Konsequente Miniaturisierung in Drucksensoren

Im Wesentlichen bestehen Niederdrucksensoren aus zwei Halbleiterbausteinen, einem MEMS (mikroelektromechanischem Sensor) sowie einem ASIC (Anwendungsspezifisches IC). Der Aufbau ist also überschaubar gehalten, dennoch erlaubt dieser Aufbau die Differenzdruckmessung.

Differenzdruckmessung

Bild 1: Membranverhalten einer piezoresitiven Messzelle bei Differenzdruck unter der Bedingung P1 ≥ P2 Amsys

Die Differenzmessung vergleicht zum einem den Druck P₁ als auch den Druck P₂. Beide drücken sowohl von der Ober- als auch an der Unterseite gegen eine druckempfindliche Silizium-Messzelle (MEMS) eines Sensors (Bild 1). Bei der Messung gilt es die beiden Fälle P₁ ≤ P₂ oder umgekehrt P₁ ≥ P₂ zu unterscheiden. Die meisten Sensoren können jedoch nur ein Druckverhältnis, also P₁/P₂ ≥ 1 oder P₁/P₂ ≤ 1, erfassen und auswerten. Aufgrund dieser Einschränkung heißt diese Art der Druckmessung auch Differenzdruckmessung. Die bidirektionale Druckmessung hingegen basiert auf diesem Prinzip, erweitert jedoch diese gewöhnliche Druckmessung.

Bidirektionale differenzielle Sensoren

Bild 2: Siliziummesszelle bei der Messung eines Differenzdruckes unter den Bedingungen: P1 = P2, P1 < P2 und P1 > P2. Amsys

Über die beschriebenen Differenzmessung hinaus gibt es Anwendungen, die sowohl die Messbedingungen P₁ ≤ P₂ als auch P₁ ≥ P₂ fordern wie etwa das Be- und Entlüften, Unter- oder Überschreiten eines Flüssigkeitsniveaus oder das Ein- und Ausatmen. Für Sensoren, die diese Art von Differenzdruck messen können, gibt es keine allgemein anerkannte Bezeichung. Einige Anbieter, wie etwa Amsys, nennen diese Art der Sensoren bidirektionale, differenzielle Drucksensoren. Sie haben also die Eigenschaft Unter- und Überdruck messen zu können und es gilt: P₁/P₂ ≥1 und P₁/P₂ ≤ 1.

Bild 2 zeigt schematisch, wie die Membranauslenkung der Differenzdruckmesszellen bei der bidirektionalen Messung aussieht. Die Richtungsumkehrung der Membranauslenkung bewirkt ein Vorzeichenwechsel im Ausgangssignal der Messzelle, das die nachfolgende Elektronik entsprechend verarbeiten muss. Der zu messende Differenzdruck kann bei den Messzellen dieser Sensoren sowohl ein positives als auch ein negatives Vorzeichen haben. Das ist deshalb der Fall, da der Druck P₁ am Anschlussstutzen der Messzellenoberseite sowohl größer als auch kleiner sein kann als der Druck P₂ am Anschlussstutzen der Messzellenunterseite und umgekehrt. Das führt dazu, dass Anwender nicht mehr auf Druckverhältnisse achten müssen. Bei dem hier beschriebenen Drucksensor SM9543 handelt es sich um einen solchen bidirektional differenziellen Sensor.

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Aufbau des SM9543

Bild 3: Prinzipieller Aufbau des SM9543 Amsys

Der SM9543 besteht aus einer Silizium-Niederdruckmesszelle und einem ASIC, das den elektronischen Abgleich des Sensors wie die Kalibration, die Kompensation sowie die Linearisierung während der Herstellung ermöglicht (Bild 3). Das Sensorsystem legt dazu im internen EEPROM Korrekturkoeffizienten ab, die das System dann durch einen gespeicherten Algorithmus mit den jeweiligen Messwerten verrechnet. So entsteht nach jedem Zyklus (0,5 msec) ein aktualisierter Druckwert, der am Ausgang im I²C Format bereitsteht.

Bei dem verwendeten ASIC handelt es sich um ein CMOS-IC, das aus Instrumentenverstärker, einem 16 bit AD-Wandler, einem EEPROM, dem Prozessor und einer Ausgangsstufe (DSP; Digital Signal Processor) besteht. Der Hersteller des SM9543, Silicon Microstructures, entwickelte die Siliziummesszelle extra für den Sensor und hat ihn in den Abmessungen stark verkleinert.

Bild 4: Schnittbild des SM9543 Amsys

Die Niederdruckmesszelle und das ASIC sind in einem SOIC-Standardgehäuse mit 16 Pins montiert, das in seinen Abmessungen der bekannten JEDEC-Norm MS-O12 entspricht (siehe Bild 4). Das Gehäuse besteht aus Thermoplast und ist damit weitgehend gegen Chemikalien resistent. Aufgrund des Standardgehäuses lässt sich der SM9543 wie ein IC im Leiterplattenentwurf layouten und im Reflow-Verfahren verarbeiten. Auf der Gehäuseoberseite befinden sich zwei Stutzen, an die die Schläuche für die Druckmessung angeschlossen werden (Bild 4).

Eigenschaften des SM9543

Der SM9543 ist ein bidirektionaler Differenzdrucksensor für ±5 mbar mit kompletter Auswertelektronik. Er hat einen 16 Bit Digital-Analog-Wandler (DAC) und eine Signalauflösung von 14 Bit, sodass man unter Berücksichtigung des LSB (least significant bit) mit einer Auflösung von 0,5 Pa rechnen kann. Nicht zu verwechseln damit ist der totale Fehler, der im Temperaturbereich von -5 bis 65 °C mit ±1,5 FS angegeben wird. Unter totalem Fehler werden alle Fehler einschließlich Kalibrations-, Temperatur- sowie stochastische Fehler zusammengefasst, was der Anzahl der maximal möglichen Fehler entspricht. Mit diesem Wert gehört der SM9543 zu den genausten 5-mbar-Niederdrucksensoren auf dem Markt.

Der Kalibrationstemperaturbereich erstreckt sich von -5 bis 60 °C, das heißt, der Sensor wird in diesem Temperaturbereich gemessen, kalibriert, kompensiert sowie linearisiert. Der Arbeitstemperaturbereich reicht von -25 bis 65°C. Die Versorgungsspannung beträgt 3,3 V und die Stromaufnahme 2 mA. Die Kommunikation mit dem Sensor erfolgt über eine standardisierte I²C-Schnittstelle. Um die Funktion des Sensors zu kontrollieren, ist der SM9543 mit einer Statusdiagnose und mit einer Fehlermeldung ausgestattet. Außerdem lässt sich das Brückensignal als analoges Signal messen. Die Einsatzgebiete des Sensors reichen von medizinischen Anwendungen wie der Atmungskontrolle bis hin zu industriellen Anwendungen. Aber auch in der Klimatechnik oder in der Haustechnik findet er Verwendung.

Zusammenfassung

Mit der neuen Generation der SM9543-Serie bietet Amsys Drucksensoren, die sich in SOIC-Gehäusen montieren lassen und an der Grenze der Möglichkeiten der heutigen Aufbau- und Verbindungstechnik stehen. Nicht zuletzt aus Gründen des Handlings (Schlauchmontage) wird man eine weitergehende Miniaturisierung in Frage stellen müssen. Moderne MEMS-Technologie und der Fortschritt in der Mikroelektronik ermöglichen gute Werte bei der Auflösung, Genauigkeit und Stabilität auf kleinstem Raum. Die kleinen Abmessungen und die höhere Leistungsfähigkeit dieser SOIC-Sensoren sind Resultat ihrer konsequenten Miniaturisierung.

(prm)