Einführung in MEMS-Beschleunigungssensoren

Da diese Beschleunigungsaufnehmer für den Einsatz in kritischen Messanwendungen vorgesehen sind, sollte die Empfindlichkeit überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie innerhalb der Spezifikation liegt. Eine genaue statische Kalibrierung kann unter Verwendung der Erdanziehung als Beschleunigungsreferenz durchgeführt werden. Stellen Sie den Beschleunigungsaufnehmer zunächst in einer +1g-Ausrichtung auf, so dass die Basis auf der Montagefläche ruht und die Modellnummer nach oben zeigt (Abbildung 3). In dieser Ausrichtung erfährt der Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung von +1g. Zeichnen Sie die Ausgangsgleichspannung mit einem DVM auf. Drehen Sie den Sensor um, indem Sie ihn um 180° wenden. Legen Sie das Oberteil mit der Modellnummer nach unten auf die Montagefläche (Abbildung 4). Der Sensor erfährt eine Beschleunigung von -1 g. Zeichnen Sie die Ausgangsgleichspannung auf. Um die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors zu berechnen, verwenden Sie die folgende Gleichung:

Empfindlichkeit = [(+1g) - (-1g)] / 2

Die Sensorelemente in PR-Beschleunigungsmessern bestehen aus Biegeelementen auf einer mittleren Scheibe, die zwischen einer oberen und einer unteren Scheibe eingebettet ist (Abbildung 5). Die Biegung dieser Biegungen verursacht eine messbare Widerstandsänderung, die proportional zur angelegten Beschleunigung ist. Durch Änderung der Steifigkeit der Biegungen oder der seismischen Masse wird eine Auswahl von Messbereichen erreicht.

Der obere und der untere Wafer sind mit einem Glasverbund auf einen mittleren Wafer laminiert. Dadurch wird eine hermetische Umhüllung für die Biegungen sowie mechanische Anschläge zum Schutz vor Überschreitung des Messbereichs erreicht. Die Gasdämpfung verringert die Resonanzverstärkung, wenn PR-Beschleunigungsaufnehmer in Anwendungen mit hohen Stößen eingesetzt werden. Die Dämpfung reduziert die Reaktion auf hochfrequente Energie. Um die thermischen Auswirkungen auf die Dämpfung zu verringern, wird Luft anstelle einer Flüssigkeit verwendet.

Die Sensorelemente sind in einer voll aktiven Wheatstone-Brücken-Konfiguration angeordnet. Eine voll aktive Brücke (Abbildung 6) verwendet zwei Widerstände, die sich mit der Eingangsbeschleunigung oder -kraft erhöhen, und zwei, die sich verringern. Diese werden als Zug- bzw. Druckwiderstände bezeichnet. Die Spannungsdifferenz dieser Ausgangsleitungen ist proportional zur angelegten Erregerspannung. Die bei der Anwendung verwendete Erregerspannung sollte dieselbe sein, die auch bei der Kalibrierung verwendet wurde.

Die Sensorelemente sind in der Regel auf Leiterplatten montiert, die in Titan- oder Aluminiumgehäusen untergebracht sind. Es sind auch oberflächenmontierbare Gehäuse erhältlich. Oberflächenmontierte MEMS-Sensoren werden in der Regel auf der nächsten Montagestufe gelötet oder mit Epoxidharz befestigt. Die Abbildungen 7, 8 und 9 sind Beispiele für Gehäuseformen.

Abbildung 7. PR-MEMS-Sensoren in Titangehäusen

Abbildung 8. PR MEMS-Sensor im Aluminiumgehäuse

Abbildung 9. Oberflächenmontierter PR-Beschleunigungssensor in einem bleifreien Chipträger

Um die Vorteile des Gleichstromverhaltens von MEMS-Beschleunigungsaufnehmern zu nutzen, muss das Auslesegerät in einem gleichstromgekoppelten Zustand sein. Wenn ein Signalaufbereiter für die Stromversorgung verwendet wird, sollte dieser ebenfalls DC-gekoppelt sein. Nähere Informationen hierzu finden Sie im Handbuch des jeweiligen Herstellers oder Produkts. PR-Beschleunigungsaufnehmer sollten mit einer geregelten Spannungsquelle versorgt werden, da die Empfindlichkeit proportional zur Erregerspannung ist. Es wird empfohlen, die auf dem Kalibrierungszertifikat angegebene Erregerspannung zu verwenden, um den kalibrierten Empfindlichkeitswert zu erhalten. Weitere Informationen zur Stromversorgung finden Sie in den einzelnen Produkthandbüchern. Die PCB®-Signalaufbereiter der Modelle 482C27 und 482C28 können zur Versorgung von piezoresistiven MEMS-Sensoren verwendet werden.

Die meisten in Titan verpackten PR MEMS-Beschleunigungsaufnehmer werden mit einem integrierten Kabel geliefert, das an den Sensorelementen befestigt ist. Das Abschlussende ist mit einem Pigtail versehen und für den Anschluss an einen Brückenkonditionierer vorbereitet (Abbildung 10). Der Erdungsdraht und die Kabelabschirmung sollten auf der Messgeräteseite in geeigneter Weise angeschlossen werden, um Erdschleifen zu vermeiden. Interne Isolatoren sorgen dafür, dass das Sensorelement vom Gehäuse und der Montagestruktur elektrisch isoliert ist.

MEMS PR-Beschleunigungsaufnehmer sind für den Einsatz in kritischen Messanwendungen vorgesehen. Der Zustand des Sensors wird durch Überprüfung der Ausgangsoffsetspannung und des Brückenwiderstands überprüft.

Zur Überprüfung der Ausgangsoffsetspannung schließen Sie die +Exc- und -Exc-Leitungen an eine geeignete Spannungsversorgung an. Schließen Sie die +Sig- und -Sig-Leitungen an ein Voltmeter an, das auf die Anzeige von VDC eingestellt ist. Montieren Sie den Sensor in einer +1g-Ausrichtung, so dass er sicher auf einer flachen, ebenen und stabilen Oberfläche ruht. Messen Sie den Differenzspannungsausgang des Sensors. Prüfen Sie das Kalibrierungszertifikat, um die gemessene Offsetspannung zu verifizieren.

Prüfen Sie den Brückenwiderstand mit einem Ohmmeter oder stellen Sie ein Digitalmultimeter auf die Messung von Ohm ein. Legen Sie den Sensor auf eine flache und ebene Oberfläche. Für diesen Test muss keine Erregerspannung angelegt werden. Der Eingangswiderstand wird zwischen den Drähten +Exc und -Exc gemessen. Der Ausgangswiderstand wird zwischen den Drähten +Sig und -Sig gemessen. Die gemessenen Widerstandswerte können im Kalibrierungszertifikat überprüft werden.

Klicken Sie hier für weitere Informationen über DC Response Accelerometer, Serie 3711/3713/3741/3743.

Klicken Sie hier, um weitere Informationen über piezoresistive Beschleunigungssensoren der Serien 3501/3503/3991 zu erhalten.