Sensor Dynamics expandiert jetzt auch in Märkte, wo es auf geringe Baugröße, geringen Stromverbrauch und kostengünstige Konzepte ankommt. Das Resultat ist eine Sensorfamilie im kleinen QFN-Gehäuse, bestehend aus Drehratensensoren sowie Drehraten- und Beschleunigungssensoren. Als Beispiel sei der Handheld-Markt genannt, wo komplexe Funktionen der Erkennung von Bewegungen, wie zum Beispiel in die Luft geschriebene Zeichen, Einzug gehalten haben.

Bild Sensor Dynamics

Bild Sensor DynamicsSensor Dynamics

Der 3D-Drehraten- und Beschleunigungssensor SD746 erfüllt als voll kalibrierte 6DoF-IMU im nur 6 x 6 x 1,2 mm3 großen QFN40- Gehäuse und einer minimalen Leistungsaufnahme von nur 16 mW alle Voraussetzungen für derartige Anwendungen. Neben diesem High-end Konsumermarkt sind die Sensoren auch für Industrie- und Medizinanwendungen geeignet, da das stabile QFN-Gehäuse die Herstellung von Sensoren mit geringen Offset- und Empfindlichkeitsfehlern über einen weiten Temperaturbereich von -40 bis +125 °C ermöglicht.

Technologie

Die MEMS-Sensoren von Sensor Dynamics werden mit dem bewährten PSMX2-Prozess hergestellt. Dieser Prozess basiert auf der Siliziumtechnologie und stellt ein 10 bis 20 µm dickes polykristallines Silizium für die aktiven mikromechanischen Strukturen bereit. Damit lassen sich ein-, zwei- und dreiachsige Drehraten- und Beschleunigungssensorelemente mit hohen Resonanzfrequenzen herstellen, eine Voraussetzung für mikromechanische Elemente mit geringer Empfindlichkeit gegen Vibrationen und mechanische Schocks. Bild 1 zeigt die mechanisch aktive Struktur eines 3D-Drehraten-sensorelementes.

Bild 1: Mechanisch aktive Struktur eines 3D-MEMS-Drehratensensors.

Bild 1: Mechanisch aktive Struktur eines 3D-MEMS-Drehratensensors.Sensor Dynamics

Sie besteht im Wesentlichen aus 4 gekoppelten Massen, die elektrostatisch zu Resonanzschwingung angeregt werden. Sobald das Element einer Rotation ausgesetzt ist, wirkt die sogenannte Coriolis-Kraft senkrecht zur Rotationsachse, welche die oszillierende Masse zu einer sekundären Schwingung senkrecht zur Richtung der primären Oszillation zwingt.
Für eine vollständige 6DoF-IMU wird zusätzlich ein dreiachsiger Beschleunigungssensor benötigt. Sensor Dynamics verfügt über eine einzigartige Dual-Cavity-Technologie, die es ermöglicht, den Beschleunigungssensor zusammen mit dem Drehratensensor auf einem Chip monolithisch zu integrieren. In dieser Technology können nebeneinander zwei hermetisch dichte Höhlräume auf dem Chip erzeugt werden, mit unterschiedlichem Innendruck, um die unterschiedlichen Anforderungen von Drehraten- und Beschleunigungssensor zu erfüllen.

Bild 2: Der 3D-Drehraten- und Beschleunigungssensor SD746 (6DoF-IMU) im QFN40-Gehäuse.

Bild 2: Der 3D-Drehraten- und Beschleunigungssensor SD746 (6DoF-IMU) im QFN40-Gehäuse.Sensor Dynamics

Die hier vorgestellten Inertialsensoren werden im QFN40-Gehäuse gefertigt, welches ein sehr stabiles Temperaturverhalten aufweist und bis +150 °C verwendet werden kann. Die von Sensor Dynamics verwendeten QFN-Gehäuse haben L-förmige Lötanschlüsse, die sich nicht nur unter dem Gehäuse befinden, sondern auch am Gehäuserand und dadurch eine einfache optische Kontrolle der Lötqualität ermöglichen. Somit sind diese Gehäuse auch für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an die Prozesskontrolle geeignet.

Produkteigenschaften

Inertialsensoren können für verschiedene Anforderungen wie Schockfestigkeit, Vibrationsempfindlichkeit, Temperaturdrift und Offsetstabilität optimiert werden. Das QFN-Gehäuse ist geeignet für alle genannten Anforderungen, insbesondere aber in Hinblick auf geringe Temperaturdrift und sehr gute Offsetstabilität.

Bild 3: Root-Allan-Variance eines einachsigen Drehratensensors im QFN40-Gehäuse (SD706).

Bild 3: Root-Allan-Variance eines einachsigen Drehratensensors im QFN40-Gehäuse (SD706).SensorDynamics AG

Bild 3 zeigt die Root-Allan-Variance-Messung (RAV) eines einachsigen Drehratensensors im QFN40-Gehäuse (SD706). Die RAV-Messung wird zur Beurteilung der intrinsischen Offsetstabilität eines Sensors, also die Stabilität ohne äußere Einflüsse wie Temperaturschwankungen und Vibrationen, herangezogen. Zu diesem Zweck misst man das Ausgangssignal mit konstanter Abtastrate über mehrere Tage im ruhenden Zustand und bei konstanten Umweltbedingungen. Anschließend unterteilt man die Messung in gleich große Zeitintervalle und bildet die Mittelwerte der Messwerte der einzelnen Zeitintervalle. Die Standardabweichung (root variance) aller Mittelwerte wird für verschieden lange Zeitintervalle (cluster time) aufgetragen. Das Minimum der so erhaltenen Kurve wird als Offsetstabilität (bias stability) bezeichnet.

Der Sensor in Bild 3 zeigt eine hervorragende Offsetstabilität von nur etwa 1 °/h.

Tabelle 1: Drehratensensoren von Sensor Dynamics im QFN-Gehäuse. Die Lage der Achsen ist in Bild 2 definiert. Ein Messbereich bis ±4096 °/s ist auf Anfrage lieferbar.

Tabelle 1: Drehratensensoren von Sensor Dynamics im QFN-Gehäuse. Die Lage der Achsen ist in Bild 2 definiert. Ein Messbereich bis ±4096 °/s ist auf Anfrage lieferbar.

Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Familie der Drehraten- und Kombisensoren im QFN40-Gehäuse von Sensor Dynamics. Die angeführten Toleranzen verstehen sich als Maximalwerte über den gesamten Temperaturbereich von -40 bis +85 °C. Der Messbereich des Beschleunigungssensors im SD746 beträgt ±8 g. Alle Sensoren verfügen über Selbsttestfunktionen, die den Anwender im Falle einer Fehlfunktion des MEMS-Elementes sofort per SPI-Interface warnen.

Anwendungen

Die neuen Inertialsensoren von Sensor Dynamics sind insbesondere für folgende drei Anwendungs¬gebiete interessant: Erstens für Navigationssysteme, bei denen die Sensor-Rohsignale zur Berechnung von Absolutwinkel und Position integriert werden müssen. Aufgrund unvermeidlicher Offsetfehler wächst der Winkel- und Positionsfehler mit zunehmender Integrationszeit. Aus diesem Grund werden Sensoren mit einer besonders hohen intrinsischen Offsetstabilität benötigt. Der einachsige Drehratensensor SD706 ist daher ideal dafür geeignet.
Ein zweites wichtiges Einsatzgebiet ist die Plattformstabilisierung. Hier geht es um die Kompensation unerwünschter Bewegungen wie etwa Schwanken eines Kranauslegers oder Verwackelung bei Digitalkameras. Für diese Anwendung sind MEMS- Inertialsensoren besonders gut geeignet, da das Ausgangssignal nicht integriert werden muss und Offsetfehler einen geringen Einfluss haben. 2D- und 3D-Drehratensensoren wie der SD742 und der SD740 sind besonders geeignet, wenn eine mehrdimensionale Plattformstabilisierung notwendig ist. Aufgrund ihrer kontinuierlichen Selbstüberwachungsfunktion sind diese Sensoren auch für sicherheitsrelevante Stabilisierungsaufgaben einsetzbar.
Das dritte Hauptanwendungsgebiet ist die Erfassung menschlicher Bewegungsvorgänge. Hierzu zählen zum Beispiel die Erkennung von Gesten, die mit Handys oder Fernbedienungen ausgeführt werden, die Bewegungsanalyse in der Orthopädie oder der medizinischen Forschung sowie im Bereich der Computeranimation. Der SD746 passt dafür aufgrund geringer Größe und Gewicht ideal. Bemerkenswert ist außerdem die gute Temperaturkompensation des Bausteins, die für die meisten Anwendungen eine externe Kompensation überflüssig macht und so die Komplexität des Gesamtsystems vereinfacht. Auf Anfrage liefert Sensor Dynamics ein Chipset mit dem SD746 für eine drahtlose Übertragung der Messwerte.

Expansion in andere Märkte

Sensordynamics expandiert jetzt auch in Märkte, wo es auf geringe Baugröße, geringen Stromverbrauch und kostengünstige Konzepte ankommt. Das Resultat ist eine Sensorfamilie im kleinen QFN-Gehäuse, bestehend aus den Produkten SD705/SD706 (einachsiger Drehratensensor), SD742 (2D-Drehratensensor), SD740 (3D-Drehratensensor) und SD746 (3D-Drehraten- und Beschleunigungssensor). Als Beispiel sei der Handheld-Markt genannt, wo komplexe Funktionen der Erkennung von Bewegungen, wie zum Beispiel in die Luft geschriebene Zeichen, Einzug gehalten haben.

Ausblick

Sensor Dynamics arbeitet kontinuierlich an der Verbesserung der Eigenschaften seiner Drehraten- und Kombisensoren, beispielsweise an der Verringerung der Stromaufnahme und des Rauschens. Diese Parameter hängen wesentlich vom ASIC-Design und von der CMOS-Technologie ab. Ein weiteres Arbeitsgebiet ist die Schockfestigkeit und Vibrationsempfindlichkeit. Hier spielt die Dicke der aktiven MEMS-Struktur eine entscheidende Rolle, da dickere und somit steifere Strukturen besser zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungsmoden  geeignet sind.

Das Unternehmen will zukünftig seinen Kunden nicht nur Komponenten anbieten sondern auch vermehrt fertige Lösungen. Zu diesem Zweck werden die Sensoren mit zusätzlichen Funktionen versehen werden, zum Beispiel Schnittstellen für Erdmagnetfeld- und andere Sensoren, Außerdem wird Applikationssoftware bereitgestellt werden, damit die Sensoren vom Anwender schnell und einfach in das eigene System integriert werden können. Ein weiters Ziel ist es, dem Automobilmarkt möglichst bald eine AEC-Q100 qualifizierte 6DoF-IMU zur Verfügung zu stellen. Ein entsprechendes Gehäusekonzept, tauglich für den Temperaturbereich von -40…+125 °C, ist bereits in der Evaluierungsphase.