Nam-Trung Nguyen. Mikrofluidik. Entwurf, Herstellung und Charakterisierung. Mit 140 Abbildungen, 12 Tabellen und 37 Beispielen.

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1 Nam-Trung Nguyen Mikrofluidik Entwurf, Herstellung und Charakterisierung Mit 140 Abbildungen, 12 Tabellen und 37 Beispielen Teubner B.G.Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden

2 Inhaltsverzeichnis Abstract Zeichen und Benennungen xi xm 1 Einleitung Entwicklungsgeschichte der Mikrofluidik Entwicklung der mikrofluidischen Komponenten l Entwicklung der Mikrotechniken fur Mikrofluidik Potenziale der Mikrofluidik Wissenschaftliche Potenziale Wirtschaftliche Potenziale Organisation der Arbeit 8 2 Stromungsmechanik im Mikrobereich Skalierungsgesetze Die Trimmersche Klammer-Notation Skalierungsgesetze fur dimensionslose Zahlen Skalierungsgesetze des statischen Verhaltens Skalierungsgesetze des dynamischen Verhaltens Stromungstheorien im Mikrobereich Molekulares Modell Kontinuum-Theorie fur Gase im Mikrobereich Kontinuum-Theorie fur Fliissigkeiten im Mikrobereich Stromung mit Gleitbedingung in typischen Kanalgeometrien Stromung mit Haftbedingung in typischen Kanalgeometrien Grenzflacheneffekte in der Mikrofluidik Elektrokinetische Effekte Oberflachenspannungseffekte 58 3 Technologien zur Herstellung mikrofluidischer Systeme Die Basistechnologien Fotolithografie Schichterzeugungsverfahren Abtragungsverfahren Strukturiibertragungstechniken Siliziumtechnologien fur die Mikrofluidik Volumenmikromechanik Herstellung von Mikrokanalen mit Volumenmikromechanik 95

3 VIII Inhaltsverzeichnis Oberflachenmikromechanik Herstellung von Mikrokanalen mit Oberflachenmikromechanik Polymere Mikromechanik Fotolithografie der dicken Resiste Polymere Oberflachenmikromechanik Weichlithografie Mikrostereobestrahlung Mikroguss Herstellung von Mikrokanalen mit polymeren Technologien Einzelne Mikrotechniken Laserabtragung Fokussierte Ionenstrahlabtragung Funkenerosion Sandstrahlen Ultraschallbohren Aufbau- und Verbindungstechniken Anodisches Bonden Direktbonden Kleben Eutektisches Anlegieren Fluidische AnschKisse Simulation und Entwurf fur mikrofluidische Systeme Molekulare Methoden Molekulare Dynamik DSMC Kontinuummethoden CFD-Werkzeuge Kopplung des Stromungsfelds mit anderen Feldern Makromethoden Makro- und Netzwerkmodelle Giiltigkeit der Netzwerkmodelle Verhaltensanalyse von mikrofluidischen Komponenten und Systemen mit Analogsimulatoren Charakterisierung mikrofluidischer Systeme Messverfahren zur Charakterisierung von Mikrosystemen Abtastvefahren Beriihrungslose Verfahren Messverfahren zur Charakterisierung mikrofluidischer Systeme Punktmessverfahren Ganzfeldmessverfahren Die Mikro-Piv Arbeitsprinzip der Partikel-Image-Velocimetrie Besonderheiten der Mikro-Piv 158

4 Inhaltsverzeichnis IX Messaufbau zur Diagnostik mikrofluidischer Systeme Verbesserung der Mikro-PlV-Messung Messbeispiele Stromung in einem Mikrodosierer Stromung in einem Tesla-Ventil Enwurfsbeispiel 1: Ultraschall-Mikropumpe Einfiihrung Flexible Plattenwellen als Aktuatorenkonzept Bidirektionale und Unidirektionale Stromung Fokussierende Stromung Analytische Modelle fur die akustische Stromung Numerische Simulation und Optimierung Modellbeschreibung fur fokussierende FPW-Komponenten Simulationsergebnisse fur Ultraschallpumpen mit geraden Elektroden Simulationsergebnisse fur fokussierende Ultraschallpumpen Simulationsergebnisse mit Warmekopplung Herstellungstechnologie Experimentelle Ergebnisse Charakterisierung der Wellenamplitude Charakteristik der Ultraschall-Mikropumpen Schlussfolgerung Entwurfsbeispiel 2: Polymere Mikropumpe Einfiihrung Mikropumpen mit Klappenventilen Polymere als Materialien fur Mikropumpen Optimierung und Simulation Aufbau der polymeren Mikropumpe Arbeitsweise der polymeren Mikropumpe Arbeitskriterien einer Mikropumpe Simulation des Klappenventils Herstellungstechnologie Experimentelle Ergebnisse Charakterisierung der piezoelektrischen Aktuatoren Charakterisierung der SU-8 Klappenventile Charakterisierung der Mikropumpe Schlussfolgerung Entwurfsbeispiel 3: Mikromischer Einfiihrung Analytische Modelle Laminationsmischer Injektionsmischer Nichtlineares Diffusionsmodell 229

5 x Inhaltsverzeichnis 8.3 Herstellungstechnologie Experimentelle Ergebnisse Mikro-PIV-Messung Konzentrationsmessung Schlussfolgerung 238 Literaturverzeichnis 239 Stichwortverzeichnis 251

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