Innovativer Neigungssensor mit 360° Messbereich

Neigungssensoren werden heute bereits in vielfältigen Anwendungen eingesetzt. Die Anwendungsfelder liegen u. a. in der Industriemesstechnik, der Automation- und Produktionstechnik, der Verkehrstechnik, dem Sonderfahrzeugbau, der Medizintechnik, der Automobiltechnik, der Luft- und Raumfahrt sowie der Konsumerelektronik.

Im Fokus steht dabei meistens die Stabilisierung, Positionierung oder Ausrichtung von

industriellen Fertigungsprozessen oder medizinischen Systemen Antennensystemen (z.B. auf Schiffen) Mess- oder bildgebenden Systemen Laser-Instrumenten (z.B. in der Messtechnik) Kran-, Bagger- oder Landmaschinen-Ausleger Controllern von Spielekonsolen oder zur Unterstützung von GPS-Navigationsvorgängen

Ein Neigungssensor misst den Neigungswinkel eines Objektes zur Erdoberfläche bzw. zum Erdgravitationsfeld. Er wird auch als Inklinometer (engl. inclinometer) bezeichnet. Für Steuer- und Regelungsprozesse bieten gerade elektronische Neigungssensoren interessante Anwendungsfelder. Eine Realisierungsmöglichkeit für Neigungssensoren sind flüssigkeitsbasierte kapazitive Neigungssensoren. Dabei befindet sich eine dielektrische Flüssigkeit zwischen zwei senkrecht stehenden Elektroden. Wird der Sensor um einen Neigungswinkel gedreht, verändert sich die Kapazität zwischen den Elektroden. Diese Kapazitätsänderung wird elektronisch in ein zum Neigungswinkel proportionales Ausgangssignal gewandelt.

Ausgangssituation und Durchführung

Kommerziell erhältliche Neigungssensoren sind entweder besonders kostengünstig und klein (im Preisbereich von wenigen Euros) oder sie weisen eine besonders hohe Auflösung und Genauigkeit bei großer Baugröße auf (im Preissegment bis zu einigen hundert Euro). Zahlreiche Anwendungsfelder, bei denen neben den Kosten auch die Auflösung, der Bauraum und Signalstabilität des Sensors entscheidend sind, konnten deshalb bisher nicht realisiert werden.

Funktionsprinzip eines flüssigkeitsbasierten, kapazitiven Neigungssensors

Das Sensorprinzip dieses neuartigen Neigungssensors basiert auf den Entwicklungsarbeiten eines MID-Neigungssensors aus dem Projekt AiF-14742N „Untersuchungen zu kapazitiven Low-Cost Neigungssensoren aus metallbeschichtetem Kunststoff“ der AiF (siehe Link zum Projektabschlussbericht am Ende des Berichts, Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF)). Allerdings wurde hier das Technologie- und Fertigungskonzept komplett überarbeitet und beruht nun auf einer speziellen Leitplattentechnik, um eine deutliche Kostenreduktion erzielen zu können. Mit diesem Technologie- und Sensorkonzept sind nun kostengünstige als auch hochauflösende Sensoren bzw. Sensoren mit hoher Signalstabilität herstellbar.

 

Das Entwicklungsprojekt

Im Kern der Entwicklungsarbeiten standen neben der Überarbeitung und Optimierung des Sensordesigns u.a. die hermetisch dichte Verkapselung und das automatische, zukünftig serientaugliche, Befüllen und Verschließen der Sensorkavität mit einer dielektrischen Flüssigkeit. Gerade für Anwendungen in der Industriemesstechnik werden hohe Ansprüche an Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Sensorkenndaten gestellt. Dies galt es in sämtlichen Teilprozessen sicherzustellen.

Die Aufbau- und Verbindungstechnik ist in diesem Zusammenhang eine Schlüsseldisziplin, da insbesondere die elektrisch-mechanischen Schnittstellen entscheidend auf die Leistungsfähigkeit des Sensors einwirken können. Dies konnte durch das langjährige Experten-Know-How des Instituts für Mikroaufbautechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft (HSG-IMAT) in Stuttgart sichergestellt werden.

Die zukünftige kommerzielle Umsetzung der Projektergebnisse übernimmt das Unternehmen 2E mechatronic, ein Spezialist im Bereich mechatronischer Bauteile und Systeme. Im Rahmen des Projektes erfolgten verschiedene Maßnahmen, um das umfassende Technologie- und Sensor-Know-How des HSG-IMAT an die Anforderungen des Unternehmens zu übertragen. Sowohl die Konzeption der Fertigungstechnologie als auch des Sensors und dessen Charakterisierung mussten stets Hand-in-Hand mit allen Partnern erfolgen, um innerhalb der Projektlaufzeit von 18 Monaten Prototypen zu realisieren.

Durch das Applikationszentrum MicroMountains Applications konnten effiziente Projektabläufe aufgrund der Rahmenbedingungen geschaffen werden. Die Initiierung und Koordination des Projektvorhabens erfolgte zudem mit finanzieller Unterstützung durch Förderprogramme für mittelständische Unternehmen.

Leiterplattenversion des Prototyps des neuen Neigungssensors

Gehäuste Version des Neigungssensors mit kostengünstiger Fertigungstechnologie

Die Ergebnisse

Aktuelle Messungen belegen, dass der Sensor mit einer Auflösung von 0.005° über den gesamten Messbereich arbeitet, bei potentiell deutlich geringeren Kosten im Vergleich zum Stand der Technik. Der Sensor kann als 360°-Variante eingesetzt werden und verfügt über eine interne Temperaturerfassung und kann über diese einfach Temperaturkompensiert werden.Das Sensorausgangssignal Neigungswinkel kann direkt über die I²C-Schnittstelle digital ausgelesen werden.

Dem Technologiekonzept liegt ein Baukastenprinzip zugrunde, wodurch einfach und kostengünstig kundenspezifische Ausführungen realisiert werden können. Beispielsweise sind spezielle Anschluss- oder Bestückungsvarianten ebenso effizient umzusetzen wie kundenspezifische Layouts. Zukünftige Anwender können sowohl auf eine Leiterplattenversion (z.B. zur direkten Integration der Auswerteelektronik) oder auch auf eine gehäuste Version zurückgreifen.

Die Prototypen dieses Entwicklungsprojektes liegen nun vor und werden bereits bei ersten Pilotkunden aus der Industriemesstechnik ausführlich geprüft. Die bisherigen Ergebnisse sind äußerst zufriedenstellend. Aktuell erfolgen Maßnahmen bei 2E mechatronic hinsichtlich der Vorbereitung zur Serienfertigung und Qualitätssicherung. Bereits noch in diesem Jahr wird die erste Kleinserie gestartet.

 

Ansprechpartner

Interessenten zum neuen Produkt des Neigungssensors werden gebeten sich an Herrn Remer von 2E mechatronic zu wenden. Weiterführende Informationen zur Entwicklungskompetenz erhalten Sie beim Applikationszentrum.

Uwe Remer 2E mechatronic GmbH & Co. KG Maria-Merian-Str. 29, 73230 Kirchheim Telefon: +49 (7021) 9301-0 E-Mail: u-remer@2e-mechatronic.de	Dr. Thomas Link MicroMountains Applications AG Romäusring 4, 78050 Villingen-Schwenningen Tel. +49 (7721) 206 495-1 E-Mail: link@mm-applications.com

Links

Abschlussbericht MID-Neigungssensor http://www.uni-stuttgart.de/hsg-imat/aif14742.pdf