Modular aufgebaute Mikrosysteme für die Ausbildung und Applikationen in der Kfz- und der Medizintechnik

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1 Modular aufgebaute Mikrosysteme für die Ausbildung und Applikationen in der Kfz- und der Medizintechnik Chris Trempert Jens Saupe Jürgen Grimm 1

2 Chris Trempert 2

3 Inhalt 1. Einleitung Video Vorstellung WHZ Racing Team Was ist die Formula Student? 2. Si-mikromechanische en (SMM) Anwendungsfelder 3. Applikation von SMM-en im Rennsport Zielstellungen Testszenarien Applikation 4. Zusammenfassung / Ausblick 3

4 1. Einleitung Video Vorstellung WHZ Racing Team Was ist die Formula Student? 4

5 1. Einleitung Vorstellung WHZ Racing Team Video Vorstellung WHZ Racing Team Was ist die Formula Student? Team 2006 Teamgründung über 60 Studenten entwickeln jedes Jahr ein Rennfahrzeug Fahrzeuge FP107 FP208 FP309 Erfolge Auszeichnung: Sachsen ASSE im Bereich Wissenschaft Awards: Most Innovative Use Of Electronics (BOSCH) Best Loom (MAGNETI MARELLI) Internationale Events: Silverstone; Hockenheim; Fiorano 5

6 1. Einleitung Was ist die Formula Student? Video Vorstellung WHZ Racing Team Was ist die Formula Student? Students build a single seat formula racecar - teamwork - business contact Experience -solve practical problems Teams from all over the world at internationale events Static events - constructive solutions (150 points) - calculated production costs (100 points) - present a business-plan (75 points) Dynamic events - acceleration (75 points) - skidpad (75 points) - handling (100 points) - fuel-efficiency (100 points) - endurance (325 points) 6

7 2. SMM-en Anwendungsfelder 7

8 2. SMM-en Anwendungsfelder en Eigenentwicklung der AG MEMS Aufbau/Eigenschaften Druckmembran aus monokristallinem Silizium (Herstellung ohne intrinsischen Stress) diffundierte Widerstände (p-dotierung) in Vollbrückenverschaltung skalierbarer hochempfindlicher Kraft-/ durch Veränderung der Membrandicke große Empfindlichkeit durch große Membranfläche Membran wird durch anisotropes Ätzen hergestellt 8

9 2. SMM-en Anwendungsfelder mit der AG Experimentelle Mechanik der WHZ (a) (b) MEMS Lab pressure sensor speckle pattern speckle correlation fringes Digital speckle pattern interferometry (DSPI) 9

10 u z [µm] Auslenkung u z gemessen und berechnet für zwei unterschiedliche Drücke 2,5 2,0 2. SMM-en Anwendungsfelder anisotropic FEA, p = 0.1 MPa 1,5 p = 0.1 MPa 1,0 0,5 p = 0.05 MPa DSPI Dektak FEA built-in u z (x, y) [µm] 0, x [mm] 10

11 2. SMM-en Anwendungsfelder gefördert durch SMWK Zielstellung: Entwicklung intelligenter Kommunikationsplattformen für die Vorverarbeitung und Weitergabe der Sensordaten Anpassung der MDSD-Plattform für die Softwareentwicklung Entwicklung von Sensoren für weitere Messverfahren Optimierung der Sensoren (FEM) 11

12 2. SMM-en Anwendungsfelder Notwendigkeit von Signalkonditionierungen bei SMM Offsetfehler Temperaturdriften Linearitätsfehler materialspezifisches Verhalten Toleranzen und Abweichungen im Herstellungsprozess 12

13 2. SMM-en Anwendungsfelder Signalkonditionierungs-IC ZMD mit I 2 C-Bus Messplatzaufbau mit Signalkonditionierungs -IC zur einfachen Korrektur von Offsetfehlern, Temperaturdriften und Linearitätsfehlern (31014) 13

14 2. SMM-en Anwendungsfelder (Herstellung) Herstellung der Leiterplatte in Dickschicht-Hybridtechnik Auflöten der Kondensatoren im Reflow-Lötverfahren 14

15 2. SMM-en Anwendungsfelder (Herstellung) Aufkleben des ZMD-Chips Drahtbonden des s und des ZMD-Chips 15

16 2. SMM-en Anwendungsfelder keramisches Substrat mit Leiterbahnen fertiges modul 16

17 2. SMM-en Anwendungsfelder Bereits 1997 intelligentes vernetzbares modul mit CAN und 8-Bit-µC 87C592 in der AG MEMS entwickelt als Vorläufer der SSCD. Hercht, M., Bormann, F., Grimm, J. Mikromechanischer Sensortechnik, 10/1997, S.27 17

18 Anwendungsfelder für intelligente SMM-en Eigenschaften 2. SMM-en Anwendungsfelder Module sind leicht über I 2 C-Bus untereinander vernetzbar vier Leitungen Module können aufgrund der Verwendung von ungehäusten Bauelementen sehr klein ausgeführt werden Applikationsbereiche: Überwachung von Bauteilen aus Guss- und Verbundwerkstoffen Integration drucksensitiver Verbände in medizinische Informationssysteme Reifendrucksensor Weitere Anwendungen möglich 18

19 gemessener Druck 2. SMM-en Anwendungsfelder Medizinische Applikation entwickelt in Kooperation mit TITV Greiz Druckanstieg bei Muskelkontraktion, dargestellt ist der Druck über der Zeit. Druckanstieg bei Muskelkontraktion array (Druck-SSCD) auf Maßbein mit Diabetikerstrumpf Zeit 19

20 3. Applikation von SMM en im Rennsport Zielstellungen Testszenarien Applikation Zielstellungen Überwachung des Reifendrucks als wichtige Größe für die Fahrdynamik Entwicklung eines eigenen Systems Erarbeitung von Systemknowhow Punktesammeln bei den Wettbewerben Blockdarstellung Rad/Reifen FP309 ZMD ATA6286 Piezoresistive Messbrücke Wake Up 125 khz ATA5276 AT90 CAN128 Batterie 433 MHz ATA

21 3. Applikation von SMM en im Rennsport Zielstellungen Testszenarien Applikation Testszenarien Schwingungsprüfung Aufbau Gleitsinus 10 Hz/30 mm PP bis 2000 Hz/10 g Schocktest 50 g, 6 ms Halbsinus positiv Schocktest 50 g, 6 ms Halbsinus negativ 21

22 3. Applikation von SMM en im Rennsport Zielstellungen Testszenarien Applikation Testszenarien Prüfzyklen Hz Hz Schocktest 1 G/5 G 5 G/10 G 50 G Testergebnisse 22

23 3. Applikation von SMM en im Rennsport Zielstellungen Testszenarien Applikation Applikation Platine Entwicklung im Eagle Layout Editor Reflow gelötet im WHZ-Labor Abmessungen 2,0 cm x 2,2 cm (ohne 433 MHz Antenne) 23

24 3. Applikation von SMM en im Rennsport Zielstellungen Testszenarien Applikation Applikation ATMEL ATA6286 RF-Transmitter 433 MHz ; Programmable 125 khz Wake-up Receiver Channel 8-Bit AVR RISC Low Power Microcontroller Requires Typically < 0.5 μa Sleep Current ZMD Low-Cost Sensor Signal Conditioner mit I 2 C und SPI Low-power Sleep Mode (<2μA) Antennensystem PCB Loop Antenne Spulenantenne Antennenstruktur integriert im Befestigungsband (gestickte Textilstruktur) Befestigungssystem Entwicklung eines Textilgürtels in Zusammenarbeit mit TITV Greiz e.v. 24

25 4. Zusammenfassung/ Ausblick SMM- Formula Student Applikati onsbsp. 25

26 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 26