Beschleunigungssensoren und Gyroskope im Miniaturformat sind essenziell für Anwendungen wie Fahrdynamik, Navigation oder Logistik. Wodurch sie sich auszeichnen und wo sie eingesetzt werden können, stellen wir in diesem Blogbeitrag vor.
Lineare Beschleunigung in einer oder mehreren Achsen oder Beschleunigung in mehreren Bewegungsrichtungen auf kleinstem Bauraum: An Miniaturaufnehmern geht in vielen Anwendungen kein Weg vorbei. Unsere starken MEMS-Sensoren sind für den Einsatz auf der Leiterplatte gedacht. Sie werden dort oben oder an der Seite montiert. Je nach Anwendung kann ein Beschleunigungsaufnehmer, ein Drehratensensor (Gyroskop) oder der besonders vielseitige Inertialsensor (IMU) zur Erfassung von sechs Freiheitsgraden die richtige Wahl sein. Alle Miniatur-Beschleunigungsaufnehmer aus unserem Portfolio zeichnen sich durch ihre hohe Präzision, Langzeitstabilität und einen breiten Mess- sowie Betriebstemperaturbereich aus. Stoß- und Vibrationsfestigkeit und geringer Stromverbrauch sind ebenfalls starke Argumente für ihren Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen. Als Sensorelement wird in unseren Gyroskopen ein ausbalancierter, vibrierender Silizium-MEMS-Ring verwendet. Dieser Aufbau sorgt für eine sehr geringe zeit- und temperaturabhängige Vorspannungsdrift und für eine hohe Wiederholgenauigkeit.
Drei Messprinzipien je nach Anforderung
Bei den Miniaturaufnehmern (sowohl Beschleunigungssensoren als auch Gyroskopen) gibt es im Wesentlichen die drei Messprinzipien piezoelektrisch, kapazitiv oder piezoresistiv. Bei allen löst die gemessene Bewegung ein elektrisches Signal aus, das allen Arten der Weiterverarbeitung zugänglich ist.
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Piezoelektrische Sensoren
Der piezoelektrische Sensor nutzt die Fähigkeit bestimmter Materialien, elektrische Spannung zu erzeugen, wenn sie mechanischem Stress ausgesetzt werden. Kapazitive Sensoren messen die Veränderung der Kapazität zwischen zwei Elektroden, die durch eine Veränderung in der Umgebung ausgelöst wird. Piezoresistive Sensoren erfassen den Widerstand eines Materials, der sich unter mechanischen Belastungen verändert.
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Gyroskope
Gyroskope messen Drehbewegungen und Winkel- oder Drehgeschwindigkeiten. Im Unterschied zu anderen Rotationsmessern brauchen unsere Gyroskope keinen festen Bezugspunkt. Sie messen von +/- 25°/sek bis +/- 900°/sek. Mit diesem großen Messbereich sind sie für die verschiedensten Systeme, von Robotern bis Drohnen, geeignet.
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Lineare Beschleunigungssensoren
Die linearen Beschleunigungssensoren decken den Messbereich von ± 0,25 g und ± 70.000 g in einer oder mehreren Achsen ab. Neben der Geschwindigkeitsmessung eignen sie sich auch für Schwingungen, Verschiebungen oder Kippbewegungen.
Anwendungsbereiche für Miniaturbeschleunigungsaufnehmer im Automotive-Bereich
Die Anwendungsbereiche der Miniatur-Aufnehmer in der Automobilbranche sind im Wesentlichen Lenkung und Navigation in anspruchsvollen Umgebungen und zunehmend auch für autonome Fahrzeuge. Ein weiteres Einsatzfeld ist die Stabilisierung, beispielsweise in hochgenauen industriellen Umgebungen. Präzise Positionsbestimmung von Sendern und Empfängern ist essenziell für moderne Kommunikationssysteme. Besonders wichtig in diesem Zusammenhang ist die Unempfindlichkeit gegenüber Stößen und Vibrationen in rauen Umgebungen und sogar im Weltraum. Ob in der Industrie oder für wissenschaftliche Zwecke: Das Erfassen von Bewegungsdaten in mehreren Achsen bildet die Grundlage für viele Anwendungen.
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Damit das Navi im Tunnel noch funktioniert
Beschleunigungssensoren und Gyroskope sorgen dafür, dass sich Navigationssysteme im Auto auch dann aktualisieren, wenn das GPS-Signal ausfällt, zum Beispiel beim Durchfahren von Tunneln. Der Beschleunigungssensor erfasst die Veränderungen der Geschwindigkeit, während das Gyroskop die Lenkbewegungen festhält. So erfassen die Aufnehmer alle wichtigen Informationen für das Navigationssystem.
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Fahrdynamik
Der Lebensretter Airbag braucht ein Signal, das ihn auslöst. Dazu wird ein Beschleunigungswert definiert, der einer Kollision entspricht und in der Folge das Entfalten des Airbag aktiviert. Der Beschleunigungssensor misst kontinuierlich. Dabei wirkt sich die Vibrationsfestigkeit positiv aus, weil das reine Beschleunigungssignal gemessen und nicht durch andere Bewegungen des Fahrzeugs gestört wird.
Schleudern und andere unerwünschte Bewegungen werden durch Gyroskope erfasst. Sie sind dazu da, beim Überschreiten der eingestellten Werte das Stabilitätssystem zu aktivieren, damit das Fahrzeug wieder in die gewünschte ruhige Straßenlage gelangt. Konkret heißt das, dass die Information vom Sensor in Bruchteilen von Millisekunden an die verschiedenen Steuergeräte fließen muss, zum Beispiel: „Auf die vordere Achse wirken G-Kräfte in Höhe X ein – sofort den hinteren rechten Reifen blockieren.“ Nur wenn dieser Informationsfluss dank Sensorik reibungslos funktioniert, arbeiten die Stabilisierungs- und andere Fahrassistenzsysteme einwandfrei.
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Pakete per Drohne
Alles, was fliegt, muss auf sein Gewicht achten. Deshalb sind Miniatursensoren mit geringer Masse die richtige Wahl, um Bewegungsinformationen in zivilen Flugdrohnen zu erfassen. Ein möglicher Anwendungsfall ist die Auslieferung von Medikamenten oder kleinen Paketen. Die Zustellung aus der Luft soll gleichermaßen die Verkehrslage in Städten entlasten und dem Personalmangel begegnen. In mehrstöckigen Häusern könnte sogar der Gang zur Haustür entfallen, wenn die Lieferdrohne „ans Fenster klopft“.
Auch in der Landwirtschaft finden Drohnen Anwendung: Beim sogenannten Smart Farming können auf diese Weise gezielt einzelne Pflanzen angesteuert und mit bestimmten Mitteln versorgt werden, zum Beispiel im Weinbau.
Alle mobilen Anwendungen müssen zusätzlich zu ihrer technischen Funktionalität besonders auf ihren Stromverbrauch hin optimiert werden, damit die mitgeführten Akkus möglichst leicht bleiben können. Gleichzeitig muss auch im kompaktesten Format die hohe Stoß- und Vibrationsfestigkeit gegeben sein, um belastbare Ergebnisse zu erzielen. Die Auswahl des geeigneten Aufnehmers für die jeweilige Anwendung ist immer ein Abwägen zwischen der benötigten Leistung und dem damit verbundenen Verbrauch beziehungsweise dem Gewicht der Komponenten. Unsere Lösungen sind individuell auf den jeweiligen Einsatzzweck abgestimmt.
Inertialsensoren (IMUs) mit Six Degrees of Freedom
Die Kombisensoren IMU erfassen alle Bewegungen. IMU kombinieren einen dreiaxialen Beschleunigungsaufnehmer mit einem dreiaxialen Drehratensensor. Man spricht deshalb von der Erfassung von sechs Freiheitsgraden (Six Degrees of Freedom. Zum Einsatz kommen diese Alleskönner etwa in Produktionsrobotern, wo alle Bewegungen der Arme und die jeweilige Beschleunigung gemessen werden. Nicht alle Komponenten dürfen hoher Beschleunigung ausgesetzt sein. Die Information zur Position, also wo sich Roboterarm und -hand zu jedem Zeitpunkt im Produktionsprozess befinden, liefern die IMU ebenfalls.
OEM-Version oder Komplettsystem
Wir bieten unsere Miniatur-Aufnehmer grundsätzlich in zwei Versionen an: als OEM-Ausführung oder mit eigenem Gehäuse. Die Version im Gehäuse ist mit einem eigenen Stecker unmittelbar einsatzbereit. In der OEM-Ausführung können unsere Kunden die Platine mit den aufgelöteten Sensoren in ihr eigenes System integrieren – wahlweise mit Lötpunkten oder Stiften. Die Sensoren können flach liegend (plain) oder hochkant stehend (orthogonal) auf der Platine angebracht sein. Individuelle OEM-Ausführungen können wir innerhalb kurzer Zeit in acht bis zwölf Wochen umsetzen und auch in hohen Stückzahlen für die Serienanwendung bei unseren Kunden liefern.
Noch besser mit Entwicklertools
Wir unterstützen unsere Kunden auch bei der Beurteilung und weiteren Integration der Beschleunigungssensoren und Gyroskope. Mit speziellen Entwicklungsplatinen, die wir zur Verfügung stellen können, sind Tests und Auswertungen zur reinen Evaluierung durchzuführen. So wird die individuelle Entwicklung der OEM-Lösungen noch gezielter und effizienter.