MEMS-Trägheitssensoren
MEMS-Trägheitssensoren messen lineare Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit mithilfe mikrofabrizierter mechanischer Strukturen, die auf Siliziumwafern geätzt sind. Die Halbleiterfertigung gewährleistet eine hohe Wiederholgenauigkeit, hervorragende Skalierbarkeit und eine gleichbleibende Sensorleistung. Dadurch erzielen die Hersteller kompakte Abmessungen, niedrigere Produktionskosten und eine hohe Zuverlässigkeit.
Eine MEMS-Trägheitsmesseinheit (IMU) integriert drei orthogonale Beschleunigungsmesser und drei Gyroskope. Zusammen messen diese Sensoren Bewegungen in sechs Freiheitsgraden (6-DoF). Eine IMU kann jedoch weder die Position noch den Kurs schätzen. Daher integrieren Hersteller GNSS , Magnetometer, Wegstreckenzähler oder andere Hilfsensoren. Sensorfusionsalgorithmen erzeugen dann zuverlässige Navigations- und Orientierungsschätzungen. Dadurch fungiert das System als Lage- und Kursreferenzsystem (AHRS Heading Reference System,AHRS) oder als vollständiges Trägheitsnavigationssystem (INS).
Mehrere Parameter bestimmen die Leistung von MEMS-Trägheitssensoren. Dazu gehören Bias-Instabilität, Angle Random Walk (ARW), Velocity Random Walk (VRW), Genauigkeit des Skalierungsfaktors, Bandbreite, Vibrationsunterdrückung und thermische Stabilität. Darüber hinaus kompensiert die Werkskalibrierung deterministische Sensorfehler. Zu diesen Fehlern zählen Achsenversatz, Nichtlinearität des Skalierungsfaktors, g-Empfindlichkeit und temperaturabhängige Bias-Schwankungen. Anschließend führen eingebettete Extended-Kalman-Filter (EKF) eine Fusion der Inertialmessungen mit externen Beobachtungen durch. Dieser Prozess schätzt kontinuierlich die Sensorfehler und reduziert die Trägheitsdrift. Folglich behält die Navigationslösung während dynamischer Operationen eine höhere Genauigkeit bei.
Jüngste Fortschritte haben die MEMS-Inertialtechnologie erheblich verbessert. Beispielsweise erhöhen Closed-Loop-Messarchitekturen die Linearität und verringern die Bias-Empfindlichkeit. Ebenso verbessert die optimierte MEMS-Fertigung die Wiederholbarkeit und Langzeitstabilität. Fortschrittliche digitale Signalverarbeitung verbessert zudem das Rauschverhalten und die Vibrationsrobustheit. Infolgedessen erreichen hochwertige MEMS-Sensoren mittlerweile eine Leistung auf taktischem Niveau. Gleichzeitig sind sie kleiner, leichter und energieeffizienter als herkömmliche Inertialtechnologien. Daher entscheiden sich Ingenieure zunehmend für MEMS-Sensoren in den Bereichen autonome Fahrzeuge, Robotik, Hydrographie, mobile Kartierung, Präzisionslandwirtschaft und Navigationssysteme für Verteidigungszwecke.
