Drucksensoren mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis

In professionellen Blutdruckmessgeräten setzen viele Hersteller bereits auf die AG3-/AP3-Sensoren von Fujikura. Viele von ihnen haben das ganze Potenzial dieser Sensoren voll ausgenutzt, um sie auch in anderen Applikationen einzusetzen. Denn mit einer fachgerechten A/D-Wandlung ist eine Auflösung des analogen Signal von bis zu 16 Bit möglich. Deshalb kommt dieser Sensor heutzutage nicht mehr nur in professionellen Blutdruckmessgeräten zum Einsatz, sondern auch überall dort, wo eine hohe Auflösung und schnelle Abtastrate erforderlich sind.

Standard mit Grenzen

Vergleichbare Produkte auf dem Markt verwenden für die Signalkonditionierung ein ASIC. In diesem Konzept wandelt das System das analoge Signal in ein digitales um, bevor es der digitale Signalprozessor (DSP) weiterverarbeitet. Dieses Prinzip entwickelte sich in den vergangenen Jahren zu einem Quasi-Standard bei den MEMS-Drucksensoren. Auch Fujikura nutzt dieses Prinzip noch in der AG2/AP2-Sensorfamilie (Bild 1).

In der analogen Version dieses Konzepts wird das digitale Signal dann wieder D/A-gewandelt und in der digitalen Version direkt über eine SPI oder I²C-Schnittstelle ausgegeben. Dieses Konzept hat absolut seine Berechtigung und ist für viele Anwendungen die richtige Lösung. Die Signalverarbeitung im DSP-Block des ASIC eröffnet Möglichkeiten, jedoch sind diese durch die Rechenleistung definiert oder begrenzt.

Bild 1: Verbreitetes Konzept mit digitaler Signalverarbeitung (AG2/AP2-Serie) Pewatron

Die ASIC-Hersteller dimensionieren ihre Produkte so, dass sie den größten Teil des Marktes und der Applikationen abdecken können: eine gute Lösung mit gutem Preis-Leistungs-Verhältnis.

Liegen die Kundenanforderungen jedoch über denen dieser Mainstream-Applikationen, stößt das Konzept an seine Grenzen. Entweder erfüllt die Lösung nur einen Teil der Spezifikation oder sie wird kostspielig. Diese Lücke will Fujikura nun mit der AG3/AP3-Serie schließen, die einen anderen Ansatz verfolgt als die Produkte der Mitbewerber im Sensorgeschäft (Bild 2).

Rein analoge Signalkonditionierung und Kennlinienkorrektur

Bild 2: Voll analoges Konzept ohne digitale Signalverarbeitung im Signalpfad (AG3/AP3-Serie) Pewatron

Nicht immer ist die Digitalisierung besser. Manche altbewährten Konzepte bieten entscheidende Vorteile. Bei der AG3/AP3-Serie heißt das Zauberwort „voll analoge Signalkonditionierung“: Der ASIC von Fujikura verzichtet ganz auf die A/D-/D/A-Wandlung und somit auf eine digitale Signalverarbeitung. Nicht nur der ganze Signalpfad ist rein analog, sondern auch die Temperatur- und Kennlinienkorrektur. Durch den Einsatz heutiger Analogtechnik wird eine gute Signalqualität erreicht. Der Vergleich in Bild 3 zeigt den Unterschied deutlich: Im Gegensatz zum digital verarbeiteten Drucksignal (Bild 4) sind am Ausgang keine Stufen zu sehen. Die volle Auflösung kann weiterverarbeitet werden.

Ein Anwendungsbeispiel erklärt die Vorteile der Sensoren auf der folgenden Seite.

Freiheit und Preisvorteile durch externe AD-Wandlung

Bild 3: Digital verarbeitetes Signal mit ASIC-Lösung (links) und rein analog verarbeitetes Signal mit AG3/AP3-ASIC (rechts) Pewatron

Die AG3/AP3-Serie in Kombination mit einer externen A/D-Wandlung bietet in vielen Applikationen Vorteile. Das rauscharme, stufenlose Analogsignal bildet die Grundlage für eine hohe Auflösung der Ausgangsspannung von bis zu 16 Bit; es kann aber mit bis zu 120 µs auch schnell abgetastet werden. Natürlich ist die resultierende Performance auch vom verwendeten A/D-Wandler und somit vom Kundendesign abhängig. Mit diesem Aufbau aus Drucksensor mit verstärktem Analogausgang und externer A/D-Wandlung bestimmt der Kunde die Kosten der Gesamtlösung mit, indem er die Güte der A/D-Wandlung bestimmt und diese nach seinen Anforderungen dimensioniert und optimiert.

Einige Kunden von Pewatron benötigen zudem eine echte synchrone Abtastung mehrerer Drucksensoren, was mit den markttypischen digitalen Drucksensoren nicht exakt durchführbar ist. Zwar lässt sich theoretisch ein quasisynchrones Auslesen über mehrere I²C-/SPI-Busse realisieren, jedoch nicht exakt; echte äquidistante und synchrone Abtastwerte sind nicht möglich. Dafür müssten die verschiedenen Clocks der digitalen Drucksensoren oder ihrer digitalen Blöcke miteinander synchronisiert werden, was bei den genannten Sensoren nicht machbar ist – im Unterschied zum voll analogen Konzept mit der nachfolgenden A/D-Wandlung, die der Kunde definiert und so nach eigenen Anforderungen konzipieren kann.

Hochgenaue Blutruckmessung

Bild 4: Typisches digital verarbeitetes analoges „Treppen-Ausgangssignal“ Pewatron

Bei der indirekten arteriellen Druckmessung beispielsweise misst ein Blutdruckmessgerät am Arm den arteriellen Druck. Dabei ermittelt das Gerät sowohl den oberen, systolischen arteriellen Druck als auch den unteren, diastolischen Wert. Bild 6 zeigt eine typische Blutdruckkurve, bei der es den oberen und unteren Wert zu ermitteln gilt. Außerdem sind die beiden Wendepunkte (Maxima und Minima) angezeigt, bei denen das System ein Signal geben soll. Bei dieser Messaufgabe ist es wichtig, dass neben der eigentlichen Genauigkeit des Sensors vor allem die Auflösung und die Abtastrate der A/D-Wandlung präzise sind, da sie für die Gesamtgenauigkeit und Zuverlässigkeit der Blutdruckmessung entscheidend sind. Wie bereits erwähnt, besitzt die AG3/AP3-Serie genau diese Eigenschaften, weshalb sie sich für diese Art Messung gut eignet.

Allerdings greifen viele der günstigen Blutdruckmessgeräte im Umlauf auf einfachere Lösungen zurück, jedoch sind die angezeigten Messwerte eher als Richtwerte zu betrachten, da sie das Minima und Maxima bei tieferer Abtastung und geringerer Auflösung nur schlecht präzise erfassen können. Sicherlich habe diese Geräte für den Heimbedarf durchaus ihre Berechtigung und eignen sich für eine grobe Beurteilung, in professionellen Geräten hat eine solche rudimentäre Sensorik jedoch keinen Platz.

Ein Beispiel einer solchen professionellen Anwendung ist ein sogenannter Patientenmonitor, den Krankenhäuser zur Überwachung und Aufzeichnung der Vitalparameter der Patienten einsetzen. Typische Parameter sind etwa EKG zur Beurteilung von Herzrhythmus und -frequenz, Blutdruck, Sauerstoffsättigung, Körpertemperatur oder die Kapnometrie, also die Messung des Kohlendioxidanteiles in der Ausatemluft.

Bild 5: Gehäuse AG3 (SMD) und AP3 (THT) Pewatron

Bild 7 zeigt die Elektronik eines Modules zur Blutdruckmessung, das Bestandteil eines solchen Patientenmonitors ist. Gut ersichtlich sind die zwei AG3-Sensoren. Um Redundanz zu schaffen, kommen wie in vielen anderen Produkten der Medizintechnik zwei Sensoren zum Einsatz. Diese doppelte Messwerterfassung stellt sicher, dass das System jeden vorstellbaren Fehler der Sensorik detektiert. Das fordert die Norm EN 60601-1 für medizinische elektrische Geräte, um die Patientensicherheit zu garantieren. Weiter auf der Baugruppe sind die elektronischen Komponenten zur A/D-Wandlung zu sehen. In diesem konkreten Fall hat Fujikura Komponenten verwendet, die die Performance der rauscharmen Drucksensoren optimal ausnutzen. Dies ermöglicht eine zuverlässige Blutdruckmessung bei Neugeborenen und Säuglingen.

Ein produktionstechnischer Aspekt ist die flexible Leiterplatte beziehungsweise die Kombination von Flex-Print-Technologie mit einem steifen herkömmlichen Teil. Solche Leiterplatten ermöglichen einen passenden Einbau trotz beschränkter Platzverhältnisse.

Bild 6: Typische Blutdruckkurve in mmHg Pewatron

Fujikura fertigt sowohl den Sensor als auch die Flex-Prints (FPC) und bestückt die Baugruppen in der gleichen Fabrik. Entwickler bekommen somit die komplett getestete und kalibrierte Sensorbaugruppe von einem einzigen Sensorhersteller. Gerade bei den Endtests zahlt sich die Fertigung durch einen Hersteller aus, da dieser die Baugruppen unter Anlegen unterschiedlicher Drücke fachmännisch testen kann. Ein typischer Bestücker stößt beim Aufbau eines Druckprüfstands oft an seine Grenzen oder ihm fehlt das Drucksensorik-Know-how, was viele Unternehmen häufig unterschätzen. Letztendlich muss dann der Kunde den Endtest selbst bauen und auch über die ganze Lebensdauer unterhalten. Bei einem Drucksensor-Hersteller fällt dies weg.

Technische Details finden Sie auf der nächsten Seite.

Technische Details

Bei der analogen Serie AG3/AP3 handelt es sich jeweils um ein Zwei-Chip-System, bestehend aus einem MEMS-Sensorchip und einem Signalkonditionierungschip (ASIC). Das Signalkonditionierungs-IC besitzt im Gain-Verstärker keine A/D- und D/A-Wandlerstufen und durch die Verstärkung wird ein sehr störungsarmes Ausgangssignal erreicht.

Mit der richtigen Filterung liegen die Peak-to-Peak-Störsignale deutlich unter 0,02 mmHg. Die störungsarme Verstärkung über den gesamten Messbereich bietet vor allem große Vorteile beim Einsatz in Highend-Messgeräten für die nichtinvasive Blutdruckmessung (NiBP).

Bild 7: Elektronikbaugruppe (Flex-Print) für Blutdruckmessung Pewatron

Eine weitere Funktion, die immer wichtiger wird, ist die Einpunkt-Druckschwellen-Erkennung. Dabei sendet das System die analogen Ausgangssignale der Druckmessung sowie eine Schwellenspannung an einen internen Komparator, der die beiden Spannungen miteinander vergleicht. Das Resultat dieses Vergleichs ist das digitale Ausgangssignal. Das ermöglicht sehr kleine und kostengünstige Druckschalter, was insbesondere wichtig ist für Anwendungen in begrenzten Platzverhältnissen oder für die Druckmessung in kleinen, leichtgewichtigen Konstruktionen.

Der Standardmessbereich der Sensoren liegt zwischen 0 bis 250 mbar und 0 bis 12 bar. Weitere Messbereiche sind auf Anfrage möglich. Der Druckmessbereich lässt sich für positive, negative oder bidirektionale Messwerte konfigurieren, die Speisespannung für 3,0, 3,3 oder 5,0 V_DC. Die Drucksensoren werden in den für Fujikura üblichen Verpackungen geliefert, je nach Kundenwunsch in Tray, Tape-and-Reel oder Stick.

(prm)