MEMS-Beschleunigungssensor

Beschleunigungsmesser des kapazitiven Typs basieren auf den Kapazitätsänderungen in der seismischen Masse unter der Einwirkung von Beschleunigung. Sie sind heute die am häufigsten verwendete Technik bei Beschleunigungsmessern. Diese Beschleunigungsmesser nutzen Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)-Fertigungstechnologie, mit der bei hochvolumigen Anwendungen Skaleneffekte zum Tragen kommen und so die Fertigungskosten gesenkt werden können. Eine gemeinsame inhärente Eigenschaft aller kapazitiven Sensoren ist ihr interner Takt. Die Taktfrequenz (~500 kHz) ist ein integraler Bestandteil des Strommesskreises, da diese aufgrund von internen Ableitströmen unweigerlich im Ausgangssignal enthalten ist. Das Hochfrequenzrauschen kann durchaus außerhalb des für uns relevanten Messbereichs des Beschleunigungsmessers liegen, ist jedoch immer im Signal vorhanden. Aufgrund seines integrierten Verstärkers/IC ist die elektrische 3-Leiter-Schnittstelle (oder 4-Leiter für differenziellen Ausgang) relativ unkompliziert und erfordert nur eine stabile DC-Spannungsquelle zur Stromversorgung.

Die Bandbreite eines kapazitiven Beschleunigungsmessers ist meist auf einige hundert Hertz begrenzt, einige Designs bieten bis 1500 Hz. Dies liegt zum Teil an ihrer physischen Geometrie und der schweren Gasdämpfung. Eine kapazitive Sensorstruktur ist für den unteren Bereich der Beschleunigungsmessung geeignet. Der maximale Bereich ist typischerweise auf weniger als 200 g begrenzt. Moderne kapazitive Beschleunigungsmesser, insbesondere Sensoren der Instrumentenklasse, bieten eine gute Linearität und eine hohe Ausgangsstabilität.

Kapazitive Beschleunigungsmesser eignen sich am besten für Anwendungen beim On-Board-Monitoring, bei denen die Kosten eine große Rolle spielen. Sie eignen sich für die Messung von Bewegungen mit niedriger Frequenz und niedriger g-Kraft, z. B. Vibrationsmessungen im Tiefbau.

Die piezoresistive Messtechnik ist die andere verbreitete Sensortechnik für DC-Beschleunigungsmesser. Statt (wie bei einem kapazitiven Sensor) die Kapazitätsänderungen in der seismischen Masse zu messen, erzeugt ein piezoresistiver Beschleunigungsmesser Widerstandsänderungen in den Belastungsmessgeräten, die Teil des seismischen Systems des Beschleunigungsmessers sind. Der Ausgang der meisten piezoresistiven Designs reagiert im Allgemeinen empfindlich auf Temperaturschwankungen. Es muss also der Ausgang intern oder extern temperaturkompensiert werden. Moderne piezoresistive Beschleunigungsmesser umfassen eine ASIC für alle Formen der On-Board-Signalaufkonditionierung sowie In-situ-Temperaturkompensation.

Die Bandbreite von piezoresistiven Beschleunigungsmessern kann bis zu 7.000 Hz erreichen. Viele piezoresistive Designs sind entweder gasgedämpft (MEMS-Typen) oder flüssigkeitsgedämpft (Folien-Belastungsmessgerätetyp). Das Dämpfungsverhalten kann einen wichtigen Faktor bei der Auswahl eines Beschleunigungsmessers darstellen. Bei Anwendungen, bei denen der mechanische Eingang sehr hochfrequentige Eingangssignale enthalten kann (oder eine Hochfrequenzreaktion erregen kann), kann ein Beschleunigungsmesser Sensorschwingungen (Resonanz) verhindern und den Dynamikbereich beibehalten oder verbessern. Der piezoresistive Sensorausgang ist differenziell und rein ohmscher Natur, deshalb ist das Signal-Rausch-Verhalten generell hervorragend; sein dynamischer Bereich wird nur durch die Qualität des DC-Brückenverstärkers begrenzt. Bei Stoßmessungen mit sehr hohen g-Kräften lassen sich mit einigen piezoresistiven Designs Beschleunigungen von weit über 10.000 g messen.

Aufgrund der breiteren Bandbreite sind piezoresistive Beschleunigungsmessertypen am besten für Impuls-/Aufprallmessungen geeignet, bei denen der Frequenzbereich und die g-Kraft in der Regel sehr hoch sind. Als Sensortyp mit DC-Ansprechen kann man aus ihrer Beschleunigungsausgabe sehr genau und ohne Integrationsfehler die gewünschten Geschwindigkeits- und Weginformationen ableiten. Piezoresistive Beschleunigungsmesser werden sehr häufig bei Fahrzeugsicherheitstests, Waffentests und Messungen von stärkeren Stößen über dem nutzbaren Bereich von Beschleunigungsmessern mit variabler Kapazität eingesetzt.