Mouser German Blog

Kürzlich bekam ich in der Arbeit ein Notizheft geschenkt. Dieses Notizheft war cooler als die meisten anderen. Außen prangte unser Firmenlogo, und es war in Leder (oder Lederimitat) gebunden. So weit, so gut.

Als ich es öffnete, erwartete mich eine echte Überraschung. Das Papier war nicht wie üblich liniert oder jungfräulich weiß. Nein, ich blickte auf unzählige kleine Karos: ein Notizheft mit Millimeterpapier!

Galileo, Galileo

Dieses Geschenk versetzte mich in meine Highschool-Zeit vor einigen Jahrzehnten zurück, als ich meine Physikexperimente (in einem ähnlichen, wenn auch nicht so hübsch gebundenen Notizheft) festhielt. Im Physikunterricht wurden meine Klassenkameraden und ich dazu angehalten, berühmte Experimente der Vergangenheit nachzustellen. Eines davon war die schiefe Ebene des italienischen Universalgelehrten Galileo Galilei (1564–1642) mit starken und flachen Neigungswinkeln (Abbildung 1). Galileos Experiment trug dazu bei, das aristotelische Physikverständnis zu widerlegen, indem es bewies, dass sich Objekte aufgrund der Erdanziehungskraft gleichmäßig beschleunigen.

Abbildung 1: Illustration von Galileos Experiment an der schiefen Ebene mit starken und flachen Neigungswinkeln (Quelle: Mouser)

Mein Notizheft war übersät mit Messwerten für Massen (Gramm, g), Neigungswinkel (Θ), Sinus-Werte der Neigungen (sinΘ) und Zeitwerte (Sekunden, s). Auf dieselbe Art wurden viele Experimente durchgeführt, zum Beispiel auch Studien der Bewegungslehre nach Isaac Newton (1642–1727) und Nachweise von Gesetzen wie F (Kraft) = m (Masse) * a (Beschleunigung), kurz: F=ma. Unsere Aufgabe nach dem Sammeln aller Daten war es in der Regel, die in Tabellen auf der linken Heftseite zusammengestellten Daten in verschiedene Graphen und Funktionen eines kartesischen Koordinatensystems auf der rechten Heftseite zu übersetzen. 

X, Y und Z definieren

Das Koordinatensystem des französischen Mathematikers René Descartes (1596–1650) ermöglichte es, anhand eines numerischen Koordinatensatzes, der durch senkrecht zueinander stehende Achsen definiert ist (X-, Y- und Z-Achse genannt), Punkte in einem dreidimensionalen Feld eindeutig aufzuzeichnen. Algebra konnte nicht ohne Weiteres auf die Geometrie angewandt werden.

Die Technologie elektronischer Bauelemente hat in den letzten Jahrzehnten, seitdem ich die theoretischen Grundlagen der Physik gelernt habe, drastische Fortschritte gemacht. Heute können 3-Achsen-Beschleunigungsmesser problemlos Kräfte auf allen drei Achsen gleichzeitig berechnen. 3-Achsen-Beschleunigungsmesser machen das Sammeln von XYZ-Achsen-Daten so einfach, wie das ABC zu lernen.

3-Achsen-Beschleunigungsmesser

Ein Hersteller elektronischer Bauelemente, der die Nutzung von 3-Achsen-Beschleunigungsmessern so einfach wie das ABC macht, ist Kionix. Kionix ist ein Unternehmen der ROHM Semiconductor Gruppe und Hersteller von Si-MEMS-Beschleunigungsmessern (mikroelektromechanische Systeme auf Silicium-Basis –Abbildung 2). MEMS-Beschleunigungsmesser sind mikroelektromechanische Systeme, die die statische oder dynamische Kraft der Beschleunigung messen. Kionix stellt MEMS-Beschleunigungsmesser her, darunter auch diverse 3-Achsen-Beschleunigungsmesser.

Abbildung 2: Kionix, ein Unternehmen der ROHM Semiconductor Gruppe, ist ein weltweit führender Entwickler und Hersteller von hochleistungsfähigen MEMS-Inertialsensoren mit Silicium-Mikromechanik. (Quelle: Kionix)

Kionix hat den KX003-1077 3-Achsen-Beschleunigungsmesser eingeführt (Abbildung 3). Der KX003-1077 3-Achsen-Beschleunigungsmesser bietet vier erweiterte, vom Benutzer konfigurierbare Messbereiche (±2 g, ±4 g, ±8 g und ±16 g) sowie drei Auflösungsmodi (8 Bit, 12 Bit und 14 Bit). Der Beschleunigungsmesser verbraucht in seiner niedrigsten Leistungseinstellung <2 µA und bietet Abtastraten von 1–1.600 Hz. Er verfügt über einen rauschärmeren Betrieb, eine hervorragende Stroßfestigkeit, eine stabile Leistung auch bei extremen Temperaturen sowie eine genauere Zeitmessung als bei den vorherigen Generationen an Beschleunigungsmessern.

Abbildung 3: Der KX003-1077 3-Achsen-Beschleunigungsmesser mit digitaler I²C-Schnittstelle und Bewegungserkennungs-/Wake-up-Interrupt-Funktion bietet eine Auflösung von bis zu 14 Bit sowie individuell wählbare g-Messbereiche. (Quelle: Mouser)

Kionix stellt mechanische Silicium-Strukturen her, die im Wesentlichen Masse-Feder-Systeme sind, welche sich in die Richtung der angewendeten Beschleunigung bewegen. Der kapazitive Beschleunigungsmesser nimmt Veränderung in der Kapazität zwischen Mikrostrukturen neben dem Gerät wahr. Wenn eine Beschleunigungskraft eine dieser Strukturen bewegt, verändert sich die Kapazität, und der Beschleunigungsmesser übersetzt diese Kapazität zur Interpretation in Spannung. Der Beschleunigungsmesser nutzt darüber hinaus Gleichtaktunterdrückung, um Störungen aufgrund von Prozessabweichungen, Temperatur und Umweltbelastungen zu verringern.

Ein separates ASIC-Gerät (anwendungsspezifische integrierte Schaltung), in dem sich das Sensorelement befindet, verwaltet die gesamte Signalkonditionierung und digitale Kommunikation für den KX003-1077 Beschleunigungsmesser. Die vollständige Messkette besteht aus einem rauscharmen Kapazitäts-Spannungs-Wandler, der die differenzielle Kapazität des MEMS-Sensors in eine analoge Spannung umwandelt, welche durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) geleitet wird. Der Benutzer hat über die von der ASIC bereitgestellten I²C-Digitalkommunikation Zugriff auf die Beschleunigung. Zusätzlich enthält die ASIC die gesamte Logik, die der User braucht, um Übertragungsgeschwindigkeiten, g-Messbereiche, Filtereinstellungen und Interrupt-Logiken auszuwählen.

Der KX003-1077 Beschleunigungsmesser ist als Plastik-LGA (Land Grid Array) in einer Größe von 2 mm x 2 mm x 0,9 mm erhältlich und benötigt einen Stromanschluss von 1,7–3,6 V DC. Er verwendet Regler, um eine konstante interne Betriebsspannung über die Bandbreite an Eingangsversorgungsspannungen beizubehalten. Dies sorgt für eine stabile Betriebsumgebung über die Bandbreite an Eingangsversorgungsspannungen sowie für ein radiometrisches Störungsprofil im praktisch unerkennbaren Bereich.

Fazit

Die Welt ist ein Ort voller Bewegung und bewegter Objekte. Bewegungen wahrzunehmen, kann kinderleicht sein. Wenn Sie nur einen Moment nachdenken, werden Sie schnell feststellen, dass 3-Achsen-Beschleunigungsmesser von Kionix die Wahrnehmung von XYZ-Bewegung so einfach wie das ABC machen. Ich wünschte, die klassische Dynamik von Kreiseln, die ich damals in Physik studiert habe, wäre so simpel.