Schwache Signale werden vom integrierten elektronischen System verarbeitet und verstärkt und über eine analoge oder digitale Schnittstelle übertragen. MEMS haben zahlreiche innovative Anwendungen in Form von Beschleunigungssensoren, Gyroskopen, Drucksensoren und Mikrofonen mit minimalen Abmessungen ermöglicht. Die Konsumgüter- und Mobiltelefonbranche sowie die Automobilindustrie waren die Pioniere. Sie erkannten als Erste das Potenzial von MEMS-Sensoren – sei es für Konsolen, mit denen Nutzer die Olympischen Spiele vom Wohnzimmer aus gewinnen können, für Mobiltelefone mit Bewegungserkennung, für Kameras mit Bildstabilisierung oder für Airbag- und ESP-Systeme in Fahrzeugen.
In dieser Hinsicht wächst der internationale MEMS-Markt stetig und verzeichnet aktuell einen Umsatz von rund einer Milliarde US-Dollar. Bosch, der internationale Marktführer im MEMS-Bereich, verkaufte zwischen 1995 und 2008 eine Milliarde Einheiten und erreichte innerhalb von nur drei Jahren zwei Milliarden. Auch STMicroelectronics erlebte ein unerwartetes Wachstum: 2011 steigerte das Unternehmen seinen Absatz von MEMS-Sensoren um 80 %, vor allem im Konsumgüter- und Mobiltelefonmarkt, und avancierte damit zu einem der Marktführer in diesem Sektor. Nun möchte das Unternehmen die gewonnenen Erfahrungen auf andere Märkte übertragen. Das Potenzial dafür ist enorm: MEMS-Sensoren bieten neue Anwendungsmöglichkeiten in nahezu jedem Bereich und können bestehende Anwendungen komfortabler, sicherer und energieeffizienter gestalten oder ihnen durch die Integration neuer Funktionen zu einem Wettbewerbsvorteil verhelfen. Die Revolution, die den Mobiltelefonmarkt bereits erfasst hat, steht hier noch bevor.
Verbesserter Benutzerkomfort.
Der Bereich der Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) ist ein vielversprechendes Anwendungsfeld. Die Erfahrungen mit mobilen Anwendungen lassen sich hier nutzen, da sich Tipp- und Doppeltippfunktionen problemlos implementieren lassen. Auch Sprachsteuerung ist für HMI-Anwendungen geeignet. Mobiltelefone demonstrieren hier erneut die Möglichkeiten: iPhone-Nutzer können mit Siri Termine hinzufügen oder E-Mails versenden. MEMS-Mikrofone ermöglichen diese Art der Sprachsteuerung und -erkennung auch in anderen Geräten, wie beispielsweise Navigationssystemen. Dies ist der Kombination aus minimalen Abmessungen, hoher Klangqualität und Langlebigkeit zu verdanken. Diese Vorteile lassen sich ohne zusätzliche Kosten auch auf Freisprecheinrichtungen oder Konferenzsysteme übertragen.
STMicroelectronics bietet beispielsweise MEMS-Mikrofone an, die effizienter und robuster als herkömmliche Elektretmikrofone (ECMs) sind. Die aktuell verfügbaren Modelle MP34DT/DB01/MP45DT02 weisen ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 63 dB und einen sehr linearen Frequenzgang (von 20 Hz bis 20 kHz) auf.
Erhöhte Sicherheit:
Drehzahlsensoren tragen zur Sicherheit von Bohrmaschinen bei. Sie erfassen die Drehzahl des Bohrers im Moment des Eindringens des Bohrers in den Beton und schalten ihn automatisch ab. Beschleunigungssensoren ermöglichen die sogenannte „Freifallerkennung“, die derzeit hauptsächlich bei Laptop-Festplatten eingesetzt wird. Erkennt der Sensor einen Freifall, verhindert er eine Kollision des Lese-/Schreibkopfes mit der Festplatte und sorgt dafür, dass dieser rechtzeitig zurückfährt. Dieses Prinzip lässt sich auch auf Kettensägen oder Kranfernsteuerungen anwenden, um durch eine Notabschaltung im Falle eines Freifalls einen sicheren Betriebszustand zu gewährleisten.
Beschleunigungssensoren erfassen selbst geringste Bewegungen und Vibrationen und ermöglichen so einen einfachen und effektiven Schutz von Öl- und Gaspipelines sowie automatisierten Maschinen vor Vandalismus und von Wertgegenständen vor Diebstahl. Die Aufzeichnung von Maschinenvibrationen erlaubt zudem die Überprüfung ihrer ordnungsgemäßen Funktion.
MEMS-Barometerdrucksensoren messen Höhenunterschiede mit einer Genauigkeit von 25 cm. Im Vergleich zu Satellitenortungssystemen, die aufgrund schwachen oder fehlenden Signals in Innenräumen unzuverlässig sind, ermöglichen sie Anwendungen wie die Navigation in Kaufhäusern oder Parkhäusern. Dies ist möglich, da sie den Luftdruck messen, daraus die Höhe berechnen und das entsprechende Stockwerk zuweisen. Sie werden auch in Navigationssystemen eingesetzt, beispielsweise zur Ortung von Fahrzeugen in mehrstöckigen Gebäuden. Bei Feuerwehr und Polizei können MEMS-Drucksensoren sogar Leben retten, indem sie den genauen Standort von in Gebäuden eingeschlossenen Personen ermitteln.
Höhere Effizienz:
Wenn sich ein Gerät bei einer Fehlfunktion sofort abschaltet, erhöht sich seine Energieeffizienz. Diese lässt sich durch die Kombination mehrerer Sensoren weiter optimieren. Beispielsweise messen Drucksensoren in einer Waschmaschine den Füllstand, während Beschleunigungssensoren die Beladung berechnen und die Wasch- und Trockenprogramme entsprechend anpassen. Beschleunigungssensoren lösen zudem die automatische Abschaltung 
von Geräten wie Fernbedienungen, Lampen oder Audiogeräten aus, wenn sie über einen bestimmten Zeitraum keine Bewegung erfassen.
STMicroelectronics und Bosch Sensortec bieten Spitzenprodukte für diese Anwendungsbereiche: Die dreiachsigen MEMS-Beschleunigungssensoren LIS3DH (STMicroelectronics) und BMA250 (Bosch Sensortec) eignen sich besonders für mobile Geräte, da sie beide eine hohe Energieeffizienz und sehr kompakte Abmessungen bieten. Der LIS3DH benötigt im Ultra-Low-Consumer-Modus nur 2 mA, das Bosch-Modell weniger als 5 µA. Mit Abmessungen von 3 x 3 x 1 mm (LIS3DH) bzw. 2 x 2 x 0,95 mm (BMA250) sind sie ideal für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot. Beide Sensoren liefern präzise Messwerte in programmierbaren Messbereichen von ±2 g, ±4 g, ±8 g und ±16 g. Die Empfindlichkeit beträgt im 2-g-Bereich 1 mg/Digit beim LIS3DH und 256 LSB/g beim BMA250. Ihre digitale Auflösung beträgt 12 Bit bzw. 10 Bit, und der typische Zero-g-Offset über die gesamte Lebensdauer beträgt +/- 40 mg beim ST-Modell und +/- 80 mg beim Bosch-Modell.
Für mobile Geräte sind intelligentes Energiemanagement, Fallerkennung und Schrittzählung besonders hervorzuheben. Für HMI-Anwendungen bieten die Sensoren On-Screen-Display-Anpassung sowie Touch- und Doppeltipp-Steuerung. Sie sind zudem mit Gaming- und Virtual-Reality-Funktionen kompatibel. Beide Hersteller stellen Software- und Hardware-Tools für erste Tests mit einer benutzerfreundlichen grafischen Oberfläche bereit. Dies ermöglicht einfache Anpassungen und Tests, gefolgt von einer nahtlosen Integration in die Anwendung. Sowohl ST als auch Bosch bieten programmierbare Boards, Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) und Low-Level-Controller an.
Mehr Bewegungsfreiheit.
Die verschiedenen Sensortypen sollten nicht isoliert betrachtet werden. Ihre Kombination ermöglicht Anwendungen mit sehr hoher Empfindlichkeit, vergleichbar mit der menschlichen. Beispielsweise können Beschleunigungssensoren in Kombination mit einem Gyroskop komplexe Bewegungsprofile erstellen. Beide Sensoren sind auch in einem einzigen Modul integriert erhältlich, wie etwa dem LSM330DLC von STMicroelectronics. Dieses Modul vereint den dreiachsigen Beschleunigungssensor LIS3DH und das dreiachsige Gyroskop L3GD20 in kompakten Abmessungen von nur 4 x 5 x 1,1 mm. Das Gyroskop bietet einen Messbereich von ±250 dps bis ±2000 dps und verfügt über einen programmierbaren Schalter.
In dieser Hinsicht ermöglichen diese MEMS-Sensoren und -Module die Fernüberwachung von Patienten oder älteren Menschen, ohne deren Bewegungsfreiheit einzuschränken. So kann beispielsweise im Falle eines Sturzes sofort eine Pflegekraft benachrichtigt oder desorientierte, verirrte Personen geortet werden. Auch Ergotherapie, Sporttraining und Medikamentenverabreichung lassen sich präzise an individuelle Bewegungsprofile anpassen und somit effektiver gestalten. Bei Blutdruckmessgeräten kann der Sensor die Armposition erfassen und so insbesondere bei der Anwendung zu Hause genaue Messwerte gewährleisten. In der Tierhaltung ermöglicht das Sensormodul LSM330DLC die individuelle Bestimmung der benötigten Futtermenge anhand der Bewegungen des Tieres.
Mehr Freiheitsgrade:
Sensormodule, die mehrere Sensortypen kombinieren, bieten noch mehr Freiheitsgrade. Dank ihrer relativ geringen Größe eignen sie sich besonders für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot. Aktuell sind Kombinationen aus Beschleunigungs-, Gyroskop- und Kompasssensoren am weitesten verbreitet. STMicroelectronics hat kürzlich ein Multisensormodul mit neun Freiheitsgraden vorgestellt. Das iNEMO M1 integriert einen Drei-Achsen-Beschleunigungssensor, einen Drei-Achsen-Magnetsensor, ein Drei-Achsen-Gyroskop, einen 32-Bit- 
STM32-Mikrocontroller und spezielle Software – alles auf einer kompakten Fläche von nur 13 x 13 x 2 mm. Dadurch kann es lineare Beschleunigungen, Winkelgeschwindigkeiten und das Erdmagnetfeld erfassen und so Richtung, Position und Bewegung präzise bestimmen. Die Sensorfusionssoftware kombiniert die Ausgangssignale aller Sensoren, und Vorhersage- und Filteralgorithmen korrigieren automatisch Verzerrungen und Ungenauigkeiten in den Messungen. Dadurch kann das Modul einen höheren Grad an Realismus in Anwendungen wie Spielen, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Robotik, tragbaren Navigationsgeräten und Patientenüberwachung bieten.
Eine breite Palette an Optionen.
Die Beispiele zeigen, dass die Anwendungsfelder und Möglichkeiten von MEMS-Sensoren nahezu unbegrenzt sind. Dies stellt Entwickler, die sie in ihren Anwendungen einsetzen möchten, jedoch vor Herausforderungen. Oft ist zu Beginn der Entwicklung unklar, welcher Sensortyp am besten geeignet ist, um das gewünschte Ziel zu erreichen. Die große Modellvielfalt der Hersteller sorgt dafür, dass von Anfang an Klarheit herrscht. Rutronik bietet mit Abstand das umfangreichste Sortiment an Sensoren und MEMS-Sensoren mit innovativen Produkten namhafter Hersteller. Dank dieser breiten Auswahl findet sich für jede Anwendung die passende Lösung.
Autor:
Autor: Martin Grimmer, Senior Marketing Manager Analog & Sensors bei Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH
