Lernen Sie Mikrosysteme, deren Konstruktionselemente und die Modellierung auf Systemebene kennen
Entwurf und Entwicklung von Mikrosystemen
Inhalte des Kurses
Im ersten Teil "Grundlagen" werden Grundbegriffe und Konstruktionselemente der Mikrosystemtechnik eingeführt und erläutert. Diese ermöglichen das prinzipielle und quantitative Verständnis der verschiedenen Typen von Sensoren und Aktoren, sowie der Technologie, die zu ihrer Herstellung dienen. Die Konstruktionselemente werden mathematisch-physikalisch eingeführt, sodass die Basis für einen quantitativen Entwurf gelegt wird. Ferner werden erfolgreiche Mikrosysteme im Sinn des "reverse engineering" in ihre Einzelteile zerlegt und auf ihre Leistungskennzahlen untersucht. Auf den ersten Blick komplex erscheinende Systeme werden dadurch handhabbar, verständlich und optimierbar, d.h. konstruierbar. Abschließend werden Teststruktur-basierte Ansätze zur Messung elektrischer, mechanischer und thermischer Materialgrößen von Mikrosystemtechnik-Materialien beschrieben, welche direkt die Kennzahlen der daraus aufgebauten Mikrowandler bestimmen.
Der zweite Teil widmet sich der Betrachtung der Systemebene. Zunächst werden Kriterien für die Stabilität geregelter Systeme dargestellt und eine allgemeine Methode zum Reglerentwurf für solche Systeme erläutert. Dabei werden verschiedene Arten von Reglern für Systeme vorgestellt. Des Weiteren wird die Software MATLAB als numerisches Werkzeug aufgezeigt, mit dem die im Vorfeld diskutierten Methoden am Rechner umgesetzt werden können. In einer solchen Softwareumgebung können Systeme modelliert und simuliert werden, um die Systemeigenschaften im Voraus zu analysieren.
Der dritte Teil vermittelt Kenntnisse in Entwurf und Verfeinerung von Mixed-Domain Systemen. Dargestellt wird zunächst die Schaltungssimulation, die sich mit den elektrischen Repräsentationen einer Schaltung befasst. Ausgehend von den Kirchhoffschen Gleichungen und der Bauelementegleichungen werden die unterschiedlichen Arten und Möglichkeiten der Schaltungsanalyse gezeigt. Dazu zählen Gleichstrom- bzw. DC-Analyse, modifizierte Knotenspannungsanalyse, Wechselstrom- bzw. AC-Analyse und dynamische Simulation bzw. Transienten-Analyse. Weitere Themen sind die Linearisierung von Bauelementekennlinien und der prinzipielle Ablauf einer Analog-Simulation in einem Simulator. Es folgt eine Einführung in die Methodik und den Nutzen der Verhaltensbeschreibung analoger Schaltungen und Systeme durch analoge Hardwarebeschreibungssprachen.
Den Abschluss dieses Teils bildet die Diskussion von Ausleseschaltungen für Sensoren.
Im letzten Teil wird eine kurze Einführung in die Möglichkeiten der Finite-Elemente-Methode (FEM) als numerisches Simulationswerkzeug für die Mikrosystemtechnik gegeben.
Unsere Dozenten
Prof. Dr. Oliver Paul
Institut für Mikrosystemtechnik
E-Mail: paul(at)imtek.de
Telefon: +49 (0) 761 203-7191
Prof. Dr. Leonhard Reindl
Institut für Mikrosystemtechnik
E-Mail: reindl(at)imtek.de
Telefon: +49 (0) 761 203-7221
Prof. Dr. Yiannos Manoli
Institut für Mikrosystemtechnik
E-Mail: ymanoli(at)imtek.de
Telefon: +49 (0) 761 203-7590
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Wofür können die Inhalte verwendet werden?
- Zum Entwurf und der Konstruktion von Mikrosystemen.
- Zur Ermittlung elektrischer, thermischer und mechanischer Materialgrößen.
- Zur Konzeption und Dimensionierung von thermischen und mechanischen Mikrosensoren auf der Basis von CMOS-Technologie.
- Zur Implementierung von Teststrukturen und -prozeduren für die Qualitätskontrolle von elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften dünner Schichten für die Mikrosensorik.
- Zur Analyse von Systemeigenschaften wie z.B. der Stabilität und Anwendung entsprechender Kriterien (z.B. für geregelte Systeme).
- Methodik und Nutzen von Hardwarebeschreibungssprachen (z.B. Modellierung einer Ausleseschaltung für einen Beschleunigungssensor).
- Konzeption, Modellierung und Realisierung von Sensorsystemen (z.B. Beschleunigungssensor mit integrierter Ausleseschaltung).
- Tieferes Verständnis für den Entwurfsablauf zur Implementierung mikrosystem-technischer Komponenten und Systeme.
- Zur Analyse der Verformung und Beanspruchung einer Sensormembran unter Druckbeaufschlagung (Methodik und Anwendung der Finite-Elemente-Methode).
Weitere praktische Beispiele:
- Tempomat für Automobile
- Autopilot für Flugzeuge
- Teleskop Nachführung
- Servocontroller in Roboterarmen
- Raketenantriebslage Controller
- Temperaturregelungssysteme für Öfen oder Kühlräume
- CD oder DVD-Geschwindigkeitsregelung
