Browsing by Author "Sandmaier, Hermann (Prof. Dr.-Ing.)"

Now showing 1 - 5 of 5

Open Access
Analyse und Optimierung von Tropfvorgängen zur Dosierung flüssiger Medikamente
(2020) Hummel, Sebastian; Sandmaier, Hermann (Prof. Dr.-Ing.)
Open Access
Hochauflösende Beschleunigungssensoren mit Tunnelstrecke
(2000) Strobelt, Tilo; Sandmaier, Hermann (Prof. Dr.-Ing.)
Ziel der Arbeit ist es, alle zur Konstruktion von hochauflösenden Beschleunigungssensoren mit Tunnelstrecke erforderlichen theoretischen Grundlagen zur Verfügung zu stellen und deren Anwendbarkeit an Hand des Entwurfes und der Realisierung eines Sensors nachzuweisen. Wesentliche Themen des theoretischen Teiles der Arbeit sind hierbei: die Beschreibung der Funktion einer Tunnelstrecke sowie die Herleitung der Rauschanteile, welche die Auflösung von Beschleunigungssensoren beschränken. Es wird deutlich, dass die hohe Auflösung des Tunneleffektes den Einsatz einer aktiven Regelung und hochempfindlicher Stellelemente erforderlich macht. Vergleicht man alle in Beschleunigungssensoren auftretenden Rauschquellen, so stellt man fest, daß die Nachweisgrenze hochauflösender Beschleunigungssensoren vom thermische Rauschen des Feder-Masse-Systems bestimmt wird. Auf den hergeleiteten konstruktiven Grundlagen aufbauend, wird anschließend die Entwicklung eines Sensors mit einer Nachweisgrenze von 1E-6 g (g= Erdbeschleunigung) beschrieben. Hierbei wird die mikrotechnischen Konstruktion dargestellt und ausführlich auf die Entwicklung der erforderlichen Sensorelektronik eingegangen. Um die elektronische Regelung geeignet auslegen und optimieren zu können, wurde das dynamische Verhalten des Gesamtsystems analytisch beschrieben. Die geeignete Wahl der Parameter wurde mit Hilfe eines numerischen Modells des Gesamtsystems nochmals überprüft. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ferner ein Messplatz entwickelt, auf dem die Beschleunigungssensoren nach ihrer Fertigstellung charakterisiert worden sind. Erstmalig wurde es so möglich, derartige Sensoren direkt an ihrer Auflösungsgrenze zu vermessen. Die dem Rauschen äquivalente Beschleunigung wird mit ca. 2.5E-6 g gemessen, stimmt also mit den theoretischen Vorhersagen gut überein.
Open Access
Mikromechanische Füllstandssensoren
(2001) Sesterhenn, Michael; Sandmaier, Hermann (Prof. Dr.-Ing.)
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.
Open Access
Miniaturisiertes Dosiersystem zur geregelten Dosierung von Tinte in einem Schreibgerät
(2008) Waibel, Günther; Sandmaier, Hermann (Prof. Dr.-Ing.)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein miniaturisiertes Dosiersystem zur geregelten Dosierung von Tinte in einem Schreibgerät entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Die Problematik bei Schreibgeräten mit flüssiger Tinte ist die Druckabhängigkeit des Fluidführungssystems mit der Folge, dass Tinte unter ungünstigen Bedingungen aus dem Schreibgerät entweichen kann. Die Ursache liegt im Verhalten kompressibler Medien in Behältern mit konstantem Volumen. Nach dem idealen Gasgesetz dehnt sich Gas proportional zum Druckanstieg aus. Ein Effekt, der beispielsweise bei Druckabsenkungen in Flugzeugkabinen auftritt. Eingeschlossenes Gasvolumen im teilweise befüllten Flüssigkeitsbehälter verdrängt dabei Tinte aus dem Schreibgerät, das Schreibgerät läuft unkontrolliert aus. Ein weiterer Nachteil sind Schwankungen des Behälterinnendrucks während der Flüssigkeitsentnahme, verursacht durch einströmende Luftblasen beim Druckausgleich. Der Behälterinnendruck hat direkten Einfluss auf das Durchflussverhalten des Gesamtsystems. Mit dem neu entwickelten Mikrodosiersystem konnten diese Probleme behoben werden. In der Konzeptphase wurden zunächst verschiedene Systemkonzepte beleuchtet. Die Hauptunterschiede lagen in der Art des Flüssigkeitsbehälters und dessen Belüftungssystem. Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse wurde zunächst ein geeignetes Systemkonzept ausgewählt. Basierend auf der Vorgabe einer wechselbaren Standardtintenpatrone wurde ein Regelungskonzept entwickelt, das in der Lage ist, Tinte im Bedarfsfall von einigen 100 µl/min zu dosieren. Das Regelsystem besteht aus einem piezogetriebenen Mikroventil, einem Fluidsensor sowie aus einer Regelungselektronik. Im inaktiven Zustand ist das Mikrodosiersystem durch ein so genanntes "normally-closed" Ventil absolut dicht. Im Fokus der Entwicklung standen eine konsequente Miniaturisierung der fluidischen Teilkomponenten und deren Integration in ein autarkes Gesamtsystem. Besondere Anforderungen stellte dabei ein piezogetriebenes Mikroventil insbesondere an die AVT. Geringe Stellwege von einigen 10 Mikrometern galt es möglichst effizient für die Ventilfunktion zu nutzen, des Weiteren sollten äußere Krafteinwirkungen die Funktionssicherheit des Ventils nicht beeinträchtigen. Die Auslegung des Fluidführungssystems erfolgte durch Anwendung fluiddynamischer Grundlagen unter Berücksichtigung der in der Mikrofluidik dominanten Oberflächenkräfte. Weitere Schwerpunkte lagen in der Entwicklung eines partikel- und luftblasentoleranten Fluidführungssystems. Beim Funktionsmusterbau kamen Technologien der Mikrosystemtechnik wie beispielsweise kapillares Kleben zum Einsatz. Die Vielzahl eingesetzter Materialien erforderte spezielle Aufbau- und Verbindungstechniken. So wurden beispielsweise Gehäuseteile und fluidische Komponenten wie Ventilträger, Belüftungs- oder Fluidführungssystem in Kunststoffspritzguss hergestellt, während der Fluidsensor aus Glas und der Ventilaktor aus einer Piezokeramik bestehen. Eine weitere Schwierigkeit bestand in der hermetische Abdichtung der Elektronikbauteile zum Schutz vor Feuchtigkeit. Zur Reduzierung mechanischer Spannungen bei sensiblen Bauteilen wie beispielsweise das Mikroventil wurden Versteifungsmaßnahmen entwickelt, so dass ein reproduzierbarer und langzeitstabiler Ventilbetrieb realisiert werden konnte. Im Zuge der Umsetzung des Fluidführungssystems wurde mit dem so genannten Chic-Prinzip (Chic = Channel-in-channel) eine luftblasentolerante Fluidkanalgeometrie gefunden, anhand derer unter Nutzung von Kapillarkräften ein fluidisches Verstopfen von Mikrokanälen verhindert werden konnte. Die Charakteristik des gesamten Mikrodosiersystems wird maßgeblich durch das fluidische Verhalten des Mikroventils bestimmt. Denn je nach Auslegung der Ventilgeometrie konnte hier ein fluidischer Engpass entstehen, der den Systemdurchfluss teilweise behindern oder gar vollständig zum Erliegen bringen kann. Wichtige Kenngrößen zur Ermittlung der Ventilcharakteristik sind Durchfluss und Leckrate. Anhand von Durchflussmessungen konnte gezeigt werden, dass bei geeigneter Ventilgeometrie Durchflüsse von über 300 µl/min bei gleichzeitig sehr geringen Leckraten von max. 3nl/min möglich sind. Damit wurde mit einem Verhältnis von rund 100.000 die geforderten Spezifikationen von 100 µl/min Durchfluss bei max. 5nl/min Leckrate um den Faktor 5 übertroffen. Ebenso konnte durch das neu entwickelte Chic-Prinzip eine verbesserte Luftblasentoleranz des Fluidführungssystems nachgewiesen werden. Auch die geforderte Druckwechselfestigkeit von 270mbar wurde mit 400mbar um über 50% übertroffen. Die Schwierigkeiten bei der Integration der Teilsysteme lagen in der Vielzahl der Schnittstellen zwischen den fluidischen Teilkomponenten. Eine der wichtigsten Erkenntnisse dieser Arbeit ist, dass die Teilkomponenten eines komplexen Mikrosystems aufgrund dieser Schnittstellenproblematik nicht seriell entwickelt und anschließend 1:1 in ein Gesamtsystem übertragen werden können. Es ist vielmehr eine Betrachtung des Gesamtsystems von Anfang an erforderlich.
Open Access
Tastschalter in Bulk-Mikromechanik
(2008) Hiltmann, Kai; Sandmaier, Hermann (Prof. Dr.-Ing.)
Diese Arbeit beinhaltet die Entwicklung eines elektrischen Tastschalters in Silizium-Mikromechanik für Signallasten, d.h. Spannungen bis 12 V und Ströme bis 10 mA. Dieser Schalter soll herkömmliche feinwerktechnisch gefertigte Taster zu geringeren Produktionskosten ersetzen. Zur Realisierung eines kostenminimierten mikrotechnischen Elements wurden zunächst Untersuchungen hinsichtlich der minimalen physischen Dimensionen durchgeführt und erforderliche Kontaktöffnungsweite sowie Membranabmessungen bestimmt. Als geeignetes Schichtsystem für die Kontaktmetallisierung wurde AuCo0,5 auf TiW-Haftschicht und SiO2 als Diffusionssperre gefunden. Die Dicke der Metallisierung sollte wegen Kontaktabbrand und Feinwanderung zur Erzielung ausreichender Lebensdauer und Stabilität des Schaltpunkts um 1 μm betragen. Ein Prozess zur dichten vertikalen metallischen Durchkontaktierung von Glaswafern wurde entwickelt sowie ein schreibendes Verfahren zum thermisch wenig belastenden Verbinden von metallisierten Glas- und Siliziumscheiben mittels Laserschweißen. Das Ergebnis der Entwicklung sind zwei Versionen eines Membranschalters in Silizium-Glas-Technik mit einem Kontaktwiderstand um 1 Ω, Lebensdauer im Millionenbereich und Herstellungskosten unter denen eines vergleichbaren konventionellen Schaltelements.