Forschungszentrum Karlsruhe in Der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 6774
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Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 6774 Optimierung von Mikro- systemen für Diagnose- und Überwachungsanwendungen (Abschlussseminar des BMBF-Verbundprojektes OMID) Karlsruhe, 25. und 26. November 2002 H. Eggert, A. Reiffer (Hrsg.) Institut für Angewandte Informatik November 2002 Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 6774 Optimierung von Mikrosystemen für Diagnose- und Überwachungsanwendungen (Abschlußseminar des BMBF-Verbundprojektes OMID) Karlsruhe, 25. und 26. November 2002 H. Eggert, A. Reiffer*) (Herausgeber) Institut für Angewandte Informatik *) InterConnect Software GmbH Am Fächerbad 3 67131 Karlsruhe Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe 2002 Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Postfach 3640, 76021 Karlsruhe Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF) ISSN 0947-8620 Optimierung von Mikrosystemen für Diagnose- und Überwachungsanwendungen (Abschlußseminar des BMBF-Verbundprojektes OMID) Zusammenfassung Im BMBF-Verbundprojekt OMID (Optimierung von MIkrosystemen für Diagnose- und Über- wachungsanwendungen) wurden Methoden und Werkzeuge zur automatisierten Designoptimie- rung entwickelt und an fünf innovativen vorwettbewerblichen Entwicklungen aus der Mikrosys- temtechnik erfolgreich erprobt. Modellbildung, Simulation und Optimierung lieferten qualitativ verläßliche Designs und diese ermöglichten wiederum eine gezielte Herstellung von Labormustern (Prototypen). Die meßtech- nische Erfassung von Funktionsverläufen der Labormuster führte zur Vergleichsmöglichkeit mit den vorher berechneten Funktionen. Diese Doppelstrategie ermöglichte über die gesamte Pro- jektlaufzeit hinweg eine iterierende Werkzeug- und Prototypenevaluierung. Zusätzlich wurden die entwickelten Optimierungswerkzeuge zusammen mit kommerziellen Si- mulatoren an geeignete Internetmechanismen adaptiert, so daß heute eine räumlich verteilte Si- mulation und Optimierung von Mikrosystementwürfen möglich ist. In OMID wurde erstmalig dieser gesamtheitliche Ansatz zur Entwurfsmethodik in der Mikrosys- temtechnik als Projektziel definiert und auch erfolgreich umgesetzt. Optimization of Microsystems for Diagnosis and Monitoring Applications (Final Seminar of the OMID Joint Project Funded by the BMBF) Abstract Within the framework of the OMID (Optimization of MIcrosystems for Diagnosis and Monitoring Applications) joint project funded by the BMBF, methods and tools for automatic design optimization were developed and tested successfully on five innovative pre- competitive developments in microsystems engineering. Modelling, simulation, and optimization yielded qualitatively reliable designs that allowed for a specific manufacture of laboratory models (prototypes). Based on the functional patterns measured, comparison with the pre-calculated functions was possible. This double strategy provided for an iterative tool and prototype evaluation over the entire project duration. In addition, the optimization tools developed were adapted to suitable internet mechanisms together with commercial simulators. Today, a spatially distributed simulation and optimization of microsystems designs can be carried out. In OMID, this holistic approach to designing in microsystems engineering was defined as a project objective and implemented successfully for the first time. Inhaltsverzeichnis Übersicht OMID – Werkzeug- und Prototypenentwicklung in der Mikrosystemtechnik H. Eggert, Forschungszentrum Karlsruhe...................................................................................1 Methoden und Werkzeuge I Simplorer als Remote-Simulator L. Zacharias, Ansoft GmbH........................................................................................................8 Internetbasierte Designoptimierung mit HyGLEAM W. Jakob, Forschungszentrum Karlsruhe.................................................................................14 Modellbasierte Designoptimierung von Mikrosystemen mit MODOS D. Peters, H. Bolte, O. Nüssen, R. Laur, Universität Bremen..................................................28 Anwendungen I Betrachtung des Flüssigkeitsverhaltens in medizinischen Teststreifen aus Kunststoff C. Schön, STEAG microParts...................................................................................................39 Modellbasierte Optimierung medizinischer Teststreifen aus Kunststoff O. Nüssen, Universität Bremen S. Halstenberg, Forschungszentrum Karlsruhe.........................................................................45 Die Aktorplatte – ein universeller fluidischer Mikroaktor I. Tahhan, Bartels Mikrotechnik GmbH...................................................................................57 Modellierung und Optimierung der Aktorplatte A. Quinte, Forschungszentrum Karlsruhe...............................................................................66 Anwendungen II Eine Lasersteuerung für optische Meßgeräte G. Gärtner, VacuTec Meßtechnik GmbH.................................................................................78 Modellierung, Simulation und Optimierung einer Lasersteuerung P. Schwarz, Fraunhofer Gesellschaft IIS..................................................................................86 IR-Gassensor für Überwachungsaufgaben in Umwelt- und Gebäudetechnik K.-H. Suphan, Micro-Hybrid Electronic GmbH.......................................................................95 Modellbasierte Optimierung eines IR-Gassensors I. Sieber, Forschungszentrum Karlsruhe O. Nüssen, Universität Bremen...............................................................................................101 Ein hochauflösendes radiometrisches Meßsystem zur Qualitätskontrolle schnell laufender Materialbahnen D. Richter, G. Gärtner, VacuTec Meßtechnik GmbH.............................................................111 Entwurfsunterstützung für ein radiometrisches Meßsystem – Ein physikalisches Modell der Ladungsträgergeneration H. Bolte, Universität Bremen..................................................................................................118 Entwurfsunterstützung für ein radiometrisches Meßsystem – Kammerelektronik und Gesamtsystemmodell E. Huck, Fraunhofer Gesellschaft IIS.....................................................................................127 Methoden und Werkzeuge II MOSCITO – Ein modulares internetbasiertes Programmsystem für die Optimierung von Mikrosystemen A. Schneider, Fraunhofer Gesellschaft IIS............................................................................140 ORBIT – Internetbasierte Plattform für Remote-Anwendungen A. Reiffer, InterConnect Software GmbH..............................................................................152 BMBF-Verbundprojekt OMID - 1 - OMID – WERKZEUG- UND PROTOTYPENENTWICKLUNG IN DER MIKROSYSTEMTECHNIK H. Eggert, Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Angewandte Informatik [email protected] Kurzfassung 1 Einleitung Das vom BMBF geförderte Verbundprojekt OMID (Optimierung von MIkrosystemen für Der Entwurf von Mikrosystemen war zu- Diagnose- und Überwachungsanwendungen) nächst durch Intuition, Erfahrung der Desig- verfolgte das Ziel, in der Mikrosystemtechnik ner sowie langwierige und kostenintensive einen Durchbruch im Rahmen des System- Experimente mit Testaufbauten gekennzeich- entwurfs zu erlangen. Während in vergange- net. Dieser Aufwand sollte - vor allem aus nen Projekten -durchaus erfolgreich- entweder Gründen des internationalen Wettbewerbs - einzelne Mikrosysteme bzw. Entwurfsmetho- durch verstärkten Rechnereinsatz reduziert den und -werkzeuge entwickelt wurden, ver- werden. In BMBF-Projekten wie z. B. folgte OMID einen ganzheitlichen Ansatz zur METEOR [1], MIMOSYS [2] und DEMIS Entwurfsmethodik von Mikrosystemen. [3] wurden Schritte in diese Richtung getan, Ganzheitlich bedeutet: diese Vorarbeiten und Ergebnisse ließen sich • daher in OMID nutzen. Die im Projekt zu Bereitstellung von vorhanden Modellie- entwicklenden Mikrosysteme führten einer- rungs- und Simulationswerkzeugen. seits zu Geräten mit deutlich erhöhtem • Entwicklung und Bereitstellung von Op- Gebrauchswert - und damit erhöhten Absatz- timierungsmethoden und -werkzeugen. chancen -, sind andererseits aber sehr kom- • plexe Komponenten, zu deren Entwicklung Zugang zu den Werkzeugen über das In- ein erhöhter wissenschaftlich/technischer ternet. Aufwand getrieben werden mußte. Die Be- • Entwicklung von Simulationsmodellen sonderheiten sind: und deren Optimierung für exemplarische • Die in der Mikrosystemtechnik typischen Anwendungen aus unterschiedlichen Do- hohen Querempfindlichkeiten, die im mänen der Mikrosystemtechnik. Systementwurf nur durch domänenüber- • Bereitstellung dieser Simulationsmodelle greifende Modelle auf höheren Abstrakti- im Internet. onsebenen beherrschbar werden; dafür ist jedoch der Modellierungsaufwand hoch. • Fertigung von Labormustern der exempla- rischen Anwendungen. • Ein extrem großer Lösungsraum bereits • bei wenigen zu optimierenden Systempa- Meßtechnische Erfassung des Funktions- rametern, so daß Variantenuntersuchun- verhaltens der Labormuster. gen von Hand nicht mehr durchführbar • Evaluierung der optimierten Simulations- sind (weder durch Simulation noch gar modelle. durch experimentelle Aufbauten). Alle Ziele wurden ohne Einschränkung er- • Der Einsatz mehrerer hochspezialisierter reicht. Das wurde insbesondere durch Nut- Tools (Simulatoren, Optimierungspro- zung der Ergebnisse früherer