Mikromechanische Vibrationssensoren mit Faserauskopplung:
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| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1997
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| Schriftenreihe: | Verein Deutscher Ingenieure: [Fortschritt-Berichte VDI / 8]
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| adam_text | Titel: Mikromechanische Vibrationssensoren mit Faserauskopplung
Autor: Scholz, Dirk
Jahr: 1997
FORTSCHRITTBERICHTE VM Dipl.-Phys. Dirk Scholz, Gomaringen Mikromechanische Vibrationssensoren mit Faserauskopplung Reihe 8 : Meß-, Steuerungsund Regelungstechnik Nr. 622
Inhaltsverzeichnis V Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung...............................................................1 2 Grundlagen .............................................................5 2.1 Prinzipien der Maschinendiagnostik ....................................5 2.2 Beispiele für industrielle Körperschallspektren ............................7 2.3 Bewegungsverhältnisse eines Schrägkugellagers...........................9 3 Sensorkonzepte.........................................................14 3.1 Sensor mit Faserauskopplung nach elektrischer Vorverarbeitung.............14 3.1.1 Konzept des Sensors .........................................16 3.1.2 Mechanisch-elektrische Meßsignalwandlung ......................18 3.1.3 Meßsignalvorverarbeitung.....................................28 3.1.4 Optoelektronische Sendestufe ..................................32 3.1.5 Temperatursensoren..........................................33 3.1.6 Funktionskontrolle...........................................35 3.2 Sensor mit direkter, faseroptischer Signalauskopplung.....................35 3.2.1 Konzept des Sensors .........................................35 3.2.2 Mechanisch-optische Meßsignalwandlung ........................37 4 Resonatorstrukturen.....................................................40 4.1 Entwurf von Resonatorstrukturen......................................40 4.1.1 Analytische Bestimmung von Resonatorstrukturen..................41 4.1.2 Temperaturabhängigkeit der Resonatoreigenfrequenzen..............43 4.1.3 Optimierung von Resonatorstrukturen mit FEM-Rechnungen .........45 4.2 Bestimmung mechanischer Resonatoreigenschaften .......................48 5 Realisierung............................................................57 5.1 Technologiekonzept................................................57 5.1.1 Vorstrukturierung............................................59 5.1.2
MOS-Technologie...........................................60 5.1.3 Endstrukturierung............................................61 5.1.4 Elektrische Kontaktierung.....................................61 5.1.5 Optische Schnittstelle.........................................61 5.1.6 Lithographiemasken..........................................62
VI Inhaltsverzeichnis 5.2 Dreidimensionale Strukturierung des Siliziums mit KOH...................63 5.2.1 Aufbau zum anisotropen Ätzen von Silizium mit KOH ..............67 5.2.2 Realisierte dreidimensionale Strukturen ..........................71 5.2.3 Optimierung der KOH-Technologie .............................73 5.3 Kompatibilität der KOH- und MOS-Technologie .........................74 5.3.1 Kompatibilität zum anisotropen Ätzen mit KOH ...................75 5.3.2 Reproduzierbarkeit und Homogenität ............................78 5.3.3 Realisierte Bauelemente.......................................79 5.4 Optische Schnittstelle...............................................81 5.4.1 Sender-Chip-Faser-Kopplung ..................................82 5.4.2 Optische Sendestufe..........................................87 6 Charakterisierung der Sensoren...........................................89 6.1 Sensor mit Faserauskopplung nach elektrischer Signalvorverarbeitung ........89 6.1.1 Statischer Test der Sensoren ...................................91 6.1.2 Dynamischer Test der Sensoren.................................95 6.1.3 Zuverlässigkeit der Sensoren...................................97 6.1.4 Feldversuche ...............................................99 6.1.5 Meßsystem................................................103 6.1.6 Fertigungskosten des Sensors .................................109 6.1.7 Kommerziell realisierte Ausführung des Vibrationssensors ..........110 6.2 Sensor mit direkter, faseroptischer Signalauskopplung....................110 6.2.1 Übertragene Lichtleistung zwischen zwei Fasern ..................113 6.2.2 Statischer Test der Sensoren ..................................114 6.2.3 Dynamischer Test der Sensoren................................115 6.2.4 Meßsystem....................... 119 6.2.5 Fertigungskosten des Sensors .................................120 7 Zusammenfassung 121
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