MEMS-Sensoren: Anhaltende Nachfrage für Innovationsanwendungen

Von Carolyn Mathas

Zur Verfügung gestellt von Electronic Products


Mikrosysteme (MEMS) zeigen führenden Marktforschungsunternehmen zufolge weiterhin ein stetiges Wachstum. IHS sieht für das Jahr 2013 ein Wachstum von 6,3 Prozent vor, wobei sich der Umsatz in dieser Branche auf 1,6 Milliarden USD belaufen soll. IHS führt das starke Wachstum auf Industriebranchen wie Öl, Gas sowie Luft- und Raumfahrt zurück, in denen Trägheits- und Drucksensoren eingesetzt werden.

Ein weiteres Marktforschungsunternehmen, das sich mit der MEMS-Branche befasst, das französische Unternehmen Yole Développement (Abbildung 1), stellte fest, dass die durch Mobiltelefone ausgelöste Nachfrage weiterhin das starke Wachstum von MEMS-Geräten antreibt. Das starke Wachstum im Segment Trägheitssensoren ist darauf zurückzuführen, dass InvenSense vor kurzem den Geschäftsbereich MEMS-Mikrofone von Analog Devices erworben hat und somit Yole zufolge eine Absatzsteigerung von ca. 30 Prozent verbuchen konnte.

Die positiven Aussichten sind, dass die Nachfrage mindestens bis zum Jahr 2018 weiter anziehen wird und in der heutigen Wirtschaftslage ist das wirklich eine Leistung.

Yole Développement, Markt für MEMS-Chips

Abbildung 1: Der Markt für MEMS-Chips wird bis zum Jahr 2018 auf 22 Milliarden USD steigen und die Anwendungsbereiche wachsen und erweitern sich stetig (so Yole Développement).

Die MEMS-Nachfrage zog infolge des Verständnisses an, dass Entwickler dank MEMS die Miniaturisierung zahlreicher elektronischer Systeme vorantreiben können, was zu einem geringeren Gewicht und Stromverbrauch führt. Selbstverständlich half die Tatsache, dass MEMS leichter und kosteneffzienter hergestelllt werden können und praktisch keine beweglichen Teile enthalten und dass deren Einsatz die Zuverlässigkeit und Leistung der Geräte erhöhen kann, dabei, sicherzustellen, dass die Aufmerksamkeit der Entwickler angezogen wurde. Deswegen enthalten Automobilsysteme, mobile Handgeräte, medizinische Elektronik, weiße Ware und Hardware für militärische und Luft- und Raumfahrtanwendungen nun zahlreiche MEMS-Elemente. Die hohe Integration der MEMS-Sensoren, die mit zahlreichen Funktionen ausgestattet sind und mühsame Schritte bei der Entwicklung kostengünstig eliminieren, ist ein Schlüsselfaktor für deren aktuellen und zukünftigen Einsatz geworden.

Ein Beispiel für eine solche Systemintegration ist der kompakte, präzise Trägheitssensor ADIS16445 mit sechs Freiheitsgraden von Analog Devices. Das vollständige Trägheitssystem umfasst ein dreiachsiges Gyroskop und einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser. Bei jedem der Sensoren im ADIS16445 kommt die iMEMS-Technologie von Analog Devices, Inc. mit Signalkonditionierung zum Einsatz, die für eine optimierte Dynamikleistung sorgt. Bei der werkseitigen Kalibrierung werden die Sensoren hinsichtlich Empfindlichkeit, Nullpunkt, Ausrichtung und Linearbeschleunigung (Gyroskop-Nullpunkt) genau eingestellt. Damit weist jeder einzelne Sensor seine spezifischen Formeln zur dynamischen Kompensation für präzise Sensormessungen auf.

ADIS16445 von Analog Devices

Abbildung 2: Der kompakte und präzise Trägheitssensor ADIS16445 mit sechs Freiheitsgraden ermöglicht die Systemintegation, um das Design in Navigationsanwendungen einfacher zu gestalten.

Der ADIS16445 stellt eine einfache und kostengünstige Methode dar, um ein mehrachsiges Trägheitsmesssystem in industrielle Systeme zu integrieren. Sämtliche Bewegungstest- und Kalibrierungsschritte werden werkseitig ausgeführt, was die Systemintegrationszeit enorm verkürzt. Eine genaue orthogonale Ausrichtung vereinfacht die Ausrichtung des Inertialsystems in Navigationsgeräten. Die SPI- und Registerstruktur bieten eine einfache Schnittstelle zur Datenerfassung und Konfigurationssteuerung. Zu den Anwendungen gehören die Navigation, Robotik und die Plattformstabilisierung und -steuerung.

Die Automobilbranche bleibt weiterhin der größte Industrieabnehmer von MEMS-Geräten. Direkte Einspritzsysteme, Automobilsicherheitssysteme, die Überwachung des Reifendrucks und Bremssysteme basieren auf MEMS-Sensoren.

Zu den Automobilsicherheitssystemen gehört auch die Fahrwerk-Überroll-Erkennung. Ein Sensor, der sich für diesen Zweck besonders eignet, ist das Modell ADXRS620 von Analog Devices für Gierraten von ±300 °/s (Abbildung 3).

Gyroskop ADXRS620 von Analog Devices

Abbildung 3: Funktionales Blockdiagramm des Gyroskops ADXRS620 von Analog Devices, das für Automobil-Sicherheitsanwendungen ausgelegt ist.

Beim ADXRS620 handelt es sich um ein Gyroskop, beim dem das oberflächenmikromechanische Verfahren zur Herstellung eines funktional vollständigen und kostengünstigen Drehratensensors, der auf einem Chip integriert ist, eingesetzt wird. Dieses Gyroskop für Automobilanwendungen ist zu 100 %  mit dem Drehratensensor desselben Herstellers ADXRS652 für industrielle Anwendungen pin-, gehäuse-, temperatur- und funktionskompatibel. Das Ausgangssignal, RATEOUT (1 B, 2 A), ist eine zur Drehrate um die senkrecht zur Oberfläche des Gehäuses stehende Achse proportionale Spannung. Die Ausgabe ist in Bezug auf eine anliegende Referenzspannung ratiometrisch. Die Bandbreite wird über einen externen Kondensator eingestellt. Der Drehratensensor ADXRS620 ist in einem 7 × 7 × 3 mm BGA-Keramikgehäuse untergebracht.

Die Neigungssensoren sind entscheidend für hochgenaue Nivellierungs- und Neigungs-Messinstrumente. Mit der Serie SCA103T von Murata (Abbildung 4) wird eine hohe Genauigkeit geboten. Hierbei handelt es sich um eine Familie an einachsigen 3D-MEMS-basierten Neigungsmessern, in denen das Differentialmessprinzip zum Einsatz kommt, um alle Gleichtaktfehler und Rauschwirkungen zu kompensieren.

Die hohe Kalibriergenauigkeit kombiniert eine extrem niedrige Temperaturabhängigkeit, eine hohe Auflösung und ein geringes Rauschen mit einem robusten Design des Messelements. Die Neigungsmesser sind aufgrund von überdämpften Messelementen Schwingungen gegenüber unempfindlich. Es wird davon ausgegangen, dass sie mechanischen Erschütterungen von 20.000 g standhalten.

Die Neigungssensoren der Serie SCA103T von Murata

Abbildung 4: Funktionales Blockdiagramm der Neigungssensoren der Serie SCA103T von Murata, die für hochgenaue Nivellierungs- und Neigungsinstrumente verwendet werden.

Diese Sensoren bieten eine hervorragende Temperatur- und Zeitstabilität. Sie weisen ratiometrische Analog-Spannungsausgänge, einen digitalen SPI-Ausgang und Temperaturausgang sowie umfassende Fehlerkennungsfunktionen auf. Sie sind auch mit einem bleifreien Reflow-Lötverfahren kompatibel. Das Gerät stellt eine einwandfreie Messung bei Erdbewegungsmaschinen, Fahrzeugen, Flugzeugen, Baumaschinen und Handheld-Geräten bereit.

Vorausschau

Worauf wird sich das Wachstum bei den MEMS-Sensoren in Zukunft stützen? Wearables (Systeme, die während der Anwendung am Körper des Benutzers befestigt sind) und mobile Gesundheitsgeräte werden zu einem erhöhten Absatz von MEMS-Bewegungssensoren und Beschleunigungsmessern führen. Die Bereiche Fitness sowie Gesundheitsüberwachung bei einer alternden Gesellschaft werden die MEMS-Integration bei Beschleunigungsmessern, Gyroskopen und elektronischen Kompässen weiter antreiben. Die Automobilbranche wird weiterhin eine ganz wesentliche Rolle bei der MEMS-Nachfrage spielen, insbesondere im Bereich MEMS-Drucksensoren.

Zu weiteren Anwendungen zählen intelligente Geräte, wie Uhren oder Brillen, Wärmebildkameras und Gassensoren. Einen neuen Anwendungsbereich stellen Mikrobolometer dar, sehr kleine Arrays von wärmeerkennenden Sensoren, die IR-empfindlich sind. Diese Sensoren werden in Überwachungssystemen, bei der Strafverfolgung und Brandbekämpfung eingesetzt und werden sich sicher auch bald in anderen Bereichen durchsetzen.

MEMS-Mikrofone finden Anwendung in zahlreichen Verbrauchergeräten, von Smartphones, Laptop-Computern, Spielen, Hörgeräten bis hin zu Fernsehern und Kameras. Derzeit sind Apple und Samsung die Hauptabnehmer von MEMS-Mikrofonen: diese beiden Unternehmen sind verantwortlich für 50 % der gesamten Mikrofon-Nachfrage. MEMS-Mikrofone werden sich bald auch in Automobilanwendungen durchsetzen.

Ziehen Sie das Mikrofon von Knowles, SPM0437HD4H, in Betracht. Hierbei handelt es sich um ein digitales Hochleistungs-Silizium-Mikrofon mit Anschluss an der Oberseite, in Miniaturgröße und mit geringem Stromverbrauch sowie einem Einzelbit-PDM-Ausgang. Das Mikrofon SPM0437HD4H nutzt die SiSonic-MEMS-Technologie von Knowles und besteht aus einem Schallsensor, einem rauscharmen Eingangspuffer und einem Sigma-Delta-Modulator. Die Komponente eignet sich für Anwendungen wie Mobiltelefone, Smartphones, Laptop-Computer, Digitalkameras, tragbare Musikrecorder und andere tragbare elektronische Geräte, bei denen eine Breitband-Audioleistung und Immunität gegen elektromagnetische Störungen erforderlich sind.

Wie bei allen sensorbezogenen Designs wird die Sensorfusion weiter vorangetrieben. Die verwendeten Sensorkombinationen helfen Entwicklern dabei, Fähigkeiten zu kombinieren und zu integrieren und im Vergleich zur Verwendung einzelner Sensoren eine noch nie erreichte Funktionalität in Rekordzeit und zu geringeren Kosten zu erzielen. Während Handsets und Tablets unter den Verbraucheranwendungen weiterhin ganz oben auf der Liste stehen werden, werden MEMS-Sensoren in diesem Segment praktisch in alle Geräte, die uns umgeben, integriert werden.

Weitere Informationen zu den Bauteilen, die in diesem Artikel vorgestellt werden, erhalten Sie über die Links zu den Produktseiten der Digi-Key-Webseite.

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