D. Walter and A. Zimmermann, “Untersuchungen zu Widerständen für auf Bauteiloberflächen integrierte Sensorelemente,” Dissertation, Universität Stuttgart, 2026. doi:
https://doi.org/10.18419/opus-17980.
Zusammenfassung
Kommerzielle Dehnungsmessstreifen (DMS) sind als mäanderförmige Metallfolien auf polymeren Trägersubstraten erhältlich. Diese müssen mittels eines Klebstoffs auf ein Bauteil appliziert werden. Kommerzielle DMS haben die Nachteile, dass • diese nur händisch auf Bauteile appliziert werden können und damit eine präzise Ausrichtung sehr aufwändig ist, • diese nicht auf beliebig geformte topologische Oberflächen appliziert werden können und • dass das Foliensubstrat und die Klebstoffschicht aufgrund von Relaxation und Alterung zu driftenden Signalen führen. Um diese Nachteile von kommerziellen DMS zu überwinden, werden in dieser Arbeit unterschiedliche Schichtsysteme integrierter Sensorelemente zur Dehnungsmessung untersucht. Integrierte Sensorelemente werden im Gegensatz zu kommerziellen DMS, die in dieser Arbeit als applizierte DMS bezeichnet werden, Schicht für Schicht direkt auf einem Bauteil aufgebaut. Damit kann auf Zwischenschichten, wie Klebstoff und Trägersubstrat, verzichtet werden. Integrierte Sensorelemente bieten daher das Potential, durch eine bessere Übertragung der Dehnung vom Bauteil auf das Sensor-element empfindlicher zu sein sowie eine bessere Langzeitstabilität aufzuweisen, da auf Komponenten, die zu einer Drift beitragen (z.B. Klebstoff), verzichtet werden kann. Ein integriertes Schichtsystem besteht aus einer Isolationsschicht, einer resistiven Schicht und einer Passivierungsschicht. Die Gesamtschichtsysteme wurden auf ihre Empfindlichkeit in einem Biegewechselprüfstand hin untersucht. Dabei wurden der k-Faktor sowie ein in dieser Arbeit eingeführter Sensitivitätskoeffizient, welcher den k-Faktor je beitragender Leiterbahn darstellt, bestimmt. Außerdem wurden die Gesamtschichtsysteme auf ihre Langzeitstabilität hin untersucht. Dazu finden sich Messungen der Widerstandswerte über zwei Wochen von Dehnungsstrukturen ohne und mit Last in den Ergebnissen. Aus den Messwerten ohne Last wurde die Allan-Abweichung bestimmt, um bestimmte Rauschanteile und die Stabilität der Messwerte zu bestimmen. Zusätzlich wurde das Rauschen, insbesondere das 1/f-Rauschen, der Schichtsysteme charakterisiert. Die gleichen Untersuchungen wurden ebenso mit kommerziellen DMS als Vergleichswerte durchgeführt. Um das integrierte Sensorelement auszulesen, wurde außerdem eine Ausleseelektronik basierend auf dem PS09 mit integriertem Zeit-Digital-Wandler (TDC) entwickelt. Beim resultierenden Demonstrator, einer Wägezelle, wurde das vielversprechendste Gesamtschichtsystem integriert und mit der Ausleseelektronik kombiniert. Das in dieser Arbeit vielversprechendste Schichtsystem besteht aus Al2O3 als Isolation, Nickelchrom als resistiver Sensorschicht und einem Lötstopplack als Passivierung. Die Ergebnisse aus den Biegewechseltests zeigen einen k-Faktor von 0,65 - 0,85 und einen Sensitivitätskoeffizienten von > 0,1. Im Vergleich dazu liegt der k-Faktor für kommerzielle DMS bei 2,1 und der Sensitivitätskoeffizient bei 0,055. Das integrierte Schichtsystem zeigt jedoch bisher eine große Drift, sowohl beim Biegewechseltest, als auch bei den Untersuchungen zur Langzeitstabilität, und mehr 1/f-Rauschen verglichen mit kommerziellen DMS. Der hohe Sensitivitätskoeffizient konnte jedoch bereits das Potential dieses Schichtsystems zeigen. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um das Schichtsystem weiter zu verbessern und eindeutig zu belegen, dass integrierte Dehnungsstrukturen Vorteile in Bezug auf Empfindlichkeit und Langzeitstabilität verglichen mit kommerziellen DMS besitzen.BibTeX
D. Walter, A. Buelau, S. Bengsch, K. Glaeser, and A. Zimmermann, “Fabrication and Characterization of a Thermal Flow Sensor Based on the Ensinger Microsystems Technology,”
Metrology, vol. 5, Art. no. 3, Jul. 2025, doi:
https://doi.org/10.3390/metrology5030041.
Zusammenfassung
Thermal mass flow sensors (TMFS) are used to detect the flow rates of gases. TMFS elements are available in different technologies and, depending on the one used, the material choice of substrate, heater, and temperature sensors can limit their performance. In this work, a sensor element based on the Ensinger Microsystems Technology (EMST) is presented that uses PEEK as the substrate, nickel-chromium as the heater, and nickel as the temperature sensor material. The fabrication process of the element is described, the completion to a flow sensor with a control and readout circuit based on discharge time measurement with picosecond resolution is presented, and measurement results are shown, which are compared to sensors with a commercially available element based on thin film technology on ceramic and an element built with discrete components, all using the same electronics. It is shown that the operation of all sensor elements with the proposed readout circuit was successful, flow-dependent signals were achieved, and the performance of TMFS in EMST improved. Its heater shows better results compared to the commercial element due to material choice with a smaller temperature coefficient of resistance. In its current state, the TMFS in EMST is suitable to detect flow rates > 20 SLPM. The performance needs to be improved further, since the temperature sensors still differ too much from another.BibTeX
A. Bülau, D. Walter, and A. Zimmermann, “A 10 V Transfer Standard Based on Low-Noise Solid-State Zener Voltage Reference ADR1000,”
Metrology, vol. 4, Art. no. 1, 2024, doi:
10.3390/metrology4010007.
Zusammenfassung
Voltage standards are widely used to transfer volts from Josephson voltage standards (JVSs) at national metrology institutes (NMIs) into calibration labs to maintain the volts and to transfer them to test equipment at production lines. Therefore, commercial voltage standards based on Zener diodes are used. Analog Devices Inc. (San Jose, CA, USA), namely, Eric Modica, introduced the ADR1000KHZ, a successor to the legendary LTZ1000, at the Metrology Meeting 2021. The first production samples were already available prior to this event. In this article, this new temperature-stabilized Zener diode is compared to several others as per datasheet specifications. Motivated by the superior parameters, a 10 V transfer standard prototype for laboratory use with commercial off-the-shelf components such as resistor networks and chopper amplifiers was built. How much effort it takes to reach the given parameters was investigated. This paper describes how the reference was set up to operate it at its zero-temperature coefficient (z.t.c.) temperature and to lower the requirements for the oven stability. Furthermore, it is shown how the overall temperature coefficient (t.c.) of the circuit was reduced. For the buffered Zener voltage, a t.c. of almost zero, and with amplification to 10 V, a t.c. of <0.01 µV/V/K was achieved in a temperature span of 15 to 31 °C. For the buffered Zener voltage, a noise of ~584 nVp-p and for the 10 V output, ~805 nVp-p were obtained. Finally, 850 days of drift data were taken by comparing the transfer standard prototype to two Fluke 7000 voltage standards according to the method described in NBS Technical Note 430. The drift specification was, however, not met.BibTeX
D. Walter, A. Bülau, and A. Zimmermann, “Review on Excess Noise Measurements of Resistors,”
Sensors, vol. 23, Art. no. 3, Jan. 2023, doi:
10.3390/s23031107.
Zusammenfassung
Increasing demands for precision electronics require individual components such as resistors to be specified, as they can be the limiting factor within a circuit. To specify quality and long-term stability of resistors, noise measurements are a common method. This review briefly explains the theoretical background, introduces the noise index and provides an insight on how this index can be compared to other existing parameters. It then focuses on the different methods to measure excess noise in resistors. The respective advantages and disadvantages are pointed out in order to simplify the decision of which setup is suitable for a particular application. Each method is analyzed based on the integration of the device under test, components used, shielding considerations and signal processing. Furthermore, our results on the excess noise of resistors and resistor networks are presented using two different setups, one for very low noise measurements down to 20 µHz and one for broadband up to 100 kHz. The obtained data from these measurements are then compared to published data. Finally, first measurements on commercial strain gauges and inkjet-printed strain gauges are presented that show an additional 1/fα component compared to commercial resistors and resistor networks.BibTeX
J. Jäger, A. Schwenck, D. Walter, A. Bülau, K. Gläser, and A. Zimmermann, “Inkjet-Printed Temperature Sensors Characterized according to Standards,”
Sensors, vol. 22, Art. no. 21, Oct. 2022, doi:
10.3390/s22218145.
Zusammenfassung
This paper describes the characterization of inkjet-printed resistive temperature sensors according to the international standard IEC 61928-2. The goal is to evaluate such sensors comprehensively, to identify important manufacturing processes, and to generate data for inkjet-printed temperature sensors according to the mentioned standard for the first time, which will enable future comparisons across different publications. Temperature sensors were printed with a silver nanoparticle ink on injection-molded parts. After printing, the sensors were sintered with different parameters to investigate their influences on the performance. Temperature sensors were characterized in a temperature range from 10 °C to 85 °C at 60% RH. It turned out that the highest tested sintering temperature of 200 °C, the longest dwell time of 24 h, and a coating with fluoropolymer resulted in the best sensor properties, which are a high temperature coefficient of resistance, low hysteresis, low non-repeatability, and low maximum error. The determined hysteresis, non-repeatability, and maximum error are below 1.4% of the full-scale output (FSO), and the temperature coefficient of resistance is 1.23–1.31 × 10−3 K−1. These results show that inkjet printing is a capable technology for the manufacturing of temperature sensors for applications up to 85 °C, such as lab-on-a-chip devices.BibTeX
