Mikromechanische Füllstandssensoren

Abstract

In dieser Arbeit wird ein neuer, mikromechanischer Füllstandssensor für Elektrolyte vorgestellt. Der Sensor verwendet zwei unterschiedlich und unabhängige Arbeitsprinzipien, die einander ergänzen. Einerseits wird eine Anordnung von Mikroelektroden benutzt, um während der Benetzung die Änderung in der Leitfähigkeit an diskreten Punkten zu messen. Andererseits misst ein kapazitiver Sensor auf Elektrolytkondensatorbasis die ortsanaloge Position des Meniskus. Aufgrund der Unterschiede in den Signalen der einzelnen Detektionsprinzipien kann der Sensor auch nicht einfach zusammenhängende Flüssigkeiten ausmessen, wie sie z. B. in blasenbehafteten Systemen vorliegen. Wegen des speziellen Designs brauchen die beiden Sensorprinzipien nicht auf die verwendeten Elektrolyte kalibriert zu werden und der relative Signalhub ist größer als 100. Dieser hohe relative Signalhub führt zu einer sehr hohen Auflösung, so dass die Meniskusposition mit Submikrometergenauigkeit bestimmt und in geeigneten Vorratsbehälter das gespeicherte Volumen mit Subnanolitergenauigkeit bestimmt werden kann. Die sich einstellenden Kapazitäten und Widerstände sind leicht auswertbar, so dass unter Verzicht auf einen Teil des hohen Auflösungsvermögens einfache und energieoptimierte Ansteuer- und Ausleseelektroniken verwendet werden können. Es wird gezeigt, dass der Sensor unter geeigneten Ansteuerbedingungen im pH-Bereich 1 bis 9 über 10 Jahre medienresistent ist. Neben der Entwicklung der mikromechanischen Struktur wird in der Arbeit außerdem ein Verhaltensmodell des Sensors für die Systemsimulation entwickelt. Die parametrisierbaren Modelle wurden auf einem konventionellen Systemsimulator entwickelt, die das Verhalten der einzelnen Sensorprinzipien und die Geometrie des Pufferreservoirs auf unterschiedlichen Abstraktionsstufen abbilden. Diese Vorgehensweise führte zu einem kompakten Modell der kompletten Einheit aus Sensor und Pufferreservoir, deren Simulation mit den Messergebnissen sehr gut übereinstimmte.

In this thesis a new sensor detecting fluidic levels of electrolytes in capillary microfluidic systems is presented. The sensor uses two different and independent working principles, that complement one another. On the one hand an array of microelectrodes is used to measure the change in conductance at discrete points during priming. On the other hand a capacitive sensor similar to an electrolytic capacitor measures the analog, continuous position of the meniscus. On account of the difference between and the transient behavior of the two signals, the sensor is also able to detect not simply connected surfaces like liquids afflicted with gaseous bubbles. Due to the special design there is no need to calibrate any of the two working principles for detecting diverse electrolytes and the relative signal level swing is greater than two orders of magnitude for each principle. This high relative signal level swing leads to an outstanding resolution, so that positions of menisci can be resolved with submicron accuracy and in suitable reservoirs the stored volume can be resolved in the subnanoliter range. The appearing capacitances and resistances can easily be evaluated, so that by giving up a part of the high resolution simple and energy optimized drive electronics can be used to read out the sensor. Furthermore it is shown that the sensor can withstand harsh environments (pH 1 to pH 9, particles up to 10µm) for at least ten years. Apart from the development of the micromechanical structure also a behavioral model for system simulation of the whole microfluidic system is produced. The parameterizable models were developed on a commercially available simulator, which model the behavior of the individual sensor principles and the geometry of the buffer reservoir at different abstraction levels. This approach led to a lumped model' of the complete sensor unit, whose simulation results have been in excellent agreement with the measurements.