Cyber-physikalische Systeme

Das Leben im und mit dem Internet der Dinge

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Eine Alternative zum Dehnungsmesser-Ansatz besteht in der Erfassung der Temperaturänderungen, die durch Druckschwankungen bewirkt werden. Einige Sensoren messen die Geschwindigkeit der Gasströmung, wenn sich die Wärme, die der Strömung hinzugefügt wird, ausbreitet. Wiederum andere messen die Temperaturdifferenz zwischen einem erwärmten Sensor und der Strömung im Umfeld. Sie sind relativ preiswert und können die Strömung von Gasen mit geringem Druck messen. Außerdem bieten sie den Vorteil, dass sie auch die Überwachung von mehreren Messgrößen ermöglichen, so etwa von Temperatur und Wärmeleitfähigkeit. So lässt sich die tatsächliche Massenströmungsrate feststellen, obwohl sie mit einer reinen Gasströmung am besten funktionieren.

Durch die enorme Verbreitung von Nintendo Wii und dem iPhone von Apple sind Sensoren, die Bewegungen erkennen können, zu einem wesentlichen Faktor der MEMS-Technologie geworden – und sind dem Endverbraucher inzwischen vertrauter als Drucksensoren. Im Gebrauch sind gegenwärtig vor allem zwei Typen von MEMS-Bewegungssensoren: Beschleunigungsmesser, die oft zur Erkennung von linearen Bewegungen eingesetzt werden, und Gyroskope, mit denen Änderungen der Ausrichtung gemessen werden.

Typologie der Beschleunigungsmesser

Wie bei den Drucksensoren stehen auch bei den Beschleunigungsmessern verschiedene Technologien zur Auswahl. So gibt es kapazitive, piezoelektrische und thermische Beschleunigungsmesser. Sowohl die kapazitiven als auch die piezoelektrischen Bewegungssensoren beruhen auf elektrischen Änderungen, die aus der Verlagerung einer definiert aufgehängten Masse resultieren, bei der es sich üblicherweise um eine Strebe oder Platte handelt Bei den kapazitiven Bausteinen steigt üblicherweise das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) an. Das wird mithilfe einer gefalteten Strebe ermöglicht, die viele bewegliche und feststehende Fingerelemente enthält.

Die Hersteller von kapazitiven Sensoren behaupten, ihre Produkte seien im Gegensatz zu den piezoelektrischen Sensoren weniger empfindlich gegenüber Temperaturänderungen, weil sich das gasförmige Dielektrikum, das bei ihnen zur Trennung der beweglichen Teile von den feststehenden Platten verwendet wird, bei normalen Betriebstemperaturen weniger stark ausdehnt als das dotierte Silizium.

Denn der Wärmekoeffizient vieler Gase ist im Allgemeinen viel geringer als der von Silizium. Die kapazitiven Sensoren können zusätzlich die DC-Beschleunigung und Vibration erfassen. Das ist bei piezoelektrischen Systemen schwieriger machbar, weil sie eine dynamische Eingabe mit fester Frequenz benötigen, um eine Sensorantwort zu erzeugen.

Das Internet der Dinge ist eine Technik, die uns in den kommenden Jahren und Jahrzehnten begleiten wird.
Das Internet der Dinge ist eine Technik, die uns in den kommenden Jahren und Jahrzehnten begleiten wird.
(Bild: Digi-Key)
Das MEMS-Gyroskop ist eine weitere Option für Bewegungssensoren. Ihr Einsatz in Smartphones war zwar der Einstieg in die Praxis, aber zunehmend werden diese Sensoren zur Stabilitätskontrolle (DSC) in Fahrzeugen und zur Bildstabilisierung in Kameras eingesetzt. Viele dieser Bausteine arbeiten nach dem Einachsen-Prinzip – für die Stabilitätskontrollsysteme werden schließlich keine kompletten 3D-Rotationsdaten benötigt. Inzwischen ist es jedoch möglich, die Erkennung von Rotationsbewegungen in allen drei Achsen in einem Baustein zu integrieren. Das ist nicht nur für die heiß umkämpften Smartphone- und Spielekonsolenmärkte sehr wichtig, sondern macht elektronische Gyroskope auch für die Entwickler von unbemannten Luft- und Wasserfahrzeugen und modernen Robotern erschwinglich.

Trägheitssensoren in Smartphones können durch Magnetometer ergänzt werden. Sie messen das Magnetfeld der Erde und liefern Informationen zur Ausrichtung in Bezug auf die Polarachse. Bei den Herstellern von Mobiltelefonen für den Massengebrauch kommen unterschiedliche Konzepte zur Messung des Magnetfelds zum Einsatz, darunter der Hall-Effekt, der GMR-Effekt (Riesenmagnetowiderstand), der MTJ-Effekt (magnetischer Tunnelübergang) und der AMR-Effekt (Anisotroper Magnetowiderstand). Im Gegensatz zu vielen MEMS-Designs verwenden sie keinerlei bewegliche Teile, sondern nutzen Mikrobearbeitungsverfahren zur Bildung magnetischer Mehrschichtstrukturen, die auch schwache Magnetfelder erfassen können.

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