Studentische Arbeiten

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.