Universität Stuttgart
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Item Open Access Untersuchungen zu flüssigkeitsbasierten, kapazitiven Neigungswinkelsensoren(2022) Schwenck, Adrian; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)Bei der Neigungswinkelmessung wird die relative Lage von Objekten zum Erdschwerfeld bestimmt. Stand der Technik im Bereich der Konsumgüter, der Industrietechnik, der Messtechnik oder der Fahrzeugtechnik sind vor allem Sensoren auf Basis von Beschleunigungssensoren. Diese werden hauptsächlich als Mikrosysteme (MEMS) ausgeführt und mittels mikrotechnischer Verfahren hergestellt. Die Neigungswinkelmessung, erfolgt dabei anhand einer Messung der Projektion der Erdbeschleunigung auf die sensitive Achse oder Achsen. Der in dieser Arbeit vorgestellte flüssigkeitsbasierte, kapazitive Sensor soll eine Alternative zu den MEMS-Beschleunigungssensoren bieten. Aufgrund seiner einfachen Herstellbarkeit mittels Standard-Surface-Mount-Technology (SMT) kann er durch kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) auf meist vorhandener Anlagentechnik produziert werden. Die MEMS-Fertigung hat den Vorteil der kostengünstigen Massenfertigung im Batch. Dafür sind jedoch technologisch anspruchsvolle Reinraumprozesse notwendig, die nur bei großen und darauf spezialisierten Unternehmen zu finden sind. Die Arbeit stellt zuerst den Stand der Technik der Neigungs- und Beschleunigungsmessung sowie der Molded Interconnect Device (MID) Technologie vor und beschriebt dann das Sensorprinzip der flüssigkeitsbasierten +/-90° und 360° Neigungswinkelmessung. Dieses basiert darauf, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft immer horizontal ausrichtet. Der Sensor verwendet eine dielektrische Flüssigkeit in einer teilweise gefüllten Kavität und bestimmt kapazitiv seine Lage zur Flüssigkeitsoberfläche. Zur Sensorauslegung werden ein analytisches Modell sowie eine Monte-Carlo-Simulation verwendet. Danach werden die Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) zur Herstellung der Sensoren beschrieben. Es kommen dabei zwei Varianten für die Ausformung der Kavität für das Fluid zum Einsatz. Eine Sensorvariante nutzt die die MID-Technik. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Standard-Leiterplatten, welche gestapelt und verlötet werden. Anschließend wurden die grundlegenden Sensoreigenschaften von drei Sensorvarianten charakterisiert. Dazu wurden Kennlinien der Sensoren bei Raumtemperatur aufgenommen und daraus eine Kalibrationsvorschrift für die Winkelberechnung abgeleitet. Da Neigungswinkelsensoren eine Sensitivität auf Neigungen quer zur Messachse haben können, wurden Messungen mit unterschiedlichen Querneigungen durchgeführt. Zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften wurde die Abklingzeit der Sensoren bestimmt. Da der Sensor einen systematischen Einfluss der Temperatur auf die Steigung der Sensorkennlinie zeigt, wurde dieser gemessen und Möglichkeiten zur Kompensation untersucht. Temperaturschocktests zur beschleunigten Alterung schließen die Charakterisierungen der Sensoren ab. Abschließend diskutiert die Arbeit die Monte-Carlo-Simulation, die Temperaturkompensation und die Ergebnisse des Benchmarks. Ein Vergleich einer Monte-Carlo-Simulation mit einem analytisch berechenbaren Fall zeigt die grundsätzliche Eignung der Simulation zur Beschreibung des Sensorverhaltens. Die Ergebnisse der Simulation für verschiedene Temperaturen wurden drüber hinaus mit Messungen von Sensoren und einem rechnerischen Ansatz zur Temperaturkompensation verglichen. Dabei zeigte sich ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Messung. Mithilfe der mathematischen Temperaturkompensation konnte der systematische Temperaturfehler weitgehend korrigiert werden. Bei der Diskussion des Benchmarks werden die wichtigsten technischen Eigenschaften der Sensoren, Allan-Deviation, Temperaturstabilität und Nichtwiederholbarkeit verglichen. Dabei zeigten die flüssigkeitsbasierten Sensoren eine im Zielmarkt wettbewerbsfähige Performance, vor allem für Anwendungen, welche ein geringes Rauschen, eine gute Bias-Stabilität sowie eine geringe Hysterese des Sensorsignales benötigen.Item Open Access Review on excess noise measurements of resistors(2023) Walter, Daniela; Bülau, André; Zimmermann, AndréIncreasing demands for precision electronics require individual components such as resistors to be specified, as they can be the limiting factor within a circuit. To specify quality and long-term stability of resistors, noise measurements are a common method. This review briefly explains the theoretical background, introduces the noise index and provides an insight on how this index can be compared to other existing parameters. It then focuses on the different methods to measure excess noise in resistors. The respective advantages and disadvantages are pointed out in order to simplify the decision of which setup is suitable for a particular application. Each method is analyzed based on the integration of the device under test, components used, shielding considerations and signal processing. Furthermore, our results on the excess noise of resistors and resistor networks are presented using two different setups, one for very low noise measurements down to 20 µHz and one for broadband up to 100 kHz. The obtained data from these measurements are then compared to published data. Finally, first measurements on commercial strain gauges and inkjet-printed strain gauges are presented that show an additional 1/fα component compared to commercial resistors and resistor networks.Item Open Access Bending setups for reliability investigation of flexible electronics(2021) Saleh, Rafat; Barth, Maximilian; Eberhardt, Wolfgang; Zimmermann, AndréItem Open Access Dielectric properties of PEEK/PEI blends as substrate material in high-frequency circuit board applications(2024) Scherzer, Tim; Wolf, Marius; Werum, Kai; Ruckdäschel, Holger; Eberhardt, Wolfgang; Zimmermann, AndréSubstrate materials for printed circuit boards must meet ever-increasing requirements to keep up with electronics technology development. Especially in the field of high-frequency applications such as radar and cellular broadcasting, low permittivity and the dielectric loss factor are key material parameters. In this work, the dielectric properties of a high-temperature, thermoplastic PEEK/PEI blend system are investigated at frequencies of 5 and 10 GHz under dried and ambient conditions. This material blend, modified with a suitable filler system, is capable of being used in the laser direct structuring (LDS) process. It is revealed that the degree of crystallinity of neat PEEK has a notable influence on the dielectric properties, as well as the PEEK phase structure in the blend system developed through annealing. This phenomenon can in turn be exploited to minimize permittivity values at 30 to 40 wt.-% PEI in the blend, even taking into account the water uptake present in thermoplastics. The dielectric loss follows a linear mixing rule over the blend range, which proved to be true also for PEEK/PEI LDS compounds.Item Open Access Methodik zur Entwicklung von individualisierten Mikrosystemen(2023) Civelek, Faruk; Zimmermann, André (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Leiterplattenbasierte Sensoren mit Ausleseelektroniken auf Basis von Zeitmesstechnik(2024) Bülau, André; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Montage und Biegeverhalten von SMD-Bauelementen und ultradünnen Chips auf Foliensubstraten(2024) Saleh, Rafat; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)Flexible Elektronik gewinnt in der Industrie und Forschung zunehmend an Bedeutung. Ein wichtiger Bereich der flexiblen Elektronik ist das sogenannte System-in-Foil (SiF), bei dem Bauelemente und Strukturen auf oder in einer Polymerfolie integriert werden. Die Anwendungsbereiche von SiF umfassen Unterhaltungselektronik, Industrietechnik, Gesundheitswesen, Automobil-, Luft- und Raumfahrttechnik. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Montage und Biegecharakterisierung von SMDs und ultradünnen Chips auf Foliensubstraten. Dafür wurde ein dynamischer Biegeprüfstand zur Charakterisierung von Folienaufbauten konzipiert und umgesetzt. Anschließend wurden mithilfe einer Versuchsplanung leitfähiges Kleben und Löten zur Integration von SMDs auf Foliensubstraten vergleichend untersucht, wobei Prozess- und Materialvariationen angewendet wurden. Die erstellten Aufbauten wurden mithilfe von Scher- und Biegeprüfungen bewertet. Es wurde festgestellt, dass SMDs, die durch Löten auf Foliensubstrate aufgebracht wurden, im Vergleich zu geklebten SMDs höhere Scherkräfte aufweisen. Im Gegensatz dazu zeigten die geklebten SMDs eine höhere Anzahl an Biegezyklen bis zum Ausfall. Das Oberflächenfinish erwies sich als ein sehr wichtiger Einflussfaktor auf das Biegeverhalten der Aufbauten. Außerdem wurde ein Konzept zur Integration von ultradünnen Chips auf Foliensubstraten mithilfe von adaptiver Belichtung und Dispenstechniken erarbeitet, das erfolgreich durchgeführt und unter dynamischer Biegeprüfung evaluiert wurde. Die entwickelte Prozesskette ermöglicht es, Chips unabhängig von ihrer Bestückungsgenauigkeit zuverlässig zu erkennen und zu kontaktieren. Mit diesem Konzept wurde ein Aufbau von weniger als 130 μm Dicke ohne große Versteifung an der Verbindungsstelle realisiert. Bei der Biegeprüfung unter 10 mm Biegeradius haben die Aufbauten Tests mit über 10.000 Biegezyklen bestanden. Diese Prozesskette bildet die Grundlage für die Herstellung von multichipfähigen Mikrosystemen.