Entwicklung von Sensoren: Modellbildung und Simulation nutzen

Entwicklung von Sensoren: Modellbildung und Simulation nutzen Swiss VPE-Workshop 19. Juni 2014 Moderation Markus Roos NM Numerical Modelling GmbH 1 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Programm Begrüssung Sensoren und Modelle: Charakterisierung Simulation eines Hitzedraht-Anemometers Piezoelektrische Sensoren Multiphysik Anwendungen in der Sensorik Näherungssensoren Workshop / Diskussion von Aufgabenstellungen H.P. Gysin M. Roos Th. Luthy A. Kummer M. Bonda G. Schmid Alle 2 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

IG VPE Swiss: In der Schweiz haben sich die Marktteilnehmer, welche im Bereich der virtuellen Produktentwicklung (= Entwicklung am und mit dem Computer) tätig sind, zusammengeschlossen zu einer produkte-neutralen Interessengemeinschaft. In der IG sind viele wichtige Players (Software- Anbieter, Dienstleister und Hochschulen) vertreten: 3 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Aktivitäten der IG VPE übers Jahr 4 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Workshop-Reihe: Wir laden Sie herzlich zu den weiteren Workshops ein: Fluid Struktur Interaktion 20. Juni 2013 Akustik Simulation 12. September 2013 Kopplung von Struktur und Steuerung/Regelung 23. Januar 2014 Entwicklung von Sensoren: Modellbildung und Simulation nutzen 19. Juni 2014 Vom virtuellen Modell zum robusten Design 11. September 2014 Elektromagnetische Felder in alltäglicher Produktentwicklung 22. Januar 2015 Die Workshops werden leben von der Teilnehmer-Aktivität! 5 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Feedback Bogen: 6 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Sensoren und Modelle Inhalt Einführung Sensorsimulation ist Multiphysik FE Modelle für Sensoren Nutzen für af&e 8 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Einführung Sensoren (gemäss Wikipedia) Ein Sensor (Detektor, Aufnehmer, Fühler) ist ein technisches Bauteil, das physikalische oder chemische Eigenschaften (z.b.: Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schall, Helligkeit, Weg, Distanz, Beschleunigung) seiner Umgebung qualitativ oder als Messgrösse quantitativ misst. Diese Grössen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in ein elektrisches Signal umgeformt. 9 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Einführung Industrielle Sensorentwicklung In der Praxis stellen sich Herausforderungen wie: Steigerung Empfindlichkeit und / oder Linearität Minimierung Temperaturgang Verbesserung (Langzeit-)Stabilität Optimierung Elektronikanbindung Miniaturisierung des Aufbaus Kostenreduktion z.b. durch Nutzung neuer Materialien, durch automatisierte Herstellverfahren, etc. 10 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Multiphysikmodelle Modellbildung und Simulation von Sensoren Sensoren koppeln beliebige physikalische Eingangs- mit elektrischen Ausgangsgrössen! Sensormodellierung ist daher eine Multiphysik-Aufgabenstellung Ein FE-Modell umfasst neben der Modellierung der Eingangsgrösse mindestens noch die elektrische Ausgabeseite. Häufig ist es komplexer, da Temperatureinflüsse existieren, d.h. das Sensormodell muss auch thermische Effekte umfassen! Hallsensor 11 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Multiphysikmodelle Typen von Kopplungen Physikalische Phänomene: Bilanzgleichungen + Materialgesetze Mech. Gleichgewicht 0 = s + f s = C: ε ε th Wärmetransport 0 = j th + q th j th = k T Ladungsverschiebung 0 = D D = ε Φ Ladungstransport 0 = j q j q = σ Φ Maxwellgleichungen Kopplungen Via Materialparameter σ = σ(s), ε=ε(c feucht ) Via Quellterme q th = q th (I lux ) Via Randbedingungen Φ G = 0, G: Rand von Gebiet G 12 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Multiphysikmodelle Kopplungsszenarien Elektrisch Resistiv: Messgrösse beeinflusst spez. Widerstand Beispiele: Dünnschichtdrucksensor Elektrostatisch 1: Messgrösse beeinflusst Permittivität oder Feldform Beispiele: Feuchtesensor, kapazitiver Näherungsschalter Elektrostatisch 2: Messgrösse beeinflusst Quellterme Beispiele: Piezoelektrische Sensoren Elektromagnetisch: Messgrösse beeinflusst induktive Kopplung Beispiele: Induktiver Näherungsschalter 13 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Multiphysikmodelle Herausforderungen Neben Materialparametern zur Beschreibung der Eingangsgrösse müssen auch daran gekoppelte elektrische Phänomene abgebildet werden: Spezifikation vieler Parameter Eigentlicher Messprozess besteht aus einer Kopplung: Spezifikation von Kopplungsparametern Potentiell: Gesamtheit der physikalischen Phänomene nutzbar: Enorme Vielfalt möglicher Kopplungsszenarien 14 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

FE Modelle für Sensoren Traditionelles Vorgehen (z.b. mech. FEA) Preprocessing Diskretisierung mit FE-Masche Zuweisung von Materialdaten Definition von Randbedingungen (=Lastfälle) Numerische Berechnung Lösen ev. nicht-linearer Gleichungen Postprocessing Evaluation von Reaktionskräften Spannungsverteilungen Verschiebungsfelder 15 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

FE Modelle für Sensoren Vorgehen Sensormodellierung Grundsätzlich stehen dieselben Schritte an, aber Gewichtung verschiebt sich: Geometrische Strukturen meist einfach, Meshing ist daher simpler als bei mechanischer FEA. Zuweisung von Material- und Kopplungsparameter ist komplexer. Stichwort: Übersicht behalten Preprocessing Zur Beurteilung eines Sensorsystems werden meist nicht einzelne Lastfälle herangezogen, sondern man interessiert sich für gesamte Sensorcharakteristik. viele Einzelrechnungen notwendig! Berechnung Postprocessing beinhaltet zusätzlich Extraktion des Sensorverhaltens aus rein elektronischer Sichtweise. z.b. Anbindung an Elektroniksimulation Postprocessing 16 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Nutzen für af&e Sensormodelle im Entwicklungsprozess Analyse des Sensorprinzips, z.b. Empfindlichkeit, Linearität: es werden physikalische Felder studiert und nur exemplarische Lastfälle genutzt, bis Modell validiert und System verstanden ist Optimierung eines Sensors verlangt gesamte Charakteristik: z.b. Berechnung von U = U(P, T, ), Signalspannung U in Abhängigkeit von Druck P (Messgrösse) und Temperatur T (Störeinfluss). Automatisierung Simulation und Postprocessing - mehrere 100 Einzelsimulationen können in Charakteristik einfliessen. - für jede Variation des Sensors muss Charakteristik neu erstellt werden. Integration der Auswerteelektronik: Elektroingenieur betrachtet das Sensorverhalten vorzugsweise via zugehöriges elektrisches Ersatzschaltbild. Ausgabe der Sensorcharakteristik z.b. als Pspice-Modell! 17 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Nutzen für af&e 80%-20% Regel für Sensormodellierung Modell soll einfach wie möglich, aber so komplex wie nötig sein. Kopplung Messgrösse - Elektronik muss nicht zwingend vollständiges Multiphysikmodell sein: Manchmal genügt Berechnung des mittleren spez. Widerstandes statt vollständige Berechnung des Ohmschen Ladungstransports Temperatureinflüsse via variable Materialwerte statt Kopplung an Temperaturfeld Strömungseinflüsse als Randbedingung statt Kopplung an Fluidtransport Sensormodelle in Analogie zu physikalischen Theorien Modell = Theorie, Validierung = Experiment Gute Modellvalidierung ist zwingend! Modell bringt Verständnis der Phänomene Höhere Modellgenauigkeit ist nicht immer besser für Entwicklungsprozess Gute Approximationen sind Gold wert! Modelle müssen mit der Erfahrung / Erkenntnis wachsen 18 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Workshop Teilnehmerfrage 1. Temperatursensoren Was sind die Chancen und neuen Möglichkeiten, die für einen Hersteller von Temperatursensoren (berührende Temperaturmessung mit Thermoelementfühler und Messwiderständen von -273... 2000 C) zukunftsweisend sein könnten? 24 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Workshop Teilnehmerfrage 2. Verbesserung Neigungssensor Ausgangspunkt: einfaches Modell existiert, gewisse Effekte können erklärt werden und korrelieren mit Erfahrungswerten. Problem: Messungen zeigen, dass subtile Änderungen der Produktionsparameter vergleichsweise grossen Einfluss auf die Sensoreigenschaften hat. Frage: Kann Simulation hier weiterhelfen? Welches Vorgehen empfiehlt sich? 25 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Workshop Allgemeine Fragen (H.P. Gysin) 1. Welche Fähigkeiten/Funktionen muss eine Simulationssoftware haben, um Sensoren simulieren zu können? Insbesondere: Was heisst gekoppelte Analysen? Wie wichtig ist das für den Entwicklungserfolg? 26 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Workshop Allgemeine Fragen (H.P. Gysin) 2. Wie viel Anteil an der Entwicklung neuer Sensoren ist Simulation, wie viel ist Experiment? 27 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Workshop Allgemeine Fragen (H.P. Gysin) 3. Hilft die Simulation beim Zertifizierungs-Prozess eines Sensors? Wird sie gar von den Behörden anerkannt? Oder was bräuchte es, dass sie anerkannt wird? Wer im Plenum führt Zertifizierungen durch, und welche sind das? 28 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30

Workshop 29 phone +41 (0)44 720 13 30 / fax +41 (0)44 720 13 30