Orientierung behalten

Durch die Miniaturisierung unhandlicher Sensoren wie Gyroskope und Accelerometer mit den Mitteln der Mikrosystemtechnik ist eine völlig neue Klasse von Anwendungen entstanden. Die Produktpalette reicht von der Koppelnavigation für Navis in GPS-freien Bereichen bis hin zur Elektronik gegen Verwacklungsunschärfe bei digitalen Fotoapparaten und Camcordern.
Ein Gyroskop oder Kreiselinstrument stellt einen kardanisch aufgehängten, rasch rotierenden, symmetrischen Kreisel dar. Aufgrund der Drehimpulserhaltung verharrt der drehende Kreisel in seiner Raumorientierung, auch wenn die Lage der äußeren Aufhängung verändert wird. Dieses Instrument kommt inzwischen auch in dem Bereich robuster Industrieanwendungen zum Einsatz und erlaubt die präzise Erfassung und Auswertung jeglicher Bewegung im Raum, beispielsweise zur Verbesserung der Zielgenauigkeit von Roboterarmen oder gar zur autonomen Stabilisierung unbemannter Flugobjekte. Gyroskope dienen dazu, 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 vom Einfluss der Schwerkraft freigerechnet werden müssen.

Integration in MEMS

Bei der Integration von Gyroskopen mit den Mitteln der Mikrosystemtechnik stößt man rasch auf die Problematik, dass sich vollständig frei drehende Objekte nur schwer herstellen lassen. Es existiert jedoch ein Ausweg, denn das physikalische Prinzip des Gyroskops – basierend auf der sog. Corioliskraft – lässt sich auch mit schwingenden mechanischen Elementen umsetzen. Diese Vibratory Rate Gyroscopes messen über kapazitive Wandler den Wechsel des Schwingungsmodus der vibrierenden Elemente und damit die verursachende Drehbewegung. Tatsächlich nutzen alle heute mit den Mitteln von Micro Electro Mechanical-Systemen (MEMS) hergestellte Gyroskope dieses Prinzip. Abbildung 2 zeigt das Implementierungsprinzip der Invensense-Gyroskope: Mehrere Lamellen werden über elektrostatische Anregung zu ihrer mechanischen Resonanz in Vibration versetzt. Bei einer Drehung um die Querachse wird dieses Konstrukt aufgrund der entstehenden Corioliskraft ein wenig ausgelenkt und verändert damit die Kapazität eines verbunden Plattenkondensators, die sich in der anschließenden Metrologie auswerten lässt. Zwei solche um 90° versetzte Konstrukte erfassen Drehungen in X- und Y-Richtung, für die Hochachse kommt eine geänderte MEMS-Struktur zum Einsatz, bei der die Lamellen auf einer anderen Raumrichtung schwingen. Ein MEMS-Sensor besteht daher aus der eigentlichen Mikrostruktur sowie der notwendigen Ansteuerung und Messwerterfassung, die mit einem klassischen CMOS-Prozess hergestellt wird. Darin sind Verstärker, Filter, Treiber, Temperaturkompensation sowie Flash-Speicher zur Ablage von Kalibrier- und Skalierungsparametern realisiert. Der CMOS-Die dient zudem als Grundplatte für den Sensor und verfügt daher über die notwendigen Pads zur elektrischen Verbindung des Sensors auf der Leiterplatte. Dabei zeichnen sich die Invensense-Sensoren durch eine fertigungstechnische Besonderheit aus, die nach Steven Nasiri, dem Gründer von Invensense, als sog. Nasiri-Herstellplattform benannt ist. Die MEMS-Struktur wird hierbei kopfüber mit einer eutektischen Metallsiegelmasse auf dem CMOS-Die befestigt, erhält darüber ihre elektrische Kontaktierung und gleichzeitig die hermetische Versiegelung des entstehenden Hohlraums.

MPU für rauhe Umgebungen

Der Invensense-Sensor MPU-3300 ist ein werksseitig kalibriertes, monolithisches 3-Achsengyroskop in einem 4x4x0,9mm kleinen Gehäuse. Dadurch lässt es sich einfach platzieren, ausrichten und kalibrieren sowie in Geräte mit geringem Platzangebot integrieren. Mit zwei programmierbaren Messbereichen von 225 und 450 Degrees Per Second (dps), sehr geringer Drift, einem Temperaturbereich von -40 bis +105°C und einer Schockfestigkeit von 10.000g eignet es sich für raue Industrieumgebungen. Die Genauigkeit der MPU-Empfindlichkeit über den gesamten Temperaturbereich beträgt ±2% und die Genauigkeit des Zero-Rate-Outputs über die Temperatur beträgt ±0,14dps/°C. Mit lediglich 0,005dps/vHz bietet der MPU-3300 ein gutes Rauschverhalten. Darüber hinaus integriert der MPU hoch auflösende 16-Bit Analog-Digital-Converter, programmierbare digitale Filter, SPI- und I2C-Schnittstellen und weist einen Stromverbrauch von 3,6mA auf. SPI- und I2C-Schnittstellen teilen sich die gleichen Pins, sodass Anwendern wahlweise die eine oder andere I/O-Technologie zur Verfügung steht, bei I2C mit einer Geschwindigkeit von 400kHz, bei SPI bis zu 20MHz für das Auslesen der Sensorwerte. Das integrierte 1.024Byte-FiFo erlaubt diesen schnellen Datentransfer mit Burst-Zyklen und unterstützt Anwender so auch bei der Reduzierung der Stromaufnahme.

Einsatz beim präzisen Tracking

Mit einer Bias-Stabilität von 15 Winkelgrad/Stunde auf jeder der drei Achsen eignet sich der MPU für verschiedene industrielle Anwendungen wie Attitude Heading Reference Systems (AHRS) oder Lage- und Richtungserfassung, für die eine extrem stabile Performance der Sensoren zum präzisen Tracking der Bewegungen notwendig ist. AHRS-Geräte kommen in Flugzeugen, Robotern und anderen Systemen zum Eisatz, bei denen die räumliche Orientierung gemessen werden muss. Die hohe Stabilität vereinfacht dabei die Nullpunktkalibrierung erheblich. Navigationssysteme können ebenfalls von der genauen Gyroskoptechnologie profitieren.