Wie funktionieren MEMS-Inertialsensoren? Ein Überblick:

Dr. Thomas Frasch
Dr. Thomas Frasch, Oktober 2018

Wenn in einer technischen Anwendung Neigung, Beschleunigungen und Vibrationen zu messen sind, kommen hochgenaue Inertialsensoren zum Einsatz: winzige MEMS (Micro Electromechanical Systems), die auf einkristallinen Silizium-Sensorelementen und neuesten mikromechanischen Herstellungsverfahren beruhen. 

 

Zur Herstellung werden unterschiedliche mikromechanische Verfahren genutzt, wobei jede Technologie andere Stärken hat. Inzwischen hat der Anbieter First Sensor neue mikromechanische Verfahren zur MEMS-Herstellung entwickelt und Inertialsensoren auf den Markt gebracht, die die Vorteile der übrigen in einer innovativen Produktserie vereinen.

Ergebnis: überlegene Leistungsmerkmale, ein erstaunliches Preis-Leistungs-Verhältnis und neue Anwendungsmöglichkeiten speziell in den Bereichen Geo-Engineering, Zustandsüberwachung, Navigation und Robotik.

 

Gute Gründe, um diese MEMS-Innovation in einem eigenen Blogbeitrag zu beleuchten ...

MEMS – Mikro Elektromechanisches System: Was ein hochpräziser Beschleunigungssensor leisten kann

Miniaturisierte, als MEMS (Mikro-Elektromechanisches System) aufgebaute, Sensoren können heute Beschleunigungen in allen drei räumlichen Dimensionen messen.

 

MEMS-Inertialsensoren erweisen sich grundsätzlich als sehr robust, zuverlässig und schnell. Modernste Produkte verhalten sich auch ausgesprochen temperaturstabil. Und sie erkennen schon kleinste Lage- oder Beschleunigungsänderungen. 

 

Inertial Sensor Auflösung

Diese Bild zeigt die extrem hohe Auflösung des Neigungssensors: Schon die Auslenkung eines 10 Meter langen Brettes durch ein einzelnes menschliches Haar mit dem Durchmesser von 100 µm kann detektiert werden. Das entspricht einer Auslenkung von nur 0.0005° (2 arcsec oder 10 µm/M).

Die Zukunft ist digital 

MEMS-Sensorik ist eine Schlüsseltechnologie für das Internet der Dinge. Mit zunehmender Digitalisierung wird sich deshalb auch die miniaturisierte Beschleunigungs- und Neigungs-Sensorik weiterentwickeln. So werden Inertialsensoren künftig intelligent programmiert sein. Und sie werden über Mikrocontroller, Miniaturbatterie oder winzige Funkchips verfügen und ihre Messdaten online verschicken.

 

Aktuelle Anwendungsgebiete hochpräziser Inertialsensoren von First Sensor:

  • Zustandsüberwachung von Gebäuden,
  • Überwachung von Raffinerien (On-/Off-Shore), Atom-, Gas- und Wasserkraftwerken etc.,
  • Überwachung von Windkraft- und Solarenergie-Anlagen, Hochspannungsleitungen, Staudämmen, Pipelines etc.
  • Stabilisierungs- und Ausrichtungssysteme,
  • Navigation,
  • Infrastruktur und Transport.

Mini-Format, Mini-Produktionskosten, Mini-Betriebskosten: Das technische Konzept eines kapazitiven Inertialsensors

MEMS-Inertialsensoren zur kapazitiven Messung von Neigung, Beschleunigung und Vibration beruhen auf modernsten mikromechanischen Herstellungsverfahren und auf einem winzigen Silizium-Sensor: einem Feder-Masse-System, dessen Strukturen wenige µm breite Silizium-Stege sind. Bei Beschleunigung wird auf Federn aufgehängte Masse ausgelenkt und so eine Kapazitätsänderung messbar. Ein ASIC liest diese Kapazitätsänderung aus und gibt den Messwert weiter.

 

Bei der Sensor-Herstellung werden Masse und Federn (wir sprechen von Strukturen, die häufig nur ein tausendstel Millimeter dick sind) aus dem Silizium herausgeätzt.

 

MEMS-Inertialsensor
Aufgrund ihres Mikro-Formats können MEMS in Massenstückzahl produziert werden. Auch ihr Energieverbrauch ist geringer.

Technische Komponenten eines MEMS-Inertialsensors:

  • Einkristalliner Silizium-Sensor
  • Hochleistungs-ASIC
  • Gehäuse für beide Chips

Leistungsdaten der MEMS von First Sensor:

Neigungssensoren
Beschleunigungssensoren
Messbereiche:
±30°
±3 g, ±8 g sowie ±15 g
Rauschdichte:
< 0,0004°/√Hz
< 12 bis 30 µg/√Hz
Auflösungen:
< 0,0015°
< 40 bis 95 µg
Messfrequenz:
> 6 Hz
> 6 Hz

 

Laden Sie sich das Datenblatt zu den SI/SA-Inertialsensoren (engl.) herunter!

Sensor-Herz: Der einkristalline Silizium-Sensor

Der Silizium-Sensor – das Herz jedes MEMS – wird klassischerweise im Bulk- oder im Surface-Micro-Machining-Verfahren hergestellt. Inzwischen nutzt der Hersteller First Sensor aber neue Herstellungs-Technologien: das HARMS-Verfahren (High Aspect Ratio Microstructures) und das AIM-Verfahren (Air Gap Insulated Microstructures).


Ersteres ermöglicht Mikrostrukturen mit hohem Seitenverhältnis und minimiert so Querempfindlichkeiten. Letzteres minimiert die parasitären Kapazitäten, indem es die Komponenten durch einen Luftspalt isoliert. Das Ergebnis sind MEMS, die mehr Vorteile bieten als alle klassisch hergestellten Intertialsensoren zusammen.

 

Vorteile der First Sensor MEMS-Inertialsensoren zur Messung von Neigung, Beschleunigung und Vibration:

 

+ Flexibles MEMS-Design: Messbereiche von 1 bis 15 g

+ 4 Standard-Sensoren: 4 verschiedene Messbereiche, optimale Anpassung an den Bereich (Feder-Masse-Prinzip)
+ Messen zweier Achsen mit einem Sensor: einfaches Handling
+ Silizium-Mikrostrukturen mit hohem Seitenverhältnis: Ultrageringe Querachsenempfindlichkeit, ermüdungsfreier, langzeitstabiler Sensor
+ Luftspaltisolierte Mikrostrukturen: minimierte parasitäre Kapazitäten, minimierter mechanischer Stress dank fehlender SiO2-Schichten ausgezeichnete Temperaturstabilität, einfachere Kalibrierung

MEMS-Technologien im direkten Vergleich

Surface Micro-Machining
HARMS/AIM-Technologie
Bulk Micro-Machining
Verschiebungen innerhalb und außerhalb der Ebene
Verschiebung innerhalb der Ebene
Verschiebungen außerhalb der Ebene
Maximal drei Achsen pro Chip
Typischerweise zwei Achsen pro Chip
Eine Achse pro Chip
Kleiner Chip
Mittelgroßer bis großer Chip
Großer Chip
Geringe Ätztiefen (kostengünstig)
Tiefgeätzte Strukturen (kostenintensiv)
Tiefgeätzte Strukturen (kostenintensiv)
Kleine seismische Massen
Mittlere bis große seismische Massen
Große seismische Massen
Kleine Kondensatoren (kleiner kapazitativer Erfassungsbereich)
Große Kondensatoren (großer kapazitativer Erfassungsbereich)
Große Kondensatoren (großer kapazitativer Erfassungsbereich)
Geringes Signal-Rausch-Verhältnis
Rauscharm, Hohes Signal-Rausch-Verhältnis
Rauscharm, Hohes Signal-Rausch-Verhältnis
Geringe Stabilität
Hohe Stabilität
Hohe Stabilität
Geringe Kosten
Mittlere Kosten
Hohe Kosten
Für Konsumgüter wie z. B. Smartphones und Anwendungen der Automobiltechnik wie z. B Airbag-Auslösung etc.
Für mittlere und gehobene Marktsegmente wie z. B. Industrieautomation, Geo-Engineering, Zustandsüberwachung, Navigation, Robotik etc.
Für gehobene Marktsegmente wie z. B. für die Luft- und Raumfahrt

Sensor-Gehirn: Der Hochleistungs-ASIC

Wenn der Silizium-Sensor das Herz eines MEMS-Inertialsensor ist, kann man den ASIC als sein Gehirn bezeichnen. Die integrierte Schaltung liest die kapazitiven Signale des Sensor-Elements aus und gibt den Messwert digital weiter.

 

Merkmale eines Hochleistungs-ASICs:

  • Sehr rauscharme kapazitive Erkennung,
  • optimal unterstützter Nenn- und Differenzkapazitätsbereich,
  • hochauflösend mit hohem Dynamikbereich,
  • digitale SPI-Schnittstelle (Konfiguration des Sensor-ASIC-Systems, Auslesen von Sensordaten)
  • flexibler Signalfilter

Sensor-Gehäuse: Das hermetisch abgeschlossene Gehäuse

Das Gehäuse, das die beiden Chips umschließt, muss nicht nur die Sensor-Leistung unterstützen, sondern vor allem auch kostengünstig zu produzieren und zu implementieren sein.

 

Merkmale des MEMS-Gehäuses:

  • Inhouse-Design, das sich auf unterschiedliche Anwendungen zuschneiden lässt
  • Keramiksubstrat
  • hermetisch abgeschlossenes Gehäuse
  • kostengünstige Produktion kleiner und mittlerer Stückzahlen 

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Über diesen Blog

In diesem Blog schreiben wir über Anwendungen und aktuelle Themen aus der Sensorik.

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