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Neigungssensor Robuste MEMS-Technik misst Neigungswinkel

| Autor / Redakteur: Bernd Jödden* / Gerd Kucera

Eine typische Industrieanwendung von Neigungssensoren ist etwa das Nivellieren von Plattformen an Kränen oder in Aufzügen. Kommt dazu traditionelle Sensorik zum Einsatz, dann können Stoß, Vibration oder hohe Temperaturdifferenz den Messwert stark verfälschen oder gar das Messsystem zerstören. Die 3D-MEMS-Technik jedoch ist robust und verträgt Stöße von über 20.000 g im Betrieb.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Zur Neigungsüberwachung von beispielsweise Plattformen kamen nicht selten Quecksilber-Schalter zum Einsatz. Diese ließen sich zwar relativ einfach in eine Steuerungslösung integrieren, doch übernahmen sie in der Regel eine Not-Aus-Funktion. Ein automatisches Nivellieren war stets schwierig. Quecksilberschalter sind heute aus ökologischen Gründen teilweise gar nicht mehr erlaubt. Verfügbare Neigungssensoren wurden aber bisher nicht gerne eingesetzt, denn sie sind entweder zu ungenau, zu unsicher oder einfach zu teuer. Doch die hier beschriebene Sensorlösung auf MEMS-Basis ermöglicht Industrie-Applikationen, die entweder aufgrund ihrer Technik oder des Preises zuvor nicht realisierbar waren.

Eine bewährte Methode für den Bagger

Eine gefragte und keineswegs triviale Anwendung ist die Neigungswinkelmessung an einem Bagger, mit dem stets das gleiche Profil ausgehoben werden soll - unabhängig von der Neigung der Maschine.

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Hier kommt grundsätzlich kommt die Methode des Pendels zur Anwendung. Das heißt eine Prüfmasse wird durch die Neigung bewegt bzw. durch die Erdbeschleunigung in ihrer Position verändert. Diese Prümasse ist zwischen zwei Kondensatorplatten angeordnet und wird kapazitiv erfasst. Das ist eine bewährte Methode und kommt besonders dann zum Einsatz, wenn hohe Anforderungen an die Genauigkeit gestellt sind und die Sensoren externen Störeinflüssen wie Temperatur, Vibration und Stoß unterliegen.

Das Ausgangssignal gegenüber dem Winkel ist sinusförmig

Grundsätzlich lässt sich mit den gleichen Sensoren sowohl eine Neigung als auch eine Beschleunigung und eine Vibration messen. Bei der Neigungsmessung ist die Prüfmasse senkrecht (zum Erdmittelpunkt) gerichtet. Neigt sich der Sensor, verändert die Prüfmasse ihre Position aufgrund der Erdgravitation die Lage gegen den Erdmittelpunkt. Das Verhalten des Ausgangssignals gegenüber dem Winkel ist sinusförmig, damit hat die Auflösung bei 0° (Winkel) ihr Maximum.

Bei Vibration und Beschleunigung erfolgt die Montage generell vertikal bzw. im 90°-Winkel zur Prüfmasse. Wirken Neigung und Beschleunigung gleichzeitig und auch aus der gleichen Messrichtung, kann man die Physik allenfalls mit einem zweiten Sensor, der in einer anderen Position angeordnet ist, überlisten.

Auf dem Markt kommen zwei MEMS-Technologien (Micro-ElektroMechanisches System) zum Einsatz: Die Surface-Technologie (Oberflächen-) und die 3D-MEMS-MEMS-Technologie. Bei der „Surface“-Technologie werden in einem monolitischen Verfahren einzelne Schichten nacheinander auf einem Grundsubstrat abgetragen. Die Bewegung der Prüfmasse in Dünnschichtstechnologie wird durch eine Vielzahl von „Fingern“ kapazitiv abgetastet. Durch die Länge und Anzahl der Finger kann der Messbereich und die Auflösung bestimmt werden. Der Vorteil dieser Technologie liegt in der Möglichkeit monolitischer Integration, der Nachteil jedoch ist das kleine Nutzsignal (hohes Rauschen) und die Störanfälligkeit bei Schocks und Vibrationen („Kleben“ bei Stoß und Übersteuerung durch Vibration).

Die 3D-MEMS-Lösung ist die bessere Alternative

Bei 3D-MEMS wird die Prüfmasse aus einem Stück hochreinem Silizium herausgeätzt. Dieses Teil wird hermetisch dicht und isoliert zwischen zwei ebenfalls hochreinen Siliziumplatten eingeschlossen, die gleichzeitig die Kondensatorplatten bilden. Dieser hermetische Einschluss verleiht einen hohen Schutz gegenüber Feuchtigkeit. Durch das Auffüllen mit Gas und aufgrund dessen Drucks wird das Dämpfungsverhalten der Prüfmasse bestimmt und störende Vibrationen vermindert. Das einkristalline Material verleiht dem Messbalken eine enorme Stoßfestigkeit von über 70.000 g und gleichzeitig eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Bisher ist keine Langzeitdrift, verursacht durch das Messelement, festgestellt worden. Fehler wie Temperaturhysteresen bilden sich wieder zurück (etwa nach Temperaturschocks). Weitere Vorteile der dreidimensionalen MEMS-Technik sind die Unanfälligkeit gegenüber dem Kleben, das wesentlich größere Nutzsignal und dadurch bedingt größere Auflösungen bzw. Genauigkeiten. Die symmetrische Bauform vermindert den Temperaturkoeffizient beträchtlich.

Um störende Einflüsse von Vibration bei der Neigungswinkelmessung zu verhindern sind gasgedämpfte (bis 6 Hz) und elektronisch gedämpfte Sensoren erhältlich. Die 3D-MEMS-Sensoren erreichen bei einer Auflösung von max. 0,0004° oder 7 µg (1 Hz Bandbreite) eine Reproduzierbarkeit von besser als 0,01° und eine Langzeitstabilität von 0,014° über 500 Stunden.

Der Temperaturkoeffizient ist dank der kleinen Hysterese reproduzierbar. Interessant ist, dass die Hysterese, die sich in der Regel bei schnellen Temperaturänderungen im Hundertstel-Grad-Bereich befindet, nach einer gewissen Zeit sich wieder zurückbildet. Lässt man dem System eine gewisse Regenerationszeit, dann ist keine Hysterese mehr messbar. Nebst der symmetrischen Bauform, die den Temperatureinfluss bereits stark reduziert, sind bei Neigungssensoren auch aktive Temperaturkompensationen sehr effizient.

Die elektronische Signalauswertung und das Sensorgehäuse

Die Sensoren gibt es mit ASIC und einem Ausgangssignal von 0,5 bis 4,5 V über den Messbereich in SMD-Gehäusen von 5 mm × 10,5 mm × 11,3 mm. Diese neuen zweiachsigen Sensoren sind mit 5 mm × 15,6 mm × 11,3 mm nur unwesentlich größer als bekannte Lösungen. Bei den genauesten Neigesensoren sind zusätzlich noch eine aktive Temperaturkompensation und eine digitale SPI-Schnittstelle integriert. Diese Sensoren sind ratiometrisch und bedürfen einer gut stabilisierten und rauscharmen 5-V- oder 3-V-Spannungsquelle.

Können die Sensoren nicht auf einer (bestehenden) Printplatine integriert werden, fehlen geeignete Spannungsquellen oder müssen große Distanzen zur Auswertungen überwunden werden, sind die Sensoren in folgenden Ausführungen erhältlich:

– einfaches Kunststoffgehäuse mit Kabel und Befestigungsbohrungen als platzsparende Variante in einer Größe von 14 mm × 34 mm × 12 mm (es lassen sich alle einachsigen 3D-MENS-Sensoren im SMD-Gehäuse einsetzen).

– Druckgussgehäuse mit Kabel, 2 Befestigungsbohrungen mit integrierter stabilisierter Spannungsquelle (ein- und zweiachsig),

– Druckgussgehäuse mit Kabel, zwei Befestigungsbohrungen und RS485-Ausgang (ein- und zweiachsig),

– robustes Industriegehäuse mit M12-Sensorstecker, drei Befestigungsbohrungen, Ausgang 4 bis 20 mA (respektive 1 bis 5 oder 2 bis 10 V-Ausgang), ein- und zweiachsig (auch hier lassen sich alle einachsigen SMD-Sensoren einsetzen).

– OEM-Printplatine mit 4/20-mA-Ausgang (respektive 1 oder 2 bis 10-V-Ausgang (ein- und zweiachsig mit allen SMD-Sensoren).

*Bernd Jödden ist geschäftsführender Gesellschafter der a.b.jödden GmbH, Krefeld.

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