10.07.2016

MEMS-Gyroskop für 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 müssen. Seit einigen Jahren sind beachtliche Fortschritte bei Halbleitern, passiven Bauteilen und Interconnect-Lösungen 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°C arbeiten können und im einfach handhabbaren MEMS-Formfaktor (Micro-Electro-Mechanical Systems) verfügbar sind. MEMS-Sensoren sind oft kleiner und preiswerter als diskrete Sensoren und benötigen weniger Energie. Darüber hinaus lassen sich bei MEMS-Sensoren zusätzlich Signalaufbereitungsschaltungen im gleichen Halbleitergehäuse integrieren.



 

Autor: Jeff Watson, Analog Devices

Unter der Bezeichnung ADXL206 bietet Analog Devices einen für sehr hohe Temperaturen ausgelegten MEMS-Beschleunigungssensor an, der hochgenaue Neigungsmessungen ermöglicht. Dennoch besteht noch immer ein Bedarf an zusätzlichen Freiheitsgraden, um Bewegungen des Systems in rauen Umgebungen bzw. in Situationen zu messen, in denen das Endprodukt starken Erschütterungen, Vibration und heftigen Bewegungen ausgesetzt ist. Diese Art der Belastung kann zu unnötigem Verschleiß und frühzeitigen Systemausfällen führen, was wiederum hohe Kosten bezüglich Wartung und Ausfallzeit verursacht.

 

Um dieses Szenario meistern und den damit verbundenen Bedarf decken zu können, hat Analog Devices das neue Hochtemperatur-MEMS-Gyroskop ADXRS645 mit integrierter Signalaufbereitung entwickelt. Dieser Sensor ermöglicht die genaue Messung von Drehraten (Drehzahl) selbst in Umgebungen mit Schock- und Vibrationsbelastungen. Das Bauteil ist für Temperaturen bis +175°C spezifiziert.

 

Funktionsweise

MEMS-Gyroskope messen die Drehrate mittels Coriolisbeschleunigung. Der Corioliseffekt lässt sich wie folgt, angefangen mit Bild 1, erklären. Stellen Sie sich vor, Sie stünden auf einer rotierenden Plattform in der Nähe der Mitte. Ihre Geschwindigkeit relativ zum Boden ist durch die kurzen blauen Pfeile im Bild dargestellt. Würden Sie sich an einen Punkt in der Nähe des äußeren Plattformrandes bewegen, würde sich Ihre Geschwindigkeit relativ zum Boden erhöhen, 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 Ω als Drehrate und r als Radius ergibt sich die Tangenzialgeschwindigkeit Ωr. Falls sich r mit der Geschwindigkeit v ändert, entsteht eine Tangenzialbeschleunigung von Ωv. Dies ist die Hälfte der Coriolisbeschleunigung. Die zweite Hälfte aus der Richtungsänderung der Radialgeschwindigkeit beträgt 2Ωv. Bei einer Masse M muss die Plattform eine Kraft 2MΩv aufwenden, um diese Beschleunigung zu erhalten. Die Masse erfährt 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 außen 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 Außenseite 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, übt sie eine Kraft nach rechts aus (Pfeile in orange). Zur Messung der Coriolisbeschleunigung wird der Rahmen, der die schwingende Masse enthält, mit mechanischen Federn 90° 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 ausgeübte 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 Oberfläche, auf der das Gyroskop befestigt ist, die Masse und ihr Rahmen die Coriolisbeschleunigung erfahren und 90° von der Schwingungsbewegung übersetzt werden. Mit steigender Rotationsgeschwindigkeit erhöht sich die Verlagerung der Masse und das aus der zugehörigen Kapazitätsänderung 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 über kapazitive Messelemente, die am Resonator befestigt sind (Bild 4). Bei diesen Elementen handelt es sich um Silizium-Beams, die mit zwei Sets stationärer 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 Kapazität.

 

In der Praxis ist die Coriolisbeschleunigung ein extrem kleines Signal, welches Beam-Ablenkungen von Bruchteilen von Angström und zugehörige Kapazitätsänderungen in der Größenordnung von Zeptofarad produziert. Daher ist es äußerst wichtig, die Querempfindlichkeiten gegenüber parasitären Quellen wie Temperatur, Gehäuse-Stress, externe Beschleunigung, elektrisches Rauschen usw. zu minimieren. Dies wird teilweise erreicht, indem man die Elektronik inklusive Verstärker und Filter auf dem gleichen Die wie den mechanischen Sensor unterbringt. Wichtiger jedoch ist, differenzielle Messungen möglichst weit unten an der Signalkette zu machen und das Signal mit der Resonatorgeschwindigkeit zu korrelieren, speziell um die Effekte externer Beschleunigung zu handhaben.

 

Vibrationsunterdrückung

Idealerweise ist ein Gyroskop ausschließlich gegenüber Drehbewegungen empfindlich. In der Praxis weisen jedoch alle Gyroskope ein gewisses Maß an Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigung auf. Zurückzuführen ist dies auf die Asymmetrie ihrer mechanischen Designs und/oder Micromachining-Ungenauigkeiten. Tatsächlich gibt es je nach Design mehrere unterschiedlich starke Erscheinungsformen der Beschleunigungsempfindlichkeit. Die wesentlichsten darunter sind normalerweise die Empfindlichkeit gegenüber Linearbeschleunigung (oder g-Empfindlichkeit) sowie die Vibrationsgleichrichtung (oder g2-Empfindlichkeit). Diese können schwerwiegend genug sein, um die spezifizierte Biasstabilität des Bauteils komplett zu überdecken. Der Ausgang mancher Gyroskope zeigt Rail-to-Rail-Verhalten, wenn der Drehrateneingang über dem spezifizierten Bereich liegt.

 

Andere Gyroskope neigen zum "Lock-up", wenn sie Stoßbelastungen von wenigen Hundert g ausgesetzt sind. Diese Gyroskope werden durch Stoßbelastungen nicht beschädigt. Allerdings reagieren sie dann nicht mehr auf Drehraten und müssen für einen Neustart ein- und wieder ausgeschaltet werden.

 

Das IC basiert auf einem neuartigen Konzept zum Messen von Drehwinkeln. Dieses ermöglicht die Unterdrückung von mechanischen Schocks von bis zu 1.000g. Das Konzept nutzt vier Resonatoren, um Signale differenziell zu messen und externe Gleichtaktbeschleunigungen zu unterdrücken, die mit Winkelbewegungen nichts zu tun haben. Die oberen und unteren Resonatorpaare in Bild 5 sind mechanisch unabhängig und arbeiten in Gegenphase.

 

Als Resultat messen sie Rotation in der gleichen Größenordnung, liefern aber Ausgangssignale in unterschiedlichen Richtungen. Daher wird die Differenz zwischen den Sensorsignalen zur Messung von Drehraten genutzt. Dies löscht nicht-rotierende Signale aus, die auf beide Sensoren einwirken. Die Signale sind in der internen festen Verdrahtung (Hard Wiring) vor den Vorverstärkern kombiniert. Somit wird zum großen Teil verhindert, dass extreme Beschleunigungsüberlastungen die Elektronik erreichen. Dadurch kann die Signalaufbereitung die Ausgabe der Drehrate während hoher Stoßbelastungen erhalten.

Bild 5: Differenzielles Vierfach-Sensordesign.


 


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