Der Vortrag zeigt die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Infrarotstrahler und Werkstoff beim Infrarotschweißen von Kunststoffen auf. Hierfür werden die Haupteinflüsse auf die Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen beschrieben. Diese sind das Emissionsverhalten des Infrarotstrahlers und das Absorptionsverhalten des Kunststoffs. Der Einfluss der Infrarotstrahlerart (Quarzglasstrahler, Metallfolienstrahler) und von Füllstoffen (Ruß, Glasfasern) im Kunststoff wird näher betrachtet. Zudem enthält der Vortrag eine Empfehlung für die Vorgehensweise beim Infrarotschweißen von Kunststoffen, die Vor- und Nachteile des Fügeverfahrens und einen Einblick in aktuelle Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet des Infrarotschweißens von Kunststoffen.

Au cours de ces travaux de thèse, la synthèse de BODIPYs émettant dans le rouge et le proche infrarouge a été réalisée. Un premier travail d’extension de la conjugaison électronique (soit par introduction de groupements aromatiques sur le corps du BODIPY, soit par dimérisation) a permis d’atteindre les basses énergies du spectre électromagnétique. La validation d’une méthode de synthèse de BODIPYs à l’aide d’orthoesters a permis une mise en oeuvre aisée et une nette amélioration de leurs rendements. Parmi les fluorophores obtenus, les dithiényl-BODIPYs émettant dans la fenêtre thérapeutique (650-900 nm) présentent des propriétés optiques et électrochimiques intéressantes. Ils ont été utilisés pour des applications dans le domaine biologique. Après leur solubilisation dans les milieux aqueux par introduction de groupements ammoniums, la détection d’un acide aminé, la cystéine, a pu être réalisée par spectroscopies d’absorption et de fluorescence mettant en évidence un système ratiométrique. De plus, le marquage d’une protéine modèle, le sérum d’albumine bovine, permet d’envisager l’utilisation de ce type de BODIPYs pour l’imagerie biologique grâce à un rendement quantique de fluorescence élevé en milieu physiologique. / During this thesis the synthesis of red and near-infrared emitting BODIPYs was realized. First, the electronic conjugaison was extended by introducing aromatic groups on the BODIPY core or by dimerization in order to archieve these low energies of the electromagnetic spectrum. The validation of a synthetic method of BODIPYs with orthoester allowed to have an efficient synthesis with a clear enhancement of the reaction yield. Among the obtained dyes dithienyl-BODIPYs which display an emission in the therapeutic window (650-900 nm) present interesting optical and electrochemical properties. They have been used for applications in the biological field. After their water-solubilization with ammonium groups the detection of an amino-acid (the cysteine) was archieved with a ratiometric system observed in absorption and fluorescence spectrocopies.Moreover the labelling of a model protein, the bovin serum albumine, allows to consider the use of this type of BODIPYs in biological imaging because of a red emission and a high quantum yied in physiologic medium.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die technologischen Ansätze zur Erzeugung von Mikro-Kavitäten als Grundlage zur Entwicklung und Erprobung neuer Konzepte der MEMS-basierten Aktoren und Sensoren erfolgreich eingesetzt. Im Verlauf der Integration eines IR-Emitters wurde der SON-Prozess weiterentwickelt, um eine hohe und homogene Verteilung der Dotierstoffe innerhalb der SON-Membran zu erreichen. Dabei wurde ein technologischer Ablauf entwickelt, welcher die genannten Randbedingungen erfüllt und darüber hinaus eine optimierte Herstellung anbietet, indem die zeitaufwändige Formierung der Kavität in einem Batch- anstatt eines RTP-Ofens erfolgt. Die Opferschichttechnik wurde bei der Integration von beiden vorgestellten Bauelementen eingesetzt und mit Rücksicht auf die einzelnen Randbedingungen angepasst. So konnte z. B. eine Kavität mit einer Höhe von 700 nm zur Abdeckung von IR-Emitter hergestellt werden, wodurch die thermische Isolation verbessert wurde. Im Konzept des druckempfindlichen Feldeffekttransistors wurde eine Opferschicht mit einer Dicke von 70 nm verwendet, um die Größe der Gate-Kapazität so anzupassen, dass der hergestellte Transistor steuerbar und druckempfindlich ist. Somit konnten die Flexibilität und das Potenzial der beiden Prozessknotenpunkte verdeutlicht werden.:Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Einführung zum Thema 1.2 Technologien zur Herstellung von Mikro-Kavitäten für MEMS 1.2.1 Silicon-On-Nothing Technologie 1.2.2 Opferschichttechnik 2 Das neue Konzept einer breitbandigen Infrarotquelle 2.1 Grundlegende Ideen der Infrarot-Sensorik 2.1.1 Wechselwirkung von Infrarotstrahlung mit CO2-Gas 2.1.2 Prinzipielle Funktionsweise eines IR-Emitters 2.1.3 CMOS-kompatible Materialien und Integrationsmöglichkeiten eines IR-Emitters 2.1.4 Das neue Konzept eines Infrarot-Emitter-Systems basierend auf monokristallinem Silizium 2.2 Finite-Elemente-Methode-Simulation des IR-Emitter-Systems 2.2.1 Geometrievarianten 2.2.2 Temperaturabhängige elektrische Eigenschaften des Bauelements 2.2.3 Betrachtung der thermischen Verluste 2.2.4 Simulation der Wärmeentwicklung 3 Herstellung und Charakterisierung eines IR-Emitters 3.1 Module der CMOS-basierten 3D-Integration 3.1.1 FEOL - Front End of Line 3.1.2 BEOL - Back End of Line 3.2 Elektrische Charakterisierung des IR-Emitters 3.2.1 I(V)-Spektren 3.2.2 Optische Eigenschaften 3.2.3 Zeitabhängiges Verhalten 4 Das neue Konzept eines druckempfindlichen Feldeffekttransistors 4.1 Einleitung zum Konzept des Bauelements 4.1.1 Konzepte zur Herstellung von MOSFET - basierten Sensoren 4.1.2 Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise des neuen Konzepts 4.1.3 Geometrievarianten 5 Herstellung und Charakterisierung eines druckempfindlichen Feldeffekttransistors 5.1 CMOS-basierte 3D-Integration 5.1.1 Herstellung des MEMS-Elements: FEOL - Module 5.1.2 Herstellung des MEMS-Elements: BEOL - Module 5.2 Elektrische Charakterisierung des Feldeffekttransistors 5.2.1 Ausgangskennlinienfeld unter Normaldruck 5.2.2 Eingangskennlinien und deren Besonderheiten unter Normaldruck 5.3 Verhalten des Transistors bei veränderbarem Gasdruck 5.3.1 Designvariante I 5.3.2 Designvariante II 5.3.3 Designvariante III 5.3.4 Druckmessung mit Konstantstromquelle 5.4 Optimierung der Transistoreigenschaften 5.4.1 Anpassung des Gate-Dielektrikums und der Dotierung des Kanals 5.4.2 Ausgangskennlinien unter Normaldruck nach der Optimierung 5.4.3 Eingangskennlinien unter Normaldruck nach der Optimierung 5.4.4 Druckmessung nach der Optimierung 5.4.5 Bewertung der Prozessoptimierung anhand der Referenz-Strukturen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung zum IR-Emitter 6.2 Zusammenfassung zum Drucksensor Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis

Der Vortrag zeigt die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Infrarotstrahler und Werkstoff beim Infrarotschweißen von Kunststoffen auf. Hierfür werden die Haupteinflüsse auf die Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen beschrieben. Diese sind das Emissionsverhalten des Infrarotstrahlers und das Absorptionsverhalten des Kunststoffs. Der Einfluss der Infrarotstrahlerart (Quarzglasstrahler, Metallfolienstrahler) und von Füllstoffen (Ruß, Glasfasern) im Kunststoff wird näher betrachtet. Zudem enthält der Vortrag eine Empfehlung für die Vorgehensweise beim Infrarotschweißen von Kunststoffen, die Vor- und Nachteile des Fügeverfahrens und einen Einblick in aktuelle Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet des Infrarotschweißens von Kunststoffen.

Das Infrarotschweißen ist ein industriell etabliertes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Die Prozesseinrichtung ist jedoch mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden, da komplexe Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen das Aufschmelzverhalten des Kunststoffbauteils bestimmen. In vielen industriellen Infrarotschweißprozessen ist daher ein Rauchen der infraroterwärmten Bauteilbereiche zu beobachten. Eine Erforschung des Zusammenhangs zwischen Rauchbildung, Kunststofftemperatur, thermisch-oxidativer Belastung des Kunststoffs und den resultierenden mechanischen Schweißnahteigenschaften steht bislang aus. Weiterhin sind in Infrarotschweißprozessen in der industriellen Fertigung oftmals hohe Umstellzeiten und schwankende Fügeteiltemperaturen festzustellen. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals die mechanischen Eigenschaften von Infrarotschweißverbindungen mit der Rauchbildung und thermisch-oxidativen Kunststoffbelastung korreliert und zwei Ansätze zur schonenden Erwärmung untersucht. Die Ergebnisse weisen nach, dass eine thermisch-oxidative Kunststoffschädigung zu einer Verschlechterung der mechanischen Schweißnahteigenschaften führt und bei der Auslegung industrieller Prozesse in Betracht gezogen werden muss. Das Schweißen in Argonatmosphäre und mit aktiver Strahlerleistungsregelung verhindern die Kunststoffzersetzung und führen in der Regel zu besseren mechanischen Schweißnahteigenschaften. Weiterhin wird deutlich, dass die Fügeteiltemperatur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Schweißnahteigenschaften hat, wohingegen Umstellzeiten ≥ 5 s eine erhebliche Reduzierung ebendieser zur Folge haben. Eine weitere Herausforderung ist das Infrarotschweißen (endlos-)faserverstärkter Kunststoffe. Die derzeit übliche Stumpfanordnung der Fügeteile führt zu einer Faserumlenkung in der Fügenaht und hat zur Folge, dass die Faserverstärkung nicht über die Fügeebene hinweg genutzt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wird aufgrund dessen das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen untersucht. Um Bauteile aus Organoblechen mit erhöhter Komplexität, Größe und Steifigkeit herstellen zu können, werden zudem zwei industriell nutzbare Verfahrensvarianten auf Basis des Infrarotschweißens entwickelt. Unter Nutzung dieser, können Organoblechhohlkörper mit Überlappverbindungen gefertigt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl in Plattenprobekörpern als auch in Hohlkörpern eine Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg möglich ist.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick / The infrared welding is a well-established process in the industrial production of parts in various applications. However, the complex emitter-material interaction, which influences the meltdown behaviour of the plastic parts, results in a high effort for the process setup. A smoking of the plastic parts is to observe in numerous industrial infrared welding processes. The correlations between the smoking of the plastic, its temperature and thermal-oxidative degradation as well as the mechanical properties of the resulting welds are unidentified yet. Furthermore, in industrial infrared welding processes often high changeover times and varying joining part temperatures are existent. Therefore, within the present work the connections between the mechanical joint properties of infrared welds and the thermal-oxidative degradation of plastics are elaborated for the first time and two approaches for the gentle infrared heating are investigated. The findings prove that the thermal-oxidative degradation of the plastic substantially decreases the mechanical weld properties and needs to be taken into account when setting up the industrial infrared welding process. The welding in argon atmosphere and the use of an active infrared emitter power control, which ensures the heating of the plastic below the degradation temperature, lead to better mechanical weld properties. In addition, the outcome of this work shows that the influence of the temperature of the joining part is negligible regarding the mechanical joint properties, whereas changeover times greater than or equal to 5 s lead to a dramatical decrease in the mechanical properties. Another challenge is the infrared welding of fibre reinforced plastics. The butt welding of fibre reinforced thermoplastics is common practice and prevents the use of fibres in the joint plane due to the fibre deflection in this area. As a result, the overlapping welding of organo sheets is investigated as well. In order to produce large and complex parts with high stiffness made of organo sheets, two process variants on the basis of the infrared welding technology are developed, which can be used at the industrial scale to manufacture hollow bodies. The overlapping welds of specimens and in hollow bodes made of organo sheets, enable the fibre utilisation across the joint plane.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick