In der vorliegenden Arbeit wird eine integrierbare Pumpentechnologie für polymerbasierte mikrofluidische Systeme entwickelt. Ausgehend von den Anforderungen für die Durchführung molekulardiagnostischer Nachweise kommen dabei Fertigungsverfahren zum Einsatz, die sich auch für Einweg-Anwendungen eignen. Das genutzte Aktorprinzip für die integrierten Mikropumpen basiert auf der Elektrolyse von Wasser. Zur besseren technologischen Integrierbarkeit wird das Wasser in Form eines Hydrogels appliziert. Der Elektrolyt wird dabei mit einer Polymermembran mit geringer Wasserdampfdurchlässigkeit verschlossen. Die Membran wird in ihrem plastischen Verformbereich genutzt. Zur Dimensionierung der Mikropumpen und des mikrofluidischen Systems werden analytische und numerische Modelle entwickelt, die eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten zeigen. Die Funktionsfähigkeit wird anhand zweier vollständig integriert ablaufender Immunoassays demonstriert. Dabei kommt ein polymerbasierter, optischer Biosensor zum Einsatz.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Sensoren in einer neuen, großserienfähigen Technologie. Mit dem Mehrkomponentenmikrospritzgießverfahren werden mechanische Sensorstrukturen aus (faserverstärktem) Kunststoff an polymere piezoelektrische Wandler angebunden. Die hergestellten Aufnehmer können über die Weiterverarbeitung mit Hybridtechnologien für die Strukturintegration eingesetzt werden. Diese Dissertation stellt Entwurfsmethoden und Modelle zur Vorausberechnung der neuartigen Sensoren bereit, die zur Qualifizierung der neuen Technologie benötigt werden. Dazu werden bekannte Modellierungsansätze angewandt und wesentliche Erweiterungen für die praktische Nutzung erarbeitet. Entwurfsrelevante technologieabhängige Kenngrößen, wie die elastischen Eigenschaften der verarbeiteten Werkstoffe und die geometrischen Dimensionen der hergestellten Sensorstrukturen werden untersucht und deren Einfluss auf den Entwurfsprozessdargelegt. Die hergestellten Sensoren werden in ihrer Grundfunktion messtechnisch charakterisiert und die System- und Strukturintegration vorgestellt. / The presented work describes the development of sensors in a novel technology approach feasible for large-scale production. By using the multicomponent microinjection molding process, mechanical sensor structures out of (fiber-reinforced) polymers are joined with piezoelectric polymer transducers. The fabricated sensors can be processed further with hybrid manufacturing technologies and adapted for structure integration. This thesis introduces design methods and models for the preliminary calculation of the novel sensors, which are required for a technology qualification. Therefore, existing modelling approaches adapted and essentially extended for practical use. Design relevant parameters related to the technology like the elastic properties of the applied materials or the geometric dimensions of the manufactured sensor structures are characterized and the system and structure integration of the sensors is presented.

In der vorliegenden Arbeit wird eine integrierbare Pumpentechnologie für polymerbasierte mikrofluidische Systeme entwickelt. Ausgehend von den Anforderungen für die Durchführung molekulardiagnostischer Nachweise kommen dabei Fertigungsverfahren zum Einsatz, die sich auch für Einweg-Anwendungen eignen. Das genutzte Aktorprinzip für die integrierten Mikropumpen basiert auf der Elektrolyse von Wasser. Zur besseren technologischen Integrierbarkeit wird das Wasser in Form eines Hydrogels appliziert. Der Elektrolyt wird dabei mit einer Polymermembran mit geringer Wasserdampfdurchlässigkeit verschlossen. Die Membran wird in ihrem plastischen Verformbereich genutzt. Zur Dimensionierung der Mikropumpen und des mikrofluidischen Systems werden analytische und numerische Modelle entwickelt, die eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten zeigen. Die Funktionsfähigkeit wird anhand zweier vollständig integriert ablaufender Immunoassays demonstriert. Dabei kommt ein polymerbasierter, optischer Biosensor zum Einsatz.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Sensoren in einer neuen, großserienfähigen Technologie. Mit dem Mehrkomponentenmikrospritzgießverfahren werden mechanische Sensorstrukturen aus (faserverstärktem) Kunststoff an polymere piezoelektrische Wandler angebunden. Die hergestellten Aufnehmer können über die Weiterverarbeitung mit Hybridtechnologien für die Strukturintegration eingesetzt werden. Diese Dissertation stellt Entwurfsmethoden und Modelle zur Vorausberechnung der neuartigen Sensoren bereit, die zur Qualifizierung der neuen Technologie benötigt werden. Dazu werden bekannte Modellierungsansätze angewandt und wesentliche Erweiterungen für die praktische Nutzung erarbeitet. Entwurfsrelevante technologieabhängige Kenngrößen, wie die elastischen Eigenschaften der verarbeiteten Werkstoffe und die geometrischen Dimensionen der hergestellten Sensorstrukturen werden untersucht und deren Einfluss auf den Entwurfsprozessdargelegt. Die hergestellten Sensoren werden in ihrer Grundfunktion messtechnisch charakterisiert und die System- und Strukturintegration vorgestellt. / The presented work describes the development of sensors in a novel technology approach feasible for large-scale production. By using the multicomponent microinjection molding process, mechanical sensor structures out of (fiber-reinforced) polymers are joined with piezoelectric polymer transducers. The fabricated sensors can be processed further with hybrid manufacturing technologies and adapted for structure integration. This thesis introduces design methods and models for the preliminary calculation of the novel sensors, which are required for a technology qualification. Therefore, existing modelling approaches adapted and essentially extended for practical use. Design relevant parameters related to the technology like the elastic properties of the applied materials or the geometric dimensions of the manufactured sensor structures are characterized and the system and structure integration of the sensors is presented.