Monolithische Gyroskope
Während die Halbleiterindustrie beim Vorstoß in noch kleinere Geometrien regelmäßig Rekorde feiert und das Moor'sche Gesetz noch auf absehbare Zeit seine Gültigkeit behält, steckt die Mikrosystemtechnik aus kommerzieller Perspektive in den Kinderschuhen. Trotz gefälliger Bilder von kleinsten Zahnrädchen und Aktoren im makroskopischen Maßstab ist die Realisierung echter Mikromaschinen im industriellen Umfang noch in weiter Ferne. Dennoch gibt es eindrucksvolle Fortschritte, vor allem bei der Miniaturisierung von Sensoren für physikalische Größen. Manchmal müssen die Entwickler zwar um die Ecke denken, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen, die Ergebnisse können sich aber sehen lassen, so z.B. bei der Messung von Beschleunigungen. Da es äußerst schwierig ist, nennenswerte Massen in monolithischen Prozessen freizustellen, um diese zur Messung einzusetzen, hat man sich auf die Corioliskraft bei vibrierenden Elementen besonnen. Mit diesem Trick können kostengünstig Gyroskope & Beschleunigungssensoren gefertigt werden, die sich mit der existierenden IC-Gehäusetechnologie verpacken lassen und in den üblichen Montageverfahren verarbeitet werden können.
Der Trick mit dem vibrierenden Ring
Die Abbildungunten links zeigt einen freigeäzten Ring, der über 8 gewinkelte Federn an der zentralen Nabe aufgehängt ist. Dieser Ring kann nicht frei drehen, aller-dings kann er über Elektroden mittels elektrischer Felder in Vibration versetzt werden, und zwar an seinem Resonanz-punkt, der i.d.R. im Bereich von 10 .. 20 kHz liegt.
Die Abbildung daneben zeigt in vereinfachter Form den Vibrationsmodus ohne äußere Einwirkung (links) und unter Einwirkung einer äußeren Drehbeschleunigung (rechts), die eine Corioliskraft hervorruft und damit die Bewegungsachsen ändert. (Näheres zur Corioliskraft: http://de.wikipedia.org/wiki/Coriolis). Sensoren auf Basis dieser Kraft werden Gyroskope ge-nannt und sind in klassischer Bauweise mit rotierenden Kreiseln aufgebaut
Die Veränderung der Vibrationsrichtungen lässt sich mit den Mitteln der integrierten analogen Meßtechnik perfekt erfassen, so dass auf Basis dieses Prinzips sehr empfindliche Gyroskope gebaut werden können. Die hier vorgestellten Sensoren wie beispielsweise der IDG-300 haben einen maximalen Meßbereich von +/- 500 Grad je Sekunde (˚/s) und eine Empfindlichkeit von 2mV/˚/s. Damit lassen sie sich für Anwendungen der Robotik ebenso einsetzen wie zur Unterstützung von GPS-Systemen während der Phasen ohne Satelliten-Sichtkontakt.
WhitePaper "A Critical Review of MEMS Gyroscope Technology ...
Mikro-Elektromechanische Systeme (MEMS)
Die MEMS-Technologie ist ein entscheidender Schlüssel für das weitere Wachstum der Sensorindustrie. Die Herstellverfahren für MEMS-ICs erlauben die Darstellung recht kleiner, sehr leistungsfähiger und dabei kostengünstiger Sensoren, die sich auch für die Verarbeitung mit üblichen Assembly-Prozessen eignen und daher im Bereich der Automatisierung, der Robotik und sogar in Consumergeräten eingesetzt wer-den können.
Unser Hersteller InvenSense ist führend bei der Entwicklung neuer Technologien und der Erschließung einschlägiger Märkte. Die derzeitige Plattform setzt auf eine ganze Reihe technologischer Innovationen beim Design der MEMS-Strukturen, bei den Produktionsverfahren der Mixed-Signal-ASICs und beim Packaging auf Wafer-Ebene. Diese Fortschritte haben das weltweit kleinste Zwei-Achsen-Gyroskop hervorgebracht mit einer Silizium-Die-Grösse von 3.5 x 3.5 x 1.0 mm.
Anders als die sonst verwendeten "resonating rate sensors" brauchen die Gyroskope von InvenSense keine aufwändige hermetische Gehäusung, um den notwendigen Betriebsdruck aufzubauen bzw. die Isolation von Feuchtigkeit und Staub sicherzustellen. Die Integration aller Komponenten wie Antrieb, Meßtechnik und Signalverarbeitung auf Waferebene ist inhärent anderen Verfahren überlegen, weil Streukapazitäten und Induktivitäten reduziert werden. Zudem minimiert dieser Ansatz den Bedarf an externen Komponenten innerhalb der Anwendungsschaltungen und hilft somit, Größe und Kosten zu reduzieren. Die Bausteine liefern an Ihren Ausgängen Spannungswerte mit maximal etwa +/-1000mV um den Referenzwert und sind damit einfach zu implementieren.
Bildstabilisierung und GPS "Dead Reckoning"
Mit der Verfügbarkeit preiswerter Bewegungs- bzw. Beschleunigungssensoren eröffnen sich zahlreiche interessante Anwendungsfelder. Zum einen ist dies die Bildstabilisierung von HandyCams und anderer Digitalkameras - Gyroskope können die unvermeidbaren Zitterbewehung handgeführter Kameras erkennen und damit für die Bildverarbeitungs-DSPs jene Daten liefern, die zur Kom-pensation der "Wackler" notwendig sind. BlurFree™ nennt das InvenSense und ermöglicht damit ruhige und gestochen scharfe Bilder. Ein weitere Anwendung besteht in der Bewegungssensorik bei Gamekonsolen und Handheld-Geräten, was die Erkennung von Gesten und Handbewegungen ermöglicht und ein neues Human-Interface-Device darstellt. Last but not least sei hier auf das "dead reckoning" (Koppelnavigation) bei GPS-Systemen verwiesen, also die hilfsweise Navigation eines sich bewegenden Objektes während unvermeidlicher Satellitenabschattungen. Vor allem der Navigationsimplementierung in Handies und anderen mobilen Geräten dürfte dies entscheidend weiterhelfen, weil hier wesentlich häufiger mit Abschattungen des Satellitenempfanges zu rechnen ist.
Datenblatt des IDG-300
Datenblatt des IDG-1004
