Universität Stuttgart
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Item Open Access Untersuchungen zu neuartigen Infusionspumpen für die Medizintechnik(2013) Wolter, Frank; Kück, Heinz (Prof. Dr. rer. nat.)Es gibt derzeit keine am Markt erhältlichen Geräte, die sowohl unbegrenztes Dosiervolumen verabreichen können als auch den genannten Ratenbereich mit der geforderten Genauigkeit abdecken. Um den Geräteaufwand zu minimieren, ist es deshalb eine wichtige Anforderung an eine neuartige Infusionspumpe, diese universell einsetzen zu können. Das ist in dieser Arbeit vorgestellte neuartige Pumpprinzip mit ferromagnetischem Pumpelement stellt eine Verfeinerung des Hubkolbenprinzips dar und ist aufgrund seines einfachen und robusten Aufbaus für die Ausführung als Einwegteil in der Medizintechnik geeignet. Der zur Bewegung des Pumpelements nötige Antrieb kann ebenfalls sehr einfach und mit wenigen Bauteilen ausgeführt sein. Er kommt dabei nicht mit dem zu fördernden Fluid in Kontakt.Item Open Access Untersuchungen zu flüssigkeitsbasierten, kapazitiven Neigungswinkelsensoren(2022) Schwenck, Adrian; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)Bei der Neigungswinkelmessung wird die relative Lage von Objekten zum Erdschwerfeld bestimmt. Stand der Technik im Bereich der Konsumgüter, der Industrietechnik, der Messtechnik oder der Fahrzeugtechnik sind vor allem Sensoren auf Basis von Beschleunigungssensoren. Diese werden hauptsächlich als Mikrosysteme (MEMS) ausgeführt und mittels mikrotechnischer Verfahren hergestellt. Die Neigungswinkelmessung, erfolgt dabei anhand einer Messung der Projektion der Erdbeschleunigung auf die sensitive Achse oder Achsen. Der in dieser Arbeit vorgestellte flüssigkeitsbasierte, kapazitive Sensor soll eine Alternative zu den MEMS-Beschleunigungssensoren bieten. Aufgrund seiner einfachen Herstellbarkeit mittels Standard-Surface-Mount-Technology (SMT) kann er durch kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) auf meist vorhandener Anlagentechnik produziert werden. Die MEMS-Fertigung hat den Vorteil der kostengünstigen Massenfertigung im Batch. Dafür sind jedoch technologisch anspruchsvolle Reinraumprozesse notwendig, die nur bei großen und darauf spezialisierten Unternehmen zu finden sind. Die Arbeit stellt zuerst den Stand der Technik der Neigungs- und Beschleunigungsmessung sowie der Molded Interconnect Device (MID) Technologie vor und beschriebt dann das Sensorprinzip der flüssigkeitsbasierten +/-90° und 360° Neigungswinkelmessung. Dieses basiert darauf, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft immer horizontal ausrichtet. Der Sensor verwendet eine dielektrische Flüssigkeit in einer teilweise gefüllten Kavität und bestimmt kapazitiv seine Lage zur Flüssigkeitsoberfläche. Zur Sensorauslegung werden ein analytisches Modell sowie eine Monte-Carlo-Simulation verwendet. Danach werden die Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) zur Herstellung der Sensoren beschrieben. Es kommen dabei zwei Varianten für die Ausformung der Kavität für das Fluid zum Einsatz. Eine Sensorvariante nutzt die die MID-Technik. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Standard-Leiterplatten, welche gestapelt und verlötet werden. Anschließend wurden die grundlegenden Sensoreigenschaften von drei Sensorvarianten charakterisiert. Dazu wurden Kennlinien der Sensoren bei Raumtemperatur aufgenommen und daraus eine Kalibrationsvorschrift für die Winkelberechnung abgeleitet. Da Neigungswinkelsensoren eine Sensitivität auf Neigungen quer zur Messachse haben können, wurden Messungen mit unterschiedlichen Querneigungen durchgeführt. Zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften wurde die Abklingzeit der Sensoren bestimmt. Da der Sensor einen systematischen Einfluss der Temperatur auf die Steigung der Sensorkennlinie zeigt, wurde dieser gemessen und Möglichkeiten zur Kompensation untersucht. Temperaturschocktests zur beschleunigten Alterung schließen die Charakterisierungen der Sensoren ab. Abschließend diskutiert die Arbeit die Monte-Carlo-Simulation, die Temperaturkompensation und die Ergebnisse des Benchmarks. Ein Vergleich einer Monte-Carlo-Simulation mit einem analytisch berechenbaren Fall zeigt die grundsätzliche Eignung der Simulation zur Beschreibung des Sensorverhaltens. Die Ergebnisse der Simulation für verschiedene Temperaturen wurden drüber hinaus mit Messungen von Sensoren und einem rechnerischen Ansatz zur Temperaturkompensation verglichen. Dabei zeigte sich ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Messung. Mithilfe der mathematischen Temperaturkompensation konnte der systematische Temperaturfehler weitgehend korrigiert werden. Bei der Diskussion des Benchmarks werden die wichtigsten technischen Eigenschaften der Sensoren, Allan-Deviation, Temperaturstabilität und Nichtwiederholbarkeit verglichen. Dabei zeigten die flüssigkeitsbasierten Sensoren eine im Zielmarkt wettbewerbsfähige Performance, vor allem für Anwendungen, welche ein geringes Rauschen, eine gute Bias-Stabilität sowie eine geringe Hysterese des Sensorsignales benötigen.Item Open Access Herstellung von mikrostrukturierten Kunststoffoptiken(2019) Röder, Marcel; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Entwicklung einer Prozesskette für den Aufbau individualisierter Foliensysteme(2022) Janek, Florian; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)Bereits seit einigen Jahren befindet sich das Feld der flexiblen Elektronik im Wachstum. Diese zeichnet sich insbesondere durch ihre hohe mechanische Flexibilität, aber auch durch eine niedrige Bauhöhe und geringe Masse aus. Die Einbettung ultradünner, mechanisch flexibler Siliziumchips in Kunststofffolien erweitert die flexible Elektronik und eröffnet das Potential, Sensorsignale direkt am Ort der Erfassung auswerten zu können. Um eine zielführende Prototypenfertigung dieser Foliensysteme mit eingebetteten, ultradünnen Siliziumchips zu ermöglichen, wurde in dieser Arbeit eine digitale Prozesskette entwickelt, mit der die Fertigung dieser Systeme individualisiert werden kann. Dazu wurden geeignete Einzelprozesse entwickelt und deren Prozessparameter betrachtet. Zu Beginn wurden Prozesse zur Montage der ultradünnen Siliziumchips untersucht, um diese sowohl manuell als auch automatisiert klebtechnisch fixieren zu können. Es wurden dabei sowohl die Montage einzelner Chips als auch die simultane Klebung mehrerer ultradünner Chips berücksichtigt, indem eine innovative Fügemethode unter Zuhilfenahme einer temporär haftenden Klebefolie entwickelt wurde. Damit konnte eine homogene Klebung von 4,7 mm x 4,7 mm großen ultradünnen Siliziumchips mit maximaler Klebstoffschichtdicke von 15 µm erreicht werden. Anschließend wurde ein Conformal-Coating-Sprühverfahren zur Applikation eines mechanisch flexiblen, photosensitiven Lötstoppmaterials untersucht, in das die fixierten Siliziumchips eingebettet wurden. Die Verwendung photolithographischer Prozesse erlaubte die Freistellung von Kontaktflächen auf den geklebten Siliziumchips. Dazu wurde ein auf UV-LEDs basierendes Direktbelichtungsverfahren eingesetzt, sodass auf zusätzliche Photolithographiemasken verzichtet werden konnte. Es wurde weiterhin eine Methodik entwickelt, mit der die Platziertoleranz und die Verdrehung von gefügten, ultradünnen Siliziumchips optisch erfasst und durch ein individuell erstelltes Direktbelichtungslayout kompensiert werden konnte. Mittels Inkjetdruck nanopartikulärer Tinten wurden die eingebetteten Siliziumchips mit Widerstandswerten im niedrigen zweistelligen Ohm-Bereich elektrisch kontaktiert. Die Analyse unterschiedlicher Kontaktöffnungsausprägungen ergab, dass beim verwendeten Lötstoppmaterial eine runde Kontaktöffnungsgeometrie mit 90 µm Durchmesser vorteilhaft für die Kontaktierung der Chipmetallflächen über Inkjetdruck ist. Die entwickelten Einzelprozesse wurden anschließend in eine anwendungsorientierte, digitale Prozesskette überführt. Hierbei hatte die Reihenfolge der Einzelprozesse einen entscheidenden Einfluss auf die Durchführbarkeit der Prozesskette und die erzielten Resultate der jeweiligen Einzelprozesse. So konnte festgestellt werden, dass zu Beginn der digitalen Prozesskette die Montage der ultradünnen Siliziumchips, gefolgt von der Einbettung mittels Conformal-Coating, photolithographische Freistellung der Chipkontaktflächen mittels Direktbelichtung und Entwicklung sowie der sich anschließenden elektrischen Kontaktierung über Inkjetdruck erfolgen sollte. Die Bestückung mit diskreten Bauelementen sollte abschließend erfolgen, um die übrigen Prozessschritte nicht einzuschränken. Die resultierenden Foliensysteme mit eingebetteten, ultradünnen Siliziumchips zeigen nach Ablösen vom starren Träger eine hohe mechanische Flexibilität und können so auf gebogenen Oberflächen eingesetzt werden.Item 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.Item Open Access Leiterplattenbasiertes Packaging zur Systemintegration mittels Film-Assisted Transfer Molding(2018) Hera, Daniel; Zimmermann, André (Prof. Dr.)Item Open Access Inhärente Oberflächenstrukturen als Identifikationsmerkmal zur markierungsfreien Einzelteilverfolgung(2020) Wigger, Benedikt; Zimmermann, André (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Reliability of solder interconnects under high current loading conditions(2021) Mei, Jie; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Analyse und Optimierung von Tropfvorgängen zur Dosierung flüssiger Medikamente(2020) Hummel, Sebastian; Sandmaier, Hermann (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Mechatronische Funktionsintegration auf additiv gefertigten Bauteilen aus Standardkunststoffen mittels laserbasierter Oberflächenbearbeitung und selektiver Metallabscheidung über nasschemische Prozesse(2024) Vieten, Tobias; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozesskette vorgestellt, die es ermöglicht, additiv gefertigte 3D-Körper zu einem mechatronischen Bauteil zu veredeln, indem unmittelbar auf der Oberfläche elektrisch leitfähige Strukturen erzeugt werden. Die Prozesskette basiert auf der Maskierung der Bauteiloberfläche und dem selektiven Abtrag der Maskierung entsprechend der Schaltungsgeometrie mittels Laserstrahlung, bei dem auch die Bauteiloberfläche bearbeitet wird. In einem nasschemischen Badprozess werden dann nacheinander die Oberfläche mit Palladiumkeimen beaufschlagt, die Maskierung final entfernt und Metallschichten (Cu/Ni/Au) außenstromlos abgeschieden. Der Prozess ist somit nicht auf Spezialwerkstoffe angewiesen, sondern ermöglicht den Einsatz branchenbekannter Materialien aus dem Bereich der additiven Fertigung, sofern diese nicht elektrisch leitfähig sind. Als Maskierungsmaterial wurden eine anorganische Schicht in Form eines Natriumsilikatglases und eine organische Schicht in Form eines photostrukturierbaren Negativlacks untersucht. Das anorganische Maskierungsmaterial musste aufgrund starker Rissbildung auf 3D-Bauteilen jedoch zunächst verworfen werden. Das Verfahren wurde unter Verwendung des Digital Light Processing als Modellprozess der additiven Fertigung erarbeitet und die erzeugten Metallschichten hinsichtlich Haftfestigkeit (Hot-Bump-Pull-Tests), Leitfähigkeit (Vierleitermessung) und Oberflächenrauheit (Weißlichtinterferometrie) charakterisiert. Dabei konnten Haftfestigkeiten und Leitfähigkeiten der Metallschicht vergleichbar mit industriell gängigen, spritzgegossenen laser direktstrukturierten Mechatronic Interconnect Devices aufgezeigt werden. Zum Nachweis der Transferierbarkeit des Verfahrens auf andere additive Fertigungsverfahren wurden Bauteile mit vier weiteren Verfahren, Stereolithographie, PolyJet, selektives Lasersintern und HP Multi Jet Fusion, prozessiert und die Metallstrukturen charakterisiert. In allen Fällen konnte, trotz der stark unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften, eine gute Selektivität der Metallabscheidung gezeigt werden. Abschließend wurden Designregeln für das Verfahren aufgestellt.