10.07.2016

MEMS-Gyroskop f√ľr genaue Drehratenmessungen in rauen Umgebungen bei hohen Temperaturen

Es gibt eine steigende Zahl von Anwendungen, die von Sensoren in Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen aufgenommene Daten sammeln m√ľssen. Seit einigen Jahren sind beachtliche Fortschritte bei Halbleitern, passiven Bauteilen und Interconnect-L√∂sungen zu verzeichnen, mit denen sich hochgenaue Systeme zur Datenerfassung und Verarbeitung entwickeln lassen. Allerdings gibt es noch immer einen ungedeckten Bedarf an Sensoren, die bei Temperaturen bis +175¬įC arbeiten k√∂nnen und im einfach handhabbaren MEMS-Formfaktor (Micro-Electro-Mechanical Systems) verf√ľgbar sind. MEMS-Sensoren sind oft kleiner und preiswerter als diskrete Sensoren und ben√∂tigen weniger Energie. Dar√ľber hinaus lassen sich bei MEMS-Sensoren zus√§tzlich Signalaufbereitungsschaltungen im gleichen Halbleitergeh√§use integrieren.



 

Autor: Jeff Watson, Analog Devices

Unter der Bezeichnung ADXL206 bietet Analog Devices einen f√ľr sehr hohe Temperaturen ausgelegten MEMS-Beschleunigungssensor an, der hochgenaue Neigungsmessungen erm√∂glicht. Dennoch besteht noch immer ein Bedarf an zus√§tzlichen Freiheitsgraden, um Bewegungen des Systems in rauen Umgebungen bzw. in Situationen zu messen, in denen das Endprodukt starken Ersch√ľtterungen, Vibration und heftigen Bewegungen ausgesetzt ist. Diese Art der Belastung kann zu unn√∂tigem Verschlei√ü und fr√ľhzeitigen Systemausf√§llen f√ľhren, was wiederum hohe Kosten bez√ľglich Wartung und Ausfallzeit verursacht.

 

Um dieses Szenario meistern und den damit verbundenen Bedarf decken zu k√∂nnen, hat Analog Devices das neue Hochtemperatur-MEMS-Gyroskop ADXRS645 mit integrierter Signalaufbereitung entwickelt. Dieser Sensor erm√∂glicht die genaue Messung von Drehraten (Drehzahl) selbst in Umgebungen mit Schock- und Vibrationsbelastungen. Das Bauteil ist f√ľr Temperaturen bis +175¬įC spezifiziert.

 

Funktionsweise

MEMS-Gyroskope messen die Drehrate mittels Coriolisbeschleunigung. Der Corioliseffekt l√§sst sich wie folgt, angefangen mit Bild 1, erkl√§ren. Stellen Sie sich vor, Sie st√ľnden auf einer rotierenden Plattform in der N√§he der Mitte. Ihre Geschwindigkeit relativ zum Boden ist durch die kurzen blauen Pfeile im Bild dargestellt. W√ľrden Sie sich an einen Punkt in der N√§he des √§u√üeren Plattformrandes bewegen, w√ľrde sich Ihre Geschwindigkeit relativ zum Boden erh√∂hen, wie durch den langen blauen Pfeil angedeutet. Die Zuwachsrate Ihrer Tangenzialgeschwindigkeit, verursacht durch Ihre radiale Geschwindigkeit, ist die Coriolisbeschleunigung.

Bild 1: Beispiel einer Coriolisbeschleunigung. Eine Person, die sich nach oben hin zum äußeren Rand einer rotierenden Plattform bewegt, muss die nach links gerichtere Geschwindigkeitskomponente (blaue Pfeile) erhöhen, um einen nach oben gerichteten Kurs beizubehalten. Die dazu erforderliche Beschleunigung ist die Coriolisbeschleunigung.

 

Mit ő© als Drehrate und r als Radius ergibt sich die Tangenzialgeschwindigkeit ő©r. Falls sich r mit der Geschwindigkeit v √§ndert, entsteht eine Tangenzialbeschleunigung von ő©v. Dies ist die H√§lfte der Coriolisbeschleunigung. Die zweite H√§lfte aus der Richtungs√§nderung der Radialgeschwindigkeit betr√§gt 2‚Ą¶v. Bei einer Masse M muss die Plattform eine Kraft 2M‚Ą¶v aufwenden, um diese Beschleunigung zu erhalten. Die Masse erf√§hrt eine korrespondierende Reaktionskraft. Dieses Gyroskop nutzt diesen Effekt, indem es eine schwingende Masse analog zu der Person nutzt, die sich auf einer rotierenden Plattform von au√üen nach innen bewegt. Die Masse wird mikrotechnisch aus Polysilizium hergestellt und ist an einem Polysilizium-Rahmen (Frame) befestigt, damit sie nur in eine Richtung schwingen kann.

Bild 2: Demonstration des Corioliseffekts als Reaktion auf eine schwingende Siliziummasse in einem Rahmen. Die orange dargestellten Pfeile symbolisieren die an die Struktur angelegte Kraft je nach Zustand der schwingenden Masse.

 

Wenn sich die schwingende Masse in Bild 2 in Richtung Au√üenseite der Rotation bewegt, wird sie nach rechts beschleunigt und wirkt auf den Rahmen einer Reaktionskraft links. Bewegt sich die schwingende Masse hin zum Mittelpunkt der Rotation, √ľbt sie eine Kraft nach rechts aus (Pfeile in orange). Zur Messung der Coriolisbeschleunigung wird der Rahmen, der die schwingende Masse enth√§lt, mit mechanischen Federn 90¬į relativ zur Schwingbewegung an das Substrat befestigt (Bild 3). Bild 3 zeigt auch die Coriolismessfinger, die dazu dienen, um eine Verschiebung des Rahmens durch kapazitive Transduktion als Reaktion auf die durch die Masse ausge√ľbte Kraft zu messen.

Bild 3: Schematische Darstellung der mechanischen Struktur eines Gyroskops.

 

Bild 4 zeigt die komplette Struktur. Zu sehen ist, dass bei Bewegung der schwingenden Masse und Rotation der Oberfl√§che, auf der das Gyroskop befestigt ist, die Masse und ihr Rahmen die Coriolisbeschleunigung erfahren und 90¬į von der Schwingungsbewegung √ľbersetzt werden. Mit steigender Rotationsgeschwindigkeit erh√∂ht sich die Verlagerung der Masse und das aus der zugeh√∂rigen Kapazit√§ts√§nderung abgeleitete Signal. Zu beachten ist, dass das Gyroskop auf dem rotierenden Objekt an einer beliebigen Stelle und in einem beliebigen Winkel platziert werden kann. Die Messachse muss sich jedoch stets parallel zur Rotationsachse befinden.

Bild 4: Der Rahmen und die schwingende Masse sind in Folge des Corioliseffekts lateral verschoben.

 

Kapazitive Messung

Das Gyroskop misst die Verschiebung der schwingenden Masse und ihres Rahmens in Folge des Corioliseffekts √ľber kapazitive Messelemente, die am Resonator befestigt sind (Bild 4). Bei diesen Elementen handelt es sich um Silizium-Beams, die mit zwei Sets station√§rer Silizium-Beams, befestigt auf dem Substrat, ineinandergreifen und so zwei Kondensatoren mit gleichem Nennwert bilden. Eine Verschiebung in Folge einer Drehrate induziert in diesem System eine differenzielle Kapazit√§t.

 

In der Praxis ist die Coriolisbeschleunigung ein extrem kleines Signal, welches Beam-Ablenkungen von Bruchteilen von Angstr√∂m und zugeh√∂rige Kapazit√§ts√§nderungen in der Gr√∂√üenordnung von Zeptofarad produziert. Daher ist es √§u√üerst wichtig, die Querempfindlichkeiten gegen√ľber parasit√§ren Quellen wie Temperatur, Geh√§use-Stress, externe Beschleunigung, elektrisches Rauschen usw. zu minimieren. Dies wird teilweise erreicht, indem man die Elektronik inklusive Verst√§rker und Filter auf dem gleichen Die wie den mechanischen Sensor unterbringt. Wichtiger jedoch ist, differenzielle Messungen m√∂glichst weit unten an der Signalkette zu machen und das Signal mit der Resonatorgeschwindigkeit zu korrelieren, speziell um die Effekte externer Beschleunigung zu handhaben.

 

Vibrationsunterdr√ľckung

Idealerweise ist ein Gyroskop ausschlie√ülich gegen√ľber Drehbewegungen empfindlich. In der Praxis weisen jedoch alle Gyroskope ein gewisses Ma√ü an Empfindlichkeit gegen√ľber Beschleunigung auf. Zur√ľckzuf√ľhren ist dies auf die Asymmetrie ihrer mechanischen Designs und/oder Micromachining-Ungenauigkeiten. Tats√§chlich gibt es je nach Design mehrere unterschiedlich starke Erscheinungsformen der Beschleunigungsempfindlichkeit. Die wesentlichsten darunter sind normalerweise die Empfindlichkeit gegen√ľber Linearbeschleunigung (oder g-Empfindlichkeit) sowie die Vibrationsgleichrichtung (oder g2-Empfindlichkeit). Diese k√∂nnen schwerwiegend genug sein, um die spezifizierte Biasstabilit√§t des Bauteils komplett zu √ľberdecken. Der Ausgang mancher Gyroskope zeigt Rail-to-Rail-Verhalten, wenn der Drehrateneingang √ľber dem spezifizierten Bereich liegt.

 

Andere Gyroskope neigen zum "Lock-up", wenn sie Sto√übelastungen von wenigen Hundert g ausgesetzt sind. Diese Gyroskope werden durch Sto√übelastungen nicht besch√§digt. Allerdings reagieren sie dann nicht mehr auf Drehraten und m√ľssen f√ľr einen Neustart ein- und wieder ausgeschaltet werden.

 

Das IC basiert auf einem neuartigen Konzept zum Messen von Drehwinkeln. Dieses erm√∂glicht die Unterdr√ľckung von mechanischen Schocks von bis zu 1.000g. Das Konzept nutzt vier Resonatoren, um Signale differenziell zu messen und externe Gleichtaktbeschleunigungen zu unterdr√ľcken, die mit Winkelbewegungen nichts zu tun haben. Die oberen und unteren Resonatorpaare in Bild 5 sind mechanisch unabh√§ngig und arbeiten in Gegenphase.

 

Als Resultat messen sie Rotation in der gleichen Gr√∂√üenordnung, liefern aber Ausgangssignale in unterschiedlichen Richtungen. Daher wird die Differenz zwischen den Sensorsignalen zur Messung von Drehraten genutzt. Dies l√∂scht nicht-rotierende Signale aus, die auf beide Sensoren einwirken. Die Signale sind in der internen festen Verdrahtung (Hard Wiring) vor den Vorverst√§rkern kombiniert. Somit wird zum gro√üen Teil verhindert, dass extreme Beschleunigungs√ľberlastungen die Elektronik erreichen. Dadurch kann die Signalaufbereitung die Ausgabe der Drehrate w√§hrend hoher Sto√übelastungen erhalten.

Bild 5: Differenzielles Vierfach-Sensordesign.


 


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