Bewegungssensoren im Klimatest

Wie beeinflusst die Temperatur die Messgenauigkeit von Bewegungssensoren? Forschende untersuchten dies mit dem BINDER Wechselklimaschrank MKF 115.

Wenn kleinste Messfehler zählen: Bewegungssensoren im Klimatest

Wie zuverlässig arbeiten Bewegungssensoren bei unterschiedlichen Temperaturen? Forschende der Technischen Universität Łódź untersuchten diese Frage mithilfe eines BINDER Wechselklimaschranks MKF 115. Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung präziser Sensoren, die unter anderem in medizinischen Anwendungen eingesetzt werden können.

Versuchsaufbau: Testplatine mit MEMS-Beschleunigungssensor und Ausleseelektronik im BINDER
Wechselklimaschrank MKF 115 E4.

Winzige Sensoren mit großen Aufgaben

Beschleunigungssensoren stecken heute in Smartphones, Fahrzeugen und zahlreichen tragbaren Geräten. Sie erkennen Bewegungen, Lageveränderungen und Erschütterungen. Auch in der Medizin können sie wertvolle Informationen liefern, beispielsweise bei der Untersuchung von Gleichgewichtsstörungen.

Im Rahmen des polnischen Forschungsprojekts InnoReh entwickelten Wissenschaftler der Technischen Universität Łódź einen eigenen dreidimensionalen Beschleunigungssensor. Dieser sollte perspektivisch dabei helfen, Körperbewegungen und die Gleichgewichtskontrolle von Patienten zu erfassen.

Der entwickelte MEMS-Sensor ist nur wenige Millimeter groß und arbeitet mit winzigen beweglichen Strukturen, deren Bewegungen in elektrische Signale umgewandelt werden.

Bei ersten Untersuchungen zeigte sich allerdings ein Problem: Obwohl der Sensor die Anforderungen des Projekts erfüllte, waren die gemessenen Störsignale deutlich stärker als theoretisch erwartet. Die Forschenden wollten deshalb herausfinden, woher diese Abweichungen kamen und welchen Einfluss die Temperatur darauf hatte.

Temperaturprüfungen von −40 bis +100 °C

Für ihre Untersuchungen setzten die Wissenschaftler einen BINDER Wechselklimaschrank MKF 115 E4 ein.

Darin testeten sie verschiedene Kombinationen aus Sensorelement und Ausleseelektronik bei Temperaturen zwischen −40 °C und +100 °C. Die Temperatur wurde schrittweise gesenkt. Bei jedem Temperaturschritt von 1 °C erfassten die Forschenden jeweils 5.000 Messwerte. So ließ sich nachvollziehen, wie sich die Messsignale bei unterschiedlichen Temperaturen veränderten und welche Komponenten besonders empfindlich reagierten. Die Versuche zeigten unter anderem, dass das Messrauschen über den untersuchten Temperaturbereich um etwa 15 bis 20 Prozent zunahm.

Was die Forschenden herausfanden

Durch den Vergleich unterschiedlicher Versuchsanordnungen konnten die Wissenschaftler die Ursachen des Messrauschens genauer eingrenzen.

Die entscheidende Erkenntnis: Das Zusammenspiel zwischen dem eigentlichen Sensorelement und der Ausleseelektronik hatte einen wesentlich größeren Einfluss als zunächst angenommen.

Bestimmte elektrische Eigenschaften der winzigen Sensorstrukturen verstärkten das Rauschen im Ausleseschaltkreis. Für die weitere Entwicklung solcher Beschleunigungssensoren bedeutet das, dass insbesondere die Konstruktion des Sensorelements berücksichtigt werden muss. Die Ergebnisse helfen dabei, mögliche Fehlerquellen bereits während der Entwicklung besser zu erkennen und die Messqualität gezielt zu verbessern.

Kontrollierte Testbedingungen als Grundlage der Sensorentwicklung

Der Einsatz des BINDER MKF 115 ermöglichte es den Forschenden, das Verhalten ihrer Sensoren über einen großen Temperaturbereich systematisch zu untersuchen. Solche Prüfungen sind ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung empfindlicher elektronischer Bauteile. Sie zeigen, wie sich Messsignale unter wechselnden Umgebungsbedingungen verändern und wo konstruktive Verbesserungen sinnvoll sein können.

BINDER Wechselklimaschränke bieten hierfür definierte Temperaturbedingungen und ermöglichen reproduzierbare Untersuchungen an elektronischen Komponenten und Materialien.

Wissenschaftliche Quellen:

Originalquelle: Jankowski, M. et al. (2024): An Experimental Investigation of Noise Sources’ Contribution in the Multi-Chip Module Open-Loop Comb-Drive Capacitive MEMS Accelerometer. Electronics, 13(13), 2599.Jankowski, M. et al. (2024): An Experimental Investigation of Noise Sources’ Contribution in the Multi-Chip Module Open-Loop Comb-Drive Capacitive MEMS Accelerometer. Electronics, 13(13), 2599.

https://doi.org/10.3390/electronics13132599

Die Forschungsarbeit wurde an der Technischen Universität Łódź, Polen, durchgeführt und 2024 veröffentlicht.