Invensense Gyroskope
Gyroskope von Invensense erobern die Consumerindustrie
Während die Halbleiterindustrie beim Vorstoß in immer 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. Wenn auch die Realisierung echter Mikromaschinen im industriellen Umfang noch in weiter Ferne ist, gibt es eindrucksvolle Fortschritte vor allem bei der Miniaturisierung von Sensoren für physikalische Größen, so beispielsweise solche zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten. Die Anwendungsfelder für derartige Sensoren sind schier unerschöpflich, wenn sie denn nur günstig genug hergestellt werden können. Ob zur Fußgängernavigation mit dem Handy in GPS-freien Bereichen oder zur Kompensation störender Wackler bei Videoaufnahmen, stets sind Systeme zur feinfühligen Bewegungsmessung notwendig. Und für PC-Spiele der nächsten Generation werden sie – integriert in Konsolen oder in spezieller Kleidung – das Eintauchen in virtuelle Realitäten auf eine nie gekannte Art ermöglichen.
- Abbildung 1: Auf Grund der Corioliskraft lässt sich ein drehender Kreisel auf einer Nagelspitze balancieren
Accelerometer und Gyroskope
Nach Einschätzung von Branchenbeobachtern mausern sich Gyroskope in den nächsten Jahren zur „Killeranwendung“ der MEMS-Industrie und eine ganze Reihe von Implementierungen wurde bereits für den Consumer- und Automobilmarkt entwickelt. Einige der bekannten Anwendungen wie Stabilitätskontrolle, Navigationsunterstützung oder Überrollerkennung zielen auf das Auto-Premiumsegment, wo Kosten nicht die zentrale Rolle spielen. Der Einsatz im Bereich der Consumerelektronik wie 3D-Eingabesysteme, Bild-Stabilisierung oder Spielkonsolen konnte bislang aber aufgrund der Kosten und Baugröße noch keine signifikanten Stückzahlen erzielen. Mit den Fortschritten der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) jedoch wird eine neue Stufe der Miniaturisierung und der Kostensenkung erreicht, was den Breiteneinsatz dieser Sensoren erstmals ermöglicht.
Miniaturisierte Trägheitssensoren, also Accelerometer und Gyroskope, zählen zu den bedeutendsten Siliziumsensoren überhaupt, allein die Mikrobeschleunigungsmesser haben nach den Drucksensoren den 2. Rang, was die Verkaufszahlen betrifft. Branchenkenner gehen davon aus, dass Gyroskope in ähnliche Stückzahlregionen vordringen, sobald die Massenproduktion Preise von 10US$ und weniger ermöglicht. Anwendungsfelder sind für Gyroskope auf jeden Fall nahezu unerschöpflich, neben den genannten Einsatzgebieten wird auch die Robotik mit zunehmender Mobilität ihrer Geschöpfe Gyroskope nachfragen und die immer beliebter werdenden Elektrostehroller wären ohne entsprechende Sensorik kaum zu beherrschen.
- Abbildung 2: Der künstliche Horizont in einem Flugzeugcockpit funktioniert mit Hilfe eines eingebauten Gyroskopes.
Der Kreisel im Käfig
Ein Gyroskop oder Kreiselinstrument ist ein kardanisch aufgehängter, rasch rotierender, symmetrischer Kreisel. Aufgrund der Drehimpulserhaltung verharrt der drehende Kreisel in seiner Raumorientierung, auch wenn die Lage der äußeren Aufhängung verändert wird. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Gyroskope zur aktiven Lageregelung eingesetzt, insbesondere für Flugkörper und in der Raumfahrt.
In jedem Flugzeug-Cockpit befinden sich mehrere Kreiselinstrumente. Das wichtigste ist der künstliche Horizont, er zeigt dem Piloten eine Linie, die vor dem Start horizontal ausgerichtet wird. Während des Fluges hält der Horizontkreisel infolge seiner Achsenstabilität diese Linie in der Horizontalen, auch wenn sich das Flugzeug nach vorn, nach hinten oder zur Seite neigt (pitch und roll). Damit kann man im Cockpit die räumliche Lage des Flugzeugs bestimmen, auch wenn Dunkelheit, Wolken oder flugbahnbedingte Fliehkräfte eine unmittelbare visuelle Orientierung erschweren.
- Abbildung 3: 3 DOF Accelerometer (oben) misst Beschleunigungen in richtung der 3 Raumachsen. Ein 3 DOF Gyroskop misst Drehungen um die 3 Hauptachsen.
Beschleunigung und Drehrate
Anders betrachtet können also Gyroskope dazu dienen, eine Drehbewegung bzw. –beschleunigung des äußeren Bezugssystems in Relation zur rotierenden Masse zu erkennen und zu messen und zwar weitestgehend unabhängig von der Schwerkraft. Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber linearen Beschleunigungssensoren dar, deren Ergebnisse – je nach Lage und Bewegung – vom Einfluß der Schwerkraft freigerechnet werden müssen. Auf der anderen Seite lassen sich mit Gyroskopen nur über aufwändige Umrechnungen lineare Beschleunigungen ermitteln, so dass Accelerometer und Gyroskope sich ideal ergänzende Technologien darstellen. Tatsächlich ist die Kombination eines 3-Achsen-Accelerometers (3 linear degrees of freedom) mit einem 3-Achsen Gyroskop (3 rotational degrees of freedom) als 6 DOF Motional Sensor die ultimative Lösung zur präzisen Aufzeichnung aller möglichen Bewegungen eines Systems.
- Abbildung 4: Federnd aufgehängter Ring als Refenzmasse eines Mikro-Gyroskopes
Der Trick mit dem vibrierenden Ring
Die Abbildung 4 zeigt einen freigeäzten Ring, der über 8 gewinkelte Federn an der zentralen Nabe aufgehängt ist. Dieser Ring kann nicht frei drehen, allerdings kann er über Elektroden mittels elektrischer Felder in Vibration versetzt werden, und zwar an seinem Resonanzpunkt, der i.d.R. im Bereich von 10 .. 20 kHz liegt.
Abbildung 5 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/Corioliskraft).
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.
- Abbildung 5: Ein schwingendes System verändert seine Schwingungsachse unter dem Einfluss äußerer Drehbeschleunigungen
- Abbildung 6: 2-Achsen Gyroskop IDG-1000 in Baugröße 6 x 6 mm
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 werden können.
Unser Hersteller InvenSense (www. invensense.com) 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 Siliziumgrösse von 3.5 x 3.5 x 1.0 mm.
Anders als die sonst verwendeten resonating rate sensors brauchen die Gyroskope von InvenSense keine aufwändigen hermetischen Gehäuse, 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.
- Abbildung 7: Peripherieelektronik und MEMSGyroskop werden als Stack gefertigt
Sensoren von InvenSense
Die erste Produktfamilie unseres Herstellers InvenSense besteht aus zweiachsigen MEMS-Gyroskopen, die aufgrund der unterschiedlichen Spezifikationen in vielen Geräten der Consumer- und Industrieelektronik eingesetzt werden können. Der IDG-300 mit einem Messbereich von +/- 500 °/s, 5000 g Schockfestigkeit, niedriger Cross- Axis-Empfindlichkeit, niedriger Offset-Spannung und integrierten Tiefpassfiltern kann beispielsweise in handgeführten Navigationsgeräten eingesetzt werden, in ferngesteuerten Hubschraubern, Spielkonsolen, Industrierobotern, Antennenpositioniersystemen u.v.m. Der IDG-1000 wurde für anspruchsvolle Consumergeräte entwickelt wie beispielsweise Bildstabilisierungseinrichtungen für Camcorder, Kameras, Foto-Handies und hat einen Messbereich von 30 °/s, 3V Spannungsversorgung, 33mV je °/s Empfindlichkeit, eine Nichtlinearität von +/- 1% und wiegt etwa 0.14g. Die Tabelle auf der nächsten Seite listet die Produktfamilie mit ihren wichtigsten Parametern auf.
Im Zuge weiterer Entwicklungen plant InvenSense den Ausbau seiner Gyroskope zu dreiachsigen Systemen und durch Ergänzung um Beschleunigungsmesser zu echten 6 DOF-Bewegungssensoren unter dem Namen Six-Axis Motion Processing Unit™ (MPU™).
- Abbildung 8: InvenSense IDG-Familie zweiachsiger MEMS-Gyroskope
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 einschließlich der omnipräsenten fotografierenden Mobiltelefone – Gyroskope können die unvermeidbaren Zitterbewegung handgeführter Kameras erkennen und damit für die Bildverarbeitungs- DSPs jene Daten liefern, die zur Kompensation der „Wackler“ notwendig sind. BlurFree™ nennt das InvenSense und ermöglicht damit ruhige und gestochen scharfe Bilder. Neben dem Sensor liefert InvenSense auch die Software zur Bildbearbeitung und erzielt in Summe eine Bildberuhigung, wie sie ansonsten nur von wesentlich teureren optischen Stabilisierungsverfahren erreicht werden kann.
Eine weitere wichtige Anwendung für micromachined Gyros ist die Ergänzung GPS-basierender Navigationssysteme um die sog. Koppelnavigation oder dead reckoning. Dort, wo ein ausreichender Satellitenempfang nicht möglich ist, zeichnen die Sensoren die Bewegungen des Objektes minutiös auf und errechnen daraus die zurückgelegte Route. Das funktioniert präzise genug, um über mittlere Strecken verlässliche Navigationsdaten zu gewinnen. Vor allem für die pedestrian navigation, also für die Fußgängernavigation ist das eine entscheidende Technologie, denn Satellitenempfang ist in Häuserschluchten, Einkaufspassagen oder Flughäfen kaum möglich. Premium Mobiltelefone werden aber in Zukunft dieses Feature aufweisen, lassen sich damit doch perfekte ortsgebundene Dienste von der Restaurantsuche bis zum Notruf an den Mann bringen.
- Abbildung 9: Gemessene Zitterbewegungen zur Kompensation von Bildwacklern
| Parameter/Typ | IDG-300 | IDG-1000 | IDG-1004 | Einheit |
|---|---|---|---|---|
| Meßbereich | 500 | 20 | 50 | °/sec |
| Empfindlichkeit | 2 | 50 | 4 | mV°/sec |
| Schwingungsfrequenz | 10-17 | 20-31 | 20-31 | kHz |
| Externe Filter | Tiefpassfilter optional | Benötigt externen Hochpassfilter | Tiefpassfilter optional | N/A |
| Anwendungen | General Motion Sensing | Bildstabilisierung | GPS/General Motion Sensing | N/A |
Body Tracking und Cybermaus
Ein weitere Anwendung besteht in der Bewegungssensorik von Gamekonsolen und Handheld-Geräten, was die Erkennung von Gesten und Handbewegungen ermöglicht und eine neue Qualität des human interfacing darstellt. Dies dient nicht nur einer neuen Generation realitätsnäherer Videospiele, sondern lässt sich auch gewinnbringend als 3D pointing device in allen Arten dreidimensionaler virtual reality im Bereich der Architektur oder Konstruktion einsetzen. Auch body tracking oder body motion capture Systeme, die heute über komplizierte optische Verfahren die Bewegungsabläufe z.B. von Sportlern oder Schauspielern aufzeichnen und analysieren, können ganz erheblich vom Einsatz der Gyroskope profitieren, denn die Erfassung dreidimensionaler Bewegungen und Beschleunigungen über mehrachsige Sensoren ist allemal präziser und einfacher als über die Analyse von Videosequenzen.
Industriepreis
Für die Entwicklung seiner IDG-Produktserie wurde die Firma InvenSense 2007 mit dem „Frost & Sullivan 2007 North American Product Innovation of the Year Award“ ausgezeichnet. In der Laudatio heißt es u.a.: „In Anerkennung der Entwicklung eines integrierten, zweiachsigen MEMS Drehratensensors, der innovative elektrostatische Antriebstechniken einsetzt, erhebliche Miniaturisierung leistet und durch Methoden des Chip- Scale-Gehäusetechniken und des Mixed-Signal ASIC-Designs kostengünstige Gyroskope für Massenanwendungen ermöglicht.“
