Sensortechnologien für Beschleunigungssensoren

Der piezoelektrische Effekt ist eine inhärente oder induzierte Eigenschaft von bestimmten Kristallen. Wenn der Kristall durch eine einwirkende Kraft belastet wird, sammeln sich negative und positive Ionen auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Kristalls an. Die Menge der akkumulierten Ladung ist direkt proportional zur aufgebrachten Kraft. Piezoelektrische Sensoren leiten diese Ladung über einen Verstärker ab, um die Amplitude der Ladung zu messen. Die Geometrie des Sensors bestimmt die physikalischen Parameter (in der Regel Kraft, Druck oder Beschleunigung), für die der Kristall empfindlich ist.

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser verwenden entweder natürliche Quarzkristalle oder künstlich hergestellte polykristalline Keramiken als Sensorelemente. Eine Prüfmasse wird mit dem Kristall verbunden und ein Ausgang wird erzeugt, wenn während der Beschleunigung eine Kraft auf den Kristall ausgeübt wird. Diese Kraft verursacht eine Spannung im Kristall, die dann eine elektrische Ladung erzeugt, die relativ zur aufgebrachten Kraft ist - der piezoelektrische Effekt. Die Größe der Kraft ist proportional zur angewandten Beschleunigung, wie im Newtonschen Bewegungsgesetz F=ma festgelegt. Piezoelektrische Beschleunigungssensoren können keine konstante Beschleunigung messen, da sie von Natur aus wechselstromgekoppelt sind. Sie sind jedoch in der Regel die vielseitigste und wirtschaftlichste Wahl für die Messung schneller transienter und periodischer Beschleunigungen.

Piezoresistive Beschleunigungsmesser können aus metallischen Dehnungsmessstreifen, piezoresistivem Silizium oder als MEMS-Bauteil hergestellt werden. Bei solchen Konstruktionen ist das Widerstandsmaterial in der Regel mit einem freitragenden Balken verbunden, der sich unter dem Einfluss der Beschleunigung biegt. Diese Biegung bewirkt eine Verformung des Widerstands, was zu einer Änderung seines Widerstands führt. Die Widerstände werden normalerweise in einer Wheatstone-Brückenschaltung konfiguriert, die eine Änderung der Ausgangsspannung liefert, die proportional zur Beschleunigung ist. Mit piezoresistiven Beschleunigungsaufnehmern können konstante, transiente und periodische Beschleunigungen gemessen werden.

Kapazitive Beschleunigungssensoren nutzen die Eigenschaften eines Kondensators mit gegenüberliegenden Platten, bei dem sich der Abstand zwischen den Platten proportional zur angewandten Beschleunigung ändert, wodurch sich die Kapazität verändert. Diese Variable wird in einer Schaltung verwendet, um letztlich ein Spannungssignal zu liefern, das proportional zur Beschleunigung ist. Kapazitive Beschleunigungsmesser sind in der Lage, sowohl konstante als auch langsame transiente und periodische Beschleunigungen zu messen.