Cluster Mikrosystemtechnik
Für e-textiles Anwendungen wie z.B. für Heizflächen, zur Vitaldatenerfassung, zum Ergonomiemonitoring, Beleuchtungen oder für innovative Bedienkonzepte sind textilintegrierte Sensoren und textilkonforme elektronische Bauteile essentiell. Daraus entstehen große Anforderungen bzgl. Tragekomfort, Waschbarkeit, Designfreiheit, Signalstabilität und kostengünstiger Herstellprozesse.
Silicon bietet eine hohe Dehnbarkeit, extrem hohe chemische und mechanische Robustheit und ist damit ideal geeignet zur Integration in dehnbare Textilien. Druck-/Dehnungssensoren, Heizflächen oder Elektroden, die am Fraunhofer ISC hergestellt wurden, lassen sich mittels etablierten Textil-Drucktechniken oder mit Klebeverfahren in unterschiedlichste Bekleidungen und technische Textilien einarbeiten.
Antennen und Signalleitungen in Textilien lassen sich durch Stick- und Stricktechniken realisieren. Schwieriger wird die Verbindung zwischen elektronischen Baugruppen. Konventionelle Kontaktierungsmethoden für e-textiles wie Druckknöpfe, Leitkleber, Crimpen, Löten, Sticken oder Nähen erzeugen oft Probleme wie verminderte Leitfähigkeit, geringe mechanische Zuverlässigkeit sowie ungenügende Waschbarkeit.
Die am Fraunhofer IZM entwickelte Klebetechnologie bietet große Vorteile textile Substrate und elektronische Module in einem Schritt mechanisch und elektrisch zuverlässig miteinander zu verbinden. Die gebondeten Kontakte zeigen sehr gute Zuverlässigkeit bei zyklischer Temperatur- und Feuchtigkeitsbelastung sowie nach der Waschreinigung. Während des non-conductive adhesive (NCA)-Bondprozesses schmelzen der nichtleitende Klebstoff und die optionale thermoplastische Drahtisolierung und werden von den Kontaktstellen weggedrückt. Nach dem Abkühlen härtet der Klebstoff aus und die Module werden in einem Schritt mechanisch und elektrisch verbunden. Im Gegensatz zum Flip-Chip-Lötverfahren ist das Hinzufügen eines Underfills nicht notwendig, da die bereits am Prozess beteiligten Klebstoffe auch diese Funktion übernehmen. Mit der Bonding-Technologie lassen sich verschiedenste textilintegrierte Schaltungen kontaktieren: gestickte, gewebte, gestrickte oder textilbasierte Schaltungen, auch mit (thermoplastischer) Isolierung.
Am Beispiel des BMBF-Projekts „TheraTex“ wird zur therapeutischen Unterstützung von Hemiparese-Patienten ein multisensorisches e-textiles Kleidungsstück entwickelt, das auf SmartIMU-Modulen (IMU = inertial measurement unit) und DES-Sensoren (DES = Dielektrische Elastomer Sensoren) basiert, die mittels NCA-Bonding auf einem textilen Leiterbus kontaktiert und somit in das Textil integriert wurden. Die (mikro-)elektronische Datenverarbeitung und Signalinterpretation erlaubt Aussagen über muskuläre Beanspruchungen und zur Haltung/Bewegung.
Ein Ziel bei der Herstellung von Conformable Electronics ist die immer zunehmende Miniaturisierung. Ein Ansatz ist die direkte Bestückung der gedruckten Elektronik mit SMD Bauteilen. Innerhalb dieses Herstellungsprozesses müssen die Bauteile jedoch großen Belastungen standhalten.
Für diese Studie werden Null Ohm SMD-Widerstände unterschiedlicher Größe mittels Leitkleber auf PC/PBT-Folie appliziert und anschließend mittels High-Pressure Forming Prozess verformt. Die Bauteile befinden sich in Bereichen mit unterschiedlicher lokaler Dehnung. In dieser Untersuchung werden die Einflüsse des Hinterspritzens bei unterschiedlichen Prozessparametern auf verformten Folien mit Bauelementen der Größe 0603 und ebenen Bauteilen der Größe 0805 untersucht. Betrachtet wird in dieser Studie der Einfluss der Schmelzetemperatur und der Einspritzgeschwindigkeit.
Es erfolgt eine elektrische Auswertung bezüglich Ausfall und Widerstandsänderung hinsichtlich Lage und Dehnungsgrad nach dem Hinterspritzen. Die aufgeklebten Komponenten wurden in Bereichen verschiedener lokaler Verformungen positioniert. Die Ausrichtung der Bauelemente ist alternierend in und quer zur Schmelzerichtung erfolgt. Zur Beurteilung des Einflusses wurden verschiedene Einspritzgeschwindigkeiten ausgewertet. Elektrische Komponenten können in Bereichen bis zu 15 % Dehnung aufgebracht werden, ohne dass diese Beschädigung erfahren.
Auf dem Weg zu Industrie 4.0 entwickeln sich zunehmend Applikationen für Stromversorgungen mit digital konfigurierbarer Regelung und Betriebsdatenerfassung. Durch eine Analyse der Betriebsdaten kann eine Überwachung der Stromversorgung und eines angeschlossenen Verbrauchers realisiert werden. Dadurch können die Zuverlässigkeit des Systems und die Wartungsplanung optimiert werden. Des Weiteren erhöht die Einstellbarkeit der Stromversorgungen die Flexibilität, welche beispielsweise bei Batterieapplikationen benötigt wird. Bei einer Stromversorgung mit digital konfigurierbarer Regelung wird der Controller für den Wandler mit einem Mikrocontroller realisiert, der analoge Komponenten zur Regelung enthält. Hiermit kann eine Voltage-Mode Regelung sowie eine Current-Mode Regelung umgesetzt werden. Die Current-Mode Regelung ist für den Einsatz bei PoLWandler (Point of Load) aufgrund der Regeleigenschaften und des Überstromschutzes vorteilhafter. Die Schutzfunktionen können beim hybriden Konzept analog oder digital realisiert werden. Während der Kurzschlussschutz analog mit einem Komparator umgesetzt wird, können die weniger kritische Über- und Unterspannungsabschaltung auch softwareseitig ausgelöst werden.
Bei Stromversorgungen wird zur Auslegung und Verifikation der Regelung üblicherweise das Frequenzkennlinienverfahren angewendet. Hierbei kann das mathematische Modell für die Regelstrecke durch eine Messung an der realen Schaltung ersetzt werden. Durch die Verwendung der Messung werden sämtliche parasitären Effekte berücksichtigt, weshalb die Regeleigenschaften exakt eingestellt werden können. Dies ist notwendig, um bei der Versorgung von taktenden Lasten über den gesamten Arbeitsbereich eine ausreichende Regelgeschwindigkeit und Stabilität sicherzustellen.
Im Rahmen dieser Untersuchung wird mit Hilfe einer direkten Integration eines miniaturisierten Messverstärkersystems in das Sensorgehäuse eines ALTP-basierten Wärmestromsensors ein Ansatz zur Erhöhung des Signals-zu-Rausch Verhältnisses verfolgt. Berücksichtigt werden hierbei der begrenzte Bauraum im Messmodul, ein möglichst hohes Verstärkungsbandbreitenprodukt und sich stark ändernde thermische Randbedingungen. Die thermischen Bedingungen sind eine direkte Folge der Systemintegration der Sensoren in wandnähe von thermisch hochbelasteten Bauteilen.
Es werden verschiedene Strategien zur Signalverstärkung verfolgt: Zum einen werden Einzelchiplösungen, zum anderen werden chopper-stabilisierte Verstärker mit einem nahezu Nulldriftverhalten in einer Multistufenanordnung verwendet. Alle Systeme werden in einem für Wärmestromsensoren typischen konvektiven Einsatzszenario getestet.
In den Untersuchungen zeigten sich Vorteile für eine direkte Integration des Messverstärkersystems im Bereich der Signalcharakteristik und des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses. Zusätzlich konnte eine signifikante Vereinfachung der Messkette erreicht werden, welche die Fehleranfälligkeit durch Bedienfehler stark reduziert.
Die thermische Auslegung und Simulation nimmt einen immer höheren Stellenwert in der Entwicklung von Batteriesystemen ein. In dieser Studie wird ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien und nichtinvasiven Ermittlung der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Lithium-Ionen Pouch-Zellen vorgestellt und die Messergebnisse mit Literaturdaten verglichen.
Die mit den Methoden der gedruckten Elektronik realisierten Schaltungsträger sind oft auf Substratmaterialien hergestellt, die eine relativ schlechte Temperaturstabilität aufweisen und nicht dem Standardlötprozess unterzogen werden können. Um elektrische Verbindungen auf solchen Leiterplatten zu erstellen, müssen die Montageprozesse angepasst werden. Im Beitrag werden drei Methoden der elektrischen Kontaktierung – mittels isotroper und anisotroper Klebstoffe sowie des Lötens – anhand der im Labor für elektronische Hybridschaltungen der Hochschule Landshut hergestellten Demonstratoren gegenübergestellt. Es werden die Daten zur Auswahl des Substratmaterials und der Siebdruckpasten aufgeführt sowie die eingesetzten Verbindungsmaterialen angegeben. Die Testergebnisse zur Stabilität gedruckter Strukturen im Klebeprozess werden gezeigt sowie die Ergebnisse der Untersuchungen zur Lötbarkeit einiger Siebdruckpasten auf Silber- und Kupferbasis unter Einsatz von Niedertemperaturlotlegierungen vorgestellt.
The Transport Layer Security (TLS) protocol is used to cryptographically secure network connections. To ensure authenticity, TLS uses certificates that are exchanged at the beginning of each new connection. Due to expiration or early revocation of certificates, the deployment of new certificates to devices in the field is necessary. In addition, a device must identify revoked certificates during connection establishment to abort the connection. This paper presents the implementation of these two functionalities within a Security Gateway for the power grid. The nature of embedded systems with their limited resources and requirements regarding dependability impact the device-specific implementation. With these features, the Security Gateway can be integrated into an existing Public-Key Infrastructure System.
Die Luftqualität in Innenräumen ist besonders ausschlaggebend für die Konzentrations- und Leistungsfähigkeit [1] – und in Zeiten von Corona auch für den Infektionsschutz. Die Qualität der Luft kann u.a. aus dem CO2-Gehalt, der Temperatur, der Luftfeuchte und verschiedenen Feinstaubwerten abgeleitet werden [2]. Die Entwicklung eines Messsystems zur automatischen Messung der Luftqualität und der Übertragung der Messdaten an eine Software-SPS wird auf Basis einer Bachelor-Arbeit [3] vorgestellt. Dies beinhaltet die Softwareentwicklung in diversen Systemkomponenten und die Inbetriebnahme eines funktionsfähigen Prototyps.
We present a Pirani vacuum gauge with an actively temperature-stabilized environment. The heated sensor element is surrounded by two elements that are temperaturecontrolled to a certain level below the temperature of the heated sensor element. The idea is to create a homogeneous temperature distribution, which allows keeping the ambient temperature constant, thus increasing the accuracy and repeatability of vacuum measurements.
In Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeugen werden Traktionsbatterie und Brennstoffzelle über einen DCDC-Wandler an das Hochvoltbordnetz angebunden, um die Bordnetzspannung zu stabilisieren und das gewünschte Spannungsniveau einzustellen, typischer Weise 800 V. Um die passiven Komponenten (Drossel, Kondensator) entsprechend leicht und kompakt gestalten zu können, sind möglichst hohe Schaltfrequenzen des DCDC-Wandlers notwendig. Gleiches gilt für den elektrischen Turbokompressor, welcher für Brennstoffzellen benötigt wird – hier muss der speisende Inverter besondere Anforderungen erfüllen, z.B. einen sehr niedrigen Stromripple.
Die idealer Weise erforderlichen Schaltfrequenzen von über 300 kHz sind derzeit nur mit GaN-Transistoren umsetzbar. Das Spannungsfenster im Hochvoltbordnetz reicht aktuell bis 800 Volt, GaN-Transistoren sind derzeit allerdings nur für Sperrspannungen bis 650 Volt auf dem Markt verfügbar. Aufgrund dessen ist der Einsatz einer 3-LevelTopologie notwendig, welche des Weiteren Vorteile hinsichtlich EMV bietet. Jedoch stellt dies höhere Anforderungen an Schaltungstopologie und Schaltungsträgerlayout als bei einer vergleichbaren, standardmäßig eingesetzten 2-Leveltopologie mit 1200 V-Halbleitern.