ADXL355 ist ein rauscharmer, low Power, 3-Achsen MEMS-Beschleunigungssensor mit geringer Drift. (Bild: Ashish @ AdobeStock)
Neueste kapazitive MEMS-Beschleunigungssensoren ersetzen in Anwendungen zunehmend die traditionellen, hauptsächlich piezoelektrischen Beschleunigungssensoren. Applikationen wie CBM (Condition-based maintenance), Strukturüberwachung (SHM), Anlagenüberwachung (AHM), Vitaldatenüberwachung (VSM) und IoT sind Einsatzgebiete für die nächste Generation an MEMS-Sensoren, die dafür maßgeschneiderte Lösungen bieten.
Bei der Vielzahl der Beschleunigungssensoren und Applikationen gestaltet sich die richtige Wahl nicht einfach, denn kein Industriestandard definiert, welche Kategorie an Beschleunigungssensoren jeweils passt. Tabelle 1 zeigt einige Kategorien und die korrespondierenden Applikationen. Die gezeigten Werte für Bandbreite und g-Bereich sind typisch für Beschleunigungssensoren in der gezeigten Endanwendung.
MEMS-Beschleunigungssensoren kurz erklärt
Kapazitive MEMS-Beschleunigungssensoren werden zunehmend in Anwendungen wie Condition-based Maintenance, Strukturüberwachung, Anlagenüberwachung, Vitaldatenüberwachung und IoT eingesetzt. Die Wahl des richtigen Sensors ist aufgrund der Vielfalt an Sensoren und Anwendungen nicht einfach. Die Spezifikationen für die Erfassung von Neigung (Tilt) sind besonders wichtig, da sie in dynamischen Umgebungen eine genaue Messung erschweren. Intelligente Sensoren bieten Kalibrierung, Kompensation und Signalverarbeitung, um Fehler zu reduzieren. Fortschrittliche MEMS-Beschleunigungssensoren zeigen verbesserte Leistung in Bezug auf Rauschen, Bias-Drift und Vibrationseinflüsse. Die Auswahl hochwertiger Sensoren ist entscheidend, um eine hohe Tilt-Genauigkeit zu erreichen, und Industrie-IMUs bieten eine bessere Performance als Consumer-Sensoren in dynamischen Umgebungen.
Bild 1 zeigt eine Momentaufnahme des Angebots an MEMS-Beschleunigungssensoren und ordnet jeden Sensor entsprechend seiner Schlüsselparameter und dem Grad der Intelligenz/Integration der jeweiligen Applikation zu. Ein Hauptaugenmerk dieses Artikels gilt den Beschleunigungssensoren der nächsten Generation auf Basis fortschrittlicher MEMS-Strukturen und Signalverarbeitung, zusammen mit erstklassigen Gehäusetechniken bieten sie Stabilität und Rauschperformance, vergleichbar mit denen von teuren Nischenprodukten und haben gleichzeitig geringen Stromverbrauch.
MEMS-Technologie – was ist das?
Was sind MEMS?
MEMS (Mikroelektromechanische Systeme) sind winzige mechanische und elektronische Systeme, die auf einem einzigen Siliziumchip integriert sind. Sie bestehen aus mikroskopisch kleinen Komponenten wie Sensoren, Aktoren und elektronischen Schaltungen. Durch ihre Miniaturisierung ermöglichen MEMS die Integration komplexer Funktionen auf der Mikroebene.
Wie werden MEMS hergestellt?
Die Herstellung von MEMS erfolgt durch eine Kombination von Mikrofertigungstechniken, die in der Halbleiterindustrie entwickelt wurden. Dazu gehören Prozesse wie Fotolithographie, Ätzen, Abscheidung von dünnen Schichten, Implantation und Montage. Diese Techniken ermöglichen die präzise Herstellung der winzigen mechanischen Komponenten und elektronischen Schaltungen auf einem Siliziumchip.
Welche Vorteile bieten MEMS?
MEMS bieten eine Reihe von Vorteilen. Durch ihre Miniaturisierung ermöglichen sie platzsparende Lösungen und die Integration komplexer Funktionen auf einem Chip. Sie sind kosteneffizient in der Massenproduktion und bieten eine hohe Präzision und Zuverlässigkeit. Darüber hinaus ermöglichen MEMS innovative Anwendungen in verschiedenen Branchen.
Welche zukünftigen Entwicklungen sind bei MEMS zu erwarten?
Für die Zukunft werden weitere Fortschritte bei der Miniaturisierung, Leistungsfähigkeit und Integration von MEMS erwartet.
- Verbesserte Sensortechnologien: Die Sensoren in MEMS können weiterentwickelt werden, um noch präzisere und empfindlichere Messungen zu ermöglichen. Neue Materialien und Strukturen könnten eingesetzt werden, um die Leistungsfähigkeit der Sensoren zu steigern.
- Intelligente Systemintegration: MEMS könnten vermehrt in intelligenten Systemen eingesetzt werden, die Daten verarbeiten, analysieren und darauf reagieren können. Durch die Kombination von MEMS mit künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen könnten innovative Anwendungen in Bereichen wie autonomes Fahren, Robotik und IoT entstehen.
- Nanotechnologie: Die Integration von Nanomaterialien und Nanotechnologie in MEMS könnte zu weiteren Verbesserungen führen. Nanomaterialien könnten die Empfindlichkeit und Funktionalität der MEMS-Komponenten steigern und neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.
Beschleunigungssensor misst Tilt und Inklination
Die akkurate Erfassung der Neigung (englisch Inklination oder Tilt) ist eine anspruchsvolle Applikation für kapazitive MEMS-Beschleunigungssensoren, speziell bei gleichzeitiger Vibration. Die Verwendung kapazitiver MEMS-Beschleunigungssensoren zur Erfassung einer Neigungswinkelgenauigkeit von 0,1° in einer dynamischen Umgebung ist schwierig – kleiner als 1° ist generell schwierig, größer als 1° ist sie aber gut zu erreichen.
Tilt und Inklination mit einem Beschleunigungssensor effizient zu messen, fordert vom Entwickler gute Kenntnisse über die Sensorperformance und die Umgebung der Endapplikation. Statische Umgebungen bieten viel bessere Voraussetzungen bei der Messung der Inklination als dynamische Umgebungen, da Vibration oder Schock die Neigungsdaten verfälschen und zu großen Messfehlern führen. Die wichtigsten Spezifikationen für die Messung von Tilt sind Tempco-Versatz, Hysterese, Rauscharmut, Kurz-/Langzeit-Stabilität, Wiederholgenauigkeit und gute Schwingungsrektifizierung.
Was ist ein Beschleunigungssensor?
Ein Beschleunigungssensor ist ein Sensor, der dazu verwendet wird, die lineare Beschleunigung eines Objekts zu messen. Er erfasst Änderungen der Geschwindigkeit und wandelt sie in ein elektrisches Signal um. Beschleunigungssensoren finden in verschiedenen Anwendungen Einsatz, wie beispielsweise in der Fahrzeugindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Unterhaltungselektronik.
Wie funktioniert ein Beschleunigungssensor?
Ein Beschleunigungssensor basiert in der Regel auf dem Prinzip der Trägheit. Er besteht aus einer Massenstruktur, die bei Beschleunigung eine Kraft erfährt. Diese Kraft wird von Sensorelementen erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Signal kann dann zur Messung der Beschleunigung verwendet werden.
Wo werden Beschleunigungssensoren eingesetzt?
Beschleunigungssensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. In der Fahrzeugindustrie dienen sie beispielsweise zur Überwachung der Fahrzeugdynamik, zur Auslösung von Airbags und zur Stabilitätskontrolle. In der Luft- und Raumfahrt finden sie Verwendung in Flugzeugen und Raumfahrzeugen für die Flugsteuerung und Lageerkennung. In der Medizintechnik werden sie für die Bewegungsüberwachung und die Sturzerkennung eingesetzt. Auch in der Unterhaltungselektronik kommen sie in Geräten wie Smartphones und Spielekonsolen zum Einsatz.
Welche Arten von Beschleunigungssensoren gibt es?
Es gibt verschiedene Arten von Beschleunigungssensoren. Eine gängige Klassifizierung basiert auf der Messmethode, die sie verwenden.
- Piezoelektrische Beschleunigungssensoren: Diese Sensoren nutzen den piezoelektrischen Effekt, bei dem mechanische Belastung elektrische Ladung erzeugt. Die Messung der Beschleunigung erfolgt durch die Messung der Ladungsänderung.
- Kapazitive Beschleunigungssensoren: Diese Sensoren basieren auf dem Prinzip der Änderung der Kapazität zwischen zwei Elektroden bei Beschleunigung. Die Beschleunigung wird anhand der Änderung der Kapazität gemessen.
- MEMS-Beschleunigungssensoren: MEMS-Beschleunigungssensoren sind Mikroelektromechanische Systeme, die winzige mechanische Strukturen auf einem Siliziumchip verwenden, um die Beschleunigung zu messen. Sie bieten eine hohe Genauigkeit und Kompaktheit.
I-Sensor mit Kalibrierfunktion, Kompensation und Signalverarbeitung
I-Sensors oder intelligente Sensoren mit vier bis zehn Freiheitsgraden sind hoch integriert und programmierbare Bauteile für Applikationen unter dynamischen Bedingungen. Diese integrierten Plug-and-Play-Lösungen bieten Werkskalibrierung, embedded-Kompensation wie auch Signalverarbeitung. Sie vermeiden damit alle bislang genannten Fehler am Einsatzort und reduzieren alle Einschränkungen bei Design und Verifikation.
Diese umfangreiche Werkskalibrierung betrifft die gesamte Sensorsignalkette bezüglich Empfindlichkeit und Bias über den spezifizierten Temperaturbereich von typischerweise -40 °C bis +85 °C. Für jeden I-Sensor gibt es Korrekturformeln, mit denen nach der Installation eine präzise Messung erfolgen kann. In einigen Systemen ersetzt die Werkskalibrierung die Kalibrierung im System oder vereinfacht sie generell.
I-Sensoren zielen auf spezielle Applikationen. Der in Bild 2 gezeigte ADIS16210 wurde entwickelt und zugeschnitten für Inklinationsapplikationen und bietet entsprechend gebrauchsfertig eine vorkonfigurierte relative Genauigkeit von <1°. Diese ist zurückzuführen auf die integrierte Signalverarbeitung und die bauteilspezifische Kalibrierung für eine optimale Genauigkeit. Mehr über I-Sensor später im Abschnitt Stabilisierung.
Neueste Beschleunigungssensor-Architekturen wie vom ADXL355 sind universell einzusetzen (Inklination, Zustandsüberwachung, Vitalstrukturüberwachung, IMU/AHRS-Applikationen) und bieten weniger applikationsspezifische aber trotzdem integrierte Blöcke mit vielen Funktions-Merkmalen wie in Bild 3 gezeigt.
Beschleunigungssensoren im Vergleich
Im folgenden Abschnitt wird der Allzweck-Beschleunigungssensor ADXL345 mit dem ADXL355 verglichen, ein aktueller rauscharmer und Low-Power-Sensor, der breit eingesetzt werden kann, zum Beispiel als IoT-Sensorknoten und als Inklinometer (Neigungsmesser). Der Vergleich zeigt die Fehlerquellen in einer Neigungsapplikation und erklärt, welche Fehler sich kompensieren oder beseitigen lassen.
Tabelle 2 zeigt eine Fehlerquelleneinschätzung für den Consumer-Beschleunigungssensor ADXL345. Zur Erreichung der besten Tilt-Genauigkeit ist eine Temperaturstabilisierung oder Kompensation erforderlich. In diesem Beispiel wird eine konstante Temperatur von 25 °C angenommen. Die größten nicht kompensierbaren Fehler stammen vom Offset über die Temperatur, von der Bias-Drift und vom Rauschen. Eine geringere Bandbreite reduziert das Rauschen, wobei Inklinationsapplikationen typischerweise eine Bandbreite unter 1 kHz erfordern.
Tabelle 3 zeigt die selben Kriterien für den ADXL355. Bei 25 °C wurde für den universell einsetzbaren ADXL345 die kompensierte Tiltgenauigkeit mit 0,1° ermittelt. Beim Industrietyp ADXL355 sind es 0,005°. Vergleicht man ADXL345 und ADXL355, kann man respektive erkennen, dass der größere Fehlerbeitrag vom Rauschen stark reduziert wurde auf 0,05° bis 0,0045° und die Bias-Drift auf 0,057° bis 0,00057°. Das zeigt den großen Fortschritt bei den kapazitiven MEMS-Beschleunigungssensoren bezüglich Rauschen und Bias Drift – und es ermöglicht deutlich bessere Werte für die Inklinationsgenauigkeit unter dynamischen Bedingungen.
Was ist ein MEMS-Beschleunigungssensor und funktioniert er?
Ein MEMS-Beschleunigungssensor ist ein Beschleunigungssensor, der auf der MEMS-Technologie basiert. MEMS steht für Mikroelektromechanische Systeme und bezieht sich auf die Integration von mechanischen Komponenten, Sensoren und elektronischen Schaltungen auf einem einzigen Siliziumchip. Ein MEMS-Beschleunigungssensor verwendet winzige mechanische Strukturen und Sensorelemente, um die Beschleunigung zu messen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Ein MEMS-Beschleunigungssensor nutzt in der Regel das Prinzip der Trägheit. Er besteht aus einer Massenstruktur, die bei Beschleunigung relativ zu ihrem Trägerchip auslenkt. Diese Auslenkung wird von Sensorelementen erfasst, die die mechanische Bewegung in ein elektrisches Signal umwandeln. Das Signal wird dann von den integrierten elektronischen Schaltungen verarbeitet und kann zur Messung der Beschleunigung verwendet werden.
Aufgrund ihrer Miniaturisierung sind sie kompakt und können in platzbeschränkten Umgebungen eingesetzt werden. Sie zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit aus. Zudem ermöglichen sie eine schnelle Reaktion und bieten eine kosteneffiziente Lösung für die Messung der Beschleunigung.
Hohe Tilt-Genauigkeit des Beschleunigungssensors erreichen
Bei der Auswahl eines hochwertigen Beschleunigungssensors ist es wichtig, die erforderliche Performance zu erreichen, insbesondere wenn die Applikation eine Tilt-Genauigkeit kleiner als 1° erfordert. Die Genauigkeit kann abhängig von den Applikationsbedingungen variieren (große Temperaturwechsel, Vibration) wie auch von der Wahl des Sensortyps (Consumer- versus Industrie- oder taktischer Typ).
In diesem Fall erfordert der ADXL345 eine extensive Kompensation und Kalibrierung, um die <1° Tiltgenauigkeit zu erreichen. Im Bereich 25 °C bis 85 °C ist die Tempco-Offset-Drift 1,375°– was bereits nicht die Anforderung nach weniger als 1° für die Tilt-Genauigkeit erfüllt. Die maximale Tempco-Offset-Drift des ADXL355 im Bereich 25°C bis 85°C ist 0,5°.
Die Wiederholgenauigkeit von ADXL354 und ADXL355 ist für zehn Jahre vorausbestimmt und schließt Tests zu Temperaturdrift wie auch Geschwindigkeitsänderungen, Breitbandrauschen und Temperaturhysterese ein.
MEMS-Beschleunigungssensoren – Bosch erklärt
VRE mit weniger Messbandbreite reduzieren
Datenblätter verschweigen oft Werte für Wiederholgenauigkeit und Immunität gegenüber dem Schwingungsgleichrichtungsfehler (VRE, vibration rectification error), denn sie sind ein Indikator für geringere Performance. Beispielsweise ist der universell einsetzbare ADXL345 für Consumerapplikationen ausgelegt, wo das VRE für den Designer keine große Rolle spielt. In anspruchsvolleren Applikationen wie etwa Initialnavigation in Inklinationsapplikationen oder in vibrationsstarken Umgebungen ist der VRE relevant, weshalb die Datenblätter von ADXL354 bis 357 diese Werte nennen.
VRE ist das Verhalten eines Beschleunigungssensors bei Vibrationen. Gleichgerichtete Schwingungsanteile können den Offset des Beschleunigungssensors driften lassen, was speziell in Applikationen große Fehler bewirkt, die den DC-Ausgang verwenden. Jede kleine Änderung am DC-Offset kann als Änderung der Inklination interpretiert zu Systemfehlern führen.
Größere Messbandbreiten führen zur Integration der hochfrequenten In-Band-Vibrationen und bewirken einen höheren VRE (Bild 4). Eine Einschränkung der Messbandbreite vermeidet dieses Problem und blendet Hochfrequenzvibrationen aus.
Was ist ein Sensor? Wie funktioniert ein Sensor?
Ein Sensor ist eine Vorrichtung oder ein Bauteil, das dazu dient, physikalische, chemische oder biologische Größen zu erfassen und in ein messbares Signal umzuwandeln. Sensoren werden verwendet, um Informationen über die Umwelt oder den Zustand eines Systems zu erhalten. Sie spielen eine wichtige Rolle in vielen Anwendungen, einschließlich Industrie, Medizin, Automobiltechnik, Umweltüberwachung und vielen anderen Bereichen.
Die Funktionsweise eines Sensors hängt von seinem Typ und der Art der zu erfassenden Größe ab. Im Allgemeinen besteht ein Sensor aus einem Erfassungselement, das auf die gewünschte Größe reagiert, und einem Signalwandlerelement, das die erfasste Größe in ein elektrisches Signal umwandelt. Das elektrische Signal kann dann weiterverarbeitet, angezeigt oder zur Steuerung anderer Systeme verwendet werden.
Es gibt eine Vielzahl von Sensortypen, die jeweils auf verschiedene Größen reagieren:
- Temperatursensoren
- Drucksensoren
- Bewegungssensoren
- Lichtsensoren
- Feuchtigkeitssensoren
- Gassensoren
- Beschleunigungssensoren
- Näherungssensoren
- pH-Sensoren
- Infrarotsensoren
Offset-Fehler durch Clipping bei Schockeinwirkung
Inklinationmessungen in dynamischen Umgebungen und bei Vibration wie sie in Landmaschinen oder Drohnen vorkommen, erfordern einen Beschleunigungssensor mit großem Messbereich wie beispielsweise ADXL356/ADXL357. Messungen mit Sensoren in einem begrenzten Messbereich neigen zum Clipping mit dem Ergebnis eines zusätzlichen Offsets am Ausgang. Clipping tritt auf bei Schocks mit schnellen Anstiegszeiten und langsamen Abklingen oder bei einem Gravitationsfeld von 1 g. In höheren g-Bereichen ist das Clipping reduziert, was den Offset für eine bessere Inklinationsgenauigkeit in dynamischen Applikationen verringert.
Beschleunigungssensoren für Stabilisierungsanwendungen
Für viele Stabilisierungs-Applikationen ist die Kombination von Gyroskop und Beschleunigungssensor (Sensorfusion) erforderlich (Bild 5). Sie kommen zur Erfassung komplexer Bewegungssignale beispielsweise in einem UAV-basiertem Überwachungssystem und in Antennenausrichtsystemen auf Schiffen zum Einsatz.
IMUs (Inertiale Messeinheit) mit sechs Freiheitsgraden nutzen mehrere Sensoren, so können sie Schwächen untereinander kompensieren. Die einfache Erfassung inertialer Bewegung in einer oder in zwei Achsen erfordern derzeit Beschleunigungssensoren und Gyroskope in Sensorfusion, um Vibration, Gravitation und andere Einflüsse zu kompensieren. Ein Beschleunigungssensor oder ein Gyroskop (Kreiselstabilisator) alleine kann dies nicht präzise bewältigen.
Die Daten eines Beschleunigungssensors beinhalten eine Gravitätskomponente und Beschleunigungsanteile von Bewegungen. Diese sind untrennbar, per Gyroskop lässt sich jedoch die Gravitätskomponente vom Sensorausgangssignal entfernen.
Industrie-IMUs sind Größenklassen genauer
Die Endapplikation bestimmt die erforderliche Genauigkeit, und ob Consumer- oder Industriesensoren zum Einsatz kommen. Tabelle 4 zeigt die Hauptunterschiede zwischen Consumer- und Mittelklasse-Industriesensoren, integriert in einer IMU. Die Nachfrage nach Sensoren für den Einsatz in dynamischer Umgebung steigt, denn die weniger genauen Bausteine können die Vibrations- oder Temperatureffekte in der aktuellen Messung nicht kompensieren und erreichen nur Genauigkeiten um 3° bis 5°.
Um in einer dynamischen Umgebung eine Treffergenauigkeit von 1° herunter bis 0,1° zu erzielen, muss ein Sensor Driftfehler über Temperatur und Vibrationseinflüsse unterdrücken können. Sensorfilterung und Algorithmen (Sensorfusion) können die Performance-Lücke zwischen den Consumer- und Industriesensoren nicht schließen.
Diese Klasse an Industrie-IMUs von Analog Devices erreicht eine Performance nahe derer, die früher in Flugkörperleitsystemen gefordert wurde. ADIS1646x und ADIS1647x bieten präzise Bewegungserfassung in Standard- und IMU-Mini-Gehäusen, ermöglichen das, was früher nur in Nischenapplikationen möglich war.
Chris Murphy
(jwa)
