Cluster Mikrosystemtechnik
In diesem Konferenzbeitrag wird zunächst ein gängiges mathematisches Modell für die RSSI-basierte Entfernungsschätzung vorgestellt und physikalische Einflüsse auf den Übertragungskanal werden diskutiert. Im Rahmen einer empirischen Untersuchung wird festgestellt, dass Effekte der Mehrwegeausbreitung durch dieses Modell nicht abgebildet werden. Auf der Grundlage dessen wird ein erweitertes mathematisches Modell, welches Interferenzen durch Mehrwegeausbreitung berücksichtigt, vorgestellt. Daraus lassen sich neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Entfernung und RSSI-Wert gewinnen, aus welchen wiederum verbesserte Verfahren für die RSSI-basierte Entfernungsschätzung generiert werden können.
Der Anspruch der Elektronikindustrie an fehlerminimierte Produktionsabläufe, kontinuierliche Qualitätssicherung und geringe Feldausfälle unterliegt einem fortdauernden Verbesserungsprozess. Der Bedarf an zuverlässigen und aussagekräftigen Testmethoden, um diese Ansprüche zu erreichen, ist daher zwingend erforderlich. In diesem Zusammenhang gilt der ROSE-Test seit Jahrzehnten als schnelle und zuverlässige Analysemethode. Mit der Ionenchromatographie steht erstmals ein fortgeschrittenes Verfahren zur Verfügung, um ROSE-Grenzwerte festzulegen.
Elektronische Baugruppen sind heute so komplex wie nie zuvor und in fast jedem Lebensbereich anzutreffen. Ob Automotive, Unterhaltungselektronik, Medizintechnik oder Luft- und Raumfahrt – überall steigt der Bedarf an zuverlässigen und technisch einwandfreien elektronischen Baugruppen. Für jeden Hersteller stellt sich somit die Frage: Welche Möglichkeiten gibt es, um die Qualität der Fertigung kontinuierlich zu überwachen, teure Fehlproduktionen oder mögliche Feldausfälle frühzeitig zu erkennen und somit im besten Fall sogar zu vermeiden?
Der Ausfall von elektronischen Baugruppen im Feld stellt für jeden Elektronikfertiger den wohl schlimmsten Problemfall dar. Denn ein Feldausfall kostet in erster Linie Geld. Er zeigt aber auch, dass das ursächliche Problem ein kritisches gewesen ist, welches in der laufenden Produktion sowie der Qualitätssicherung nicht erkannt wurde. Eine weitverbreitete Ausfallursache bei elektronischen Baugruppen ist mangelnde Reinheit. In erster Linie sind damit ionische Verunreinigungen gemeint, welche sich auf der Oberfläche der Baugruppe befinden und dann zu den typischen Ausfallursachen wie Korrosion, elektrochemischer Migration oder Kurzschlüssen im Zusammenspiel mit Feuchte führen können. Probleme müssen aber nicht erst im Laufe eines Lebenszyklus von Baugruppen auftreten. Schon während der Fertigung kann auf der Baugruppe zurückbleibende Verunreinigung zu Problemen beim Lackieren (Coating) oder Vergießen führen.
Die zunehmende Digitalisierung nahezu aller Lebensbereiche erfordert die vernetzte Bereitstellung enormer Datenmengen. In diesem Zusammenhang nehmen die Anzahl lokal genutzter Sensoren und das zu übertragende Datenvolumen drastisch zu. Dabei spielen Themen wie die Sicherheit im Sinne der Integrität sowie der Verfügbarkeit der erfassten Daten eine entscheidende Rolle zur Gewährleistung der gewünschten Funktionalität in der geforderten Qualität. Ein oft unterschätzter, aber wesentlicher Teil dieser Entwicklung ist eine leistungsfähige und effiziente Datenvorverarbeitung. Häufig ist die Übertragung lokaler Sensorrohdaten an Steuerrechner bzw. „Big Data“-Infrastrukturen wenig sinnvoll. Vielmehr ist eine Reduktion der Daten auf die für die weitere Verarbeitung wesentliche Information bereits am Ort der Messung vorteilhaft. Dies schont Übertragungskapazitäten, ermöglicht die Aussortierung nicht valider Daten, die Anonymisierung der Daten bereits am Punkt der Aufnahme und birgt enorme Effizienzpotenziale. Entsprechende Lösungen sind sowohl in Soft- als auch in Hardware umsetzbar. Beides bietet komplementäre Vor- und Nachteile.
The user interface of automation systems can sometimes be ambiguous and difficult to correlate with the right components of the system located in the real environment. In addition, inexperienced personnel is required to go through large documentation reports, to call an expert on site or even to require training in order to solve an issue. As such, this could be costly and inefficient for small and medium sized enterprises (SME). Here we show that an augmented reality (AR) based user interface can ease the interaction of a user/worker with a machine. In addition, by projecting virtual information on an image stream from a camera, the interaction between them can become more intuitive. Furthermore, we compare two kinds of devices which can be used with augmented reality – a head-mounted device and a hand-held device. Our results demonstrate that the user is able to understand faster the current system and interact with it without requiring any professional experience. Finally, we expect to expand our application to interact with more complex and large systems and enhanced features in respect with the user interface.
Energieeffizienz – Einsparpotenziale erkennen – CO2-Emissionen erfassen und reduzieren zu können. Das war bereits 2015 Anlass und Initiative der Beteiligten, für die Hochschule Landshut (HAW) ein gebäudebezogenes Energiedatenmanagementsystem (EnMS) zur Erfassung verbrauchsrelevanter Daten auf dem Campus zu planen und mit der Umsetzung zu beginnen. Einer der wichtigsten Anforderungen für ein EnMS war, die unterschiedlichen Energiearten und ihre jeweiligen Verbräuche in den einzelnen Gebäuden der Hochschule zu erfassen. Bis dahin konnte nur der gesamte Energieverbrauch der Hochschule auf Basis der Abrechnungen des Energieversorgers beziffert werden. Die Daten des Campus wurden bis dahin meist noch händisch erfasst, vereinzelt gab es eine eingeschränkte automatische Erfassung. Insgesamt führte das zu einer asynchronen zeit- und personalintensiven Datenerfassung an den bis dahin existierenden Messstellen. Um die Daten analysieren und bewerten zu können, müssten sie zusammengefasst und abgespeichert werden können. Mit dem Team ist es gelungen, eine automatisierte und synchrone Erfassung der an der Hochschule anfallenden Energie- und anderer für Energieverbräuche relevanten Daten wie Wasserverbräuche und Wetterdaten aufzubauen.
In dem mittlerweile existierenden Reallabor werden gebäudeweise sämtliche verbrauchsrelevanten Daten, mit rund 100 Messstellen auf dem Hauptcampus, erfasst. Die Messwerte werden im Viertelstundentakt ausgelesen. Ziel unseres Projektes ist der Aufbau eines herstellerunabhängigen EnMS, das sowohl für den technischen Dienst als auch für die Lehre, Forschung und Entwicklung genutzt werden kann. Als eine der ersten Hochschulen – wenn nicht sogar als erste Hochschule – in Bayern wird hier ein derartiges EnMS in dieser umfassenden Ausbaustufe und Projektkonstellation betrieben.
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.
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.
Der Beitrag erläutert Ergebnisse aus laufenden Forschungsprojekten, die sich mit Sensorik und Aktorik beschäftigen. Die Möglichkeiten für Sensoren und Aktoren gehen dabei über eine einfache kapazitive oder resistive Messung weit hinaus. So dienen Hohlräume und Kanäle in der Leiterplatte zur Leitung von Fluiden und Schaltung von pneumatischen Systemen. Es werden aktuelle und potenzielle Anwendungen präsentiert. Für den Kontakt mit korrosiven Medien werden Strukturen aus reinem Gold auf Leiterplatten erzeugt. Dabei kommen auch medienbeständige Basismaterialien zum Einsatz, die z.B. hohen Säurekonzentrationen widerstehen. Der aktuelle Stand der Forschung wird vorgestellt. Schließlich werden neuartige Aktoren vorgestellt, die nach dem Prinzip der Elektrothermik arbeiten. Diese weisen im mikromechanischen Bereich Vorteile gegenüber anderen Aktorprinzipien auf.
Aufgrund der immer weiter anwachsenden Vernetzung der Stromnetze wird die Kommunikation zwischen der Leitstelle des Energieversorgers und den Infrastrukturkomponenten innerhalb eines Umspannwerks immer bedeutsamer. Dabei werden sowohl Steuerbefehle als auch Daten für Überwachungsfunktionen übertragen. In den aktuellen Netzwerkarchitekturen findet diese Kommunikation ohne eine kryptografische Absicherung statt, was einen Angriffspunkt für gezielte Attacken und damit eine potenzielle Gefährdung der Energieversorgung darstellt. Um solchen Angriffen in Zukunft entgegenzuwirken, wird das ES³M-Sicherheitsmodul entwickelt. Dieses soll in das Netzwerk zwischen den beiden Kommunikationspartnern eingesetzt werden und so den Datenverkehr absichern. Mithilfe einer Bedrohungsanalyse wurden Anforderungen abgeleitet, die neben kryptografischen Maßnahmen auch Themen wie funktionale Sicherheit und Langlebigkeit umfassen. Um diese zu erfüllen, wurde eine spezielle Systemarchitektur auf Basis einer Aufgabenteilung entworfen. Diese Architektur und korrespondierende Designentscheidungen werden präsentiert.
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.