Modellgestützter Entwurf und Charakterisierung von thermostatisierten Mikrogassensor-Arrays mit homogener örtlicher Temperaturverteilung:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1994
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Fortschrittberichte VDI
Reihe 8, Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik ; 397 |
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Autor: Wörz, Rainer
Jahr: 1994
Inhaltsverzeichnis V Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung 1 1 Einleitung und Problemstellung 6 2 Stand der Technik 9 2.1 Anwendungsfelder und Anforderungen für chemische Sensoren 9 2.2 Chemische Sensoren auf IDK-Basis 10 2.2.1 Temperatur-und Feuchteabhängigkeit 11 2.2.2 Betrieb mehrerer Gassensoren in einem Sensor-Array 16 2.3 Konzepte zur Realisierung chemischer Mikrosensoren 17 2.4 Modellierung und Simulation von Komponenten 18 2.4.1 Trends bei Modellierung und Simulation 18 2.4.2 Beispiele für thermische Modellierung und Simulation 21 3 Mikrogassensor- Array 28 3.1 Aufbau des Sensor-Arrays 28 3.1.1 IDKs 29 3.1.2 Stege als mechanische Barrieren für die IDK-Beschichtung 30 3.1.3 Temperatursensoren 32 3.1.4 Heizelement 32 3.2 Regeln beim Entwurf von Sensor-Anay-Mustem 33 3.2.1 Aufbau-und Verbindungstechnik 33 3.2.2 IDK-Strukturen auf dem Sensorchip 34 3.2.3 Integrierte Temperatursensoren 35 3.2.4 Heizelementstruktur Mäander 37 4 Thermische Modellierung und Simulation von Mikrosensoren 39 4.1 Modellierung 39 4.1.1 Grundbegriffe der Wärmelehre 39 4.1.2 Ableitung der thermischen Modellgleichungen 43
VI Inhaltsverzeichnis 4.1.2.1 Wärmeleitung 45 4.1.2.2 Wärmeübergang 48 4.1.2.3 Wärmestrahlung 50 4.1.2.4 Wärmequellen 50 4.1.3 Thermisches 3D-Modell für ein Volumenelement 52 4.1.4 3D-Modellgleichungen für die Simulation 52 4.2 Simulation und Simulationsablauf 55 4.2.1 Simulationsvorlauf 56 4.2.1.1 Eingabe komplexer Strukturen 57 4.2.1.2 Überblick über die Programme des Simulationsvorlaufs 59 4.2.2 Simulationsrahmenprogramm SIM 62 4.2.3 Simulationsaufwand 64 4.2.3.1 Örtliche Diskretisierung 64 4.2.3.2 Zeitliche Diskretisierung und numerische Stabilität 64 4.2.3.3 Zeitliche Diskretisierung und Integrationsverfahren 71 4.2.3.4 Simulationsrechner 72 5 Bestimmung von Modellparametern der Sensor-Arrays 74 5.1 Simulationsparameter für das Sensor- Array 74 5.1.1 Thermografiemessungen und Ergebnisdarstellungen 74 5.1.2 Gütekriterien zur Ermittlung der er- und X-Werte 80 5.1.3 Algorithmus zur iterativen Bestimmung von er und X 82 5.1.4 Näherungsformeln für die Gütekriterien 83 5.1.5 Bestimmung der er- und X-Werte für das Sensor-Array 90 5.2 Bestimmung von Parametern zum Betrieb der Sensor-Arrays 94 5.2.1 Kalibrienandbedingungen 95 5.2.2 Einstellung definierter Kalibriertemperaturen 95 5.2.3 Kalibriersystem 100
Inhaltsverzeichnis VH 5.2.4 MeBablauf an einem Temperaturmeßpunkt 102 5.2.5 Ermittlung des Kalibrierdatensatzes 103 5.2.6 Bestimmung der Modellparameter 104 5.2.7 Sensor-Array-Datensätze 107 6 Sensorsystem 112 6.1 Bestandteile des Sensorsystems 112 6.2 Softwarestruktur des Sensorsystems 114 6.3 Meßelektronik zur Sensorsignalverarbeitung 116 6.3.1 Meßelektronik zur Erfassung der IDK-Kapazitäten 116 6.3.2 Meßelektronik zur Erfassung der Sensorchiptemperaturen 118 6.4 Temperaturregelung 120 6.4.1 Aufbau des Temperaturregelkreises 120 6.4.2 Stabilität des Temperaturregelkreises 121 6.4.3 Bestimmung der besten Reglereinstellung 123 6.5 Zusammenfassung 130 7 Ergebnisse zum Entwurf und zur Charakterisierung des Sensor-Arrays 134 7.1 Charakterisierung der Sensor- Arrays und Ableitung von Entwurfsregeln 134 7.1.1 Temperaturverteilung längs der Sensorchipdicke 135 7.1.2 Charakterisierung der integrierten Temperatursensoren 139 7.1.3 Charakterisierung des Sensorsystems zur Thermostatisierung der Sensor-Arrays 143 7.1.4 Thermische Verluste des Sensorchips über die Glasfüße 146 7.2 Optimierung der Heizelementstruktur 148 7.2.1 Synthese der optimierten Heizelementstruktur Spirale 149 7.2.2 Vergleich zwischen Simulations- und Meßergebnissen 153 7.3 Vergleich der Ergebnisse für die Heizelementstrukturen Mäander und Spirale und Ableitung von Entwurfsregeln 154
vm Inhältsverzeichm 7.4 Zusammenfassung und Ausblick 161 Literaturverzeichnis 163
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