Drucksensoren erhöhen Genauigkeit und Präzision in IoT-Designs

Um sich den Herausforderungen von IoT-Designs anzunehmen, haben die Anbieter von Sensoren neue Funktionen, Formfaktoren, integrierte Elektronik und flexible Schnittstellenoptionen eingeführt, die erheblich zur Vereinfachung von Design und Integration beitragen.

Die Entwicklung von Drucksensoren

Anfangs handelte es sich bei Drucksensoren um elektromechanische Komponenten. Diese Modelle mussten jedoch kostengünstigeren Komponenten auf Halbleiterbasis weichen, in denen MEMS zum Einsatz kamen, mit denen sich extrem geringe Druckunterschiede von ±1 Pascal (Pa) messen lassen. Über Onboard-Schnittstellen können sie Daten über eine I²C- oder SPI-Verbindung an einen Mikrocontroller übermitteln und verbrauchen dabei sehr viel weniger Strom.

In einem MEMS-Drucksensor wird eine Kraft auf eine flexible Membran ausgeübt, die sich auf einem Sensorelement befindet. Diese Kraft lenkt die Membran aus und induziert so ein Ungleichgewicht, das anschließend in ein Ausgangssignal umgewandelt wird. MEMS-basierende Sensoren messen sowohl Absolut- als auch Differenzdrücke und sind in kompensierten und in nicht kompensierten Ausführungen erhältlich.

Drucksensoren für IoT-Designs

Jüngste Veränderungen haben dazu geführt, dass Drucksensoren genauer, leichter und günstiger wurden und größere Messbereiche möglich sind. Diese Innovationen sind erforderlich für das Design neuer Anwendungen in den Bereichen IoT und Wearables.

MEMS-basierende Drucksensoren kommen beispielsweise in Sportarmbändern der nächsten Generation zum Einsatz, die den Kalorienverbrauch noch genauer messen soll. Läufer und Radfahrer sind sehr eigen, wenn es darum geht die Genauigkeit der Überwachung ihrer Leistung zu verbessern. Der Umstand, dass die Druckmessung in Wearables und IoT-Designs immer mehr zum Standard wird, macht es zwangsläufig erforderlich, dass sich die Grundfläche der entsprechenden Sensoren verkleinert.

Bild 1: Der MEMS-Luftdrucksensor LPS22HB von STMicroelectronics misst 2 × 2 × 0,76 mm³ und zieht 3 µA Strom bei einer Versorgung im Bereich von 1,7 bis 3,6 V. ST Microelectronics

Die neuen MEMS-Sensoren sind kleiner, verbrauchen weniger Strom und sparen viel Platz auf der Platine. Des Weiteren verbessern sie Leistung und Zuverlässigkeit der IoT-Designs. Diese Drucksensoren in ultrakompakten und dünnen Gehäusen eignen sich außerdem für batteriebetriebene portable Designs wie Smartphones und Tablets oder auch für Wearables im Sport.

In manchen dieser batteriebetriebenen Mobilgeräte ergänzen oder ersetzen Drucksensoren GPS in Anwendungen wie der Aktivitätserkennung, der Bestimmung des richtigen Stockwerks und der Positionsermittlung im Freien. Diese MEMS-basierenden Drucksensoren ermöglichen zudem exaktere Berechnungen zur Koppelnavigation, wodurch sich neue Anwendungsmöglichkeiten im Gesundheitswesen und in der Wetterbeobachtung ergeben.

Ein gutes Beispiel für diese neueren MEMS-Sensoren ist der LPS22HB von STMicroelectronics. Hierbei handelt es sich um einen nanoelektronischen MEMS-Drucksensor mit einem absoluten Druckbereich von 260 bis 1260 Hektopascal (hPa) und einem digitalen Ausgang. Wichtige Merkmale sind die extrem kleinen Abmessungen von 2,0 × 2,0 × 0,76 mm³ in einem LGA-Gehäuse sowie der  Stromverbrauch von lediglich 3 µA bei einer Versorgung im Bereich von 1,7 bis 3,6 V.

Bild 2: Die FIFO-Funktion des LPS22HB befindet sich zusammen mit der Temperatur- und Druckkompensation in der digitalen Logik. ST Microelectronics

Das LGA-Gehäuse ist perforiert, damit der Druck von außen das Sensorelement erreicht. Es handelt sich um einen piezoresistiven Sensor, der das Sensorelement und eine IC-Schnittstelle umfasst, die das Sensorelement über eine I²C- oder SPI-Verbindung mit der Anwendung verbindet.

Der LPS22HB verfügt über eine Temperatur- und Druckkompensation und ein integrierter FIFO sorgt für die effiziente Verarbeitung der Druck- und Temperaturdaten in der digitalen Logik (Bild 2).

Der FIFO-Puffer umfasst 32 Slots mit 40 Bit Daten, um die Druck- und Temperaturausgangswerte zu speichern. Auf diese Weise lässt sich dauerhaft Strom sparen, da der Host nicht mehr ständig die Sensordaten abfragen muss. Stattdessen muss der Host lediglich aus einem Interrupt aufwachen und kann alle benötigten Daten auf einmal vom FIFO abrufen.

Der FIFO verfügt über sieben verschiedene Betriebsmodi, nämlich den Bypass-Modus, den FIFO-Modus, den Stream-Modus, den Dynamic-Stream-Modus, den Stream-to-FIFO-Modus, den Bypass-to-Stream-Modus und den Bypass-to-FIFO-Modus. Diese Modi bieten verschiedene Betriebsmöglichkeiten. Im Bypass-Modus etwa bleibt der FIFO außer Betrieb und leer, wohingegen der Dynamic-Stream-Modus dafür sorgt, dass die Menge der neu im FIFO verfügbaren Daten nicht von der vorherigen Auslesung abhängt.

Rauschfilterung und plötzliche Änderungen

Um Drucksensoren in anspruchsvollen Designs wie Smartwatches und Sportarmbändern verwenden zu können, muss Entwickler das Rauschen unbedingt minimieren. Das gilt insbesondere angesichts der Wahrscheinlichkeit unerwarteter Ereignisse, die zu einem schnellen und plötzlichen Anstieg des Luftdrucks führen können.

Bild 3: Der IIR-Filter im BMP388 von Bosch Sensortec verhindert starkes Rauschen aufgrund von Ereignissen wie beispielsweise dem Schließen einer Tür oder einem Schuss. Bosch Sensortec

Gegen das Rauschen bietet Bosch Sensortec den Luftdrucksensor BMP388 mit integriertem Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter) an (Bild 3). Auf diese Weise kann der Drucksensor plötzliche Druckänderungen aufgrund von Umweltereignissen herausfiltern.

Der BMP388 ist für die Höhenverfolgung in Smartphones, Smartwatches und im Handel erhältlichen Drohnen konzipiert. Der rauscharme 24-Bit-Sensor zur Messung des absoluten Luftdrucks bietet einen großen Messbereich von 300 hPa bis 1250 hPa sowie eine relative Genauigkeit von ±0,66 m (Bild 4).

Bild 4: Der digitale MEMS-Luftdrucksensor BMP388 von Bosch Sensortec liefert Höheninformationen mit einer Genauigkeit von ±0,66 m an Navigationsinstrumente. Bosch Sensortec

Falls der Luftdrucksensor unter dynamischen Bedingungen keine Höhenstabilisierung bereitstellen kann, lassen sich die Luftdruckdaten mit den Daten eines Beschleunigungsmessers zusammen mit einem ergänzenden Filter kombinieren. Für solche Fälle, in denen für optimale Leistung Sensoren kombiniert werden müssen, bietet Bosch Sensortec die inertiale Messeinheit (IMU, Inertial Measurement Unit) BMI088 zur exakten Ansteuerung sowie den geomagnetischen Sensor BMM150 zur Bereitstellung von Ausrichtungsdaten an.

Druckmessung bei Temperaturextremen

Genauigkeit und Auflösung gehen beim Design von Drucksensoren Hand in Hand. Drucksensoren müssen jedoch sowohl tief unten in Minen als auch hoch oben in den Bergen inklusive der dort jeweils herrschenden Temperaturextreme exakt reagieren. Zusätzlich müssen sie noch mit feuchten Medien kompatibel sein.

In Drohnen beispielsweise sind Höheninformationen von entscheidender Bedeutung für die Stabilität und das Landen. Diese Höheninformationen müssen die Drucksensoren jedoch mit hoher Genauigkeit und Auflösung bereitstellen, auch bei sich ändernden Umgebungsbedingungen. Durch eine Temperaturkompensation mithilfe von proprietären Algorithmen können MEMS-Komponenten eine Genauigkeit von ± 1 Pa erzielen, die Höhenänderungen von weniger als 5 cm entspricht.

Besonders wichtig ist die Temperaturstabilität für Anwendungen mit konstanter Bewegungserkennung, beispielsweise Wearables. Hier kann es zu abrupten Temperaturänderungen kommen, wenn sich der Benutzer von einer Umgebung in eine andere bewegt. NXP Semiconductors MPL3115A2 ist ein gutes Beispiel dafür, wie sich diese Stabilität bewerkstelligen lässt (Bild 5).

Bild 5: Diese Abbildung zeigt, wie sich die Druck- und Temperaturmessung im kompakten, piezoresistiven Absolutdrucksensor von NXP gegenseitig ergänzen. NXP

Der MPL3115A2 bietet einen großen Betriebsbereich von 20 bis 110 kPa, den NXP so konzipierte, um alle auf der Erde möglichen Höhen abzudecken. Die Temperaturkompensation erfolgt über einen Onchip-Temperatursensor, wobei sowohl der Druck als auch die Temperatur anschließend gemultiplext, verstärkt, gefiltert und in einen Analog/Digital-Wandler (ADC) eingespeist werden.

Die Kernspezifikationen für den MPL3115A2 umfassen eine Onchip-Verarbeitung, um den Host-Prozessor nicht zu belasten, sowie einen typischen aktiven Versorgungsstrom von 40 µA pro Sekunde der Messung für eine stabile Auflösung des Ausgangssignals. Die Versorgungsspannung liegt zwischen 1,95 und 3,6 V (interne Regelung) und der Betriebstemperaturbereich zwischen -40 und 85 °C.

Die verschiedenen Anwendungsszenarien und -bedingungen decken die Sensorenanbieter gut ab. Honeywells TBF-Serie ist ein typisches Beispiel. Bei diesen  Kraftsensoren handelt es sich um UP-Membrandrucksensoren für Anwendungen, bei denen es auf Medienkompatibilität und geringes eingeschlossenes Volumen ankommt. Sie sind für Anwendungen wie Infusionspumpen, Wearables, Arzneimittelabgabesysteme und die Robotik vorgesehen, sind temperaturkompensiert und die Kalibrierung erfolgt intern.

Erwähnenswert ist, dass ihr Signal nicht intern verstärkt wird, wodurch die Auflösung unendlich ist. Stattdessen können die Entwickler dieses unverstärkte Signal nutzen, um aus dem Bereich von 100 kPa bis 1 MPa die für die jeweilige Anwendung erforderliche maximale Auflösung zu erhalten.

Sonstige Designüberlegungen

Obwohl Drucksensoren speziell für die neuen technischen Anforderungen des IoT entwickelt werden, müssen Hersteller auch traditionelle Probleme wie Robustheit und Beständigkeit gegenüber Chemikalien wie Chlor, Brom und Salzwasser berücksichtigen. Der Schwellenwert für die Feuchtigkeitsempfindlichkeit ist ein weiterer wichtiger Punkt, der über den Schutz der Elektronik des Drucksensors hinausgeht. Des Weiteren sollten Drucksensoren einfach zu montieren und wartungsfrei sein.

Bild 6: Die oberflächenmontierbaren Sensoren der NPA-Serie von Amphenol bieten flexible Ausgangsoptionen. Amphenol

Diese Kriterien wurden von Amphenol bei der Enwicklung der oberflächenmontierbaren Drucksensoren der Nova-Sensor-Serie NPA berücksichtigt, die in ein 14-poliges SOIC-Gehäuse integriert sind (Bild 6).

Die Sensoren der NPA-Serie sind für Manometer-, Absolut- und Differenzdrücke mit Millivolt-, verstärkten analogen sowie digitalen Ausgangssignalen erhältlich. Der Druckmessbereich ist mit 10 Zoll Wasser (H₂0) (1 Zoll H₂0 = 249,0889 Pa) bis 30 psi (1 psi = 6894,7529 Pa) angegeben.

(prm)