Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Breitbandiger, adaptierbarer, dreiachsiger MEMS-Beschleunigungssensor mit integrierter Ausleseschaltung für Industrie 4.0 Anwendungen

Ziel des Projektes ist die Implementierung eines breitbandigen, adaptierbaren, dreiachsigen MEMS-Beschleunigungssensors mit integrierter Ausleseschaltung für Industrie 4.0 Anwendungen. Eine hohe Auflösung innerhalb einer Signalbandbreite von 20 kHz prädestiniert den Sensor für die Zustandsüberwachung. Hierbei sorgt eine Adaptierbarkeit des Messbereichs, der Messbandbreite und des Ausgangsfilters für eine vielseitige Anwendbarkeit. Ein geringer Stromverbrauch gewährleistet darüber hinaus den Einsatz in energieautonomen Systemen. Breitbandige und hochauflösende Vibrationsmessungen werden durch Verwendung eines energieeffizienten Ausleseprinzips, den Betrieb des Sensors in einer Delta-Sigma Regelschleife, ermöglicht. Hierbei werden speziell für den geregelten Betrieb ausgelegte Sensorelemente mit erhöhter Sensitivität und reduziertem Rauschen eingesetzt, wobei die hohe Bandbreite durch sorgfältige Auslegung der höheren Sensormoden adressiert wird. Die digitale Konfigurierbarkeit der Rückkopplung und des Dezimationsfilters befähigen zur applikationsspezifischen Anpassung des Systems.

An Hand der Implementierung eines Funktionsmusters bestehend aus Sensorelement mit integrierter Auswerteelektronik und diskretem Mikrokontroller inklusive Funkschnittstelle wird die Machbarkeit des Vorhabens belegt. Die deutsche Branche für Sensorik und Messtechnik mit über 2000 KMU profitiert unmittelbar von der Bereitstellung des Sensors. Aufgrund seiner wirtschaftlichen und technischen Vorteile besitzt das System das Potential, derzeit eingesetzte piezoelektrische Sensoren zu ersetzen und bisher nicht erschließbare Überwachungsanwendungen, insbesondere drahtlose Applikationen, zu ermöglichen. KMU aus den Bereichen Maschinen- und Fahrzeugbau können ihre Produkte ab Werk mit den Systemen ausrüsten, um sie attraktiver zu gestalten. KMU aus den Gebieten Produktion, Verkehr, Versorgung und Ressourcen können die Vorteile einer Zustandsüberwachung ohne hohe Investitionskosten wahrnehmen.

Ergebniszusammenfassung:

Das Vorhaben zielte auf die Bereitstellung von MEMS-Beschleunigungssensoren (MEMS-BS) für die Maschinen- und Werkzeugüberwachung im Industrie-4.0 Umfeld als Hauptanwendung. Durch die Umsetzung mittels MEMS- und ASIC-Technologien sowie einer Delta-Sigma Regelschleife können die erforderlichen hohen Bandbreiten mit hohem Dynamikumfang bei geringem Energieverbrauch erzielt werden. Im Gegensatz zu bestehenden energieintensiven Lösungen ermöglicht dieser Ansatz insbesondere die Realisierung smarter drahtloser Beschleunigungssensorknoten. Nicht nur aufgrund geringerer Herstellungskosten und Baugrößen besitzt die MEMS-Sensorik daher hohes Potential, die Verbreitung der Vibrationsüberwachung von Maschinen und Werkzeugen weiter voran zu treiben.

Folgende Ergebnisse wurden im Laufe des Projektes erzielt:

• Es wurden speziell für den Closed-Loop Betrieb optimierte, einachsige MEMS-BS entworfen und hergestellt.

• Ein Verfahren zur Stabilisierung des breitbandigen Closed-Loop Betriebs von MEMS-BS wurde entwickelt.

• Eine diskrete Prototypenplattform zur Evaluierung von Delta-Sigma MEMS-BS wurde entworfen und aufgebaut.

• Die Funktionalität des Konzeptes konnte mittels gefertigtem MEMS-BS und Schaltungsumsetzung auf der Prototypenplattform nachgewiesen werden.

Folgende Ergebnisse wurden nicht erzielt:

• Die Ausleseschaltung wurde nicht in einem ASIC realisiert.

• Es wurde kein dreiachsiger MEMS-BS implementiert.

• Es wurde keine Funkschnittstelle umgesetzt.

Da die Ausleseschaltung auf einer diskreten Prototypenplattform realisiert ist, kann das Projektergebnis in vorliegender Form nur eingeschränkt direkt in eine Anwendung umgesetzt werden. Für eine breite Kommerzialisierung ist noch eine Überführung der Ergebnisse in ein ASIC erforderlich, um Baugröße, Leistungsaufnahme und Herstellungskosten zu senken. Eine Implementierung dreiachsiger Sensorelemente ist mit dem eingesetzten Herstellungsprozess möglich.