Ortsauflösende Induktivsensorik - eti.uni-siegen.de · tiv und induktiv) können in einem...
2
Elektrotechnik und Informatik Ortsauflösende Induktivsensorik Information, Kontakt, Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Dietmar Ehrhardt Telefon +49 271/740 4766 [email protected] Dipl.-Ing. Stefan Hoberg Telefon +49 271/238 538 822 [email protected] 2.01 19092011 Wissenschaftliche Ziele • Entwicklung eines neuartigen und innovativen induktiven Sensors mit einem industriellen Kooperationspartner. • Entwurf und Fertigung eines produktnahen integrierten induktiven Näherungssensors, der die Eigenschaften hohe Messrate, Robustheit, Einfachheit und Kosteneffizienz in einem Produkt bündelt. • Fortgeschrittene Sensorkonzepte ermöglichen durch die Realisierung von integrierten Sensoren einen räumlich bzw. einen ortsaufgelösten Eindruck der Umgebung des Sensors. • Die Forschung auf dem Gebiet ortsauflösender Induk- tivsensorik soll als zukünftiger Schwerpunkt im Institut ausgebaut werden und eine Plattform für industrienahe Forschung auf diesem Gebiet ermöglichen. • Studierende werden durch die industrienahe Kooperation motiviert und können auf dem Gebiet der ortsauflösenden Induktivsensorik ihre Abschlussarbeiten absolvieren.
Transcript of Ortsauflösende Induktivsensorik - eti.uni-siegen.de · tiv und induktiv) können in einem...
Elektrotechnik und Informatik
Ortsauflösende Induktivsensorik
Information, Kontakt, Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Dietmar EhrhardtTelefon +49 271/740 [email protected]
Dipl.-Ing. Stefan HobergTelefon +49 271/238 538 [email protected]
2.01 19092011
Wissenschaftliche Ziele
• EntwicklungeinesneuartigenundinnovativeninduktivenSensorsmiteinemindustriellenKooperationspartner.
• Entwurf und Fertigung eines produktnahen integrierteninduktivenNäherungssensors,derdieEigenschaftenhoheMessrate, Robustheit, Einfachheit und Kosteneffizienz ineinemProduktbündelt.
• Fortgeschrittene Sensorkonzepte ermöglichen durch dieRealisierung von integrierten Sensoren einen räumlichbzw. einen ortsaufgelösten Eindruck der Umgebung desSensors.
•Die Forschung auf dem Gebiet ortsauflösender Induk-tivsensorik soll als zukünftiger Schwerpunkt im Institutausgebaut werden und eine Plattform für industrienaheForschungaufdiesemGebietermöglichen.
•Studierendewerdendurchdie industrienaheKooperationmotiviertundkönnenaufdemGebietderortsauflösendenInduktivsensorikihreAbschlussarbeitenabsolvieren.
MotivationEinehäufigeAufgabevonSensorenistdieErfassungvonPositi-onen,wobeiinderRegelWeg-undWinkelpositionengemessenwerden. Positionssensoren werden in unterschiedlichsten An-wendungenverwendet,z.B. inderAutomatisierungstechnikzurErfassungvonAbständenoderFüllständenoderinderAutomo-bilindustrie zur Erfassung von Pedal- oder Drosselklappenstel-lungen.MitderHilfevonSchleifkontakten,wiediesezumBeispielinPo-tentiometernverwendetwerden,kanneinePositionsehreinfachin ein elektrisches Signal gewandelt werden. FortschrittlichereSensoren erhöhen die Robustheit gegenüber Abrieb, Schwin-gungsbelastungen,etc.deutlich,indemdiePositionssensorenalsNäherungssensorenausgeführtwerden.Somitwirddieprinzip-bedingteEigenschaftdeutlich:EinNäherungssensorerfasstdiePositionkontaktlos.UnterschiedlichstetechnischeAnsätze(resistiv,optisch,kapazi-tivund induktiv)können ineinemNäherungssensoreingesetztwerden,umeineInformationüberdieUmgebungzuermitteln.InduktiveNäherungssensoren bieten eine robuste und kosten-günstige Lösung, leitende Objekte im näheren Umfeld des
Sensorszudetektieren.GrundsätzlicharbeitendieSensorennach dem Prinzip, dass eine sich zeitlich verändernde
magnetischeFlussdichteerzeugtwird,diedieUmge-bungdesSensorsdurchflutet.Fallseineleitende
OberflächeeinesObjektesvonderFlussdichtedurchflutet wird, erzeugen Wirbelströme
in der Oberfläche des Objektes eineweitere Flussdichte, wobei sich dieursprünglicheDichteunddiedurchdieWirbelströmeerzeugteüber-lagern. Die Abweichung derinitialen Flussdichte durchdie Superposition äußertsich in einer Änderungder Amplitude und derPhase, was messtech-nisch erfasst wird.Hierin wird eine ent-scheidende Heraus-forderungdeutlich,die
Fähigkeit eine Information über die Position bei sehr geringenSignaländerungensicherabzuleiten.UnterrealenBedingungenüberlagertsichzudemeinFremdfeld,dessenAmplitude einVielfaches der erzeugtenAmplitude be-tragen kann. Eine der Anforderungen an einen Induktivsensorist, dass einObjekt, selbst unter widrigen Bedingungen durcheinsichsuperpositionierendesFremdfeld,zuverlässigdetektiertwird.DieSignaländerungisteineFunktiondesAbstandesundderMaterialeigenschaftendesObjektes.UnterBenutzungnachrich-tentechnischerTheorien ist esmöglich, trotzvielfach größererFlussdichtendurchdasFremdfelddieSignaländerung,diedurchdasObjektverursachtwird,imerzeugtenWechselfeldzufilternundauszuwerten.
Forschungsziel
ImInstitutfürMikrosystemtechnikwirdeinneuartigesinduktivesSensorkonzeptentwickelt,welchesdurcheinLock-inVerfahrensehrschmalbandig,d.h.mitgroßemSignal-Rausch-AbstandÄn-derungendurchSuperposition erfasst.Gegenwärtige induktiveSensoren bieten eine eindimensionale Detektion der Positionbzw. eineMessung der Positionsänderung, wobeimit dem in-duktiven Lock-inVerfahren eine vollständige dreidimensionalePositionsmessungdurchgeführtwerdenkann.DurcheineTrennungdesSende-unddesEmpfangsteilskannderEmpfänger(imPrinzipauchderSender)ineinemCMOSProzessintegriertwerden.
system level
algorithm level
RT level
functional level
logic level
schematic
GDSII
geometrical domain
behav
ioraldomainstructural domain
IneinerindustriellenKooperationwirdeinSensorsystementwi-ckelt,dasmehrdimensionalleitendeObjekteinseinerUmgebungerfasst.ZumeinenkanndiesdurchmatrixförmigeAnordnungenvon einfachen Hallelementen bzw. magnetisch sensitiver Ele-mente erfolgen, zum anderen durch dreidimensional sensitivemagnetischeElemente.Die industrielleKooperation istsoaus-gerichtet, dass die Entwicklung des Sensorsystems definierteApplikationsfelderfokussiert.
Wissenschaftliche Methodik und Ausstattung
DasInstitutfürMikrosystemtechnikderUniversitätSiegenistmitmodernsten EDA-Tools ausgestattet. In der Chip-Entwicklungwird das Design Framework des Softwareherstellers Cadenceeingesetzt. Dieses bietet, wie andere EDA-Tool-Hersteller, dieMöglichkeit den vollständigen Entwicklungsprozess innerhalbeinereinzigenSoftwareumgebungumzusetzen.DieEntwicklungeinesinduktivenSensorserfolgtineinemTop-Down-Design-Flow.DurchdiesestypischeVorgehenminimiertsichdasEntwicklungsrisikotrotzderhohenKomplexität. Eineabstrakte BeschreibungdesSystems unddesAlgorithmusbzw. des Verhaltens wird in einem mathematischenModell z.B. inMatlab erstellt. Basierend aufdiesenErkenntnissenwirddasSystemineinerMixed-Si-gnal-Sprachedargestellt,dievondemFrame-work des Entwurfswerkzeugs interpretiertundsimuliertwerdenkann.Einelangjäh-rigeExpertisemitderModellierunginVHDL-AMSistamInstitutvorhan-den. Mit den Erkenntnissen ausden Verhaltenssimulationenwerdendie einzelnenKom-ponenten des Sensorsy-stemsineineSchaltungund anschließend indasLayoutüberführt.Durch permanenteVerifikation re-duziert sich dasEntwicklungsrisikozusätzlich.
