Was ist ein MEMS-Beschleunigungsmesser und wie funktioniert er?

In vielen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen ist die genaue Messung von Schwingungen und Bewegungen unerlässlich. Ob bei der Überwachung der strukturellen Integrität einer Brücke, des Fundaments einer Windturbine oder einer Präzisionswerkzeugmaschine – Ingenieure verlassen sich auf Beschleunigungssensoren, um Beschleunigung, Stöße und Vibrationen zu messen. Zu den verschiedenen Technologien, die heute verfügbar sind, MEMS-Beschleunigungssensoren dank ihrer Präzision, Robustheit und Vielseitigkeit zu einer führenden Lösung geworden.

Was ist ein MEMS-Beschleunigungsmesser?

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

Ein MEMS-Beschleunigungsmesser ist ein Sensor, der lineare Beschleunigung, Schwerkraft und Vibrationen mit Hilfe von mikrobearbeiteten mechanischen Strukturen misst, die in elektronische Schaltungen integriert sind.

Einfach ausgedrückt: Es kombiniert:

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

• und eine elektrische Schaltung, die diese Bewegung in ein elektrisches Signal umwandelt.

Diese kompakten Solid-State-Geräte finden sich in allen möglichen Geräten, von Smartphones und Drohnen bis hin zu Satelliten und industriellen Überwachungssystemen.

Wie funktioniert ein MEMS-Beschleunigungsmesser?

Das Funktionsprinzip eines MEMS-Beschleunigungssensors basiert auf der Massenverschiebung bei 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, in der Regel die Kapazität oder den Widerstand, je nach Sensortyp.

Es gibt zwei Haupttypen von MEMS-Beschleunigungsmessern:

• Kapazitive MEMS-Beschleunigungsmesser

  Diese verwenden eine Reihe von mikrobearbeiteten Platten, die Kondensatoren bilden. Bei einer Beschleunigung ändert sich der Abstand zwischen diesen Platten, wodurch sich der Kapazitätswert ändert. Die Elektronik des Sensors misst diese Veränderung und setzt sie in einen Beschleunigungswert um.

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

• Piezoresistive MEMS-Beschleunigungssensoren

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

  → Sie werden in der Regel bei Anwendungen mit starken Erschütterungen oder dynamischen Bewegungen eingesetzt, da sie weniger empfindlich auf Gleichstromverschiebungen reagieren.

Beide Technologien wandeln mechanische Bewegungen in ein elektrisches Signal um, aber kapazitive MEMS-Beschleunigungsmesser eignen sich besonders für die Überwachung niederfrequenter Schwingungen – eine wichtige Anforderung im Hoch- und Tiefbau.

Warum MEMS-Technologie für die industrielle Schwingungsüberwachung wichtig ist

In industriellen Umgebungen ist die Überwachung von Schwingungen oft mit rauen Bedingungen verbunden: hohe Luftfeuchtigkeit, Temperaturschwankungen, elektromagnetische Störungen und lange Kabelwege. Herkömmliche Labor-Beschleunigungssensoren sind zwar präzise, aber oft zu zerbrechlich oder zu teuer für solche Anwendungen.

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

Sie schließen die Lücke zwischen Präzision in Laborqualität und industrieller Robustheit.

Die wichtigsten Vorteile von MEMS-Beschleunigungsmessern

• Breiter Frequenzbereich – Von Gleichstrom 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 Ausgangsoptionen – Spannung, Differenzspannung oder 4-20 mA Stromschleife für die Signalübertragung über große Entfernungen.

• Galvanische Isolierung – Verhindert Interferenzen und Signalverschlechterung bei großen Installationen.

• Hoher Schutz (IP67) – Widerstandsfähig gegen Staub, Feuchtigkeit und anspruchsvolle Einsatzbedingungen.

• Robuste Materialien – Gehäuse aus rostfreiem Stahl oder Aluminium für langfristige Zuverlässigkeit.

Dank dieser Eigenschaften eignen sich MEMS-Beschleunigungsmesser für eine Vielzahl von Branchen – von Transport und Energie bis hin zu Bauwesen, Halbleiterherstellung und Astronomie.

Interne Signalkonditionierung und Datenintegrität

Im Gegensatz zu einfachen Sensoren, die eine externe Signalaufbereitung benötigen, ist diese Funktion bei Recovib®-Beschleunigungsmessern direkt in den Sensor integriert.

Diese interne Konditionierung gewährleistet:

• stabile Verstärkung und Filterung von Vibrationssignalen,

• minimale Störungen von außen,

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

In elektrisch verrauschten Industrieumgebungen garantiert diese Integration Signalintegrität und wiederholbare Genauigkeit – unverzichtbar für Ingenieure, die auf datengesteuerte Entscheidungen angewiesen sind.

MEMS im Vergleich zu anderen Beschleunigungsmessertechnologien

Im Vergleich zu piezoelektrischen oder kapazitiven nicht-MEMS-Beschleunigungssensoren 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 haben einen flachen Frequenzgang.

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

Kurz gesagt, MEMS-Beschleunigungssensoren bieten einen ausgezeichneten Kompromiss zwischen Leistung, Haltbarkeit und Erschwinglichkeit – was ihre weite Verbreitung in der Industrie erklärt.

Erfahren Sie mehr über MEMS vs. piezoelektrische Beschleunigungssensoren.

Praktische Anwendungen

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

• Überwachung von Vibrationen in der Nähe empfindlicher Strukturen (Krankenhäuser, Museen, historische Denkmäler).

• Überwachung des baulichen Zustands von Brücken, Tunneln und Gebäuden.

• Zustandsüberwachung für Pumpen, Turbinen und rotierende Maschinen.

• Vibrationsanalyse in der Schifffahrt, im Schienenverkehr und in der Luft- und Raumfahrt.

• Präzisionsüberwachung in der Halbleiterfertigung oder bei astronomischen Instrumenten.

In diesem Zusammenhang ermöglichen Geräte wie die Recovib® MEMS-Beschleunigungssensoren Ingenieuren die zuverlässige Messung und Interpretation von Vibrationsdaten – selbst in schwierigen Umgebungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein MEMS-Beschleunigungsmesser ein kompakter, robuster und präziser Sensor ist, der die Beschleunigung in einem breiten Frequenzbereich messen kann.

Für die industrielle Schwingungsüberwachung und Niederfrequenzanwendungen ist die kapazitive MEMS-Technologie die optimale Wahl – sie vereint Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz.