Kombinierte Drehraten- und Beschleunigungssensoren für raue Umgebungen Integrierte MEMS-Sensoren für Industriesteuerungen

MEMS-Beschleunigungssensoren haben sich zur attraktiven Alternative für unkalibrierte Sensor-Cores oder teure Lösungen entwickelt. Eingebettete Sensor-Verarbeitungslösungen eröffnen dabei das lange ersehnte Potenzial für erhöhte Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Sicherheit in Industrie-Anwendungen. Dies gilt unabhängig davon, ob solche Lösungen ältere, weniger zuverlässige Konzepte ablösen oder völlig neue Anwendungen ermöglichen.

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Analog Devices

Aktuelle Sensor-Entwicklungen können Industriesteuerungen wesentlich verbessern. Zu den Anwendungen, in denen zum Beispiel Trägheitssensoren sinnvoll eingesetzt werden können, gehören Systeme zur Plattform-Stabilisierung, Bewegungssteuerungen für Maschinen, Sicherheitsgeräte, Systeme zum Stabilisieren von Antennen, Roboter, Navigationssysteme und viele andere. Mit den von solchen Sensoren gelieferten Bewegungsinformationen lassen sich die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Betriebskosten wesentlich verbessern.

Mit entsprechenden Technologien und Knowhow lassen sich diese Eigenschaften in die rauen Umgebungen vieler Industrieanwendungen (Temperatur, Schwingungen und knappes Platzangebot) übertragen.

MEMS-Technologie

Die MEMS-Sensortechnologie (MEMS - Mikroelektronisches mechanisches System) hat sich mittlerweile etabliert. MEMS-Bauteile basieren auf mikromechanischen Verfahren.

MEMS-Beschleunigungssensoren revolutionierten Airbag-Systeme für Fahrzeuge bereits vor 15 Jahren. Inzwischen werden diese Beschleunigungssensoren in vielen Systemen z.B. zum Schutz von Festplatten in Notebooks oder in Spiele-Controllern wie der neuen Wii-Konsole von Nintendo eingesetzt. Seit kurzem steht die gleiche Sensor-Core-Technologie auch für Geräte zur Verfügung, die in der Industrie eingesetzt werden.

Zum Erfassen von Bewegungen wie Schwingungen, Stoßbelastungen, Dreh- oder Linearbewegungen und Neigungen verbrauchen MEMS-Beschleunigungs- und -Drehratensensoren (Gyroskope) weniger Strom als herkömmliche Lösungen. Sie benötigen weniger Platz und sind zuverlässiger. Mehrere Sensoren werden oft kombiniert eingesetzt, um Bewegungen in mehreren Ebenen zu erfassen.

Funktionsprinzip von MEMS-Gyroskopen

Ein Drehratensensor auf der Basis eines MEMS-Gyroskops arbeitet nach dem Prinzip eines Resonator-Gyroskops. Zwei polykristalline Silicium-Sensorstrukturen enthalten jeweils einen so genannten „Dither Frame“, der elektrostatisch in Resonanz versetzt wird. Dies produziert die erforderliche Bewegung, um während der Rotation einen Coriolis-Effekt zu generieren. An zwei der äußeren Enden jedes Frames, orthogonal zur Dither-Bewegung, befinden sich bewegliche „Finger“, die zwischen festen „Fingern“ platziert sind und eine kapazitive Pickoff-Struktur bilden, die die Coriolis-Bewegung erkennt.

Sobald sich der MEMS-Gyroskopsensor bewegt, wird die Lageänderung des beweglichen „Fingers“ über eine Kapazitätsänderung erkannt und das resultierende Signal an eine in Reihe geschaltete Verstärkungs- und Demodulationsstufe geleitet, die an ihrem Ausgang ein elektrisches Signal liefert.

In einem integrierten Bauteil wie einem intelligenten Sensor aus der iSensor-Familie von Analog Devices wird das Ausgangssignal des Basissensors mit einem A/D-Wandler abgetastet und das resultierende digitale Signal an einen proprietären digitalen Kalibrationsschaltkreis weitergeleitet. Dieser Schaltkreis enthält werkseitig kalibrierte Koeffizienten sowie anwenderdefinierte Kalibrationsregister, die für weitere Systemoptimierungen verwendet werden können.

Integrationsvorteile

Jede Anwendung hat einzigartige Anforderungen und stellt bestimmte Aufgaben an den Sensor. Diese Anforderungen lassen sich über eingebettete, abstimmbare Funktionen wie digitale Filterung, Steuerung der Abtastrate, Überwachung des Betriebszustands und Power-Management sowie anwendungsspezifische Auxiliary-I/O-Funktionen erfüllen.

Temperatursensoren sind eine nützliche Erweiterung einer Sensorapplikation und sorgen für eine bessere Temperaturstabilität am Sensorausgang oder liefern zusätzliche Daten bei der Zustandüberwachung.

Einige Sensoren weisen Cross-Empfindlichkeiten auf (z.B. Drehratensensoren, die lineare Bewegungen erkennen). Indem man Sensoren kombiniert und Kompensationsroutinen einbindet, lässt sich ein stabileres Signal erzeugen. Meist ist ein bestimmter Sensortyp auf eine kurze Reaktionszeit optimiert, während ein anderer eine höhere Genauigkeit aufweist.

Anwendungsorientierte Lösungen, die geeignete Sensoren sowie die erforderliche Signalverarbeitung plus Schnittstellen beinhalten, werden zunehmend angeboten. Werden solche Systeme kostengünstig hergestellt und weisen sie für das System geeignete Standard-Schnittstellen auf, lassen sich Implementierungs- und Produktionshindernisse überwinden, denen viele Industriekunden bisher gegenüber standen. Mit dem richtigen Funktionsumfang, der einen Feinabgleich im System ermöglicht, können Produkte schneller als bisher entwickelt und auf den Markt gebracht werden.

Anwendungen für MEMS-Sensoren

Anwendungen wie Schwingungsanalyse, Plattform-Levelling und allgemeine Bewegungssteuerungen verlangen hoch integrierte und zuverlässige Lösungen, die das Sensorelement direkt in vorhandenes Equipment implementieren können. Außerdem sollten wirkungsvolle Steuerungs-, Kalibrations- und Programmierfunktionen vorhanden sein, damit ein Gerät möglichst autark arbeiten kann.

Die Robotik ist ein Anwendungsbereich, bei der das Erfassen von Bewegungen unerlässlich ist. Denn nur, wenn die Position und Bewegung eines Roboterarmes genau erfasst werden kann, lässt sie sich mit hoher Genauigkeit steuern und weiter beschleunigen. Somit lässt sich der Automatisierungsgrad erhöhen und optimal reproduzierbare Reaktionen erreichen.

Ein weiteres Beispiel ist die Bildstabilisierung. Über die Rückmeldung eines Bewegungssensors lassen sich zum Beispiel eine Kamera oder eine Kamera-Plattform stabilisieren oder eine Software zur Bildverbesserung einsetzen. Auf diese Art können Bildsequenzen – z.B. für das Publikum in IMAX-Kinos oder Zuschauer von Sportveranstaltungen - verbessern.

Genaue Antennenposition Bei der mobilen Satellitenkommunikation

Bei der mobilen Satellitenkommunikation für Schiffe oder Landfahrzeuge muss die Antennenposition sehr genau sein, um die Kommunikationsverbindung aufzubauen und aufrechtzuerhalten und den Empfang sowie die Datenübertragung zu gewährleisten. Wellengang oder Fahrzeugbewegungen lassen sich über die Integration mehrerer MEMS-Sensoren sowie durch eine Verbesserung der Sensorgenauigkeit über eingebettete Kalibrierfunktionen kalibrieren.

Eine der primären Anwendungsklassen für ein kleines Gyroskop mit geringem Stromverbrauch ist die einer Navigationshilfe. Die Endanwendung kann sich von Robotern für die Industrie über Systeme zum Aufspüren von Gegenständen bis hin zu Tracking-Systemen für Fahrzeuge und medizinischen Sonden erstrecken.

Störende Cross-Sensor-Empfindlichkeiten eliminieren

Bereits vorhandene Lösungen reichen von Magnetometern über Video/Bild-gesteuerte Lösungen bis zu GPS-Systemen. Gyroskope verbessern solche Systeme, indem sie schnellere und zuverlässigere Reaktionen gewährleisten. In GPS-Systemen ermöglichen Gyroskope “Dead Reckoning”, damit Lücken, bei denen keine GPS-Informationen zur Verfügung stehen, geschlossen werden können. Dies verbessert die Gesamtgenauigkeit eines Systems wesentlich.

Auch in diesem Fall lassen sich durch die Kombination mehrerer Gyroskope und Beschleunigungssensoren in einer Einheit nicht nur genauere Daten über mehrere Achsen erfassen, sondern Sensorausgänge kombinieren, um Cross-Sensor-Empfindlichkeiten zu eliminieren.

Im medizinischen Bereich schreitet die Forschung sehr rasch in Richtung tragbare Sensoren fort, die es ermöglichen, die Bewegungen von Patienten zu überwachen oder das Verhalten von Prothesen zu optimieren.

Sensoren am „Ort des Geschehens“

Durch die Integration anwendungsspezifischer Sensor-Signalaufbereitungen und Sensor-Signalverarbeitungen direkt in Sensor-Cores lassen sich Sensoren viel näher „am Ort des Geschehens“ anbringen. So kann man z.B. Schwingungssensoren direkt in Motoren oder in große, kontinuierlich laufende Maschinen unterbringen. Heute verfügbare Lösungen reichen vom periodischen „Hören“ (geschultes Bedienpersonal) bis zu extern montierten Sensoren, die grobe Veränderungen der Leistung erkennen. Mit einer komplett integrierten Lösung lassen sich selbst kleinste Schwingungen erkennen und viel früher als bisher präventive Wartungsmaßnahmen einleiten.

*Bob Scannell ist Business Development Manager für iSensor-Produkte bei Analog Devices.

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