Zusammenfassung
Bei der Neigungswinkelmessung wird die relative Lage von Objekten zum Erdschwerfeld bestimmt. Stand der Technik im Bereich der Konsumgüter, der Industrietechnik, der Messtechnik oder der Fahrzeugtechnik sind vor allem Sensoren auf Basis von Beschleunigungssensoren. Diese werden hauptsächlich als Mikrosysteme (MEMS) ausgeführt und mittels mikrotechnischer Verfahren hergestellt. Die Neigungswinkelmessung, erfolgt dabei anhand einer Messung der Projektion der Erdbeschleunigung auf die sensitive Achse oder Achsen. Der in dieser Arbeit vorgestellte flüssigkeitsbasierte, kapazitive Sensor soll eine Alternative zu den MEMS-Beschleunigungssensoren bieten. Aufgrund seiner einfachen Herstellbarkeit mittels Standard-Surface-Mount-Technology (SMT) kann er durch kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) auf meist vorhandener Anlagentechnik produziert werden. Die MEMS-Fertigung hat den Vorteil der kostengünstigen Massenfertigung im Batch. Dafür sind jedoch technologisch anspruchsvolle Reinraumprozesse notwendig, die nur bei großen und darauf spezialisierten Unternehmen zu finden sind. Die Arbeit stellt zuerst den Stand der Technik der Neigungs- und Beschleunigungsmessung sowie der Molded Interconnect Device (MID) Technologie vor und beschriebt dann das Sensorprinzip der flüssigkeitsbasierten +/-90° und 360° Neigungswinkelmessung. Dieses basiert darauf, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft immer horizontal ausrichtet. Der Sensor verwendet eine dielektrische Flüssigkeit in einer teilweise gefüllten Kavität und bestimmt kapazitiv seine Lage zur Flüssigkeitsoberfläche. Zur Sensorauslegung werden ein analytisches Modell sowie eine Monte-Carlo-Simulation verwendet. Danach werden die Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) zur Herstellung der Sensoren beschrieben. Es kommen dabei zwei Varianten für die Ausformung der Kavität für das Fluid zum Einsatz. Eine Sensorvariante nutzt die die MID-Technik. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Standard-Leiterplatten, welche gestapelt und verlötet werden. Anschließend wurden die grundlegenden Sensoreigenschaften von drei Sensorvarianten charakterisiert. Dazu wurden Kennlinien der Sensoren bei Raumtemperatur aufgenommen und daraus eine Kalibrationsvorschrift für die Winkelberechnung abgeleitet. Da Neigungswinkelsensoren eine Sensitivität auf Neigungen quer zur Messachse haben können, wurden Messungen mit unterschiedlichen Querneigungen durchgeführt. Zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften wurde die Abklingzeit der Sensoren bestimmt. Da der Sensor einen systematischen Einfluss der Temperatur auf die Steigung der Sensorkennlinie zeigt, wurde dieser gemessen und Möglichkeiten zur Kompensation untersucht. Temperaturschocktests zur beschleunigten Alterung schließen die Charakterisierungen der Sensoren ab. Abschließend diskutiert die Arbeit die Monte-Carlo-Simulation, die Temperaturkompensation und die Ergebnisse des Benchmarks. Ein Vergleich einer Monte-Carlo-Simulation mit einem analytisch berechenbaren Fall zeigt die grundsätzliche Eignung der Simulation zur Beschreibung des Sensorverhaltens. Die Ergebnisse der Simulation für verschiedene Temperaturen wurden drüber hinaus mit Messungen von Sensoren und einem rechnerischen Ansatz zur Temperaturkompensation verglichen. Dabei zeigte sich ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Messung. Mithilfe der mathematischen Temperaturkompensation konnte der systematische Temperaturfehler weitgehend korrigiert werden. Bei der Diskussion des Benchmarks werden die wichtigsten technischen Eigenschaften der Sensoren, Allan-Deviation, Temperaturstabilität und Nichtwiederholbarkeit verglichen. Dabei zeigten die flüssigkeitsbasierten Sensoren eine im Zielmarkt wettbewerbsfähige Performance, vor allem für Anwendungen, welche ein geringes Rauschen, eine gute Bias-Stabilität sowie eine geringe Hysterese des Sensorsignales benötigen.
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