Entwurf und Realisierung eines Beschleunigungssensorsystems auf der Basis von in Silizium integrierter Mikromechanik für die besonderen Anforderungen bei Schwerlasthandhabungssystemen

Während bis vor einigen Jahren Beschleunigungssensoren lediglich für seismische Messungen oder in der Luft- und Raumfahrt verwendet wurden, erschließen sie nunmehr immer neue Arbeitsfelder. Zu nennen wäre da zum Beispiel die Überwachung von Maschinen und deren Diagnose. Auch im Automobilsektor haben Beschleunigungssensoren längst ihre Arbeit aufgenommen, zum Auslösen eines Airbags oder Detektieren im Zusammenspiel mit anderen Sensoren Fahrzustände für eine Fahrsicherheitsregelung. Im Bereich großer Maschinen allerdings ist der Einsatz von Beschleunigungssensoren bislang kaum oder überhaupt nicht untersucht worden. Gerade aber die Mikromechanik bietet hier entscheidene Vorteile. Mikromechanische Beschleunigungssensoren mit On-Chip-Signalverarbeitung können die benötigten Informationen noch im Sensor selbst erfassen und in ein störungssicheres Datenformat umsetzen, die dann an zum Beispiel einen Bediener oder steuernden Rechner übermittelt wird. Außerdem können mikromechanische Sensoren in Batch-Fertigung hergestellt werden, was sich positiv auf die entstehenden Kosten auswirkt, ohne eine gleichzeitige Einbuße der Performance zu verursachen. Es wurde ein Sensorsystem entwickelt, daß den speziellen Anforderungen bei Schwerlasthandhabungssystemen genügt. Es erfolgte eine Anpassung der Sensorstruktur, die auf die Beschleunigungswerte eines Schwerlasthandhabungssystems zugeschnitten ist. Außerdem wird eine neuartige, nahezu rein digitale Auswertungsschaltung erstellt, die es erlaubt, nicht nur hochgenaue Beschleunigungsdaten zu erfassen, sondern darüber hinaus auch Schockbeschleunigungen zu erkennen, wie sie zum Beispiel bei einer Kollision eines Großmanipulators mit seiner Umwelt auftreten. Erste Messungen mit den gefertigten Sensorstrukturen und der Ausleseelektronik unterstreichen dann die Performance des entwickelten Systems.

In the past, acceleration sensors have mostly been used for measurements of earthquakes or in aerospace applications. In recent years they have found new applications in the fields of machine monitoring and diagnostic. The automobile sector is another new application area for acceleration sensors, e.g. as a colision sensor for airbags or for driving safety control systems. The application of acceleration sensors in heavy and large machines has not been researched yet. Silicon micromechanic delivers decisive advantages. Micromechanic acceleration sensors with on-chip readout circuits can detect small signals and translate them into an interference-proof signal, such as a digital data format. Micromechanical sensors are produced in batch fabrication, with low cost and consistently high performance. In this work a sensor system has been developed that meets the special requirements of heavyload manipulation systems. The geometrical structure of the sensor has been adapted to the acceleration range of large manipulators. In addition, a new almost exclusively digital readout circuit has been developed. This special circuit allows the measurement of high precision accelerations during regular operation, but can also detect very high accelerations (shock), e.g. those generated by the collision of the manipulator with another object. First measurements of the fabricated sensorstructures and the readout circuit demonstrate the performance of the design.