Studentische Arbeiten

Die Bioprozessanalytik und speziell die Automatisierung solcher Prozesse nehmen einen immergrößer werdenden Stellenwert in der Forschung ein. Dabei sind gerade zerstörungsfreie Biomassesensoren von Vorteil, da sie nicht-invasiv arbeiten. Biomassesensoren lassen sich je nach Transducer in verschiedene Kategorien unterteilen: elektrochemische, optische oder piezoelektrische Biosensoren. Die vorliegende Masterarbeit hat das Ziel einen Flexural-Plate-Wave (FPW) Sensor und einen auf piezoelektrisch-mechanischer Erregung basierenden Sensor auf ihre Anwendbarkeit hin als Biomassesensor zu untersuchen. Bei Flexural-Plate-Wave Sensoren erfolgt die Anregung piezoelektrisch. Die Wellen wandern entlang einer flexiblen Membran. Die Wellen werden hierbei nicht durch die Flüssigkeit gedämpft, wie es bei einem SAW-Sensor der Fall ist, und ermöglicht somit den Einsatz in flüssiger Umgebung. Der zweite untersuchte Sensor untersucht die Federsteifigkeit eines Scaffolds. Es wurde untersucht, ob Steifigkeitsunterschiede von Scaffolds (ein strukturelles Gerüst, welches den Zellen als Wachstumshilfe dient) unterschiedlicher Materialzusammensetzungen mit dem Sensorkonzept erfasst werden können und ermittelte Kennwerte reproduzierbar angewendet werden können. Für ein neues Sensorkonzept zur Steifigkeitsbestimmung wurde die Infrastruktur von zwei neuen Messsystemen (Basalt Must und ein piezobasierter Prototyp) genutzt. Mit deren Hilfe konnte das viskoelastische Verhalten der verschiedenen Scaffolds aufgezeigt sowie Steifigkeitsänderungen innerhalb der untersuchten Materialien ermittelt werden. Dabei zeigten sich gut detektierbare Unterschiede zwischen den einzelnen Materialkompositionen als auch in Flüssigkeit aufgequollenen Scaffolds. Mit den Erkenntnissen und Kennwerten wird ein Konzept für die Sensorminiaturisierung gezeigt, dass im finalen System der automatischen Zellkultivierung als Biomassesensor Anwendung finden kann. Eine Kombination aus FPW und dem piezobasierten System ermöglicht sowohl die Überwachung des gesamten Scaffolds, als auch die gezielte Überwachung kritischer Randbereiche.

Der Einsatz autonomer elektrischer Mikrosysteme, die über längere Zeiträume rauen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, wird häufig durch degenerative Energiespeicher limitiert. Ein alternativer Einsatz besteht daher darin, Mikrosysteme die solchen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, vollständig ohne die Verwendung von elektrischer Energie zu betreiben. Im Fokus dieser Arbeit steht die Optimierung und Miniaturisierung eines bereits bestehenden mikrosystemtechnisch umgesetzten binären Speichers bzw. Zählers. Dieser Zähler benötigt für seine Nutzung keine elektrische Energie. Stattdessen arbeitet er ähnlich wie ein makroskopischer Handzähler rein mechanisch. Mit dem Ziel das Konzept des bereits vorliegenden binären Zählmechanismus in Kombination mit weiteren autonomen Mikrosystemen zu betreiben, ist es Gegenstand dieser Arbeit, den Mechanismus diesbezüglich zu optimieren. So können beispielsweise Grenzwertereignisse energieautark erfasst und gezählt werden. Hierzu sollen die zum Schalten nötigen Kräfte und Auslenkungen reduziert werden. Ferner soll die Systemgröße des Speichers bei gleichzeitiger Erhöhung der Bittiefe minimiert werden. Der Ansatz für die Umsetzung dieser Ziele besteht in der Analyse des bestehenden Systems. Durch die Aufdeckung und Optimierung vieler sich gegenseitig bedingender Beziehungen und Geometrien, wird im Rahmen dieser Arbeit eine Verringerung der Systemgröße erreicht. Um die Möglichkeit zu schaffen, solch rein mechanische Speicher elektrisch auswerten zu können, besteht ein weiteres Ziel der Arbeit in der elektrischen Anbindung des mechanischen Systems. Mit Hilfe piezoresistiver Messbrücken wird über eine einfache elektrische Anbindung hinaus noch ein mechatronischer Digital-Analog Wandler realisiert, der mechanisch gespeicherte Binärzahlen in einen analogen Spannungswert transformiert.

In dieser Arbeit wird ein Stoßbeschleunigungssensor vorgestellt, der Stoßbeschleunigun-gen mit Amplituden von 100 g bis 500 g mittels eines mechanischen Mikrogesperres detektieren und speichern kann. Dazu wird ein Modell zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens des Bewegungssystems während des Rastvorgangs erarbeitet. Durch Anwendung des Modells wird ein Systemdesign umgesetzt, mit welchem externe Stoßbeschleunigungen in fünf Stufen detektiert werden können. Das Systemdesign wird mit einer Variation kritischer Systemparameter in Form eines Maskendesigns ausgestaltet und mit den Fertigungsmöglichkeiten des Zentrums für Mikro- Nanotechnologien realisiert. Der mechanische Zustand soll in Form einer elektrischen Zustandserfassung abrufbar sein, was durch eine differentielle kapazitive Messung nachgewiesen werden kann. Die eindeutige Zuordnung zwischen Raststufe und wirkender Beschleunigungsamplitude kann nachweislich durch einen Designparameter Masse eines beweglichen Teils des Sensors erfolgen. Somit kann ein wichtiges Element der Dimensionierung nachgewiesen werden. Dieser Designparameter führt jedoch zu Anfälligkeiten von Querbeschleunigungen. Durch Hafteffekte der bewegten Komponenten des Systems an Anschlägen kann kein zuverlässiges Speichern der gemessenen Beschleunigungen gesichert werden. Dieser Effekt führt ebenso dazu, dass bei mehreren Rastungen innerhalb eines Stoßes niedrigere Beschleunigungsschwellen erreicht werden, als beim direkten Modellvergleich. Durch einen Reibeffekt der bewegten Komponenten kommt es bei nur einer Weiterrastung dazu, dass die Beschleunigungsschwellen höher sind, als im Modell. Insgesamt sind die Beschleunigungsschwellen jedoch deutlich höher als die Entworfenen, da der angenommene sinusförmige Beschleunigungsverlauf mit fester Dauer zu einem höheren Energieeintrag in das System führt als in der Realität.

Im Bereich der modernen Telekommunikation leitet uns der wachsende Trend der schnelleren, kleineren und effizienteren Radiofrequenz Front- und Backends für Smartphones, Kommunikationssatelliten und Applikationen für die Industrie 4.0 dazu innovative Impedanzanpassung Techniken und Schaltungen zu berücksichtigen. RF Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) in Kombination mit Niedertemperatur Co-fired Ceramics in einer Silizium-auf-Keramik-Technologie bieten eine hohe HF-Dielektrikum Leistung und verlustarme einstellbaren Kapazitäten (Varaktor). In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die elektrischen und mechanische Simulation, Konstruktion und Fertigung von drei verschiedenen Varaktoren in drei verschiedenen Größen auf einem SiCer Substrat und ihre Integration in ein Impedanzanpassungsnetzwerk auf koplanare Wellenleiter. Die Verwendung von anti-pull-in Designs ermöglichen Hochkapazitätsquotient und analoge Justierung durch bias Spannungseinstellung über den gesamten Kapazitätsbereich resultierend in hohen Eingangsimpedanzanpassungsmöglichkeiten.

Im Rahmen der vorliegenden Bachelorarbeit wurde die Entwicklung und Konzeption einer mikroskopierbaren Messzelle mit dem dazugehörigen bildgebenden System durchgeführt. Die Bachelorarbeit war Teil eines Kooperationsprojekts der Fa. 3T Analytik mit dem Universitätsklinikum Tübingen. Ziel des Projekts ist die in-situ videomikroskopische Analyse der Schwingquarzoberfläche während einer Messung, die eine quantitative Beurteilung der Eigenschaften und des Ankopplungsprozesses von Analyten ermöglicht. Dazu wird zunächst die Notwendigkeit für die erfolgreiche Umsetzung der vorgestellten Entwicklung erörtert. Im Anschluss dazu werden die für die Entwicklung der Messzelle und Auswahl der optischen Komponenten essentiellen Eigenschaften von Schwingquarzsensoren diskutiert. Die entsprechenden optischen Komponenten wurden speziell für die Anwendung ausgewählt und zu einem bildgebenden System kombiniert. Die Entwicklung der Messzelle wurde passend zum vorher entworfenen bildgebenden System gestaltet, da das zu entwickelnde Produkt eigenständig betreibbar sein soll. Die Messzelle wurde kompatibel zur vorhanden Schwingquarzsensorplattform qCell T der Firma 3T Analytik konstruiert.Vor der Entwicklung der Messzelle wurde eine Werkstoffauswahl anhand von verschiedenen, vorher aufgestellten Anforderungen durchgeführt. Anschließend wurde ein Versuchsaufbau konzipiert, um die Leistungsfähigkeit des bildgebenden Systems nachzuweisen und erste Feldexperimente durch den Kooperationspartner zu ermöglichen. Dieser konzipierte Versuchsaufbau soll voll funktionsfähig sein und entscheidend in die Entwicklung des ersten Demonstrators des Produkts qCell T opto einfließen.