Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-12380
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorZimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)-
dc.contributor.authorSchwenck, Adrian-
dc.date.accessioned2022-09-15T14:55:55Z-
dc.date.available2022-09-15T14:55:55Z-
dc.date.issued2022de
dc.identifier.other1816747556-
dc.identifier.urihttp://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-123994de
dc.identifier.urihttp://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/12399-
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.18419/opus-12380-
dc.description.abstractBei 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.de
dc.description.abstractFor inclination measurements in the field of consumer goods, industrial technology, measurement technology, and automotive engineering accelerometer-based micro-electromechanical systems (MEMS) are commonly used as sensors. They determine their relative position to the earth's gravitational field by measuring the projection of the gravity on their measurement axis. For high-resolution measurements, resonant frequency-based sensors or precision-engineered closed-loop systems are often used as well. The fluidic capacitive sensor presented in this work offers an alternative solution for low-cost inclination measurements. As only surface-mount technology (SMT) processes are needed for production, the sensor can be produced by small and medium-sized enterprises on standard manufacturing equipment. For MEMS manufacturing, on the other hand, sophisticated clean room processes are necessary, which can only be found in large and specialized companies. This thesis presents at first the state of art regarding inclination measurement and Molded Interconnect Device (MID) technology. Then, the measurement principle for fluidic capacitive measurement is described. The sensor uses the horizontal surface of a dielectric fluid, which always forms when only gravitational forces are present. The inclination angle is determined based on a capacitive measurement to detect the position of the fluid inside the sensor cavity. An analytical model and a simulation, based on the Monte Carlo method are used for sensor design. Then, the two variants that are used in this work to form the cavity are described. One of them utilizes the MID technology and the other one a process in which standard printed circuit boards are stacked and soldered. In the next part of the thesis, the basic sensor properties of three sensor variants were measured. At first, the characteristic curve at room temperature was recorded and a calibration method was described. Measurements of the cross axis sensitivity and the dynamic properties were conducted. Due to the temperature dependence of the permittivity of the fluid the slope of the characteristic curve of the sensor signal is systematically depending on the temperature as well. The effect was measured at different temperatures and possibilities for a mathematical compensation were investi-gated. Temperature shock tests complete the characterizations of the sensors. Finally, the thesis discusses the simulation with the Monte-Carlo method, the temperature compensation and the benchmark results. The mathematical temperature compensation showed promising results as the temperature error is mostly corrected. In the discussion of the benchmark, the Allan deviation, the temperature stability, and the non-repeatability are compared. The fluidic sensors showed a competitive performance in the target market, especially for applications with extended requirements regarding noise, bias stability, and hysteresis.en
dc.language.isodede
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccessde
dc.subject.ddc620de
dc.subject.ddc621.3de
dc.titleUntersuchungen zu flüssigkeitsbasierten, kapazitiven Neigungswinkelsensorende
dc.typedoctoralThesisde
ubs.dateAccepted2022-07-05-
ubs.fakultaetKonstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnikde
ubs.institutInstitut für Mikrointegrationde
ubs.publikation.seiten148de
ubs.publikation.typDissertationde
ubs.thesis.grantorKonstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnikde
Appears in Collections:07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Doktorarbeit Schwenck V306 final.pdf5,08 MBAdobe PDFView/Open


Items in OPUS are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.