Arbeitsgebiet Mikrostrukturtechnik

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http://hdl.handle.net/2003/132

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Konzeption, Simulation und technische Umsetzung neuartiger, mikrostrukturierter LED-Flächenstrahler auf der Basis von Lichtleitern
(2020) Jakubowsky, Michael; Neyer, Andreas; Kristiansen, Per Magnus
Die Beleuchtung von Räumen ist in der Architektur und der Energiepolitik ein wichtiges Thema. Dies betrifft vor allem Konzepte, die neues Potential in der architektonischen Gestaltung eröffnen und den Energiebedarf von Gebäuden verbessern. Der Einsatz von mikrostrukturierten, durchsichtigen Flächenstrahlern zur Raumbeleuchtung eröffnet hier neue Möglichkeiten. In dieser Arbeit wird eine solche Leuchte basierend auf dem Konzept lichtleitender Platten entwickelt und hergestellt. Hierzu wird ein Entwicklungsschema entworfen, zu dem Herstellungsverfahren identifiziert und angepasst werden. Die industriell gefertigten Muster werden erfolgreich in eine Fassade integriert, um einen Raum von dort aus indirekt über die Decke zu beleuchten. Für die Charakterisierung des Abstrahlverhaltens und der subjektiven Wahrnehmung der hergestellten mikrostrukturierten Flächenstrahler werden neue Simulations- und Messverfahren entwickelt, die das Optimierungspotential der entwickelten Systeme identifizierbar machen. Darauf aufbauend werden optimierte Flächenstrahler mit hinterschnittenen Mikrostrukturen entworfen und neue Verfahren zu deren Herstellung entwickelt. Eine sozioökologische Einordnung bringt Aufschluss über die Nachhaltigkeit der neuartigen Beleuchtung.
Replication of functional polymeric micro- and nanostructures
(2016) Rytka, Christian; Neyer, Andreas August; Kristiansen, Per Magnus
Surfaces of polymer products are increasingly being functionalized with micro- and nanostructures using mass replication techniques such as injection moulding. The complex transcription process re-quires a deep understanding of material and process interrelations in order to accurately replicate the desired functional structures over many hundreds of thousands of production cycles. The goal of this thesis was the investigation of differences in filling and demoulding behaviour of macro-, micro-, and nanostructures, focussing on the influences of the type of injection moulding process, processing pa-rameters and polymer properties. For this purpose the replication quality of functional structures was investigated using four different moulding processes employing polymers differing in rheology and wetting behaviour. Representative 2D and 3D micro- and nanostructures were transferred into various mould insert materials (nickel, brass, steel and high performance polymers) and replicated by iso- and variothermal injection moulding with and without compression and compared with filling simulations. Importantly, it was found that a parallel compression phase reduces the internal pressure and stresses in the cavity leading to less demoulding damage but without significant influence on replication fideli-ty. Moreover, variothermal heating was favourable especially for filling of high aspect ratio structures. However, clear differences in replication were shown between the glass transition and no-flow tem-perature as upper mould temperature, also in context of the influence of holding pressure. With regards to geometric correlations, a parabolic relationship is demonstrated between the replicated height and the structure width for the replication of microstructures. On this scale, the polymer melt viscosity is clearly more relevant than capillary effects as flow resistance and frozen layer formation are the main reasons for incomplete filling. On the nanoscale, capillary effects become increasingly dominant depending on the surface energy of the polymer and the parabolic correlation is superim-posed by wetting phenomena. The dewetting potential Ωs of a polymer is proposed as a simple rationale for estimation of the repli-cability. The value of Ωs was determined by integrating the spreading coefficient over the range from melt processing temperature to no-flow temperature. Ωs correlates well with the replicated height for four different structures covering both the micro and the nano range for different mould surfaces and polymers with different spreading coefficients. It is clearly shown that a lower Ωs leads to a better replication accuracy. As flow simulations can cut down both costs and time for the development of polymer parts with func-tional surfaces, experimental trials were compared with detailed 3D multiscale Moldflow simulations. Additionally, thermal transfer and 2D filling simulations were carried out with Comsol. By adjusting the heat transfer coefficient and the transition temperature it was possible both for micro- and nanostructures to achieve a good correlation with experimental findings at different processing condi-tions. The macroscopic model with a microstructure can be scaled down in volume and number of elements to save computational time as long as boundary conditions such as the flow front speed are correctly transferred. Finally, the developed knowledge of the filling and demoulding, focussing on heat transfer and no-flow temperature was successfully applied to the reproducible production of nanostructured samples for cell growth tests, and a fast prototyping method based on pattern transfer onto high performance polymer inserts was established. The novel experimental and simulated findings about micro- and nanostructure replication provide a valuable contribution to the development of injection moulded surface-structured polymeric products in the areas of life science and optics / photonics.
Experimental and theoretical investigations of the dielectric barrier electrospray in respect to μ-chip development
(2013-09-24) Reginskaya, Irina; Neyer, Andreas; Franzke, Joachim
The electrospray ionization source is an interface between the separation techniques and mass spectrometry. With the help of electrospray the analyte ions of the liquid phase are transferred to the gas phase, which is necessary for the mass spectrometry detection method. The spraying of the analyte occurs in the high electric field applied between the emitter tip and mass spectrometer inlet. In the conventional electrospray the high electric field is produced by the application of the high potential to the analyte with a direct contact electrode. In an alternative method the high potential is applied to the analyte through a thin dielectric barrier. The displacement current in the dielectric material is utilized to transfer the charge to the analyte. The goal of current research is the further development by DB-ESI source, the detailed analysis of advantages of the ionization technique and possible issues comparing to the conventional electrospray ionization systems. The electrospray formation process is investigated with the experimental work and physical modeling. The effects discovered in the DB-ESI capillary system allow the optimization of the electrospray system parameters for the effective control and improvement of the mass spectrometer absolute signal intensity. The DB-ESI source integration in a µ-Chip is demonstrated. In contrast to the common nozzle-type emitter shapes, the electrospray out of the flat-surface outlet is discussed. The proposed µ-Chip structure opens vast opportunities for further development, including the manufacturing of the µ-Chips with multiple channels and emitters.
Mikrostrukturierte Systeme zur Tageslichtlenkung
(2013-09-19) Klammt, Stephan; Neyer, Andreas; Müller, Helmut
In dieser Arbeit wird ein mikrostrukturiertes System vorgestellt, welches das Tageslicht zur natürlichen Beleuchtung eines Raumes nutzbar macht. Das Lichtlenksystem bestehend aus PMMA wird im Bereich des Oberlichts im Scheibenzwischenraum eines Fensters angebracht. Eintreffendes Tageslicht wird an die Raumdecke gelenkt und von dort gestreut, wodurch der Raum blendfrei ausgeleuchtet wird. Mit dieser Form der Tageslichtbeleuchtung lässt sich Energie einsparen, lassen sich Betriebskosten senken und das Wohlbefinden der Raumnutzer steigern. Auf Basis zielgerichteter optischer Simulationen wurde für das Lichtlenksystem eine geeignete Strukturkombination identifiziert, die auf der Außenseite mit einer linsenförmigen und auf der Innenraumseite mit einer prismenförmigen Struktur versehen ist. Mit dieser Kombination wird das Licht bereits innerhalb der Platte gestreut, wodurch eine hohe Toleranz gegenüber Fertigungsfehlern erzielt wird. Nur durch diese Eigenschaft wird eine ökonomisch und ökologisch sinnvolle Produktion im Heißprägeverfahren ermöglicht. Prototypen wurden im Labor- (100 x 100 mm²) und im Großformat (1500 x 400 mm²) gefertigt. Die Lichtlenkcharakteristik der Prototypen wurde mit Hilfe eines Lasergoniometers experimentell bestimmt und mit den Simulationsergebnissen abgeglichen. Es zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung. Die Funktionalität der Lichtlenkung weist im Vergleich zu etablierten Systemen eine um mehr als 20 % erhöhte Effizienz auf. Diese Kombination aus hoher Umlenkeffizienz und ökonomischer Massenfertigung ist bislang einzigartig und bietet damit erstmals für ein Tageslichtlenkprodukt das Potenzial einer hohen Marktdurchdringung.
Miniaturisierte Plasmasysteme zur Flüssigkeitsanalyse
(2013-02-21) Tombrink, Sven; Neyer, Andreas; Franzke, Joachim
Die Miniaturisierung gewinnt in der analytischen Chemie sowie in der Plasma Spektrochemie immer stärker an Bedeutung. Durch den Einsatz von miniaturisierten Plasmaquellen können Analysesysteme hergestellt werden, die neben geringen Anschaffungskosten, niedrigem Energiebedarf und geringem Probenbedarf auf einfache Weise mit standardisierten Trenntechniken (wie der Chromatographie) verbunden werden können. Mit dem Hintergrund der Ähnlichkeitsgesetze für Plasmen, besteht der wohl größte Vorteil der Miniaturisierung von Plasmasystemen aber darin, dass solche Systeme bei Atmosphären- oder Überdruck ohne schwere Vakuumpumpen betrieben werden können und damit der Bau von portablen Analysegeräten für Vor-Ort-Analysen möglich wird. Im Bereich der Gasanalytik werden solche miniaturisierten Plasmaquellen seit vielen Jahren eingesetzt, aber die Analyse von Flüssigkeiten zur Detektion von Schwermetallen ist nach wie vor problematisch. Daher war Zielsetzung der hier vorliegenden Arbeit, ein sensitives Verfahren zur Analyse schwermetallbelasteter Flüssigkeitsproben zu entwickeln und ein solches Analysesystem aufzubauen, insbesondere unter der Voraussetzung eines geringen Flüssigkeitsverbrauchs und basierend auf dielektrisch behinderten Entladungen.
Die miniaturisierte Free-Flow-Elektrophorese
(2010-04-07T08:20:48Z) Becker, Marco; Neyer, Andreas; Franzke, Joachim
Durch das in den letzten Jahren stetig steigende Interesse an den sogenannten „Life Sciences" bekommt die Analyse von biologischen Proben und Substanzen eine immer bedeutendere Funktion. Dabei spielt die Trennung von Probengemischen eine wichtige Rolle, da so die Untersuchung einzelner isolierter Analyte ermöglicht wird. Da die Proben meist nur in geringen Mengen zur Verfügung stehen, haben sich miniaturisierte Trennverfahren etabliert. Diese Trennverfahren sind aber zum größten Teil diskontinuierlich und erlauben nur die Trennung eines bestimmten Probenvolumens. Möchte man aber größere Probenvolumina prozessieren, so ist die mehrfache Wiederholung des Trennprozesses unumgänglich. Als Alternative bietet sich hier die miniaturisierte Free-Flow Elektrophorese (u.FFE) an. Diese erlaubt eine kontinuierliche Trennung und Fokussierung auch größerer Probenmengen. Das Ziel dieser Arbeit war die Optimierung und Weiterentwicklung eines solchen miniaturisierten Free-Flow Elektrophorese Systems. Dabei lagen die Schwerpunkte auf der Herstellung der U.FFE Systeme, deren Anwendbarkeit und der Detektion in uFFE Systemen.
Optical and mechanical aspects on polysiloxane based electrical-optical-circuits-board
(2008-04-24T09:38:34Z) Cai, Dengke; Neyer, A.; Jurkschat, K.
Replikationstechniken zur Herstellung einmodiger integriert-optischer Komponenten aus neuartigen und kommerziellen Polymeren
(2007-02-13T14:22:55Z) Maluck, Matthias; Neyer, Andreas; Schumacher, Klaus
Es werden zwei signifikant unterschiedliche technologische Konzepte zur replikativen Herstellung von planaren Lichtwellenleiterschaltungen auf Polymerbasis untersucht. Ein Schwerpunkt liegt dabei in der Identifikation und Entwicklung von optischen Polymeren, die den Anforderungen der jeweiligen Technologie gerecht werden. Die vorgestellten Replikationstechniken haben durch die Möglichkeit der Volumenproduktion und des passiven Faser-Assemblys das Potential, im aufkommenden Zeitalter der optischen Telekommunikation, die bis in die Haushalte reicht, eine preiswertere Alternative zu nicht-replikativ hergestellten Komponenten zu bieten. Die thermoplastbasierte Technologie nutzt die Formbarkeit erhitzter Thermoplaste aus,
Mikrolithographische Verfahren auf der Basis von SU-8-Dicklack zur Realisierung mikrooptischer Komponenten
(2005-12-21T14:05:39Z) Kang, Won-Jong; Neyer, Andreas; Schumacher, Klaus
In letzter Zeit gewinnt die optische Verbindungstechnik auf Basis von polymeren Lichtwellenleitern an großer Bedeutung in elektrisch-optischen Leiterplatten. Hierbei spielt die Ein- und Auskopplung der Lichtsignale mittels eines Koppelelementes wie z.B. eines 45°- Spiegels für eine optische Übertragungsstrecke in der Leiterplatte eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit mikrolithographische Verfahren zur Herstellung von optischen 3D-Koppelelementen vorgestellt, welche zur einfachen und kostengünstigen Massenproduktion führen können.
Optische Kurzstreckenverbindungen auf der Basis polymeroptischer Komponenten
(Universität Dortmund, 2004-06-15) Wittmann, Björn; Neyer, Andreas; Kays, Rüdiger
Passive, optical components for short range data transmission are basic components for optical networks. As low cost material for optical waveguides plastic will be chosen. To enable high speed communication between CPUs in multiprocessor computers a component for multichannel datatransfer will be realised. For highly accurate positioning of the thin Plastic Optical Fibre (POF) in a two dimensional array established technologies are used. The achieved results and the integration in a demonstrator are described in details. To realise POF based optical networks starcouplers based on plastic are needed. Two ways for the realisation are examined: One is based on the lithography technique known from semiconductors and a second on etch technique. After electroplating a tool is used to transfer the structures with hot embossing. With an optical glue, fixing of a top foil and passive coupling of the POF the component is finished.
Mikrofluidisches Analysesystem zur Untersuchung von wässrigen Lösungen
(Universität Dortmund, 2003-12-11) Siepe, Dirk; Neyer, Andreas; Goser, Karl
In Zeiten immer strenger werdender Auflagen für die industrielle Abwasserentsorgung, gestiegene Qualitätskontrollen in Lebensmitteln und ein stark gestiegenes Umweltbewusstsein, ist es erforderlich, Analysegeräte zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe schnell, genau und preiswert Analysen durchgeführt werden können. Diese Arbeit hatte die Entwicklung eines mikrofluidischen Analysengerätes auf Polymerbasis zum Ziel. Die Detektion wird sowohl elektrisch/elektrochemisch als auch optisch realisiert. Als Trennverfahren kommen die Kapillarelektrophorese (CE) und die Isotachophorese (ITP) zum Einsatz. Die einzelnen Prozessschritte wurden im Labormaßstab erprobt und anschließend größtenteils für die Großserie umgesetzt. Die Leistungsfähigkeit dieser Mikrofluidik-Chips wurde durch Forschungseinrichtungen und einen industriellen Partner unter Beweis gestellt. Mehrere im Rahmen dieser Promotion erarbeitete Verfahrensschritte wurden zum Patent angemeldet.
Abgeformte polymere Mikrostrukturen für die optische Informationstechnik
(Universität Dortmund, 2001-04-02) Kalveram, Stefan; Neyer, Andreas; Petermann, J.
Für eine stärkere Verbreitung der optischen Informationstechnik werden optische Wellenleiterkomponenten benötigt, die u.a. die Signale optisch schalten und aufsplitten können. Dazu ist die sogenannte SIGA-Technik entwickelt worden, mit der polymere, integriert optische Mikrostrukturen mittels kostengünstiger Replikationstechniken hergestellt werden können.In dieser Arbeit wird dabei auf die Replikationstechniken im Rahmen der SIGA-Technik näher eingegangen. Dazu werden die beiden eingesetzten Abformverfahren des Spritzgießens und Heißprägens dargestellt, mit den Randbedingungen für Mikrostrukturen im allgemeinen und integriert optische Mikrostrukturen im speziellen.Das für integriert optische Mikrostrukturen entwickelte modifizierte Mikrospritzprägen wird ausführlich erläutert, wobei auf die speziellen Werkzeuge, das verwendete Equipment und die damit durchgeführten Prozesse näher eingegangen wird.Das zweite Abformverfahren, das Heißprägen, wird hauptsächlich als Laboranwendung für Prototypen eingesetzt, aber zunehmend auch bei bestimmten empfindlichen Strukturen und besonderen Geometrien, dargestellt am Beispiel einer optischen Rückwand, die über ihre gesamte Länge (10 bis 50 Zentimeter) integriert optische Mikrostrukturen enthält.Ausführlich wird auf Optimierungsmöglichkeiten für die Abformung von Mikrostrukturen eingegangen.Anwendungsbeispiele, vornehmlich aus dem Bereich der optischen Informationstechnik, aber auch aus der Mikrofluidik, demonstrieren das Einsatzpotential der Mikroabformtechnik.
Polyacrylate und Polylactone für Anwendungen in einmodigen, integriert optischen, passiven Wellenleitern
(Universität Dortmund, 2000-07-13) Jöhnck, Matthias
Optische Wellenleiterkomponenten sind Schlüsselbausteine der optischen Datenübertragungstechnik. Die Herstellung dieser Komponenten auf Basis polymerer Werkstoffe eröffnet die theoretische Möglichkeit zur kostengünstigen Massenfertigung. Im Rahmen dieser Arbeit werden die wesentlichen Abhängigkeiten der optischen Dämpfung passiver integriert einmodiger Polymerwellenleiter sowohl von den strukturellen Eigenschaften der verwendeten Materialien als auch von den technologischen Rahmenbedingungen der Wellenleiterherstellung aufgeklärt. Die Wellenleiterherstellung beruht auf dem sogenannten SIGA-Verfahren. Hier wird die Rauheit der Wellenleiterstrukturen als Hauptfehlerquelle detektiert und der Einfluß auf die Wellenleiterdämpfung theoretisch quantifiziert. Die Eignung verschiedener Copolymersysteme, basierend sowohl auf halogenierten Acrylaten als auch auf halogenierten Polylactonen, für die Verwendung in optischen Wellenleitern wird untersucht. Ein Schwerpunkt dieser Untersuchungen ist u.a. die Visualisierung der chemischen Zusammensetzung der Copolymere im Wellenleiter mittels der Transmissionselektronenmikroskopie. Für die Dämpfung in dB der untersuchten Wellenleitermaterialien im Nahen Infrarot wird eine lineare Abhängigkeit von der C-H-Bindungskonzentration der verwendeten Polymere gefunden.

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