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Revival der rein analogen Technik

Weniger Rauschen bei MEMS-Drucksensoren

26. Juli 2017, 10:22 Uhr | Von Philipp Kistler

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Vorteile durch externe AD-Wandlung

Diese analoge Verarbeitung in Kombination mit einer externen AD-Umsetzung bietet in vielen Applikationen entscheidende Vorteile. Das sehr rauscharme, stufenlose Analogsignal bietet die Grundlage für eine hohe Auflösung der Ausgangsspannung (bis zu 16 bit); es kann aber auch sehr schnell abgetastet werden (bis zu 120 µs). Natürlich ist die resultierende Performance auch vom verwendeten AD-Umsetzer und somit vom Anwendungs-Design abhängig. Mit diesem Aufbau – Drucksensor mit verstärktem Analog-Ausgang und externer AD-Umsetzung – bestimmt der Anwender die Kosten der Gesamtlösung maßgeblich mit (Güte der AD-Umsetzung) beziehungsweise kann diese nach seinen Anforderungen dimensionieren und optimieren.

Einige Anwender benötigen zudem eine echte synchrone Abtastung mehrerer (bis zu fünf) Drucksensoren, was mit den markttypischen digitalen Drucksensoren nicht exakt durchführbar ist. Zwar lässt sich theoretisch ein quasi-synchrones Auslesen über mehrere I²C/SPI-Busse realisieren, jedoch nicht exakt; echte äquidistante und synchrone Abtastwerte sind nicht möglich. Dafür müssten die verschiedenen Clocks der digitalen Drucksensoren beziehungsweise ihrer digitalen Blöcke miteinander synchronisiert werden, was bei den genannten Sensoren nicht machbar ist – im Unterschied zum voll analogen Konzept mit der nachfolgenden AD-Umsetzung, die der Kunde definiert und so nach seinen Anforderungen konzipieren kann.

Applikationsbeispiel: Hochgenaue Blutruckmessung

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Bei der indirekten arteriellen Druckmessung (oft mit „NIBP“, Non-Invasive Blood Pressure abgekürzt) wird der arterielle Druck mit Hilfe eines Blutdruckmessgerätes an einer Extremität, meist dem Arm, gemessen. Dabei wird der obere, systolische arterielle Druck (zum Beispiel 120 mmHg) und der untere diastolische Wert (zum Beispiel 80 mmHg) ermittelt. Bild 6 zeigt eine typische Blutdruckkurve, bei der es den oberen und unteren Wert zu ermitteln gilt, beziehungsweise auf die beiden Wendepunkte getriggert werden soll. Dabei sind neben der eigentlichen Genauigkeit des Sensors vor allem die Auflösung und die Abtastrate der A/D-Umsetzung entscheidend für die Gesamtgenauigkeit und Zuverlässigkeit der Blutdruckmessung.

Dafür bietet sich das rein analoge Sensorprinzip an. Natürlich gibt es auch viele Low-cost Blutdruckmessgeräte auf dem Markt die mit „einfacheren“ Lösungen auskommen, jedoch sind die angezeigten Messwerte eher als Richtwerte zu betrachten – das genaue Treffen der Minima und Maxima bei tieferer Abtastung und geringerer Auflösung ist eher ein Glücksfall. Sicherlich haben diese Geräte für den Heimbedarf durchaus ihre Berechtigung und eignen sich für eine grobe Beurteilung – in professionellen Geräten hat eine solche rudimentäre Sensorik jedoch keinen Platz.

Beispiel einer professionellen Anwendung ist der sogenannte Patientenmonitor, der in Krankenhäusern zur Überwachung und Aufzeichnung der Vitalparameter der Patienten eingesetzt wird. Typische Parameter sind: EKG zur Beurteilung des Rhythmus und der Herzfrequenz, Blutdruck, Sauerstoffsättigung, Körpertemperatur und der Kohlendioxidanteil an der Ausatemluft.

Bild 7 zeigt die Elektronik eines Modules zur Blutdruckmessung, das Bestanteil eines solchen Patientenmonitors ist. Gut ersichtlich sind die beiden AG3-Sensoren. Wie in vielen Medizintechnik-Produkten werden zwei Sensoren als Redundanz verwendet. Durch diese doppelte Messwerterfassung wird sichergestellt, dass jeder vorstellbare Fehler der Sensorik detektiert wird. Das fordert die Norm EN 60601-1 für medizinische elektrische Geräte, um die Patientensicherheit zu garantieren. Weiter sind auf der Baugruppe die elektronischen Komponenten zur A/D-Umsetzung zu sehen. In diesem konkreten Fall wurden dafür sehr hochwertige Komponenten verwendet, um die Performance der rauscharmen Drucksensoren optimal auszunutzen. Das ermöglicht nicht nur eine bessere Spezifikation der Messung gegenüber Konkurrenzprodukten, sondern auch eine zuverlässige Blutdruckmessung bei Neugeborenen und Säuglingen, was mit den meisten Produkten auf dem Markt nicht möglich ist.