Konzeption eines Zuverlässigkeitsprüfstands für Nano-Klettverschlüsse auf Basis von nanostrukturiertem Silizium ('Black Silicon')/ Morris Schwandt. - 190 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
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.
Herstellung optischer Wellenleiter. - 153 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
In dieser Arbeit wird ein optimiertes Ätzrezept für die Herstellung von TriPleXTM Lichtwellenleiter ermittelt. Mit Hilfe dieser Technologie ist es gelungen die Parameter eines Wellenleiters allein durch seine Geometrie zu bestimmen. Um die Vorteile der neuen Technologie nutzen zu können, ist ein stabiler und optimierter Herstellungsprozess notwendig. Die Lichtwellenleiter sollen unter anderem ein möglichst senkrechten Winkel und eine geringe Trenchtiefe aufweisen. Für die Optimierung des Ätzprozesses werden zwei Designs of Experiment (DOE) erstellt. Mit Hilfe des ersten DOE werden aus den zehn Eingangsparametern die Parameter ermittelt, welche die untersuchten sieben Ausgangsparameter am stärksten beeinflussen. In der Auswertung des ersten DOE zeigen sich drei Gruppen von geätzten Profilen. Neben nahezu rechteckigen Profilen mit Winkeln von bis zu 84&ayn; wurden auch dreieckförmige Profile mit Winkeln von weniger als 70&ayn; vermessen. Die dritte Gruppe weist kein geätztes Profil auf sondern auf den Wafern wurde eine Polymerschicht abgeschieden. Die Analyse der Ergebnisse des ersten DOE zeigt, dass drei der Eingangsparameter (CCP-Leistung, C4F8-Gasfluss und CH4-Gasfluss) am Einflussreichsten für die untersuchten Ausgangsparameter sind. Diese drei Parameter werden für die Erstellung des zweiten DOE-Durchlaufes als Grundlage verwendet. Nach der Auswertung des zweiten DOE zeigt sich, dass die Winkel der geätzten Wellenleiterstrukturen steiler als die des ersten DOE sind und auch die Trenchtiefe geringer ist. Die Optimierung des Ätzprozesses ist mit dieser Arbeit deshalb noch nicht abgeschlossen, da die Seitenwände der geätzten Wellenleiter noch immer eine Rauigkeit aufweisen.
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. - 101 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
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.
Electrowetting on Dielectrics (EWOD). - 163 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
1875 entdeckte Lippmann den Effekt der Elektrokapillarität. Dies war der Grundstein für den Effekt, der heute als Electrowetting on Dielectrics (EWOD) bezeichnet wird. In der Literatur herrscht die weit verbreitete Meinung, mit elektrischen Spannungen lassen sich Oberflächenspannungen reduzieren. Diese Arbeit hingegen betrachtet den EWOD-Effekt als rein elektrostatischen Effekt. In der Arbeit wurden zwei eigene Herleitungen der Young-Lippmann-Gleichung entwickelt, in denen EWOD als elektrostatischer Aktor betrachtet wurde. Entgegen der gängigen Literatur, in der behauptet wird, beim EWOD würden Oberflächenspannungen herabgesetzt, wurden bei der eigenen Herleitung der Young-Lippmann-Gleichung alle Oberflächenspannungen als konstant betrachtet. Die für die Kontaktwinkeländerung verantwortliche Kraft wurde über die Änderung der im Kondensator gespeicherten Energie hergeleitet. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die ursprüngliche Herleitung der Young-Lippmann-Gleichung eigentlich falsch ist, da sie die ohmschen Verluste beim Laden des Kondensatoraufbaus nicht berücksichtigt. Darausfolgend wurde postuliert: "EWOD folgt den Gesetzen des elektrostatischen Aktors." Ein Phänomen welches beim EWOD-Effekt auftritt ist die Kontaktwinkelsättigung. Ein eigenes Modell der Kontaktwinkelsättigung konnte nicht aufgestellt werden. Stattdessen wurden aber mögliche Ursachen der Kontaktwinkelsättigung diskutiert und ein Modell der Kontaktwinkelsättigung für wahrscheinlich gehalten, welches sich aus mindestens drei Teilmodellen zusammensetzt. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wurden zunächst verschiedene lyophobe Schichten, wie z.B. Teflon AF untersucht. Die Aktuierung von Flüssigkeiten mit geringer elektrischer Leitfähigkeit wie z.B. Glycerin konnte prinzipiell nachgewiesen werden. In einem EWOD-Aufbau mit einer LTCC als Dielektrikum wurde der mikroskopische Kontaktwinkel untersucht. Dazu konnten die beiden Annahmen, der mikroskopische Kontaktwinkel weiche vom makroskopischen Kontaktwinkel in einer Höhe von d bzw. 0,1d (d=Substratdicke) vom Substrat aus gesehen ab, durch einen Bildbeweis widerlegt werden. Sowohl im theoretischen als auch im experimentellen Teil wurden einige Indizien aufgeführt, die das aufgestellte Postulat stützen. Die Aufgabenstellung, mit dieser Arbeit ein tiefgreifendes wissenschaftliches Verständnis des EWOD-Effektes zu vermitteln wurde erfüllt.
Entwurf und Aufbau eines Prüfstandes zur Vermessung dreiachsiger Magnetfeldsensoren. - 110 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
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.
Entwicklung eines resonanten Magnetaktors als Antriebselement für Fluide höherer Viskositäten. - 151 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Der vermehrte Einsatz leistungsarmer, kompakter Schnellschaltventile zur Regelung und Steuerung fluidtechnischer Anlagen ermöglicht die kontinuierliche Steigerung von Produktivität und Wirtschaftlichkeit. Verschiedene Vorarbeiten beinhalteten u.a. den Entwurf zweier miniaturisierter, pneumatischer 3/2-Wegeventile auf Grundlage eines Resonanzaktors mit polarisiertem Umkehrhubmagnet. Dissipative Energieverluste aufgrund der zusätzlichen Dämpfung des umströmten oszillierenden Stellelementes durch das Arbeitsmedium sind real nicht zu vernachlässigen. Insbesondere höherviskose Fluide wirken aufgrund ihrer Inkompressibilität stark dämpfend und entziehen dem Anker kinetische Energie. Mögliche Auswirkungen reichen von einer verringerten Schaltfrequenz bei erhöhter Verlustleistung bis zur Einschränkung der Funktionstüchtigkeit des Ventils. Ausgehend von analytischen Berechnungen und CFD-Simulationen beinhaltet die Diplomarbeit eine Untersuchung der Tauglichkeit vorliegender resonanter Magnetventile (Bauweise Flachsitzventil) zum Schalten höherviskoser Medien. Besondere Beachtung finden dabei die Strömungskräfte am Anker. Innerhalb der Konzeptionsphase wurden verschiedene Funktionsprinzipien erarbeitet und klassifiziert. Dämpfungs-, Verschleiß- und Leckageminimierung am Stellelement bilden die Schwerpunkte der Konzeptbewertung. Der rechnergestützte verkoppelte Systementwurf beinhaltet eine netzwerkbasierte Magnetkreisdimensionierung und -optimierung, Strömungssimulationen sowie die Auslegung der Ventilfedern durch strukturmechanische Simulationen. Innerhalb der Eigenschaftsabsicherung erfolgte eine Vermessung realisierter Federraten sowie eine simulationsbasierte Empfindlichkeitsanalyse gegenüber fertigungs-, montage- und betriebsbedingten Parameterschwankungen. Das entworfene Magnetventil ermöglicht das Schalten hydraulischer Druckdifferenzen von mindestens 3 bar mit einer simulierten Verlustleistung von 0,23 W bei Schaltfrequenzen bis 250 Hz. Diese Leistungsparameter belegen die hydraulische Eignung des Prinzips und stellen im marktweiten Vergleich herausragende Werte dar.
Skalierungsverhalten von mikromechanischen Beschleunigungssensoren auf Basis des Feldeffekts. - 63 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2009
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.
Planung und Aufbau einer Versuchslackieranlage in der Piezo-Aktor-Eigenfertigung. - 108 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2009
Piezo-Aktoren sind Bestandteil der neuesten Generation der Common Rail Injektoren moderner Dieselmotoren. Sie werden auf Grund ihrer hochdynamischen Eigenschaften zum Öffnen und Schließen dieser Common Rail Injektoren verwendet. Ein wesentlicher Fertigungsschritt zur Herstellung eines Piezo-Aktors ist das Lackieren zur Hochspannungsisolation. Im Rahmen der zunehmenden Erfahrung aus dem Serienbetrieb der Lackieranlagen wurden Schwachstellen deutlich. In dieser Arbeit werden diese Schwachstellen der Serien-Lackieranlagen detailliert analysiert, welche mit dem Aufbau einer Versuchslackieranlage verbessert werden sollen. Neben der Erprobung neuer technischer Komponenten, werden auch Veränderungen im Prozessablauf vorgenommen und deren Einfluss ermittelt. Dabei werden ein neuer Pumpenmechanismus sowie ein alternatives System zur Beförderung des Isolationslackes untersucht. Weiterhin wird die Ausbildung der Lackgeometrie eines Piezo-Aktors durch verfahrenstechnische Maßnahmen nachhaltig verbessert. Um Lufteinschlüsse im Isolationslack zu entfernen, wird im System eine Vakuumpumpe integriert. Als weitere Schwachstelle zeigt sich der Eintrag von Fremdpartikeln in den Isolationslack, was durch den Entwurf eines neuartigen Konzeptes der Lackieranlage optimiert werden soll. Die quantitative Ausbringung der Serien-Lackieranlagen kann durch Vorschläge zur Reduzierung der Taktzeit gesteigert werden. Durch technische und wirtschaftliche Kriterien wird ein Vergleich zwischen Serien- und Versuchslackieranlage durchgeführt, der eine Aussage ermöglicht, welche Maßnahmen im Serienprozess sinnvoll verwendet werden können.
Sample enrichment in a biosensor based on magnetic beads. - 116 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
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.
Konzepte für 3D Mikroscanner in der optischen Messtechnik. - 103 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
In dieser Arbeit wird die Funktionsweise und Herstellung von Schwingspiegeln zur Verwendung in 3D-Mikrotrackern demonstriert. Auf verschiedenen Strahlablenkungsprinzipien basierende Varianten werden entwickelt und auf ihre Eignung für die Messtechnik hin untersucht. Ebenso werden die Integrationsmöglichkeiten von integriert optischen Interferometern beleuchtet. Der Herstellungsprozess für 2D-Schwingspiegel auf Basis von SOI-Wafern wird entwickelt und experimentell nachvollzogen. Hergestellte Spiegel mit elektrostatischen Kammantrieben erreichen einen optischen Ablenkwinkel von einigen Grad. Auf Basis der Untersuchungen werden Spiegeldesigns für verschiedene Maskenauflösungen entwickelt. Zur Genauigkeitssteigerung der Messung werden Teststrukturen mit AlN-Federn entwickelt und mit dem Ätzsimulator ACES simuliert.