MEMS-Technik Mehr Sicherheit für dynamische Anwendungen im Fahrzeug

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Mikroelektromechanische Sensoren (MEMS) erfassen physikalische Größen wie Beschleunigung, Drehrate oder Druck auch unter rauen Bedingungen mit hoher Präzision. In modernen Fahrzeugen ermöglichen sie eine Vielzahl sicherheitskritischer und komfortorientierter Funktionen.

Die moderne Fahrzeugarchitektur befindet sich im Wandel: Elektrifizierung, Automatisierung und zunehmende Konnektivität stellen neue Anforderungen an die eingesetzte Sensorik. Fahrzeuge müssen heute nicht nur ihre eigene Dynamik präzise erfassen, sondern auch ihre Umgebung interpretieren und mit anderen Systemen kommunizieren können. Das erfolgt in Echtzeit und unter rauen Umgebungsbedingungen. Gerade in sicherheitskritischen Anwendungen ist dabei höchste Zuverlässigkeit gefragt.

Eine zentrale Rolle übernehmen hier mikromechanische Sensoren (MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems), die physikalische Größen wie Beschleunigung, Drehrate oder Druck mit hoher Genauigkeit messen und damit eine Vielzahl technischer Funktionen erst ermöglichen – vom Notbremsassistenten über das Navigationssystem bis hin zur adaptiven Lichtsteuerung. Der folgende Beitrag zeigt, wie MEMS-Sensoren als Schlüsselkomponenten moderner Fahrzeuge fungieren, welche technischen Prinzipien dahinterstehen und warum sie in Zukunft noch wichtiger werden.

Der Vorteil von MEMS-Sensoren im Fahrzeug

MEMS-Sensoren vereinen mechanische und elektronische Funktionseinheiten auf einem einzigen Siliziumchip. Sie messen Größen wie Beschleunigung, Drehgeschwindigkeit, Druck oder Temperatur und setzen physikalische Veränderungen in elektrische Signale um. Ihr Herzstück bilden mikroskopisch kleine mechanische Strukturen – Membranen, Hebel oder schwebende Massen –, die mithilfe halbleiterbasierter Mikrostrukturierung gefertigt werden. Diese Strukturen reagieren auf äußere Kräfte und erzeugen Signale, die von integrierten Elektronikschaltungen verarbeitet werden. Bei Beschleunigungs- oder Drehratenänderungen verändert sich etwa die Kapazität zwischen beweglichen und festen Elektroden – ein Signal, das durch die integrierte Auswerteelektronik verarbeitet wird.

Die Sensoren lassen sich kosteneffizient in großen Stückzahlen herstellen und zeichnen sich durch hohe Wiederholgenauigkeit, Robustheit und geringe Alterungseffekte aus. Dank des hohen Integrationsgrads sind MEMS-Bauelemente kompakt und mechanisch belastbar. Damit eignen sich die MEMS-Sensoren für den Einsatz im Fahrzeug. TDK setzt auf eine Single-Chip-Architektur, die ohne separate ASICs oder externe Elektronik auskommt. Dadurch sinkt die Zahl potenzieller Ausfallpunkte, während Systemzuverlässigkeit und Energieeffizienz steigen. Besonders im Umfeld der Elektromobilität, wo thermisches Management eine zentrale Rolle spielt, wirkt sich der geringe Eigenverbrauch der Sensoren positiv auf die Systembilanz aus.

Warum der Einsatz von MEMS?

MEMS-Sensoren sind klein, energieeffizient und langlebig. Ihre Fertigung basiert auf Verfahren aus der Halbleitertechnik, was hohe Stückzahlen zu vergleichsweise geringen Kosten erlaubt. Diese Skalierbarkeit macht sie wirtschaftlich attraktiv für den Einsatz in der gesamten Automobilindustrie, von Einstiegsmodellen bis hin zu High-End-Fahrzeugen. Zudem verbrauchen MEMS-Sensoren deutlich weniger Energie als viele andere Sensortechnologien, was sie ideal für moderne Fahrzeuge macht, bei denen Energieeffizienz ein zentrales Designziel ist.

TDK setzt mit dem InvenSense IAM-20685HP IMU auf sogenannte Single-Chip-Lösungen, bei denen der übliche Aufbau mit mehreren Komponenten entfällt. Das steigert die Systemzuverlässigkeit, reduziert Verbindungsstellen und minimiert den Stromverbrauch. MEMS-Sensoren messen eine Vielzahl physikalischer Phänomene, darunter Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit, Druck und Temperatur. MEMS-Beschleunigungsmesser erfassen lineare Bewegungen und sind daher unverzichtbar für die Stabilitätskontrolle, Aufprallerkennung, Airbags und Navigationssysteme. Darüber hinaus überwachen MEMS-Temperatursensoren die thermischen Bedingungen in Leistungselektronik und Batteriesystemen.

Im Fahrzeug kommen MEMS-Sensoren vor allem in Inertial Measurement Units (IMUs) zum Einsatz, die Beschleunigungsmesser, Gyroskope und in manchen Fällen Magnetometer kombinieren, um hochpräzise Bewegungsdaten zu liefern. Diese Daten sind essenziell für Systeme zur Stabilitätskontrolle, für Navigationsfunktionen und für zahlreiche sicherheitsrelevante Anwendungen. Auch die Scheinwerferausrichtung profitiert von der Sensorik: MEMS-IMUs erkennen Änderungen im Fahrzeugneigungswinkel und passen den Lichtstrahl automatisch an, um entgegenkommende Fahrzeuge nicht zu blenden und gleichzeitig eine optimale Ausleuchtung der Fahrbahn zu gewährleisten.

MEMS-Sensoren werden auch in elektronischen Stabilitätskontrollsystemen (ESC) eingesetzt, um die Fahrzeugbewegung kontinuierlich zu überwachen. Wird ein Schleudern erkannt, kann das ESC-System selektiv einzelne Räder abbremsen, um das Fahrzeug in engen Kurven oder bei plötzlichen Manövern stabil zu halten. Bei Fahrzeugen mit Kamerasystemen wird die Stabilisierung durch die Kombination mit MEMS-Sensoren weiter verbessert.

Genauigkeit moderner Navigationssysteme

In nicht sicherheitskritischen Anwendungen verbessern MEMS-Sensoren die Genauigkeit von Navigationssystemen, indem sie Daten liefern, die die GPS-Signale ergänzen, insbesondere in Bereichen mit schlechtem Satellitenempfang wie Tunneln, Häuserschluchten oder Parkhäusern. Während GPS die Position über Satellitensignale bestimmt, verfolgen MEMS-basierte IMUs die Bewegung und Orientierung unabhängig voneinander und ermöglichen es dem Navigationssystem, die Position des Fahrzeugs auch dann zu schätzen, wenn die GPS-Signale schwach sind oder verloren gehen. Durch die Kombination von IMU-Daten mit GPS-Eingaben bieten moderne Navigationssysteme eine genauere und flüssigere Positionierung, was die Leistung von Abbiegeanweisungen, die Lokalisierung autonomer Fahrzeuge und Dead-Reckoning-Anwendungen verbessert.

MEMS-Sensoren werden auch in Reifendrucküberwachungssystemen (TPMS) eingesetzt, um den Fahrer bei niedrigem Reifendruck zu warnen, was sowohl die Kraftstoffeffizienz als auch die Sicherheit erhöht. Darüber hinaus ermöglichen MEMS-Technologien fortschrittliche Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) in Infotainmentsystemen, bei denen Ultraschall-MEMS-Sensoren dem Fahrer die Steuerung verschiedener Funktionen durch Gestenerkennung ermöglichen. Im Gegensatz zu IMUs, die Bewegung und Orientierung messen, erkennen Ultraschall-MEMS-Sensoren Handgesten, indem sie Veränderungen in reflektierten Schallwellen messen. So kann ein Autofahrer beispielsweise die Hand heben, um die Lautstärke zu regeln, mit der Hand wischen, um den Radiosender zu wechseln, oder einen Finger drehen, um durch Menüs zu navigieren, ohne den Blick von der Straße zu nehmen. Diese Anwendungen veranschaulichen die Vielseitigkeit von MEMS-Sensoren bei der Lösung unterschiedlichster Anforderungen.

Beispiel: Adaptives Lichtmanagement

Ein besonders anschauliches Anwendungsbeispiel für MEMS-Technologie ist die adaptive Scheinwerferausrichtung. Falsch eingestellte Scheinwerfer können nicht nur die Sicht des Fahrers einschränken, sondern auch andere Verkehrsteilnehmer blenden und damit das Unfallrisiko erhöhen. MEMS-basierte IMUs messen kontinuierlich die Fahrzeugneigung und reagieren auf unebene Fahrbahnen oder Beladungsänderungen. Die Lichtausrichtung wird in Echtzeit angepasst, sodass eine optimale Ausleuchtung der Straßenoberfläche gewährleistet ist.

MEMS-Sensoren von TDK bieten eine ausgezeichnete Temperaturstabilität und gewährleisten zuverlässige Leistung und präzise Messungen, auch unter extremen thermischen Bedingungen. Das ist entscheidend, da Scheinwerfersysteme oft extremen thermischen Bedingungen ausgesetzt sind. Der geringe Energieverbrauch einer IMU trägt ebenfalls dazu bei, dass keine zusätzliche Wärme ins System eingebracht wird, was die Belastung des Kühlsystems verringert und die thermische Abnutzung der Komponenten minimiert.

Integration im Sensor-Ökosystem

MEMS-Sensoren agieren nicht isoliert, sondern sind ein integraler Bestandteil eines umfangreichen Sensor-Ökosystems im Fahrzeug. Sie arbeiten in enger Abstimmung mit weiteren Technologien wie Hall-Effekt-Sensoren, Tunnelmagnetoresistiven Sensoren (TMR), eingebetteten Motor-Controllern und diversen Umgebungssensoren. Diese Kombination ermöglicht eine leistungsfähige Sensorfusion, die wiederum die Grundlage für komplexe Echtzeitentscheidungen bildet. Die hohe Integrationsfähigkeit der MEMS-Sensoren ist hierbei von großer Bedeutung, da sie die Komplexität der Elektronikarchitektur reduziert und gleichzeitig die Systemeffizienz steigert.

Ein Blick in die Zukunft

Mit der zunehmenden Verbreitung elektrischer und autonomer Fahrzeuge steigen die Anforderungen an die Präzision, Energieeffizienz und Umweltresistenz der eingesetzten Sensorik. Die MEMS-Technologie wird diesen Anforderungen durch kontinuierliche Weiterentwicklung gerecht. Neue Algorithmen verbessern die Signalverarbeitung, reduzieren Messrauschen und gleichen Umweltschwankungen aus. Moderne Filterverfahren wie Kalman-Filter oder Methoden des maschinellen Lernens ermöglichen eine noch genauere Interpretation der Sensordaten.

Selbstkalibrierende Systeme sorgen für eine langfristige Stabilität der Messergebnisse. Fortschritte in der Packaging-Technologie, etwa durchgehende Via-Verbindungen (TSVs) und robuste Wafer-Level-Gehäuse, erhöhen die mechanische Belastbarkeit und Temperaturfestigkeit. Dadurch lassen sich MEMS-Sensoren auch in besonders anspruchsvollen Anwendungen wie der Antriebsstrangüberwachung oder in Fahrerassistenzsystemen (ADAS) einsetzen.

Die MEMS-Technologie ist zu einem Schlüsselbaustein moderner Fahrzeugsysteme geworden. Ihre Vielseitigkeit, Skalierbarkeit und hohe Integrationstiefe machen sie zur idealen Plattform für aktuelle und zukünftige Anforderungen in der Automobiltechnik. Ob in sicherheitskritischen Funktionen oder im Komfortbereich – MEMS-Sensoren liefern präzise Daten, auf deren Basis Fahrzeugfunktionen intelligent gesteuert und optimiert werden können. In Kombination mit weiteren Sensortechnologien, wie sie im Portfolio von TDK zu finden sind, ergibt sich ein leistungsfähiges Gesamtpaket, das den Weg hin zu intelligenteren, effizienteren und sichereren Fahrzeugen ebnet. (heh)

* Stefano Zanella ist Vice President und General Manager Automotive Motion Business Unit bei InvenSense.

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