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Beschleunigungsmesser

MEMS-Integration treibt Sensor-Anwendungen

25. November 2014, 15:16 Uhr | Frank Riemenschneider

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

MEMS schrumpft in Größe und Preis

MEMS-Chips selbst werden im Laufe der Zeit durch Layout- und Design-Verbesserungen immer kleiner. So hat beispielsweise Bosch seine Beschleunigungsmesser geschrumpft und gleichzeitig ihre Fähigkeiten verbessert. Der Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser SMB360 im Jahr 2005 steckte in einem 6 mm × 6 mm × 1,45 mm großen Package, der neueste Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser BMA355 ist jetzt nur noch 1,2 mm × 1,5 mm × 0,8 mm groß.

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Ähnliches gilt für Produkte, die Mikrocontroller integrieren. Der STMicro LSM6DB0 (Bild 3) integriert einen Sechs-Achsen-Bewegungs-Controller mit einer ARM-Cortex-M0-MCU, an die auch externe Sensoren angeschlossen werden können. Das Gesamt-Package ist 3 mm × 3 mm × 1 mm groß. Trotz der Herausforderungen bei der Fertigung liefern MEMS-Hersteller kleinere Chips, die mehr Funktionen bieten und gleichzeitig weniger Energie benötigen. Mit schrumpfender Die- und Package-Größe sinkt auch der Preis: Die Sensor-Preise fallen pro Jahr um 20 bis 30 % und betragen jetzt etwa 30 Dollar-Cent pro Achse für 3-Achsen- und 6-Achsen-Sensoren. Ein neun-Achsen-Sensor kostet etwa 4 Dollar, was einem leichten Aufschlag in den Kosten pro Achse entspricht. Die stärkere Integration der 9-Achsen-Sensoren spart jedoch Geld bei der Leiterplatte. Der Pro-Achsen-Preis gilt nicht für Spezialsensoren: Drucksensoren zum Beispiel verkaufen sich für mindestens 2 Dollar. Die Integration eines Mikrocontrollers oder einer anderen digitalen Logik treibt den Preis weiter nach oben. Die Quintessenz ist jedoch, dass die Sensoren immer kleiner und billiger werden, während die Software und Anwendungen immer anspruchsvoller und nützlicher werden. Auf lange Sicht können Sensoren darüber, was man mit Smartphones und tragbaren Geräte alles anstellen kann, mehr entscheiden als Prozessor-Geschwindigkeit oder Bildschirmgröße.

Die Integration der Daten

Mit der Zeit werden MEMS-Bauelemente in Smartphones, Wearables und auch in der Umwelt um uns herum erscheinen. Wir werden mit Datenströmen von mehreren Sensoren regelrecht überschwemmt werden. Die Herausforderung für die Gerätehersteller ist, wie man diese Daten nahtlos integrieren und sie dem Anwender auf einfache und leicht verständliche Art und Weise präsentieren kann.

Intelligente Geräte müssen große Mengen von Sensordaten von mehreren Quellen aggregieren und interpretieren. Das Konzept der Sensor-Zusammenführung muss über die reine Steuerung verschiedener Sensoren in einem einzigen Gerät hinausgehen. In seiner einfachsten Form könnte man zum Beispiel Daten aus einem Fitness-Tracker und andere Daten von einem Smartphone sammeln und kombinieren, um eine Echtzeit-Karte des Fortschritts eines Läufers zu erstellen. Eine komplexere Anwendung könnte die Optimierung der Gesundheit eines älteren Menschen durch ein tragbares Armband sowie Sensoren in den Medizinflaschen und Lebensmittellagern beinhalten. Low-Power-Konnektivität wird ein wichtiges Merkmal sein. Heutigen integrierten Sensoren fehlt in der Regel jede integrierte Konnektivität, so dass externes WLAN, Mobilfunk, Bluetooth oder LE-Chips erforderlich sind, um mit der Außenwelt zu kommunizieren. Im Smartphone können Sensoren und Sensor-Hubs natürlich auf die On-Board-Kommunikationsfähigkeit des Handys zurückgreifen, bei Wearables sieht das anders aus. In diesem würde die Integration der Kommunikation mit dem Sensor-Hub von Vorteil sein, Handy- und Tablet-Hersteller werden dagegen immer nach der größtmöglichen Flexibilität in ihren Kommunikationsmöglichkeiten suchen.

Mehr Sensoren bieten Differenzierung

Smartphone-Anbieter suchen zunehmend nach Möglichkeiten, ihre Produkte zu differenzieren und das Gleiche wird auch für Wearables gelten. Ein intelligenter Einsatz von Sensoren wird es den Geräteherstellern ermöglichen, sich von ihrer Konkurrenz abzuheben. Foto-Enthusiasten zum Beispiel werden Mobiltelefone bevorzugen, die durch optische Bildstabilisierung auch bei schlechten Lichtverhältnissen gute Fotos liefern. Gesundheits- und Fitness-Fans werden Modelle mit tragbaren integriertem Fitness-Tracker suchen. Vielreisende werden Augmented Reality Apps, die mehr Details über die Orte, die sie besuchen, liefern, zu schätzen wissen.

Die heutigen Neun-Achsen-Devices werden z.B. um Druck- oder Schwingungssensoren weiterentwickelt werden und eine höhere Verarbeitungsleistung der ganzen Daten liefern. Premium-Smartphones wie das iPhone 5s und Galaxy S5 verwenden bereits Sensor-Funktionen, um ihren Kunden neue Funktionen zu liefern. In Mainstream-Handys sieht man zunehmend Sechs-Achsen-Gyroskop-Kombinationen, seitdem ihre Preise unter 2 Dollar gefallen sind. Lediglich Low-End-Smartphones bleiben bei einfachen Zwei- oder Drei-Achsen-Beschleunigungsmessern, um die Kosten zu minimieren. Sensor-Hubs und integrierte Sensoren werden zusammen mit ihren ausgeklügelten Sensor-Fusion-Algorithmen die Daten leichter zugänglich und genauer machen. So ist beispielsweise die Genauigkeit mit dem iPhone 5s ein Thema geworden, nachdem Apple den Beschleunigungsmesser LIS331DLH von STMicro aus seinen früheren iPhones durch einen scheinbar ähnlichen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser BMA220 von Bosch ersetzt hat. Ersterer bietet eine höhere Empfindlichkeit als sein Nachfolger und Anwendungen (meist Spiele), die davon abhängig waren, wiesen in der Folge Abweichungen bis zu 5 Grad auf. Apple hat dieses Problem in gewissem Umfang durch einen iOS-7-Patch behoben, aber diese Situation zeigt, wie sich Produktunterschiede auf das Anwendungsverhalten auswirken können. Derzeit sind STMicro und Bosch die beiden größten Anbieter von Sensoren für Mobilgeräte. AKM, Freescale und InvenSense sind jeweils in einigen Nischenmärkten erfolgreich. Zum Beispiel hat InvenSense in einigen Smartphones mit zweiachsigen Sensoren Erfolg, wobei sie für optische Bildstabilisierung eingesetzt werden. Das Rennen, mehr Sensoren in einem einzigen Package zu integrieren, begünstigt Anbieter mit breiteren Portfolios, aber auch kleinere Anbieter können mittels Kreativität konkurrieren. Um ein Neun-Achsen-Design zu liefern, ist z.B. InvenSense eine Partnerschaft mit AKM eingegangen. Eine Technologie, die einst ein Novum war, ist jetzt in Mobiltelefonen begehrt und wird ein wesentlicher Aspekt der Zukunft tragbarer Geräte sein. Smartphone-, Tablet- und Wearable-Hersteller sind zunehmend auf der Suche nach neuen Sensoren, um ihre Produkte in einem überfüllten Markt zu differenzieren.