Für viele Sensorik-Anwendungen reicht ein Einzelsensor längst nicht mehr. Anwender könnten nun mehrere Sensorelemente an einen Mikrocontroller anbinden, um die Einzelwerte zu komplexeren Messwerten zu kombinieren. Oder sie setzen gleich auf einen integrierten Baustein, der neben den Sensorelementen auch die Signalverarbeitung übernimmt. Bosch Sensortec hat viele entsprechende Bausteine im Portfolio; exemplarisch seien der BMI160 (Beschleunigungs- und Drehratensensor) und BME280 genannt (Druck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur).

Bild 1: Die stromsparende Inertial Measurement Unit BMI160 integriert einen 3-Achsen-Beschleunigungssensor mit 16 Bit Auflösung für Low-g-Anwendungen und ein Ultra-Low-Power-3-Achsen-Gyroskop (Drehratensensor) in seinem Gehäuse.

Bild 1: Die stromsparende Inertial Measurement Unit BMI160 integriert einen 3-Achsen-Beschleunigungssensor mit 16 Bit Auflösung für Low-g-Anwendungen und ein Ultra-Low-Power-3-Achsen-Gyroskop (Drehratensensor) in seinem Gehäuse.Ineltek

Der Bewegung folgen

Die neue Inertial Measurement Unit (IMU) BMI160 integriert einen innovativen 3-Achsen-Beschleunigungssensor mit 16 Bit Auflösung für Low-g-Anwendungen und ein Ultra-Low-Power-3-Achsen-Gyroskop (Drehratensensor) in seinem Gehäuse (Bild 1). Bosch Sensortec hat das Produkt für hochgenaue 6- und 9-Achsen-Always-On-Anwendungen entwickelt, zum Beispiel in Smartphones, Tablets, Wearables, Fernsteuerungen, Spielesteuerungen, Head-Mounted-Displays, Smart Glasses oder Spielzeug. Erhältlich ist der BMI160 in einem 14-Pin-LGA-Gehäuse der Größe 2,5 × 3,0 × 0,8 mm3. Wenn sich der Beschleunigungssensor und das Gyroskop in vollem Betriebsmodus befinden, beträgt der typische Stromverbrauch 950 µA – das ist nur halb so viel wie beim Marktstandard.

Bild 2: Bosch Sensortec bietet ein breites Portfolio an MEMS-Sensoren für verschiedene Anwendungen.

Bild 2: Bosch Sensortec bietet ein breites Portfolio an MEMS-Sensoren für verschiedene Anwendungen.Ineltek

Anspruchsvolle Anwendungen wie Reality Gaming, Augmented Reality und aufkommende 3D-Indoor-Scanning-Anwendungen müssen benutzerbezogene Bewegungsdaten sehr exakt und in Echtzeit liefern. Um dies zu erreichen, synchronisiert der BMI160 die Sensordaten seines inertialen Beschleunigungssensors und seines Gyroskops mit den Daten eines extern angebundenen geomagnetischen Sensors. Damit ist der BMI160 ideal für Anwendungen, die eine exakte 6-Achsen-Sensordatenfusion mit kurzer Latzenzzeit und sehr niedriger Leistungsaufnahme benötigen.

Präzise Sensordatenfusion

Weitere Sensoren aus der Bosch-Sensortec-Familie, zum Beispiel geomagnetische Sensoren (BMM-Serie) oder Drucksensoren (BMP-Serie), lassen sich über eine sekundäre Schnittstelle als I2C-Slaves anschließen (Bild 2 und 3). Bei dieser Konfiguration steuert der BMI160 die Datenaufnahme des externen Sensors und legt alle Sensordaten im eingebauten FIFO-Zwischenspeicher ab. Ist die sekundäre Schnittstelle als Hochgeschwindigkeits-SPI-Schnittstelle konfiguriert und an ein Kameramodul angeschlossen, unterstützt der BMI160 parallel auch die optische Bildstabilisierung.

Bild 3: Beispiele für die kompakten Gehäuse der MEMS-Sensor-ICs.

Bild 3: Beispiele für die kompakten Gehäuse der MEMS-Sensor-ICs.Ineltek

Um den Stromverbrauch zu reduzieren, kann der Entwickler die eingebaute PMU nutzen (Power Management Unit). Sie überführt das Gyroskop zeitweilig automatisch in den stromsparenden schnellen Start-Up-Modus. Aus diesem wird es vom Any-Motion-Interrupt des Beschleunigungssensors wieder hochgefahren. Schließt man den BMI160 an einen geomagnetischen Sensor an, kann er das Auslesen der Sensordaten des Magnetometers ohne Mitwirkung eines Host-Prozessors starten, sodass der längere Schlafzyklus des Host-Controllers den Stromverbrauch auf Systemebene reduziert. Der eingebaute FIFO-Buffer unterstützt Low-Power-Anwendungen und verhindert Datenverlust in Nicht-Echtzeit-Systemen. Die FIFO-Architektur ermöglicht die dynamische Neuverteilung vom FIFO-Datenspeicher für Beschleunigungssensor, Gyroskop und externe Sensoren.

Der BMI160 ist mit einer On-Chip-Interrupt-Engine ausgerüstet, die eine bewegungsbasierte Gestenerkennung und Kontextsensitivität mit geringem Stromverbrauch ermöglicht. Unter den stromsparenden Interrupt-Funktionen finden sich Any-Or-No-Motion-Erkennung, Abtastung mittels Tippen oder Doppeltippen (Tap / Double Tap), Orientierungserkennung, freier Fall und Aufprallereignisse.

Bild 4: Der BME280 vereint die Sensorfunktionen für Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur in einem 2,5 × 2,5 × 0,93 mm³ kleinen Gehäuse.

Bild 4: Der BME280 vereint die Sensorfunktionen für Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur in einem 2,5 × 2,5 × 0,93 mm³ kleinen Gehäuse.Ineltek

Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur

Die integrierte Sensoreinheit BME280 vereint die Sensorfunktionen für Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur in einem einzigen Gehäuse (Bild 4). Bosch Sensortec hat diesen Sensor für leistungsfähige Anwendungen entwickelt, etwa Smart-Home, personalisierte Wetterstationen, Sport- und Fitness-Applikationen oder die Indoor-Navigation. Die präzise Messfunktion des BME280 ist eine entscheidende Voraussetzung für die Indoor-Navigation mit stockwerksgenauer Höhenermittlung; nötig sind dazu eine sehr hohe Genauigkeit, ein geringer Temperaturdrift und eine hohe Auflösung. Der BME280 bestimmt die Luftfeuchtigkeit in nur einer Sekunde – die branchenweit kürzeste Reaktionszeit. Zudem zeichnet er sich durch eine sehr hohe Präzision bei der Messung der Umgebungstemperatur und einen niedrigen Energiebedarf aus.

Eckdaten

  • BMI160: 3-Achsen-Beschleunigungssensor und ein 3-Achsen-Gyroskop in einem 14-Pin-LGA-Gehäuse (2,5 × 3,0 × 0,8 mm³). Stromverbrauch im vollem Betriebsmodus: 950 µA.
  • BME280: Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur im 8-Pin-LGA-Gehäuse (2,5 × 2,5 × 0,93 mm³). Stromverbrauch: 3,6 µA bei 1 Hz. Genauigkeit der Feuchtemessung: ±3 %, Temperaturmessung: 0,5 °C, Druckmessungen ±0,12 hPA. Dies entspricht einem Höhenunterschied von ±1 m bei einer Auflösung von 1,5 cm.
  • Ineltek hat das Bosch-Sensortec-Portfolio seit Anfang 2015 im Programm.

Mit einer Grundfläche von nur 2,5 × 2,5 mm2 und einer Bauhöhe von 0,93 mm in einem platzsparenden 8-Pin-LGA-Gehäuse, behält der Entwickler eine hohe Design-Flexibilität. Er kann den BME280 sehr gut in Geräte mit geringem Platzbedarf integrieren, zum Beispiel Smartphones, Tablet Computer, Smart Watches und elektronische Armbänder. Durch seinen geringeren Stromverbrauch von nur 3,6 µA (bei 1 Hz) eignet sich der Sensor auch für batteriebetriebene Anwendungen. Je nach Anwendung kann der Entwickler aus drei Leistungsstufen wählen sowie die Oversampling-Raten für Druck und Temperatur separat konfigurieren.

Exakte Werte

Der Feuchtigkeitssensor misst die relative Luftfeuchtigkeit (0 bis 100 %) über einen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C mit einer Reaktionszeit von weniger als einer Sekunde. Die Genauigkeit der Feuchtemessung beträgt ±3 % bei einer Hysterese von maximal 2 %. Die Temperatur erfasst der BME280 mit einer Genauigkeit von 0,5 °C. Bei Druckmessungen liegt die relative Genauigkeit bei ±0,12 hPA. Dies entspricht einem Höhenunterschied von ±1 m bei einer Auflösung von 1,5 cm. Davon profitieren beispielsweise anspruchsvolle GPS-Anwendungen, bei welchen der BME280 genauere und schnellere Positionsbestimmungen erzielt als vergleichbare Produkte.

Die Druckmessfunktion des BME280 zeichnet sich durch eine sehr hohe Temperaturstabilität aus. Der Temperaturkoeffizient von nur 1,5 Pa/K entspricht einer temperaturbedingten Höhenabweichung von 12,6 cm/K. Aufgrund der Genauigkeit, Vielseitigkeit und kompakten Bauform, eignet sich der BME280 nicht nur für den Einsatz in neuen Anwendungen, er kann auch die Genauigkeit existierender Applikationen verbessern. Mit dem BME280 lassen sich beispielsweise Raumklimasteuerungen über das Smartphone realisieren, oder Sportanwendungen können mit einem Höhenprofil ausgestattet werden, um die Leistungskontrolle zu verbessern. Als vernetzter Sensor im Internet der Dinge bildet der BME280 die Basis für zahllose Anwendungen in den Bereichen Smart Home, intelligente Energienetze, intelligente Transportlösungen sowie Altenpflege.

Bastian Straßburg ist Leiter Marketing beim „Demand Creation & Design-In“-Distributor Ineltek in Heidenheim.

Bastian Straßburg ist Leiter Marketing beim „Demand Creation & Design-In“-Distributor Ineltek in Heidenheim.Ineltek

Volle Unterstützung

Bosch Sensortec bietet für den BME280 die Support-Software BSH 1.0 an. Mit diesem Algorithmus können Entwickler eine präzise Temperatur-Kompensationsfunktion integrieren.

Mit den beiden Sensoren BMI160 und BME280 und dem kompletten MEMS-Sensoren-Lineup sind Bosch Sensortec und sein neuer Distributor Ineltek bestens gerüstet für die immer stärker werdende Nachfrage. Weitere Derivate stehen bereits in der Pipeline.

Interview mit Bastian Straßburg, Leiter Marketing, Ineltek

Bosch Sensortec, eine hundertprozentige Tochtergesellschaft der Robert Bosch GmbH, bietet eine breite Palette von MEMS-Sensoren und Lösungen für die Konsumelektronik. Das Portfolio umfasst dreiachsige Beschleunigungs-, Drehraten- und geomagnetische Sensoren, integrierte Sechs- und Neun-Achsen-Sensoren und Umweltsensoren sowie Softwarelösungen. Der Hersteller erweiterte Anfang 2015 sein Distributoren-Netzwerk um den „Demand Creation & Design-In“-Distributor Ineltek. In den ersten Monaten sind bereits quer über die komplette Organisation zahlreiche neue Designs angelaufen.

Bastian Straßburg informiert im Interview über die Ergänzung des Produktportfolios und Synergieeffekte mit den MEMS-Sensoren von Bosch Sensortec.

All-Electronics: Welche Produkte haben Sie Ihr Sortiment aufgenommen und welche Vorteile sehen Sie darin?

Bastian Straßburg: Durch den Distributionsvertrag mit Bosch Sensortec haben wir unser Produktportfolio um Beschleunigungs-, Drehraten-, Massenfluss-, Druck- und Umweltsensoren ergänzt. Wir sehen Bosch als Marke welche weltweit einen überragenden Stellenwert besitzt und von der Qualität der Produkte und der Prozesse ihresgleichen sucht. Nicht von ungefähr ist Bosch Sensortec der weltweit führende Anbieter im Bereich MEMS-Sensoren und hat die MEMS-Technologie von Beginn an geprägt.

Für Ineltek ergeben sich daraus viele Vorteile. Im ersten Schritt können wir den Bestandskunden ein erweitertes Portfolio anbieten, sowie eine Vielzahl von neuen Applikationen adressieren. Wir sehen auch Synergieeffekte zu bereits von uns vertretenen Produkten, um effiziente Bundellösungen anzubieten.

All-Electronics: Können Sie ein Beispiel für die Synergieeffekte nennen?

Bastian Straßburg: Der 9-Achsen-Sensor BNO055 misst Beschleunigung, Drehrate und Magnetfeld und enthält einen Mikrocontroller zur Signalauswertung. Dieser Controller kommt von Atmel – das war auch die erste Vertragslinie in unserem Unternehmen. Wir sind daher einer der größten Design-In-Distributoren für Atmel in EMEA und kennen deren Produkte bis ins kleinste Detail. Insofern können wir unseren Kunden bei der technischen Betreuung in Bezug auf die Implementierung der Bosch-Sensoren in deren Applikation einen echten Mehrwert bieten, wenn es um die technischen Feinheiten der Controller geht.

All-Electronics: Adressieren Sie mit den Bosch-MEMS-Sensoren spezielle Märkte?

Bastian Straßburg: Die wichtigsten Zielmärkte sehen wir in der Industrie, dem Consumer-Bereich und Wearables. Insbesondere für das Produktsegment Wearables ist es wichtig, dass die Sensoren so klein wie möglich sind. Die Geräte sollen immer mehr können – es bleibt aber kaum Platz für die Technik. Last but not least konzentrieren wir uns auf Applikationen aus dem IOT-Bereich. Das Internet der Dinge und Dienste braucht Sensoren, Signalverarbeitung, Batterien und Sender. Diese sind mittlerweile auch als Einheit so klein, energiesparsam und günstig, dass man sie milliardenfach einsetzen kann.

All-Electronics: Gibt es bereits konkrete Applikationen Ihrer Kunden mit den Sensoren von Bosch?

Bastian Straßburg: Wir bekommen viele Anfragen über Applikationen bei welchen wir im Vorfeld keinen Zugriff hatten. Vor allem der BME280, der BNO055 und der Inertialsensor BMI160 kristallisieren sich bei uns zu absoluten High-Runner-Produkten heraus. Der Name Bosch und die Qualität der Produkte tragen ihr Übriges dazu bei, dass wir im gesamten Netzwerk der Firma Ineltek in Europa ein starke Nachfrage sehen und bereits zahlreiche Bemusterungen laufen sowie erste Design-Ins im Bereich Consumer und Wearables zu verzeichnen sind. Wir sehen uns als technischer Design-In-Distributor für diesen Markt gut gerüstet und haben uns bereits ein entsprechendes Freilager aufgebaut um innerhalb kürzester Zeit reagieren und unsere Kunden termingerecht beliefern zu können.