Höhere Genauigkeit und Auflösung in kompakten IoT-Designs dank fortschrittlicher Drucksensoren

Von Majeed Ahmad

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Drucksensoren kommen in den verschiedensten IoT-Anwendungen zum Einsatz, so etwa in Drohnen und in der industriellen Automatisierung. Entwickler sehen sich jedoch konstant der Herausforderung gegenüber, die Genauigkeit, die Präzision, die Auflösung, die Rauschimmunität und die Temperaturstabilität ihrer Komponenten verbessern zu müssen, und das alles bei gleichzeitiger Senkung der Kosten und Verkürzung der Markteinführungszeit.

Um sich dieser Herausforderungen anzunehmen, haben die Anbieter von Sensoren innovative neue Funktionen, Formfaktoren, integrierte Elektronik und flexible Schnittstellenoptionen eingeführt, die erheblich zur Vereinfachung von Design und Integration beitragen.

In diesem Artikel werden die Anatomie moderner integrierter Drucksensoren behandelt sowie der Umgang mit Problemen wie Temperaturkompensation und Genauigkeit des Ausgangssignals. Er behandelt außerdem wichtige Designüberlegungen, stellt geeignete Lösungen vor und erläutert, wie Entwickler ihre Anwendungen damit schnell zum Laufen bringen.

Die Entwicklung von Drucksensoren

Anfangs handelte es sich bei Drucksensoren um elektromechanische Komponenten. Diese Modelle mussten jedoch kostengünstigeren Komponenten auf Halbleiterbasis weichen, in denen MEMS zum Einsatz kamen, mit denen extrem geringe Druckunterschiede von ±1 Pascal (Pa) gemessen werden können. Über On-Board-Schnittstellen können sie Daten über eine I2C- oder SPI-Verbindung an einen Mikrocontroller übermitteln und verbrauchen dabei sehr viel weniger Strom.

In einem MEMS-Drucksensor wird eine Kraft auf eine flexible Membran ausgeübt, die sich auf einem Sensorelement befindet. Durch diese Kraft wird die Membran ausgelenkt und induziert so ein Ungleichgewicht, das in ein Ausgangssignal umgewandelt wird. MEMS-basierte Sensoren messen sowohl Absolut- als auch Differenzdrücke und sind in kompensierten und in nicht kompensierten Ausführungen erhältlich.

Drucksensoren für IoT-Designs

Jüngste Veränderungen haben dazu geführt, dass Drucksensoren genauer, leichter und günstiger wurden und größere Messbereiche möglich sind. Diese Innovationen sind erforderlich für das Design neuer Anwendungen in den Bereichen IoT und Wearables.

MEMS-basierte Drucksensoren kommen beispielsweise in Sportarmbändern der nächsten Generation zum Einsatz, mit denen der Kalorienverbrauch noch genauer gemessen werden soll. Läufer und Radfahrer sind sehr eigen, wenn es darum geht, die Genauigkeit der Überwachung ihrer Leistung zu verbessern. Der Umstand, dass die Druckmessung in Wearables und IoT-Designs immer mehr zum Standard wird, macht es zwangsläufig erforderlich, dass die Grundfläche der entsprechenden Sensoren kleiner werden muss.

Die neuen MEMS-Sensoren sind kleiner, verbrauchen weniger Strom und sparen viel Platz auf der Platine. Des Weiteren verbessern sie Leistung und Zuverlässigkeit der IoT-Designs. Diese Drucksensoren in ultrakompakten und dünnen Gehäusen eignen sich außerdem für batteriebetriebene portable Designs wie Smartphones und Tablets oder auch für Wearables im Sport.

In manchen dieser batteriebetriebenen Mobilgeräte ergänzen oder ersetzen Drucksensoren GPS in Anwendungen wie der Aktivitätserkennung, der Bestimmung des richtigen Stockwerks und der Positionsermittlung im Freien. Diese MEMS-basierten Drucksensoren ermöglichen des Weiteren exaktere Berechnungen zur Koppelnavigation, wodurch sich neue Anwendungsmöglichkeiten im Gesundheitswesen und in der Wetterbeobachtung ergeben.

Ein gutes Beispiel für diese neueren MEMS-Sensoren ist der LPS22HB von STMicroelectronics (Abbildung 1). Hierbei handelt es sich um einen nanoelektronischen MEMS-Drucksensor mit einem absoluten Druckbereich von 260 bis 1260 Hektopascal (hPa) und einem digitalen Ausgang. Wichtige Merkmale sind die extrem kleinen Abmessungen von 2,0 x 2,0 x 0,76 Millimetern (mm) in einem LGA-Gehäuse sowie der geringe Stromverbrauch von lediglich 3 Mikroampere (µA) bei einer Versorgung im Bereich von 1,7 bis 3,6 Volt.

Bild: MEMS-Luftdrucksensor LPS22HB von STMicroelectronics

Abbildung 1: Der MEMS-Luftdrucksensor LPS22HB von STMicroelectronics misst 2 x 2 x 0,76 mm und zieht 3 µA Strom bei einer Versorgung im Bereich von 1,7 bis 3,6 Volt. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Das LGA-Gehäuse ist perforiert, damit der Druck von außen das Sensorelement erreicht. Es handelt sich um einen piezoresistiven Sensor, der das Sensorelement und eine IC-Schnittstelle umfasst, die das Sensorelement über eine I2C- oder SPI-Verbindung mit der Anwendung verbindet.

Der LPS22HB verfügt über eine Temperatur- und Druckkompensation und ein integrierter FIFO sorgt für die effiziente Verarbeitung der Druck- und Temperaturdaten in der digitalen Logik (Abbildung 2).

Darstellung der FIFO-Funktion des LPS22HB von STMicroelectronics

Abbildung 2: Die FIFO-Funktion des LPS22HB befindet sich zusammen mit der Temperatur- und Druckkompensation in der digitalen Logik. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Der FIFO-Puffer umfasst 32 Slots mit 40 Bit Daten, um die Druck- und Temperaturausgangswerte zu speichern. Auf diese Weise wird dauerhaft Strom gespart, da der Host nicht mehr ständig die Sensordaten abfragen muss. Stattdessen muss der Host lediglich aus einem Interrupt aufwachen und kann alle benötigten Daten auf einmal vom FIFO abrufen.

Der FIFO verfügt über sieben verschiedene Betriebsmodi, nämlich den Bypass-Modus, den FIFO-Modus, den Stream-Modus, den Dynamic-Stream-Modus, den Stream-to-FIFO-Modus, den Bypass-to-Stream-Modus und den Bypass-to-FIFO-Modus. Diese Modi bieten verschiedene Betriebsmöglichkeiten. Im Bypass-Modus etwa bleibt der FIFO außer Betrieb und leer, wohingegen der Dynamic-Stream-Modus dafür sorgt, dass die Menge der neu im FIFO verfügbaren Daten nicht von der vorherigen Auslesung abhängt.

Bei Verwendung des LPS22HB erfolgt die Stromversorgung über Pin 10 (VDD). Es wird empfohlen, einen Entkopplungskondensator mit 100 Nanofarad (nF) so nahe wie möglich an den Versorgungspads (Abbildung 3) zu platzieren.

Bild: Leiterplattenlayout des LPS22HB von STMicroelectronics

Abbildung 3: Verbinden Sie Pin 10 beim Platzieren des Luftdrucksensors LPS22HB auf der Leiterplatte zur Stromversorgung mit VDD und platzieren Sie einen 100nF-Entkopplungskondensator so nahe wie möglich an den Versorgungspads. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Außerdem muss bei Verwendung der I2C-Schnittstelle CS (Pin 6) mit VDD_IO (Pin 1) verbunden werden.

Rauschfilterung und plötzliche Änderungen

Um Drucksensoren in anspruchsvollen Designs wie Smartwatches und Sportarmbändern verwenden zu können, muss das Rauschen unbedingt minimiert werden. Das gilt insbesondere angesichts der Wahrscheinlichkeit unerwarteter Ereignisse, die zu einem schnellen und plötzlichen Anstieg des Luftdrucks führen können.

Gegen das Rauschen bietet Bosch Sensortec den Luftdrucksensor BMP388 mit integriertem Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter) an (Abbildung 4). Auf diese Weise kann der Drucksensor plötzliche Druckänderungen aufgrund von Umweltereignissen herausfiltern.

Diagramm des Sensors BMP388 von Bosch Sensortec

Abbildung 4: Der IIR-Filter im BMP388 von Bosch Sensortec verhindert starkes Rauschen aufgrund von Ereignissen wie beispielsweise dem Schließen einer Tür oder einem Schuss. (Bildquelle: Bosch Sensortec)

Der BMP388 ist für die Höhenverfolgung in Smartphones, Smartwatches und im Handel erhältlichen Drohnen konzipiert. Der rauscharme 24-Bit-Sensor zur Messung des absoluten Luftdrucks bietet einen großen Messbereich von 300 hPa bis 1250 hPa sowie eine relative Genauigkeit von ±0,66 m (Abbildung 5).

Diagramm: digitaler MEMS-Luftdrucksensor BMP388 von Bosch-Sensortec

Abbildung 5: Der digitale MEMS-Luftdrucksensor BMP388 von Bosch-Sensortec (Abmessungen: 2 x 2 x 0,8 mm) liefert Höheninformationen mit einer Genauigkeit von ±0,66 m an Navigationsinstrumente.

Falls der Luftdrucksensor unter dynamischen Bedingungen (z. B. bei plötzlichen Temperaturschwankungen) keine Höhenstabilisierung bereitstellen kann, lassen sich die Luftdruckdaten mit den Daten eines Beschleunigungsmessers zusammen mit einem ergänzenden Filter kombinieren. Für solche Fälle, in denen für optimale Leistung Sensoren kombiniert werden müssen, bietet Bosch Sensortec die inertiale Messeinheit (IMU, Inertial Measurement Unit) BMI088 zur exakten Ansteuerung sowie den geomagnetischen Sensor BMM150 zur Bereitstellung von Ausrichtungsdaten an.

Messung des Drucks bei Temperaturextremen

Genauigkeit und Auflösung gehen beim Design von Drucksensoren Hand in Hand. Drucksensoren müssen jedoch sowohl tief unten in Minen als auch hoch oben in den Bergen inklusive der dort jeweils herrschenden Temperaturextreme exakt reagieren. Zusätzlich müssen sie noch mit feuchten Medien kompatibel sein.

In Drohnen beispielsweise sind Höheninformationen von entscheidender Bedeutung für die Stabilität und das Landen. Diese Höheninformationen müssen von den Drucksensoren jedoch mit hoher Genauigkeit und Auflösung bereitgestellt werden, und zwar trotz den sich ändernden Umgebungsbedingungen. Durch eine Temperaturkompensation mithilfe von proprietären Algorithmen können MEMS-Komponenten eine Genauigkeit von ±1 Pa erzielen, die Höhenänderungen von weniger als 5 cm entspricht.

Besonders wichtig ist die Temperaturstabilität für Anwendungen mit konstanter Bewegungserkennung, beispielsweise Wearables. Hier kann es zu abrupten Temperaturänderungen kommen, wenn sich der Benutzer von einer Umgebung in eine andere bewegt. NXP Semiconductors MPL3115A2 ist ein gutes Beispiel dafür, wie sich diese Stabilität bewerkstelligen lässt (Abbildung 6).

Schaltbild des kompakten, piezoresistiven Absolutdrucksensors MPL3115A2 von NXP

Abbildung 6: Diese Abbildung zeigt, wie sich die Druck- und Temperaturmessung im kompakten, piezoresistiven Absolutdrucksensor von NXP gegenseitig ergänzen. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Der MPL3115A2 bietet einen großen Betriebsbereich von 20 kPa bis 110 kPa, der von NXP so konzipiert wurde, um alle auf der Erde möglichen Höhen abzudecken. Die Temperaturkompensation erfolgt über einen On-Chip-Temperatursensor, wobei sowohl der Druck als auch die Temperatur anschließend gemultiplext, verstärkt, gefiltert und in einen Analog/Digital-Wandler (ADC) eingespeist werden. Die Höhe wird dann über die folgende Formel berechnet:

Gleichung 1

Dabei gilt:

h = Höhe in Metern und in Bruchteilen eines Meters

p0 = Meeresspiegeldruck (101.326 Pa)

OFF_H = Benutzereingabe des entsprechenden Meeresspiegeldrucks zur Kompensation lokaler Wetterbedingungen

und der US-Standardatmosphäre 1976 (NASA)

p = Druck in Pa und Bruchteilen eines Pa

Die Kernspezifikationen für den MPL3115A2 umfassen eine On-Chip-Verarbeitung, um den Host-Prozessor nicht zu belasten, sowie einen typischen aktiven Versorgungsstrom von 40 µA pro Sekunde der Messung für eine stabile Auflösung des Ausgangssignals. Die Versorgungsspannung liegt zwischen 1,95 Volt und 3,6 Volt (interne Regelung) und der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -40 °C und +85 °C.

Die verschiedenen Anwendungsszenarien und -bedingungen werden von den Sensoranbietern gut abgedeckt. Honeywells TBF-Serie ist ein typisches Beispiel. Bei diesen einfachen Kraftsensoren handelt es sich um UP-Membrandrucksensoren für Anwendungen, bei denen es auf Medienkompatibilität und geringes eingeschlossenes Volumen ankommt. Sie sind für Anwendungen wie Infusionspumpen, Wearables, Arzneimittelabgabesysteme und die Robotik vorgesehen, sind temperaturkompensiert und werden intern kalibriert.

Erwähnenswert ist, dass ihr Signal nicht intern verstärkt wird, wodurch die Auflösung unendlich ist. Stattdessen können die Entwickler dieses unverstärkte Signal nutzen, um aus dem Bereich von 100 kPa bis 1 MPa die für die jeweilige Anwendung erforderliche maximale Auflösung zu erhalten.

Sonstige Designüberlegungen

Obwohl Drucksensoren speziell für die neuen technischen Anforderungen des IoT entwickelt werden, müssen auch traditionelle Probleme wie Robustheit und Beständigkeit gegenüber Chemikalien wie Chlor, Brom und Salzwasser berücksichtigt werden. Der Schwellenwert für die Feuchtigkeitsempfindlichkeit ist ein weiterer wichtiger Punkt, der über den Schutz der Elektronik des Drucksensors hinausgeht. Des Weiteren sollten Drucksensoren einfach zu montieren und wartungsfrei sein.

Diese Kriterien wurden von Amphenol bei der Enwicklung der oberflächenmontierbaren Drucksensoren der NovaSensor-Serie NPA berücksichtigt, die in einem 14-poligen SOIC-Gehäuse geliefert werden (Abbildung 7).

Bild von oberflächenmontierbaren Sensoren der NPA-Serie von Amphenol

Abbildung 7: Die oberflächenmontierbaren Sensoren der NPA-Serie von Amphenol bieten flexible Ausgangsoptionen. (Bildquelle: Amphenol)

Die Sensoren der NPA-Serie sind für Manometer-, Absolut- und Differenzdrücke mit Millivolt-, verstärkten analogen sowie digitalen Ausgangssignalen erhältlich. Der Druckmessbereich ist mit 10 Zoll Wasser (H20) (1 Zoll H20 = 249,0889 Pa) bis 30 psi (1 psi = 6894,7529 Pa) angegeben.

Fazit

Drucksensoren sind ein wichtiger Baustein für viele IoT-Anwendungen. Auf die sinkenden Kosten für IoT-Geräte, schrumpfende Formfaktoren und den gestiegenen Druck bei der Markteinführungszeit haben die Hersteller von Sensoren mit verbesserten und flexibleren Mess- und Kompensationsfähigkeiten sowie mit einfacheren Schnittstellen reagiert.

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Über den Autor

Majeed Ahmad

Majeed Ahmad ist Elektroniker mit über 20 Jahren Erfahrung in B2B-Technologiemedien. Er ist ehemaliger Chefredakteur der EE Times Asia, einer Schwesterzeitung der EE Times.

Majeed hat sechs Bücher über Elektronik verfasst. Er schreibt zudem regelmäßig für Fachzeitschriften zum Thema Elektronikdesign, darunter All About Circuits, Electronic Products und Embedded Computing Design.

Über den Verlag

Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key