Inertialsensorik

Ein Schwerpunkt der FuE-Aktivitäten am Fraunhofer ENAS ist die Entwicklung hochpräziser MEMS Drehratensensoren. Drehratesensoren sind Inertialsensoren, welche die Winkelgeschwindigkeit ohne externe Referenz messen können. Die Herausforderung für die Entwicklung der mikromechanischen Systeme besteht darin, die Zielanforderungen für extrem niedriges Rauschen und geringe Drift zu erreichen. Das System selbst besteht aus einer mikromechanischen Struktur, die die Winkelgeschwindigkeit in eine Kapazitätsänderung transformiert. Diese wird mit einer analogen Front-End-Elektronik ausgelesen. Der Analog-Mixed-Signal IC des Systems ist im Beispiel in das Keramik-Package integriert und ist für die Anregung des MEMS, die Demodulation der Drehgeschwindigkeitsinformation und die Signalaufbereitung verantwortlich. Er dient gleichzeitig als Schnittstelle für die nächsthöhere Systemebene. Die typischen Parameter des Drehratensensors sind:

• ± 450 °/s Drehratenbereich
• 5 °/h Auflösung = 14 mdps (Milli-Grad pro Sekunde)
• In-Run-Bias Stabilität < 1 °/h
• Angle Random Walk (Rauschen) < 0,03 °/√h (0,00043 °/s/√Hz)
• Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis 85 °C
• Empfindlich auf Drehraten um die z-Achse (Yaw)
• Digitaler Drehratensensor mit SPI-Schnittstelle

Die Sensorelemente werden bei Fraunhofer ENAS kontinuierlich weiterentwickelt. Neben den typischen 2-Massen Tuning-Fork-Vibrationsgyroskop-Elementen werden auch Ring- und Scheiben-förmige Sensorelemente entworfen, simuliert, gefertigt und erprobt.