Aktuální vydání

celé číslo

07

2021

Automatizace řízení dopravy a infrastruktury, nabíjecí stanice, autonomní vozidla

celé číslo

Nové mikromechanické snímače z Fraunhoferova ústavu ISIT

Pracovníci Fraunhoferova ústavu pro křemíkové technologie ISIT (Institut für Siliziumtechnologie) v Itzehoe poblíž Hamburku se velmi intenzivně zabývají problematikou využití mikrosystémové techniky při vývoji a výrobě nových mikromechanických snímačů kategorie MEMS určených k použití v průmyslu. Některé zajímavé výsledky jejich práce byly představeny odborné veřejnosti na veletrhu Sensor+Test 2011 v Norinberku.
 
V rámci evropského projektu s názvem SMErobot byl v ústavu vyvinut snímač síly a krouticího momentu k měření v soustavách se šesti stupni volnosti, určený k použití v robotice. Současné snímače k měření sil a krouticích momentů v prostoru (podél, popř. okolo tří os) nabízené na trhu jsou velmi drahé, a proto se používají jen zřídka. Moderní mikrosystémová technika umožnila pracovníkům ISIT výrobu snímačů výrazně zlevnit tím, že jsou zhotovovány hromadně při použití tzv. objemového mikrozpracování na křemíkovém čipu o rozměrech 12 × 12 mm (obr. 1). V současnosti jsou k dispozici dva typy snímačů, jeden s měřicími rozsahy do 10 N síly a 0,5 N·m krouticího momentu a druhý s rozsahy do 100 N a 5 N·m (obr. 2). Ve speciální úpravě, přihlášené k patentování, mohou snímače měřit síly a momenty současně ve třech osách.
 
Jsou-li uvedené snímače vestavěny do ramene robotu, mohou zajistit bezpečnou ochranu mechaniky robotu před přetížením (obr. 3). Počítá se také s tím, že pomohou „zjemnit“ kolize mezi robotem a člověkem, kdyby k nim došlo ve stále žádanějších úlohách založených na přímé spolupráci člověka a robotu. Nové snímače mohou také zjednodušit programování robotu způsobem jeho učení (teach-in).
 
V současné době pracovníci ISIT spolu s partnery z průmyslu vyvíjejí také nové tzv. setrvačné snímače pohybu (zrychlení, rychlosti otáčení), pracující na principu měření setrvačných sil. Snímače, vyrobené opět mikrosystémovou technikou na křemíkovém substrátu, jsou mnohem přesnější než dosud dostupné přístroje (obr. 4) a mají zajímavé možnosti použití. Technikou MEMS lze vytvořit miniaturní setrvačnou měřicí jednotku (Inertial Measurement Unit – IMU) umožňující měřit zrychlení a úhlové rychlosti pohybu při až šesti stupních volnosti (obr. 5) jako základ např. setrvačného navigačního systému
pro použití v budovách (výrobních halách, skladech aj.). Jednotka poskytuje údaje dovolující určit, kam a jak rychle se konkrétní předmět v daném prostoru pohybuje a také kde se právě nachází. Mimoto se setrvačné měřicí jednotky již nyní používají v automobilech ke stabilizaci podvozku, např. v elektronickém stabilizačním programu ESP, který rozšiřuje funkci systémů ABS a ASR, k zajištění stability obrazu v detektorech pohybu apod.
 
Budou-li setrvačné senzory pracovat dostatečně přesně, mohly by se stát součástí navigačních systémů fungujících i bez příjmu signálu systému GPS např. v tunelech, v úzkých uličkách měst apod. Kvalita nyní dostupných setrvačných senzorů na takové úlohy nestačí. Především je ještě třeba výrazně zlepšit dlouhodobý drift senzorů, odstup signálu od šumu, teplotní závislost atd. Konstrukce setrvačných senzorů je nyní z uvedených hledisek v ISIT optimalizována v rámci evropského projektu s názvem Milepost, řešeného v rámci sedmého rámcového programu EU pro výzkum a technický rozvoj. Cílem tříletého projektu s plánovanými náklady ve výši 1,3 milionu eur a termínem ukončení v červnu 2013 je integrovat na křemíkový čip všechny komponenty IMU pro sledování obecného pohybu v prostoru s dlouhodobou stabilitou i velkou přesností při zjišťování polohy, k jejíž podpoře postačí jediný elektronický obvod. Tím se výrazně zmenší rozměry a sníží cena IMU, což umožní její masové využití v navigačních systémech vhodných k použití zejména v logistice, skladovém hospodářství a vnitropodnikové dopravě.
[Tiskové zprávy Fraunhofer ISIT, 2011.]
Kab.
 
Obr. 1. Křemíková destička s polovodičovými senzory síly a krouticího momentu (foto: Fraunhofer ISIT)
Obr. 2. Senzor síly a krouticího momentu zabudovaný ve snímači (foto: Fraunhofer ISIT)
Obr. 3. Snímač síly a krouticího momentu s polovodičovým senzorem instalovaný na ramenu robota
Obr. 4. Typické současné provedení setrvačné měřicí jednotky (IMU) pro sledování pohybu v prostoru (zdroj: Fraunhofer ISIT)
Obr. 5. Nová polovodičová setrvačná měřicí jednotka (IMU) v pouzdru QFN pro navigační systémy k použití uvnitř budov (zdroj: Fraunhofer ISIT)