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Kapazitive Silizium-Inertialsensoren für die vorausschauende Wartung

| Autor / Redakteur: Dr. Thomas Frasch * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Sensoren sind Augen, Ohren und Fühler, die kleinste Bewegungen, Beschleunigungen oder Vibrationen registrieren. MEMS-Inertialsensoren auf einkristallinen Silizium-Sensorelementen werden nach aktuellen mikromechanischen Verfahren hergestellt. Doch es gibt Unterschiede.

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MEMS-Inertialsensoren messen zuverlässig selbst die geringste Neigung, Beschleunigung oder Vibration – absolut nichts entgeht ihnen.
MEMS-Inertialsensoren messen zuverlässig selbst die geringste Neigung, Beschleunigung oder Vibration – absolut nichts entgeht ihnen.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Eine Brücke, die nur innerhalb eines bestimmten Spektrums im Wind schwanken darf, ein Gebäude, das keine Erschütterung verträgt, ein Bauteil, das kontinuierlich auf Verschleiß überprüft werden muss: Die Einsatzbereiche für hochsensible Sensoren sind vielfältig. Eines jedoch haben sie gemeinsam – schon kleinste Abweichungen oder Ungenauigkeiten können zu großen Schäden führen. Beim Geo-Engineering kommen solche Sensoren ebenso zum Einsatz wie in der Navigation und der Robotik.

Sensoren und die vorausschauende Wartung

Nicht zuletzt sind sie ein zentrales Element bei der vorausschauenden Wartung, Stichwort Predictive Maintenance. Lässt ein Bauteil durch geringste Anzeichen erkennen, dass es den Dienst in absehbarer Zeit quittieren könnte, zeigt der Sensor das an – und das Teil kann ausgetauscht werden, bevor es den gesamten Ablauf stoppt. Je nach Branche lassen sich sogar potenzielle Reputationsschäden vor, die im Falle einer stillgelegten Fertigung (Down Time) drohen könnten.

Doch auch hier gilt: Sensor ist nicht gleich Sensor. Je anspruchsvoller die Aufgaben, desto höher die Ansprüche an das jeweilige Bauteil. Heute bilden MEMS-Inertialsensoren den gängigen Standard. Die Systeme auf Basis einkristalliner Silizium-Sensorelemente verleihen den entsprechenden Komponenten vielfältige Fähigkeiten.

Doch selbst hier gibt es noch einige Unterschiede. So bieten etwa die hochgenauen kapazitiven Silizium-Inertialsensoren des Herstellers First Sensor besondere Leistungswerte. Hierzu gehören Auflösungen von 10 µg bzw. 0,0005° (zwei Bogensekunden). Werden sie als Neigungssensoren mit Messbereichen von ±30° verwendet, bieten sie eine Rauschdichte kleiner 0,0004°/√Hz und Auflösungen kleiner 0,0015° bei einer Messfrequenz von 10 Hz. Geht es um Beschleunigung, sind Messbereiche von ±3 g, ±8 g sowie ±15 g kein Problem. Dabei ist die Rauschdichte kleiner 30 µg/√Hz, Auflösungen sind kleiner 40 bis 95 µg bei einer Messfrequenz von 10 Hz.

Einkristalline Silizium-Mikrostrukturen

Es ist die Grundkonzeption, die entscheidet, welche Potenziale ein MEMS-Inertialsensor bieten kann. First Sensor hat einkristalline Silizium-Mikrostrukturen mit besonders großem Aspektverhältnis entwickelt. Diese Sensoren können Beschleunigungen in zwei räumlichen Dimensionen registrieren. Das bedeutet: Bei einer Vielzahl kritischer Anwendungen können sie geringe Lage- und Beschleunigungsveränderungen registrieren und damit die jeweils entsprechenden Maßnahmen initiieren.

MEMS-Inertialsensoren basieren auf einem Feder-Massesystem, dessen Strukturen durch wenige, mikrometerbreite Silizium-Stege gebildet werden. Bei der Sensorproduktion werden die Federn – genauso wie die Masse, die bei der Messung ausgelenkt wird – aus einem einkristallinen Siliziumgrundkörper herausgeätzt.

MEMS-Inertialsensoren mit Hochleistungs-ASIC

Grundsätzlich lässt sich ein Silizium-Sensor im Bulk- oder im Surface-Micro-Verfahren herstellen. Oder – wie bei First Sensor – in den anspruchsvollen sogenannten HARMS- und AIM-Verfahren. HARMS steht für High Aspect Ratio Microstructures, AIM für Air Gap Insulated Microstructures. HARMS erlaubt es, Mikrostrukturen mit besonders hohem Aspektverhältnis zu realisieren, was die Querempfindlichkeiten entscheidend minimiert. Bei AIM hingegen werden die parasitären Kapazitäten reduziert, indem die einzelnen Komponenten jeweils durch einen Luftspalt isoliert werden.

Blick in das Innere eine MEMS-Inertialsensors: Die Systeme basieren auf einkristalline Silizium-Sensorelemente.
Blick in das Innere eine MEMS-Inertialsensors: Die Systeme basieren auf einkristalline Silizium-Sensorelemente.
(Bild: First Sensor)

Insgesamt ist es die Kombination der genannten Eigenschaften mit echten Hochleistungs-ASICs – dem Gehirn der Sensoren – damit sie die physikalischen Parameter sehr rauscharm kapazitiv erkenne sowie einem optimal unterstützten Nenn- und Differenzkapazitätsbereich bieten.

Hinzu kommen ein hochauflösender Dynamikbereich, eine digitale SPI-Schnittstelle sowie flexible Signalfilter. Eingehüllt sind die Sensoren in ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse, das nicht nur schützt, sondern auch wirtschaftlich herzustellen ist und leicht implementiert werden kann.

Kapazitive Silizium-Inertialsensoren als Neigungssensor mit Messbereichen von ±30°.
Kapazitive Silizium-Inertialsensoren als Neigungssensor mit Messbereichen von ±30°.
(Bild: First Sensor)

Egal ob Gebäude, Dämme und Brücken, Windkraftanlagen, Raffinerien oder seismische Überwachungssysteme: An vielen Stellen sorgen Sensoren der aktuellen Generation für Sicherheit und Effizienz. Interessant sind sie in der vernetzten Industrie (IoT), also eine automatisierte, auf künstlicher Intelligenz und Machine Learning gründende Produktionslandschaft. Gerade hier kommt es sowohl auf maximale Leistungsfähigkeit und Präzision an als auch auf Flexibilität und Kosteneffizienz.

Lesetipp

* Dr. Thomas Frasch ist Product Manager bei First Sensor.

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