Virtual System Evaluation of High Sensitive Pressure Sensor in Interaction with Printed Circuit Boards

Mahesh Veerappa Yalagach

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

56 Downloads (Pure)

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der virtuellen Untersuchung eines hochempfindlichen kapazitiven Drucksensors unter dem Einfluss von mechanischen Lasten und veränderlichen Umgebungsrandbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit. Diese Art von Drucksensoren, umgesetzt als Mikro-Elektromechanisches System (MEMS), sind mit ihrer geringen Größe und potentiellen hohen Genauigkeit möglicher Treiber für eine Vielzahl neuer Anwendungen wie z.B. für der innerräumliche Navigation. Um die anwendungsspezifisch geforderten hohen Genauigkeiten zu gewährleisten, müssen das Design und die Materialauswahl optimiert werden. In der präsentierten Arbeit werden Methoden zur Charakterisierung und Modellierung des Verformungsverhaltens von MEMS entwickelt, umgesetzt und validiert. Dabei wird die Beeinflussung des Verhaltens durch mechanische Lasten, Temperatur und Feuchtigkeit über unterschiedliche Systemmaßstäbe (Baugruppe – Leiterplatte - Sensor Package – Chip - Membran) berücksichtigt. Die MEMS-Sensoren bestehen neben Halbleitern und metallischen Anschlüssen aus einer Kombination unterschiedlicher Polymerer Verbunde. Diese Verbunde sind zum Teil isolierende Trägermaterialien, Kleber oder auch leitfähige Verbindungen. Sie zeigen je nach ihrer makromolekularen Zusammensetzung bzw. den verwendeten Füllstoffen eine ausgeprägte Temperatur- und Feuchtabhängigkeit. Um diese Abhängigkeiten zu bestimmen, wurde im Rahmen der Arbeit eine ausführliche Charakterisierung der hygro-thermo-mechanischen Materialeigenschaften durchgeführt. Die gemessen Materialdaten waren dann die Basis zur Kalibrierung ausgewählter Materialmodelle zur Beschreibung der relevanten Abhängigkeiten. Eine spezielle Herausforderung bei der Modellierung des Einflusses der Materialfeuchtigkeit war die abzubildende unstete Änderung der Feuchtigkeitskonzentration über die Materialgrenzen des hybriden Bauteils. Um diese Diskontinuitäten zu berücksichtigen, wurde ein Löslichkeitsansatz gewählt. Weiters wurde zur Beschreibung der dynamisch veränderlichen Feuchte die Wasseraktivitätsmethode implementiert. Basierend auf den Material modellen wurden eine Kombination aus globalen und lokalen Modellen umgesetzt, um schließlich im Detail den Einfluss der äußeren Lasten auf das Deformationsverhalten der im Halbleiter integrierten Druckmembran, welcher für das gemessene Sensorsignal ausschlaggebend ist, zu beschreiben. \\ Der Einfluss von Temperatur, Feuchtigkeit und Biegebelastung auf das Verhalten des MEMS-Sensors wurde in einem weiteren Schritt durch experimentelle Versuche analysiert. Dabei wurden die Kapazitätssignale von ausgewählten MEMS-Drucksensoren während definierten veränderlichen Lasten ausgelesen. Die gemessenen Kapazitätssignale bestätigten dabei die durch die Simulationen vorhergesagten Ergebnisse. Die erarbeitete Charakterisierung und validierte Modellierung des MEMS Sensors dient als Basis für eine weiterführende mögliche Optimierung des Sensoraufbaus. Unterschiedliche Design- und Materialvarianten können zeiteffizient untersucht und gegeneinander evaluiert werden und ermöglichen so robustere und genauere Sensoren für neue Anwendungen.
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Wiesbrock, Frank, Mitbetreuer (extern), Externe Person
  • Major, Zoltan, Beurteiler A (extern)
  • Pinter, Gerald Gerhard, Beurteiler B (intern)
  • Antretter, Thomas, Betreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2021

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • MEMS
  • Drucksensor
  • Mikroelektronische Packages
  • Temperatur
  • Feuchtigkeit
  • Vier-Punkt-Biegung
  • druckempfindliche Membran
  • analytische Methoden

Dieses zitieren