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Optimierung von Drucksensormembranen

Krah, Thomas (2004):
Optimierung von Drucksensormembranen.
Technische Universität Darmstadt, [Diploma Thesis or Magisterarbeit]

Abstract

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Diplomarbeit soll die Form von Trennmembranen in der Art optimiert werden, dass sie den Druckanstieg in einem Sensorgehäuse, der auf Grund der Ausdehnung des sich darin befindlichen Öls entsteht, möglichst gering halten. Für die Optimierung werden analytische Berechnungen durchgeführt und der Optimierungsprozessor des Finite Elemente-Programms Ansys herangezogen. Das Ziel, die Druckänderung im Gehäuse gegen Null gehen zu lassen, wird auf zwei Wegen versucht zu erreichen. Zum einen wird die Nachgiebigkeit der Membran maximiert und zum anderen wird versucht, dass sich die Membran durch die Temperaturänderung so verformt, dass sie die Änderung des Ölvolumens ausgleicht.

Die Optimierung von Membranen mittels analytischer Berechnungen ist nur begrenzt möglich. Die Gleichungen, die von Mario Di Giovanni zusammengetragen und für den Konstrukteur verständlich aufbereitet und angepasst wurden, sind lediglich Näherungslösungen für die Differentialgleichungen, die sich aus der Plattentheorie ergeben. Jede dieser Gleichungen ist nur für eine bestimmte Membranform gültig. Zudem sind enge Randbedingungen einzuhalten, um die einzelnen Gleichungen anwenden zu können. Bei der analytischen Betrachtung von Membranen besteht also das Problem, dass man auf eine bestimmte Membranform festgelegt ist und nur wenige Parameter wie z. B. die Membrandicke und die Wellenhöhe in engen Grenzen variieren kann.

Um die Probleme der analytischen Berechnung zu umgehen, wird die Finite Elemente Methode verwendet. Ausgehend von der Membran, die in der Dissertation „Miniaturisierte korrosionsfeste Gehäuse für Silizium-Drucksensoren“ entwickelt worden ist, ist ein Modell der Membran erzeugt worden, mit dem neben der reinen Druckbeaufschlagung zusätzlich temperaturbedingte Effekte wie die Ausdehnung des im Sensorgehäuse befindlichen Öls oder die Durchmesseränderung der Membran simuliert werden können. Das erzeugte Modell ist dann dem Optimierungsprozessor des Programms Ansys zugeführt worden.

Bei der Optimierung im Optimierungsprozessor von Ansys sind die x- und y-Koordinaten der Punkte aus denen die Membran modelliert worden ist und die Membrandicke verändert worden. Dabei konnte bei der Minimierung der Federrate diese um bis zu 28% gesenkt werden. Somit kann eine Reduzierung des Druckanstiegs bei Temperaturerhöhung um 30% erreicht werden. Bei der Optimierung hinsichtlich einer Nachführung der Membran konnte ein Druckanstieg nicht verhindert werden. Er konnte jedoch um 40% verringert werden.

Item Type: Diploma Thesis or Magisterarbeit
Erschienen: 2004
Creators: Krah, Thomas
Title: Optimierung von Drucksensormembranen
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Diplomarbeit soll die Form von Trennmembranen in der Art optimiert werden, dass sie den Druckanstieg in einem Sensorgehäuse, der auf Grund der Ausdehnung des sich darin befindlichen Öls entsteht, möglichst gering halten. Für die Optimierung werden analytische Berechnungen durchgeführt und der Optimierungsprozessor des Finite Elemente-Programms Ansys herangezogen. Das Ziel, die Druckänderung im Gehäuse gegen Null gehen zu lassen, wird auf zwei Wegen versucht zu erreichen. Zum einen wird die Nachgiebigkeit der Membran maximiert und zum anderen wird versucht, dass sich die Membran durch die Temperaturänderung so verformt, dass sie die Änderung des Ölvolumens ausgleicht.

Die Optimierung von Membranen mittels analytischer Berechnungen ist nur begrenzt möglich. Die Gleichungen, die von Mario Di Giovanni zusammengetragen und für den Konstrukteur verständlich aufbereitet und angepasst wurden, sind lediglich Näherungslösungen für die Differentialgleichungen, die sich aus der Plattentheorie ergeben. Jede dieser Gleichungen ist nur für eine bestimmte Membranform gültig. Zudem sind enge Randbedingungen einzuhalten, um die einzelnen Gleichungen anwenden zu können. Bei der analytischen Betrachtung von Membranen besteht also das Problem, dass man auf eine bestimmte Membranform festgelegt ist und nur wenige Parameter wie z. B. die Membrandicke und die Wellenhöhe in engen Grenzen variieren kann.

Um die Probleme der analytischen Berechnung zu umgehen, wird die Finite Elemente Methode verwendet. Ausgehend von der Membran, die in der Dissertation „Miniaturisierte korrosionsfeste Gehäuse für Silizium-Drucksensoren“ entwickelt worden ist, ist ein Modell der Membran erzeugt worden, mit dem neben der reinen Druckbeaufschlagung zusätzlich temperaturbedingte Effekte wie die Ausdehnung des im Sensorgehäuse befindlichen Öls oder die Durchmesseränderung der Membran simuliert werden können. Das erzeugte Modell ist dann dem Optimierungsprozessor des Programms Ansys zugeführt worden.

Bei der Optimierung im Optimierungsprozessor von Ansys sind die x- und y-Koordinaten der Punkte aus denen die Membran modelliert worden ist und die Membrandicke verändert worden. Dabei konnte bei der Minimierung der Federrate diese um bis zu 28% gesenkt werden. Somit kann eine Reduzierung des Druckanstiegs bei Temperaturerhöhung um 30% erreicht werden. Bei der Optimierung hinsichtlich einer Nachführung der Membran konnte ein Druckanstieg nicht verhindert werden. Er konnte jedoch um 40% verringert werden.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Federrate Trennmembran, Membranmodellierung, Membrantheorie, Simulationsprogramm ANSYS, Temperaturverhalten Trennmembran
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 06 Sep 2011 16:37
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1564

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 03-05-2004

Ende Datum: 06-08-2004

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

Identification Number: 17/24 EMKD 1564
Referees: Wohlgemuth, Dipl.-Ing. Christian and Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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