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IonisatorenDreiachsiger piezoresistiver MEMS Beschleunigungs- und Neigungssensor GS3
15 May 2007
Der neue dreiachsige Beschleunigungssensor GS3 ist ein mikromechanischer piezoresistiver Beschleunigungssensor von Panasonic Electric Works.
Der als Zwei-Chip-Lösung realisierte Sensor besteht aus einem mittels MEMS-Technologie hergestelltem Halbleitersensorelement und einem speziell dafür entwickelten ASIC, das das Messsignal vom Sensorelement verarbeitet und in ein Spannungsausgangssignal konvertiert. Der Sensor wird in einem keramischen Gehäuse untergebracht und ist als SMD-Typ verfügbar.
Der Grundaufbau des Sensorelementes besteht aus einem starren Si-Rahmen, den beweglichen seismischen Massen und freitragenden Brücken mit integrierten Piezowiderständen. Vier seismische Teilmassen, die das Silizium als Ausgangsmaterial verwenden, werden mittels mikromechanischen Verfahrens freigeätzt und jeweils über einen freitragenden Steg aufgehängt. Wird der Sensorchip einer Beschleunigung ausgesetzt, bewegen sich die seismischen Massen. Infolge dessen tritt Deformation in der einzelnen Brücke auf und diese führt aufgrund des piezoresistiven Effektes zur Widerstandsänderung der auf der Brücke integrierten Piezowiderständen.
Je vier Piezowiderstände werden auf der X-, Y- und Z-Achse in Form einer Wheatstone Brückenschaltung angeordnet. Tritt Beschleunigung in Richtung der X-, Y- und Z-Achse auf, stehen die Brücken im Sensorenchip unter mechanischer Zug- oder Druckspannung, diese führt zu einer Deformation der Brücken. Als Auswirkung dieser Deformation ist eine Änderung des elektrischen Messsignals des Sensorelementes. Mittels des integrierten ASICs wird das Messsignal in ein elektrisches Ausgangssignal (Spannungssignal 1,5 ± 1V) verarbeitet, das zu der Beschleunigung (Messbereich: ±2G / ±3G) proportional ist.
Da die mechanische Deformation der freitragenden Si-Brücken nicht nur bei einer bewegungsbasierten Beschleunigung auftritt, sondern auch infolge der Lageänderung der seismischen Massen durch statische Gravitationsbeschleunigung der Erde entsteht, wird diese Eigenschaft ausgenutzt, um Neigungen zu messen bzw. zu detektieren. Im Gegensatz zu einem einachsigen Beschleunigungssensor, kann mit dem GS3 in jeder der drei Raumachsen Neigungen in X-, Y- und Z-Richtung gemessen werden. Somit ist es mit dem GS3 möglich, Lager- und Neigungsveränderungen dreidimensional zu ermitteln. Im Vergleich zu kapazitiven Beschleunigungssensoren bieten die piezoresistiven Beschleunigungssensoren einen deutlichen Vorteil hinsichtlich einer Miniaturisierung der Baugröße (Abmessungen von GS3: 4,6 x 4,6 x 1,3mm3). Dies erleichtert den Einsatz vor allem in mobilen Geräten (z.B. Handys und Pocket-PC etc.). Die GS3-Beschleunigungssensoren eignen sich insbesondere für den Einsatz in der Konsumelektronik, u. a. in mobilen Navigationssystemen, im Schutz von elektronischen Geräten im Freifall (z.B. Festplatten von Notebook), in Bildstabilisierung bei digitalen Kameras und Camcordern sowie in Anti-Diebstahlsystemen.
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