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MEMS-Gyroskop

MEMS-Gyroskope, oder genau genommen MEMS-Drehratensensoren, werden immer dann benutzt, wenn eine Erfassung der Drehrate (°/s) ohne einen feststehenden Bezugspunkt erforderlich ist. Dies unterscheidet Gyroskope von allen anderen Instrumenten, die eine Drehung messen, wie z.B. einem Tachometer oder einem Potentiometer.

Die MEMS-Gyroskope von Silicon Sensing verwenden alle die gleiche einzigartige patentierte VSG -Resonanzring-Technologie, um die Rotationsrate durch ein als Coriolis bekanntes Phänomen zu erfassen. Der Grundaufbau und die Betriebsprinzipien werden weiter unten kurz erklärt.

Silicon Sensing produzierte das erste MEMS VSG in den späten 1990ern, und seither sind weit mehr als 20.000.000 MEMS-Gyroskope an Tausende von zufriedenen Kunden ausgeliefert worden.  Nahezu alle dieser Gyroskope arbeiten nach unserem besten Wissen auch nach einem 20-jährigen ununterbrochenen Einsatz weiterhin zufriedenstellend und zeugen von der Zuverlässigkeit des VSG's.  Inzwischen gibt es drei Generationen von MEMS VSG’s; Induktive, Kapazitive und PZT, wodurch Silicon Sensing eine große Palette an MEMS VSG-Gyroskopen von kostengünstigen Präzisions-Chipscale-Sensoren (z.B. PinPoint®) bis hin zu FOG-Klasse Hochleistungs-MEMS-Kreiselmodulen (z.B. CRH01 herstellen kann).

 

Eine kurze Geschichte des Gyroskops…..

Gyroskope und ihre nützliche Anwendung in der Stabilisierung von Gegenständen tauchten erstmals zu Beginn des 20. Jahrhunderts auf, und tatsächlich reicht der Familienstammbaum von Silicon Sensing in diese Pionierjahre zurück.  Ursprünglich waren sie mechanische Vorrichtungen, die eine so abgestützte rotierende Masse verwendeten, dass ihre Position im Inertialraum feststehend blieb, wodurch die Rotation ihrer Stützstruktur gemessen werden konnte.  Mechanische Gyroskope wie z.B. DTGs (Dynamically Tuned Gyroskope) existieren noch heute dort, wo eine hohe Präzision erforderlich ist.

In den 1970ern erschienen optische Gyroskope.  RLGs (Ringlasergyroskope) und FOGs (Glasfasergyroskope) benutzen die Phasenverschiebung von Licht, das sich in entgegengesetzte Richtungen um einen feststehende Pfadlänge bewegt, um die Windgeschwindigkeit zu erfassen.  RLGs und FOGs arbeiten sehr genau, sind jedoch ziemlich komplex und daher relativ groß und kostspielig herzustellen.

 

In den letzten zwanzig Jahren hat sich die Welt der Inertialsensoren mit den Aufkommen von nicht rotierenden ‘Solid State’-Geschwindigkeitssensoren, die fälschlich als Gyroskope bezeichnet werden, auf den Kopf gestellt.  Silicon Sensing war eines der ersten Unternehmen, das in den 1980ern das Potenzial von Solid State-Gyroskopen mit der Markteinführung des VSG  – Vibrationskreisels (VSG) kommerziell ausschöpfte.

Klicken Sie hier für eine vollständige Chronik des Stammbaums von Silicon Sensing in der Herstellung von Gyroskopen während der letzten 100 Jahre.

MEMS VSG-Gyroskope, eine kurze Beschreibung ihres Grundaufbaus und Betriebs….

Sämtliche MEMS VSG-Gyroskope von Silicon Sensing verwenden einen Vibrations- oder Resonanzring, der unter Verwendung eines DRIE (Deep Reactive Ion Etch)-Bulk-Siliziumprozesses hergestellt wird. Der Ring wird im freien Raum durch acht Paare von hundefußartigen symmetrischen Speichen abgestützt. Das Bulk-Silizium-Ätzverfahren und die einzigartige patentierte Ringkonstruktion ermöglichen geometrische Eigenschaften in engen Toleranzen für eine präzise Balance sowie thermische Stabilität; und im Unterschied zu anderen MEMS-Gyroskopen existieren keine schmalen Spalte, die Interferenz- und Haftreibungsprobleme erzeugen können. Diese Merkmale tragen signifikant zur Leistungsfähigkeit der VSG’s hinsichtlich der Stabilität ihrer Vorspannung und ihres Skalierungsfaktors über einen Temperaturbereich hinweg sowie zu ihrer Vibrations- und Stoßbeständigkeit bei.  Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion besteht in der inhärenten Unempfindlichkeit gegenüber einem durch Beschleunigung ausgelösten Ratenfehler bzw. einer ‘g-Sensitivität’.

 


 

Aktuatoren/Wandler sind an der oberen Seite des Siliziumringumfangs angeordnet und elektrisch mit Bondstellen auf Silizium durch Laufbahnträger an den Speichen verbunden. Diese betätigen oder ‘treiben’ den Ring in seinen Cos2θ-Vibrationsmodus bei Resonanzfrequenz (wie beim Reiben eines Weinglases mit einem feuchten Finger, wodurch es zu ‘klingen’ beginnt) oder erfassen die Radialbewegung des Ringumfangs, die entweder von den primären Antriebsaktuator oder von der Coriolis - Kraft verursacht wird, wenn das Gyroskop um seine Abtastungsachse rotiert, die durch das Zentrum des Rings verläuft. Die Kombination aus Messwandlertechnologie und sekundären Abgreifwandlern verbessert den Rauschabstand des VSG’s, wodurch ein sehr geräuscharmes Gerät mit einer ausgezeichneten Vorspanninstabilität und ARW (Winkelzufallsbewegung) erreicht wird.

 

Nachstehend findet sich eine einfache Darstellung, die das Gyroskop in einer eingeschalteten, jedoch nicht rotierenden Stellung zeigt (d.h. der Drehrateneingang ist Null).  Sie können sehen, dass sich jeder Punkt an dem Ring radial bewegt – in einer geraden Linie von dem Mittelpunkt des Rings mit Ausnahme der ‘Knoten’ an den 45°- und nachfolgend an den 90°-Intervallen um den Ring herum (der blau gepunktet dargestellt ist), die feststehend bleiben.

Video Nicht Unterstützt

In der nächsten Darstellung wird das Gyroskop einem Drehrateneingang ausgesetzt. Die Coriolis-Kraft kommt ins Spiel und bewirkt, dass jeder Punkt auf dem Ring, der sich nach außen bewegt, in einer Richtung ‘verbiegt’, während sich die nach innen bewegenden Punkte in der anderen Richtung ‘verbiegen’. Das Endergebnis dieses Vorgangs besteht darin, den Vibrationsmodus um den Ring bis zu einem Winkel zu bewegen, der proportional zu der Rotationsgeschwindigkeit ist.

Die Rotationsgeschwindigkeit kann auf zwei Weisen gemessen werden: (i) durch Erfassen des Ausmaßes, mit dem sich die vorherigen Knotenpunkte jetzt bewegen – bezeichnet als Open Loop-Messung; oder (ii) durch Erzeugen einer Rückstellkraft, die den Ringvibrationsmodus in die ursprüngliche Stelle an dem Ring versetzt– was als Closed Loop-Messung bezeichnet wird.

Video Nicht Unterstützt

Schließlich zeigt die nächste nachstehende Illustration eine typische Anwendung.  Es wird angenommen, dass das Gyroskop an dem Fahrzeug befestigt ist, so dass es sensitiv auf die Lenkrate des Fahrzeugs ist.

Wenn der Siliziumring eingeschaltet ist und sich das Fahrzeug geradeaus bewegt, schwingt der Siliziumring in seinem Cos2θ-Modus in der 0°-90°-Achse.  Die Knoten an den 45°-Punkten (grün und rot gepunktet) sind im Wesentlichen stationär.

Wenn das Fahrzeug eine Kurve fährt, versuchen die Coriolis-Kräfte (proportional zur Lenkrate) den Vibrationsmodus um die Achse herum zu bewegen, was bedeutet dass die ursprünglichen Knotenpunkte nicht länger feststehen.

In einer echten Kreiselimplementierung arbeitet die Steuerelektronik in einer Closed Loop-Konfiguration, um die Resonanzposition mit Bezug auf ihre ursprüngliche Achse beizubehalten.  Die ‘Kraft’, die dazu notwendig ist dies zu erreichen, wird in ein analoges (oder digitales) Signal übersetzt, das proportional zur Rotationsrate ist.

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