Entwurf einer Sensorkomponente eines elektromagnetisch angetriebenen Drehratensensors mit elektronischer Amplitudenstabilisierung
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Diplomarbeit aus dem Jahr 1999 im Fachbereich Elektrotechnik, Note: 1,3, Universität Bremen (Physik / Elektrotechnik, Mikrosensoren, Aktuatoren und Systeme), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:Das Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und Systeme IMSAS beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von Drehratensensoren, deren Strukturen Abmessungen im mü-m Bereich haben. Drehratensensoren (Gyroskope) dienen durch die Messung von Winkelgeschwindigkeiten der Stabilisierung von Systemen und finden neben dem KFZ-Bereich und der Medizintechnik unter anderem Anwendung be...
Diplomarbeit aus dem Jahr 1999 im Fachbereich Elektrotechnik, Note: 1,3, Universität Bremen (Physik / Elektrotechnik, Mikrosensoren, Aktuatoren und Systeme), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:
Das Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und Systeme IMSAS beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von Drehratensensoren, deren Strukturen Abmessungen im mü-m Bereich haben. Drehratensensoren (Gyroskope) dienen durch die Messung von Winkelgeschwindigkeiten der Stabilisierung von Systemen und finden neben dem KFZ-Bereich und der Medizintechnik unter anderem Anwendung bei der Steuerung von Navigationssystemen. Die Antriebsstrukturen werden über eindimensionale Resonatoren realisiert, die zur Nachbildung der Antriebsmoden von Drehratensensoren herangezogen werden, um eventuelle Quereinflüsse infolge der komplexen Strukturen zu eleminieren. Für die Funktion von mikromechanischen Drehratensensoren ist eine exakte Referenzbewegung der seismischen Masse von entscheidender Bedeutung, da die Amplitude der Referenzbewegung linear in das Nutzsignal des Sensors eingeht und bei geringer Antriebsenergie des Schwingers für eine hohe Auflösung möglichst groß sein muss. Die seismische Masse kann durch Nutzung der Lorentz-Kraft elektromagnetisch ausgelenkt und in Schwingung versetzt werden. Zur Kompensation von Störungen, die auf das mechanische System wirken, ist eine elektronische Amplitudenstabilisation erforderlich.
Ziel dieser Arbeit ist es, eine Komponente eines mikromechanischen Drehratensensors zu realisieren. Die Komponente setzt sich aus einem elektromagnetisch anzutreibenden, lateral schwingenden Resonator und einer Auswerteelektronik mit anschließender Amplitudenstabilisierung der seismischen Masse zusammen. Zur Erstellung des Gesamtkonzeptes muss eine Evaluation der Stabilitätskriterien der Sensorkomponente unter Einbeziehung der bei der Fertigung der mechanischen Struktur auftretenden Toleranzen durchgeführt werden. Basierend auf dem von der Bosch Foundry EUROPRACTICE angebotenen Poly-Silizium Prozess ist ein Design für einen mikromechanischen Resonator zu entwerfen, der eine variable Schnittstelle zur diskret aufzubauenden Auswerteelektronik aufweist. Zur Anregung der Strukturen ist auf eine rechnergestützte Ansteuerung zurückzugreifen.
Gang der Untersuchung:
Die Arbeit beginnt mit der Darstellung der Funktionsweise von elektromagnetischen Antrieben und der mathematischen Beschreibung von gedämpften, frei schwingenden Feder-Masse Systemen. Es folgen die bezüglich des Aufbaus der Mikrostruktur durchgeführten notwendigen Vorüberlegungen und Untersuchungen unter FastCap, einem Programm zur Berechnung von Kapazitäten zwischen frei zu definierenden Körpern. Im Anschluss werden die Ergebnisse der Charakterisierung der gefertigten Designvarianten hinsichtlich benötigter Antriebsenergie und daraus resultierender Auslenkung, Resonanzfrequenz, Dämpfung und Güte der Strukturen dargestellt. Darauf aufbauend wirddas Konzept zur Realisierung der Auswerteschaltung vorgestellt, mit dem Ziel, ein von der Auslenkung der seismischen Masse linear abhängiges Signal zu erhalten. Im Anschluss folgt die Charakterisierung der Detektionsschaltung, wobei auf die erreichte Auflösung der Detektion der Auslenkung näher eingegangen wird. Das nachfolgende Kapitel liefert eine Beschreibung der Stabilität des Systems des elektromagnetisch angetriebenen, eindimensionalen lateralen Resonators, den Möglichkeiten zur angestrebten Stabilisierung der Amplitude des Schwingers und die Darstellung des ausgearbeiteten Regelkreises. Im weiteren Verlauf wird die Umsetzung des Konzeptes zur Amplitudenstabilisierung dargestellt und das Systemverhalten bei offenem und geschlossenen Regelkreis untersucht. Im Anschluss folgt die Schlussbetrachtung.
Folgende Arbeitspakete wurden in der Diplomarbeit behandelt:
- Einarbeitung in die Theorie von elektromagnetischen Antrie...
Das Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und Systeme IMSAS beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von Drehratensensoren, deren Strukturen Abmessungen im mü-m Bereich haben. Drehratensensoren (Gyroskope) dienen durch die Messung von Winkelgeschwindigkeiten der Stabilisierung von Systemen und finden neben dem KFZ-Bereich und der Medizintechnik unter anderem Anwendung bei der Steuerung von Navigationssystemen. Die Antriebsstrukturen werden über eindimensionale Resonatoren realisiert, die zur Nachbildung der Antriebsmoden von Drehratensensoren herangezogen werden, um eventuelle Quereinflüsse infolge der komplexen Strukturen zu eleminieren. Für die Funktion von mikromechanischen Drehratensensoren ist eine exakte Referenzbewegung der seismischen Masse von entscheidender Bedeutung, da die Amplitude der Referenzbewegung linear in das Nutzsignal des Sensors eingeht und bei geringer Antriebsenergie des Schwingers für eine hohe Auflösung möglichst groß sein muss. Die seismische Masse kann durch Nutzung der Lorentz-Kraft elektromagnetisch ausgelenkt und in Schwingung versetzt werden. Zur Kompensation von Störungen, die auf das mechanische System wirken, ist eine elektronische Amplitudenstabilisation erforderlich.
Ziel dieser Arbeit ist es, eine Komponente eines mikromechanischen Drehratensensors zu realisieren. Die Komponente setzt sich aus einem elektromagnetisch anzutreibenden, lateral schwingenden Resonator und einer Auswerteelektronik mit anschließender Amplitudenstabilisierung der seismischen Masse zusammen. Zur Erstellung des Gesamtkonzeptes muss eine Evaluation der Stabilitätskriterien der Sensorkomponente unter Einbeziehung der bei der Fertigung der mechanischen Struktur auftretenden Toleranzen durchgeführt werden. Basierend auf dem von der Bosch Foundry EUROPRACTICE angebotenen Poly-Silizium Prozess ist ein Design für einen mikromechanischen Resonator zu entwerfen, der eine variable Schnittstelle zur diskret aufzubauenden Auswerteelektronik aufweist. Zur Anregung der Strukturen ist auf eine rechnergestützte Ansteuerung zurückzugreifen.
Gang der Untersuchung:
Die Arbeit beginnt mit der Darstellung der Funktionsweise von elektromagnetischen Antrieben und der mathematischen Beschreibung von gedämpften, frei schwingenden Feder-Masse Systemen. Es folgen die bezüglich des Aufbaus der Mikrostruktur durchgeführten notwendigen Vorüberlegungen und Untersuchungen unter FastCap, einem Programm zur Berechnung von Kapazitäten zwischen frei zu definierenden Körpern. Im Anschluss werden die Ergebnisse der Charakterisierung der gefertigten Designvarianten hinsichtlich benötigter Antriebsenergie und daraus resultierender Auslenkung, Resonanzfrequenz, Dämpfung und Güte der Strukturen dargestellt. Darauf aufbauend wirddas Konzept zur Realisierung der Auswerteschaltung vorgestellt, mit dem Ziel, ein von der Auslenkung der seismischen Masse linear abhängiges Signal zu erhalten. Im Anschluss folgt die Charakterisierung der Detektionsschaltung, wobei auf die erreichte Auflösung der Detektion der Auslenkung näher eingegangen wird. Das nachfolgende Kapitel liefert eine Beschreibung der Stabilität des Systems des elektromagnetisch angetriebenen, eindimensionalen lateralen Resonators, den Möglichkeiten zur angestrebten Stabilisierung der Amplitude des Schwingers und die Darstellung des ausgearbeiteten Regelkreises. Im weiteren Verlauf wird die Umsetzung des Konzeptes zur Amplitudenstabilisierung dargestellt und das Systemverhalten bei offenem und geschlossenen Regelkreis untersucht. Im Anschluss folgt die Schlussbetrachtung.
Folgende Arbeitspakete wurden in der Diplomarbeit behandelt:
- Einarbeitung in die Theorie von elektromagnetischen Antrie...
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