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Bild 1: Epson Toyocoms Gyro-Sensor mit dem 6-armigen Quarz-basierenden Sensorelement.
Bild 2: Funktionsprinzip des Gyro-Sensors mit differenzieller Auswertung und damit sehr hoher Unterdrückung störender Linearbeschleunigungen.

Quarz statt Silizium

Epson Toyocom hat sein Know-how bei Quarz-basierenden Taktgebern genutzt, um spezielle Sensorelemente auf Quarz-Basis zu entwickeln. Dank der äußerst geringen Temperaturabhängigkeit des Quarzmaterials weisen auch Quarz-basierende Sensoren neben anderen Vorteilen eine äußerst geringe Temperaturabhängigkeit auf und zeichnen sich deshalb für anspruchsvolle Anwendungen im Konsumer-, Kfz- und Industriebereich aus.

Sensoren und Sensornetzwerke erfreuen sich einer stetig steigenden Beliebtheit und finden sich in immer neuen Anwendungen. Man denke nur an Navigationssysteme, die auch bei Verlust des GPS-Signals die gefahrene Route noch nachverfolgen können, oder an Smartphones, welche die Lage des Gerätes erkennen und damit zum Beispiel den Bildschirm von Längs- auf Querformat umschalten. Neue Anwendungsbereiche für Sensoren bedeuten nicht nur einen steigenden Absatzmarkt, sondern auch kontinuierlich steigende Anforderungen an die Sensoren.

Während die meisten Sensoren auf Halbleitern, so genannten Si-MEMS basieren, hat die zum Seiko Epson-Konzern gehörende Epson Toyocom Corporation ihr Know-how als Weltmarktführer Quarz-basierender Taktgeber genutzt, um spezielle Sensorelemente auf Quarz-Basis zu entwickeln. Dank der äußerst geringen Temperaturabhängigkeit des Quarzmaterials weisen auch Quarz-basierende Sensoren neben anderen Vorteilen eine äußerst geringe Temperaturabhängigkeit auf und zeichnen sich deshalb für anspruchsvolle Anwendungen aus.

Dieser Artikel beschreibt verschiedene Quarz-basierende Sensoren für diverse Anwendungsbereiche von Konsumer- bis hin zu sicherheitsrelevanten Kfz-Anwendungen. Weitere Anwendungen sind von Epson angebotene Mikrocontroller mit speziellen Sensorschnittstellen bis hin zu Sensorsystemen, also Kombinationen der diversen Bauteile mit entsprechenden Auswertealgorithmen.

Epson Toyocoms QMEMS-Prozess

Um die Eigenschaften immer kleiner werdender Quarze für Taktgeber-Anwendungen zu verbessern, hat Epson Toyocom bereits vor Jahren einen, von den konventionellen mechanischen Bearbeitungsschritten abweichenden Prozess zur Bearbeitung von Quarzmaterial auf photolithografischer Basis entwickelt. Dieser QMEMS (Quarz + MEMS) genannte Prozess ermöglicht die Substitution mechanischer Prozesse durch die wesentlich weniger toleranzbehaftete Photolithographie. Im Gegensatz zu mechanischen Prozessen können mithilfe des QMEMS-Prozesses äußerst komplexe und 3-dimensionale Strukturen in einem Quarz-Chip erzeugt werden, welche zu einer Verbesserung der resultierenden Eigenschaften führt.

Dieses Prozess-Know-how hat Epson Toyocom auch für die Entwicklung spezieller, auf Quarz basierender Sensorelemente zur Erkennung verschiedener physikalischer Größen wie Druck und Rotationsbeschleunigung genutzt, welche sich neben kleinen Bauformen durch außerordentliche Temperaturstabilität und gutes Signal-Rauschverhältnis, geringe Nullpunktdrift  und hohe Linearität auszeichnen.

QMEMS-basierendes Gyro-Sensorelement

Dank des QMEMS-Prozesses zur Bearbeitung von Quarz-Chips war es Epson Toyocom möglich, ein proprietäres Sensorelement zur Erkennung von Rotationsbeschleunigungen zu entwickeln. Das für Epsons Gyroskope eingesetzte Sensorelement weist eine so genannte Doppel-T-Struktur auf, d.h. es verfügt über sechs bewegliche Arme, die ein Si-Sensorelement tragen (Bild 1).

Das Sensorelement ist aus Quarzmaterial aufgebaut, welches über piezoelektrische Eigenschaften verfügt und somit bei Beschleunigung oder Rotation ein entsprechendes Signal erzeugt. Zur Entkopplung des Sensors von der weiteren Auswerteelektronik wird das Signal der beiden mittleren Detektionsarme über einen Differenzverstärker geleitet. Dies bewirkt (im Gegensatz zu konventionellen Gyroskopen) eine deutliche Verringerung der Sensitivität des Gyro-Sensors auf Linearbeschleunigungen. D.h. bei Linearbeschleunigungen würden beide Detektionsarme in die gleiche Richtung verbogen und liefern damit ein gleichphasiges Signal, das der Differenzverstärker kompensiert. Bei Rotationen jedoch verbiegen sich die beiden Detektionsarme gegenläufig, erzeugen also ein gegenphasiges Signal, welches im Differenzverstärker weiter verstärkt wird. Das Resultat dieser Anordnung ist nicht nur eine äußerst hohe Unterdrückung von Linearbeschleunigungen wie beispielsweise Stößen, sondern auch eine hohe Sensitivität und damit einhergehend ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis bei sehr kleiner Bauform (zum Beispiel von 5  x 3,2 mm oder kleiner).

Im Gegensatz zu Si-MEMS-basierenden Sensoren weisen Epson Toyocoms Sensorelemente dank des eingesetzten Quarzmaterials und dessen hoher Güte ein sehr geringes Rauschen auf und verfügen über eine sehr gute Linearität und außergewöhnlich geringe Nullpunktdrift über den gesamten Temperaturbereich.

Epson‘s QMEMS-basierende Sensoren

Um den diversen Anforderungen verschiedenster Märkte Rechnung zu tragen, hat Epson Toyocom eine Reihe verschiedener Sensoren und Sensorsysteme entwickelt, welche auf der proprietären Struktur der Gyro-Sensoren und/oder des speziellen QMEMS-Prozesses basieren.

  • Gyroskope zur Erfassung von Rotationsbeschleunigungen einer Achse und verschiedenster Drehraten von 60dps bis 1500dps für Konsumeranwendungen.
  • Sensoren mit zwei verschiedenen Drehratenausgängen (zur Erfassung sowohl langsamer Drehraten mit hoher Genauigkeit als auch schneller Drehraten mit entsprechend verringerter Auflösung).
  • Mehrachsige Sensoren (beispielsweise AH-6100 zur Erfassung von Rotationen und Linearbeschleunigungen jeweils in allen drei Achsen) und ein-achsige Gyroskope für den automobilen Einsatz in beispielsweise Navigationssystemen (XV-8000).
  • Sensoren für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen wie unter anderem in der Fahrzeugstabilisierung (ESC).

Letztere verfügen neben oben beschriebenen Eigenschaften zusätzlich noch über eine weiter erhöhte Zuverlässigkeit und Zusatzfunktionen wie permanente Selbsttests und Meldung möglicher Funktionsfehler zur Ausgabe entsprechender Warnsignale an den Fahrer. Auch die Einhaltung automobilrelevanter Vorschriften und Qualitätsanforderungen wie AEC-Q100 und PPAP sind für die, für den automobilen Einsatz vorgesehener Bauteile selbstverständlich.

Am oberen Ende erweitert Epson derzeit sein Sensorportfolio mit einer IMU (Interial Measurement Unit) namens S4E5A0A0. IMUs sind Systeme, die Inertialbewegungen von leichten Inklinationen bis hin zu starken Bewegungen genau wahrnehmen.  IMUs finden Anwendung in speziellen Bereichen der Luft- und Raumfahrt, vermehrt aber auch in industriellen Anlagen, für die sie jedoch nicht nur genauer und stabiler, sondern auch kleiner sein müssen und weniger Energie benötigen dürfen.

Die IMU erfasst in drei Achsen die Winkelbeschleunigung und die Beschleunigung zur Erfassung von sechs Freiheitsgraden. Die Gyroskope liefern hohe Genauigkeit und Stabilität bei einem Drehratenbereich von ±300 Grad/s und der Beschleunigungsmesser hat einen Dynamikbereich von ±3 G. Die IMU bietet eine Messgenauigkeit der Winkelgeschwindigkeit (Winkeldrift oder Angle Random Walk) von 0,24 Grad/√hr und eine Gyro-Nullpunktdrift (Bias Instability) von 6 Grad/h. Das System ist außerdem mit den Industriestandard-Schnittstellen SPI und UART ausgestattet, misst 24 x 24 x 10 mm und verbraucht 30 mA im Betrieb mit Ub= 3,3 V.

Epson‘s Sensor-Systemlösungen

Zusätzlich zu den Standard-Sensoren und der IMU offeriert Epson auch eine Vielzahl verschiedener Mikrocontroller, darunter solche mit dedizierten Sensorschnittstellen. Diese sind explizit für die Auswertung von Sensorsignalen entwickelt worden und ermöglichen es, neben den hausinternen Sensoren auch eine Vielzahl weiterer Sensoren wie Magnetsensoren und andere anzuschließen und deren Signale zu verarbeiten.

Zur einfachen und schnellen Evaluierung der Sensoren stellt Epson des Weiteren eine Reihe von Sensormodulen bereit, die neben den eigentlichen Sensoren auch diverse Schnittstellenoptionen wie ZigBee und USB haben und es damit ermöglichen, die Sensorsignale nicht nur direkt zu verarbeiten, sondern diese auch mit der mitgelieferten Software auf einem PC anzuzeigen. Neben der einfachen Evaluierung der Sensoren sind diese Module auch dafür gedacht, Konzeptverifikation für von Epson in entsprechenden Volumina angebotene komplexere und kundenspezifische Sensorlösungen vorab durchzuführen. Dies erlaubt es, das Pflichtenheft für eine kundenspezifische Sensorlösung von Epson schon vor dem eigentlichen Designstart mit Testergebnissen zu untermauern. Diese kundenspezifischen Lösungen können zusätzlich zu diversen Sensoren und dem Mikrocontroller auch weitere Komponenten sowie kundenspezifische Algorithmen auch externer Quellen enthalten.

Basierend auf dem Angebot unterschiedlichster Sensoren und Mikrocontroller bis hin zu kompletten, kundenspezifischen Sensorlösungen plant Epson sein Angebot an Sensoren und Sensorlösungen kontinuierlich zu erweitern, um Kunden den Einsatz von Sensoren zu erleichtern. (sb)    n

QMEMS

QMEMS ist eine Kombination von „Quarz“, ein kristallines Material mit Eigenschaften wie hohe Frequenzstabilität, Präzision, und „MEMS“ (mikro-elektromechanisches System). QMEMS-Bauteile, die in einem Mikrofabrikationsprozess auf einem Quarzmaterial statt auf einem Halbleitermaterial (wie MEMS) hergestellt werden, bieten sehr gute Eigenschaften in einem kompakten Gehäuse. QMEMS ist eine eingetragene Marke von Epson Toyocom.

Gyroskop (Winkelgeschwindigkeits-Sensor)

Ein Sensor, der den Rotationswinkel (Winkelgeschwindigkeit) eines Objekts pro Zeiteinheit in Bezug auf eine Referenzachse misst.

Inertialmesseinheit (IMU)

Ein System für die Erkennung von Inertialbewegungen, das aus Winkelgeschwindigkeitssensoren an drei Achsen und Beschleunigungsmessern in drei Richtungen besteht. IMUs werden primär für das Messen und die Kontrolle des Verhaltens von mobilen Objekten eingesetzt.

Winkeldrift (Angle Random Walk)

Der Winkelfehler, der sich über der Zeit in der Winkelgeschwindigkeit durch weißes Rauschen bildet.

Nullpunktdrift (Bias Instability)

Die zufälligen Messabweichungen des Gyroskop-Nullpunktes mit 1/f Rauschdichte, die sich durch die Mittelung einer spezifizierten finiten Länge von Abtastzeiten und Zeitintervallen berechnet.