Integrierter Entwurf von Sensorenelementen mit analoger Signalverarbeitung für Kraftschlussmessungen an PKW-Reifen

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Inhaltsangabe:Zusammenfassung: Ziel der vorliegenden Studienarbeit ist es, einen integrierten Sensor zu entwickeln, welcher die Verformung eines Reifenprofilelements eines Pkw-Reifens während der Fahrt misst. Der Reifensensor erlaubt es, den Kraftschluss zwischen Reifen und Straße zu messen. Dies geschieht durch die Erfassung der Verformung eines Profilelements während der Fahrt. Um die Verformung des Profils zu erfassen, ist in das betreffende Element ein Magnet einvulkanisiert. Die Lageänderung des Magneten ruft eine Änderung der magnetischen Flussdichte B in den MAGFETs auf dem Sensorchip hervor, der sich unmittelbar unter dem Magneten, d.h. etwas tiefer im Laufstreifen des Reifens befindet. Die Flussdichteänderung wird gemessen und drückt sich in einer Spannungsänderung aus. Aufgrund der Spannungsänderung läßt sich die neue Position des Magneten berechnen und Rückschlüsse auf den Kraftschluß treffen. Die zur Messung der Reifenverformung notwendigen MAGFET-Paare sind durch spezielle Transistoren in CMOS-Technologie aufgebaut. Die CMOS-MAGFET-Paare besitzen eine geringe Verlustleistung und eine hohe Empfindlichkeit. Folgende Parameter können durch den Reifensensor direkt ermittelt oder durch Auswertung der übertragenen Meßgrößen errechnet werden: - der Kraftschluss der Reifen zur Straße (maximale Beschleunigung bzw. Abbremsung des Fahrzeugs), - die Radlast und damit das Gesamtgewicht des KFZ (Schutz vor Überladung), - die frühzeitige Erkennung von Aquaplaning vor dessen Einsetzen, - der Rollwiderstand des Reifens, - die Radstellungsparameter (Sturzwinkel korrekt eingestellt, Widerstandsminimum erreicht?), - die Größe des Luftdrucks des Reifens, - der Zustand der Stoßdämpfer, - die Reifentemperatur. Die aufgelisteten Größen sind dynamisch, während der Fahrt und für jedes Rad einzeln erfaßbar. Durch eine geeignete Signalverarbeitung ist dies auch in Echtzeit möglich. Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis: 1.Einleitung1 2.Systemüberblick5 2.1Aufbau des Reifensensors5 2.2Bestimmung der Abtastfrequenz6 2.3Gesamtschaltung des Sensors7 3.MAGFETs11 3.1Aufbau und Funktionsweise11 3.2CMOS-MAGFETs13 3.3Einstellung der Spannung VGp14 3.4Einfluß des piezoresistiven Effektes18 3.5Anordnung der MAGFET-Gruppen19 4.Verstärkung der Sensorsignale23 4.1Verstärkung der x-, y- Richtungssignale23 4.1.1Arbeitsweise der Verstärker24 4.1.2Analyse des Instrumentierungsverstärkers30 4.2Verstärkung der z-Richtungssignale41 4.2.1Aufbau des [...]