Komplette Wetterstation in einem kleinen Chip-Gehäuse

Bild 1: Das Tripel-Sensormodul MS8607 ist nur 5,0 × 3,0 × 1,0 ­mm³ groß und als reflowlötfähiges LGA-Bauteil aufgebaut.Amsys

Die Wetterstation MS8607 erfasst die drei physikalischen Größen barometrischer Druck, Temperatur und relative Luftfeuchte mit drei verschiedenen Messprinzipien: Dafür genügen dem Kombinationsmodul zwei MEMS-Messelemente (Mikro-Elektro-Mechanisches System) und ein hochintegrierter Auswerte-ASIC. Der Baustein passt in ein LGA-Gehäuse (Land Grid Array), das nur 5,0 × 3,0 × 1,0 ­mm³ misst (Bild 1) und sich für Reflowlötprozesse eignet.

Alle drei Bauteile sind auf einer kleinen Platine aufgebracht (FR4-Substrat) und mit einer Metallkappe versehen. Moderne Bondtechnik verbindet die Komponenten untereinander und mit den Anschlusspads. Durch ein optimiertes Herstellungsverfahren ist der MS8607 auch für Großvolumenprojekte preislich interessant.

Das erste Element ist eine piezoresistive Druckmesszelle, die Amsys mithilfe von halbleiterspezifischen Prozessen wie Gasdiffusionen, Plasma-Ätzen und Anodic-Bonding im Waferverbund herstellt. Dieser Siliziumchip erfasst den barometrischen Druck und die Temperatur. Das zweite Element ist eine kapazitive Messzelle, die die relative Feuchtigkeit ermittelt. Sie besteht aus sehr dünnen Schichten aus verschiedenen Materialien und weist eine Sandwichstruktur auf.

Bild 2: Einer der Erfolgsfaktoren für die Miniaturisierung sind die Silizium-Absolutdruckmesszellen, hier im Waferverbund dargestellt.Amsys

Technik der Sensorelemente

Bei dem piezoresitiven MEMS handelt es sich um einen Silizium-Absolutdruckaufnehmer in der Gestalt eines kleinen Würfels mit wenigen Kubikmillimetern Volumen. Im Innern besteht er aus einem vakuumierten Raum, der von einer dünnen Membran abgeschlossen wird. Diese Membran biegt sich bei Druckbeaufschlagung durch, in Bild 2 ist die Einwölbung aufgrund des atmosphärischen Druckes zu erkennen. Das Messelement detektiert also den atmosphärischen Druck gegen das Vakuum in der Messzelle (<10 mbar).

Über eine Wheatstonsche Widerstandsbrücke, die in der Oberfläche des Messelements eindiffundiert ist, erhält man bei Spannungsbeaufschlagung ein unverstärktes analoges Ausgangssignal, das proportional zur Druckänderung ist. Die Temperatur als zweite Messgröße ermittelt der MS8607 mithilfe eines temperaturabhängigen Widerstandes in der Druckmessbrücke. Dadurch entspricht der Messwert unmittelbar der Temperatur der Umgebungsluft.

Bild 3: Die MEMS-Feuchtemesszelle besteht aus zwei Kondensatorelektroden und dazwischen liegenden, feuchtigkeitsempfindlichen dielektrischen Polymerfilmen.Amsys

Feuchtigkeitsempfindlich

Die kapazitive Messzelle arbeitet auf der Grundlage eines dielektrischen Polymerfilmes, der sich zwischen zwei Elektroden befindet und feuchtigkeitsempfindlich ist (Bild 3). Es handelt sich also um einen miniaturisierten, feuchtigkeitsempfindlichen Kondensator. Mit der Feuchtigkeitsänderung ändert sich die relative Permittiviät ε_r: Die Permittivität eines Stoffes, der sich zwischen den Kondensatorplatten befindet, sagt aus, um wie viel sich die Kapazität C des Kondensators mit Isolator gegenüber dem Kondensator in Vakuum oder Luft erhöht:

• C = ε₀ · ε_r · A/d

Dabei gilt:

• ε₀ = elektrische Feldkonstante
• ε_r = relative Permittivität
• A = Kondensatorfläche
• d = Abstand der Platten

Mit der Änderung der relativen Permittiviät erhält man also ein von der Feuchtigkeit abhängiges analoges Spannungssignal, das die Auswerteelektronik parallel zum Druck- und Temperatursignal bearbeitet.

Bild 4: Ein Sinus- oder Rechtecksignal durchläuft die kapazitive RH-Messzelle und wird per Verstärker und AD-Wandler an den internen Prozessor weitergeleitet.Amsys

Das Sensor-System

Die Auswerteelektronik des MS8607 besteht aus einem integrierten Sigma-Delta-ADC, der die nicht kompensierten analogen Spannungswerte der Messzellen verstärkt und digitalisiert (CMOS-ASIC, siehe Bild 4). Die Druck- und Temperaturwerte wandelt der ADC in 24-Bit-Datenworte, die relative Feuchtigkeit in ein 16-Bit-Wort.

Die Datenwerte für den barometrischen Druck, die Temperatur und die relative Luftfeuchte stehen nach der Signalverarbeitung als unabhängige Ausgangssignale im I²C-Format zur Verfügung. Im internen EEPROM legt Amsys während der Herstellung individuelle Koeffizienten ab. Mit diesen Werten kann ein externer Mikroprozessor die analogen Messwerte hochgenau korrigieren: Der Algorithmus linearisiert die gemessenen Werte individuell, kompensiert die Temperatur und kalibriert das Ergebnis.

Weiter Einsatzbereich

Der Druckbereich des MS8607 liegt prinzipiell zwischen 10 und 2000 mbar. Im Barometerintervall von 300 bis 1200 mbar beträgt die Gesamtgenauigkeit bei 25 °C etwa ±2,0 mbar. Die Druckauflösung gibt Amsys mit 0,016 mbar an. Der Feuchtigkeitsbereich erstreckt sich von 0 bis 100 % RH und weist eine Gesamtgenauigkeit von ±3,0 % RH (@25 °C, im Bereich von 20 bis 80 % RH) auf. Die Auflösung beträgt 0,04 % RH. Der Temperatursensor misst im Bereich von -20 bis +85 °C mit einer Gesamtgenauigkeit von ±2,0 °C und einer Temperaturauflösung von 0,002 °C.

Der MS8607 kommt ohne zusätzliche Bausteine aus und ist für den weiten Versorgungsspannungsbereich 1,5 bis 3,6 V ausgelegt. Das Modul zeichnet sich durch eine Standby-Stromaufnahme von typischerweise 0,03 μA aus und eignet sich daher für mobile Geräte. Den gewünschten Kompromiss zwischen Wandlerrate und durchschnittlichem Stromverbrauch kann der Entwickler über eine Anwendungssoftware individuell einstellen und an seine Aufgabenstellung anpassen.

Anwendungen

Das Triple-Sensormodul entspricht dank seiner geringen Abmessungen, seinem weiten Versorgungsspannungsbereich und seiner geringen Stromaufnahme den Anforderungen an intelligente mobile Sensoren. Hier sind die Indoor-Navigation und Fitness-Geräte als Anwendungsbereiche zu nennen, aber auch Smartphones, Tablet-PCs oder mobile Wetterstationen. Durch hohe Leistung und die Miniaturisierung hat sich auch das Preis-Leistungsverhältnis so verbessert, dass Amsys den Triple-Sensor MS8607 auch für preiskritische Anwendungen positioniert.

Typische industrielle Anwendungen sind im Bereich der Home-Automatisation (Smart Home) zu finden, beispielsweise Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen sowie in Anlagen zur Raumüberwachung etwa in Museen. Haushaltsgeräte, Luftbefeuchter, Industrietrockner und Inhalierungsgeräte sind weitere Einsatzmöglichkeiten. Besonders interessant ist der MS8607 für die Überwachung von Betriebsbedingungen empfindlicher elektronischer Geräte, zum Beispiel in Schaltschränken und in Rechneranlagen sowie für die intelligente Transportkontrolle von kritischen Waren etwa in Containern.

Fit für den mobilen Einsatz

Das Druck- und Temperaturmodul MS8607 gehört zu einer neuen Generation elektronisch abgeglichener Sensoren, die sich durch Eigenschaften auszeichnen, die sie für mobile Anwendungen prädestiniert. Sie erreichen ein hohes Maß an Miniaturisierung und eröffnen durch ihre hohe Auflösung und die geringen Fehler neue messtechnische Möglichkeiten. Sie sind wesentliche Bestandteile von modernen, mobilen Messwerterfassungsgeräten.

So klein kann eine Wetterstation sein: In seinen 15 mm³ misst der MS8607 den barometrischen Druck, die Temperatur und die relative Luftfeuchte.Amsys

Im Hinblick auf IoT-Anforderungen (Internet of Things) bildet die neue Generation von hoch integrierten Druck-, Temperatur- und Feuchtesensoren die Kontaktstellen des Netzes mit der physikalischen Wirklichkeit und ermöglicht damit die Mannigfaltigkeit der neuen smarten Welt.

(lei)