{"id":5174,"date":"2026-05-14T10:00:00","date_gmt":"2026-05-14T08:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/?p=5174"},"modified":"2026-05-18T06:46:23","modified_gmt":"2026-05-18T04:46:23","slug":"mems-3-achsen-beschleunigungssensoren-teil-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/mems-3-achsen-beschleunigungssensoren-teil-2\/","title":{"rendered":"Innovative Bauteile (Teil 2): MEMS-3-Achsen-Beschleunigungssensoren"},"content":{"rendered":"\n

Innovative Bauteile kurz beleuchtet (Teil 2)<\/strong><\/p>\n\n\n\n

MEMS-3-Achsen-Beschleunigungssensoren<\/h1>\n\n\n\n

Das Entwicklerteam von ELV und eQ-3 mit ca. 90 Entwicklern konstruiert j\u00e4hrlich bis zu 120 neue Produkte inklusive Weiterentwicklungen und Produktanpassungen. Internationale Bauteilehersteller informieren uns laufend \u00fcber aktuelle Bauteile und innovative Sensoren. An diesem Wissen m\u00f6chten wir Sie gerne teilhaben lassen. Wir stellen Ihnen spannende elektronische Bauteile mit umfassendem Hintergrundwissen, Datenbl\u00e4ttern und Anwendungsbeispielen vor. In diesem Beitrag geht es um MEMS-3-Achsen-Beschleunigungssensoren – winzig, genau und vielseitig.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Die MEMS-Technologie<\/h2>\n\n\n\n

Wenn es um die Miniaturisierung mechanischer Strukturen geht, hat die klassische Feinwerktechnik schon seit Jahrzehnten ihre Grenzen erreicht. Sie erm\u00f6glicht zwar die Herstellung von Strukturen mit Abmessungen bis in den Sub-Millimeterbereich (1 mm = 10-3<\/sup> m), was aber f\u00fcr die Kombination mit halbleiterbasierter Mikroelektronik noch um Gr\u00f6\u00dfenordnungen zu gro\u00df ist.<\/p>\n\n\n\n

Um die Sub-Mikrometer- bis Nanometerabmessungen elektronischer Halbleiterstrukturen denen der mit ihnen zusammenarbeitenden mechanischen Komponenten anzugleichen, m\u00fcssen durchgehend die bei der Chipherstellung eingesetzten Methoden zum Einsatz kommen. Dann lassen sich mechanische Komponenten wie Zahnr\u00e4der, K\u00e4mme, Hebel, Federn, Lager usw. mit Mikroelektronik auf Siliziumchips gemeinsam schaffen und zu einem MEMS (Micro Electro Mechanical System = mikro-elektromechanisches System) kombinieren.<\/p>\n\n\n\n

Durch das Zusammenwirken von Lithografie, Material aufdampfen (deposition) durch Sputtern, Maskieren, Material entfernen (etching) durch \u00c4tzen, Oxidation und vielen weiteren Prozessschritten, entstehen auf einem Halbleiterwafer komplexe, extrem miniaturisierte Systeme f\u00fcr enorm vielf\u00e4ltige, sich st\u00e4ndig erweiternde Anwendungsbereiche.<\/p>\n\n\n\n

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MEMS sind in Automobilbau, Medizintechnik, Elektronik, Kommunikation, Halbleitern, Luft- und Raumfahrt und vielen mehr anzutreffen. MEMS-Produkte werden heute in Airbagsensoren, Tintenstrahldruckk\u00f6pfen, Lese- und Schreibk\u00f6pfen von Computerfestplatten, Projektionschips, optischen Schaltern, Mikroventilen, Blutdrucksensoren, Biosensoren, Lagereglungssystemen f\u00fcr Luft- und Raumfahrt und weiteren Ger\u00e4ten eingesetzt. Eine Vorstellung von der Feinheit mikromechanischer Strukturen zeigt Bild 1<\/mark> in einer elektronenmikroskopischen Aufnahme einer etwa 0,1 mm gro\u00dfen Milbe zusammen mit winzigen, mikromechanisch hergestellten Zahnr\u00e4dchen mit wenigen \u00b5m Durchmesser (Quelle: Sandia National Laboratories). Eine sch\u00f6ne Zusammenfassung zum Thema MEMS ist in der Themenwelt von Bosch<\/a> oder in Wikipedia<\/a> zu finden.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Bild 1: Der Gr\u00f6\u00dfenvergleich einer Hausmilbe mit mikromechanisch hergestellten Zahnr\u00e4dern demonstriert deren Winzigkeit im \u03bcm-Bereich.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Beschleunigung<\/h2>\n\n\n\n

Unter Beschleunigung a (a: acceleration) versteht man in der Physik, die Zu- oder Abnahme der Geschwindigkeit \u0394v (v: velocity, dim v: m\/s) eines K\u00f6rpers in einem gewissen Zeitintervall \u0394t (t: time), es wird also \u0394v\/\u0394t bestimmt. Weil die Geschwindigkeits\u00e4nderung \u0394v in m\/s (Meter\/Sekunde) gemessen wird und das Zeitintervall \u0394t die Einheit s (Sekunde) hat, ist die Einheit der Beschleunigung m\/s\u00b2 (Meter pro Quadratsekunde).<\/p>\n\n\n\n

Kennt man die Masse m (m: mass, dim m: kg) des beschleunigten K\u00f6rpers, kann man mithilfe des 2. Newtonschen Gesetzes F = m \u00b7 a die Kraft F (F: force, dim F: N) berechnen, die erforderlich ist, um dem Objekt mit der Masse m die Beschleunigung a [a: acceleration, dim a: m\/s\u00b2] zu erteilen.<\/p>\n\n\n\n

F = m \u00b7 a<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Beispiel: Die Masse eines Motorrades einschlie\u00dflich Fahrer, Beifahrer und Gep\u00e4ck betr\u00e4gt 500 kg. Welche Motorkraft ist erforderlich, um es in 10 Sekunden von 0 auf 80 km\/h zu beschleunigen?<\/p>\n\n\n\n

Antwort: Zun\u00e4chst 80 km\/h in m\/s umrechnen:<\/p>\n\n\n\n

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Diese Geschwindigkeits\u00e4nderung soll in 10 s erreicht werden, wof\u00fcr eine Beschleunigung von a = 2,22 m\/s\u00b2 erforderlich ist. Die Kraft in Newton [N] ist das Produkt aus Masse in kg und Beschleunigung in m\/s\u00b2, also<\/p>\n\n\n\n

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Die Beschleunigung ist eine vektorielle Gr\u00f6\u00dfe! Sie wird in einem dreidimensionalen Raum, der durch ein kartesisches Koordinatensystem (mit senkrecht aufeinander stehenden x-, y- und z-Achsen) beschrieben wird, als Pfeil dargestellt. Die Pfeilspitze zeigt in Richtung der Beschleunigung und die Pfeill\u00e4nge gibt die St\u00e4rke der Beschleunigung an (Bild 2)<\/mark>. Die vektorielle Eigenschaft wird durch einen nach rechts weisenden Pfeil \u00fcber dem Variablenbuchstaben gekennzeichnet, z. B. als a<\/strong> (acceleration = Beschleunigung).<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Bild 2: Der dreidimensionale Beschleunigungsvektor a ist die Summe von drei in die kartesischen Raumrichtungen weisenden Vektoren ax, ay und az.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Zur Definition eines kartesischen Vektors: Ein beliebig im Raum liegender Vektor a<\/strong> setzt sich aus der Summe der drei Teilvektoren a<\/strong>x, a<\/strong>y und a<\/strong>z zusammen, die jeweils in Richtung der x-, y- und z-Achse des Koordinatensystems zeigen. Durch Addition der skalaren Komponenten dieser Teilvektoren erh\u00e4lt man die richtungsbestimmenden Komponenten des Summenvektors a<\/strong>. Seine L\u00e4nge (Betrag) wird aus der Wurzel der Summe seiner Komponentenquadrate berechnet. Das Gesagte ist in dieser Gleichung zusammengefasst:<\/p>\n\n\n\n

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Sensorprinzip<\/h2>\n\n\n\n

Es gibt eine Vielzahl von Methoden, lineare Beschleunigungen messtechnisch zu erfassen. Eine besonders f\u00fcr die Integration in elektronische Systeme geeignete Form sind MEMS-Beschleunigungssensoren. Bei ihnen wird die Geschwindigkeitszunahme oder -abnahme durch die auf eine Testmasse wirkende Tr\u00e4gheitskraft bestimmt und in achsenbezogene Messwerte umgerechnet.<\/p>\n\n\n\n

Anhand von Bild 3<\/mark> soll das Prinzip eines kapazitiven Beschleunigungssensors mit MEMS-Technologie beschrieben werden. In Blau ist eine federnd aufgeh\u00e4ngte, leitende Kammstruktur mit nach oben und unten weisenden Zinkenreihen dargestellt. Diese beweglichen Zinken greifen in fest auf dem Halbleitersubstrat angebrachte, kammf\u00f6rmige Gegenstrukturen, mit denen sie zwei Kondensatoren bilden \u2013 einen oberen und einen unteren. Wird nun diese MEMS-Struktur quer zur Zinkenrichtung beschleunigt, bewirkt die Tr\u00e4gheit des beweglichen Doppelkamms, dass die zwischen den oberen Kammzinken ausgebildeten Kapazit\u00e4ten wegen des verringerten Zinkenabstands zunehmen und die zwischen den unteren Kammzinken wegen des vergr\u00f6\u00dferten Zinkenabstands abnehmen \u2013 oder umgekehrt. Gem\u00e4\u00df der Gleichung Q = C \u00b7 U \u00e4ndert sich die in den beiden Kondensatoren gespeicherte Ladung proportional zur Kapazit\u00e4tsver\u00e4nderung, was sich messtechnisch auswerten l\u00e4sst.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 3: Die Tr\u00e4gheit einer elastisch aufgeh\u00e4ngten leitf\u00e4higen Kammstruktur bewirkt Kapazit\u00e4ts\u00e4nderungen gegen\u00fcber den Zinken einer fest auf dem Chipsubstrat verankerten Kammstruktur<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

F\u00fcr eine vollst\u00e4ndige Ermittlung der x-, y- und z-Komponenten des r\u00e4umlichen Beschleunigungsvektors a<\/strong> wirken drei orthogonal orientierte MEMS-Strukturen gem\u00e4\u00df Bild 3<\/mark> f\u00fcr die Raumrichtungen zusammen. Bild 4<\/mark> zeigt stark vereinfacht das Blockschaltbild einer m\u00f6glichen Messanordnung.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 4: Die Ladungsver\u00e4nderungen auf den Zinken der Kammstrukturen werden im I2C- oder SPI-Format als 12-Bit-Werte ausgegeben.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Einsatzgebiete<\/h2>\n\n\n\n

MEMS-3-Achsen-Beschleunigungssensoren finden vielf\u00e4ltigen Einsatz<\/p>\n\n\n\n