Wissenschaftliche Publikationen "Elektronik"

Angestrebte Ziele:

• Charakterisierung und Analyse des Silizium-Elements ohne Einfluss der AVT
• Mechanische Ankopplung der Sensorchips an Werkstücke und Ermittlung der
• Sensorwerte bei unterschiedlicher Last und unter variablen Umgebungsbedingungen
• Modellierung und Simulation der an die Werkstücke gekoppelten Sensorchips und
• Verifizierung der Modelle durch Vergleich mit den Messdaten

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This work provides an analytical non-linear model for the capacitive transduction in MEMS transducers with perforated counter-electrodes, especially applicable to capacitive MEMS microphones. Starting from an electrostatic description of a perforated unit cell of the transducer, analytical formulations of the variable capacitance and electrostatic forces are derived, accounting for the deflection profile of a clamped circular plate. A lumped implementation into conventional circuit simulations tools is enabled via behavioral modeling based on hardware description languages, such as Verilog-A. Therefore, the analytical model is approximated via Taylor series expansions, allowing for a stable and non-linear behavioral implementation. The resulting model finally enables both a small- and large-signal analysis of capacitive MEMS microphones, precisely accounting for non-linearities in the capacitive transduction. This allows to simulate the harmonic distortion of the microphone's output signal and to account for electrostatic spring-softening in simulations of its bias voltage dependent sensitivity.
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Auf 2D-Plattengeometrien aus duroplastischen Werkstoffen ohne laseraktivierbare Additive und mit unterschiedlichen Füllstoffzusammensetzungen wurde eine Prozesskette zur selektiven, volladditiven Metallisierung erarbeitet. Diese umfasst die Schritte Laserstrukturierung, Aktivierung, Spülprozess und außenstromlose Metallisierung. Mit individuell angepassten Prozessparametern konnte auf allen getesteten Substratmaterialien eine selektive Metallisierung mit ausreichender Haftfestigkeit erzeugt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden in Kombination mit Laserbohrungen elektrisch leitfähige Durchkontaktierungen und Blindvias hergestellt. In der letzten Iteration wurde ein 3D-Demonstrator entwickelt. Die Entwicklung umfasste dabei sowohl die Konstruktion, also auch Simulation, Werkzeugbau und Spritzgießen, sowie die zuvor erarbeiteten Prozessschritte. Hierbei wurde ein Siliziumchip im Spritzgießverfahren innerhalb eines 3D-Duroplastpackage verkapselt und über lasergebohrte Blindvias ankontaktiert, um so eine elektrische Verbindung zwischen dem verkapselten Chip und den 3D-Leiterbahnstrukturen auf der Oberfläche des Duroplastpackage zu generieren.

Auf Grund der speziellen Werkstoffeigenschaften ergeben sich neue potenzielle Anwendungsmöglichkeiten für MID-Bauteile auf Duroplastbasis. Die für Kunststoffe hohe Temperaturstabilität, chemische Beständigkeit und der geringe thermische Ausdehnungskoeffizient machen MID auf Duroplastbasis prädestiniert für die Herstellung robuster und zuverlässiger räumlicher Schaltungsträger. Die Fähigkeit zur Verkapselung und Ankontaktierung von elektronischen und mechatronischen Komponenten innerhalb komplexer, spritzgegossener Bauteile eröffnet die Möglichkeit zur Steigerung der Funktionsintegration und Miniaturisierung. Potentielle Anwendungsbereiche sind Automotive, Sensorik, Automatisierungstechnik, Medizintechnik sowie Informations- und Kommunikationstechnik.

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Ziel des Projektes war ursprünglich die Entwicklung eines dreiachsigen (vektoriellen), richtungsinvarianten Hochtemperatur-Strömungssensors. Im Projektverlauf wurden die Ziele jedoch neu justiert und der Fokus auf einen einachsigen, richtungsinvarianten Strömungssensor gerichtet, da ein solcher bisher, insbesondere für kleine Strömungsgeschwindigkeiten und hohen Umgebungstemperaturen, noch nicht am Markt verfügbar ist, sodass ein größeres Vermarktungspotential möglich erschien.

Im Verlauf des Projektes wurden ein bestehendes, kommerziell verfügbares Sensorelement hochtemperaturtauglich ausgeführt, eine hochtemperaturtaugliche Aufbau- und Verbindungstechnik für dieses entwickelt, um daraus eine hochtemperaturtaugliche Sensorsonde aufzubauen. Darüber hinaus wurde eine Ausleseelektronik samt Firmware und PC-Software im Sinne eines Demokits für den Strömungssensor entwickelt. Mit diesem wurden zahlreiche Messungen in einem Hochtemperaturströmungskanal durchgeführt und Messergebnisse ausgewertet. Es konnte gezeigt werden, dass die Sensoren bis Temperaturen über 400°C funktionieren und Messdaten liefern. Bis zu einer Markteinführung sind jedoch noch weitere Tätigkeiten erforderlich.

PDF des Abschlussberichts BW-CPS

Radio frequency reflectometry is widely used in non-destructive characterization of various materials and can also be applied to automatic impedance matching systems in telecommunication devices. Here, a novel, low cost, software defined approach for measuring the reflection coefficient without using mixers or power detectors is proposed, enabled by using under-sampling down-conversion with an analog-digital-converter. Minimizing the analog part of the system removes possible error sources and a modular design allows application in different fields as well as an implementation as an integrated circuit. Computer simulations as well as measurement results on a printed circuit board setup for a system frequency of 400 MHz are presented, permitting extrapolation to other ultra-high frequencies.

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