Fachgebiet Sensorik. Praktikum Mikromechanik. Sensorik Prof. Dr.-Ing. U. Hilleringmann

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1 Sensorik Prof. Dr.-Ing. U. Hilleringmann Fachgebiet Sensorik Praktikum Mikromechanik Piezoresistiver Drucksensor Silizium Temperatursensor Mikromechanischer Beschleunigungssensor 1 Einleitung... 1 Piezoresistiver Drucksensor Silizium Temperatursensor Mikromechanische Beschleunigungssensoren Das Prinzip der Beschleunigungsmessung ADXL103 und ADXL SA Versuchsdurchführung Piezoresistiver Silizium-Drucksensor Silizium Temperatursensor Geschwindigkeits - und Wegbestimmung mit einem mikromechanischen Beschleunigungssensor Allgemeines zur Schwingungsmessung Hochabgestimmtes System zur Beschleunigungsmessung Stark gedämpftes System zur Geschwindigkeitsmessung Tiefabgestimmtes System zur Wegmessung... 8

2 1 Einleitung Mikromechanische Bauelemente verdrängen die bislang üblichen makroskopischen Sensoren sowohl in der industriellen Messtechnik als auch in der Automatisierungstechnik. Temperatur-, Beschleunigungs- und Drucksensoren werden mithilfe der Siliziumtechnologie gemeinsam mit mikroelektronischen Schaltungen zur Signalverstärkung und Digitalisierung auf einem Halbleitersubstrat integriert; dabei wächst die Zuverlässigkeit dieser Mikrosysteme infolge der Reduktion von elektrischen Verbindungen und Lötkontakten. Moderne Mikrosysteme liefern als Ausgangssignal ein zur zu messenden Umweltgröße proportionales analoges Ausgangssignal, das bezüglich parasitärer Effekte - z. B. der Temperaturgang oder Feuchteeinflüsse - kompensiert ist. Auch digitale Ausgangssignale, z. B. ein pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal, werden von einigen Sensorchips angeboten. Dazu ist in jedem Fall eine Integration des Sensors mit der signalverarbeitenden Schaltung auf einem Chip erforderlich. Diese Kombination aus Elektronik und Mikromechanik nennt sich Mikrosystemtechnik. Piezoresistiver Drucksensor Der Drucksensor vom Typ KPY enthält als Sensor-Element eine Druckmesszelle. Ihr Kernstück ist eine dünngeätzte Siliziummembrane mit Halbleiterwiderstandsstrukturen. Eine Durchbiegung der Membrane führt zu Widerstandsänderungen nach dem piezoresistiven Effekt. Diese sind druckproportional, reversibel und elektronisch auswertbar. Die Membranrestdicke bestimmt den zulässigen Druck. Eine Typenvielfalt unterscheidet zwischen Absolutdrucksensoren, Relativdrucksensoren, Sensoren für barometrischen Anwendungen und Sensoren für Mitteldruck. Absolutdrucksensoren messen den Druckunterschied zwischen dem Messdruck und Vakuum. Die Druckmesszelle ist hier evakuiert. Relativdrucksensoren (Referenzdrucksensoren) messen den Druckunterschied zwischen dem Messdruck und dem Umgebungsdruck, in der Regel den atmosphärischen Luftdruck. Hier erfolgt der Druckausgleich zum Innenraum der Druckmessstelle über ein Loch in der Bodenplatte des Gehäuses. Differenzdrucksensoren messen den Druckunterschied zwischen zwei Messdrücken. 3 Silizium Temperatursensor Der Temperatursensor vom Typ KTY besteht aus einem n-leitenden Silizium-Kristall, der in bekannter Planar-Technologie hergestellt ist. Zwei auf dem Chip angeordnete Kontaktflecken sorgen für eine Reduzierung der Stromrichtungsunabhängigkeit auf vernachlässigbare Werte (Abb.1). Der zwischen den Anschlüssen gemessene Ausbreitungswiderstand ist und ein Maß für die Temperatur. Der Silizium-Temperatursensor hat einen hohen positiven Temperatur- Koeffzienten. Die leicht gekrümmte Kennlinie lässt sich durch äußere Beschaltung gut linearisieren.

3 Versuche zur Mikromechanik Seite Abb.1: Aufbau eines Si-Temperatusensors 4 Mikromechanische Beschleunigungssensoren 4.1 Das Prinzip der Beschleunigungsmessung Zu den gebräuchlichsten Verfahren zählt die Messung der Wirkung einer Kraft F, die sich aus der auf eine seismische Masse m einwirkenden Beschleunigung g ergibt. Diese Kraft erzeugt mechanische Spannungen und eine Lageänderung der seismischen Masse. Die Spannungen können anhand der piezoresistiven (oder piezoelektrischen) Eigenschaften des verwendeten Materials bestimmt werden. Lageänderungen werden gewöhnlich unter Verwendung einer variablen Kapazität gemessen. Der piezoresistive Effekt in Halbleitern wird in großem Maße in Drucksensoren genutzt, während für Beschleunigungssensoren jedoch das kapazitive Messprinzip bevorzugt wird. Mit diesem Design lassen sich durch Oberflächen-Mikrofertigung sehr kleine Sensorstrukturen und damit kosten-günstige Lösungen realisieren. Die kapazitiven Sensorelemente sind auch weniger anfällig für Temperaturschwankungen und bieten daher ein besseres Gesamtverhalten über einen großen Betriebstemperaturbereich (z.b. der ADXL103 von Analog Devices). 4. ADXL103 und ADXL03 Wirkprinzip: Die ADXL103 und ADXL03 sind komplette Beschleunigungsmesssysteme auf einem monolithischen IC. Der ADXL103 ist ein Ein-Achs Beschleunigungsaufnehmer während der ADXL03 ein Beschleunigungsaufnehmer für zwei Achsen ist. Beide Teile bestehen aus einem ultra hochpräzise oberflächenbearbeiteten Polysiliziumsensor und einem Signal verarbeitenden Messkreis um eine offene Regelkreis Architektur ( Open-Loop ) zu realisieren. Die Ausgangssignale sind analoge Spannungen proportional zur Beschleunigung. Der ADXL103 bzw. ADXL03 ist fähig positive wie auch negative Beschleunigungen bis mindestens 1,7g zu messen. Die Beschleunigungsaufnehmer können für statische Messungen wie z.b. Schwerkraftmessungen benutzt werden jedoch eignen sich auch als Neigungssensoren. Der Sensor besteht aus einem polykristallinen Siliziumfilm, der auf einer Siliziumscheibe abgeschieden wird. Federn aus Polysilizium trennen die Struktur von der Oberfläche des Silizium-

4 Versuche zur Mikromechanik Seite 3 substrats und bieten einen Widerstand gegen die Beschleunigungskräfte. Auslenkungen der Struktur werden über einen differentiell geschalteten kapazitiven Widerstand (Differential Kondensator), der aus getrennten fixierten Platten und Platten, die an der bewegten Masse angebracht sind (siehe Abb.), detektiert. Abb.: Struktur der Differential Kapazität Die fixierten Platten werden über zwei um 180 zueinander phasenverschobenen Rechtecksignalen angesteuert. Die Beschleunigungen lenken die träge Masse aus und verstimmen den Differential-Kondensator. Daraus resultiert ein Rechtecksignal, dessen Amplitude proportional zur Beschleunigung ist. Ein phasenempfindlicher Demodulator sorgt für die Gleichrichtung des Signals und bestimmt die Richtung der Beschleunigung. Das Ausgangssignal des Demodulators wird verstärkt und über einen 3 kohm Widerstand ausgekoppelt. An diesem Punkt kann der Anwender mit Hilfe eines Kondensators die Signal- Bandbreite einstellen. Dieser Filter verbessert die Auflösung und verhindert den Aliasing Effekt (Abb.4:). Leistungsmerkmale Anstatt der Verwendung von einer Temperaturkompensationsschaltung können schon andere integrierbare Techniken verwendet werden. Als Ergebnis tritt kaum ein Fehler oder nichtgleichbleibendes Verhalten auf. Zudem ist die Hysteresis sehr gering (weniger als 10 mg in einem Bereich von -40 C bis 15 C). 4.3 SA0 Der SA0 ist ein Low-cost mikromechanischer Silicon- Beschleunigungssensor, der für einen großen Anwendungsbereich hergestellt wurde. Der Sensor besteht nur aus Widerstands- Belastungsstreifen, die zu einer Brücke (Weatstone bridge) zusammen geschaltet sind. Nachteil: Die Auswerteelektronik erfordert eine aufwendige Temperaturkompensation. Die Sensorempfindlichkeit mit 0,5mV/1g ist sehr gering. Anwendung: Airbag für Kraftfahrzeuge.

5 Versuche zur Mikromechanik Seite 4 5 Versuchsdurchführung 5.1 Piezoresistiver Silizium-Drucksensor Si -Drucksensor Instrumentationsverstärker Abb.3: Piezoresistiver Silizium-Drucksensor mit Instrumentationsverstärker Aufgabe: a) Die Linearität der Messanordnung ist durch Einstellen von fünf verschiedenen Überdrücken zu ermitteln. Nehmen Sie dazu die Kennlinie u ( ) a p im Bereich von 0 bis bar auf. b) Ist beim Druckaufnehmer eine Hysterese vorhanden (Kontrolle durch Aufnahme zweier Kennlinien, mit Werte von 0 bar bis > bar und von > bar bis 0 bar, der sog. Hystereseschleife)? c) Weshalb ist eine Temperaturkompensation der Auswerteelektronik notwendig und wie kann diese realisiert werden? d) Welche Anforderungen sind an den Messverstärker zu stellen? Muss es ein Instrumentationsverstärker sein? 5. Silizium Temperatursensor Versuchsvorbereitung: Für den Silizium-Temperatursensor KT 10-7 ist eine geeignete Auswerteschaltung zu entwerfen und mit Hilfe von Datenblätter aus dem Internet zu dimensionieren. Aufgabe: a) Mit der in der Versuchsvorbereitung entwickelten Schaltung ist die Temperaturkennlinie U = f(ϑ) aufzunehmen (Vergleich mit Thermoelement-Messgerät, Fa. Ahlborn). b) Eine einfache Linearisierung ist vorzunehmen und die Wirkung ist zu überprüfen c) Aus den Erkenntnissen von a) und b) sind Vor- und Nachteile des Sensors aufzuzählen

6 Versuche zur Mikromechanik Seite 5 d) Welche Anwendungsfälle sind für den Sensor möglich? e) Mit einer einfachen inv. OP-Schaltung ist die Festpunktmethode, für die nicht- lineare Kennlinie anzuwenden (siehe Messtechnik-Skript Seite 1-8). f) Für die Temperatur-Kennlinie ist die Empfindlichkeit und dessen Fehler im Messbereich zu bestimmen. g) Der maximale Linearitätsfehler ist nach der Festpunktmethode zu bestimmen. h) Der optimale Parallelwiderstand zur Linearisierung ist zu berechnen. i) Wie groß ist die Temperaturempfindlichkeit S δ = R / ϑ? j) Wie groß ist der maximale Empfindlichkeitsfehler ϑ = C in %? k) Wie ist der Linearisierungs-, der Steigungs- und Nullpunktfehler definiert (Antwort mit Skizze)? l) Wie wird die Methode bzw. das Verfahren zur Annäherung der geraden Kennlinie zur gemessenen genannt, bei der die gemessene Kennlinie y a = f (x) so gelegt ist, das die Summe der Quadrate der Abweichungen y der gemessenen Kennlinie von der Sollkennlinie (Gerade) y b = SX *ein Minimum wird, mit [Σ( y) ] min? (* yb = SX lineare Sollkennlinie mit der Steigung S) m) Wie ließe sich die Ansprechzeit des Temperatursensors ermitteln. 5.3 Geschwindigkeits - und Wegbestimmung mit einem mikromechanischen Beschleunigungssensor Versuchsvorbereitung: a) Eine Beziehung für die Beschleunigung a, der Masse m und der Federkraft F C ist anzugeben b) Welche Maßnahmen sind zu treffen, damit aus dem Beschleunigungssignal ein Geschwindigkeits- bzw. Wegsignal gewonnen werden kann? c) Skizzieren Sie zunächst für eine rechteckförmige Anregung die zu erwartenden Verläufe a(t), v(t) und s(t), des Schreiberschlittens. d) Welche Anwendungsfälle sind für den Sensor möglich? Für den verwendeten Beschleunigungssensor von ANALOG DIVICES, Typ ADXL103 gilt ua = k a. Sensorkennwerte: Minimale Beschleunigung: a min = +/- 1,7 g ; Nichtlinearität (typisch): = +/- 0,5% ;

7 Versuche zur Mikromechanik Seite 6 Empfindlichkeit bei V s = 5 V Bei V s = 5 V ergibt sich somit mv k = 101,94 m/s = 1000 mv/g (typisch); Für eine sinusförmige Beschleunigung folgt aus der Ausgangsspannung u a vom Beschleunigungssensor ûvτ v ûs τ vτ s vˆ = ; sˆ =. k k Doppelintegrator u a u u v s Abb. 4: Geschwindigkeits- und Wegbestimmung aus dem gemessenen Beschleunigungssignal Aufgabe: a) Die Maximalwerte von Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg des Schlittens eines XY-Schreibers sind in x-richtung für eine sinusförmige Eingangsspannung mit Hilfe eines am Schlitten angebrachten Beschleunigungsaufnehmers, eines Verstärkers und zweier Integratoren zu bestimmen. Der ermittelte Weg ist mit der tatsächlichen Auslenkung zu vergleichen. Leiten Sie die Beziehungen für a, v und s her (Anfangswerte = 0). b) Bestimmen Sie anhand des Messschriebes nacheinander die maximale Beschleunigung in X- und Y- Richtung des Schlittens für Rechteckspannungen am X- und Y-Eingang. Vergleichen Sie die zu erwartenden Verläufe mit den Messergebnissen. c) Eine Beziehung mir der Frequenz des NF-Generators und der Geschwindigkeit des XY- Schreibers ist herzustellen und zu kontrollieren.

8 Versuche zur Mikromechanik Seite 7 6 Allgemeines zur Schwingungsmessung Feder-Masse-Dämpfungssystem Der interessierende Zusammenhang zwischen der Massenrelativbewegung r und der Gehäusebeschleunigung a=d s / dt lässt sich aus der Kraft-Gleichgewichtsbedingung F = 0 ermitteln Bild (1). Dies ergibt mit der Massenkraft F m =m d y / dt, der geschwindigkeitsproportionalen Dämpfungskraft F δ = δ dr / dt und der Federkraft F c = c r die Schwingungsgleichung für das mechanische Längsschwingungssystem m + δ + cr = 0 m + δ + cr = 0 d ( r+ s) dr d ( r+ s) dr dt dt dt dt Gl. 1) Diese stellt eine lineare, inhomogene Differentialgleichung zweiter Ordnung mit konstanten Koeffizienten dar. F c G Bild 1 Seismischer Schwingungssaufnehmer m Masse, δ Dämpfungsfaktor, c Federkon- c stante F Kräfte, s Schwingweg des mit dem Messobjekt verbundenen Gehäuses G im s r y m F m W Raum, y Schwingweg der Masse m im Raum, r relativer Schwingweg zwischen Masse m und Gehäuse G, W Weg-Aufnehmer, E Erd- δ F δ s oberfläche E Nach Einsetzen der Kreiseigenfrequenz ω 0 = c/ m mit der Kennfrequenz f 0 und dem Dämpfungsgrad D = δ /( mc = δ /( mω0 ) folgt nach Umformung von Gl. (1) dr + Dω dr ds 0 + ω0 r = = a Gl. () dt dt dt Hieraus kann man für verschiedene Werte von c, m und D die nachfolgenden verschiedenen Eigenschaften des Schwingungssystems näherungsweise ableiten. 6.1 Hochabgestimmtes System zur Beschleunigungsmessung. Enthält ein Schwingungssystem eine steife Feder (C groß), eine geringe Masse (ω groß) und einen kleinen Dämpfungsgrad D, so ergibt sich aus Gl. () durch Überwiegen von ω 0 näherungsweise a ω r. Gl. (3) 0

9 Versuche zur Mikromechanik Seite 8 Mit diesem Schwingungssystem mit großer Eigenfrequenz kann somit über die Relativverschiebung r (zwischen Masse m und Gehäuse G) mit Weg-Meßfühlern die Gehäusebeschleunigung a d / dt gemessen werden. Nach Umformung mit ω 0 = c/ mω 0 = c/ m erhält man die Beschleunigung in Abhängigkeit von der Federkraft F c a cr/ m= Fc / m Gl. (4) Daraus erkennt man, dass die Beschleunigung a auch durch Messen der Federkraft F c mit Kraft- Messfühlern erfasst werden kann. 6. Stark gedämpftes System zur Geschwindigkeitsmessung. Hat ein Schwingungssystem eine weiche Feder (c klein), eine geringe Masse ( groß) und einen sehr großen Dämpfungsgrad D, ergibt sich aus Gl. () durch Überwiegen des Dämpfungsgrads D näherungsweise ds/ dt Dω0dr/ dtds/ dt Dω0dr/ dt. Nach Integrati- on gilt für die Geschwindigkeit ds / dt = V Dω0r ds / dt = V Dω0r Gl. (5) Dieses stark gedämpfte System ist geschwindigkeitsempfindlich; über die Relativverschiebung r kann die Gehäusegeschwindigkeit v gemessen werden. 6.3 Tiefabgestimmtes System zur Wegmessung. Hat ein Schwingungssystem eine weiche Feder (c klein), eine große Masse (ω sehr klein) und einen kleinen Dämpfungsgrad D, ergibt sich aus Gl. () durch Überwiegen des Gliedes dr/ dt näherungsweise d s / dt d r / dt. Nach zweimaliger Integration gilt für den Weg s r Gl. (6) Mit dem Schwingungssystem mit kleiner Eigenfrequenz kann über die Relativ-verschiebung r mit dem Weg-Messfühlern die Gehäuseverschiebung und somit der Weg s gemessen werden. Die große Masse bleibt praktisch im Raum stehen und bildet so einen künstlichen Bezugspunkt.

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