Analogtipp Bandbreite von MEMS-Sensoren ohne mechanische Anregung überprüfen

Die Bandbreite repräsentiert einen klassischen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Reaktionszeit. Zum Optimieren der Bandbreite von MEMS-Systemen ist es normalerweise erforderlich, sowohl den Sensor als auch das komplette System auf einem Rütteltisch zu messen. Eine häufige Fehlerquelle sind Resonanzschwingungen.

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Resonanzschwingungen können durch unzureichend gewartete Anregungsquellen, eine schlechte Kopplung an das DUT (Device Under Test) oder durch eine nicht optimale Platzierung des Referenz-Sensors entstehen. Die Identifikation dieser Fehlerarten ist zeitaufwändig und kann die Einhaltung von Projektzeitplänen gefährden.

Über die Selbsttest-Funktion von MEMS-Sensoren lässt sich die mechanische Struktur im Inneren der Bauteile anregen und so die externe Kraft simulieren, für die der Sensor entwickelt wurde. Auf diese Art können MEMS-Sensoren vor dem Einbau in ein Gerät gestestet werden. Darüber hinaus kann diese Diagnosefunktion auch ein Sprungsignal am Eingang simulieren. Aus der Reaktion auf dieses Sprungsignal ergibt sich die Bandbreite des Sensors.

Die Frequenzreaktion des Drehratensensors ADIS16080 wird von seinem Tiefpass-Filter dominiert. Die Reaktion auf ein Sprungsignal, das am Selbsttest-Pin angelegt wird, sollte folgendermaßen aussehen:

Diese einfache Gleichung kann Entwickler bei der Verifikation unterstützen. Eine Zeitkonstante erhält man, wenn das Ausgangssignal 63,2% seines Endwertes erreicht. Bei einem 40-Hz-System mit nur einer Polstelle geschieht dies etwa 4 ms nach dem Anlegen des Sprungsignals. Mit zunehmender Komplexität der Filterstrukturen wird die Anwendung obiger Gleichung schwieriger. So ergibt sich zum Beispiel für ein 56-Hz-System mit zwei Polstellen die gleiche Zeitkonstante wie für ein 40-Hz-System mit nur einer Polstelle.

Über die Reaktion auf ein Sprungsignal lässt sich ermitteln, ob die während der Charakterisierung der Bandbreite beobachtete Resonanz durch das Verhalten des Sensors entsteht oder von mechanischen Schwingungen im System verursacht wird. Im Bild sind zwei Diagramme für unterschiedliche Fälle gezeigt: Resonanz, die durch den Testaufbau entsteht, und Resonanz, die vom Sensor verursacht wird.

Diese Technik liefert eine unabhängige Methode zur Isolation von unerwartetem Verhalten in MEMS-Sensoren. Außerdem gibt sie Entwicklern die Möglichkeit, Angaben zur Bandbreite ohne mechanische Anregung zu überprüfen.

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