MEMS

Jan 20, 2024

Elektrische Schalter aller Art aktivieren Schaltkreise, senden Informationen und lösen Aktionen aus. Ein Trägheitsschalter ist ein Schalter, der bei einer bestimmten Beschleunigungsschwelle aktiviert wird. Es wird kein Strom verbraucht, bis der Schalter durch das entsprechende Ereignis „aufgeweckt“ wird, was ihn ideal für Ultra-Low-Power- (ULP) und Remote-Anwendungen macht.

Miniaturisierte Sensorherstellungsprozesse ermöglichen die Konstruktion eines Schalters, der durch eine bestimmte Trägheitskraft ausgelöst wird. Mithilfe mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) können Miniatur-Beschleunigungsschalter so konstruiert werden, dass sie einen Stromkreis ausschließlich auf der Grundlage eines voreingestellten Kraftniveaus schließen, dem das Gerät ausgesetzt ist. Typischerweise als Trägheits- oder G-Schalter bezeichnet, nutzt er eine Prüfmasse, die an einer Feder aufgehängt ist und als bewegliche Elektrode fungiert. Der Kontaktpunkt ist eine stationäre Elektrode. Wenn eine Trägheitskraft auf das Gerät ausgeübt wird, bewegt sich die Prüfmasse in Richtung der stationären Elektrode. Wenn die Kraftgröße und -dauer ausreichend ist, berührt die bewegliche Elektrode die stationäre Elektrode und schließt kurzzeitig den Stromkreis. Der Stromkreis wird dann durch die Feder (k) wieder geöffnet (siehe Abb. 2).

Heutzutage sind zahlreiche Trägheitsschalter für ein breites Anwendungsspektrum im Einsatz, und viele verschiedene Techniken können verwendet werden, um eine Elektrodenkonfiguration abhängig von den gewünschten Leistungsmerkmalen und Aktivierungsschwellenwerten zu realisieren. Zu den wichtigsten Parametern eines Trägheitsschalters gehören die Reaktionszeit, die Kontaktzeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße. Die Reaktionszeit ist die Zeitverzögerung vom Beginn des Trägheitsereignisses bis zur ersten Berührung der beweglichen Elektrode mit der stationären Elektrode. Die Kontaktzeit gibt an, wie lange die beiden Elektroden den Kontakt aufrechterhalten. Die Stoßfestigkeit ist ein Maß für die maximale Stoßbelastung, der das Gerät standhalten kann. Jede dieser Eigenschaften kann basierend auf der Topographie des Geräts, der Gestaltung der Federmasse-Elektrodenkonfiguration und den ausgewählten Materialien gesteuert werden.

Das Design des Schalters richtet sich nach den Anforderungen der Anwendung – beispielsweise erfordert ein Airbag-Schalter eine sofortige Reaktionszeit. Andererseits kann die Dauer der Kontaktzeit die entscheidende Variable sein, um sicherzustellen, dass ein tatsächliches Trägheitsereignis und nicht irrelevantes Rauschen aufgetreten ist. Dies ist besonders wichtig bei Bedingungen mit niedrigeren g-Kräften.

Da die Grundfunktion des Schalters darin besteht, kurzzeitig zu schließen, wird der Stromkreis ausgeschaltet, sobald die Feder die Prüfmasse zurückzieht. Die ausgelösten Funktionen hängen vom restlichen Schaltungsdesign und dem gewünschten Ergebnis beim Auslösen der Schaltung ab.

Trägheitsschalter eignen sich ideal für folgende Funktionen:

Wacherkennungeinen Prozess einleiten.

Schockerkennungum eine Sicherheitsschaltung auszulösen oder einen Prozess zu beenden.

Prozessüberwachungum Trägheitsereignisse zu zählen.

In einer Situation, in der Sie lediglich eine Warnung erhalten möchten, dass zu irgendeinem Zeitpunkt in der Vergangenheit eine Beschleunigungsschwelle überschritten wurde, wäre eine mechanische Verriegelungsvorrichtung erforderlich. In diesem Fall würde anstelle einer vorübergehenden Auslösung des Stromkreises die Konstruktion des einrastenden Trägheitsschalters verhindern, dass die Feder die Prüfmasse umkehrt, und den Kontaktschluss mit der stationären Elektrode aufrechterhalten. Der Schwellenwert kann beispielsweise hoch genug eingestellt werden, um eine Alarmierung bei einer normalen Bewegung (z. B. einem tragbaren EKG-Gerät, das auf einem Wagen drängelt) zu vermeiden. Bei Stößen oberhalb des Schwellenwerts wird eine Warnung wie etwa ein LED-Licht ausgelöst, um den Benutzer darauf aufmerksam zu machen, dass er die Kalibrierung erneut überprüfen sollte.

Das Zählen von Ereignissen kann durch Hochzählen eines Registers für jeden hergestellten Kontakt erfolgen. Diese Informationen können anzeigen, wie oft ein Gerät den gewünschten Beschleunigungsschwellenwert überschritten hat. Zum Beispiel ein intelligenter Motor, der die Anzahl der Trägheitsereignisse über einem festgelegten Sicherheitsparameter zählt.

Ein Anwendungsfall, der die Funktionalität eines Trägheits-G-Schalters veranschaulicht, ist ein Wecksystem zur Überwachung von Fracht während des Transports. Wenn ein LKW auf eine unebene Straße stößt und seine Ladung einer Stoßbelastung über einem Schwellenwert ausgesetzt ist, trifft die bewegliche Elektrode auf die stationäre Elektrode und aktiviert den Stromkreis. Dadurch wird ein Impulssignal ausgelöst, um den Fahrer darauf aufmerksam zu machen, dass möglicherweise ein Schaden an der Fracht entstanden ist. (Siehe Abb. 3)

Zu den weiteren zur Trägheitskrafterkennung verwendeten Technologien gehören piezoelektrische Materialien, elektrostatische Konfigurationen und Beschleunigungsmesser.

Piezoelektrische Geräte eignen sich ideal für schallbasierte Anwendungen wie Vibrationssensoren, Lautsprecher, Mikrofone und Mobiltelefone. Aufgrund der anziehenden/abstoßenden Natur elektrostatischer Kräfte eignen sie sich für Luftreiniger/-filter, Fotokopierer und Laserdrucker. Beide haben jedoch den Nachteil, dass für den Betrieb eine kontinuierliche Stromversorgung erforderlich ist.

Beschleunigungsmesser werden in Anwendungen von der Smartphone-Orientierung bis hin zu biometrischen Geräten wie Herzschrittmachern eingesetzt. Der Aufbau eines Beschleunigungsmessers ähnelt insofern dem Trägheits-G-Schalter, als er die Bewegung einer Prüfmasse zur Berechnung von Kraft und Richtung nutzt. Beschleunigungsmesser müssen jedoch kontinuierlich mit Strom versorgt werden, um ihre Funktion der Überwachung, Erfassung und Übertragung von Daten erfüllen zu können.

Der stromlose Trägheitsschalter bietet den Vorteil, dass er bis zur Aktivierung durch ein Signal keinen Strom verbraucht und eine überlegene Haltbarkeit in extremen Umgebungen bietet.

Fortschrittliche Bearbeitungsmöglichkeiten, die aus der MEMS-Technologie entwickelt wurden, haben es Konstrukteuren ermöglicht, bestehende Anwendungen kleiner und energieeffizienter zu machen und Anwendungen der nächsten Generation wie medizinische Wearables und VR-Gaming zu inspirieren. Hier sind nur einige zusätzliche Bereiche, die vom Zero-Power-G-Switch profitieren könnten:

High Aspect Ratio Manufacturing (HARM), bei dem die vertikalen Abmessungen größer als die lateralen Abmessungen sind, erschwert die Herstellung von Miniaturgeräten wie dem Trägheitsschalter. Mit der Weiterentwicklung der Mikrofertigungstechniken sind MEMS-Geräte jedoch für viele kommerzielle Anwendungen leichter verfügbar geworden. Die passive Natur des Mikroschalters ermöglicht Verbesserungen in vielen mobilen Anwendungen, bei denen Miniaturisierung und geringer Stromverbrauch erforderlich sind.

Dieser Artikel wurde von Danny Czaja, CEO, HT Micro (Albuquerque, NM) verfasst. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Herrn Czaja unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Um es anzuzeigen, muss JavaScript aktiviert sein. oder besuchen Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Mai-Ausgabe 2023 des Sensor Technology Magazine.

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