Ein komplettes Messsystem

Für die Ausbildung in Mikro- und Nanotechnologie der Physiklaboranten Lernenden haben wir ein Vertiefungsprojekt definiert. Dabei handelt es sich um ein komplettes Messsystem, welches mit einem Mikrokontroller gesteuert wird. Das Herzstück bildet ein selbst hergestellter mikrotechnischer Lagesensor.

Mein Auftrag bestand darin, das bereits vorhandene Messsystem gesamtheitlich zu optimieren und anschliessend den Prototypen herzustellen.

Diese interessante Aufgabe umfasste folgende Arbeitsschritte:

• Herstellung des kapazitiven Lagesensors im Reinraum
• Optimierung der Elektronik und des Gehäuses
• Mikroprozessor Programmierung

Herstellung des kapazitiven Lagesensors im Reinraum

Bevor ich mit den Arbeiten im Reinraum beginnen konnte, musste zuerst die entsprechende Prozesskette definiert werden. Diese erstellte ich nach den Richtlinien des internen „High-Tech“ Reinraumes. Nachdem ich den Lagesensor mittels mikrotechnischem Fertigungsverfahren hergestellt hatte, konnte ich den Sensor ausmessen und kalibrieren. Kalibrieren heisst, dass das Sensorsignal auf eine bekannte Vergleichsgrösse abgestimmt wird. Der Sensor ist nun bereit.

Optimierung der Elektronik und des Gehäuses

Vor Arbeitsbeginn besprachen wir im Team, was geändert und optimiert werden könnte. Wir entschieden uns den Mikroprozessor neu anzuordnen, sodass der USB Anschluss direkt von aussen zugänglich ist. Auch soll neu eine Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsmessung möglich sein und eine Batteriestatusanzeige integriert werden. Mit den zusätzlichen Lötösen soll die Kontaktierung für die Messsonden vereinfacht werden.

Nachdem nun die Anforderungen geklärt waren, erstellte ich als erstes das Schaltschema und anschliessend das Layout des Prototypen - PCB (Printed Circuit Board). Nun hiess es, den Print zu bestücken, die elektronischen Bauelemente anzulöten und anschliessend eine optische Qualitätskontrolle durchzuführen.

Die Elektronik schützen, handliches und ansprechendes Design - dies waren die Hauptanforderungen an das Gehäuse. Mit unserem 3D CAD Zeichnungsprogramm konnte ich das neue Gehäuse konstruieren. Anhand der Daten aus dem CAD Zeichnungsprogramm programmierte unsere Werkstatt ihre Produktionssysteme um die einzelnen Bestandteile des Gehäuses herzustellen.

Mikroprozessor Programmierung

Damit die räumliche Lage angezeigt werden kann, mussten die Signale der kapazitiven Lagesensoren im Mikroprozessor digital verarbeitet werden. Hierfür musste ich den Mikroprozessor entsprechend programmieren. Das Programm habe ich auf der Programmierumgebung Arduino geschrieben. Nebst den programmierten Spielen, die alle zur Steuerung räumliche Lagesensoren benötigen, schrieb ich auch die Software zur Anzeige des Batteriestatus sowie der Temperatur und Luftfeuchtigkeit.

Es ist toll zu sehen wie mein verbessertes Messsystem neben der Fachausbildung für Physiklaboranten auch in Workshops und als repräsentatives „NTB Demoobjekt“ eingesetzt wird. Ein komplettes Messsystem herzustellen - vom mikrotechnisch gefertigten Sensor bis hin zur Mikroprozessorprogrammierung – war eine sehr abwechslungsreiche Arbeit. Das selbständige Umsetzen dieses Auftrages war sehr spannend und bereitete mir viel Freude.