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 Eigenschaften und Verfahren zur Fertigung von superhydrophoben Oberflächen zur Anwendung in der Medizin und Life Science(2021) Felk, DominiqueIn dieser Studienarbeit werden die Eigenschaften, sowie die geometrische Gestalt von superhydrophoben Oberflächen anhand einer ausführlichen Literaturrecherche aufgezeigt. Wassertropfen nehmen auf superhydrophoben Oberflächen eine nahezu sphärische Gestalt an und rollen leicht von einer geneigten Oberflächen ab. Dabei nehmen die Wassertropfen etwaige Verschmutzungen mit. Diese reinigende Wirkung ist charakteristisch für den Lotus-Effekt, welcher physikalisch auf dem Vorhandensein des Cassie-Baxter Zustands beruht. So weisen superhydrophobe Oberflächen einen Kontaktwinkel θ0 von mindestens 150° auf. Aus dem großen Kontaktwinkel resultiert eine geringe Adhäsion der Oberfläche mit einem Wassertropfen. Dadurch gleitet der Tropfen bereits bei geringen Gleitwinkeln von kleiner als 10° von einer geneigten Ebene ab. Neben einem großen Kontakt- und einem kleinen Gleitwinkel weisen superhydrophobe Oberflächen eine Kontaktwinkelhysterese von kleiner als 5° auf. Außerdem bestehen die Oberflächen aus Materialien mit geringen Oberflächenenergien. Erzielbar ist der Lotus-Effekt durch eine Oberflächenmorphologie, die ein hohes Luftvolumen zwischen der Oberfläche und einem Wassertropfen einschließt. Dies ist möglich durch Strukturen im Größenbereich von einigen hundert Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern. Die Strukturen selbst müssen ein hohes Aspektverhältnis aufweisen, welches durch hierarchisch aufgebaute Strukturen erzielt werden kann. Außerdem werden in dieser Arbeit verschiedene Anwendungen aus dem Bereich der Medizin und der Life Science aufgeführt, die durch superhydrophobe Oberflächen ermöglicht werden. Beispielhafte Anwendungen sind superhydrophobe Textilwickel, welche eine Heilung bei Druckgeschwüren begünstigen sollen, oder eine kontrollierte in-vitro Freisetzung von Medikamenten. Die Literaturrecherche zeigt, dass die Herstellung von superhydrophoben Oberflächen auf Strukturen in Metall, Silizium und Kunststoff beruhen kann. So ist die Erzeugung von Strukturen in Metall und Silizium über konventionelle Fertigungsverfahren wie die Plasmabearbeitung (DRIE, ICP), das Tauchbad und die Laserbearbeitung möglich. Zur Erzeugung der Strukturen in Kunststoff eignet sich das Spritzgießen, das Formgießen und das Heißprägen. Für die stochastische Aufrauung der Kunststoffoberfläche eignet sich die Bearbeitung mit Plasma. Die am Institut für Mikrointegration der Universität Stuttgart (IFM) und Hahn-Schickard Gesellschaft Stuttgart (HS-S) vorhandenen Geräte ermöglichen grundsätzlich eine Herstellung der für superhydrophobe Oberflächen erforderlichen Größenordnungen. Dazu muss unter anderem untersucht werden, welche Anwendungen realisiert werden sollen und welche Medien in Kontakt mit der Oberfläche stehen werden. Darauf hin muss das Verhalten des Mediums mit verschiedenen Oberflächenmorphologien analysiert werden, um die am besten geeignete Struktur zu finden.Item Open Access Herstellung von mikrostrukturierten Kunststoffoptiken(2019) Röder, Marcel; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Use of PtC nanotips for low-voltage quantum tunneling applications(2022) Haub, Michael; Guenther, Thomas; Bogner, Martin; Zimmermann, AndréThe use of focused ion and focused electron beam (FIB/FEB) technology permits the fabrication of micro- and nanometer scale geometries. Therefore, FIB/FEB technology is a favorable technique for preparing TEM lamellae, nanocontacts, or nanowires and repairing electronic circuits. This work investigates FIB/FEB technology as a tool for nanotip fabrication and quantum mechanical tunneling applications at a low tunneling voltage. Using a gas injection system (GIS), the Ga-FIB and FEB technology allows both additive and subtractive fabrication of arbitrary structures. Using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), resistance measurement (RM), and scanning tunneling microscope (STM)/spectroscopy (STS) methods, the tunneling suitability of the utilized metal–organic material–platinum carbon (PtC) is investigated. Thus, to create electrode tips with radii down to 15 nm, a stable and reproducible process has to be developed. The metal–organic microstructure analysis shows suitable FIB parameters for the tunneling effect at high aperture currents (260 pA, 30 kV). These are required to ensure the suitability of the electrodes for the tunneling effect by an increased platinum content (EDX), a low resistivity (RM), and a small band gap (STM). The STM application allows the imaging of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) layers and demonstrates the tunneling suitability of PtC electrodes based on high FIB aperture currents and a low tunneling voltage.Item Open Access Reliability study and thermal performance of LEDs on molded interconnect devices (MID) and PCB(2018) Soltani, Mahdi; Freyburger, Moritz; Kulkarni, Romit; Mohr, Rainer; Groezinger, Tobias; Zimmermann, AndréItem Open Access Analysis of tempering effects on LDS-MID and PCB substrates for HF applications(2023) Wolf, Marius; Werum, Kai; Guenther, Thomas; Schleeh, Lisa; Eberhardt, Wolfgang; Zimmermann, AndréMechatronic Integrated Devices or Molded Interconnect Devices (MID) are three-dimensional (3D) circuit carriers. They are mainly fabricated by laser direct structuring (LDS) and subsequent electroless copper plating of an injection molded 3D substrate. Such LDS-MID are used in many applications today, especially antennas. However, in high frequency (HF) systems in 5G and radar applications, the demand on 3D circuit carriers and antennas increases. Electroless copper, widely used in MID, has significantly lower electrical conductivity compared to pure copper. Its lower conductivity increases electrical loss, especially at higher frequencies, where signal budget is critical. Heat treatment of electroless copper deposits can improve their conductivity and adhesion to the 3D substrates. This paper investigates the effects induced by tempering processes on the metallization of LDS-MID substrates. As a reference, HF Printed Circuit Boards (PCB) substrates are also considered. Adhesion strength and conductivity measurements, as well as permittivity and loss angle measurements up to 1 GHz, were carried out before and after tempering processes. The main influencing factors on the tempering results were found to be tempering temperature, atmosphere, and time. Process parameters like the heating rate or applied surface finishes had only a minor impact on the results. It was found that tempering LDS-MID substrates can improve the copper adhesion and lower their electrical resistance significantly, especially for plastics with a high melting temperature. Both improvements could improve the reliability of LDS-MID, especially in high frequency applications. Firstly, because increased copper adhesion can prevent delamination and, secondly, because the lowered electrical resistance indicates, in accordance with the available literature, a more ductile copper metallization and thus a lower risk of microcracks.Item Open Access Fabrication and characterization of press-molded polymer microlens arrays(2019) Ruehl, HolgerItem 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 Direct processing of PVD hard coatings via focused ion beam milling for microinjection molding(2023) Ruehl, Holger; Guenther, Thomas; Zimmermann, AndréHard coatings can be applied onto microstructured molds to influence wear, form filling and demolding behaviors in microinjection molding. As an alternative to this conventional manufacturing procedure, “direct processing” of physical-vapor-deposited (PVD) hard coatings was investigated in this study, by fabricating submicron features directly into the coatings for a subsequent replication via molding. Different diamondlike carbon (DLC) and chromium nitride (CrN) PVD coatings were investigated regarding their suitability for focused ion beam (FIB) milling and microinjection molding using microscope imaging and areal roughness measurements. Each coating type was deposited onto high-gloss polished mold inserts. A specific test pattern containing different submicron features was then FIB-milled into the coatings using varied FIB parameters. The milling results were found to be influenced by the coating morphology and grain microstructure. Using injection–compression molding, the submicron structures were molded onto polycarbonate (PC) and cyclic olefin polymer (COP). The molding results revealed contrasting molding performances for the studied coatings and polymers. For CrN and PC, a sufficient replication fidelity based on AFM measurements was achieved. In contrast, only an insufficient molding result could be obtained for the DLC. No abrasive wear or coating delamination could be found after molding.