Design und Simulation mikromechanischer Drehratensensoren
Design und Simulation mikromechanischer Drehratensensoren
Design und Simulation mikromechanischer Drehratensensoren
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BMBF-Verb<strong>und</strong>vorhaben<br />
Mangho<br />
Teilprojekt HSG-IMIT<br />
<strong>Design</strong> <strong>und</strong> <strong>Simulation</strong> <strong>mikromechanischer</strong><br />
<strong>Drehratensensoren</strong><br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Gliederung<br />
• Funktionsprinzip der <strong>Drehratensensoren</strong><br />
• Zielsetzungen <strong>und</strong> <strong>Design</strong>ansätze<br />
• <strong>Design</strong>-Flow (Sensitivitäts- <strong>und</strong><br />
Optimierungsanalysen)<br />
• Finite-Elemente <strong>Simulation</strong> <strong>und</strong><br />
Systemsimulation<br />
• Zusammenfassung <strong>und</strong> Ausblick<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
HSG-IMIT<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Sensors & Engineering Services<br />
HSG-IMIT Inertiale Sensorsysteme<br />
Accelerometer<br />
Gyroscopes<br />
Sensor<br />
Systems<br />
Navigation<br />
Logistics<br />
Medicine<br />
Sensor-Fusion<br />
Gyroscope,<br />
Accelerometer,<br />
Inclinometer,...<br />
New<br />
Technologies<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Sensors & Engineering Services<br />
HSG-IMIT Engineering Services<br />
FEM<br />
<strong>Simulation</strong><br />
Measurement<br />
Automation<br />
Electronic<br />
Systems<br />
Training<br />
&<br />
Consulting<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Gliederung<br />
• Funktionsprinzip der <strong>Drehratensensoren</strong><br />
• Zielsetzungen <strong>und</strong> <strong>Design</strong>ansätze<br />
• <strong>Design</strong>-Flow (Sensitivitäts- <strong>und</strong><br />
Optimierungsanalysen)<br />
• Finite-Elemente <strong>Simulation</strong> <strong>und</strong><br />
Systemsimulation<br />
• Zusammenfassung <strong>und</strong> Ausblick<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Gr<strong>und</strong>design<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Funktionsprinzip DAVED-LL<br />
fres ~ 8-10kHz<br />
Empfindliche<br />
Achse<br />
Detektionsrichtung<br />
Anregungsrichtung<br />
Anregungsrichtung<br />
Anregungsschwingung<br />
Detektionsschwingung<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Zielsetzungen <strong>und</strong> <strong>Design</strong>ansatz<br />
‣ Geringe Rauschleistungsdichte<br />
! Sensorinnendruck abhängig, Vakuumverkapselung (~ mBar) notwendig<br />
• Geringe mechanische Nichtlinearität für große Bewegungsamplituden bei<br />
hohen Güten<br />
• Kraftkompensationsmodus der Detektionsbewegung sinnvoll (z.B. höhere<br />
Bandbreite, geringere Nichtlinearität)<br />
‣ Geringer Quadraturfehler<br />
! Ursache u.a. durch technologisch bedingte Asymmetrien<br />
• Kompensationselektroden zur Minimierung des Quadraturfehlersignals<br />
‣ Geringe g-Empfindlichkeit<br />
• Kapazitives Differentialprinzip<br />
• Gegenphasenschwingende Strukturen<br />
‣ Geringe Temperaturempfindlichkeit<br />
• Kompensationselektroden für die Temperaturregelung<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Gliederung<br />
• Funktionsprinzip der <strong>Drehratensensoren</strong><br />
• Zielsetzungen <strong>und</strong> <strong>Design</strong>ansätze<br />
• <strong>Design</strong>-Flow (Sensitivitäts- <strong>und</strong><br />
Optimierungsanalysen)<br />
• Entwicklungsschwerpunkte<br />
• Analytische Modellierung (Matlab)<br />
• Numerische Modellierung (ANSYS)<br />
• Finite-Elemente <strong>Simulation</strong> <strong>und</strong><br />
Systemsimulation<br />
• Zusammenfassung <strong>und</strong> Ausblick<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
<strong>Design</strong>-Prozess<br />
‣ Parametrisierte Modellierung für Optimierungs- <strong>und</strong><br />
Sensitivitätsanalysen<br />
Matlab<br />
User Input /<br />
Range of<br />
Parameter<br />
Control Unit<br />
(Optimization &<br />
Sensitivity Process)<br />
Layout<br />
Simulink/Matlab<br />
Pre-processing<br />
System-<br />
Level<br />
<strong>Simulation</strong><br />
Post-processing<br />
Matlab<br />
Pre-processing<br />
Analytical<br />
<strong>Simulation</strong><br />
Post-processing<br />
ANSYS<br />
Pre-processing<br />
FEM<br />
<strong>Simulation</strong><br />
Post-processing<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
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1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Optimierungsprozess (Matlab, ANSYS)<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
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1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Nichtlinearitätsanalysen<br />
Nichtlineare Oszillatoren<br />
<strong>Simulation</strong> des Frequenzgangs<br />
1<br />
softening<br />
spring<br />
1.2 x 10 -5 frequency [Hz]<br />
optimized<br />
spring<br />
hardening<br />
spring<br />
0.8<br />
default<br />
spring<br />
Finite Elemente Modell (Submodell)<br />
amplitude [m]<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
9110 9112 9114 9116 9118 9120 9122 9124 9126 9128<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
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1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Übersicht der Sensorstrukturen<br />
Quadraturkompensation<br />
Gegenphasen-Schwinger<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
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1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Frequenzanalyse (FEM)<br />
fres ~9kHz<br />
fres ~10kHz<br />
fres > 20kHz<br />
fres > 40kHz<br />
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1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
<strong>Design</strong>-Prozess<br />
‣ Parametrisierte Modellierung für Optimierungs- <strong>und</strong><br />
Sensitivitätsanalysen<br />
Matlab<br />
User Input /<br />
Range of<br />
Parameter<br />
Control Unit<br />
(Optimization &<br />
Sensitivity Process)<br />
Layout<br />
Simulink/Matlab<br />
Pre-processing<br />
System-<br />
Level<br />
<strong>Simulation</strong><br />
Post-processing<br />
Matlab<br />
Pre-processing<br />
Analytical<br />
<strong>Simulation</strong><br />
Post-processing<br />
ANSYS<br />
Pre-processing<br />
FEM<br />
<strong>Simulation</strong><br />
Post-processing<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
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1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Systemsimulation (Digitales Ausleseverfahren)<br />
Signal<br />
Signal<br />
U<br />
U Sens or Sens or<br />
Vs<br />
Vs<br />
Amplitude<br />
Amplitude<br />
in<br />
in<br />
Volt<br />
Volt<br />
0.05<br />
0.05<br />
0<br />
0<br />
-0.05<br />
-0.05<br />
|F(k)|<br />
|F(k)|<br />
Vs<br />
Vs<br />
in<br />
in<br />
dB<br />
dB<br />
-40<br />
-40<br />
-60<br />
-60<br />
-80<br />
-80<br />
-100<br />
-100<br />
-120<br />
-120<br />
3.5<br />
3.5<br />
4<br />
4<br />
4.5<br />
4.5<br />
5<br />
5<br />
5.5<br />
5.5<br />
6<br />
6<br />
Zeit<br />
Zeit<br />
in<br />
in<br />
mSec<br />
mSec<br />
x<br />
x<br />
10 -3<br />
Magnitude 10 -3<br />
Magnitude<br />
of<br />
of<br />
U<br />
U Sens or Sens or<br />
Sek<strong>und</strong>ärsignalbereich<br />
Sek<strong>und</strong>ärsignalbereich<br />
f drive f<br />
=<br />
drive<br />
=<br />
1,4<br />
1,4<br />
kHz<br />
kHz<br />
f CS f<br />
=<br />
CS<br />
=<br />
500<br />
500<br />
kHz<br />
kHz<br />
Primärsignalbereich<br />
Primärsignalbereich<br />
f CP f<br />
=<br />
CP<br />
=<br />
583<br />
583<br />
kHz<br />
kHz<br />
5<br />
5<br />
5.1<br />
5.1<br />
5.2<br />
5.2<br />
5.3<br />
5.3<br />
5.4<br />
5.4<br />
5.5<br />
5.5<br />
5.6<br />
5.6<br />
5.7<br />
5.7<br />
5.8<br />
5.8<br />
Frequency<br />
Frequency<br />
in<br />
in<br />
Hz<br />
Hz<br />
x<br />
x<br />
10 5<br />
10 5<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
<strong>Design</strong>-Prozess<br />
‣ Parametrisierte Modellierung für Optimierungs- <strong>und</strong><br />
Sensitivitätsanalysen<br />
Matlab<br />
User Input /<br />
Range of<br />
Parameter<br />
Control Unit<br />
(Optimization &<br />
Sensitivity Process)<br />
Layout<br />
Simulink/Matlab<br />
Pre-processing<br />
System-<br />
Level<br />
<strong>Simulation</strong><br />
Post-processing<br />
Matlab<br />
Pre-processing<br />
Analytical<br />
<strong>Simulation</strong><br />
Post-processing<br />
ANSYS<br />
Pre-processing<br />
FEM<br />
<strong>Simulation</strong><br />
Post-processing<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
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1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Layoutgenerierung<br />
7 8 9 10 11<br />
6<br />
12<br />
5<br />
13<br />
4<br />
14<br />
3<br />
15<br />
2<br />
16<br />
1<br />
20<br />
19<br />
18<br />
17<br />
Hahn-Schickard-Gesellschaft<br />
Institut für Mikro- <strong>und</strong> Informationstechnik – www.hsg-imit.de<br />
1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Zusammenfassung<br />
‣ <strong>Simulation</strong> <strong>und</strong> <strong>Design</strong> mehrerer Sensorstrukturen<br />
entsprechend der Zielspezifikation von Mangho<br />
‣ Entwicklung eines parametrisierten <strong>Design</strong>-Prozess für<br />
mikromechanische Inertialsensoren auf SOI-Basis mit<br />
numerischer (ANSYS) <strong>und</strong> analytischer (Matlab)<br />
Modellierung<br />
‣ Schwerpunkt der Entwicklung (Optimierung)<br />
• Mechanische Nichtlinearität<br />
• Quadraturfehlerkompensation<br />
• g- bzw. Vibrationsempfindlichkeit<br />
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1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
Ausblick<br />
‣ Messtechnische Charakterisierung der neuen<br />
Sensorstrukturen (Labor)<br />
‣ Evaluierung der Sensoreigenschaften in Feldversuchen<br />
‣ Analyse der Einflussfaktoren der Technologie durch Si-<br />
Prozessierung <strong>und</strong> Aufbau- <strong>und</strong> Verbindungstechnik (AVT)<br />
‣ Implementierung zusätzlicher FE-Modelle<br />
(Querempfindlichkeiten, Sensorverhalten durch<br />
Vorspannungen,…)<br />
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1. Statusseminar BMBF-Projekt<br />
Mangho
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