Mikromechanische Viskositätssensoren

In diesem Projekt sollen neuartige Sensoren für Untersuchungen von newtonschen und nicht-newtonschen Flüssigkeiten für einen Viskositätsbereich bis 100 mPas entwickelt werden. Das Sensorkonzept basiert auf mikromechanischen Strukturen, die in der Probenflüssigkeit schwingen. Die Anregung erfolgt dabei durch Lorentzkräfte nahe einer mechanischen Resonanz. Abhängig von den Eigenschaften der Probe wird die Resonanzcharakteristik beeinflusst und ermöglicht so die Bestimmung der Viskosität und der Dichte. Die technologische Umsetzung mit Hilfe der Siliziummikromechanik bringt einen großen Spielraum für systematische Variationen der Sensorparameter mit sich. Softwaretools erlauben die effiziente Generierung von Designstudien und die volle Ausnützung der Möglichkeiten des Wafers. Mit der Verifikation der analytischen Modelle und der numerischen Berechnungen mit den Sensormessungen werden sich wesentlich tiefere Einblicke in die rheologischen Phänomene komplexer Flüssigkeiten erzielen lassen. Die zu entwickelnden analytischen und numerischen Modelle zur Beschreibung der Wechselwirkung von Flüssigkeit und schwingender Struktur werden wiederum die erforderlichen Informationen für das Sensorlayout liefern und bei der Optimierung der Strukturen für die angestrebten Anwendungen wertvolle Dienste leisten. Weiters werden zusätzliche Sensortypen entwickelt, die die Viskositätsmessung bei verschiedenen Frequenzen ermöglichen. Dabei werden verschiedene Schwingungsmodi der Strukturen angeregt und ausgenützt. Der komplette Fertigungsprozess der Sensoren wird an der TU-Wien durchgeführt werden. Für die Herstellung der neuen Sensoren sind jedoch vor allem im Bereich der Abscheidungs- und Ätzprozesse aufwendige Optimierungsprozesse im Hinblick auf eine Minimierung der mechanischen Spannungen in den schwingenden Strukturen erforderlich. Zusätzlich sind präzis geformte Seitenflächen dieser Strukturen notwendig, da nur so erwartet werden kann, dass die Schwingungen in der Ebenen der Struktur verbleiben. Ein wesentlicher Aspekt eines Viskositätssensors ist die effiziente Umwandlung der mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Signal. Vorläufige Experimente der Antragsteller zeigten, dass piezoresistive Auslesesysteme erfolgversprechende Kandidaten darstellen. Sie werden nicht von den optischen und dielektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit beeinflusst. Zudem ist ihr Prinzip mit der verfügbaren Technologie kompatibel. In Kombination mit fortschrittlicher Schaltungstechnik wird das vorgeschlagene Auslesesystem die angestrebten hochsensitiven Messungen ermöglichen.

Flüssigkeiten spielen sowohl in vielen industriellen Prozessen als auch bei physiologischen Vorgängen eine primäre Rolle. Typisches technisches Beispiel ist die Schmierung beim Auto. Hier wäre wesentlich oder zumindest oft mehr als wünschenswert den Zustand der Flüssigkeit überwachen zu können, um den geeigneten Zeitpunkt für das Service zu bestimmen oder auch um indirekt aus den gewonnenen Informationen auf den Zustand des Motors zurückschließen zu können. Sehr oft zielt ein solcher Messprozess auf chemische Eigenschaften ab, wie z.B. den pH-Wert oder die Anwesenheit bestimmter chemischer Substanzen. Im Gegensatz zu chemischen Sensoren, die eine Grenzfläche benötigen, welche selektiv mit der gesuchten Substanz reagiert, können physikalische Sensoren dazu verwendet werden um über eine physikalische Größe indirekt das Fluid zu überwachen. Dieses Konzept vermeidet die grundsätzlichen Probleme an chemischen Grenzflächen wie Kontamination, Materialalterung, der schlechten Reproduzierbarkeit und ähnlichem. Unter den für die Zustandsüberwachung bei Flüssigkeiten grundlegend geeigneten physikalischen Parametern wie der Leitfähigkeit, Permittivität, Elastizitätsmodul und Viskosität ist speziell die Viskosität der repräsentative Parameter. Bei deren Messung werden aber üblicherweise bewegte Teile benötigt, die mit der Flüssigkeit interagieren. Herkömmliche Messgeräte erfordern Präzisionsantriebe und Sensoren um aus dieser Bewegung die Viskosität ableiten zu können. Aber solche Messverfahren sind aufgrund der Größe, der fehlenden Robustheit und letztlich auch durch den hohen Preis nicht für eine Prozessintegration geeignet.In diesem Projekt wurden alternative Messkonzepte untersucht und umgesetzt welche zu miniaturisierten Viskositätssensoren führten. Dabei wurden Miniaturisierungstechniken wie z.B. das Micromachining angewandt und die jeweiligen Wechselwirkungen mit dem Fluid sorgfältig untersucht. Die neuen Konzepte vermeiden Lager und Präzisionsantriebe durch Verwendung resonanter Strukturen oder alternativer Methoden, wie der indirekten Bestimmung über den Druckabfall. Neben dem Nachweis der Umsetzbarkeit von Scherwellen-basierten Sensoren wurde gezeigt, dass der zweite Koeffizient der Viskosität besonders geeignet ist um die Volumeneigenschaften von Fluiden zu messen und somit genauso gut geeignet für die Zustandsüberwachung ist. Die Ergebnisse bilden die Basis für eine neue Generation von miniaturisierten Sensoren, welche speziell das online-Monitoring und Prüfen von Flüssigkeiten für einen großen Anwendungsbereich von der Produktion bis hin zu Endgeräten und auch im medizinischen Bereich erlauben. Bei letzterem sei die Vermessung von Gelenksflüssigkeit als Beispiel hervorgehoben welche bei rheumatischen Erkrankungen relevant ist.