Entwicklung von Sensoren für extreme Anforderungen

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1 Entwicklung von Sensoren für extreme Anforderungen Thilo Sauter Institut für Integrierte Sensorsysteme

2 Status Österreichische Akademie der Wissenschaften 63 Forschungseinrichtungen 1500 Mitarbeiter in ganz Österreich Natur-, Geistes-, und technische Wissenschaften Fokus auf interdisziplinäre, grundlagenorientierte Themen Komplementär zu Universitäten Institut für Integrierte Sensorsysteme 30 Mitarbeiter Multidisziplinäres internationales Team Signifikante Drittmittel aus nationalen und EU-Projekten Technologiekooperation mit der TU Wien 2

3 Was ist ein integriertes Sensorsystem? Messwertaufnehmer Sensor, Transducer Elektronik Signalverarbeitung Software Intelligenz Kommunikation Systemeinbindung mehr als die Summe seiner Teile 3

4 Extreme Anforderungen an Sensoren? Einsatz- und Umweltbedingungen Temperatur, Druck, Staub, aggressive Medien, biologische Flüssigkeiten Schnelligkeit, Genauigkeit, Messbereich Zuverlässigkeit und Lebensdauer Install and forget Keine Möglichkeit zum Austausch Größe Begrenzte Einbausituation Örtliche Auflösung der Messung Energieverbrauch Eigenversorgung, Energy Harvesting Kein Tausch von Batterien möglich Kosten Massentaugliche Technologien Fertigungsfreundliche Funktionsprinzipien 4

5 Entwurf von Sensoren Verstehen der Einsatzbedingungen Analyse des Anwendungsbereichs Interaktion mit Nutzern und Technologieexperten Modellierung des Gesamtsystems Sensor plus Umgebung Analytisch (bevorzugt) oder numerisch Optimierung des Sensors Auf Basis von Berechnung und Simulation Berücksichtigung von Prototyp-Messungen Experimentelle Verifikation Fertigung und Test von funktionalen Prototypen Verwendung der Ergebnisse für weitere Optimierung 5

6 Kapazitiver Drehwinkelsensor Anforderungen Kompakt und robust Kostengünstig Berührungsloses Messverfahren Genau und fehlertolerant 10 ff mit 10 bit Auflösung Entwurf einer integrierten Schaltung 10 mm², 0.8 µm analog CMOS Hydroelektrische Servolenkungen External Front End Circuit PAD C 2 R Synchronous Demodulator Sigma-Delta Modulator L C 3 C 4 C 1 Numerically Controlled Oscillator Receiving Electrode Rotor Microcontroller Decimator Sending Electrodes... Digital Output (PWM) Sensor-ASIC Power On Reset 6 Printed Circuit Board

7 Kapazitiver Drehwinkelsensor Vollständige Systemmodellierung Komponenten und Algorithmen 7

8 Thermische Strömungssensoren Thermische Durchflussmessung Silizium-Dünnschichttechnologie Dünne Membran (1 µm) Auch für Leitfähigkeitsmessung Richtungsabhängig möglich Kenngrößen Großer Messbereich (0, m/s) Sehr kurze Ansprechzeit (ms) 8

9 Thermische Strömungssensoren Optimierte Messbrücke Einfache Elektronik Extrem energiesparend (< 1 mw) 9

10 Einfachere Technologien Rohrleitungssystem zur Verbraucheranbindung HLK - Anlage Sensorknoten Überwachung von Klimaanlagen Kostengünstige, robuste Sensoren Leiterplatten- bzw. Folientechnologie Sensorknoten Embedded System Transducer auf Folienbasis Gebäudeleittechnik Datenkonzentrator Auswertung des Strömungsprofils 10

11 Feder Feder Institut für integrierte Sensorsysteme Mikromechanisches Mittelohrmikrofon Voll integrierbares Mikrofon Für Cochleaimplantate Ersetzt externes Mikrofon Vorteile Besserer Höreindruck Unsichtbar Einfache Handhabung Technologie Vibrationssensor auf Siliziumbasis Biokompatibles Gehäuse Masse 500µm 11

12 Position des Sensors im Mittelohr? Beachtung chirurgischer Rahmenbedingungen Biomechanische Simulation des Mittelohrs Bestimmung der günstigsten Position Optimierung des Sensors 12

13 Mikromechanische Spannungsmessung Spannungsüberwachung in Smart Grids Energieflusssteuerung Sicherheitsüberwachung von Isolatoren Sehr starke elektrische Felder Große Isolationsabstände Hohe Anforderungen an Elektronik Große und teure Messeinrichtungen 13

14 Aufbau des Sensors 14

15 Funktionsweise Mikromechanische Intensitätsmodulation Übertragungscharakteristik kann vorgegeben werden Elektrische Spannung / Feldstärke wird in eine Auslenkung umgesetzt Galvanische Trennung der Ausleseeinheit von der Eingangsgröße durch Glasfaser möglich Sehr kompakter Aufbau 15

16 Thilo Sauter 16

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