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Oliver Nehrig :
Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Standort Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik, 2003-04-04
BetreuerIn: Prof. Dr.-Ing. Horst-Lothar Fiedler , Universität Duisburg-Essen, Standort Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Horst-Lothar Fiedler , Universität Duisburg-Essen, Standort Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr. rer.nat. Wilfried Mokwa , RWTH Aachen, Fakultät für Elektrotechnik, Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik
Schlüsselwörter in Englisch: differential capacitance readout, sensor readout circuit
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Abstrakt in Deutsch
Während bis vor einigen Jahren Beschleunigungssensoren lediglich für seismische Messungen oder in der Luft- und Raumfahrt verwendet wurden, erschließen sie nunmehr immer neue Arbeitsfelder. Zu nennen wäre da zum Beispiel die Überwachung von Maschinen und deren Diagnose. Auch im Automobilsektor haben Beschleunigungssensoren längst ihre Arbeit aufgenommen, zum Auslösen eines Airbags oder Detektieren im Zusammenspiel mit anderen Sensoren Fahrzustände für eine Fahrsicherheitsregelung.Im Bereich großer Maschinen allerdings ist der Einsatz von Beschleunigungssensoren bislang kaum oder überhaupt nicht untersucht worden.Gerade aber die Mikromechanik bietet hier entscheidene Vorteile. Mikromechanische Beschleunigungssensoren mit On-Chip-Signalverarbeitung können die benötigten Informationen noch im Sensor selbst erfassen und in ein störungssicheres Datenformat umsetzen, die dann an zum Beispiel einen Bediener oder steuernden Rechner übermittelt wird.Außerdem können mikromechanische Sensoren in Batch-Fertigung hergestellt werden, was sich positiv auf die entstehenden Kosten auswirkt, ohne eine gleichzeitige Einbuße der Performance zu verursachen.Es wurde ein Sensorsystem entwickelt, daß den speziellen Anforderungen bei Schwerlasthand-habungssystemen genügt. Es erfolgte eine Anpassung der Sensorstruktur, die auf die Beschleunigungswerte eines Schwerlasthandhabungssystems zugeschnitten ist.Außerdem wird eine neuartige, nahezu rein digitale Auswertungsschaltung erstellt, die es erlaubt, nicht nur hochgenaue Beschleunigungsdaten zu erfassen, sondern darüber hinaus auch Schockbeschleunigungen zu erkennen, wie sie zum Beispiel bei einer Kollision eines Großmanipulators mit seiner Umwelt auftreten.Erste Messungen mit den gefertigten Sensorstrukturen und der Ausleseelektronik unterstreichen dann die Performance des entwickelten Systems.
Abstrakt in Englisch
In the past, acceleration sensors have merely been used for measurements of earthquakes or in aerospace. But in the last years they have been more interesting for monitoring and diagnostics on machines. The automobile sector is another new working field of an acceleration sensor, for example as airbag-sensor or for driving safety control.The application of an acceleration sensor in heavy and large machines has not been researched yet.Even the silicon micromechanic has decisive advantages. Micromechanic acceleration sensors with on-chip readout circuits can detect the susceptible small signals and translate them into an interference proofed signal, such as a digital dataformat.Micromechanical sensors are produced in batch-fabrication, whitch causes low costs concurrently with consistent high performance.In this work a sensorsystem has been developed that fulfils the special requirements of heavyload manipulation systems. The geometrical structure of the sensor has been adjusted, so that the acceleration range of a large manipulator is detectable.In addition, a new nearly exclusive digital readout circuit has been developed. This special circuit allows the measurement of slow, high precision accelerations at the same time with very fast and high accelerations that can happen for example at a collision of an heavy roboter with his working area.First measurements with the fabricated sensorstructures and the readout circuit shows the performance of the design.
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