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Entwurf einer Sensorkomponente eines elektromagnetisch angetriebenen Drehratensensors mit elektronischer Amplitudenstabilisierung - Michael Krumm
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Michael Krumm:
Entwurf einer Sensorkomponente eines elektromagnetisch angetriebenen Drehratensensors mit elektronischer Amplitudenstabilisierung - neues Buch

ISBN: 9783832429294

ID: 9783832429294

Inhaltsangabe:Einleitung: Das Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und Systeme IMSAS beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von Drehratensensoren, deren Strukturen Abmessungen im mü-m Bereich haben. Drehratensensoren (Gyroskope) dienen durch die Messung von Winkelgeschwindigkeiten der Stabilisierung von Systemen und finden neben dem KFZ-Bereich und der Medizintechnik unter anderem Anwendung bei der Steuerung von Navigationssystemen. Die Antriebsstrukturen werden über eindimensionale Resonatoren realisiert, die zur Nachbildung der Antriebsmoden von Drehratensensoren herangezogen werden, um eventuelle Quereinflüsse infolge der komplexen Strukturen zu eleminieren. Für die Funktion von mikromechanischen Drehratensensoren ist eine exakte Referenzbewegung der seismischen Masse von entscheidender Bedeutung, da die Amplitude der Referenzbewegung linear in das Nutzsignal des Sensors eingeht und bei geringer Antriebsenergie des Schwingers für eine hohe Auflösung möglichst groß sein muss. Die seismische Masse kann durch Nutzung der Lorentz-Kraft elektromagnetisch ausgelenkt und in Schwingung versetzt werden. Zur Kompensation von Störungen, die auf das mechanische System wirken, ist eine elektronische Amplitudenstabilisation erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Komponente eines mikromechanischen Drehratensensors zu realisieren. Die Komponente setzt sich aus einem elektromagnetisch anzutreibenden, lateral schwingenden Resonator und einer Auswerteelektronik mit anschließender Amplitudenstabilisierung der seismischen Masse zusammen. Zur Erstellung des Gesamtkonzeptes muss eine Evaluation der Stabilitätskriterien der Sensorkomponente unter Einbeziehung der bei der Fertigung der mechanischen Struktur auftretenden Toleranzen durchgeführt werden. Basierend auf dem von der Bosch Foundry EUROPRACTICE angebotenen Poly-Silizium Prozess ist ein Design für einen mikromechanischen Resonator zu entwerfen, der eine variable Schnittstelle zur diskret aufzubauenden Auswerteelektronik aufweist. Zur Anregung der Strukturen ist auf eine rechnergestützte Ansteuerung zurückzugreifen. Gang der Untersuchung: Die Arbeit beginnt mit der Darstellung der Funktionsweise von elektromagnetischen Antrieben und der mathematischen Beschreibung von gedämpften, frei schwingenden Feder-Masse Systemen. Es folgen die bezüglich des Aufbaus der Mikrostruktur durchgeführten notwendigen Vorüberlegungen und Untersuchungen unter FastCap, einem Programm zur Berechnung von Kapazitäten zwischen frei zu definierenden Körpern. Im Anschluss werden die Ergebnisse der Charakterisierung der gefertigten Designvarianten hinsichtlich benötigter Antriebsenergie und daraus resultierender Auslenkung, Resonanzfrequenz, Dämpfung und Güte der Strukturen dargestellt. Darauf aufbauend wird das Konzept zur Realisierung der Auswerteschaltung vorgestellt, mit dem Ziel, ein von der Auslenkung der seismischen Masse linear abhängiges Signal zu erhalten. Im Anschluss folgt die Charakterisierung der Detektionsschaltung, wobei auf die erreichte Auflösung der Detektion der Auslenkung näher eingegangen wird. Das nachfolgende Kapitel liefert eine Beschreibung der Stabilität des Systems des elektromagnetisch angetriebenen, eindimensionalen lateralen Resonators, den Möglichkeiten zur angestrebten Stabilisierung der Amplitude des Schwingers und die Darstellung des ausgearbeiteten Regelkreises. Im weiteren Verlauf wird die Umsetzung des Konzeptes zur Amplitudenstabilisierung dargestellt und das Systemverhalten bei offenem und geschlossenen Regelkreis untersucht. Im Anschluss folgt die Schlussbetrachtung. Folgende Arbeitspakete wurden in der Diplomarbeit behandelt: - Einarbeitung in die Theorie von elektromagnetischen Antrieben und in die allgemeine Theorie von gedämpften Feder-Masse-Systemen mit erzwungener Schwingung. - Designentwurf des mikromechanischen Resonators. - Charakterisierung der realisierten Designvarianten. - Entwurf der Detektionsschaltung zur Positionsbestimmung des Schwingers. - Fertigung der Auswerteelektronik mit anschließender Charakterisierung. - Konzeptionierung der Schaltung zur Amplitudenstabilisation der seismischen Masse. - Fertigung der Schaltung zur Amplitudenstabilisierung mit anschließender Charakterisierung. - Charakterisierung des Gesamtsystems. Inhaltsverzeichnis: Nomenklatur 1.Einleitung3 2.Theorie des elektromagnetischen Antriebes5 2.1Allgemeine Beschreibung des Systems5 2.2Kraftentwicklung des elektromagnetischen Antriebes7 3.Designentwurf12 3.1Überlegungen hinsichtlich der Positionsbestimmung des Schwingers12 3.2Darstellung der Designvarianten16 3.3Abschätzung der Resonanzamplitude22 3.4Strukturbewegung in z-Richtung24 3.5Analytische Berechnung der auslenkungsabhängigen Kapazitätsänderung24 4.Charakterisierung der Designvarianten28 4.1Resonanzamplitude und ¿frequenz28 4.2Resonanzfrequenz der Designvarianten30 4.2.1Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der angreifenden Kraft30 4.2.2Resonanzfrequenz in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck35 4.3Bewertung der theoretisch berechneten Resonanzfrequenz und der Amplitude39 4.4Dämpfung43 4.4.1Dämpfungseffekte43 4.4.2Analytische Berechnung der Dämpfung über die Güte47 5.Konzept der Detektionsschaltung49 5.1Grundlegende Überlegungen zur Konzeptionierung49 5.2Generierung eines von der Amplitude der seismischen Masse abhängigen Signals50 5.3Demodulation des Detektionssignals56 6.Charakterisierung der Detektionsschaltung62 6.1Aufbau der Detektionsschaltung62 6.2Funktionalität der Detektionsschaltung65 6.3Zusammenhang zwischen Auslenkung des Schwingers und Detektionsspannung67 6.4Reproduzierbarkeit der Messergebnisse70 7.Konzept der Schaltung zur Amplitudenstabilisation72 7.1Stabilitätsuntersuchung des Systems72 7.2Stabilisation der Amplitude über den Einsatz eines Gleichrichters73 7.3Stabilisation der Amplitude über ein modifiziertes Detektionssignal74 7.4Darstellung des konzipierten Regelkreises77 8.Charakterisierung der Schaltung zur Amplitudenstabilisation80 8.1Aufbau der Schaltung zur Amplitudenstabilisierung80 8.2Synchronisation von Antriebsspannung und Detektionssignal82 8.3Auflösung der Detektion der Auslenkung der seismischen Masse84 8.4Bildung der rückzukoppelnden Korrekturspannung86 8.5Systemverhalten im close-loop-Betrieb89 9.Schlussbetrachtung92 10.Literaturnachweis94 Anhang Entwurf einer Sensorkomponente eines elektromagnetisch angetriebenen Drehratensensors mit elektronischer Amplitudenstabilisierung: Inhaltsangabe:Einleitung: Das Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und Systeme IMSAS beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von Drehratensensoren, deren Strukturen Abmessungen im mü-m Bereich haben. Drehratensensoren (Gyroskope) dienen durch die Messung von Winkelgeschwindigkeiten der Stabilisierung von Systemen und finden neben dem KFZ-Bereich und der Medizintechnik unter anderem Anwendung bei der Steuerung von Navigationssystemen. Die Antriebsstrukturen werden über eindimensionale Resonatoren realisiert, die zur Nachbildung der Antriebsmoden von Drehratensensoren herangezogen werden, um eventuelle Quereinflüsse infolge der komplexen Strukturen zu eleminieren. Für die Funktion von mikromechanischen Drehratensensoren ist eine exakte Referenzbewegung der seismischen Masse von entscheidender Bedeutung, da die Amplitude der Referenzbewegung linear in das Nutzsignal des Sensors eingeht und bei geringer Antriebsenergie des Schwingers für eine hohe Auflösung möglichst groß sein muss. Die seismische Masse kann durch Nutzung der Lorentz-Kraft elektromagnetisch ausgelenkt und in Schwingung versetzt werden. Zur Kompensation von Störungen, die auf das mechanische System wirken, ist eine elektronische Amplitudenstabilisation erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Komponente eines mikromechanischen Drehratensensors zu realisieren. Die Komponente setzt sich aus einem elektromagnetisch anzutreibenden, lateral schwingenden Resonator und einer Auswerteelektronik mit anschließender Amplitudenstabilisierung der seismischen Masse zusammen. Zur Erstellung des Gesamtkonzeptes muss eine Evaluation der Stabilitätskriterien der Sensorkomponente unter Einbeziehung der bei der Fertigung der mechanischen Struktur auftretenden Toleranzen durchgeführt werden. Basierend auf dem von der Bosch Foundry EUROPRACTICE angebotenen Poly-Silizium Prozess ist ein Design für einen mikromechanischen Resonator zu entwerfen, der eine variable Schnittstelle zur diskret aufzubauenden Auswerteelektronik aufweist. Zur Anregung der Strukturen ist auf eine rechnergestützte Ansteuerung zurückzugreifen. Gang der Untersuchung: Die Arbeit beginnt mit der Darstellung der Funktionsweise von elektromagnetischen Antrieben und der mathematischen Beschreibung von gedämpften, frei schwingenden Feder-Masse Systemen. Es folgen die bezüglich des Aufbaus der Mikrostruktur durchgeführten notwendigen Vorüberlegungen und Untersuchungen unter FastCap, einem Programm zur Berechnung von Kapazitäten zwischen frei zu definierenden Körpern. Im Anschluss werden die Ergebnisse der Charakterisierung der gefertigten Designvarianten hinsichtlich benötigter Antriebsenergie und daraus resultierender Auslenkung, Resonanzfrequenz, Dämpfung und Güte der Strukturen dargestellt. Darauf aufbauend wird das Konzept zur Realisierung der Auswerteschaltung vorgestellt, mit dem Ziel, ein von der Auslenkung der seismischen Masse linear abhängiges Signal zu erhalten. Im Anschluss folgt die Charakterisierung der Detektionsschaltung, wobei auf die erreichte Auflösung der Detektion der Auslenkung näher eingegangen wird. Das nachfolgende Kapitel liefert eine Beschreibung der Stabilität des Systems des elektromagnetisch angetriebenen, eindimensionalen lateralen Resonators, den Möglichkeiten zur angestrebten Stabilisierung der Amplitude des Schwingers und die Darstellung des ausgearbeiteten Regelkreises. Im weiteren Verlauf wird die Umsetzung des Konzeptes zur Amplitudenstabilisierung dargestellt und das Systemverhalten bei offenem und geschlossenen Regelkreis untersucht. Im Anschluss folgt die Schlussbetrachtung. Folgende Arbeitspakete wurden in der Diplomarbeit behandelt: - Einarbeitung in die Theorie von elektromagnetischen Antrieben und in die allgemeine Theorie von gedämpften Feder-Masse-Systemen mit erzwungener Schwingung. - Designentwurf des mikromechanischen Resonators. - Charakterisierung der realisierten Designvarianten. - Entwurf der Detektionsschaltung zur Positionsbestimmung des Schwingers. - Fertigung der Auswerteelektronik mit anschließender Charakterisierung. - Konzeptionierung der Schaltung zur Amplitudenstabilisation der seismischen Masse. - Fertigung der Schaltung zur Amplitudenstabilisierung mit anschließender Charakterisierung. - Charakterisierung des Gesamtsystems. Inhaltsverzeichnis: Nomenklatur 1.Einleitung3 2.Theorie des elektromagnetischen Antriebes5 2.1Allgemeine Beschreibung des Systems5 2.2Kraftentwicklung des elektromagnetischen Antriebes7 3.Designentwurf12 3.1Überlegungen hinsichtlich der Positionsbestimmung des Schwingers12 3.2Darstellung der Designvarianten16 3.3Abschätzung der Resonanzamplitude22 3.4Strukturbewegung in z-Richtung24 3.5Analytische Berechnung der auslenkungsabhängigen Kapazitätsänderung24 4.Charakterisierung der Designvarianten28 4.1Resonanzamplitude und ¿frequenz28 4.2Resonanzfrequenz der Designvarianten30 4.2.1Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der angreifenden Kraft30 4.2.2Resonanzfrequenz in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck35 4.3Bewertung der theoretisch berechneten Resonanzfrequenz und der Amplitude39 4.4Dämpfung43 4.4.1Dämpfungseffekte43 4.4.2Analytische Berechnung der Dämpfung über die Güte47 5.Konzept der Detektionsschaltung49 5.1Grundlegende Überlegungen zur Konzeptionierung49 5.2Generierung eines von der Amplitude der seismischen Masse abhängigen Signals50 5.3Demodulation des Detektionssignals56 6.Charakterisierung der Detektionsschaltung62 6.1Aufbau der Detektionsschaltung62 6.2Funktionalität der Detektionsschaltung65 6.3Zusammenhang zwischen Auslenkung des Schwingers und Detektionsspannung67 6.4Reproduzierbarkeit der Messergebnisse70 7.Konzept der Schaltung zur Amplitudenstabilisation72 7.1Stabilitätsuntersuchung des Systems72 7.2Stabilisation der Amplitude über den Einsatz eines Gleichrichters73 7.3Stabilisation der Amplitude über ein modifiziertes Detektionssignal74 7.4Darstellung des konzipierten Regelkreises77 8.Charakterisierung der Schaltung zur Amplitudenstabilisation80 8.1Aufbau der Schaltung zur Amplitudenstabilisierung80 8.2Synchronisation von Antriebsspannung und Detektionssignal82 8.3Auflösung der Detektion der Auslenkung der seismischen Masse84 8.4Bildung der rückzukoppelnden Korrekturspannung86 8.5Systemverhalten im close-loop-Betrieb89 9.Schlussbetrachtung92 10.Literaturnachweis94 Anhang TECHNOLOGY & ENGINEERING / Electrical, Diplomica Verlag

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Entwurf Einer Sensorkomponente Eines Elektromagnetisch Angetriebene - Michael Krumm
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Michael Krumm:
Entwurf Einer Sensorkomponente Eines Elektromagnetisch Angetriebene - neues Buch

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Inhaltsangabe:Einleitung: Das Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und Systeme IMSAS beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von Drehratensensoren, deren Strukturen Abmessungen im mü-m Bereich haben. Drehratensensoren (Gyroskope) dienen durch die Messung von Winkelgeschwindigkeiten der Stabilisierung von Systemen und finden neben dem KFZ-Bereich und der Medizintechnik unter anderem Anwendung bei der Steuerung von Navigationssystemen. Die Antriebsstrukturen werden über eindimensionale Resonatoren realisiert, die zur Nachbildung der Antriebsmoden von Drehratensensoren herangezogen werden, um eventuelle Quereinflüsse infolge der komplexen Strukturen zu eleminieren. Für die Funktion von mikromechanischen Drehratensensoren ist eine exakte Referenzbewegung der seismischen Masse von entscheidender Bedeutung, da die Amplitude der Referenzbewegung linear in das Nutzsignal des Sensors eingeht und bei geringer Antriebsenergie des Schwingers für eine hohe Auflösung möglichst groß sein muss. Die seismische Masse kann durch Nutzung der Lorentz-Kraft elektromagnetisch ausgelenkt und in Schwingung versetzt werden. Zur Kompensation von Störungen, die auf das mechanische System wirken, ist eine elektronische Amplitudenstabilisation erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Komponente eines mikromechanischen Drehratensensors zu realisieren. Die Komponente setzt sich aus einem elektromagnetisch anzutreibenden, lateral schwingenden Resonator und einer Auswerteelektronik mit anschließender Amplitudenstabilisierung der seismischen Masse zusammen. Zur Erstellung des Gesamtkonzeptes muss eine Evaluation der Stabilitätskriterien der Sensorkomponente unter Einbeziehung der bei der Fertigung der mechanischen Struktur auftretenden Toleranzen durchgeführt werden. Basierend auf dem von der Bosch Foundry EUROPRACTICE angebotenen Poly-Silizium Prozess ist ein Design für einen mikromechanischen Resonator zu entwerfen, der eine variable Schnittstelle zur diskret aufzubauenden Auswerteelektronik aufweist. Zur Anregung der Strukturen ist auf eine rechnergestützte Ansteuerung zurückzugreifen. Gang der Untersuchung: Die Arbeit beginnt mit der Darstellung der Funktionsweise von elektromagnetischen Antrieben und der mathematischen Beschreibung von gedämpften, frei schwingenden Feder-Masse Systemen. Es folgen die bezüglich des Aufbaus der Mikrostruktur durchgeführten notwendigen Vorüberlegungen und Untersuchungen unter FastCap, einem Programm zur Berechnung von Kapazitäten zwischen frei zu definierenden Körpern. Im Anschluss werden die Ergebnisse der Charakterisierung der gefertigten Designvarianten hinsichtlich benötigter Antriebsenergie und daraus resultierender Auslenkung, Resonanzfrequenz, Dämpfung und Güte der Strukturen dargestellt. Darauf aufbauend wird das Konzept zur Realisierung der Auswerteschaltung vorgestellt, mit dem Ziel, ein von der Auslenkung der seismischen Masse linear abhängiges Signal zu erhalten. Im Anschluss folgt die Charakterisierung der Detektionsschaltung, wobei auf die erreichte Auflösung der Detektion der Auslenkung näher eingegangen wird. Das nachfolgende Kapitel liefert eine Beschreibung der Stabilität des Systems des elektromagnetisch angetriebenen, eindimensionalen lateralen Resonators, den Möglichkeiten zur angestrebten Stabilisierung der Amplitude des Schwingers und die Darstellung des ausgearbeiteten Regelkreises. Im weiteren Verlauf wird die Umsetzung des Konzeptes zur Amplitudenstabilisierung dargestellt und das Systemverhalten bei offenem und geschlossenen Regelkreis untersucht. Im Anschluss folgt die Schlussbetrachtung. Folgende Arbeitspakete wurden in der Diplomarbeit behandelt: - Einarbeitung in die Theorie von elektromagnetischen Antrieben und in die allgemeine Theorie von gedämpften Feder-Masse-Systemen mit erzwungener Schwingung. - Designentwurf des mikromechanischen Resonators. - Charakterisierung der realisierten Designvarianten. - Entwurf der Detektionsschaltung zur Positionsbestimmung des Schwingers. - Fertigung der Auswerteelektronik mit anschließender Charakterisierung. - Konzeptionierung der Schaltung zur Amplitudenstabilisation der seismischen Masse. - Fertigung der Schaltung zur Amplitudenstabilisierung mit anschließender Charakterisierung. - Charakterisierung des Gesamtsystems. Inhaltsverzeichnis: Nomenklatur 1.Einleitung3 2.Theorie des elektromagnetischen Antriebes5 2.1Allgemeine Beschreibung des Systems5 2.2Kraftentwicklung des elektromagnetischen Antriebes7 3.Designentwurf12 3.1Überlegungen hinsichtlich der Positionsbestimmung des Schwingers12 3.2Darstellung der Designvarianten16 3.3Abschätzung der Resonanzamplitude22 3.4Strukturbewegung in z-Richtung24 3.5Analytische Berechnung der auslenkungsabhängigen Kapazitätsänderung24 4.Charakterisierung der Designvarianten28 4.1Resonanzamplitude und ¿frequenz28 4.2Resonanzfrequenz der Designvarianten30 4.2.1Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der angreifenden Kraft30 4.2.2Resonanzfrequenz in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck35 4.3Bewertung der theoretisch berechneten Resonanzfrequenz und der Amplitude39 4.4Dämpfung43 4.4.1Dämpfungseffekte43 4.4.2Analytische Berechnung der Dämpfung über die Güte47 5.Konzept der Detektionsschaltung49 5.1Grundlegende Überlegungen zur Konzeptionierung49 5.2Generierung eines von der Amplitude der seismischen Masse abhängigen Signals50 5.3Demodulation des Detektionssignals56 6.Charakterisierung der Detektionsschaltung62 6.1Aufbau der Detektionsschaltung62 6.2Funktionalität der Detektionsschaltung65 6.3Zusammenhang zwischen Auslenkung des Schwingers und Detektionsspannung67 6.4Reproduzierbarkeit der Messergebnisse70 7.Konzept der Schaltung zur Amplitudenstabilisation72 7.1Stabilitätsuntersuchung des Systems72 7.2Stabilisation der Amplitude über den Einsatz eines Gleichrichters73 7.3Stabilisation der Amplitude über ein modifiziertes Detektionssignal74 7.4Darstellung des konzipierten Regelkreises77 8.Charakterisierung der Schaltung zur Amplitudenstabilisation80 8.1Aufbau der Schaltung zur Amplitudenstabilisierung80 8.2Synchronisation von Antriebsspannung und Detektionssignal82 8.3Auflösung der Detektion der Auslenkung der seismischen Masse84 8.4Bildung der rückzukoppelnden Korrekturspannung86 8.5Systemverhalten im close-loop-Betrieb89 9.Schlussbetrachtung92 10.Literaturnachweis94 Anhang Entwurf Einer Sensorkomponente Eines Elektromagnetisch Angetriebene: Inhaltsangabe:Einleitung: Das Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und Systeme IMSAS beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von Drehratensensoren, deren Strukturen Abmessungen im mü-m Bereich haben. Drehratensensoren (Gyroskope) dienen durch die Messung von Winkelgeschwindigkeiten der Stabilisierung von Systemen und finden neben dem KFZ-Bereich und der Medizintechnik unter anderem Anwendung bei der Steuerung von Navigationssystemen. Die Antriebsstrukturen werden über eindimensionale Resonatoren realisiert, die zur Nachbildung der Antriebsmoden von Drehratensensoren herangezogen werden, um eventuelle Quereinflüsse infolge der komplexen Strukturen zu eleminieren. Für die Funktion von mikromechanischen Drehratensensoren ist eine exakte Referenzbewegung der seismischen Masse von entscheidender Bedeutung, da die Amplitude der Referenzbewegung linear in das Nutzsignal des Sensors eingeht und bei geringer Antriebsenergie des Schwingers für eine hohe Auflösung möglichst groß sein muss. Die seismische Masse kann durch Nutzung der Lorentz-Kraft elektromagnetisch ausgelenkt und in Schwingung versetzt werden. Zur Kompensation von Störungen, die auf das mechanische System wirken, ist eine elektronische Amplitudenstabilisation erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Komponente eines mikromechanischen Drehratensensors zu realisieren. Die Komponente setzt sich aus einem elektromagnetisch anzutreibenden, lateral schwingenden Resonator und einer Auswerteelektronik mit anschließender Amplitudenstabilisierung der seismischen Masse zusammen. Zur Erstellung des Gesamtkonzeptes muss eine Evaluation der Stabilitätskriterien der Sensorkomponente unter Einbeziehung der bei der Fertigung der mechanischen Struktur auftretenden Toleranzen durchgeführt werden. Basierend auf dem von der Bosch Foundry EUROPRACTICE angebotenen Poly-Silizium Prozess ist ein Design für einen mikromechanischen Resonator zu entwerfen, der eine variable Schnittstelle zur diskret aufzubauenden Auswerteelektronik aufweist. Zur Anregung der Strukturen ist auf eine rechnergestützte Ansteuerung zurückzugreifen. Gang der Untersuchung: Die Arbeit beginnt mit der Darstellung der Funktionsweise von elektromagnetischen Antrieben und der mathematischen Beschreibung von gedämpften, frei schwingenden Feder-Masse Systemen. Es folgen die bezüglich des Aufbaus der Mikrostruktur durchgeführten notwendigen Vorüberlegungen und Untersuchungen unter FastCap, einem Programm zur Berechnung von Kapazitäten zwischen frei zu definierenden Körpern. Im Anschluss werden die Ergebnisse der Charakterisierung der gefertigten Designvarianten hinsichtlich benötigter Antriebsenergie und daraus resultierender Auslenkung, Resonanzfrequenz, Dämpfung und Güte der Strukturen dargestellt. Darauf aufbauend wird das Konzept zur Realisierung der Auswerteschaltung vorgestellt, mit dem Ziel, ein von der Auslenkung der seismischen Masse linear abhängiges Signal zu erhalten. Im Anschluss folgt die Charakterisierung der Detektionsschaltung, wobei auf die erreichte Auflösung der Detektion der Auslenkung näher eingegangen wird. Das nachfolgende Kapitel liefert eine Beschreibung der Stabilität des Systems des elektromagnetisch angetriebenen, eindimensionalen lateralen Resonators, den Möglichkeiten zur angestrebten Stabilisierung der Amplitude des Schwingers und die Darstellung des ausgearbeiteten Regelkreises. Im weiteren Verlauf wird die Umsetzung des Konzeptes zur Amplitudenstabilisierung dargestellt und das Systemverhalten bei offenem und geschlossenen Regelkreis untersucht. Im Anschluss folgt die Schlussbetrachtung. Folgende Arbeitspakete wurden in der Diplomarbeit behandelt: - Einarbeitung in die Theorie von elektromagnetischen Antrieben und in die allgemeine Theorie von gedämpften Feder-Masse-Systemen mit erzwungener Schwingung. - Designentwurf des mikromechanischen Resonators. - Charakterisierung der realisierten Designvarianten. - Entwurf der Detektionsschaltung zur Positionsbestimmung des Schwingers. - Fertigung der Auswerteelektronik mit anschließender Charakterisierung. - Konzeptionierung der Schaltung zur Amplitudenstabilisation der seismischen Masse. - Fertigung der Schaltung zur Amplitudenstabilisierung mit anschließender Charakterisierung. - Charakterisierung des Gesamtsystems. Inhaltsverzeichnis: Nomenklatur 1.Einleitung3 2.Theorie des elektromagnetischen Antriebes5 2.1Allgemeine Beschreibung des Systems5 2.2Kraftentwicklung des elektromagnetischen Antriebes7 3.Designentwurf12 3.1Überlegungen hinsichtlich der Positionsbestimmung des Schwingers12 3.2Darstellung der Designvarianten16 3.3Abschätzung der Resonanzamplitude22 3.4Strukturbewegung in z-Richtung24 3.5Analytische Berechnung der auslenkungsabhängigen Kapazitätsänderung24 4.Charakterisierung der Designvarianten28 4.1Resonanzamplitude und ¿frequenz28 4.2Resonanzfrequenz der Designvarianten30 4.2.1Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der angreifenden Kraft30 4.2.2Resonanzfrequenz in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck35 4.3Bewertung der theoretisch berechneten Resonanzfrequenz und der Amplitude39 4.4Dämpfung43 4.4.1Dämpfungseffekte43 4.4.2Analytische Berechnung der Dämpfung über die Güte47 5.Konzept der Detektionsschaltung49 5.1Grundlegende Überlegungen zur Konzeptionierung49 5.2Generierung eines von der Amplitude der seismischen Masse abhängigen Signals50 5.3Demodulation des Detektionssignals56 6.Charakterisierung der Detektionsschaltung62 6.1Aufbau der Detektionsschaltung62 6.2Funktionalität der Detektionsschaltung65 6.3Zusammenhang zwischen Auslenkung des Schwingers und Detektionsspannung67 6.4Reproduzierbarkeit der Messergebnisse70 7.Konzept der Schaltung zur Amplitudenstabilisation72 7.1Stabilitätsuntersuchung des Systems72 7.2Stabilisation der Amplitude über den Einsatz eines Gleichrichters73 7.3Stabilisation der Amplitude über ein modifiziertes Detektionssignal74 7.4Darstellung des konzipierten Regelkreises77 8.Charakterisierung der Schaltung zur Amplitudenstabilisation80 8.1Aufbau der Schaltung zur Amplitudenstabilisierung80 8.2Synchronisation von Antriebsspannung und Detektionssignal82 8.3Auflösung der Detektion der Auslenkung der seismischen Masse84 8.4Bildung der rückzukoppelnden Korrekturspannung86 8.5Systemverhalten im close-loop-Betrieb89 9.Schlussbetrachtung92 10.Literaturnachweis94 Anhang Technology & Engineering / Electrical, Diplomica Verlag

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1. Auflage, 1. Auflage, [KW: PDF ,ELEKTRONIK,ELEKTROTECHNIK,NACHRICHTENTECHNIK ,TECHNOLOGY ENGINEERING , ELECTRICAL ,ELEKTRONIK ,NATURWISSENSCHAFTEN MEDIZIN INFORMATIK TECHNIK , TECHNIK , ELEKTRONIK ELEKTROTECHNIK NACHRICHTENTECHNIK ,LORENZKRAFT RESONATOR AUSWERTEELEKTRONIK DETE] <-> <-> PDF ,ELEKTRONIK,ELEKTROTECHNIK,NACHRICHTENTECHNIK ,TECHNOLOGY ENGINEERING , ELECTRICAL ,ELEKTRONIK ,NATURWISSENSCHAFTEN MEDIZIN INFORMATIK TECHNIK , TECHNIK , ELEKTRONIK ELEKTROTECHNIK NACHRICHTENTECHNIK ,LORENZKRAFT RESONATOR AUSWERTEELEKTRONIK DETE

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