Options
2021
Master Thesis
Titel
Investigation of the Mechanical Loading Capacity of a MEMS Actuator
Abstract
Mikrodosiersysteme finden in vielen unterschiedlichen Einsatzgebieten Anwendung. Diese reichen von der biologischen und chemischen Analyse bis zur Anwendung in der Medizin. Mikrodosiersysteme können in Implantaten zur lokalen Dosierung von Krebsmedikamenten eingebettet werden, um eine bestimmte Menge eines Medikaments mit einer hohen Zuverlässigkeit und Genauigkeit zuzuführen. In diesen medizinischen Anwendungen sind eine hohe Gegendruckfähigkeit, Biokompatibilität und ein geringer Energiebedarf von Bedeutung. Das Herzstück dieser Mikrodosiersysteme sind Mikromembranpumpen. Sie bestehen aus einer Pumpkammer mit Ein- und Auslassventil und einem Antrieb, der durch unterschiedliche physikalische Effekte erfolgen kann. Als Beispiele können das elektro-mechanische, elektrostatische, elektromagnetische und das thermopneumatische Prinzip herangeführt werden. Bei allen genannten Antriebsarten wird eine Membran ausgelenkt, die durch ihre Bewegung einen Unter- oder Überdruck in der Kammer erzeugt und dadurch das Fluid aus der Kammer verdrängt und angesaugt wird. Diese Membran ist während des Betriebs großen Belastungen ausgesetzt und die Analyse eines Membranbruchs ist bezüglich der Zuverlässigkeit der Pumpe von großer Bedeutung. Diese Arbeit untersucht diesen Aspekt der Zuverlässigkeit der Mikropumpe: die mechanische Belastbarkeit der Silizium-Membran unter hohem Druck. Dafür wurden kritische Größen zunächst theoretisch bestimmt. Anschließend wurden Mikropumpenmembranen hergestellt und der Zusammenhang zwischen Druck in der Pumpkammer und Auslenkung der Mikropum penmembran gemessen, um die theoretischen Werte zu validieren. Danach wurde der Druck gemessen, bei dem der Bruch erfolgte, um ihre mechanische Belastbarkeit zu charakterisieren. Die Wirkung unterschiedlicher Membrangrößen und Oberflächenbehandlungen konnte verglichen werden. Der Bruch erfolgte meist am Umfang der Membran, wo die höchsten Spannungen zu erwarten sind. Je dicker die Membran, desto häufiger traten auch Brüche in den {110} Ebenen auf. Die gemessene Druck-Auslenkungskurve stimmt mit den Ergebnissen der statisch mechanischen Finite Elemente Methode (FEM) sehr gut überein. Für kleine Auslenkungen stimmen die Biegelinien beider analytischer Methoden überein, unterschätzen jedoch die Auslenkung, da ein isotropes Materialmodell verwendet wird. Während die Kirchhoffsche Plattentheorie nur bei kleinen Auslenkungen benutzt werden kann, gibt das Modell für große Auslenkungen eine ähnliche Maximalauslenkung wie die FEM. Die Biegelinie passt jedoch nicht perfekt auf die der FEM, da die Funktion nur vom Radius der Membran und der Maximalauslenkung abhängt. Die Membranspannungen basieren bei beiden analytischen Methoden auf einem linearen Modell und sind deshalb für die Analyse des Bruchs unbrauchbar. Mithilfe des FEM Modells konnten aus dem experimentell ermittelten kritischen Druck eine mittlere Bruchdehnung von etwa 0.5% und eine mittlere Biegebruchsteifigkeit von etwa 800MPa für alle Membranvariationen berechnet werden. Die Streuung der Werte und die Versagenswahrscheinlichkeit hängen dabei vom Flächeninhalt der Membranoberfläche ab. Zudem ist der Spinätzprozess dem chemisch-mechanischen Polieren (CMP) vorzuziehen, da frühe Brüche (bei geringerem Druck) beim CMP aufgetreten sind.
ThesisNote
München, TU, Master Thesis, 2021
Author(s)
Beteiligt
Verlagsort
München