Hummel, Jonas (2013)
Entwicklung eines miniaturisierten elektrothermisch aktuierten Ventils.
Technische Universität Darmstadt
Masterarbeit, Bibliographie
Kurzbeschreibung (Abstract)
Ergebnisse dieser Arbeit sind die Modellierung und Auslegung eines elektrothermischen out-of-plane-Polymeraktors und eines Kanals mit eleastischer Kanalwand für den Einsatz in einem miniaturisierten Quetschventil. Der mikrofluidische Kanal besteht aus einem Glassubstrat und einer selektiv gebondeten PDMS-Folie. Der Kanal ist für einen maximalen Durchfluss von 100 μL min−1 bei Differenzdruck von 6500 Pa ausgelegt. Zur Bestimmung der benötigten Kraft und Auslenkung des Aktors werden FEM-Berechnungen der hyperelastischen Kanalschicht verwendet. Die Anforderungen sind so gewählt, dass der Kanal bei hydrostatischem Druck von 16500 Pa auf der Eingangsseite und 10000 Pa auf der Ausgangsseite vom Aktor geschlossen werden kann. Zwei Aktorentwürfe werden durch thermisch-mechanische Simulationen ausgelegt. Im thermischen Modell des Aktors istWärmeleitung über die Luftspalte, sowie natürliche Konvektion an vertikalen und horizontalen Außenflächen des Aktors berücksichtigt. Die Konvektionskoeffizienten werden aus Vergleichsgrößen berechnet. Als Aktormechanismus wurde ein Zwei-Schichten-Pseudo-Bimorph ausgewählt, um Änderungen der Umgebungstemperatur bis 60°C zu kompensieren. Der simulierte Aktor erreicht Auslenkungen bis 570μm bei einer Temperaturdifferenz von 90 °K. Die Blockierkraft beträgt 92 mN. Die Baugröße des Aktors ist 15,7mm x 15,6mm x 0,5 mm. Für den Einsatz in einem normally-open- (NO-) und normally-closed- (NC-) Ventil ist der Aktor in zwei Varianten ausgelegt. Es sind Prozessfolgen für die Fertigung des Aktors als NO- und NC-Variante erarbeitet worden. Für den NO-Aktor wird eine dicke Opferschicht aus Kupfer durch Aufkleben eines Kupferblechs untersucht. Der NC-Aktor kann mit zwei SU-8-Lithographieschritten gefertigt werden. Der elektrische Heizer der Aktoren ist auf Waferebene kontaktiert und wird mit galvanischem Nickel abgeschieden. Die Charakterisierung des Aktors hinsichtlich des Verhaltens bei permanenter Last steht noch aus. Für die Auslenkung des NC-Aktors und um Verformungen im Dauerbetrieb untersuchen zu können, ist das FR4-Substrat unter den freitragenden Teilen der Aktoren entfernbar.
| Typ des Eintrags: | Masterarbeit |
|---|---|
| Erschienen: | 2013 |
| Autor(en): | Hummel, Jonas |
| Art des Eintrags: | Bibliographie |
| Titel: | Entwicklung eines miniaturisierten elektrothermisch aktuierten Ventils |
| Sprache: | Deutsch |
| Referenten: | Winterstein, Dipl.-Ing. Thomas ; Schlaak, Prof. Dr. Helmut F. |
| Publikationsjahr: | 26 August 2013 |
| Datum der mündlichen Prüfung: | 26 September 2013 |
| Kurzbeschreibung (Abstract): | Ergebnisse dieser Arbeit sind die Modellierung und Auslegung eines elektrothermischen out-of-plane-Polymeraktors und eines Kanals mit eleastischer Kanalwand für den Einsatz in einem miniaturisierten Quetschventil. Der mikrofluidische Kanal besteht aus einem Glassubstrat und einer selektiv gebondeten PDMS-Folie. Der Kanal ist für einen maximalen Durchfluss von 100 μL min−1 bei Differenzdruck von 6500 Pa ausgelegt. Zur Bestimmung der benötigten Kraft und Auslenkung des Aktors werden FEM-Berechnungen der hyperelastischen Kanalschicht verwendet. Die Anforderungen sind so gewählt, dass der Kanal bei hydrostatischem Druck von 16500 Pa auf der Eingangsseite und 10000 Pa auf der Ausgangsseite vom Aktor geschlossen werden kann. Zwei Aktorentwürfe werden durch thermisch-mechanische Simulationen ausgelegt. Im thermischen Modell des Aktors istWärmeleitung über die Luftspalte, sowie natürliche Konvektion an vertikalen und horizontalen Außenflächen des Aktors berücksichtigt. Die Konvektionskoeffizienten werden aus Vergleichsgrößen berechnet. Als Aktormechanismus wurde ein Zwei-Schichten-Pseudo-Bimorph ausgewählt, um Änderungen der Umgebungstemperatur bis 60°C zu kompensieren. Der simulierte Aktor erreicht Auslenkungen bis 570μm bei einer Temperaturdifferenz von 90 °K. Die Blockierkraft beträgt 92 mN. Die Baugröße des Aktors ist 15,7mm x 15,6mm x 0,5 mm. Für den Einsatz in einem normally-open- (NO-) und normally-closed- (NC-) Ventil ist der Aktor in zwei Varianten ausgelegt. Es sind Prozessfolgen für die Fertigung des Aktors als NO- und NC-Variante erarbeitet worden. Für den NO-Aktor wird eine dicke Opferschicht aus Kupfer durch Aufkleben eines Kupferblechs untersucht. Der NC-Aktor kann mit zwei SU-8-Lithographieschritten gefertigt werden. Der elektrische Heizer der Aktoren ist auf Waferebene kontaktiert und wird mit galvanischem Nickel abgeschieden. Die Charakterisierung des Aktors hinsichtlich des Verhaltens bei permanenter Last steht noch aus. Für die Auslenkung des NC-Aktors und um Verformungen im Dauerbetrieb untersuchen zu können, ist das FR4-Substrat unter den freitragenden Teilen der Aktoren entfernbar. |
| Freie Schlagworte: | Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Mikroelektromechanische Systeme Aktor elektrothermisch Simulationsprogramm ANSYS Mikrofluidik |
| ID-Nummer: | 17/24 EMKM 1821 |
| Zusätzliche Informationen: | EMK-spezifische Daten: Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKM 1821 Art der Arbeit: Masterarbeit Beginn Datum: 25-02-2013 Ende Datum: 26-08-2013 Querverweis: keiner |
| Fachbereich(e)/-gebiet(e): | 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen (aufgelöst 18.12.2018) 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik |
| Hinterlegungsdatum: | 08 Okt 2013 13:21 |
| Letzte Änderung: | 04 Feb 2014 11:30 |
| PPN: | |
| Referenten: | Winterstein, Dipl.-Ing. Thomas ; Schlaak, Prof. Dr. Helmut F. |
| Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: | 26 September 2013 |
| Export: | |
| Suche nach Titel in: | TUfind oder in Google |
 |
Frage zum Eintrag |
Optionen (nur für Redakteure)
 |
Redaktionelle Details anzeigen |
Drucken
Impressum