Entwicklung und Aufbau eines rauscharmen, modularen, FPGA-basierten Messsystems zur Hochgeschwindigkeitsmessung von resonanten MEMS Sensoren : Bachelorarbeit

In der Industrie werden Oberflächenmessungen diverser Materialien zunehmend wichtiger. Diesbezüglich haben sich taktile Sensoren bewärt [1]. Aspekte wie Modularität, Auflösung und Geschwindigkeit sind in unterschiedlichen Messsystemen bereits verifiziert und optimiert worden. Die PLL-basierte Messung hat sich bei resonanten Sensoren in Hinblick auf die Scangeschwindigkeit besonders etabliert, sie ist dennoch ausbaufähig. Aktuelle Messaufbauten erreichen Geschwindigkeiten von 15 mm/s und können einen minimalen Höhenunterschied von 11 nm detektieren. [1, 2, 3, 4, 5].
Ein wesentlicher Schwachpunkt der bestehenden Elektronik ist der hohe Rauschanteil. Mit schmalbandigen Verstärkern wie dem Lock-in Verstärker lassen sich diese Rauschanteile verringern. FPGA-basierte Methoden zur Lock-in Mechanik wurden bereits validiert und bieten neben hoher Integrierbarkeit und Geschwindigkeitszuwachs durch Parallelisierung, ein großes Maß an Flexibilität [6, 1]. In dieser Arbeit wird ein Grundsystem entwickelt, in dem digitale PLL Verfahren und alternative Lock-in Mechaniken getestet und verglichen werden können. Dies soll insbesondere die Untersuchung höherer Moden ermöglichen und zugleich höhere Scangeschwindigkeiten gestatten. Eine Modulare Auslegung soll es möglich machen, diverse Komponenten zu optimieren und somit ein passendes und reproduzierbares Messsystem entwickeln zu können.
Die Flexibilität des Systems soll berücksichtigt werden, damit das Messsystem für eine breite Auswahl an Cantileversensoren zugänglich ist und  unterschiedliche Messverfahren untersucht werden können. Dafür müssen in Hinblick auf die Zugänglichkeit des Systems Schnittstellen passend ausgelegt und implementiert werden, die einheitlich und auf einfache Weise nutzbar sind. Moderne Lock-in-Verstärker sind sehr kostenintensiv, daher muss der Aspekt der Wirtschaftlichkeit für dieses System ebenfalls berücksichtigt werden, indem auf vergleichsweise günstige und standardisierte Hardwarekomponenten zurückgegriffen wird. Die zu entwickelnde Messelektronik soll zudem manipulierbar sein und an Anforderungen anpassbar entworfen werden.
Diese Arbeit soll außerdem einen allgemeinen Einblick in die Problem  zugeschnittene Entwicklung FPGA-basierter, eingebetteter Systeme geben und die dafür nötige digitale Schaltungsentwicklung und Elektronikentwicklung behandeln.