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2025-10-11T07:32:08Z

Mikrosysteme: Die 1 pF sind nicht die Kapazitätsänderung, sondern die gesamte kapazität des Sensors

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[[Datei:Motorola Xoom - Kionix KXTF9-1171.jpg|mini|[[Beschleunigungssensor#Mikrosysteme|MEMS]]-3-Achsen-Beschleunigungssensor von [[Kionix]] in einem [[Motorola Xoom|Motorola Tablet]] von 2011]]
Ein '''Beschleunigungssensor''' (auch '''Beschleunigungsmesser''', '''Beschleunigungsaufnehmer''', '''Vibrationsaufnehmer''', '''Schwingungsaufnehmer''', '''Accelerometer''', '''Akzelerometer''', '''B-Messer''' oder '''G-Sensor''') ist ein [[Sensor]], der seine [[Beschleunigung]] misst. Dies erfolgt meistens, indem die auf eine Testmasse wirkende [[Trägheitskraft]] bestimmt wird. Somit kann z. B. bestimmt werden, ob eine [[Geschwindigkeit]]s<nowiki></nowiki>zunahme oder -abnahme stattfindet. Der Beschleunigungssensor gehört zur Gruppe der [[Inertiale Messeinheit|Inertialsensoren]].

Werden [[Beschleunigungs-Logger|kontinuierliche Beschleunigungsmessungen]] aufgezeichnet, so bezeichnet man diese Messreihe als Akzelerogramm.

== Messgröße ==
Die Beschleunigung wird in der [[Internationales Einheitensystem|SI]]-Einheit [[Meter|m]]·[[Sekunde|s]]−2 (Meter pro Sekunde zum Quadrat) gemessen. In der Praxis wird sie jedoch oft als Vielfaches oder Teil des Mittelwerts der [[Erdbeschleunigung]] angegeben. Die mittlere Erdbeschleunigung wird dabei mit ''g'' bezeichnet (kleines „[[G]]“ in [[kursiv]]er Schrift) und beträgt gerundet 9,81 m·s−2.

: <math>1g = \mathrm{9{,}81\frac {m}{s^2}}</math>

{{Hauptartikel|g-Kraft}}

== Anwendungsbeispiele ==
[[Datei:Wiimote-Safety-First.jpg|mini|[[Wii-Fernbedienung]]]]
Die Beschleunigung ist eine mechanische Größe, die in vielen Bereichen der [[Technik]] eine große Rolle spielt. Beschleunigungssensoren haben daher eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten – zum Beispiel:
* Messung von (linearen) Beschleunigungen (Beschleunigungsmesser)
* Messung von [[Vibration]]en an Gebäuden und [[Maschine]]n
* Auslösung von [[Airbag]]s in [[Fahrzeug]]en
* Aktive Federungssysteme in Fahrzeugen
* [[Alarmanlage]]n bei beweglichen Gütern oder als Berührungssensor
* Schutz vor [[Head-Crash]] bei [[Festplattenlaufwerk|Festplatten]]
* Health-Care-Anwendungen, Gesundheitsvorsorge und Überwachung
* Bei [[Crashtest]]s in den [[Crashtest-Dummy|Dummys]] und Fahrzeugen.
* Sensorik in [[Digitalkamera]]s (z. B. für automatisches Umschalten von Hochkantbild auf Breitkantbild und [[Bildstabilisierung]])
* Sensorik in [[Smartphone]]s zum Beispiel zur Wechsel der Anzeige zwischen Hoch und Querformat
* Schadensuntersuchungen beim Warentransport
* in [[Beschleunigungsschreiber]]n und [[Seismograph]]en auf dem Gebiet der [[Seismik]] und der [[Erdbeben]]-Überwachung
* [[Neigungsmessung]] in statischen Systemen (d. h. solange andere Beschleunigungen im Vergleich zur [[Erdbeschleunigung]] vernachlässigbar sind)
* Aktive [[Lautsprecher]]
* Zusammen mit [[Gyroskop]]en zur Lageregelung oder Stabilisierung von [[Luftfahrzeug]]en wie [[Hubschrauber]]n oder [[Unbemanntes Luftfahrzeug|UAVs]]
* Zur Steuerung von Videospielen
* In [[Bergbau]] und Technik wurde schon früh die Kontrolle von [[Aufzugsanlage|Aufzügen]] durch Beschleunigungssensoren durchgeführt, wobei hier ein [[1D|eindimensionales]] Messsystem genügte. Spätestens seit Erscheinen der ISO 18738 „Measurement of lift ride quality“ im Jahre 2003 hat der dreidimensionale Beschleunigungssensor aber auch Einzug im Aufzugbau gehalten.
* Auch für die [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten-]] und [[Rakete]]n<nowiki />technik und die Analyse von Fahrzeugbewegungen oder die [[Autoelektronik]] ist die Beschleunigungsmessung unentbehrlich.
* Präzisionssensoren werden teilweise auch für Messungen im [[Erdschwerefeld]] eingesetzt – siehe [[Gravimetrie (Geophysik)|Gravimetrie]] und [[Gradiometrie]], sowie der ESA-Satellit [[Gravity field and steady-state ocean circulation explorer|GOCE]].
* Positionsbestimmung mit [[Inertiales Navigationssystem|inertialen Navigationssystemen]], auch Trägheitsnavigationssystem; INS werden heute insbesondere in der Luftfahrt zunehmend durch GPS abgelöst.
* [[Schlafphasenwecker]]; diese wecken die zu weckende Person zu einem Zeitpunkt auf, zu dem sie sich bewegt. Somit wird angestrebt, dass die Person nicht in der [[Schlaf#Aufrechterhaltung_des_Schlafs_und_Schlafphasen|Tiefschlafphase]] aufwacht, was normalerweise zu einer größeren Müdigkeit im späteren Tagesverlauf führt. Hier genügen auch [[Bewegungssensor]]en.
*Sammlung und Extraktion von mechano-biologischen Deskriptoren beim Krafttraining<ref>{{Literatur |Autor=Claudio Viecelli, David Graf, David Aguayo, Ernst Hafen, Rudolf M. Füchslin |Titel=Using smartphone accelerometer data to obtain scientific mechanical-biological descriptors of resistance exercise training |Sammelwerk=PLOS ONE |Band=15 |Nummer=7 |Datum=2020-07-15 |ISSN=1932-6203 |Seiten=e0235156 |DOI=10.1371/journal.pone.0235156 |PMC=7363108 |PMID=32667945}}</ref>
* Sichere Weg- und Geschwindigkeitsmessung im Rahmen der [[Odometrie (ETCS)|Odometrie]] des europäischen Zugbeeinflussungssystems [[European Train Control System|ETCS]]

== Messprinzipien ==
Die ersten dieser [[Messinstrument]]e hatten eine sog. „sensitive (empfindliche) [[Achse (Technik)|Achse]]“, auf der die seismische Masse gefedert verschiebbar angeordnet war und die beispielsweise mit einem [[Schleifkontakt]] einen [[Schiebewiderstand]] bediente. Diese sogenannten [[Gyrometer]] waren bis etwa 1970 – in Verbindung mit [[Kreiselinstrument]]en – die Basis vieler Steuerungsmethoden und der [[Inertialnavigation]].

Später wurden sie weitgehend durch genauere Systeme mit biegsamen [[Quarz]]-Stäben („Q-Flex“) oder [[magnetisch]] stabilisierten Massen ersetzt. Miniaturisierte Sensoren sind meist mit piezoelektrischen Sensoren oder als [[Mikrosystem (Technik)|MEMS]] (Micro-Electro-Mechanical System) aufgebaut.
Viele technische Anwendungen benötigen volle [[dreidimensional]]e Messungen, etwa im [[Maschinenbau]], zur Steuerung von [[Roboter]]n oder in der [[Raumfahrt]]. Hier ist [[Miniaturisierung]] eine wichtige Voraussetzung – neben Unempfindlichkeit gegen Temperatur, Vibrationen und andere Effekte. Zahlreiche Anwendungen kommen aber mit [[2D]]-Sensoren aus, wenn es hauptsächlich um Bewegungen in einer Ebene geht.

Kleinsensoren mit einer Masse von wenigen Gramm haben Messbereiche von einigen ''g'' bis zu Dutzenden oder sogar hunderten ''g'' und sind robust gegen Stöße. Die Auflösung erreicht 0,01 m''g''.

Präzisionsinstrumente mit einer Masse von mehreren Kilogramm liefern Genauigkeiten von 10−9''g''.

Grundsätzlich basieren dabei die meisten heute verbreiteten Beschleunigungssensoren auf dem Newtonschen Trägheitsgesetz:

:<math>F=m\cdot a</math>

Die gefedert aufgehängte Masse verändert im Falle einer Beschleunigung ihre Relativposition zum umgebenden Sensorgehäuse, was sensorintern ausgewertet wird.<ref>{{Internetquelle |autor=Jörg Böttcher |url=https://messtechnik-und-sensorik.org/beschleunigungssensoren/ |titel=Beschleunigungssensoren |werk=Online-Kompendium Messtechnik und Sensorik |hrsg= |datum= |abruf=2019-08-13}}</ref>

=== Piezoelektrische Beschleunigungssensoren ===
Ein [[piezoelektrischer Sensor]] wandelt dynamische Druckschwankungen in [[elektrisch]]e Signale um, die entsprechend weiterverarbeitet werden können. Die Druckschwankung wird durch eine am [[Piezoelement]] befestigte (seismische) Masse erzeugt und wirkt bei einer Beschleunigung des Gesamtsystems auf das Piezoelement. Dieses System wird z. B. bei Radauswuchtungsmaschinen verwendet, wo jede Unwucht des Rades ein entsprechendes Signal im Piezoelement erzeugt. Es erkennt innerhalb von Sekunden die Unwucht am Reifen.

=== Mikrosysteme ===
{{Belege fehlen|Der Abschnitt hat keinen einzigen Beleg.--[[Benutzer:Wikisympathisant|Wikisympathisant]] ([[Benutzer Diskussion:Wikisympathisant|Diskussion]]) 19:05, 11. Sep. 2023 (CEST) }}
[[Datei:GY-521 MPU-6050 Module 3 Axis Gyroscope + Accelerometer 0487.jpg|mini|MEMS-Beschleunigungs- und Gyrosensor]]
In den letzten Jahren haben miniaturisierte Beschleunigungssensoren zunehmend Bedeutung erlangt. Diese sind [[Mikrosystem (Technik)|mikro-elektro-mechanische Systeme]] (MEMS) und werden meist aus [[Silicium]] hergestellt. Diese Sensoren sind Feder-Masse-Systeme, bei denen die „Federn“ nur wenige [[Meter#Mikrometer|μm]] breite Silicium-Stege sind und auch die Masse aus Silicium hergestellt ist.<ref name=":0" details="S. 187">{{Literatur |Autor=Alexander Czechowicz |Titel=Aktoren und Sensoren für mechatronische Systeme: Grundlagen, Konzepte und Beispiele |Verlag=Springer Fachmedien Wiesbaden |Ort=Wiesbaden |Datum=2025 |ISBN=978-3-658-45413-5 |DOI=10.1007/978-3-658-45414-2 |Seiten= |Online=https://link.springer.com/10.1007/978-3-658-45414-2 |Abruf=2025-10-11}}</ref> Durch die Auslenkung bei Beschleunigung kann zwischen dem gefedert aufgehängten Teil und einer festen Bezugselektrode eine Änderung der [[Elektrische Kapazität|elektrischen Kapazität]] gemessen werden. Um die Kapazität zu erhöhen, wird der Sensor aus mehrere wie parallele Plattenkondensatoren aufgebauten Kämme realisiert, sodass sich eine Kapazität des Sensors von 300 fF bis 1 [[Pikofarad|pF]] ergibt.<ref name=":0" details="S. 368ff." /> Die Elektronik zur Auswertung dieser kleinen Kapazitätsänderung wird auf demselben [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltkreis]] (IC) untergebracht.<ref name=":0" details="S. 358" />

Es gibt auch Varianten, bei denen auf dem Biegebalken piezoresistive Widerstände durch [[Ionenimplantation]] angebracht sind, die entsprechend der Biegung ihren Widerstand ändern und so auf die Beschleunigung zurückschließen lassen.

Für die Herstellung dieser miniaturisierten Sensoren werden die Masse und die kleinen Silicium-Federn (Silicium-Beinchen) mittels [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|Fotolithografie]] aus dem Silicium herausgeätzt. Um eine freitragende Struktur zu erhalten, wird eine darunterliegende Schicht aus [[Siliciumdioxid]] ebenfalls durch Ätzen entfernt.

Diese Art von Beschleunigungssensoren hat den Vorteil relativ geringer Stückkosten (Massenfertigung) und hoher Zuverlässigkeit (manche solcher Sensoren können noch Beschleunigungen bis zum Tausendfachen des Messbereichs ohne Schaden überstehen). Wegen der geringen Größe zeichnen sie sich auch durch hohe Messgeschwindigkeit aus. Sie werden daher z. B. zur Auslösung von Airbags in Fahrzeugen eingesetzt.

Die Größe der Beschleunigungssensoren wurde in den Millimeterbereich reduziert. [[Robert Bosch GmbH|Bosch]] nahm 2023 einen 1,2 × 0,8 × 0,55 mm großen Sensor in Produktion.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.bosch-sensortec.com/media/boschsensortec/downloads/product_flyer/bst-bma580-fl000.pdf |titel=BMA580 Product Flyer |hrsg=Bosch Sensortec GmbH |datum=2023 |sprache=en |abruf=2024-12-20}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Susanne Braun |url=https://www.elektronikpraxis.de/platz-ist-kostbar-bosch-stellt-die-kleinsten-mems-beschleunigungssensoren-vor-a-11fe1099dabda021589721e9f27288ff/ |titel=Platz ist kostbar: Bosch stellt die kleinsten MEMS-Beschleunigungssensoren vor |datum=2024-01-10 |sprache=de |abruf=2024-12-20}}</ref>

Sensoren in MEMS-Technik werden nicht nur für die Messung der (linearen) Beschleunigung, sondern auch für die Messung der [[Winkelgeschwindigkeit]] hergestellt, sogenannte [[Drehratensensor]]en bzw. [[Gyroskop]]e.

=== Weitere Beschleunigungssensoren ===
* [[Dehnungsmessstreifen]]: Eine weitere Möglichkeit ist die Bestimmung der Kraft auf die Testmasse, indem die Verformung der Befestigung (z. B. eines Stabes) mittels Dehnungsmessstreifen bestimmt wird (vor allem für niedrigere Frequenzen geeignet).
* [[Elektromagnetische Induktion|Magnetische Induktion]]: Bei der Bewegung der an einer Feder aufgehängten Testmasse wird durch einen Magneten in einer Spule eine elektrische Spannung induziert, ähnlich wie in einem dynamischen [[Mikrofon]] ([[Tauchspulenmikrofon]]).
* Der [[Ferraris-Sensor]] misst die Relativbeschleunigung ohne Testmasse mit Hilfe von Wirbelströmen. Er wird zur Analyse und Regelung hochdynamischer Antriebe verwendet.

== Siehe auch ==
* [[Schwingungskalibrator]]

== Weblinks ==
{{Commonscat|Accelerometers|Beschleunigungssensor}}

== Einzelnachweise ==
<references>
</references>

[[Kategorie:Technische Dynamik]]
[[Kategorie:Sensor]]
[[Kategorie:Biomechanik]]

Beschleunigungssensor - Versionsgeschichte

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