Der MLX90809, eingebaut in ein Bremsverstärkersystem.

Der MLX90809, eingebaut in ein Bremsverstärkersystem.Melexis

Um einen geringen Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Emissionen zu erzielen, müssen die Fahrzeuge detaillierte Druckdaten rasch und genau erfassen können. Funktionalitäten wie das regenerative Bremsen, das Ansaugluft/Abgas-Management und die elektronische Stabilitätskontrolle (ESP/ESC) aber auch die Kraftstoffversorgung und die ABS-Systeme setzen Drucksensoren ein. Mit der Zeit sind die etablierten Sensortechnologien allerdings nicht mehr in der Lage, deren steigenden Performance-Anforderungen zu genügen. Daher sind mittlerweile in zahlreichen Bereichen Drucksensoren mit höherer Leistungsfähigkeit wünschenswert – und zwar in den Bereichen  Ansaugluft-Management für den Motor, Kraftstoffzufuhr zum Motor, Abgassysteme sowie Motormanagementsysteme in Hybridfahrzeugen.

Applikationen für anspruchsvolle Drucksensoren

Im Rahmen des Ansaugluft-Managements für den Motor lässt sich durch die Verbindung eines Drucksensors mit dem Ansaugkrümmer die Durchflussrate bestimmen. Die Fortschritte bei der Motorentwicklung stellen hohe Anforderungen an die Drucksensoren, weil eine größere Menge Abgas zum Motor rückgeführt wird, was eine schwierigere Arbeitsumgebung zur Folge hat.

Bei der Kraftstoffzufuhr zum Motor ist es notwendig, den Druck in der Kraftstoffleitung genauer zu überwachen – und das stellt neue Anforderungen an die  Betriebsgrenzwerte konventioneller Sensoren.

Zur Entfernung von Stickoxiden (NOx) und Partikeln aus den Abgasen des Fahrzeugs sind Abgassysteme entstanden, die eine hochmoderne Drucksensortechnologie voraussetzen. Ein Partikelausstoß erfolgt vorwiegend bei Dieselmotoren. Mit entsprechenden Filtern im Auspuff lassen sich die Partikel zurückhalten. Dabei dienen Drucksensoren zur Überwachung des Druckabfalls über dem Filter.  Mit Hilfe dieser Daten kann das Motorsteuersystem die Verbrennungsbedingungen so ändern, dass das Filter regeneriert wird. Der Einsatz von Abgas-Rückführungssystemen (EGR, Exhaust Gas Recirculation) ermöglicht eine Senkung der NOx-Emissionen, indem der Frischluft am Motoransaugtrakt auch Abgase zugemischt werden. Ansonsten ermöglicht die selektive katalytische Reduktion (SCR, Selective Catalytic Reduction) die Kombination von organischen Stickstoffverbindungen mit dem Abgas. Auf diese Weise wird eine chemische Reaktion angestoßen, die NOx in unschädliche Chemikalien umwandelt. Drucksensoren übernehmen dabei sowohl die Steuerung der zugeführten Menge an Verbindungen als auch die Überwachung des EGR-Durchflusses.

Bild 1: Der MLX90809 von Melexis.

Bild 1: Der MLX90809 von Melexis.Melexis

Auch in den Motormanagementsystemen von Hybridfahrzeugen sind mittlerweile präzise Drucksensoren gefragt: Das Start/Stopp-System in Hybridfahrzeugen  senkt bei abgeschaltetem Motor den Unterdruck im Luftansaugtrakt. Da der Bremskraftverstärker den Motorunterdruck zur Unterstützung des Bremsvorgangs nutzt, ist eine präzise Messung des Unterdrucks im Verstärker unverzichtbar, um die Hilfspumpe in Gang zu setzen, wenn der Unterdruck zur Unterstützung des Bremskraftverstärkers nicht ausreicht.

Die großen Abmessungen und die verhältnismäßig hohen Preise herkömmlicher Sensoren schränken deren Einsatz in vielen Anwendungsfällen ein. Die oben beschriebenen neuen Kraftfahrzeug-Drucksensoren müssen häufig bei einem Druck unter 5 bar arbeiten, wofür in einer kostenoptimierten Wafer-Serienfertigung hergestellte miniaturisierte Sensoren am besten geeignet sind.

Bedarf an MEMS

Eine MEMS-Technologie, die mit CMOS-Prozessen kompatibel ist, ermöglicht die Herstellung von monolithischer Sensoren. DasSensorelement lässt sich dadurch in unmittelbarer Nähe zu seiner zugehörigen Signalaufbereitungselektronik platzieren, was sich beim Vergleich zu konventionellen Sensortechnologien als besonders vorteilhaft erweist: Diese verwenden Keramik/Metall-Substrate, bei denen die Signalaufbereitung nicht auf demselben Substrat integriert werden kann und dadurch zwischen Sensorelemente und der Signalverarbeitung ein Zwischenraum entsteht – das vermindert die Fähigkeit derartiger Sensoren, mit elektromagnetischen Störungen (EMI) umzugehen.

Die Nachfrage nach kompakteren kostengünstigeren Hochleistungs-Sensorbausteinen veranlasste Melexis zur Entwicklung einer einzigartigen piezoresistiven MEMS-Technologie. Sie setzt sich aus miniaturisierten Membranen von einigen wenigen Mikrometern Dicke zusammen, die in einem dem CMOS-Prozess nachgeschalteten Arbeitsschritt auf einen Siliziumwafer geätzt werden. Während des Fertigungsvorgangs werden Piezowiderstände an der Stelle der höchsten Empfindlichkeit auf die Membran implantiert und bilden dadurch eine Wheatstone-Brücke. Sobald die Membran einem Druck ausgesetzt wird, tritt eine Verformung auf. Die Piezowiderstände wandeln die auf die Membran einwirkende Belastung in ein elektrisches Signal um, das anschließend in einer Signalaufbereitungsschaltung, die ebenfalls auf dem Halbleiterchip gefertigt wurde, verarbeitet wird.

Der für den Druckbereich von 1 bar entwickelte Drucksensor MLX90809 von Melexis, in dem diese proprietäre Technologie zum Einsatz kommt, lässt sich in einer Vielfalt von Drucksensoraufgaben im Automobil einbauen zumal sein Gehäuse im Vergleich zu derzeitigen integrierten Drucksensoren um ungefähr 55% kleiner ist und er gleichzeitig zusätzliche Funktionalität bietet. Durch die Kombination des MEMS-Sensorelements mit einem rauscharmen analogen Frontend sowie einem hochauflösenden Datenwandler erhöht sich die Performance beachtlich. Ein ebenfalls integrierter 16-Bit-Mikrocontroller sorgt einerseits für die Temperaturkompensation des Sensorelements und gewährleistet andererseits die in sicherheitskritischen Systemen erforderlichen Diagnosefunktionen. Ein voll programmierbarer 32-Byte-EEPROM-Speicher lässt sich zur Speicherung der Einstellungen von Sensorkompensation und Sensorkonfiguration nutzen.

Ein wichtiges Einsatzgebiet für MEMS-Drucksensoren wie den MLX90809 werden die Automotive-Bremssysteme der nächsten Generation sein (siehe Aufmacherbild). Im Start-Stopp-Betrieb des Fahrzeugs ist die Überwachung des Unterdrucks im Bremsverstärker unumgänglich, weil der natürliche Unterdruck des Ansaugkrümmers des Motors inzwischen in vielen Fällen durch eine Hilfspumpe ersetzt wurde. Die Pumpe muss aktiviert werden, um den erforderlichen Unterdruck zu erzeugen. Die vom Verstärker ausgeübte Bremskraft ist zum Unterdruck im Verstärker proportional. Die Überwachung des Unterdrucks im Verstärker mit einem Relativdrucksensor ermöglicht die Festlegung, ob die Hilfspumpe zugeschaltet werden muss oder nicht. Da der MLX90809 für den Betrieb bei Drücken von 1 bar optimiert ist, eignet er sich in besonderer Weise für derartige Aufgaben.

In dem Maße, in dem neue Anwendungsgebiete für Drucksensoren im Automobilsektor auftauchen, treten die Einschränkungen der konventionellen Sensortechnologien immer deutlicher zutage. MEMS-basierte Drucksensoren werden sich zunehmend weiter ausbreiten, weil die Automotive-Industrie kleinere Bausteine mit höherer Leistungsfähigkeit braucht, um ihren anspruchsvollen Anforderungen im Betrieb zu genügen. Infolge der durch eine solche Technologie gebotenen verbesserten Spezifikationen und höheren Integrationsebenen werden die Ingenieure ihre Entwicklungen von herkömmlichen Drucksensormechanismen zu den neuen Lösungen migrieren.