Auto, Segway, Space Shuttle - ohne Trägheit geht es nicht voran

Transkript

1 Folie 1

2 Sinn Technik technische Sinnesorgane Auto, Segway, Space Shuttle - ohne Trägheit geht es nicht voran Andreas Schütze

3 Beispiel Auto Enorme Verbesserungen in den Bereichen Motorsteuerung, Sicherheit und Komfort: Luftmengenmesser Ansaugdruck Klopfsensor Airbag ABS ESP Reifendruckkontrolle Abstandsradar Adaptives Fahrwerk Klimaautomatik Regensensor Luftgütesensor Quelle: TEMIC Folie 3

4 Beispiel Segway Human Transporter Folie 4

5 Beispiel Flugzeug Bell / Agusta 609 Tiltrotor Folie 6

6 Beispiel Space Shuttle Das Space Shuttle muss beim Start das Gleichgewicht halten und im Weltraum navigieren, u.a. mittels Trägheit. Folie 8

7 Kernelement all dieser Funktionen: Inertialsensoren Inertialsensor: Ausnutzen der Massenträgheit (F = m*a) zur Messung von Bewegung sowohl linear ( Beschleunigungssensor) als auch rotatorisch, d.h. bei Drehbewegungen ( Drehratensensor) Beschleunigungssensor Drehratensensor Folie 10

8 Kapazitiver Beschleunigungssensor Erfassung der Auslenkung durch Differential-Kondensator-Prinzip C = εa d 0 C 1 εa = d x 0 C 2 = εa d + x 0 ΔC = C = 2 C1 2 εa x d x Nichtlinear Linearisierung: ΔC C = x d ma = ext 1 + C2 0 kd0 Für kleine Auslenkungen x kann direkt die Kapazitätsdifferenz ausgewertet werden Sensorchip Praxis: Anwendung einer Linearisierung abhängig von maximaler Auslenkung Größenordnung der Sensorkapazität typisch: Für Messung zu detektierende Kapazitätsänderung typisch: 10 ff... 1 pf 10 zf... 1 ff Folie 11

9 Kapazitiver Beschleunigungssensor 1 mm Monolithisch integrierter Beschleunigungssensor Kapazitiver Sensor Integrierte Messelektronik Aktive, elektrostatische Kompensation Integrierter Selbsttest ADXL150: Chipgröße 2 x 2 mm² Messbereich ± 50 g Versorgung +5 V Analog- und Digitalausgang (PWM) Hersteller: Analog Devices 50 µm Folie µm Fotos: A. Schütze

10 Kapazitiver Beschleunigungssensor Bewegliche und feste Elektroden eines kapazitiven Beschleunigungssensors Elektrodendicke 11 µm, lateraler Abstand ~2 µm, Abstand Substrat - Elektroden ~1 µm, Gesamtabmessung der seismischen Masse ca. 1mm Detail der Interdigitalelektroden: rechts bewegliche Elektrode, links feste Elektrode, darunter der Luftspalt zum Substrat. Quelle: Robert Bosch GmbH Folie 13

11 Einsatzbereiche von Beschleunigungssensoren Airbagauslösung im Pkw Inertialnavigation in Autos, Flugzeugen, Space Shuttle etc. Anti-Shake Funktion in der Digitalkamera und Videokamera automatisches Bilddrehen in der Digitalkamera Schutz der Festplatte in Notebooks beim Fallenlassen Steuerung von Video-Spielen (Wii, MS Sidewinder ) adaptiver Herzschrittmacher intelligenter Schreibstift elektronische Wasserwaage geologische Exploration Folie 14

12 Drehratensensor: Einsatz im ESP-System Beispiel Übersteuern: Fahrzeug bricht hinten aus, die Elektronik erkennt dies und bremst links vorne, um das Fahrzeug in der Spur zu halten. Quelle: Robert Bosch GmbH Beispiel Untersteuern: Fahrzeug schiebt über die Vorderräder zum Kurvenaußenrand, die Elektronik bremst rechts hinten. Fahrzeug-Soll-Bewegung ist bekannt durch Raddrehzahl- (ABS) und Lenkwinkelsensoren. Fahrzeug-Ist-Bewegung muss erfasst werden Drehratensensor ist zentrales Element Erforderliche Empfindlichkeit: 0,1 /sec = 360 /h Folie 15

13 Drehratensensor nach dem Coriolisprinzip Die Coriolisbeschleunigung tritt in rotierenden Bezugssystemen bei radialen Bewegungen auf: Ω V Coriolisbeschleunigung vektoriell: v 2 v rad r r a = 2 cor v rad a cor r Ω v 1 Quelle: N. Feldmann, DA FH Niederrhein Folie 16

14 Drehratensensor nach dem Coriolisprinzip Aufbau- und Funktionsprinzip des Coriolis-Drehratensensors Schwingungsrichtung Federn Schwinger Trägerchip d Anregungsschwingung: Frequenz f = 5,6 khz Amplitude s = 0,7µm a cor s Drehung um Hochachse mit Drehrate Ω führt zu Coriolisbeschleunigung Detektion von a cor mit Beschleunigungssensoren Quelle: N. Feldmann, DA FH Niederrhein Auslenkungsamplitude: d = 4π m c -1 s f Ω (c: Federkonstante B-Sensor) Folie 17

15 Drehratensensor nach dem Coriolisprinzip Aufbau- und Funktionsprinzip des Coriolis-Drehratensensors Quelle: Robert Bosch GmbH Folie 18

16 Drehratensensor nach dem Coriolisprinzip Gesamtsystem mit hybrid integrierter Elektronik und Permanentmagnet zur Schwingungsanregung Auswerteelektronik Drehratensensor Permanentmagnet als Antrieb Leiterbahnen zur Schwingungsanregung Folie 19

17 Drehratensensor nach dem Stimmgabelprinzip Anregung durch sog. piezoelektrische Aktoren: Anregungsmode Bei Auftreten einer Drehrate werden die Aufhängungsbalken tordiert Torsionsbewegung wird detektiert: Auslesemode Ω Folie 20

18 Drehratensensor nach dem Stimmgabelprinzip v Ω acor Anregungsschwingung Anregung: Elektrische Anregung der Stimmgabelresonanz (in der Ebene) r r r a cor = 2 v Ω a cor = 2 v Ω Ausleseschwingung (Coriolis-Kraft) Auslesung: Elektrische Auslesung der Torsionsresonanz (aus der Ebene heraus) Folie 21

19 Drehratensensor nach Stimmgabelprinzip realisierte Sensorstruktur, Gesamtlänge ca. 1,2 mm Gesamtaufbau des gekapselten Sensors mit insgesamt 5 Ebenen Folie 22

20 Neuer Drehratensensor nach Stimmgabelprinzip Nur noch eine Ebene Sensor kann viel billiger werden! Folie 23

21 Neuer Drehratensensor nach Stimmgabelprinzip Anregungsschwingung Ausleseschwingung Folie 24

22 Neuer Drehratensensor nach Stimmgabelprinzip Optimiertes Layout: Ausleseschwingung Folie 25

23 Einsatzbereiche von Drehratensensoren ESP-System im Pkw Überschlagserkennung im Pkw (Auslösung Überrollbügel) Stabilisierung Segway, Flugzeug, Space Shuttle aber warum sind diese Sensoren eigentlich immer so winzig klein? Skaleneffekte bei der Verkleinerung (Miniaturisierung)! Folie 26

24 Skaleneffekte bei der Miniaturisierung I Zeitkonstanten elasto-mechanischer Systeme skalieren mit der Länge L Konkrete Beispiele: Betrachte Biegebalken der Länge L, Dicke d, E-Modul E und Dichte ρ; dann gilt näherungsweise (Gerlach): Länge Dicke Resonanzfrequenz f 0 d L 2 E L ρ 1 Resonanzfrequenz eines Al-Biegebalkens 1 m 1 mm 1 µm 10 mm 10 µm 10 nm 50 Hz 50 khz 50 MHz Betrachte schwingende Saite der Länge L, Querschnitt A, Dichte ρ, die mit der Kraft F eingespannt ist; dann gilt: f 1 F 1 σ 1 = = L 2L ρa 2L ρ Effekt ist auch bekannt aus der Musik: eine Halbierung der Saitenlänge führt zu einer Verdopplung der Frequenz bzw. zu einer Tonerhöhung um eine Oktave! Folie 27

25 Skaleneffekte bei der Miniaturisierung II Elektrostatische Kräfte Betrachte der Einfachheit halber einen Plattenkondensator mit Fläche A und Plattenabstand d, dann gilt die elektrostatische Anziehung der Platten: F A 2d 2 = ε U (unter Vernachlässigung der Streufelder am Plattenrand) 2 Bei konstanter Spannung bleibt die Kraft also bei Miniaturisierung konstant; realistischer ist jedoch eine konstante Feldstärke E = U/d, dann skaliert F mit der zweiten Potenz. Da aber z.b. die Schwerkraft mit der dritten Potenz skaliert, ist ein elektrostatischer Mikrokran möglich! Erforderliche Spannung und Feldstärke zum elektrostatischen Heben eines Eisen-Würfels der Kantenlänge L L 1 m 1 cm 1 µm Spannung V V 13 mv Feldstärke kv/m 1300 kv/m 13 kv/m Folie 28

26 Digital Light Processing (DLP) Folie 29

27 Digital Light Processing (DLP) Alternative zur Bildgenerierung Videoprojektoren (Beamer) zu LCD-Technik: DLP-Technologie (Digital Light Processing) bzw. DMD (Digital Mirror Device) Bilddarstellung mittels Mikrochips mit je einem aktivem Spiegel pro Bildpunkt Quelle: Texas Instruments Kenndaten: Spiegelgröße ca. 17 x 17 µm² Verkippung um ±10 mittels elektrostatischem Antrieb, Gegenelektroden im Substrat mit integrierter Ansteuerelektronik Auflösung typisch 1024 x 768 (XGA, Datenbeamer); maximal bis zu 2048 x 1152 Pixel Chipfläche bis zu 37 x 22 mm² Folie 30

28 Digital Light Processing (DLP) Steuerung der Helligkeit und Farbdarstellung Helligkeit des Bildpunktes wird durch das Tastverhältnis der An-/Auszeit mittels Pulsweitenmodulation gesteuert: je länger der Spiegel während der Projektion eines Einzelbildes auf An steht und Licht in die abbildende Optik reflektiert, desto heller ist das Pixel Maximale Bildwiederholfrequenz bei 24 Bit Farbtiefe (16 Mio. Farben): Je Farbe 8-Bit 256 Graustufen 3 Farben in 256 Graustufen seriell nacheinander projiziert f < τ 60Hz Folie 31 Quelle: Texas Instruments Erfordert Spiegelschaltzeit τ <20 µs tatsächlich realisiert ist τ 10 µs!

29 Weitere Beispiele Mikrosystemtechnik z.b. Computer und Kommunikation Enorme Verbesserungen in den Bereichen Speicherkapazität, Peripherie und Darstellung: Festplatten Optische Laufwerke (CD/DVD) Speicherbausteine Optische Maus Drahtlose Vernetzung Optische Netze Tintenstrahl-Farbdrucker Projektionsdisplays Festplatte, Optische Laufwerke, Speicherbausteine Optische Kommunikation Mikrosystemtechnik = Mechatronik im Kleinstformat Optische Maus mit Fingerabdrucksensor Tintenstrahl-Farbdrucker Folie 32

30 Mechatronik tronik Maschinenbau/ Mechanik Elektrotechnik/ Elektronik Mechatronik bezeichnet die enge Verknüpfung - mechanischer, - elektronischer und - informationstechnischer Komponenten. Informations-/ Systemtechnik Folie 33

31 Arbeitsmarktchancen Ingenieure Ingenieure gehören schon derzeit zu den gefragtesten und knappsten Berufsgruppen am saarländischen Arbeitsmarkt. In drei bis fünf Jahren wird der Bedarf an Ingenieuren schon fast um die Hälfte höher liegen als derzeit. Studie des VDI Studie der Industrie- und Handelskammer des Saarlandes (IHK) und der Vereinigung der Saarländischen Unternehmensverbände (VSU) im November 2002 Folie 34

32 Ausbildungsprofil des modernen Ingenieurs Spezialist Traum der Industrie Universalist Der moderne Ingenieur Folie 35

33 Studium Ingenieurwissenschaften Das Y-Modell: Modernes Studium zum Ingenieur der Zukunft Interdisziplinäre Ausbildung Integriertes Grundstudium - breite fachliche Basis - Orientierungsphase: Spezialisierung nach dem ersten Studienjahr Vertiefungsrichtungen bieten Flexibilität Berücksichtigung individueller Interessen der Studierenden Folie 36

34 Arbeitsplätze unserer Absolventen Folie 37

35 Folie 38