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Neue Generation von 2-Achsen MEMS-Gyroskopen im 4 x 5mm Gehäuse von Invensense
Dass Gyroskope hoch interessante Sensoren für ganz ungewöhnliche Anwendungen darstellen ist schon seit ihrem Einsatz als „künstlicher Horizont“ in der Luftfahrt bekannt. Erst mit der Implementierung als monolithische Halbleiterbausteine aber eröffnet sich ein Massenmarkt. Innovative Hersteller wie Invensense haben dies erkannt und die Integration in MEMS-Technologie konsequent betrieben. Lohn dafür ist der millionenfache Einsatz zur Bewegungserkennung in Spielkonsolen oder zur Bildstabilisierung in Digital-Kameras. Nun hat Invesense die Miniaturisierung ein Stück weiter getrieben und bietet eine neue Generation zweiachsiger Gyroskope mit erweiterten Features im 4 x 5 x 1.2 mm großen SMD-Gehäuse.
- Abbildung 1: MEMS-Struktur und Elektronik werden zu einem Stapel verbunden
Vibrierende Masse
Gyroskope als Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) nutzen an ihrem Resonanzpunkt vibrierende Strukturen, um die Drehgeschwindigkeit aufgrund der dabei auftretenden Corioliskräfte zu messen. Auch die Invensense Gyroskope wie IDG-300 oder IDG-500 arbeiten so – sie nutzen zwei miteinander verbundene Prüfmassen und messen kapazitiv die minimalen Auslenkungen der gesamten Ringstruktur. Die Prüfmassen werden dabei durch elektrostatische Aktoren unterhalb der Strukturen gegenphasig zum Schwingen angeregt. Zwei dieser Strukturen sind, um 90 Grad gegeneinander verdreht, in jedem Chip integriert, so dass zwei Raumachsen damit gemessen werden können. Die Amplitude der mechanischen Schwingung wird dabei stets konstant gehalten, um die Empfindlichkeit über den gesamten Temperaturbereich zu erzielen. Ein integrierter Temperatursensor und Kalibrierdaten im eingebetteten EEPROM sorgen für die Kompensation und Einhaltung der spezifizierten Werte. Damit erübrigen sich externe Maßnahmen zur Kompensation und vor allem ist keine anwenderseitige Kalibrierung der Gyroskope notwendig.
Das „Spezielle“ am Invensense-Gyroskop ist das hohe Maß an Integration durch den sog. Nasiri-Prozess. Dabei wird die MEMS-Gebilde auf dem Halbleiter-Plättchen mit der Ansteuer- und Auswerteelektronik aufgesetzt und damit ein Stapel gebildet. Verpackt in einem Wafer-Scale-Gehäuse entstehen so Zwei-Achsen-Gyroskope mit den Abmessungen 4 x 5 x 1.2 mm. Erstaunlicher noch als die geringe Größe ist die Schockfestigkeit dieser Bauelemente – Invensense gibt eine Belastungsgrenze von 10.000 g an, die die ICs schadlos überstehen.
Die Messgröße von Gyroskopen ist die Drehrate oder Winkelgeschwindigkeit, ausgedrückt in [°/sec] – die IDG-Familie von Invensense deckt dabei maximale Drehraten von etwa 40 … 2000 °/sec ab, je nach ausgewählter Type. Die 2000 °/sec entsprechen etwa 5.5 Umdrehungen pro Sekunde oder 330 Umdrehungen je Minute.
- Abbildung 2: Blick auf die Prüfmassen des Gyroskopes,
Neue IDG-Familie in kleinstem Formfaktor
Invensense hat vor kurzem seine neue Generation an Zwei-Achsen-Gyroskopen vorgestellt, alle sind nun im kleineren 4 x 5 x 1.2mm Gehäuse verpackt und weisen einen höheren Integrationsgrad der peripheren Elektronik auf. Die älteren Typen IDG-300 und IDG-1004 wurden auf EOL gesetzt und sollten nicht mehr in neue Designs eingeplant werden.
Zusätzliche Ausgangsstufe
Die neuen Typen IDG-650 und IDG-500 verfügen nun über eine zusätzliche Ausgangsstufe für jede Achse und bieten damit unterschiedliche Empfindlichkeiten (bei entsprechend eingeschränktem Messbereich) je Achse. Für den IDG-500 bedeutet das z.B. eine Empfindlichkeit von 2 mV/°s und ein Messbereich von 500°/s für den normalen Ausgang und 9.1mV/°s bei einem Messbereich von 110 °/s am x4.5-Ausgang. Damit kann der Anwender eine Mimik schaffen, die sich für langsamere und schnellere Bewegungen einstellen lässt, ohne dabei in der anschließenden Digitalisierung Auflösungsverluste hinnehmen zu müssen. Die Ausgänge der „Gyros“ übrigens sind unabhängig von der Versorgungsspannung (nicht ratiometrisch) und die Drehrate errechnet sich recht einfach zu: (Gyro Ausgangsspannung – Gyro ZRO) / Empfindlichkeit, wobei die Zero-Rate-Out-Spannung ZRO nominell mit der Referenzspannung VRef gleichzusetzen ist.
- Abbildung 3: Blockdiagramm des IDG-500 - eine zusätzliche Verstärkerstufe je Ausgang und eine Auto-Zero Funktion wurden implementiert.
Auto-Zero Funktion
Die Auto-Zero-Funktion (AZ) wird verwendet, um den Dynamikbereich des Gyros an den x4.5-Ausgängen zu erhöhen. AZ hält den Zero-Rate-Ausgang des Gyroskopes nahe bei Vref und ermöglicht damit einen größeren Dynamikbereich des Nutzsignals. Typischerweise kann AZ unter der Bedingung initiiert werden, dass entweder das Gyroskop nicht in Bewegung ist oder sich mit bekannten Drehrate bewegt. Das Auto-Zeroing wird mit einer steigenden Signal-Flanke am AZ-Pin initiiert. Maximal dauert es dann 7 ms, bis der Vorgang beendet ist, das beinhaltet das eigentliche Nullen der ZRO-Spannung sowie das Einschwingen des Low-Pass-Filters. Sollten externe LP-Filter mit Eckfrequenzen unter 200 Hz zum Einsatz kommen, dauert der Auto-Zero-Vorgang entsprechend länger.
Temperatur-Sensor
Die neuen Gyroskope verfügen nun auch über einen eingebauten Proportional- To-Absolute-Temperatur-Sensor (PTAT), dessen analoge Ausgangsspannung am Pin 23 herausgeführt ist. Bei Raumtemperatur liegt die Spannung bei etwa 1.25 Volt und steigt mit 4 mV/°C. Das Signal kann zur Kompensation des Temperaturgangs externer Schaltungen verwendet werden, für das Gyroskop selbst ist sie nicht notwendig.
