Drehratensensoren

Ein Schwerpunkt der FuE-Aktivitäten am Fraunhofer ENAS ist die Entwicklung hochpräziser MEMS Drehratensensoren. Drehratensensoren sind Inertialsensoren, welche die Winkelgeschwindigkeit ohne externe Referenz messen können. Die entwickelten Vibrationsgyroscope nutzen den Coriolis-Effekt, der sich aufgrund der im MEMS erzwungenen Schwingung (Vibration) und einer vorhandenen Winkelgeschwindigkeit einstellt. Es entsteht eine Kraft, die sogenannte Coriolis-Kraft, und erzeugt ein detektierbares Signal proportional zur Rotationsgeschwindigkeit bzw. Drehrate. Die Herausforderung für die Entwicklung der mikromechanischen Systeme bzw. des gesamten Sensorsystems besteht darin, die Zielanforderungen für extrem niedriges Rauschen und geringe Drift zu erreichen. Das System besteht aus einer mikromechanischen Struktur einem mit dem MEMS co-designten Mixed-Signal-ASIC und einem Package. Die mikromechanische Struktur transformiert die anliegende Winkelgeschwindigkeit in eine Kapazitätsänderung. Der ASIC übernimmt die Aufgaben der primären Anregung des MEMS, der Kapazitäts-zu-Spannungs-Wandlung, der Demodulation der Drehgeschwindigkeitsinformation und der Signalaufbereitung. Gleichzeitig dient er als Schnittstelle für die nächst höhere Systemebene. Die typischen Parameter des entwickelten 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.