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Aufbau und Test eines piezoresistiven Kraftmesselementes für die intrakorporale Kraftmessung

Heinickel, Patrick :
Aufbau und Test eines piezoresistiven Kraftmesselementes für die intrakorporale Kraftmessung.
Technische Universität Darmstadt
[Haus-, Projekt- oder Studienarbeit], (2006)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und Aufbau eines mehrdimensionalen, piezoresistiven Kraftsensors zur intrakorporalen Kraftmessung. Zentraler Bestandteil der Aufgabe ist die Entwicklung eines Verformungskörperes aus Stahl und eines darauf applizierten Messelementes. Die radial auf die Spitze des Verformungskörpers wirkenden Kräfte werden durch Messung von Dehnungen detektiert. Der Verformungsbereich des Verformungskörpers ist ein einseitig eingespannter Biegebalken. Dieser wird analytisch nach der Bernoulli’schen Biegetheorie auf das Messelement abgestimmt.

Für das Messelement bestehen drei Lösungsansätze: Der Kauf von Halbleiter DMS, die Entwicklung von Halbleiter DMS und das Modifizieren eines Silizium-Drucksensors. Die favorisierte Lösung für das Messelement ist die Modifikation eines Silizium-Drucksensors. Dieser wird durch ein Entfernen der gegenüberliegenden Sockel des Drucksensors für die Kraftmessung sensibel gestaltet. Analytische Betrachtungen und eine Strukturanalyse nach der Finite-Elemente-Methode dienen der Optimierung des Biegebalkens und des Messelementes. Auf Basis dieser theoretischen Vorarbeit folgt die Realisierung. Es werden zwei modifizierte Messelemente auf gegenüberliegenden Seiten des Verformungskörpers aufgeklebt. Zur Detektion der Dehnungen werden die Piezowiderstände der Messelemente zu Wheatstone Brücken mit Konstantstromspeisung verschaltet. Es werden zwei unabhängige Vollbrücken zur Messung der Kräfte für zwei Raumrichtungen aufgebaut. Die Verschaltung erfolgt nach einem entwickelten Konzept, das die unerwünschte Beeinflussung der Messung für eine Belastung in die andere Raumrichtung verringert.

Die auf dem Drucksensor zu Vollbrücken verschalteten Widerstände werden durch Auftrennen der Leiterbahnen unabhängig voneinander nutzbar. Ein Entfernen der Sekundärpassivierung durch einen Trockenätzprozess ermöglicht die Kontaktierung der piezoresistiven Widerstände durch Bonden auf die Leiterbahnen.

Eine abschließende messtechnische Untersuchung des Kraftsensors bestätigt den Entwurfsprozess.

Die Nennlast des Kraftsensors beträgt 5 N.

Der Übertragungsfaktor ergibt sich zu B0 = -152 mV/N bei einer Konstantstromspeisung der Vollbrücke mit 1mA.

Die Auflösung beträgt ca. 0,02 N.

Die systematischen Fehler des Kraftsensors sind mit dem Linaritätsfehler Flin = 0, 91% und mit dem Hysteresefehler FH = 2, 15% quantifiziert.

Typ des Eintrags: Haus-, Projekt- oder Studienarbeit
Erschienen: 2006
Autor(en): Heinickel, Patrick
Titel: Aufbau und Test eines piezoresistiven Kraftmesselementes für die intrakorporale Kraftmessung
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und Aufbau eines mehrdimensionalen, piezoresistiven Kraftsensors zur intrakorporalen Kraftmessung. Zentraler Bestandteil der Aufgabe ist die Entwicklung eines Verformungskörperes aus Stahl und eines darauf applizierten Messelementes. Die radial auf die Spitze des Verformungskörpers wirkenden Kräfte werden durch Messung von Dehnungen detektiert. Der Verformungsbereich des Verformungskörpers ist ein einseitig eingespannter Biegebalken. Dieser wird analytisch nach der Bernoulli’schen Biegetheorie auf das Messelement abgestimmt.

Für das Messelement bestehen drei Lösungsansätze: Der Kauf von Halbleiter DMS, die Entwicklung von Halbleiter DMS und das Modifizieren eines Silizium-Drucksensors. Die favorisierte Lösung für das Messelement ist die Modifikation eines Silizium-Drucksensors. Dieser wird durch ein Entfernen der gegenüberliegenden Sockel des Drucksensors für die Kraftmessung sensibel gestaltet. Analytische Betrachtungen und eine Strukturanalyse nach der Finite-Elemente-Methode dienen der Optimierung des Biegebalkens und des Messelementes. Auf Basis dieser theoretischen Vorarbeit folgt die Realisierung. Es werden zwei modifizierte Messelemente auf gegenüberliegenden Seiten des Verformungskörpers aufgeklebt. Zur Detektion der Dehnungen werden die Piezowiderstände der Messelemente zu Wheatstone Brücken mit Konstantstromspeisung verschaltet. Es werden zwei unabhängige Vollbrücken zur Messung der Kräfte für zwei Raumrichtungen aufgebaut. Die Verschaltung erfolgt nach einem entwickelten Konzept, das die unerwünschte Beeinflussung der Messung für eine Belastung in die andere Raumrichtung verringert.

Die auf dem Drucksensor zu Vollbrücken verschalteten Widerstände werden durch Auftrennen der Leiterbahnen unabhängig voneinander nutzbar. Ein Entfernen der Sekundärpassivierung durch einen Trockenätzprozess ermöglicht die Kontaktierung der piezoresistiven Widerstände durch Bonden auf die Leiterbahnen.

Eine abschließende messtechnische Untersuchung des Kraftsensors bestätigt den Entwurfsprozess.

Die Nennlast des Kraftsensors beträgt 5 N.

Der Übertragungsfaktor ergibt sich zu B0 = -152 mV/N bei einer Konstantstromspeisung der Vollbrücke mit 1mA.

Die Auflösung beträgt ca. 0,02 N.

Die systematischen Fehler des Kraftsensors sind mit dem Linaritätsfehler Flin = 0, 91% und mit dem Hysteresefehler FH = 2, 15% quantifiziert.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Biegeelement Berechnung, Halbleiter DMS, Kraftsensor 2-dimensional, Kraftsensor Miniaturisierung, Kraftsensor piezoresistiv, Modifikation Drucksensor
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 31 Aug 2011 10:19
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1630

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 04-09-2006

Ende Datum: 09-12-2006

Querverweis: 17/24 EMKD 1597

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKS 1630
Gutachter / Prüfer: Rausch, Dipl.-Ing. Jacqueline ; Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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