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In dieser Arbeit werden neuartige Mikropumpen auf Siliziumbasis vom Typ oszillierende-Verdrängerpumpe 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, primär entwickelt und optimiert für 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 gasförmiges sowie in Novec7100 als flüssiges Fördermedium 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 Schlüsselparameter und deren Auswirkung identifziert. Basierend auf der Wahl der Fördermedien 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 führt. 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 führte 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, für jeweils 2, 4, 8, 16 parallele NED-Aktoren entsprechend. Die erreichten Gegendrücke 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 zurückführen lässt. Die Gegenüberstellung der experimentell bestimmten Kennlinien mit Simulationsdaten aus dem entwickelten Modell der Pumpe, bestätigen das auf dem NED-Effekt beruhende Pumpprinzip.
Die Vielfalt der Materialien, die in der Lage sind Strom zu führen, hat sich um elektrisch leitfähige Kunststoffe erweitert. Diese Materialien haben vergleichsweise günstige Eigenschaften, wie z.B. eine geringe Dichte und hohe Wetterbeständigkeit. Trotzdem beschränkt sich zurzeit der Einsatz dieser Materialien wegen Stromübergangsproblemen auf geringe elektrische Leistungen. Um solche Materialien auch für hohe Betriebsströme einsetzen zu können, ist eine zuverlässige Kontaktierung erforderlich. Dieser Beitrag behandelt die Kontaktierung zwischen stromtragfähigem Kunststoff und Metall. Ein wesentlicher Teil der Arbeit beschäftigt sich mit potenziellen Ursachen von Kontaktierungsproblemen, die weiterhin am Beispiel von elektrisch leitfähigem Silikonkautschuk analysiert werden. Bei der Suche nach Ursachen für diese Probleme werden mechanische, thermische und elektrische Aspekte sowie deren Zusammenhänge in Betracht gezogen. Da die Technologie in wesentlichem Maß die physikalischen Eigenschaften bestimmt, wird deren Einfluss ebenfalls analysiert. Neben der theoretischen Betrachtung wurden vielfältige Untersuchungen zu diesen Aspekten durchgeführt, und deren Relevanz für die Stromübergangsprobleme ermittelt. Daraus ließ sich am Ende die Ursache der Stromübergangsprobleme ableiten. Ausgehend von den gewonnen Ergebnissen und unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften von leitfähigem Silikonkautschuk wird eine Verbesserungsmöglichkeit zur Kontaktierung vorgestellt. Sie basiert auf einer Modifikation der Oberflächen, speziell deren Metallisierung. Hierbei hat sich das Magnetronsputtern, Metallisierung von Werkstoffen im elektromagnetischen Feld unter Vakuum, als am besten geeignetes Verfahren erwiesen. Nach der Beschichtung der Oberfläche des leitfähigen Silikonkautschuks mit Aluminium bzw. Titan hat sich der Stromübergang und damit auch die Stromtragfähigkeit wesentlich verbessert. Anschließend werden die Ursachen für diese Verbesserung erklärt und die elektrische Belastbarkeit vor und nach der Oberflächenmodifikation ausgewertet. Die Arbeit gibt Hinweise auf weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Stromtragfähigkeit, zeigt somit weiteren Untersuchungsbedarf auf.