Bild 1: Feuchte- und Temperatursensor HTU21D im 3,0 × 3,0 × 0,9 mm³ großen DFN-Gehäuse.Amsys
Die Bausteine der Serie HTU21X (Bild 1) beinhalten eine Kombination aus kapazitiver Feuchtigkeitsmesszelle und elektronischem Temperatursensor. Ein kapazitiver Feuchtesensor ist ein Kondensator mit feuchtigkeitsempfindlichem Isoliermaterial zwischen seinen Elektrodenflächen. Seine Kapazität C ändert sich feuchteabhängig und lässt sich wie folgt berechnen:
C = ε0 εr A/d
mit ε0 = elektrische Feldkonstante, εr = relative Permittivität, A = Elektrodenfläche und d = Abstand der Elektroden.
Die Permittiviät ε = ε0 · εr gibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder an. Die relative Permittivität εr eines Isolationsmaterials zwischen den Kondensatorelektroden gibt an, um wievielfach sich die Kapazität gegenüber Vakuum (ε0) erhöht. Die Permittivität – früher fälschlicherweise Dielektrizitätskonstante genannt – ist nicht konstant, sondern kann sich unter anderem frequenz- und feuchtigkeitsabhängig verändern.
Eckdaten
Amsys präsentiert neue miniaturisierte Feuchtigkeits- und Temperaturaufnehmer der Serie HTU21X. Die Multifunktionssensoren auf MEMS-Basis (micro electro mechanical systems) messen relative Luftfeuchte und Temperatur und geben beide Messwerte im I²C-Format aus. Die kostengünstigen Sensoren im QFN-Gehäuse sind auch für die Großserie geeignet. Prädestinierte Einsatzbereiche sind medizinische Beatmungsgeräte und batteriebetriebene Mobilgeräte.
Bild 2: Prinzipieller Aufbau einer kapazitiven Feuchtigkeitsmesszelle.Amsys
Aufbau des Sensors
Damit von außen Feuchte in das Polymermaterial diffundieren kann, besteht die obere Kondensatorplatte aus porösem Metall, was gleichzeitig zum Schutz vor Verunreinigungen dient. Die untere Elektrode besteht aus rostfreiem Stahl. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein hygroskopisches Polymermaterial, dessen Feuchteabsoption und Desorption eine reproduzierbare Kapazitätsänderung bewirkt.
Da die Kapazitätsänderung auch temperaturabhängig ist, sorgt ein zusätzlicher Temperatursensor für eine Kompensation. Der Sensor ist in einem CMOS-ASIC in Form einer integrierten Bandgap-Schaltung realisiert. Temperaturmesswert ist auch über I2C verfügbar.
Bild 3: Geometrischer Aufbau der HTU21X-Serie.Amsys
Die untere Elektrode der Feuchtemesszelle (Bild2) wird leitend auf dem ASIC montiert, was eine Störeinkopplung verhindert (Bild 3). Ein Bonddraht verbindet die obere Elektrode mit dem ASIC und erreicht somit einen kurzen Signalweg. Diese Vertikalmontage der mikroelektronischen Komponenten gewährleistet eine optimale elektrische Verbindung und ermöglicht eine äußerst kompakte Bauform. Aufgrund der äußerst geringen Stromaufnahme und somit kaum nennenswerten Verlustleistung des ASIC sind thermische Rückwirkungen auf die Messzelle nahezu ausgeschlossen.
Der kapazitive Feuchtesensor ist als Wheatstonesche-Messbrücke konfiguriert, an der eine Wechselspannung anliegt. Die Brückenspannung ändert sich abhängig von der Luftfeuchte, wird von einem nachfolgenden Instrumentenverstärker aufbereitet und nachfolgend A/D-gewandelt. Ein interner Mikroprozessor korrigiert die Messwerte rechnerisch und gibt sie über das I²C-Protokoll aus (Bild 4). Die Datenwortlänge der Messwerte ist programmierbar auf 8/12 Bit oder 12/14 Bit. Ein externer Prozessor kann aus den digitalen Messwerten relative und absolute Luftfeuchtigkeit wie auch die Taupunkttemperatur berechnen.
Bild 4: Blockschaltbild zur Signalverarbeitung von Sensoren der Serie HTU21X.Amsys
Technische Parameter
Die Integration von Feuchtigkeitsmesszelle und Temperatursensor gewährleistet ein gutes Temperatur-Matching. Die langfristige, alterungsbedingte Messdrift der HTU21X-Serie beträgt weniger als 0,5 % der relativen Luftfeuchte (RH) und nur 0,04 °C der Temperatur pro Jahr. Durch hohe Langzeitstabilität, geringe Hysterese von ±1 % RH und nahezu lineare Kennlinie eignet sich die HTU21X-Serie ideal für den Einsatz im medizinischen Bereich.
Der Sensor besitzt einen breiten Versorgungsspannungsbereich von 1,5 bis 3,6 V und hat einen geringen Stromverbrauch von typisch 450 μA, was insbesondere mobilen batteriebetriebenen Geräten zugutekommt.
Jeder Sensor ist individuell kalibriert und kompensiert und erreicht dadurch im Feuchtigkeitmessbereich von 20 bis 85 % RH eine Genauigkeit von ±3 % RH. Im erweiterten Messbereich von 5 bis 90 % RH liegt die Genauigkeit bei ±5 % RH. Prinzipiell ist der Sensor aber im gesamten Bereich von 0 bis 100 % RH einsetzbar. Die HTU21X-Serie ist für den erweiterten Temperaturbereich von -40 bis 125 °C konzipiert und kann Temperaturen mit einer Genauigkeit von ±0,3 °C messen.
Die digitalisierten Werte für Feuchte und Temperatur werden unabhängig voneinander im I²C-Format ausgegeben. Mit geeigneter Beschaltung ist der Feuchtemesswert auch als Analogsignal an einem PWM-Ausgang verfügbar.
Die HTU21X-Bausteine sind im Reflow-Verfahren lötbar und sind mit und ohne Filterabdeckung (Index F) erhältlich (Bild 5).
Bild 5: Ober- und Unterseite des HTU21D(F) mit Partikel-Filter.Amsys
Beatmungsgase befeuchten und temperieren
Wichtige Einsatzbereiche der Feuchte-/Temperatursensoren sind in der Medizintechnik Inkubatoren, Schlafapnoe-Geräte und Anästhesie-Vorrichtungen. In diesen Geräten sind Befeuchter (Humifikation) vorhanden, die für optimale Atemverhältnisse sorgen. Das Anfeuchten und Temperieren von Inspirationsgasen, wie beispielsweise Narkosegas, ist bei allen zu beatmenden Patienten notwendig, denn Tubus und Trachealkanüle verhindern die körpereigene Klimatisierungsfunktion der oberen Atemwege.
Idealerweise können auch im Aufenthaltsbereich der Patienten sowohl Temperatur als auch Feuchte eingestellt werden, so dass sie unter optimalen Bedingungen (Komfortzonen, Bild 6) genesen. In beiden Fällen können die Doppelfunktionssensoren im Klimatisierungsregelkreis zum Einsatz kommen.
Optimierte Wasch- und Spülvorgänge sind heute unter dem Aspekt der Hygiene in den modernen Reinigungsgeräten eine Selbstverständlichkeit. Hier messen die HTU21X die Feuchtigkeit von Wäsche und Spülraum und bestimmen so den Grad der Trocknung für optimale Effizienz.
Bild 6: Diagramm zu T/RH-Komfortzonen.Amsys
Raumklima über IoT steuern
Mit der Kenntnis von Feuchte und Temperatur lässt sich außerdem die Taupunkttemperatur Td = f(RH) errechnen, die für Maßnahmen gegen Kondenswasserbildung und damit gegen einen möglichen gesundheitsgefährdenden Schimmelbefall in Wohn- und Arbeitsräumen notwendig ist.
Die Kombination von Feuchte und Temperatur als Umgebungsmesswerte werden für die IoT-Anwendungen in Zukunft von Bedeutung sein. In diesem Zusammenhang sind Smart Homes, Smart Offices, Smart Energy Anwendungsbereiche, in denen sich das Raumklima in Komfortbereichen über I-Pads oder Tablets individuell einstellen lässt.
In neuen Smartphones ermitteln Doppelfunktionssensoren Luftfeuchtigkeit und Umgebungstemperatur am aktuellen Standort des Benutzers. Über eine App wird dem Benutzer dann angezeigt, wie weit die aktuellen Werte von gesundheitsrelevanten Empfehlungen abweichen.
Dank hoher Integrationsdichte eignen sich die winzigen Multifunktionssensoren der Serie HTU21X für einen weiten Anwendungsbereich zur Messung und Regelung von Feuchtigkeit und Temperatur.
Der Beitrag basiert auf technischen Unterlagen von Amsys.
Dr. Norbert Rauch
(jwa)
