Untersuchung des Kontaktverhaltens oszillierender Mikrotastsysteme. - 140 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
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.
Untersuchungen zur Vakuumtauglichkeit eines einachsigen oszillierenden Mikrotasters. - 50 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Im Rahmen dieser Masterarbeit wird die Vakuumtauglichkeit eines in Vorarbeiten entwickelten mikromechanischen, taktilen Mikrotasters untersucht. Nach einer kurzen Einführung zu den Grundlagen des verwendeten Mikrotasters und der Vakuumtechnik wird auf die Konzeption einer Vakuummesskammer eingegangen und der Versuchsaufbau zur Messwertaufnahme erläutert. Im weiteren Verlauf wird das Verhalten des Mikrotasters in einer Vakuumumgebung simuliert und anschließend mit Messungen am realen System verglichen. Neben der Charakterisierung des Mikrotasters wird ebenfalls die verwendete Ansteuerelektronik sowie die konzipierte Messkammer für die geforderten Messungen untersucht. Anhand der Messergebnisse wird abschließend gezeigt, dass das Vakuum nicht zu einer Resonanzkatastrophe beim verwendeten Mikrotaster führt und dieser für eine Nutzung in einer Vakuumumgebung bis 160 mbar geeignet ist. Die in den Simulationen gezeigte Zunahme der Güte für niedrigere Drücke konnte bei den Messungen in der konzipierten Vakuumkammer nicht bestätigt werden. Mit dem Funktionsnachweis und den aufgezeigten Empfehlungen für Folgearbeiten kann der Mikrotaster für eine erweitere Charakterisierung und Nutzung im Vakuum überprüft werden.
Nano-funktionalisierte Silicium-Template für sensorische Anwendungen. - 102 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
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.
Untersuchungen an integrierten Freistrahlinterferometer. - 93 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
In dieser Masterarbeit werden verschiedene Varianten mikrotechnischer Interferometer auf messtechnisch auswertbare Interferenzmuster untersucht. Basierend auf vorangegangenen Arbeiten zu diesem Thema wurden mehrere neue Interferometervarianten entworfen. Diese Varianten sind jeweils als Freistrahl-Varianten mit externem Messspiegel und als integrierte thermoptische Varianten ausgeführt. Alle Varianten wurden auf Quarzglas-Chips realisiert. Die Freistrahlinterferometer und thermooptischen Interferometer werden hinsichtlich der Qualität der Interferenzmuster und der Empfindlichkeit für Positionierfehler verglichen. Es werden einfache Interferometervarianten ermittelt, welche später in mikrooptische Systeme integriert werden können. Der Nachweis des thermooptischen Effektes an den thermooptischen Interferometern konnte auf Grund von Problemen im Herstellungsprozess nicht in dieser Arbeit erbracht werden. Notwendige Prozessschritte und Parameter zur Herstellung sind dokumentiert, um in Zukunft eine bessere Herstellung mikrotechnischer Interferometer zu ermöglichen.
Untersuchungen zum Polarisationsverhalten an VCSEL-Dioden in optischen Systemen. - 97 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
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.
Entwicklung eines mikromechanischen Rotationsantriebs. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Das Ziel der Masterarbeit ist die Entwicklung eines mikromechanischen Antriebs, der eine Halbkugel aus Edelstahl (Durchmesser 2mm) gesteuert um einen Winkel von ±45˚ gegenüber der Horizontalen um die x- und y-Achse auslenken kann. Dafür werden zwei Funktionsprinzipien für die Übertragung der Bewegung vom Stator zum Rotor untersucht: der Slip-Stick-Antrieb und der Ultraschallantrieb. Beim Slip-Stick-Antrieb rotiert die Halbkugel aufgrund ihrer Massenträgheit und einer Änderung der Normalkraft, welche den Übergang von Gleit- zu Haftreibung ermöglicht. Der Rotor ist stets in Kontakt mit dem Stator, welcher entlang einer Geraden schwingt, die um einen definierten Winkel gegenüber der vertikalen z-Achse geneigt ist. Der Ultraschallantrieb basiert auf einer hochfrequenten Schwingung des Stators in z-Richtung. Dadurch springt der Rotor in vertikaler Richtung. Wenn die Statorbewegung elliptisch ist, wird während des Aufpralls ein Drehmoment auf den Rotor übertragen, der dadurch ausgelenkt wird. Beide Funktionsprinzipien benötigen einen Stator mit drei translatorischen Freiheiten. Daher wird für beide Konzepte das gleiche Design verwendet, welches sich lediglich in den Abmessungen unterscheidet. Der Stator ist außerdem so ausgelegt, dass die Resonanzfrequenzen aller drei Translationsrichtungen identisch sind. Der Stator selbst wird durch vertikale elektrostatische Aktoren angetrieben, sodass SOI-Wafer verwendet werden können. Die Herstellung erfolgt mit typischen Prozessen der Mikrosystemtechnik. Der Stator wird mit einem DRIE-Prozess strukturiert. Dabei entstehen jedoch starke Einkerbungen und Unterätzungen, welche die Steifigkeiten und somit auch die Resonanzfrequenzen signifikant reduziert. Trotz dieser Abweichungen kann bei beiden Konzepten eine Rotation der Halbkugel beobachtet werden. Der Slip-Stick-Aktor erreicht eine Auslenkung des Rotors von ±28,2˚ bei einer guten Genauigkeit bezüglich parasitärer Bewegungen und der stationären Endposition. Beim Ultraschalltrieb konnte hingegen eine maximale Auslenkung von ±35,2˚ bei einer hohen Bewegungsgenauigkeit gemessen werden. Es werden zusätzliche Maßnahmen vorgeschlagen, um beide Konzepte weiter zu verbessern und den Bewegungsbereich weiter zu steigern.
Design, Fertigung und Charakterisierung eines binären Zählmechanismus zur passiven Grenzwerterfassung in MEMS. - 130 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
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.
Eigenschaftscharakterisierung gesputterter AIN Dünnschichten. - 200 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
In dieser Arbeit werden reaktiv gesputterte AlN-Dünnschichten mikro- und mesoskalig charakterisiert. Für die zu charakterisierendern Wafer werden zunächst die Parameter zur Fertigung festgelegt. Hierbei werden die Schichtdicke, der Prozessdruck, die Prozesstemperatur und das Material der Grundelektrode variiert. Zur Messung des d31-Effektes wird ein mathematisches Modell an die konkrete Messsituation angepasst. Der d31-Koeffizient beschreibt das Verhältnis aus mechanischer Dehnung zur dazu senkrechter Ladungsänderung eines Kristalls. Ein vorhandener Messaufbau wird auf seine Eigenschaften und Unsicherheitseinfluss für die Messung untersucht. Die Piezoproben, welche 6mm breit und 16mm bzw. 24mm lang sind, werden einseitig in einem Versuchsaufbau gehalten und Grund- und Deckelektrode kontaktiert. Ein an der anderen Seite der Probe positionierter Piezoaktor biegt diese periodisch. Die in der AlN-Schicht erzeugte Ladung wird über einen Ladungsverstärker gemessen. Aus dem mathematischen Modell wird der d31-Koeffizient bestimmt. Die Messunsicherheit wird exemplarisch für eine Messung berechnet. Die erhaltenen Ergebnisse der Messung des piezoelektrischen Effektes werden mit elektrischen Messungen zur Bestimmung der Durchbruchfeldstärke und des spezifischen Widerstandes, sowie Messungen durch Röntgenbeugung, die Aussagen zur Kristallstruktur des AlN liefern und Oberflächencharakterisierungen mittels Rasterelektronenmikroskopie verglichen. Schlagwörter: Dünnschicht, AlN, d31 -Koeffizient, piezoelektrischer Effekt, XRD, REM, Durchbruchfeldstärke
Steuerung eines mikromechanischen Rotationsantriebes. - 80 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
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.
Aufbau eines Experimentes zur künstlichen Alterung von Hydrogelen. - 213 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Im Rahmen des Projekts WK BASIS wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, um Hydrogele bzw. Polymer-Proben zu altern, um diese Proben für den Einsatz des Implantierens vorzukonditionieren. Innerhalb des Pflichtenheftes wurden die 3D-Modelle bzw. die technischen Zeichnungen der Alterungskammer und ihrer einzelnen Komponenten, für die Alterung der Proben entworfen und festgehalten. Diese Kammer, welche aus einem UV-Bestrahlungssystem, einem Heizelement und einer Kabeldurchführung für Flüssigkeiten besteht, besteht aus PTFE und Edelstahl. Die Alterungskammer wurde durch Fremdfirma angefertigt. Die Werkstoff-Auswahl basiert auf der Berücksichtigung der Alterungsparameter. Der Edelstahl garantiert eine homogene Übertragung der Temperatur, PTFE ist ein Werkstoff, der beständig gegenüber Einflüssen von UV-Licht, chemischen Reaktionen und hohen Temperaturen ist. Parallel wurden Experimente durchgeführt, um das Bestrahlungssystems und das Heizelement zu entwickeln. Um die Beobachtung der Proben von oben mit einer Kamera zu ermöglichen, wurden die LED am äußeren Rand des Bestrahlungssystems platziert. Da die Bestrahlung nicht direkt erfolgt, wurde einen System entwickelt, um eine homogene Streuung des UV-Lichts zu erhalten und um die Bestrahlungsverlust so niedrig wie möglich zu halten. Dafür wurden ein Reflektor und ein Diffusor hergestellt. Zur Herstellung des Diffusors wurden verschiedene Ätzverfahren getestet und verglichen, sodass hier der Prozess mit den besten Resultaten, in diesem Falle das Sandstrahlen, gewählt wurde. Als Wärmequelle für die Erwärmung der Proben wurde ein Heizdraht ausgewählt. Anderen Lösungen, wie Peltier-Elemente oder Wärmefolien kamen aufgrund der Geometrie der Alterungskammer und der verfügbaren Ausführungen nicht in Frage. Um den Heizdraht mit der Heizplatte zu koppeln, wurde einen Wärmeleitpaste entwickelt. Weiterhin wurde ein automatisierten Steuerungssystem entwickelt und aufgebaut. Das Steuerungssystem wurde als ein Tischgehäuse erstellt und dient als Schnittstelle für den Nutzer des Alterungssystems und zur Bestimmung der Wirkparameter (Temperatur, UV-Licht etc.). Die Steuerung übernimmt die Aufteilung der elektrischen Versorgung aller Komponenten vor sowie die elektronische Steuerung der Alterungsparameter. Die Frontplatte und die Rückplatte, die die unterschiedlichen Verbindungen und die Benutzeroberfläche integrieren, wurden ebenfalls bei einer Fremdfirma gefertigt. In der letzten Phase dieser Entwicklung wurden die Programmierung des Versuchsaufbaus und die Erstellung der Bedienungsanleitung vorgenommen. Nach Identifikation der entsprechenden Parameter, die bei der Alterung von Hydrogelen bzw. Polymeren eine Rolle spielen, wurden die notwendigen Anforderungen zur Entwicklung eines Versuchsaufbaus zusammengetragen und aufgearbeitet. Die Anforderungen wurden in Form eines Lastenhefts abgebildet, deren Umsetzung wiederum in einem Pflichtenheft festgehalten wurde. Die Anforderungen basierten teilweise speziell auf Nutzerbedürfnissen, teilweise ergaben sich Anforderungen aber auch aus geltenden Normen, wie z. B. DIN EN ISO 4892-3 bezüglich der UV-Bestrahlung der Kunststoffe in Geräten, oder ASTM D6954-04 bezüglich der Prüfung der Kombination zwischen Oxidation und biologischen Abbau. Anhand dieser Anforderungen wurde gefolgert, dass UV-Licht, die Temperatur und saure bzw. basische Lösungsmittel als Alterungsparameter auf die Probe wirken. Diese Parameter wurden entsprechend in einer Alterungskammer integriert.