschied zwischen beiden Flüssigkeiten wird durch die Messungen erfolgreich beachtet. Zum Schluss erfolgen die Auswertung der Ergebnisse und ein Ausblick auf möglichen Erweiterungen.

Für die Detektion elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich untersucht diese Arbeit theoretische Modelle zur Beschreibung des Absorptionsverhaltens von Mikrokreuzgittern. Ziel ist daher die Entwicklung von Mikrogittern mit einem ultrabreitbandigen konstant hohen Absorptionsgrad. Dafür werden ein analytisches Leitungsmodell nach Ulrich sowie zwei numerische FEM-Materialmodelle (Finite Elemente Methode) vorgestellt. Als Eingangsparameter der Modelle werden nur die Geometrie und der Flächenwiderstand benötigt. Zur Verifizierung der Modelle werden Proben in Form von einlagigen Mikrogittern aus Gold-Palladium (AuPd) auf einer Siliziumnitrid-Membran (Si3N4) hergestellt. Deren Absorptionsgrad wird mittels FTIRSpektroskopie (Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie) über ein Frequenzband von 0,25 THz bis 200 THz bei Raumtemperatur vermessen. Hinsichtlich der angedachten Arbeitsbedingungen werden Proben zusätzlich auch bei 7K untersucht, um die Modelle bezüglich der Änderung des Flächenwiderstandes zu überprüfen. Sowohl die Ergebnisse des analytischen Modells als auch die eines der numerischen Modelle, geben in funktionsrelevanten Frequenzbereichen die gemessenen Absorptionsgrade ausreichend genau wieder, um die Modelle für die Konstruktion von Absorbergittern zu verwenden. Für sicherere Abschätzungen ist es speziell mit dem analytischen Modell möglich, Toleranzfelder für die Gittergeometrie festzulegen. Die Herstellung und Voruntersuchung von verschiedenen Absorbertestgittern kann damit erheblich reduziert werden.

Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit war es, die Materialabhängigkeit des Antastverhaltens eines an der Technischen Universität Ilmenau im Rahmen des Sonderforschungbereichs SFB-622 entwickelten oszillierenden Mikrotasters zu untersuchen. Das Antastelement des Mikrotasters (Rubinkugel, Radius Rk = 100[my]m) steht während einer Messung im Semikontakt mit der zu untersuchenden Messobjektoberfläche. Es besteht demnach ein kurzzeitiger, periodischer Kontakt (Kontaktzeit tk ≈ 10[my]s) zwischen dem Messobjekt und dem Antastelement. Während dieses Kontakts finden vielseitige Wechselwirkungen an der Kontaktfläche statt. Einerseits beeinflussen kapillare, elektrostatische und Van-der-Waals-Kräfte das Kontaktverhalten. Andererseits verformen sich sowohl das Antastelement als auch die Messobjektoberfläche, wobei die Rauheit der Messobjektoberfläche das Kontaktverhalten entscheidend beeinflusst. Aufgrund des dynamischen Kontakts dissipiert zusätzlich ein gewisser Teil der Bewegungsenergie, welcher maßgeblich durch das Dämpfungsvermögen der Kontaktmaterialien bestimmt wird. Diese komplexen Wechselwirkungen manifestieren sich in einer materialspezifischen Phasenverschiebung zwischen der anregenden Aktorspannung und dem Messsignal der Auswerteelektronik. Um die Materialabhängigkeit des Antastverhaltens zu bestimmen, wurde die Phasenverschiebung in Abhängigkeit des Abstandes zwischen dem Messobjekt und dem Nulldruchgang der Tasterschwingung für verschiedene Materialien (Silicium, Gold, Titan, Aluminium, Nickel, Chrom, Borofloat ® Glas und PDMS ) bestimmt. Die durchgeführten Messungen bestätigen die Materialabhängigkeit des Antastverhaltens; Glas und PDMS lassen sich eindeutig sowohl untereinander als auch von den anderen Materialien unterscheiden. Zusätzlich wurden zwei Modelle entworfen, um das Kontaktverhalten zu simulieren. Das erste Kontaktmodell erweitert die Hertzsche Kontakttheorie unter Berücksichtigung der Materialdämpfung und gibt das Kontaktverhalten qualitativ korrekt wieder. Das zweite Kontaktmodell baut auf der Fuller-Tabor-Theorie auf und gibt das Kontaktverhalten auch quantitativ korrekt wieder. Hierbei werden neben adhäsiven Kräften auch die Oberflächenbeschaffenheiten der Kontaktflächen berücksichtigt.

Im Zuge des Trends der Miniaturisierung ergeben sich in der Nanotechnologie immer neue Verfahren, welche die Anwendungsgrenzen erweitern. Ein Beispiel für den technologischen Fortschritt ist die Erzeugung von Siliciumgras, eine nanoskalige Oberflächenmodifkation von Silicium, die durch zyklisches, reaktives Ionentiefenätzen auf der Oberfläche von Silicium entsteht. Diese selbstmaskierenden Prozesse erlauben es, mit handelsüblichen Ätzanlagen kostengünstig Nanostrukturen herzustellen. Die vorliegende Masterarbeit greift die Technologie auf und erweitert sie um eine Funktionalisierung der Siliciumnadeln durch Nanopartikel. In Verbindung mit dem Konzept des Surface-Acoustic-Wave-Sensors (SAW) wird in der Arbeit ein neuartiger Sensortyp entwickelt. Bei diesem werden Oberflächenwellen durch piezoelektrische Anregung erzeugt, durch ein Feld von funktionalisiertem Siliciumgras geleitet und durch eine weitere piezoelektrische Struktur empfangen. Veränderungen der Welleneigenschaften lassen somit direkte Rückschlüsse auf Effekte an den Nanopartikeln und den Siliciumnadeln zu. Das Sensorkonzept wurde in der Arbeit konzipiert und technologisch umgesetzt. Die praktische Eignung konnte durch Messung von Masse- und Leitfähigkeitsänderungen verifziert werden. Abschließend erfolgt eine Diskussion der Ergebnisse und ein Ausblick auf weiterführende Untersuchungen wird dargelegt.

Aufgrund ihres guten Strahlprofils und ihrer geringen Schwellstromdichte werden VCSEL-Dioden oft in optischen Messsystemen als Laserquellen verwendet. Häufig kommt es bei diesen Laserdioden zu einer plötzlich auftretenden Drehungen der Polarisation, die auch als Polarisationswechsel (Polarization Switch) bekannt ist. Diese Polarisationswechsel werden in der Sensortechnik allgemein als kritische Störgröße betrachtet und unterdrückt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der aktiven Provokation des Polarisationswechsels. Es wird untersucht, inwieweit sich dieser Effekt kontrollieren und aktiv nutzen lässt. Im Vordergrund steht dabei die Charakterisierung der Einflussfaktoren Temperatur und Stromstärke auf den Polarisationswechsel. Hierzu stellt ein, im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes Modell diese Faktoren miteinander in Zusammenhang. Speziell wird hier die Temperaturabhängigkeit des Reflexionsspektrums im Laserresonator modelliert und untersucht. Die ermittelten Abhängigkeiten zwischen Temperatur und Polarisationswechsel aus dem Model werden in experimentellen Untersuchungen teilweise bestätigt und führen zu dem Ergebnis, dass sich die Polarisation mit Hilfe geeigneter Parameter am VCSEL einstellen lässt. In weiteren Untersuchungen wird zudem die Art der VCSEL-Montage als zusätzlicher Einflussfaktor identifiziert, was erklärt, dass VCSEL-Aufbauten individuelles Polarisationsverhalten aufweisen. Mit dem Ziel die Polarisation einer VCSEL-Diode zu kontrollieren, wird eine Methode entwickelt, die das individuelle Polarisationsverhalten eines VCSEL identifiziert und daraus Regelparameter zur Polarisationskontrolle ableitet.

In dieser Arbeit wird die Umsetzung mikromechanischer binärer Zählmechanismen untersucht. Vorab werden bestehende dekadische Zählmechanismen und Demonstratoren binärer Zähler betrachtet. Ein binärer Zähler besteht im Allgemeinen aus einer Reihe geeignet verkoppelter bistabiler Elemente, deren Lage jeweils den Zustand 0 oder 1 verkörpert. Für die Umsetzung neuer Mechanismen gibt es drei prinzipielle Varianten des Krafteintrags: mehrere aufeinander folgende Kraftangriffspunkte, ein paralleler Kraftangriff und eine serielle Kraftübertragung. Für diese werden verschiedene Funktionsprinzipen entworfen, die entsprechend der Restriktionen im Design von MEMS (mikroelektromechanischen Systemen) als ebene Mechanismen umgesetzt werden können. Dabei wird zusätzlich auf eine einfache elektrische Auslesbarkeit des Zählerstands mittels piezoresistiver Elemente geachtet. Nach einem Vergleich aller technischer Prinzipe werden drei ausgewählt und in Systemen mit einem bis vier Bits realisiert. In der Dimensionierung wird zunächst die Kinematik der einzelnen Funktionselemente der Systeme festgelegt. Dann werden anhand statischer Modelle für die verwendeten Federbalken und die auftretenden Reibkontakte geeignete Federführungen bestimmt. Die dimensionierten Systeme werden in ein konkretes Maskendesign für die Lithographie überführt und in SOI-Technologie (silicon on insulator) gefertigt. Zur Charakterisierung der Mechanismen wird zum einen mit eingeprägtem Weg ihre Funktion beobachtet und optisch analysiert, zum anderen mit eingeprägter Kraft der Verlauf der Schaltkräfte und -energien ermittelt. Ein realisierter Mechanismus mit fortlaufendem Kraftangriff und einer mit serieller Kraftübertragung erfüllen die Anforderungen; sie stellen funktionsfähige binäre Zählmechanismen dar.

Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Charakterisierung eines für große Strahlablenkung konzipierten mikromechanischen, elektrostatischen Aktors. Nach einer kurzen Einführung zu den Grundlagen der verwendeten Messmethoden, werden die Technologieschritte zur Herstellung des Aktors erläutert. Im weiteren Verlauf werden mit den beschriebenen Messmethoden verschiedene Versionen des Aktors untersucht. Neben der mechanischen Charakterisierung werden die für die Aktuierung des Aktors verwendeten Ansteuerregime aufgezeigt und ein Aufbau zur Messung der Strahlablenkung vorgestellt.

Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick von verschiedenen biokompatiblen Materialien zur Sauerstoffdetektion mit minimaler Aktivierungsenergie. Die erste Phase der Arbeit ist die Recherche nach geeigneten Stoffen in der Literatur und deren Auswertung nach definierten Kriterien. Die Erfüllung diese Kriterien garantiert einen möglichen Einsatz als biokompatiblen Sauerstoffsensor. In einer zweiten Phase sind die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen an den ausgewählten Materialien dargestellt. Das Ziel dieser Untersuchungen ist die Bestimmung der Sauerstoffsensibilität der Stoffen und deren Vergleich. Dafür sind Indikatoren gebildet, um das statisches und dynamisches Verhalten bei den gleichen Bedingungen zu definieren. In einem dritten Teil ist ein Sensordesign mit den Ergebnissen aus den zwei ersten Teilen vorgeschlagen.

Diese Masterthesis beschäftigt sich mit der Untersuchung eines neuartigen mikrotechnischen Aktorkonzeptes in Form eines Mikrokapillaraktors. Der Kapillarkraftaktor wird von Kapillarkräften angetrieben, welche sich bei Kontakt einer Flüssigkeitsbrücke mit zwei Festkörperoberflächen ausbilden. Der Electrowetting-Effekt wird genutzt, um die Kontaktwinkel der Kapillarbrücke zu verändern und so eine dynamische Änderung der Kapillarkraft zu erhalten. Electrowetting (EW) bezeichnet den Effekt, bei welchem das Benetzungsverhalten einer Flüssigkeit auf einer Festkörperoberfläche durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Festkörperoberfläche und Flüssigkeit verändert wird. Für diese Arbeit wird der Fokus auf Electrowetting on Dielectrics (EWOD) gelegt, bei welchem ein direkter Stromfluss vom Festkörper zur Flüssigkeit durch Aufbringung einer dielektrischen Schicht verhindert wird. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Fertigung eines Mikrokapillaraktors am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien (ZMN) der TU Ilmenau. Zur Abschätzung der Aktorkraft wird eine semi-analytische Untersuchung der Kraft der Kapillarbrücke unter angelegtem elektrischen Feld durchgeführt. Zur Umsetzung des Aktorprinzips werden verschiedene Konzepte vorgelegt und auf ihre Realisierbarkeit überprüft. Auf Basis dessen wird ein Entwurf des Kapillarkraftaktors im Hinblick auf die technologischen Möglichkeiten am ZMN entwickelt. Ein vollständiges mikrotechnisches Herstellungskonzept zur Fertigung des Kapillaraktors, welcher aus einem Silicon on Insulator (SOI) Substrat und einer ITO-Glas Abdeckung besteht, wird präsentiert. Anschließend erfolgt die Herstellung eines Kapillaraktors in Form eines Mikrogreifers. Die Aktorchips werden erprobt und abschließend werden Vorschläge und Ideen für zukünftige Aktorentwürfe vorgestellt. Als mögliche Alternative zu wässrigen Lösungen werden die Flüssigkeiten Glycerol und verschiedene Ionische Flüssigkeiten (ILs) zur Aktuierung mittels Electrowetting in Betracht gezogen und untersucht. Obwohl sich im Versuch herausstellte, das mit diesen Flüssigkeiten im Vergleich zu den wässrigen Lösungen kleinere Kontaktwinkeländerungen erreicht werden können, bringen die ILs Eigenschaften wie den vernachlässigbar kleinen Dampfdruck, hohe Ionenleitfähigkeit und thermische Stabilität über einen weiten Temperaturbereich mit sich, welche ihnen einen entscheidenden Vorteil gegenüber wässrigen Lösungen in Electrowetting-Anwendungen einräumen.

Beschichtete Siliziumgrasoberflächen haben in der Mikrosystemtechnik aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten stark an Bedeutung gewonnen. Jedoch sind die Eigenschaften solcher Schichten noch nicht vollständig erforscht. Diese Arbeit geht zunächst auf verschiedene Methoden der Herstellung von Siliziumgras, insbesondere den DRIE-Prozess ein und zeigt den aktuellen Stand der Forschung hinsichtlich Erzeugung, Beschichtung, Eigenschaften und Anwendung solcher Strukturen. Für die Realisierung einer gezielten Anpassung der Geometrie der Siliziumnadeln, werden die Einflüsse ausgewählter Parameter des DRIE-Prozesses, sowie die Einführung eines Parameterrampings näher untersucht. Für viele Anwendungen von Siliziumgras ist eine Beschichtung der Wafer mit Metall notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Aufdampfcharakteristik von Titan, Platin und Gold auf Siliziumgras theoretisch und experimentell untersucht. Hierbei wird insbesondere der Einfluss einer Substrattemperierung während des Abdampfens näher beleuchtet. Von besonderem Interesse sind die optischen und elektrischen Eigenschaften von beschichtetem Siliziumgras. Für die optische Charakterisierung erfolgt die Ermittlung der spektralen Reflexions-, Transmissions- und Absorptionswerte der verschiedenen Proben. Hierbei konnte unter anderem für platinbeschichtetes Siliziumgras eine Absorption von mehr als 97 % im ultravioletten, sichtbaren sowie infraroten Wellenlängenbereich erreicht werden. Im Rahmen der elektrischen Charakterisierung wird der Widerstand von titanbeschichtetem Siliziumgras sowohl horizontal als auch vertikal über die Siliziumnadeln hinweg ermittelt. Hierfür werden verschiedene Möglichkeiten zur Kontaktierung der Nadeln aufgezeigt. Es konnte eine starke Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Titanschichtdicke festgestellt werden. Zudem erfolgt die Betrachtung einer Oxidation der aufgedampften Titankristalle auf die elektrischen Eigenschaften, wobei eine starke Änderung des elektrischen Widerstandes in Bezug auf die Oxidationstemperatur ermittelt wurde. Des Weiteren werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von beschichtetem Siliziumgras aufgezeigt und Möglichkeiten für weiterführende Forschungsarbeit auf diesem Themengebiet erläutert.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer neuartigen 3D-Aufhängung für Mikrospiegel. Zu diesem Zweck wurden Mikrospiegelsysteme mit unterschiedlichen Aufhängungen designt und mit Hilfe der analytischen und numerischen Methoden untersucht. Die analytische Modellbildung ist im Rahmen der Technischen Mechanik das Standardverfahren, um den Widerstand von Strukturen gegenüber äußeren Belastungen zu ermitteln. Die Simulation wiederum erlaubt es, komplexere Geometrien und Belastungszustände hierbei zu berücksichtigen. Durch die Kombination beider Ansätze kann die Simulation anhand aus der Analytik bekannter Lastfälle überprüft und qualiziert werden. Die somit überprüfte Simulation erlaubt es, konkrete Parameterkombinationen zu bewerten und Empfehlungen für das Neudesign einer Aufhängung abzuleiten. Weiterhin wurden unterschiedliche Ätzprozesse für das Strukturieren des Substrats hinsichtlich der darauf erzeugbaren AlN (Aluminiumnitrid)-Schichtqualität verglichen. Unter anderem wird dabei ein tiefer RIE (Reaktivionenätzen) Ätzprozess für Silizium mit Kühlung (cryoRIE) vorgestellt, der zu einem bemerkenswerten rautenförmigen Querschnitt führt.

Die Miniaturisierung von Pumpen mit beweglichen mechanischen Teilen ist durch Reibungs-, Dämpfungs- und Kapillareffekte sowie Stickingphänomenen insbesondere beim Pumpen von Flüssigkeiten mit hohen Oberflächenspannungen begrenzt. Zur Generierung einer Pumpwirkung kann der Electrowettingeffekt genutzt werden, der das Medium direkt aktuiert. Die Flüssigkeit befindet sich initial im Cassie-Baxter-Zustand. Eine reversible elektrostatische Auslenkung der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche erzeugt den Pumpenhub. Im ersten Teil dieser Masterarbeit wird die Herstellbarkeit einer Pumpkammer durch SU-8 basiertes Bonden untersucht. Der Zweite Teil beschäftigt sich mit den paraelektrischen Eigenschaften von Wasser und deren Bedeutung für das Electrowetting und die Kontaktwinkelsättigung. Um den Übergang zwischen zwei reversiblen Cassie-Baxter-Zuständen zu gewährleisten ist ein Modell entwickelt worden. In diesem Modell wird der Einfluss zusätzlicher Strukturen innerhalb der Pumpstrukturen untersucht. Basierend auf dem Modell wurden Teststrukturen mit einem dafür entworfenen Technologiekonzept erzeugt. Mit experimentellen Untersuchungen der Teststrukturen wurde die Gültigkeit des Modells verifiziert. Abschließend werden mögliche Einsatzgebiete der Electrowetting-basierten Mikropumpe und deren Grenzen aufgezeigt.

Für die Realisierung von mikrooptischen Interferometern wird meistens auf hybride Systeme zurückgegriffen. Dabei erweist sich die Justierung durch immer kleinere Abmessungen als schwierig und zeitaufwändig. Die Herstellung als integriertes mikrooptisches System ermöglicht eine schnelle Inbetriebnahme und hohe Reproduzierbarkeit. In dieser Arbeit werden integrierte Freistrahlinterferometer in fused silica entwickelt, die diese Eigenschaften erfüllen sollen. Ausgehend von den technologischen Randbedingungen werden verschiedene Designvarianten von Freistrahlinterferometern entwickelt, die sich in der Art der Strahlteilung, den geometrischen Abmessungen und den Grad der Integration unterscheiden. Dazu werden geometrische Modelle erstellt und das Signal- und Dämpfungsverhalten analysiert. Des Weiteren werden Grenzen für die Auswertung ermittelt und Anforderungen an den Herstellungsprozess definiert. Für die Herstellung werden vorhandene Prozessschritte analysiert und optimiert, um mikrooptische Strukturen hoher Qualität zu erzeugen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Optimierung des Glasätzprozesses hin zu geringeren Rauheiten der Flanken und somit besserer optischer Güte. Dabei wurden unterschiedliche HF-Leistungen auf ihren Einfluss untersucht. Das Ergebnis sind nahezu senkrechte Kanten mit über 100 mym Höhe und mittlere Rauheiten mit weniger als 8 nm. Für die Verspiegelung von Funktionsflächen sind diese Kanten optisch dicht mit Aluminium zu beschichten. Voraussetzung dafür ist das Aufbringen einer Maske, die über die gesamte Höhe der geätzten Strukturen die Seitenflächen bedeckt und gewünschte Bereiche freilegt. Dazu werden Versuchsreihen für Sprühbelackungen mit dem Photoresist AZ nLof 2070 durchgeführt, die den Einfluss der Lackzusammensetzung, der Belichtungsdosis, den Proximityabstand und weiteren Parametern untersuchen. Das Ergebnis daraus und der nachfolgenden Metallisierung sind optisch dichte Verspiegelungen von senkrechten Kanten großer Höhe. Die hergestellten Freistrahlinterferometer werden in einem Demonstratoraufbau auf ihre Funktionsfähigkeit und Kenngrößen untersucht und Einflüsse auf die Messgenauigkeit dargestellt. Des Weiteren werden Verbesserungsvorschläge für eine weitere Verringerung des Justageaufwands und Verbesserung der Auswertbarkeit von mikrooptischen Systemen aufgezeigt.

Adaptive Mikrolinsen haben eine große Bedeutung für mobile Systeme, wobei besonders membranbasierte Mikrolinsen einen großen Verstimmbereich bei gleichzeitiger Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen abdecken können. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine solche membranbasierte Mikrolinse vorgestellt, die mit einer integrierten Pumpeinrichtung arbeitet. Sie basiert auf dem thermo-pneumatischen Prinzip, wobei eine thermische Entkopplung zwischen der geheizten Struktur und dem optischen Pfad realisiert wird. Das System wird als hybrider Aufbau aus Keramik und Silizium entwickelt. Es wird hinsichtlich der Temperaturverteilung bei Leistungseintrag, der Verformung der Membran und der optischen Eigenschaften bewertet. Das Mikrosystem zeichnet sich durch ein großes Temperaturgefälle über der Keramik von der Heizstruktur zum optischen Pfad, einen gut ausgenutzten Verformungsbereich der Membran sowie durch gute optische Eigenschaften in einem großen Brennweitenbereich aus. Eine thermische Entkopplung durch räumliche Trennung zweier Strukturen in einem Mikrosystem ist demnach möglich.

Das Teilprojekt B7 "Nanotools" des Sonderforschungsbereiches 622 an der Technischen Universität Ilmenau verfolgt die Entwicklung von Werkzeugen zur Integration in die Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPMM). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen zur Konzeptionierung einer mikrotechnisch hergestellten Reaktorkammer für ein laserinduziertes Mikroplasma. Die zu konzeptionierende Reaktorkammer dient als Quelle für ein selektives Plasmaätzverfahren. Die gepulste Strahlung eines Nd:YAG-Lasers wird durch eine Optik ins Innere der Reaktorkammer geführt und dort in einer SF6-Gas-Atmosphäre fokussiert. Die beim optischen Plasmadurchbruch vorherrschende hohe Energiedichte bzw. das Vorhandensein von angeregten Teilchen, ermöglicht die Erzeugung von chemisch reaktiven Ätzmedien. Durch Extraktion der reaktiven Plasmaspezies aus dem Reaktor zu einer Probe hin, ist eine gezielte Bearbeitung ausgewählter Halbleitermaterialien, wie z.B. Silizium, an einer betreffenden Stelle im sub-m-Bereich möglich. Die Schwerpunkte zur Konzeption eines Mikroplasmareaktors lagen bei Untersuchungen zu den mechanischen und optischen Eigenschaften der verwendeten AlN-Dünnschichtmembranen unter dem Einfluss einer laserinduzierten Plasmazündung. Das optische Transmissionsverhalten der AlN-Dünnschichtmembranen wurde charakterisiert. Hieraus wurde ein Optimum zwischen Schichtdicke und Transmissionsgrad der verwendeten Laserwellenlänge etabliert. Zur Untersuchung der mechanischen Stabilität der Dünnschichtmembranen wurden Schalldruckmessungen am Laserplasma, hydrostatische Drucktests und Bruchtests unter dem Einfluss laserinduzierter Schockwellen durchgeführt. Als Ergebnis der Untersuchungen konnte ein Konzept zum Aufbau eines mechanisch und chemisch stabilen Mikroplasmareaktors abgeleitet werden.

Die weltweit vorangetriebene Miniaturisierung von Sensoren, Aktoren und elektronischen Bauelementen führt zu steigenden Anforderungen an die Lithografie als Verfahren zur Reproduktion von Strukturen auf einem Substrat. Als hochauflösendes, durchsatzorientiertes und kostengünstiges Verfahren ist seit 1995 die Nanoimprint-Lithografie (NIL) bekannt. Bei diesem Lithografieverfahren wird ein strukturierter Stempel in eine zähflüssige Lackschicht gepresst, wobei der Lack durch Kapillarkräfte die Kavitäten der Stempelstrukturen ausfüllt. Vor dem Entfernen des Stempels wird der Lack ausgehärtet. Im Fall der ultravioletten Nanoimprint-Lithografie (UV-NIL) wird ein transparenter Quarzglasstempel verwendet, durch welchen der Lack mittels UV-Belichtung ausgehärtet wird. Am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien (ZMN) der TU Ilmenau steht die Maskenjustier- und Belichtungsanlage MA/BA8 Gen3 (MA8) der Firma SÜSS MicroTec AG für die Fotolithografie zur Verfügung. Mit einem Einsatz zur Stempelaufnahme kann die Anlage für UV-NIL umgerüstet werden. Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist die Etablierung des UV-NIL-Prozesses am MA8 sowie die Übertragung der durch einen NIL-Stempel definierten Strukturen in mikrotechnologisch relevante Substratmaterialien wie z.B. Silicium, Siliciumoxid und Siliciumnitrid mittels reaktivem Ionenätzen an der Trockenätzanlage Plasmalab System 100 von Oxford Instruments Plasma Technology (RIE Oxford). Der Stempel ist das strukturdefinierende Element des UV-NIL-Prozesses. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst Hersteller kundenspezifisch gestalteter Stempel recherchiert und Angebote für im MA8 einsetzbare Stempel eingeholt. Aufgrund der hohen Kosten wurden diese Stempel jedoch nicht angeschafft. Für die Erprobung des UV-NIL-Prozesses wurden stattdessen Möglichkeiten zur Herstellung von Teststempeln am ZMN überprüft. Die Herstellung von Teststempeln mit einer Grundfläche von 1cm× 1cm und minimalen lateralen Strukturabmessungen von 700nm mittels Fotolithografie und anschließendem Ätzprozess wurde demonstriert. Als Befestigung der Teststempel auf einem Trägersubstrat zur Aufnahme im MA8 wurde die Verwendung von Thermorelease-Folie erfolgreich erprobt. Die Abformung der Teststempel in die UV-NIL-Lacke mr-UVCur06 und mr-UVCur21 (Micro Resist Technology GmbH) konnte am MA8 erfolgreich demonstriert werden. Standardparameter für die Prozessführung wurden festgelegt. Das vor der Strukturübertragung erforderliche Entfernen der Restlackschicht mittels Sauerstoffplasma wurde an der RIE Oxford etabliert und die Ätzraten für die UV-NIL-Lacke bestimmt. Die Übertragung der mittels UV-NIL definierten Strukturen in Silicium und Siliciumnitrid an der RIE Oxford wurde erfolgreich demonstriert und für die jeweiligen Prozesses die Selektivität des UV-NIL-Lacks mr-UVCur06 bestimmt. Zudem konnte durch geeignete Prozessführung trotz inhomogener Abformung die vollständige Stempelstruktur in Siliciumnitrid (Ätzstopp auf Silicium) übertragen werden.

Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit möglichen Aktorkonzepten für ein großflächiges, aktives Glättwerkzeug für optische Freiformen. In der Optik gewinnen Freiformen zunehmend an Bedeutung. Dabei handelt es sich um optische Bauelemente, die nicht rotationssymmetrisch sind. Diese können nicht mit gewöhnlichen Methoden bearbeitet werden, da diese mit Werkzeugen fester Form arbeiten. Für Freiformen muss sich das Werkzeug der Werkstückoberfläche anpassen können.

Moderne Herstellungsverfahren in der Halbleiterindustrie gewährleisten die Herstellung komplexer Mikrostrukturen für integrierte Schaltungen (IC) und Mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS). Allerdings gibt es Bestrebungen zur Realisierung von Anwendungen, welche ein erhöhtes Maß an Komplexität mit sich bringen. Es müssen neue wirtschaftliche Fertigungsverfahren für die gesteigerten Anforderungen entwickelt werden. Diese Masterarbeit dokumentiert den Erstellungsprozess einer Fertigungssequenz zur Herstellung freistehender dreidimensionaler Siliciumstrukturen. Zu diesem Zweck wird ausschließlich die Fertigungsanlage RIE Oxford am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologie (ZMN) genutzt. Verwendete Prozessgase zur Erzeugung von Plasmen sind SF6, O2, CHF3, Ar und N2. Das reaktive Ionenätzen umfasst isotrop ätzende (SF6, N2) und anisotrop ätzende Prozesse (O2 und Ar, O2), sowie Materialabscheidungen, welche in der entwickelten Fertigungssequenz zur Anwendung kommen. Um das Ziel der Aufgabenstellung zu erreichen, wurde eine neue Lithografiemaske mit speziellen Strukturen entworfen und gefertigt. Ihre kleinsten Strukturen weisen eine Breite von 1 [my]m auf. In Versuchen wurden aus diesen Maskenstrukturen freistehende, sich in drei Ebenen überlagernde Balken herausgearbeitet. Die erzeugten freistehenden Strukturen weisen eine Breite von 2.5 [my]m und eine Höhe von 4 [my]m auf. Ein wichtiger Schwerpunkt der Experimente ist die Untersuchung der Polymerabscheidung mit Hinblick auf deren Eignung als Passivierungsschicht sowie der Einfluss auf das Strukturprofil. Des Weiteren beschreibt diese Masterarbeit den Einsatz und die Bedienung des Laserinterferometers der RIE Oxford. Mit ihm ist die Kontrolle und Überwachung der Ätzraten, der Schichtdicken und der Prozessendpunkte während der Prozessierung möglich. Abschließend wurden Regeln zur Gestaltung von Maskenstrukturen und Näherungsformeln zum Berechnen der Strukturabmessungen erstellt. Die Regeln und Formeln basieren auf den experimentell ermittelten Ergebnissen.

Am Fachgebiet Mikromechanische Systeme wird Entwicklungsarbeit zu integriert optischen Interferometern basierend auf Siliziumoxinitrid auf Silizium geleistet. Im Rahmen des Forschungsprogramms OptiMi wird ein Konzept für ein optisches Mikrotrackersystem entwickelt. Die Interferometerstrukturen und deren Aufbautechnologie werden im Hinblick auf parallele, kostengünstige Fertigung mit etablierten Mikrotechnologien entworfen. Die optomechanische Kopplung zwischen Glasfasern und integrierten Wellenleitern stellt dabei sowohl unter technologischen als auch unter funktionellen Gesichtspunkten eine Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird die Kopplung zunächst theoretisch analysiert. Relevante Einflussgrößen sollen anschließend herausgearbeitet werden. Darauf aufbauend werden gegenwärtige Konzepte auf Realisierbarkeit untersucht und bewertet. Die passive Justage mittels anisotrop geätzter V-Gruben zur Ausrichtung der Wellenleiterstirnflächen kommt dabei als technologisch etabliertes, beherrschbares Verfahren in Frage. Im praktischen Teil der Arbeit werden die theoretisch ermittelten Koppeleigenschaften der Stirnflächenkopplung messtechnisch überprüft. Hinsichtlich der Herstellung koppelbarer Stirnflächen optischer Güte kann der Prozess des Wafersägens mit Diamanttrennschreiben systematisch optimiert werden. Ein weiterer Abschnitt betrachtet die Aufbautechnik, die Herausforderungen und die Bedingungen des Klebeprozesses zur justierten Fixierung der Koppelanordnung. Abschließend gibt der Autor eine Zusammenfassung der Ergebnisse sowie einen Ausblick auf fortführende Arbeiten und alternative Konzepte.

Zur Metallisierung von Mikro- und Nanostrukturen wird das Sputtern als bevorzugtes Verfahren eingesetzt. Es ermöglicht im Unterschied zum Aufdampfen eine bessere Kantenbedeckung. Bei steigenden Aspektverhältnissen, der zu beschichtenden Strukturen verschlechtert sich die Schichtkonformität auch beim Sputtern. An der neu angeschafften Anlage "CS 400 S" soll der Einfluss der Sputterparameter auf die Kantenbedeckung untersucht werden. Das Ziel der Arbeit ist die Identifikation der optimalen Sputterparameter, um eine möglichst gute Kantenbedeckung zu erreichen. Zur Messung dieser findet im Vorfeld der statistischen Versuchsplanung die Zielgrößendefinition statt. Dabei werden zwei Auswertungsmethoden vorgestellt, welche im Laufe der Arbeit entwickelt wurde: Einzelbild- und Kantenbildauswertung. Als Zielgröße wird der Varianzkoeffizient der Schichtdicke verwendet. Dieser kann zwischen verschiedenen Versuchen, mit unterschiedlichen Schichtdicken an der Waferoberfläche, gut verglichen werden. Im Vorfeld der Experimente ist die Herstellung von Strukturen zur Beschichtung notwendig. Hierfür wurden Gräben im DRIE-Prozess und im Cryoprozess geätzt. Der Cryoprozess muss dazu erst optimiert werden, um das gewünschte Rechteckprofil zu erhalten. Dazu sind mehrere Versuche notwendig in denen die Ätzparameter dem Ätzprofil angepasst werden. In einem Vorversuch werden die Abscheideraten bestimmt. Anschließend wird der Einfluss der Prozessparameter Sputterleistung, Sputterdruck und Substrattemperatur auf die Kantenbedeckung untersucht. Nach der ersten Versuchsreihe wird der Einfluss der Substrattemperatur nicht weiter betrachtet, weil die entstandene Schicht matt weiß erscheint und damit nicht mehr als Reflexionsschicht geeignet ist. Der Parameter Sputterdruck besitzt bei beiden Auswertungsmethoden einen höheren Einfluss als die Sputterleistung auf den Varianzkoeffizienten. Die Schwankung über den Parameterraum des Drucks beträgt etwa 10 15% vom Mittelwert des Varianzkoeffizienten. Die Leistung schwankt um etwa 5% um den Mittelwert des Varianzkoeffizienten. Die Kantenbildauswertung ist gut zur genauen Analyse des Schichtverlaufs geeignet. Der periodische Schichtverlauf bei DRIE geätzten Proben kann mit dieser genau nachvollzogen werden. Weiterhin wird der Einfluss des schrägen Sputterns mit einem 20˚ Adapter untersucht. Durch diesen wird die Kantenbedeckung vor allem im Bereich der unteren Seitenwand stark verbessert. Insbesondere wird die Kantenbedeckung im Aspektverhältnisbereich zwischen 1,5 und 2,5 verbessert. Die angewendete Methodik zur Analyse der gesputterten Schichten mit der statistischen Versuchsplanung kann auch auf weitere Zielgrößen erweitert werden.

In plasmabasierten Trockenätzprozessen hängt die Ätzrate stark von den Prozessparametern wie z. B. dem Zustand der Prozesskammer oder der Last - die zu ätzende, nicht maskierte Fläche - ab. Demzufolge erschwert sich die Festlegung des Prozessendes durch eine aus der Ätztiefe und der Ätzrate bestimmten Prozesszeit wegen der oftmals nur unzureichend ermittelbaren Ätzrate. Endpunktdetektionssysteme ermöglichen mittels geeigneter Messinstrumente die In-situ-Prozessüberwachung und -kontrolle von Trockenätzprozessen. Die Anforderungen an Endpunktdetektionssysteme unterscheiden sich je nach Einsatzbereich. In Forschung und Entwicklung ist der Anspruch an Flexibilität deutlich höher als in der Produktion, da die überwachten Prozesse häufig wechseln. - In der Diplomarbeit werden die wesentlichen Ergebnisse der Arbeiten an einer Anlage für das reaktive Ionenätzen mit zwei Endpunktdetektionssystemen vorgestellt. Das Messprinzip des verwendeten Monochromators basiert auf der optischen Emissionsspektroskopie und das des Laserinterferometers auf der Interferenz an dünnen Schichten. Im Rahmen der Arbeit wurden beide Systeme in Betrieb genommen und die Prozessführung mit Endpunktdetektion für ausgewählte Prozesse etabliert. Die Dokumentation fasst die notwendigen Informationen zur Bedienung beider Endpunktdetektionssysteme zentral zusammen. Bei den untersuchten Prozessen handelt es sich um das Siliciumdioxid- und Siliciumnitridmaskierungsätzen, das Siliciumtiefenätzen und die Abscheidung amorpher Kohlenstoffschichten (DLC). - Eine verlässliche Endpunktdetektion erfordert eine möglichst vollständige Charakterisierung des Plasmaprozesses, der Substrate und des Prozessergebnisses. Die für die Charakterisierung verwendete Methodik wird beschrieben und die daraus abgeleiteten Schlussfolgerungen, welches Endpunktdetektionssystem für welchen Prozess geeignet ist und wie dies zu konfigurieren ist, werden dargelegt. Die angewendete Methodik zur Analyse der Prozesse im Hinblick auf eine Endpunktdetektion erwies sich als vielseitig einsetzbar, denn sie erlaubt nicht nur die Untersuchung der Bearbeitungsschritte selbst, sondern auch die der vorbereitenden Schritte der Kammerreinigung und Vorkonditionierung, welche einen definierten Zustand der Prozesskammer herstellen. Mit den daraus ermittelten Ergebnissen wurden neue Empfehlungen für die Anwendung dieser vorbereitenden Schritte erarbeitet.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung eines Bimorph Cantilevers aus Silicium und SU-8 mit einer nanostrukturierten Zwischenschicht aus Silicon Grass. Dazu wurden theoretische Untersuchungen zur analytischen Beschreibung des mechanischen, thermostatischen und thermodynamischen Verhaltens von Cantilevern mit dicken Schichten unter dem Einfluss der Siliciumnadeln durchgeführt. Mit Hilfe der analytischen Modelle wurden Cantilever aus Silicium und SU-8 mit einem optimalen Schichtdickenverhältnis für eine größtmögliche Deflektion entwickelt. Ebenso wurde der positive Einfluss der nanostrukturierten Zwischenschicht auf die dynamischen Eigenschaften von Cantilevern unter der Voraussetzung kleiner Abmessungen (Länge unter 300m) herausgearbeitet. - Neben der theoretischen Betrachtung wurde ein komplexer Prozessablauf zur Herstellung der Cantilever entworfen und erfolgreich in die Praxis umgesetzt. Diese Aufgabe umfasst auch das Design entsprechender Lithografiemasken und die Abstimmung der Einzelprozesse auf die Anforderungen der Cantilever. Es konnte gezeigt werden, dass die experimentell ermittelten Eigenschaften der hergestellten Cantilever eine gute Übereinstimmung mit denen der analytischen Berechnungen aufweisen. Außerdem konnten die Grenzen der Gültigkeit des vereinfachten thermischen Modells an Hand des thermostatischen und -dynamischen Verhaltens der Cantilever aufgezeigt und damit die Vorhersage deren Anwendbarkeit bestätigt werden.

Nanostrukturiertes Silizium wird in der Mikrosystemtechnik aufgrund vielseitiger Einsatzmöglichkeiten immer bedeutsamer. Für das 'Black Silicon' existiert eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Eine innovative Verwendung dieser nadelartigen Oberflächenstruktur ist die Nutzung als mechanisches Bondinterface (Nano-Klettverschluss). Damit ist es möglich, verschiedene Mikrobauteile miteinander zu verbinden und komplexe MEMS, MOEMS und BioMEMS aufzubauen. - Basierend auf Vorarbeiten wurde ein Zuverlässigkeitsprüfstand, mit einem definierbaren Kraft-Zeitverlauf, konzeptioniert. Mit der Auswahl einer pneumatischen Krafterzeugung, in Verbindung mit einem speziellen Probendesign ist es möglich, kritische Fehlerquellen zu beseitigen und gleichzeitig einen Parallelaufbau (bis zu 8 Proben) zu realisieren. Der Kraftverlauf dieser pneumatischen Ansteuerung wurde für die Dimensionierung mit einem Simulationsprogramm (MULTISIM®) abgeschätzt. Auf diese Weise konnten verschiedene pneumatische Versuchsaufbauten simuliert und miteinander verglichen werden. - Der entwickelte Zuverlässigkeitsprüfstand kann sowohl für statische Belastungstests als auch für dynamische Dauerbelastungstests verwendet werden. Beim Dauerversuch wurde der rechteckförmige Druckverlauf der Schaltventile durch die beteiligten Bauteilkomponenten so abgeschwächt, dass ein kontinuierlicherer Verlauf, in Form einer steigenden und fallenden Exponentialfunktion, entsteht. - Um das Prinzip der pneumatischen Krafterzeugung zu realisieren, ist das Chipdesign und die damit verbundene Chipherstellung entsprechend angepasst. Die hohe Komplexität der Chipform erforderte einen neuartigen Technologie-Plan. Bei der Durchführung des Technologie-Plans konnte dennoch das Ziel, eine qualitativ gute Black Si Oberfläche zu erzeugen, durch eine ständige Optimierung und Modifizierung der Standardprozesse erfolgreich realisiert werden. - Nach der Bestimmung der statischen Festigkeiten wurde die Belastungsgrenze für den Dauerversuch festgelegt. Die Beanspruchung erfolgte im Schwellfestigkeitsbereich bei einer Oberspannung von 80 % des Mittelwerts der statischen Festigkeit. Sind die statistischen Ausreißer beseitigt, welche im ersten Zyklus der Beanspruchung ausfallen, so befindet sich die Probe im Dauerfestigkeitsbereich. Dies wird mit dem aktuellen Erkenntnisstand mit einer Zyklenzahl von 8 Millionen (3 Proben) bestätigt.

Die Diplomarbeit mit dem Titel: "Entwicklung und Bewertung alternativer elektrischer Kontaktierungsmöglichkeiten von Piezoelektroden in Ultraschallwandlern von Luftmassenmesser für Verbrennungsmotoren, unter Berücksichtigung der mechanischen, akustischen und thermischen Wechselwirkungen der innerhalb der Ultraschallwandlerkonfiguration verwendeten Werkstoffe und den spezifizierten Lebensdaueranforderungen" wurde bei der Robert Bosch GmbH in Stuttgart-Feuerbach durchgeführt. - Die zentrale Aufgabe besteht in der Entwicklung eines alternativen Kontaktierkonzeptes des Piezoelementes im Ultraschallluftmassenmesser für die Anwendung in Heavy-Duty Diesel-Engines. Das bisherige Konzept dient als Referenz. Bei der Entwicklung sind die Randbedingungen zu berücksichtigen, die sich aus Kunden-, Funktions-, System- und Fertigungsanforderungen ergeben. Insbesondere die hohen Lebensdaueranforderungen für den Nutzfahrzeugeinsatz von 1,5 Mio. Fahrzeugkilometern oder 30.000 Betriebsstunden seien genannt. Aus einem gegebenen Ultraschallwandlerentwurf wurden die Funktionen der Kontaktierung abgeleitet. Das Umfeld der Kontaktierung wurde eingehend untersucht und die festgestellten Anforderungen - zusätzlich zu den offensichtlichen - zu einer Anforderungsliste verdichtet. Anschließend wurde eine Variantenentwicklung auf Basis der vielfältigen Verbindungsverfahren in Elektronik, Elektrotechnik und Maschinenbau betrieben. Diese wurden an den Anforderungen gemessen und entsprechend bewertet. Von den positiv bewerteten Verbindungsverfahren konnten einige in Stichversuchen überprüft und näher untersucht werden. - Die Ergebnisse dieser Untersuchungen in Verbindung mit Überlegungen zu zeitlichem Rahmen und Wirtschaftlichkeit wurden abschließend in einer Handlungsempfehlung verarbeitet: - Die Lösungsvielfalt konnte auf drei Verbindungsverfahren eingegrenzt werden. Für jedes der drei Verfahren wurden zukünftig sinnvolle Schritte erörtert und in zwei Fällen neue, verfahrensorientierte Ultraschallwandler-Konzeptionen vorgeschlagen.

Magnetfeldsensoren werden in unterschiedlichsten Bereichen der Technik eingesetzt. Im Maschinenbau kommen Magnetfeldsensoren bei Drehzahl-, Winkel-, Geschwindigkeits- und Wegmessungen zum Einsatz. Weitere Bereiche in denen Magnetfeldsensoren Anwendung finden sind die Medizintechnik (Magnetresonanztomografie, Magnetoenzephalografie) die Geophysik (Vermessung Erdmagnetfelder und kosmischer Strahlung, Kartografie) oder die Werkstofftechnik (Prüfung Werkstoffeigenschaften, Qualitätsprüfung von Bauteilen). Eine spezielle Herausforderung in der Mikrotechnik stellt die Herstellung eines dreidimensional messenden Magnetfeldsensors dar. Dies liegt darin begründet, dass die typischen mikrotechnischen Fertigungsverfahren sogenannte 2,5-D Prozesse sind. Die freie Formgebung in z-Richtung ist daher eingeschränkt. Es können keine Freiformflächen gefertigt werden, sondern nur einfache Extrusionskörper. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau eines 3D-Magnetfeldsensors auf Basis eines Silicium-Substrates. Zentrale Forderung dabei ist die Integration von drei GMR-Sensorchips mit je einer sensitiven Achse (1D-Sensorchips) auf dem Silicium-Substrat. Damit der magnetische Feldstärkevektor vollständig erfasst werden kann, müssen die drei Sensorchips drei voneinander unabhängige Sensierrichtungen besitzen. Idealerweise bilden diese ein kartesisches Koordinatensystem, da so die Auflösung in allen Raumrichtungen gleich groß ist. Damit die Funktionssicherheit des 3D-Magnetfeldsensors nachgewiesen werden kann, ist eine Prüfvorrichtung notwendig, welche ein in Betrag und Richtung variables magnetisches Feld erzeugen kann. Die Konzeption, Konstruktion und Fertigung dieses Prüfstandes zur Vermessung dreiachsiger Magnetfeldsensoren wird ebenfalls in dieser Arbeit beschrieben.

Beschleunigunssensoren gewinnen zunehmend an Bedeutung im Bereich der Consumer-Elektronik. Um abschätzen zu können, ob feldeffektbasierte Beschleunigungssensoren einen Vorteil gegenüber den heute marktüblichen Sensortypen haben, wird in dieser Arbeit deren Skalierungsverhalten untersucht. Ein feldeffektbasierter Beschleunigungssensor besteht im Allgemeinen aus einer federnd gelagerten seismischen Masse, welche gleichzeitig als Gateelektrode eines Feldeffekttransistors fungiert. Eine Bewegung der Masse aufgrund einer Beschleunigung führt zu einer Änderung des Stromes im Transistor und kann dadurch gemessen werden. Im Rahmen der Untersuchung wird zunächst ein analytisches Modell aufgestellt und anschließend durch numerische Simulation verifiziert. Darauf basierend folgt dann eine numerisch-analytische Untersuchung des Skalierungsverhaltens. Die Anforderungen orientieren sich dabei an einem marktüblichen kapazitiven Beschleunigungssensor. Mit einem heutigen Standardprozess, ergibt die Untersuchung eine mindestens erforderliche Fläche des Sensorkerns von 410æm x 300æm für einen triaxialen Beschleunigungssensor.

Die Integration schneller Probenanreicherung ist sehr wichtig für die Entwicklung von hochgenauen Biosensoren zur Vor-Ort-Diagnostik. In Biosensoren deren Funktion auf magnetischen Partikeln beruht, bedingt die Probenanreicherung deren schnelle und leistungseffiziente Konzentrierung. In dieser Diplomarbeit ist der Entwurf und die Charakterisierung eines magnetischen Aktors für die Anreicherung von Magnetpartikeln dargelegt. Der Entwurf wurde anhand eines vereinfachten analytischen Modells ausgeführt, dessen Gültigkeit mittels einer Simulation auf Basis der Finite Elemente Methoden (FEM) überprüft wurde. Zur Demonstration des Konzepts wurde ein Prototyp und passende Probenkartuschen hergestellt. Das Gerät wurde durch eine Untersuchung des Einflusses des Treiberstroms, der Partikelkonzentration und der Geometrie auf die Zeitkonstante des Anreicherungsprozesses experimentell charakterisiert. Es wird erwartet, daß die Integration einer solchen Anreicherungseinheit die Empfindlichkeit von Biosensoren zur Vor-Ort-Diagnostik verbessern kann und daß dadurch deren Anwendungsfeld vergrößert werden kann.

In den letzten Jahren haben Trockenätzverfahren bei der Strukturierung von Silicium an Bedeutung gewonnen. Bei der Erzeugung senkrechter Seitenwände tritt ein Nebeneffekt auf, der wegen seines Erscheinungsbildes "Black Silicon" genannt wird. Um die nadelartige Struktur des "Black Silicon" zu beeinflussen oder zu unterdrücken, wird in dieser Arbeit der Mechanismus der Mikromaskierung untersucht. Dazu werden die Grundlagen des reaktiven Ionentiefenätzens und der Oberflächeanalyse dargelegt. Weiterhin wird die Methode der Experimentellen Prozessanalyse vorgestellt. Mit ihr werden die Einflüsse der Prozessparameter auf die Mikromaskierung untersucht. Es kann gezeigt werden, dass besonders die Passivierungsdauer und die Passivierungsleistung diese beeinflussen. Außerdem wird der Einfluss von Waferverunreinigungen und Sauerstoff untersucht. Beide können Ursache für die Mikromaskierung ausgeschlossen werden. Weiterhin werden eine Röntgen Photoelektronen Spektroskopie und der Augerelektronen Spektroskopie durchgeführt. Die Ergebnisse die Oberflächeanalysen lassen den Schluss zu, dass während des ersten Passivierungsschritts eine reine Kohlenstoffschicht auf dem Siliciumsubstrat abgeschieden wird. Es kann gezeigt werden, dass diese Schicht während des Ätzschritts Cluster bilden, die mikromaskierend wirken. In der Arbeit werden mögliche Strukturen der Kohlenstoffschicht vorgestellt. Außerdem werden alternative Methoden der Mikromaskierung vorgestellt.

Die konstante Verkleinerung elektronischer Geräte, sowie der Bedarf der Integration vielfältiger Funktionen auf einem einzigen Chip, haben zur extremen Miniaturisierung elektronischer Bauelemente geführt. - Die Elektronenstrahllithographie ist einer der Schlüsseltechnologien um Strukturen im Nanometerbereich auf Wafern zu übertragen. - MAPPER Lithography BV hat ein neues Konzept von Elektronenstrahllithographie entwickelt. Es erlaubt Strukturen auf Wafern zu übertragen, unter Verwendung eines masklosen Systems, das 10.000 parallelen, einzeln ansteuerbare, Strahlen einsetzt. - Kern der Maschine ist das Aperturenfeld, das der Hauptelektronenstrahl teilt. - Kontamination und strukturelle Fehler in der Struktur der Aperturen können Fehlfunktion hervorrufen. Einen Verfahren zur Reinigung von Aperturenfeldern und eine Optimierung ihres Herstellungsprozesses wird in dieser Arbeit dargelegt. - Methoden zur Beseitigung der Kontamination auf Siliziumstrukturen werden untersucht und verglichen. - Weiterhin wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit ein Simulationsprogramm entwickelt, das eine effiziente Modellierung von Sputterprozesse erlaubt. - Durch ein effizientes Reinigungsprozess, sowie durch Zeit- und Materialersparnis mit Hilfe rechnergestützter Simulation konnte die Produktivität bedeutend gesteigert werden.

Die vorliegende Diplomarbeit entstand im Fachgebiet Mikromechanische Systeme der Technischen Universität Ilmenau. In der Arbeit wurden die physikalischen Gesetzmäßigkeiten für Helixspulen und einer Spiralspule mit 8 Windungen in einem LTCC-Bauelement hergeleitet. Mit dem Ziel größtmöglicher Induktivität im Bauteil wurden für beide Spulentypen, Optimierungsroutinen für das Programm SESAM entwickelt. Basis der Optimierungsroutinen ist die Berechnung des Magnetkreises anhand magnetischer Netzwerkmodelle bei gleichzeitiger Beachtung aller fertigungsbedingten Restriktionen. Unter Nutzung der Routinen wurden die optimalen Hauptabmessungen und zugehörigen Induktivitätswerte der Bauelemente bestimmt. - Mit dem Ziel den Leitungswiderstand zu senken, ergeben sich 4 Varianten von Helixbauelementen. Die Ergebnisse der Optimierung bestätigen, dass durch Helixspulen größere Induktivitätswerte erreicht werden als mit der Spiralspule. Die Spiralspule besitzt im vorgegebenen Bauraum von 15x15x1,5 mmџ eine Induktivität von 14,4 [Mikrohenry].Mit den vier Helixvarianten lassen sich zwei- bis sechsfach höhere Werte erzielen. - Auf Grundlage der Optimierungsergebnisse wurden unterschiedliche Helixbauelemente für die Fertigung konzipiert und zum Gesamtlayout des LTCC-Stapels zusammengeführt. Die zur Fertigung benötigten Prägewerkzeuge, Stanzdaten und Siebe sind aus dem Gesamtlayout abgeleitet und hergestellt worden. - Aufgrund von Herstellungsproblemen der Prägewerkzeuge konnten, keine funktionstüchtigen Bauelemente gefertigt werden. Aus diesem Grund ist es im Rahmen der Diplomarbeit nicht möglich, die Simulations-Ergebnisse der FEM-Analyse mit den Induktivitätswerten der gefertigten Bauelemente zu vergleichen.

Die ständige Forderung nach Miniaturisierung und Steigerung der Leistungsfähigkeit komplexer technischer Systeme erfordert eine zunehmende Funktionenintegration in den Bauteilen, umfangreiche Simulationen zur Optimierung und neue Wege hinsichtlich der verwendeten Materialien sowie der Fertigungs- und Fügetechnologien. - Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Optimierung und Herstellung eines Demonstrators für ein bereits entworfenes, hoch funktionenintegrierendes, elektromagnetisches Mikroventil. Dazu gehören die Minimierung des Verlustdruckes und der Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal, sowie die Verbesserung der Magnetkreisparameter des Aktors im Ventil. Des Weiteren müssen geeignete Fügeverfahren für die Ventilbauteile evaluiert und angewendet werden. - Mittels Ansys wurden die kritischen Stellen im Strömungskanal ermittelt und kontinuierlich verbessert. Dazu gehören der Ventileinlass- und Auslasskanal, sowie der Dichtsitz am Eingang zur Ventilkammer. Als Ergebnis der Simulationen konnte der Strömungswiderstand und somit der Verlustdruck sowie die Strömungsgeschwindigkeit erheblich gesenkt werden. - Im nächsten Schritt wurde der Magnetkreisanker als Schlüsselelement der Magnetkreisoptimierung hinsichtlich seines Durchmessers optimiert. Dazu sind heterogene und homogene Ansätze zur Realisierung der Feder entstanden, sowie geeignete Materialien untersucht und bewertet worden. Mittels Ansys gelang eine wesentliche Verkleinerung des Mäanderfederdurchmessers in Hinsicht auf eine ätztechnische und galvanische Fertigung. Als Ergebnis konnte das Spulenfenster und somit das magnetisch aktive Volumen der Spule wesentlich vergrößert werden, wodurch eine höhere magnetische Durchflutung ermöglicht wird. In der anschließenden Simulation des gesamten Magnetkreises wurden mit Ansys die resultierenden Magnetkreisparameter bestimmt und das Ventil geometrisch an diese angepasst. - Mittels ätztechnischer und galvanischer Fertigung wurde der als Mäanderfeder ausgeführte Magnetkreisanker im Batchverfahren hergestellt. Die Gehäuseteile sind mittels Lasergravur aus MIM-Rohlingen (Metal Injektion Molding) entstanden. Die Ventilkammer ist mittels Ansys auf ihre Druckfestigkeit überprüft worden. - Die Evaluierung geeigneter Fügeverfahren für die Ventilkammer und das Ventilgehäuse ermöglichten die Bewertung und Auswahl für dieses Ventil. Als geeignet erwiesen sich dabei das Laserschweißen und ein neuartiges Lötverfahren mittels "Microfoils" zum Fügen der Einzelteile. Hinweise zum Fügeprozess bilden die Grundlage zum Aufbau des Demonstrators.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit piezoelektrischen Schallsensoren und Schallerregern, die mit den Technologien der Mikrosystemtechnik hergestellt werden können. Im Schwerpunkt dieser Arbeit steht die Schallsensorik. Als piezoelektrisches Material kommt das in der Mikrosystemtechnik bisher noch eher selten eingesetzte Aluminiumnitrid zum Einsatz. Im Fokus stehen Biegewandler in Form von Kreis- und Quadratmembranen sowie Brücken- und Zungenstrukturen. Am Rande werden auch Schallsensoren und Schallerreger auf Basis von SAWs (surface acoustic waves) betrachtet. Neben der Geometrie der Biegewandler werden verschiedene Anwendungsformen (Monomorph, Bimorph, Parallel-Bimorph und Serien-Bimorph) diskutiert und mittels der Finite-Element-Methode simuliert. Es sind verschiedene technologische Konzepte dargestellt und in zwei Prozessen sind Biegewandler in Form eines Bimorphs hergestellt worden. Als Biegewandler sind hauptsächlich Kreismembranen prozessiert worden. Biegewandler in Form von Quadratmembranen und Brückenstrukturen konnten auch erfolgreich hergestellt werden. Die Durchmesser bzw. die Kantenlängen der Biegewandler sind zwischen ein bis drei Millimeter und die Dicke liegt bei weniger als einem Mikrometer. Durch Messungen kann ein Funktionsnachweis der Sensoren erbracht werden. Abgeschlossen wird die Arbeit mit der Untersuchung von Versteifungen und Flexibilisierungen auf das mechanische Verhalten der Wandler mittels der Finite-Element-Methode.

Tumore können durch lokalisierte und kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen behandelt werden. Dazu werden MEMS-basierte Wirksstoff-Freisetzungssysteme in den Tumor injiziert. Eine exakte Kontrolle über die Dosis des pharmazeutischen Wirkstoffs konnte bisher nicht nachgewiesen werden. Eine Möglichkeit, Wirkstoff-Freisetzungssysteme herzustellen, die keine eigene, interne Energiequelle besitzen, ist die Entwicklung eines mechanischen Systems, das unter dem Einfluss eines externen magnetischen Feldes Wirkstoffe freigibt. Das Magnetfeld soll eine Membran zerstören, indem es sie in eine Schneide auslenkt, die sich unter der Membran befindet. Durch die Zerstörung wird der Wirkstoff in der darunter liegenden Kavität freigegeben. Alle Materialien in solch einem Freisetzungssystem müssen biokompatibel sein. Da die Membran zusätzlich ferromagnetisch sein muss, kann sie aus einem Verbundwerkstoff hergestellt werden, wobei ein Kunststoff fein verteilte Puder aus ferromagnetischen Partikeln beherbergt. PDMS (PolyDiMethylSiloxan) hat wünschenswerte Materialeigenschaften für diese Anwendung. Das spin coating von viskosen Verbundmaterialien scheitert auf Grund der Dichteunterschiede zwischen ferromagnetischem Material und dem Kunststoff. Membranen aus ferromagnetischen Partikeln in einem Kunststoff können durch einen Rakelprozess hergestellt werden. Dazu wird die flüssige Mischung in eine mikrotechnisch hergestellte Form gegossen und überflüssiges Material mit einem Rakel entlang des Formenrandes abgestrichen. Die Permeabilität von feinen Partikeldistributionen in einem Polymer wird durch die Theorie der effektiven Medien beschrieben. Diese schlagen Berechnungsvorschriften für eine Ersatzpermeabilität vor. Die feine Verteilung von ferromagnetischen Partikeln in dem Polymer sorgt für eine weitgehende Linearisierung der charakteristischen Hystereskurve. Das Material verliert seine magnetische Hystere dabei fast vollständig. Die Membranauslenkung unter dem Einfluss eines externen magnetischen Feldes kann mit Hilfe eines Laser-Doppler-Vibrometers untersucht werden. Da die Membranen gleichzeitig die Dichtungselemente der Kavitäten sind, die die Wirkstoffe enthalten, werden die Membranen auf die Kavitätsränder gebondet. Dabei wird eine Vorspannung "eingefroren", die einen starken Einfluss auf die Membranauslenkung hat. Generell kann das Verhalten einer Membran im externen Magnetfeld mit einem Modell abgeschätzt werden, das von Kräften auf ferromagnetische Grenzflächen innerhalb eines inhomogenen magnetischen Feldes ausgeht.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein neuartiges Verfahren zur Bestimmung kleinster Volumina im Liquidhandling betrachtet, realisiert und evaluiert. Die theoretischen Betrachtungen umfassten verfahrenstypische Fehlerquellen, Abschätzungen von Fehlereinflüssen und mathematische Optimierungen des Systems. Im konstruktiven Teil der Diplomarbeit wurde unter Berücksichtigung der gewonnen Erkenntnisse ein geeigneter Messaufbau realisiert. Der abschließende Teil der Diplomarbeit war eine experimentelle Verifizierung des Messsystems. Dieser gab Aufschluss über die Eignung des Messsystems/ Messprinzips im Bereich des miniaturisierten Liquidhandlings.