Mikromechanisch gefertigter 3D-Beschleunigungssensor für die Hand-Gebärdenerfassung

three-axis micromachined accelerometer for hand-gesture recognition

  • Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein monolithischer dreiachsiger Beschleunigungssensor, der sich aus zwei identischen, um 90 Grad gegeneinander gedrehten, zweiachsigen Beschleunigungssensoren zusammensetzt, entwickelt. Der Beschleunigungssensor wird auf einem Sensorhandschuh montiert und zur Erkennung menschlicher Gebärden eingesetzt. Der Meßbereich von ±5g sowie der nutzbare Frequenzbereich von 300 Hz sind an den Verwendungszweck des Sensors angepaßt. Die erste Resonanzfrequenz des Sensors liegt bIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein monolithischer dreiachsiger Beschleunigungssensor, der sich aus zwei identischen, um 90 Grad gegeneinander gedrehten, zweiachsigen Beschleunigungssensoren zusammensetzt, entwickelt. Der Beschleunigungssensor wird auf einem Sensorhandschuh montiert und zur Erkennung menschlicher Gebärden eingesetzt. Der Meßbereich von ±5g sowie der nutzbare Frequenzbereich von 300 Hz sind an den Verwendungszweck des Sensors angepaßt. Die erste Resonanzfrequenz des Sensors liegt bei 2080 Hz. Bei einer Frequenz von 300 Hz beträgt die Resonanzüberhöhung weniger als 1%. Neben dem Sensorentwurf und der Optimierung des Sensors mit Hilfe von analytischen Berechnungen und Simulationen nach der Methode der Finiten Elemente, wird die technologische Realisierung sowie die meßtechnische Charakterisierung des Sensors vorgestellt. Der entwickelte Sensor besteht aus einer Glas-Silizium-Glas Sandwichstruktur und ist in Bulk-Micromachining gefertigt. Der eigentliche Sensorchip ist aus Silizium und arbeitet nach dem piezoresistiven Prinzip. Eine an zwei Biegebalken aufgehängte seismische Masse stellt die Grundstruktur des Beschleunigungssensors dar. Entgegen der sonst üblichen Praxis wird die Querempfindlichkeit dieser Struktur nicht minimiert sondern maximiert. Das hat zur Folge, daß die Sensorstruktur auf zwei orthogonale Beschleunigungskomponenten anspricht. Durch die Verwendung einer zweiten solchen Struktur kann mittels eines Differenzverfahrens zwischen den beiden Beschleunigungskomponenten unterschieden und gleichzeitig die Querempfindlichkeit zwischen diesen Komponenten eliminiert werden. Das beschriebene Sensorprinzip ist auf drei Raumrichtungen erweiterbar und erlaubt so die Realisierung von monolithischen zweiachsigen und dreiachsigen Beschleunigungssensoren. Die Meßergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den aus Simulationen und analytischen Berechnungen gewonnenen Sensordaten. Bei einer Versorgungsspannung von 5V und einem Verstärkungsfaktor von 1000 zeigt der aufgebaute 3D-Sensor eine Empfindlichkeit von 3.1 V/g für das z-Signal und 1.04 V/g für das x- und das y-Signal. Für alle Detektionsrichtungen beträgt der maximale Linearitätsfehler ±0.6 % FSO. Besonders hervorzuheben ist die geringe Querempfindlichkeit des Sensors von 2 % für das x- und das y-Signal sowie von 0,7 % für das z-Signal. Diese Werte sind vergleichbar mit der Querempfindlichkeit kommerziell erhältlicher, einachsiger Mikro-Beschleunigungssensoren. Zur Erkennung menschlicher Gebärden wurde ein dreiachsiger Beschleunigungssensor auf einem Sensorhandschuh befestigt. Aus den damit gemessenen drei Komponenten der Beschleunigung kann für jede Gebärde ein gebärdentypisches Beschleunigungsmuster aufgenommen und zur Erkennung der Gebärde herangezogen werden. Damit wurden Gebärdenerkennungsraten von 95 % erzielt.show moreshow less

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Metadaten
Author: Thomas Velten
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-1464
Advisor:Prof. Dr. Ernst Obermeier
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2000/07/26
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Date of final exam:2000/06/08
Release Date:2000/07/26
Tag:Beschleunigungssensor; Gebärdenerkennung; Mikromechanik; piezoresistiv
Institutes:Fachbereich 12 - Elektrotechnik -ohne Zuordnung zu einem Institut-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)