Was ist ein MEMS-Beschleunigungsaufnehmer und wie funktioniert er?

In vielen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen ist eine genaue Schwingungs- und Bewegungsmessung unerlässlich. Ob bei der Überwachung der strukturellen Integrität einer Brücke, des Fundaments einer Windenergieanlage oder einer Präzisionswerkzeugmaschine, Ingenieure verlassen sich auf Beschleunigungsaufnehmer, um Beschleunigung, Stöße und Schwingungen zu messen. Unter den heute verfügbaren Technologien haben sich MEMS-Beschleunigungsaufnehmer dank ihrer Präzision, Robustheit und Vielseitigkeit zu einer führenden Lösung entwickelt.

Was ist ein MEMS-Beschleunigungsaufnehmer?

MEMS steht für Micro Electro Mechanical Systems (mikroelektromechanische Systeme), miniaturisierte mechanische und elektrische Komponenten, die auf einem Siliziumsubstrat aufgebaut sind.

Ein MEMS-Beschleunigungsaufnehmer ist ein Sensor, der lineare Beschleunigung, Schwerkraft und Schwingungen mithilfe von mikromechanisch bearbeiteten Strukturen misst, die in elektronische Schaltkreise integriert sind.

Einfach ausgedrückt, kombiniert er:

• ein mechanisches Element, das sich als Reaktion auf Beschleunigung bewegt,

• und einen elektrischen Schaltkreis, der diese Bewegung in ein elektrisches Signal umwandelt.

Diese kompakten Halbleiterbauelemente finden sich in unzähligen Geräten, von Smartphones und Drohnen bis hin zu Satelliten und industriellen Überwachungssystemen.

Wie funktioniert ein MEMS-Beschleunigungsaufnehmer?

Das Funktionsprinzip eines MEMS-Beschleunigungsaufnehmers basiert auf der Massenverschiebung unter Beschleunigung. Wenn eine Kraft auf den Sensor einwirkt, bewegt sich eine winzige Prüfmasse (auch seismische Masse genannt) relativ zum Rahmen des Sensors. Diese Bewegung verändert eine messbare physikalische Größe, üblicherweise Kapazität oder Widerstand, je nach Sensortyp.

Es gibt zwei Haupttypen von MEMS-Beschleunigungsaufnehmern:

• Kapazitive MEMS-Beschleunigungsaufnehmer

  Diese verwenden eine Reihe von mikromechanisch bearbeiteten Platten, die Kondensatoren bilden. Bei einer Beschleunigung ändert sich der Abstand zwischen diesen Platten, was den Kapazitätswert verändert. Die Elektronik des Sensors misst diese Änderung und wandelt sie in einen Beschleunigungswert um.

  → Diese Technologie bietet ein hervorragendes Rauschverhalten bei niedrigen Frequenzen und ist ideal für statische und quasistatische Messungen.

• Piezoresistive MEMS-Beschleunigungsaufnehmer

  Diese basieren auf kleinen Widerständen, die in eine verformbare Struktur eingebettet sind. Wenn sich die Struktur unter Beschleunigung biegt, ändert sich der Widerstand proportional zur einwirkenden Kraft.

  → Sie werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, die starke Stöße oder dynamische Bewegungen beinhalten, da sie weniger empfindlich gegenüber DC-Verschiebungen sind.

Beide Technologien wandeln mechanische Bewegung in ein elektrisches Signal um, aber kapazitive MEMS-Beschleunigungsaufnehmer eignen sich besonders für die niederfrequente Schwingungsüberwachung, eine zentrale Anforderung im Bau- und Ingenieurwesen.

Warum die MEMS-Technologie in der industriellen Schwingungsüberwachung so wichtig ist

In industriellen Umgebungen ist die Schwingungsüberwachung oft mit rauen Bedingungen verbunden: hohe Luftfeuchtigkeit, Temperaturschwankungen, elektromagnetische Störungen und große Kabellängen. Herkömmliche Labor-Beschleunigungsaufnehmer sind zwar präzise, aber für einen solchen Einsatz oft zu empfindlich oder zu teuer.

Hier machen MEMS-Beschleunigungsaufnehmer wie die Recovib® Beschleunigungsaufnehmer von Micromega Dynamics den Unterschied.

Sie schließen die Lücke zwischen Laborpräzision und industrieller Robustheit.

Hauptvorteile von MEMS-Beschleunigungsaufnehmern

• Breiter Frequenzbereich, von DC bis zu hohen Frequenzen, was sowohl die Strukturüberwachung als auch die dynamische Maschinensteuerung ermöglicht.

• Niedriges Grundrauschen, sorgt für stabile, genaue Messwerte auch bei niederfrequenten Phänomenen.

• Mehrere Ausgabeoptionen, Spannung, Differenzspannung oder 4 bis 20 mA Stromschleife für die Signalübertragung über große Entfernungen.

• Galvanische Trennung, verhindert Störungen und Signalverschlechterung in großen Anlagen.

• Hoher Schutz (IP67), beständig gegen Staub, Feuchtigkeit und anspruchsvolle Feldbedingungen.

• Robuste Materialien, Gehäuse aus Edelstahl oder Aluminium für langfristige Zuverlässigkeit.

Diese Eigenschaften machen MEMS-Beschleunigungsaufnehmer für eine Vielzahl von Branchen geeignet, von Transport und Energie bis hin zu Bauwesen, Halbleiterfertigung und Astronomie.

Interne Signalaufbereitung und Datenintegrität

Im Gegensatz zu einfachen Sensoren, die eine externe Signalaufbereitung erfordern, integrieren die Recovib® Beschleunigungsaufnehmer diese Funktionalität direkt in den Sensor.

Diese interne Aufbereitung gewährleistet:

• eine stabile Verstärkung und Filterung von Schwingungssignalen,

• minimale externe Störungen,

• und eine zuverlässige Übertragung auch über Kabellängen von mehr als 150 m.

In elektrisch stark gestörten Industrieumgebungen garantiert diese Integration Signalintegrität und wiederholbare Genauigkeit, die für Ingenieure unerlässlich sind, die auf datengesteuerte Entscheidungen angewiesen sind.

MEMS im Vergleich zu anderen Beschleunigungsaufnehmer-Technologien

Im Vergleich zu piezoelektrischen oder kapazitiven Nicht-MEMS-Beschleunigungsaufnehmern bieten MEMS-Designs mehrere strategische Vorteile:

• Sie können statische oder sehr niederfrequente Beschleunigungen messen, sogar in der Nähe von 0 Hz (DC).

• Sie sind kostengünstig und behalten gleichzeitig einen flachen Frequenzgang bei.

• Sie ermöglichen eine Miniaturisierung und eine einfache Integration in elektronische Systeme und Datenplattformen.

Kurz gesagt, MEMS-Beschleunigungsaufnehmer bieten einen hervorragenden Kompromiss zwischen Leistung, Haltbarkeit und Erschwinglichkeit, was ihre weite Verbreitung in allen Branchen erklärt.

Erfahren Sie mehr über MEMS im Vergleich zu piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern.

Praktische Anwendungen

MEMS-Beschleunigungsaufnehmer werden überall dort eingesetzt, wo Schwingungen oder Bewegungen überwacht, gesteuert oder analysiert werden müssen. Typische Beispiele sind:

• Überwachung von Schwingungen in der Nähe von empfindlichen Strukturen (Krankenhäuser, Museen, historische Denkmäler).

• Strukturüberwachung bei Brücken, Tunneln und Gebäuden.

• Zustandsüberwachung für Pumpen, Turbinen und rotierende Maschinen.

• Schwingungsanalyse in Systemen der Schifffahrt, Eisenbahn sowie Luft- und Raumfahrt.

• Präzisionsüberwachung in der Halbleiterfertigung oder bei astronomischen Instrumenten.

In diesen Kontexten ermöglichen Geräte wie die Recovib® MEMS-Beschleunigungsaufnehmer Ingenieuren, Schwingungsdaten mit Zuversicht zu messen und zu interpretieren, selbst in anspruchsvollen Umgebungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein MEMS-Beschleunigungsaufnehmer ein kompakter, robuster und präziser Sensor ist, der Beschleunigungen über einen weiten Frequenzbereich messen kann.

Für die industrielle Schwingungsüberwachung und Niederfrequenzanwendungen erweist sich die kapazitive MEMS-Technologie als die optimale Wahl, da sie Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz vereint.