Zugl.: Rostock, Univ., Diss., 2009

Zugl.: Clausthal, Techn. Univ., Diss.

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2007. / Zugl. ersch. im Shaker Verl. Aachen, ISBN 978-3-8322-6348-5, - Parallelt.: Control engineered analysis and synthesis of MEMS with the electrostatic principle.

Zugl.: Bochum, Univ., Diss., 2009

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Braunschweig.

Accelerometers and gyroscopes are used to detect foot strike (FS), i.e., the moment when the foot first touches the ground. However, it is unclear whether different conditions (footwear hardness or foot strike pattern) influence the accuracy and precision of different FS detection methods when using such micro-electromechanical sensors (MEMS). This study compared the accuracy of four published MEMS-based FS detection methods with each other and the gold standard (force plate) to establish the most accurate method with regard to different foot strike patterns and footwear conditions. Twenty-three recreational runners (12 rearfoot and 11 forefoot strikers) ran on a 15-m indoor track at their individual running speed in three footwear conditions (low to high hardness). MEMS and a force plate were sampled at a rate of 3750 Hz. Individual accuracy and precision of FS detection methods were found which were dependent on running styles and footwear conditions. Most of the methods were characterized by a delay which generally increased from rearfoot to forefoot strike pattern and from high to low midsole hardness. It can be concluded that only one of the four methods can accurately determine FS in a variety of conditions.

This paper presents the development of building up a controlled MEMS acceleration sensor. The first samples have archived a resolution of better than 500 ug and a bandwidth of more than 200 Hz. 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. A reduced order model of the system is used to design a robust control with the Mixed-Sensitivity H-infinity Approach. Limitations for the control design are given since the system contains time delays and an unstable pole imposed by the electrostatic spring softening effect. 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 two-stage identification scheme is deployed to obtain directly the system parameters from the samples. The focus of this paper is the complete system development and identification process including practical tests in a DSP TI-TMS320C3000 environment with 12/14-bit A/D-D/A converters. / Der Artikel beschreibt die Entwicklungsschritte eines geregelten MEMS-Beschleunigungssensors. Die ersten Prototypen erreichten dabei eine Auflösung von weniger als 500 ug und eine Bandbreite von mehr als 200 Hz. Ein theoretisches Modell für den Reglerentwurf wird aus den physikalischen Zusammenhängen des Gesamtsystems, bestehend aus dem mechanischen Sensorelement, dem Ladungsverstärker und der PWM-Treiberstufe, gebildet. Für den Reglerentwurf wird der H-Infinity Mixed-Sensitivity Approach verwendet. Wegen Systemtotzeiten und dem Effekt der elektrostatischen Federerweichung sind Grenzen für die Wahl der Bandbreite zu beachten. Da Parameter für das theoretische Modell stark variieren oder schwer zu bestimmen sind, wird eine 2-Stufen-Identifikationsmethode vorgeschlagen, um ein Modell für den Reglerentwurf zu erhalten. Praktische Tests wurden mit einem DSP TI-TMS320C3000 mit 12/14-Bit A/D-D/A Wandlerstufen durchgeführt.

The electrostatic actuation with its several advantages is the main principle for micro-electro-mechanical systems (MEMS). One major drawback is the nonlinear behavior, which results into instability, known as the electrostatic pull-in effect. This effect might also push a closed-loop configuration into instability and thus makes a linear time-invariant control inapplicable to the system. The paper investigates the stability of an acceleration sensor in closed-loop operation with this setting. A simplified controller adjustment gives a first insight into this topic. Practical implementations saturate on the quantizer's full-scale value, which is also considered in the stability analysis. Numerical phase-plane analysis verifies the stability and shows further surprising results.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines redundanten, mikromechanischen Beschleunigungssensorarrays. Die Redundanz wird genutzt, um Messabweichungen zu korrigieren. Die Einflussfaktoren auf die Genauigkeit der Sensoren werden analysiert und die erzielten Verbesserungen beim Einsatz von Sensorarrays aufgezeigt. Neben den stochastischen Einflüssen können mithilfe des Arrays auch deterministische Fehler bzw. Querempfindlichkeiten korrigiert werden. Die Fertigung des Sensorarrays erfolgt mittels einer MEMS-Technologie mit einem hohen Aspektverhältnis im einkristallinen, anisotropen Silizium. Das Design ist so gestaltet, dass für jedes Sensorelement dieses Arrays bei gleichbleibenden mechanischen und elektrischen Sensoreigenschaften beliebige Messrichtungen realisierbar sind. Die messtechnische Charakterisierung der Sensorarrays und die Signalauswertung werden ausführlich beschrieben. Für die Signalauswertung der kapazitiv arbeitenden Sensorelemente wird ein angepasstes Trägerfrequenzmessverfahren entwickelt. Die Sensorarrays arbeiten mittels eines digitalen Reglers in einem geschlossenen Regelkreis. Die Verbesserungen des Messsignals durch die redundante Anordnung werden aufgezeigt.

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008 / Hergestellt on demand. - Auch im Internet unter der Adresse http://uvka.ubka.uni-karlsruhe.de/shop/isbn/978-3-86644-196-5 verfügbar