@phdthesis{Uhlig2022, author = {Uhlig, Sebastian}, title = {Silizium-basierte Mikropumpen mit dem lateralen nanoskopischen elektrostatischen Antrieb}, doi = {10.26127/BTUOpen-5952}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-59523}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2022}, abstract = {In dieser Arbeit werden neuartige Mikropumpen auf Siliziumbasis vom Typ oszillierende-Verdr{\"a}ngerpumpe mit einem in der Chipebene operierenden elektrostatischen Antrieb entwickelt, gefertigt und messtechnisch charakterisiert. Der Antriebsmechanismus ist aus einer am Fraunhofer IPMS entwickelten Klasse von Mikroaktoren, bekannt als nanoskopisch elektrostatischer Antrieb (NED) aufgebaut. Zum Einsatz kommen erstmals beidseitig eingespannte laterale NED-Balkenaktoren, prim{\"a}r entwickelt und optimiert f{\"u}r den quasi-statischen Betrieb. Eingebettet in einem Verbund aus drei Siliziumwafern und in Verbindung mit in der Ebene operierenden passiven Klappenventilen, konnte ein regelbarer Fluss in Luft als gasf{\"o}rmiges sowie in Novec7100 als fl{\"u}ssiges F{\"o}rdermedium nachgewiesen werden. Die Entwicklung der Mikropumpen bildet einen Schwerpunkt dieser Arbeit und ist in zwei Abschnitte unterteilt. Eingangs werden Effekte, welche den Betrieb der NED-Balkenaktoren limitieren untersucht sowie Schl{\"u}sselparameter und deren Auswirkung identifziert. Basierend auf der Wahl der F{\"o}rdermedien und den sich daraus ableitenden elektrotechnischen Randbedingungen wurde die Steuerspannung in Luft auf 400 V festgelegt und per Optimierungsverfahren ein Aktordesignpunkt bestimmt. Der zweite Entwicklungsschwerpunkt beinhaltet den Entwurf und die Modellbildung der Mikropumpen mit dem bestimmten Aktordesignpunkt. Hier wurde ein modularer Ansatz zum Aufbau der Pumpe eruiert. Mit sogenannten "Basis-Pumpeinheiten" werden verschiedene Konfigurationen realisiert, was zu unterschiedlichen Pumpeigenschaften f{\"u}hrt. Diese beinhalten unter anderem serielle Anordnungen von NED-Aktoren und Basiseinheiten sowie die parallele Stapelung der Balkenaktoren. Damit unterscheidet sich der laterale Pumpenansatz in seiner Konfigurierbarkeit grundlegend zu klassischen Mikromembranpumpen. Die Etablierung einer Herstellungstechnologie mit stabilem Fertigungsprozess f{\"u}hrte zur erfolgreichen monolithischen Herstellung von Pumpenchips im Scheibenverbund. Der Prozess ist CMOS-kompatibel und beinhaltet verschiedene Technologiemodule. In der fluidischen Bauteilcharakterisierung wurden je nach Anzahl der gestapelten NEDAktoren maximale Flussraten von 6.63 µL/min, 22.85 µL/min, 63.75 µL/min, 72.92 µL/min in Novec7100 gemessen, f{\"u}r jeweils 2, 4, 8, 16 parallele NED-Aktoren entsprechend. Die erreichten Gegendr{\"u}cke sind dabei 2.79 kPa, 6.88 kPa, 20.55 kPa, 29.61 kPa. Typische Antriebsfrequenzen der Mikropumpen liegen im Kilohertz-Bereich, was sich auf den hohen Miniaturisierungsgrad und die damit verbundenen mechanischen Steiffigkeit der NED-Aktoren zur{\"u}ckf{\"u}hren l{\"a}sst. Die Gegen{\"u}berstellung der experimentell bestimmten Kennlinien mit Simulationsdaten aus dem entwickelten Modell der Pumpe, best{\"a}tigen das auf dem NED-Effekt beruhende Pumpprinzip.}, subject = {Micropump; Silicone; Silicium; Mikrosystemtechnik; Halbleiter; Physik; Mikrofluidik; Siliciumhalbleiter; Mikropumpe; Mikrofluidik; Mikrosystemtechnik; Semiconductor}, language = {de} }