Quednau, Sebastian (2016)
Galvanisch erzeugt Mikro- und Nanodrähte für die Gasflusssensorik.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Metallische Drähte, deren Querschnitte Abmessungen von weniger als 1 µm aufweisen, besitzen Eigenschaften, die sie zur Verwendung als sensitive Elemente in Mikrosystemen interessant machen. Besonders das sehr hohe Oberflächen- / Volumenverhältnis der Drähte prädestiniert sie zur Verwendung in thermischen Sensoren, wie kalorimetrischen Strömungssensoren. Diese Arbeit stellt einen Ansatz vor, der eine Vor-Ort-Erzeugung von metallischen Drähten mit Abmessungen im Submikrometer-Bereich direkt im Mikrosystem ermöglicht. Den gesamten Themenkomplex bezeichnet man daher als Mikro-Nano-Integration. Die in dieser Arbeit entwickelten Prozesse sind allesamt Bottom-Up-Verfahren. Das heißt, sie verfolgen nicht die aufwändige und kostenintensive Miniaturisierung bestehender Technologien, sondern setzen auf neue, selbstorganisierende Ansätze. Demonstriert werden die neu entwickelten Technologien an der Realisierung eines kalorimetrische Strömungssensors. Der Sensor profitiert von dem hohen Oberflächen- / Volumen-Verhältnis. Eine deutliche Verringerung der Ansprechzeit gegenüber konventionellen Sensoren ist das Resultat. Ein möglicher Einsatzzweck solcher Strömungssensoren ist eine photoakustische Messzelle.

Die Arbeit beginnt mit einer umfangreichen Darstellung des aktuellen Standes von Forschung und Technik. Dabei werden realisierte thermische Sensoren in einem Zeitraum von 1974 bis heute betrachtet. Die Kennwerte der Sensoren werden tabellarisch gegenüber gestellt. Anschließend werden Prozesse zur Integration metallischer Mikro- und Nanodrähte vorgestellt und miteinander verglichen. Darauf aufbauend wird ein Konzept zur Vor-Ort-Erzeugung von metallischen Mikro- und Nanodrähten entwickelt und demonstriert. Das Verfahren ist eine konsequente Fortsetzung des Ionenspurätzverfahrens, welches seit Jahrzehnten zur Erzeugung von Mikro- und Nanodrähten eingesetzt wird. Technologisch bedingt lassen sich dabei keine einzelnen Drähte, sondern nur Drahtverbünde (sog. Arrays) herstellen, die je nach Abmessung aus nur wenigen (< 10) oder auch aus Milliarden von Drähten (sog. Nanorasen) bestehen können. Die Drähte sind dabei immer Senkrecht zum Substrat angeordnet. Das Verfahren ermöglicht es, Drähte mit Durchmessern von 100nm bis zu einigen µm herzustellen. Die Drahtlänge kann dabei von faktisch 0 bis zu 100 µm variiert werden. Die Anzahl der Drähte pro Flächeneinheit Drahtdichte kann von 10^6 Drähten pro cm² bis zu 6x10^8 Drähten pro cm² eingestellt werden. Auf die galvanische Erzeugung der Drähte und die dazu realisierte technische Ausrüstung wird detailliert eingegangen.

Da die mit dem Ionenspurätzverfahren hergestellten Drähte jedoch nicht geeignet sind, um einen hoch sensitiven und gleichzeitig schnellen kalorimetrischen Strömungssensor aufzubauen, wird ein weiteres Verfahren, das sog. Ätzkantenverfahren, adaptiert und weiterentwickelt. Dieses ermöglicht die Herstellung einzelner Drähte, die horizontal über ein Substrat aufgehangen sind. Diese Drähte können prinzipiell beliebig lang sein, in dieser Arbeit wurden Längen von 700 µm realisiert. Technologisch bedingt weisen die so hergestellten Drähte einen rechteckigen Querschnitt auf, der in dieser Arbeit minimal 0,2 x 2 µm² beträgt, jedoch weiter verringerbar ist. Die Drähte weisen sehr gute Eigenschaften für die Verwendung in kalorimetrischen Strömungssensoren auf.

Um die Drähte als sensitive Elemente in kalorimetrischen Sensoren einsetzen zu können wurden Konzepte zur Modellierung entwickelt. Da die Abmessungen der Drähte bereits im Bereich der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle liegen, können keine etablierten Modellierungsprogramme verwendet werden. Daher wird ein Lösungsalgorithmus vorgestellt, der den Wärmeaustausch unter Berücksichtigung von Slip-Randbedingungen zwischen den Drähten und dem umgebenden Medium modelliert. Die Berechnung setzt dabei die Finite Volumen Methode (FVM) ein. Der Algorithmus wurde an einem bestehenden Vakuumsensor der Hochschule Rhein-Main in Rüsselsheim validiert und steht in sehr guter Übereinstimmung mit den Messwerten. Die Algorithmen wurden allesamt in OpenFOAM implementiert. Eine weitere Herausforderung sind die skalenübergreifenden Größenverhältnisse in den Sensoren. So liegt das Größenverhältnis zwischen den Drähten als funktionelle Elemente und dem Strömungskanal des Sensors bei 350000:1, was eine Herausforderung bei der Erstellung der Rechennetze ist.

Aufbauend auf den Herstellungsprozessen und der numerischen Modellierung wurden Sensorkonzepte entwickelt und realisiert. Dabei wurden sowohl Demonstratoren für das Ionenspurätzverfahren als auch für das Ätzkantengalvanikverfahren realisiert und die stationäre Kennlinie von 0..1000 sccm ermittelt. Beide Systeme liefern Messwerte in guter Übereinstimmung mit den vorher durchgeführten Simulationen. Die Demonstratoren aus dem Ätzkantengalvanikverfahren wurden zudem noch dynamisch mit Hilfe eines Lautsprechers von 0..700 Hz charakterisiert. Frequenzen von 0,05 bis 500 Hz konnten ohne weiteres nachgewiesen werden.

Die Arbeit schließt mit einem Ausblick, der das hohe Potential der entwickelten Mikro-Nano-Integrationsprozesse darlegt. So werden Anwendungen dargestellt, die von der Nutzung metallischer Mikro- und Nanodrähte profitieren können, wie z.B. BioMEMS oder chemische Sensoren. Der Anhang der Arbeit gibt einen tiefen Einblick in die Programmierlogik der verwendeten Software OpenFOAM.

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