MEMS-basierte Drucksensoren Die Macht der Integration

MEMS-basierte Drucksensoren tauchten erstmals Ende der 1980er Jahre auf dem Massenmarkt auf, als sie für wichtige Applikationen im Motormanagement entdeckt wurden. Seither haben sie viele weitere Anwendungsbereiche erobert. Ein Überblick.

Die größte Erfolgsgeschichte in der Vielfalt an unterschiedlichen Sensoren, die auf mikromechanische Systeme (MEMS) angewiesen sind, haben Drucksensoren geschrieben. Ende der 1980er Jahre begann man sie zu nutzen, um die optimale Zündzeit für jeden einzelnen Zylinder an das Motorteuergerät zu übermitteln. Die Vorteile liegen auf der Hand: Je genauer das Timing, desto höher die Leistungsfähigkeit und die Treibstoffersparnis.

Seither haben MEMS-Drucksensoren wegen der Größen- und Kostenreduzierung ihre Marktdurchdringung nicht nur in diesem Bereich, sondern in viele andere Märkte ausgeweitet. In Fahrzeugen kontrollieren sie beispielsweise den Reifendruck. Jeder Reifen hat einen Miniatursensor und einen Funksender, der den Absolutdruck an einen Empfänger im Fahrzeug übermittelt, der die Werte bestimmt und gegebenenfalls eine Warnung ausgibt. Ähnliche Geräte werden mittlerweile auch in Airbags eingebaut, die den inneren Luftdruck überwachen und bei plötzlichen Änderungen den Seitenaufprallschutz auszulösen, da ein plötzlicher Druckanstieg höchstwahrscheinlich von einem Aufprall von der Seite herrührt.

Es gibt verschiedene Technologien, um MEMS-basierte Drucksensoren zu ergänzen. In den letzten Jahren ist die piezoresistive Wheatstone-Brücke immer gängiger geworden, weil sie wichtige Eigenschaften wie hohe Genauigkeit, geringe Kosten und kleine Größe kombiniert. Meist basieren Drucksensoren auf dem DMS-Konzept (Dehnungsmessstreifen), das Änderungen im elektrischen Verhalten nutzt, um die Durchbiegung einer Membran zu messen. Mit Wheatstone-Brücken lassen sich Abweichungen recht genau ermitteln.

Ein piezoelektrischer Sensor nutzt einen auf der Oberfläche einer Membran gewachsenen und mithilfe von MEMS-Techniken in Form geätzten Quarz oder Turmalin. Diese Materialien wandeln die kinetische Energie der Biegekraft in elektrische Signale um, die anschließend von der Wheatstone-Brückenschaltung ausgelesen wird.

Integration verkleinert Sensoren

Die C39-Baureihe von TDK (Bild 1) macht deutlich, wie sehr MEMS-basierte Drucksensoren geschrumpft sind, sodass sie sich für IoT-Anwendungen eignen. Das Chipgehäuse ist gerade einmal 0,65 mm × 0,65 mm groß. Ein wichtiges Feature der ist ihre flache Bauform von nur 0,24 mm, wodurch sie für Smartphones und Wearables optimiert sind, in denen Platz entscheidend ist.

Piezoelektrische Wandler sind temperaturabhängig, sodass sie entsprechend kompensiert werden müssen. Immer mehr MEMS-Sensoren verfügen daher zusätzlich über Temperatursensoren und eine Elektronik, die den Sensor automatisch kalibriert, wobei diese vorteilhaft monolithisch auf dem Chip oder als separater Chip ins gleiche Gehäuse integriert ist. Dadurch ließ sich die Entwicklung miniaturisierter Sensoren so weit vorantreiben, dass Applikationen für Medizin und IoT möglich wurden. Der Wellness-Sektor, also die Schnittmenge dieser beiden Bereiche, ist einer der größten Wachstumsmärkte.

Ein Minisensor, der sich für zahlreiche Märkte einschließlich IoT, Gesundheitswesen und Industrie eignet, ist der FXPQ3115BV von NXP. Der Absolutdrucksensor arbeitet in einen Betriebsbereich von 20 kPa bis 110 kPa. Damit misst er Druck über einer Atmosphäre hinaus bis hinunter zu dem Druck, der in einer Höhe von mehr als 10 km herrscht. Damit kann er nicht nur als Drucksensor, sondern auch als Höhenmesser eingesetzt werden. Drucksensoren in tragbaren Geräten oder Wearables einzubauen bietet den weiteren Vorteil, andere von Sensoren gemessenen Größen verbessern zu können. So können Drucksensoren, aus denen sich Höheninformationen ableiten lassen, eine Ortsbestimmung per GPS verbessern.

Sowohl das MEMS-Element als auch das im selben Gehäuse untergebrachte ASIC im FXPQ3115BV sind mit einem medizinisch zugelassenen Gel beschichtet. Dadurch eignet sich dieser Sensor für Inhalatoren, CPAP-Beatmungsmasken und andere medizinische Geräte, die mit dem Atemweg von Patienten in Berührung kommen. Damit ist gewährleistet, dass Patienten einen konstanten Luftstrom abbekommen. Außerdem prüft er auf Blockaden und andere Probleme, die ihre Atmung beeinträchtigen könnten.