Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Volltext zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-705467
Dorwarth, Markus
Mehner, Jan (Prof. Dr.-Ing. habil.) ; Schrag, Gabriele (Prof. Dr. rer. nat. habil.) Gutachter)
Mikromechanische Drehratensensoren: Simulation mechanischer Nichtlinearitäten sowie des Einflusses der Aufbau- und Verbindungstechnik
Kurzfassung in deutsch
Die komplexen Strukturen von MEMS-Drehratensensoren führen immer wieder zu Herausforderungen bei der Systembeschreibung. Die zunehmende Miniaturisierung der Bauteile steigert den Einfluss von mechanischen Nichtlinearitäten und AVT-Einflüssen. Daher sind ein tiefer gehendes Verständnis dieser Effekte und verbesserte Simulationsmethoden zur effizienten Entwicklung neuer Sensoren von großer Bedeutung.In dieser Arbeit wird die TPWL-Methode, ein Ansatz für ein transientes nichtlineares ROM, vorgestellt und erfolgreich auf MEMS-Drehratensensoren angewendet. Im Fokus der Untersuchungen stehen die Implementierung der Methode und die Zeitersparnis gegenüber FE-Simulationen - diese beträgt bis zu 3 Größenordnungen. Weiterhin finden sich Untersuchungen der ROM-Daten, mit einem Schwerpunkt auf deren Interpretation, in den Ausführungen. Hierdurch werden Limitierungen, Rahmenbedingungen und Aussagekraft der Methodik aufgezeigt. Diese Erkenntnisse ermöglichen es, zukünftige Simulationen durch geeignet gewählte Parameter und Trainingsdaten effektiv aufzusetzen. Es werden TPWL-Ansätze auf Basis von POD und modaler Superposition verglichen, um systematische Vorteile der POD zu erklären. Die Validierung der Modelle erfolgt qualitativ sowie mit Messungen, analytischen und FE-Rechnungen.
Bestehende Ansätze zur Simulation von AVT-Einflüssen, mit einem Schwerpunkt auf mechanischen Stresswirkpfaden, auf MEMS-Drehratensensoren werden untersucht und erweitert. Als Basis für Package- und statische Struktursimulationen dienen FE-Modelle und für die transiente Systemsimulation ein ROM. Es stehen Verständnis und Analyse der Wirkpfade im Vordergrund. Die resultierenden Erkenntnisse werden erfolgreich in die Modelle eingebracht. Ein einfacher, dennoch aussagekräftiger Ansatz zur Abschätzung des Drehraten-Offsets gestresster Sensoren wird vorgestellt. Zudem wird ein vielversprechendes neuartiges FE-Modell zur Simulation von Die-attach- und Lötsimulationen hergeleitet. Oberflächen- und Signalmessungen von durch eine Leiterplattenbiegung gestressten Sensoren dienen zur Validierung.
Die vorgestellten Modelle werden erfolgreich validiert und können zukünftig zur Optimierung des Entwicklungsprozesses von MEMS-Drehratensensoren verwendet werden.
Kurzfassung in englisch
The complex structures of MEMS yaw-rate sensors continuously lead to challenges in their system description. The continuing miniaturization of the components increases the effects of mechanical nonlinearities and packaging influences. Therefore, a deeper understanding of these effects and improved simulation methods are of great importance for the efficient development of new sensors.In this work the TPWL-method, an approach for a transient nonlinear ROM, is introduced and successfully applied to MEMS yaw-rate sensors. The focal points of the study, are the implementation of the method, and the time savings compared to FE-simulations; which are up to 3 magnitudes. Furthermore, the analysis of the ROM-data with a focus on its interpretation is included. This highlights limits, boundary conditions and the informative value of the method. These insights enable the future set up of simulations effectively with appropriately chosen parameters and training data. TPWL-approaches with POD and modal superposition are compared to highlight systematic advantages of the POD. The validation of the models is realized qualitatively as well as with measurements, analytical and FE-calculations.
Existing approaches for the simulation of packaging influences with a focal point on mechanical stress root causes are studied and extended. As a baseline for package and static structure simulations FE-models are used, and for transient system simulations a ROM is used. Understanding and analysis of the root causes stand in the foreground. The resulting insights are successfully implemented into the models. A simple but significant approach for an estimation of the yaw-rate offset of stressed sensors is introduced. Additionally, a promising and new FE-model for the simulation of die attach and solder simulations is derived. Surface and signal measurements of sensors, stressed by the bending of a printed circuit board, serve for validation.
The introduced models were validated successfully and can be used in the future to optimize the development process of MEMS yaw-rate sensors.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Mikrosysteme und Medizintechnik | |
| Fakultät: | Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Mehner, Jan (Prof. Dr.-Ing. habil.) ; Schmidt, Benjamin (Dr. rer. nat.) | |
| URL/URN: | https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-705467 | |
| SWD-Schlagwörter: | MEMS , Drehratensensor , Ordnungsreduktion , Nichtlineares Phänomen , Belastung |
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| Freie Schlagwörter (Deutsch): | MEMS-Drehratensensor , Nichtlinearität , TPWL , AVT-Stress , Die-attach-Simulation | |
| Freie Schlagwörter (Englisch): | MEMS yaw-rate sensor , nonlinearity , TPWL , packaging stress , die attach simulation | |
| DDC-Sachgruppe: | Ingenieurwissenschaften | |
| Sprache: | deutsch | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 07.01.2020 |
