Lorentzkraft-basierter MEMS 3D-Magnetfeldsensor für die Integration zu einer 1-Chip 9D IMU

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Sensoren zur Messung von Drehraten, Beschleunigungen und Magnetfeldern haben mittlerweile in einer Vielzahl von Anwendungen Einzug in das tägliche Leben gehalten und machen die Nutzung vieler elektronischer Produkte unbemerkt wesentlich vielseitiger, einfacher und intelligenter. Zahlreiche neue Anwendungen im Bereich der Konsumgüterelektronik sowie Medizin- und Sicherheitstechnik sorgen für immer weiter steigende Marktanforderungen an intelligente Sensorsysteme, vor allem in Bezug auf Kosten, Baugröße, Qualität und Stromverbrauch. Um auch in Zukunft den Anforderungen dieser spezifischen Anwendungen gerecht zu werden, hat sich das Verbundvorhaben „9DSense“ im Rahmen des BMBF Forschungsrahmenprogramms IKT2020 zum Ziel gesetzt, ein kosteneffizientes und autonomes Multisensorsystem kleiner Baugröße zu entwickeln. Es soll aus einem Modul mit einem Beschleunigungs-, Drehratenund Magnetsensor mit jeweils drei Detektionsrichtungen (9 Freiheitsgrade), einer Energieversorgungseinheit mit Dünnschichtbatterie und Energieerzeuger sowie einer sicheren drahtlosen Datenübertragung bestehen. Eine präzise Positionsund Orientierungsbestimmung erfolgt durch Auswertung des Erdmagnetfeldes und der Bewegungsmuster. Anwendungen finden sich im Bereich der Indoor-Fußgängernavigation und der Orthopädietechnik. Dieses Papier beschreibt die Integration eines Lorentzkraft-basierten MEMS 3D Magnetfeldsensors zusammen mit einem MEMS 3D-Drehratenund 3D-Beschleunigungssensor in derselben Silizium-Oberflächen-Mikromechanik-Technologie zu einer integrierten 9D „Inertial Measurement Unit“ (IMU) auf einem Chip. Der Vorteil dieses Konzeptes liegt in der durch die gemeinsame Prozessierung sichergestellten sehr präzisen Ausrichtung aller drei Raumachsen aller drei Sensoren zueinander. Dies ist ein großer Vorteil in Bezug auf die erreichbare Messgenauigkeit, spart aber auch deutlich Prozesskosten, da eine aufwändige Chip-Montage entfällt.