MEMS-basierte Drucksensoren Die Macht der Integration

Integration verbessert Messdaten

Dank der Kombination von MEMS mit CMOS-Schaltungen verringert sich die im Host-System benötigte Menge an Signalkonditionierung erheblich, egal ob im Gehäuse oder auf dem gleichen IC. Dadurch reduziert sich auch der für die Sensorelektronik benötigte Platz auf der Platine. Bei Sensoren wie dem FXPQ3115BV wird die A/D-Wandlungsschaltung sogar in das Chipgehäuse selbst eingebaut, sodass die Daten digital auf einem seriellen oder parallelen Bus ausgegeben werden. Zudem vermindert dies das Rauschen, welches das Ergebnis beeinflusst, und sorgt so für höherwertige Messdaten.

Mit digitalen Ausgängen wird der Sensor selbst smarter, und bietet so Möglichkeiten, Strom zu sparen, was für IoT- und batteriebetriebene Applikationen unerlässlich ist. Eine gängige Designtechnik dabei ist, den Mikrocontroller und die Steuerelektronik mit einem niedrigen Tastverhältnis arbeiten zu lassen. Diese Technik versetzt große Teile der Schaltung zwischen kurzen Aktivitätsschüben in den Tiefschlafmodus. In diesen kurzen Wachzuständen analysiert die Schaltung die Sensordaten und übermittelt die Ergebnisse an andere Geräte im Netzwerk. Andere Bestandteile des Systems können auch außerhalb dieser Zeiträume Daten erfassen, auch wenn der Haupt-Mikrocontroller schläft.

Werden die Messwerte nicht sofort abgefragt, kann der Sensor sie auch zwischenspeichern, bis diese verarbeitet werden müssen oder der Mikrocontroller aus anderen Gründen aufwacht. Der ASIC im FXPQ3115BV zum Beispiel hat mehrere benutzerprogrammierbare Modi, die Strom durch eine autonome Datenerfassung sparen und die Daten dann im eigenen 32-Sample-FIFO speichert. Durch die Timer auf dem Baustein kann der FIFO bis zu zwölf Tage Daten speichern, bevor die MCU sie einsammeln muss. Messwerte lassen sich autonom in Abständen von einer Sekunde bis neun Stunden erfassen.

Integration erschließt neue Märkte 

Die Integration auf dem IC und ins gleiche Gehäuse hat kombinierten Sensoren Türen geöffnet, sodass sie weitere neue Märkte erschließen konnten. Im BME680 von Bosch Sensortec (Bild 2) ist eine ganze Sammlung atmosphärischer Sensoren eingebaut. Damit liefert der Sensor Informationen über seine Umgebung, die zu einer besseren Luftqualität beitragen können. Er kann Luftdruck, Feuchtigkeit, Temperatur und gasförmige Schadstoffe erfassen. Hersteller können dadurch die wachsende Nachfrage, die Luftqualität für die Haus- und Gebäudeautomatisierung zu messen, sowie für Applikationen wie personalisierte Wetterstationen befriedigen.

Menschen verbringen sehr viel Zeit in Gebäuden oder im Auto. Daher ist die Luftqualität in diesen Umgebungen sehr wichtig. Was die Energieeffizienz angeht, ist es für Entwickler von Klimatisierungssystemen sinnvoll, den Austausch von Außenluft mit der, die im Inneren des Gebäudes zirkuliert, zu reduzieren. Das kann jedoch dazu führen, dass sich ungewollt Gase ansammeln, zum Beispiel flüchtige organische Verbindungen (VOCs), die durch Ausdünstungen von Plastik oder chemischen Reinigungsmitteln entstehen.

Bei eingeschränktem Luftaustausch können diese Gasansammlungen so groß werden, dass sie die Atemwege reizen und Erkrankungen wie Asthma verschlimmern. Mit Umgebungssensoren wie dem BME680 können Entwickler ihre Heimautomatisierung und Klimaanlagen auf den VOC-Level hin überwachen und, wenn nötig, den Luftaustausch erhöhen, um die Schadstoffe zu reduzieren. Aufgrund dieses bedarfsorientierten Managements kann die Luftqualität erhalten werden, ohne sich auf Energieeffizienz oder Betriebskosten negativ auszuwirken.

Wie andere smarte Sensoren ist auch der BME680 mit digitalen Schnittstellen ausgestattet, und unterstützt sowohl I²C als auch SPI. Außerdem unterstützt er drei Leistungsmodi, mit denen er in verschiedenen Low-Power-Systemarchitekturen arbeiten kann.

Das sind nur einige Beispiele von Sensoren zur Druckbestimmung und anderen Umweltbedingungen, die bei Mouser Electronics erhältlich sind. Dank dieser Fortschritte in der MEMS-Technologie und deren Einbindung in Steuerungselektronik sowie anderen Sensoranwendungen werden sich Drucksensoren in weitere Anwendungen verbreiten.