Kippbewegung per Konvektion detektiert

In einem „klassischen“ MEMS-Sensor werden die Bewegungen kleinster mechanischer Strukturen zur Messung physikalischer Größen genutzt. Eine andere Klasse von Sensoren bestimmt über einen kontinuierlichen Wärmestrom Änderungen von Lage und Bewegung. Die MEMS-Technologie wird hier lediglich für die Realisierung der kleinen mechanischen Strukturen benötigt.

In einem „klassischen“ MEMS-Sensor werden die Bewegungen kleinster mechanischer Strukturen zur Messung physikalischer Größen genutzt. Eine andere Klasse von Sensoren bestimmt über einen kontinuierlichen Wärmestrom Änderungen von Lage und Bewegung. Die MEMS-Technologie wird hier lediglich für die Realisierung der kleinen mechanischen Strukturen benötigt.

MEMS-Beschleunigungs-Sensoren, bei denen die Bewegung mikromechanischer Elemente unter dem Einfluss der einwirkenden Kraft in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, können bei zu großen Beschleunigungen versagen, und im „Worst Case“ können die mikroskopischen Strukturen irreversible Schäden davontragen.

Das Unternehmen MEMSIC (www.memsic.com) bietet mit seinen Produkt-Familien „MXA2500“ und „MXA6500“ Sensoren, die Beschleunigungen bis 50 000 g schadlos überstehen. Das Geheimnis des Erfolges liegt darin, dass bei dem Aufbau der Messzelle keine bewegten mechanischen Strukturen verwendet werden. Das Messprinzip nutzt vielmehr die Veränderung der Wärmeleitfähigkeit eines Gases bei der Veränderung der Dichte unter dem Einfluss einer Beschleunigung des Sensors.

Der Sensor selbst besteht aus einer hermetisch geschlossenen Gaszelle, die über einem Silizium-Chip aufgebaut ist (Bild 1). In das Silizium, auf dem auch die erforderlichen Mixed-Signal-Schaltkreise integriert sind, ist eine Vertiefung geätzt, die mit einer „Membran“ überspannt ist. Diese trägt in der Mitte ein Heizelement, um das herum mehrere so genannter Thermosäulen (Thermo Piles) gleichmäßig gruppiert sind. Thermosäulen sind in Reihe geschaltete Thermoelemente, hier realisiert durch abwechselnde Schichten von Aluminium und polykristallinem Silizium. Die Ausgangsspannungen der Thermosäulen sind proportional zur Temperatur an ihrem Ort, mit der Anordnung wird also die Temperatur-Verteilung auf der Membran bestimmt.

Eine Beschleunigung des Sensors in eine beliebige Richtung führt dazu, dass die Dichteverteilung des Gases in der Zelle sich ändert und sich damit die durch Konvektion übertragene Wärme im der Gaszelle anders verteilt (Bild 2). Damit einher geht eine Veränderung der Temperaturverteilung auf der Membran. Die Änderungen der Thermosäulen-Ausgangsspannungen werden von der Elektronik in x- und y-Richtung ausgewertet. Der Sensor vom Typ „MXA2500“ etwa erreicht mit diesem Messprinzip eine Auflösung von 1 mg bei einem Messbereich von ±1,7 g auf beiden Achsen. Die Variation der Ausgangsspannung beträgt 500 mV/g bei einer Betriebsspannung von 5 V und einer Umgebungstemperatur von 25 °C. Eines der „Probleme“ bei diesem Messprinzip ist allerdings eine merkliche Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Diese ist durch eine Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit des „Messgases“ von der Temperatur verursacht und beträgt bei den MEMSIC-Sensoren rund 1 %/K, bezogen auf den gesamten Messbereich. Der Verlauf der Temperaturabhängigkeit wird von der elektronischen Schaltung näherungsweise kompensiert, damit beträgt am Ausgang des Sensors die Abweichung über den Temperaturbereich von 0 bis 50 °C nicht mehr als 2,6 %. Da die Abweichungskurve selbst konstant ist, kann bei höheren Anforderungen an die Temperatur-Stabilität der Ausgangswert mit Hilfe eines Mikroprozessors zu dem jeweiligen Wert der Umgebungstemperatur korrigiert werden. Der Hersteller gibt an, dass durch diese Maßnahme in einem Temperaturbereich zwischen –50 und +105 °C die Messgenauigkeit stets besser als 3 % bleibt.