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Entwicklung eines miniaturisierten elektrothermisch aktuierten Ventils

Hummel, Jonas (2013):
Entwicklung eines miniaturisierten elektrothermisch aktuierten Ventils.
Institut EMK / FG M+EMS, [Master Thesis]

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.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2013
Creators: Hummel, Jonas
Title: Entwicklung eines miniaturisierten elektrothermisch aktuierten Ventils
Language: German
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.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Mikroelektromechanische Systeme Aktor elektrothermisch Simulationsprogramm ANSYS Mikrofluidik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
Date Deposited: 08 Oct 2013 13:21
Additional Information:

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

Identification Number: 17/24 EMKM 1821
Referees: Winterstein, Dipl.-Ing. Thomas and Schlaak, Prof. Dr. Helmut F.
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 26 September 2013
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