MEMS-Inertialsensoren
MEMS-Trägheitssensoren messen lineare Beschleunigung und Drehgeschwindigkeit mithilfe mikrogefertigter mechanischer Strukturen, die auf Siliziumwafern geätzt sind. Die Halbleiterfertigung gewährleistet eine hohe Wiederholgenauigkeit, ausgezeichnete Skalierbarkeit und konsistente Sensorleistung. Folglich erreichen Hersteller kompakte Abmessungen, niedrigere Produktionskosten und eine hohe Zuverlässigkeit.
Eine MEMS-Trägheitssensoreinheit (IMU) integriert drei orthogonale Beschleunigungsmesser und drei Gyroskope. Gemeinsam messen diese Sensoren Bewegungen in sechs Freiheitsgraden (6-DoF). Eine MEMS-IMU allein kann jedoch weder Position noch Kurs bestimmen. Daher integrieren Hersteller GNSS-Empfänger, Magnetometer, Odometer oder andere Hilfssensoren. Sensorfusionsalgorithmen generieren daraus verlässliche Navigations- und Orientierungsschätzungen. Infolgedessen arbeitet das System als Lage- und Kursbezugssystem (AHRS) oder als vollständiges Trägheitsnavigationssystem (INS).
Mehrere Parameter definieren die Leistung von MEMS-Trägheitssensoren. Dazu gehören Bias-Instabilität, Winkel-Zufallsangabe (Angle Random Walk, ARW), Geschwindigkeits-Zufallsangabe (Velocity Random Walk, VRW), Skalierungsfaktorgenauigkeit, Bandbreite, Vibrationsunterdrückung und thermische Stabilität. Darüber hinaus kompensiert die Werkskalibrierung deterministische Sensorfehler. Zu diesen Fehlern gehören Achsfehlausrichtung, Nichtlinearität des Skalierungsfaktors, g-Empfindlichkeit und temperaturabhängige Bias-Schwankungen. Anschließend führen integrierte Erweiterte Kalman-Filter (EKF) Trägheitsmessungen mit externen Beobachtungen zusammen. Dieser Prozess schätzt kontinuierlich Sensorfehler ab und reduziert die Trägheitsdrift. Folglich behält die Navigationslösung während dynamischer Operationen eine höhere Genauigkeit bei.
Jüngste Fortschritte haben die MEMS-Trägheitstechnologie erheblich verbessert. Beispielsweise erhöhen geschlossene Erfassungskreise (Closed-Loop-Architekturen) die Linearität und verringern die Bias-Empfindlichkeit. Ebenso verbessert eine optimierte MEMS-Fertigung die Wiederholgenauigkeit und Langzeitstabilität. Fortgeschrittene digitale Signalverarbeitung verbessert zudem das Rauschverhalten und die Vibrationsfestigkeit. Infolgedessen erreichen High-End-MEMS-Sensorsysteme mittlerweile Leistungswerte der taktischen Klasse. Gleichzeitig bleiben sie kleiner, leichter und energieeffizienter als herkömmliche Trägheitstechnologien. Daher wählen Ingenieure zunehmend MEMS-Sensoren für autonome Fahrzeuge, Robotik, Hydrografie, mobile Kartierung, Präzisionslandwirtschaft und Verteidigungs-Navigationssysteme.
