MEMS-Trägheitssensoren
MEMS-Inertialsensoren messen lineare Beschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten mithilfe mikrofabrizierter mechanischer Strukturen, die auf Siliziumwafern geätzt sind. Die Halbleiterfertigung gewährleistet eine hohe Wiederholgenauigkeit, exzellente Skalierbarkeit und eine gleichbleibende Sensorleistung. Folglich erreichen Hersteller kompakte Abmessungen, geringere Produktionskosten und eine hohe Zuverlässigkeit.
Eine MEMS-Inertial Measurement Unit (IMU) integriert drei orthogonale Beschleunigungssensoren und drei Gyroskope. Gemeinsam messen diese Sensoren Bewegungen in sechs Freiheitsgraden (6-DoF). Eine MEMS-IMU allein kann jedoch weder die Position noch den Kurs schätzen. Daher integrieren Hersteller GNSS-Empfänger, Magnetometer, Odometer oder andere Hilfssensoren. Sensorfusionsalgorithmen erzeugen anschließend zuverlässige Navigations- und Lageschätzungen. Infolgedessen arbeitet das System als Attitude and Heading Reference System (AHRS) oder als vollständiges Inertiales Navigationssystem (INS).
Mehrere Parameter definieren die Leistung von MEMS-Inertialsensoren. Dazu gehören die Bias-Instabilität, das Winkel-Rauschen (ARW), das Geschwindigkeits-Rauschen (VRW), die Skalierungsfaktorgenauigkeit, die Bandbreite, die Vibrationsunterdrückung und die thermische Stabilität. Darüber hinaus kompensiert die Werkskalibrierung deterministische Sensorfehler. Zu diesen Fehlern gehören Achsfehlausrichtungen, Skalierungsfaktor-Nichtlinearitäten, g-Empfindlichkeit und temperaturabhängige Bias-Schwankungen. Im Anschluss fusionsieren eingebettete Extended Kalman-Filter (EKF) Inertialmessungen mit externen Beobachtungen. Dieser Prozess schätzt kontinuierlich Sensorfehler und reduziert die Trägheitsdrift. Folglich behält die Navigationslösung während dynamischer Operationen eine höhere Genauigkeit bei.
Neuere Fortschritte haben die MEMS-Inertialtechnologie erheblich verbessert. Beispielsweise erhöhen Regelkreis-Sensorarchitekturen (Closed-Loop) die Linearität und reduzieren die Bias-Empfindlichkeit. Ebenso verbessert die optimierte MEMS-Fertigung die Wiederholgenauigkeit und Langzeitstabilität. Eine fortschrittliche digitale Signalverarbeitung optimiert zudem das Rauschverhalten und die Vibrationsrobustheit. Infolgedessen erreichen High-End-MEMS-Sensoren mittlerweile eine taktische Leistung. Gleichzeitig bleiben sie kleiner, leichter und energieeffizienter als herkömmliche Inertialtechnologien. Daher wählen Ingenieure zunehmend MEMS-Sensoren für autonome Fahrzeuge, Robotik, Hydrografie, mobiles Mapping, Präzisionslandwirtschaft und Verteidigungs-Navigationssysteme.
