München, Techn. Universiẗat, Diss., 2004.

A nonlinear identification scheme is provided for a LTI-system with a feedback-nonlinearity, which depends on the input and LTI-system output. This is especially the case for MEMS, where the electrostatic field depends on the displacement and input voltage. The fact, that the algorithm only requires a matrix inversion and singular value decomposition, makes it possible to use the identification scheme for online-estimation. There is also no other a-priori knowledge about the system, except the order, needed.

Chemnitz, Techn. Univ., Diplomarb., 2007.

Techn. Universiẗat, Habil.-Schr., 2004--Chemnitz.

Aktive Magnetlager ermöglichen berührungsfreies Lagern und begrenztes Bewegen von Rotoren. Die für einen stabilen Betrieb notwendige Lageregelung erfordert genaue und schnelle Messsysteme. Die bisher verwendeten Messsysteme erfordern zusätzlichen Bauraum. In dieser Arbeit wird ein integriertes, kapazitives Messsystem für Radiallager vorgestellt, durch das die axiale Baulänge des Rotors reduziert und Dislokationseffekte vermieden werden können. Es wurde dadurch eine höhere Regelungsdynamik erreicht. Außerdem wurde ein erweitertes Kalman-Filter mit nichtlinearer Kraftberechnung implementiert, um die Lageregelung mit verrauschten Messsignalen stabil betreiben zu können. Die Verbesserung der Lageregelung durch das integrierte Messsystem und das Kalman-Filter werden anhand von Versuchsergebnissen verdeutlicht.

Zugl.: Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2007

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--München.

A nonlinear identification scheme is provided for a LTI-system with a feedback-nonlinearity, which depends on the input and LTI-system output. This is especially the case for MEMS, where the electrostatic field depends on the displacement and input voltage. The fact, that the algorithm only requires a matrix inversion and singular value decomposition, makes it possible to use the identification scheme for online-estimation. There is also no other a-priori knowledge about the system, except the order, needed.

In der vorliegenden Arbeit erhält der Leser einen Überblick über kapazitive mikromechanische Beschleunigungssensoren. Neben aktuellen Entwicklungen und möglichen Einsatzfeldern werden auch die grundlegende Funktion sowie die Herstellung kapazitiver mikromechanischer Beschleunigungssensoren thematisiert. Vorgestellt werden dabei unter anderem verschiedene Technologiekonzepte, mit deren Hilfe sich MEMS-Beschleunigungssensoren fertigen lassen. Darüber hinaus zeigt die Arbeit auf, wie sich die Funktion, die Qualität und die Zuverlässigkeit mikromechanischer Beschleunigungssensoren durch die konstruktive Gestaltung wesentlicher Sensorbestandteile positiv beeinflussen lassen. Betrachtet werden in diesem Zusammenhang Elektroden, Federaufhängungen, mechanische Anschläge und Massekörper. Durch die Klassifizierung kapazitiver mikromechanischer Beschleunigungssensoren und durch die Betrachtung möglicher Verfahren zur Kapazitäts-Spannungswandlung wird sowohl Entwicklern als auch Anwendern die Auswahl einer geeigneten Sensorarchitektur bzw. eines geeigneten Sensors erleichtert. Ebenfalls relevant für die Entwicklung und Anwendung mikromechanischer Sensoren sind die in dieser Arbeit zusammengetragenen Aspekte zur Qualität und Zuverlässigkeit.:Formelzeichen und Abkürzungen 1 Einführung 1.1 Entwicklungen und Trends 1.2 Inhaltsübersicht 2 Funktionsprinzip 2.1 Übertragungsverhalten 2.1.1 Das Feder-Masse-Dämpfer-System 2.1.2 Die veränderliche Kapazität 2.2 Spezielle Effekte 2.2.1 Pull-In-Effekt 2.2.2 Elektrostatische Federerweichung 3 Fertigungstechnologien 3.1 Technologiekonzepte 3.1.1 Polysilizium-Technologie 3.1.2 Volumenmikromechanik 3.1.3 SCREAM-Technologie 3.1.4 SOI-Technologie 3.1.5 BDRIE-Technologie 3.1.6 AIM-Technologie 3.1.7 Mischtechnologien 3.2 Gedanken zur Technologieauswahl 4 Form- und Funktionselemente 4.1 Elektroden 4.1.1 In-plane Elektroden 4.1.2 Out-of-plane Elektroden 4.1.3 Berücksichtigung elektrischer Streufelder 4.2 Federn 4.2.1 Gerade Biegung 4.2.2 Schiefe Biegung 4.2.3 Lastfall Torsion 4.2.4 Eigenschaften mikromechanischer Federn 4.3 Mikromechanische Massekörper 4.4 Mikromechanische Anschläge 4.4.1 In-plane Anschläge 4.4.2 Out-of-plane Anschläge 5 Klassifizierung von Sensoren 5.1 Anzahl der Detektionsachsen 5.2 Anzahl der Massekörper 5.2.1 Anzahl der pro Massekörper erfassbaren Detektionsachsen 5.2.2 Elektrische Auswertung der Sensorkapazitäten 5.3 Messbereich 6 ASIC-MEMS-Interface 6.1 Kapazitätsanordnungen 6.2 Wandlerprinzipien 6.2.1 Transimpedanzwandler 6.2.2 Ladungsverstärker 6.2.3 Switched-Capacitor-Technik 6.3 Kapazitätsmessverfahren 6.3.1 Gleichspannungsschaltung 6.3.2 Modulationsverfahren basierend auf Synchrondemodulation 6.3.3 Sigma-Delta-Wandler 7 Zuverlässigkeit und Qualitätssicherung 7.1 Standards und Verfahren der Mikroelektronik 7.2 MEMS spezifische Aspekte der Zuverlässigkeit 7.2.1 Klebebedingte Ausfälle 7.2.2 Bruchbedingte Ausfälle 7.2.3 Partikel 8 Zusammenfassung und Ausblick Anlagen A1 Unterschied zwischen Kraft- und Stützenerregung Literatur Thesen

This paper presents the whole process of building up a high precision, high dynamical MEMS acceleration sensor. The first samples have achieved a resolution of better than 500 micro g and a bandwidth of more than 200 Hz. The sensor fabrication technology is shortly covered in the paper. A theoretical model is built from the physical principles of the complete sensor system, consisting of the MEMS sensor, the charge amplifier and the PWM driver for the sensor element. The mathematical modeling also covers problems during startup. A reduced order model of the entire system is used to design a robust control with the Mixed-Sensitivity H-infinity Approach. Since the system has an unstable pole, imposed by the electrostatic field and time delay, caused by A/D-D/A conversation delay and DSP computing time, limitations for the control design are given. The theoretical model might be inaccurate or lacks of completeness, because the parameters for the theoretical model building vary from sample to sample or might be not known. A new identification scheme for open or closed-loop operation is deployed to obtain directly from the samples the parameters of the mechanical system and the voltage dependent gains. The focus of this paper is the complete system development and identification process including practical tests in a DSP TI-TMS320C3000 environment.