Bild 1: Der weltweit erste kombinierte Regen-, Licht-, Solar- und Beschlag-sensor basiert auf der CMOSens-Technologie. Sensirion
Heute werden mehr Daten erfasst als je zuvor, und es werden immer mehr. Mehr Daten heißt „mehr Wissen“ und somit auch bessere Entscheidungen. Dieser globale Trend findet insbesondere auch in der Automobilbranche statt. Durch sinnvoll eingesetzte Sensorik lässt sich die aktive und passive Sicherheit von Fahrern, Mitfahrern und Fußgängern steigern, während es gleichzeitig zu einer Minimierung der Emissionen und des Verbrauchs von Fahrzeugen kommt. Entscheidend für den Erfolg von neuen elektronischen Produkten ist nicht nur deren Funktion sondern auch die Kombination von unterschiedlichen Funktionen auf kleinstem Raum. Der vorhandene Platz muss optimal genutzt werden, so dass möglichst viel Sensorik die Intelligenz des Fahrzeugs erhöht. Als Innovationstreiber zur Erhöhung der Integrationsdichte von elektronischen Systemen haben sich Mikrosensoren mit integrierter digitaler Schnittstelle hervorgetan.
Effiziente Integration
Die Kombination von klassischer CMOS-Halbleitertechnologie und Sensorik auf kleinstem Raum ist seit über zehn Jahren unter dem Namen CMOSens-Technologie bekannt und gilt als anerkannter Standard. Diese ermöglicht die Verschmelzung von Sensorelement sowie analoger und digitaler Auswertelektronik auf einem winzigen CMOS-Siliziumchip. Der daraus entstehende Sensorchip erfasst präzise und zuverlässig die gewünschten physikalischen Parameter.
Ein Feuchte- und Temperatursensor basierend auf der CMOSens-Technologie des Schweizer Sensorherstellers Sensirion enthält ein feuchteempfindliches Substrat sowie einen klassischen Halbleiter-Temperatursensor. Beide Messgrößen sind auf einem Halbleiterchip mit einer analogen und digitalen Auswerteelektronik kombiniert. Die Elektronik beinhaltet für jeden Sensor individuell gespeicherte Kalibrationsdaten und sorgt damit für eine hohe Messgenauigkeit über die gesamte Lebensdauer des Sensorbausteins.
Bild 2: Der integrierte Luftmassensensor mit Feuchtemessung ermöglicht eine Optimierung der Abgasrückführung.Senserion
Eine digitale I2C-Schnittstelle ermöglicht die effiziente störungsresistente Anbindung des Sensors an einen gängigen Mikrocontroller und lässt sich direkt in ein Multisensor-Bussystem einbinden, das ein Mikrocontroller steuert. Dieser stellt schließlich über einen LIN- oder CAN-Transceiver die Kommunikation aller erfassten Daten mit dem Bordnetz sicher. Sensorik basierend auf dieser Technik ermöglicht die einfache und effiziente Integration von zusätzlichen Modulen auf einer so genannten Multisensor-Plattform.
Als SMD-Komponente ermöglicht der CMOSens-Feuchte- und Temperaturesensor eine standardisierte Reflow-Lötmontage auf einer Leiterplatte, so dass sich der Sensor als Baustein zusammen mit anderen Bauelementen effizient zu einer Multisensor-Plattform bestücken lässt.
Vier-in-einem: Der kombinierte Regen-, Licht-, Solar- und Beschlagsensor
Der Platz an der Windschutzscheibe im Fuß des Innenrückspiegels gewinnt für die Intelligenz des Fahrzeugs kontinuierlich an Bedeutung. Um die Sicht des Fahrers nicht zu beeinträchtigen, ist es nicht möglich, den Bauraum beliebig groß zu wählen. Aufgrund des Funktionsprinzips müssen jedoch immer mehr Sicherheits- und Komfortsysteme an dieser Stelle integriert werden. Um den knappen Platz effizient zu nutzen, ist eine Integration verschiedener Sensoren in einem einzigen System sinnvoll. Die CMOSens-Technologie ermöglicht den weltweit ersten kombinierten Regen-, Licht-, Solar- und Beschlagsensor (Bild 1).
Bild 3: Garantierte Messgenauigkeit für relative Feuchte bei einem CMOSens-Sensor.Senserion
Ein kombinierter Sensor dieser Art wird als System innen an die Windschutzscheibe montiert und mit dem LIN-Bus verbunden.
Der Feuchtesensor bildet die Beschlagfunktion ab, indem er die Luftfeuchtigkeit direkt an der Windschutzscheibe ermittelt und diese an die Klimasteuerung weiterleitet. Bei feuchtem und kaltem Wetter kann die Klimaanlage durch geeignete Gegenmaßnahmen dem Beschlagen der Windschutzscheibe vorbeugen, so dass der Fahrer während der Fahrt optimale Sicht hat. Die weiteren Sensoren einer solchen Multisensor-Plattform erkennen nicht nur die Regenintensität zur Steuerung der Scheibenwischanlage und das Umgebungslicht zur Steuerung von Scheinwerfern und Rückleuchten, sondern auch die Sonnenintensität und die Luftfeuchtigkeit als wesentliche Information für die Klimaanlage.
Mehr Funktionalität auf gleichem Bauraum: Der integrierte Luftmassensensor
Um die Emissionen und Treibstoffverbrauch des Motors ständig weiter zu verringern, sind komplexere elektronische Systeme zur Steuerung und Diagnostik notwendig. Dazu sollen bestehende Systeme mit zusätzlichen Funktionalitäten ausgestattet werden ohne mehr Platz zu benötigen. Als Beispiel sei hier der Luftmassensensor genannt, der den Massenfluss und die Temperatur der Luft bestimmt, die der Motor ansaugt. In der neusten Generation von Benzin- und Dieselmotoren erfolgt zusätzlich zur Erfassung der beiden bisherigen Messgrößen zusätzlich noch die Bestimmung der Feuchte. Damit lässt sich die Abgasrückführung optimieren, und bei Dieselmotoren kommt es zu einer Minimierung des Stickoxid-Ausstoßes.
Die Funktionalität zur Ermittlung der zusätzlichen Messgröße musste in die bereits vorhandenen Luftmassenmesser integriert werden. Die geringe Baugröße des Feuchtesensors sowie dessen einfache elektronische Integration in die bestehende Elektronik ermöglichten den weltweit ersten integrierten Luftmassensensor mit Feuchtemessung (Bild 2).
Auf einen Blick
Der Feuchte- und Temperatursensor SHT21
Der SHT21 enthält einen Sensorchip, der zu einer 3 x 3 x 1,1 mm3 großen Komponente vergossen wird. Das Vergießen zu kompakten DFN-Bauteilen schützt den Feuchtesensor zudem gegen äußere Einflüsse, was zu einer hohen Langzeitstabilität führt. Der Sensor ist vollständig kalibriert und verfügt über eine digitale I2C-Schnittstelle. Analoge Ausgangsmodi wie beispielsweise PWM sind auf Anfrage ebenfalls erhältlich. Im digitalen Kommunikationsmodus nimmt der Sensor nur dann Energie auf, wenn er aktiv ist und misst. Dies führt zu einem durchschnittlichen Energieverbrauch von lediglich 3 μW, der sich mit einer geringeren Messfrequenz noch weiter senken lässt.
Bei 20 bis 80 Prozent relativer Luftfeuchte erreicht der Sensor eine Genauigkeit von typischerweise ±2 %. Für den Temperaturbereich von 25 bis 42 °C beträgt die Sensorgenauigkeit ±0,3 °C. Der Feuch-tesensor ist gemäß dem Automobilstandard AEC-Q100 geprüft, und über Testroutinen erfolgen detaillierte Qualitätsüberprüfungen. Außerdem lässt sich der individuelle Rückverfolgungscode auf einfache Weise auslesen. Als Basis dient die CMOSens-Technologie von Sensirion, die Sensor und Auswerte-Elektronik auf einem einzigen Halbleiterchip vereint.
Daniel Häflinger und Vincent Hess
(av)
