SOIC: Differenzdrucksensoren ultimativ miniaturisiert

| Redakteur: Sariana Kunze

Die Differenzdrucksensoren im Standard SOIC-Gehäuse sind mit horizontalen oder mit vertikalen Stutzen erhältlich.
Die Differenzdrucksensoren im Standard SOIC-Gehäuse sind mit horizontalen oder mit vertikalen Stutzen erhältlich. (Bild: Amsys)

SOIC-Sensoren sind miniaturisierte Versionen differentieller Niederdrucksensoren. Sie verbinden moderne Mikroelektronik (ASIC) mit einem neuen Verfahren zum Herstellen von flächenoptimierten Niederdruckmesszellen im Bereich von wenigen Millibar (MEMS).

Der Begriff SOIC-Sensoren ist noch nicht in der Nomenklatur der Drucksensoren zu finden. Gemeint sind damit miniaturisierte Sensoren, die nur aus wenigen Halbleiterelementen bestehen – in diesem Fall aus zwei Halbleiterbausteinen, einem MEMS (mikroelektromechanischem Sensor) und einem ASIC (Anwendungsspezifisches IC), die beide in einem SOIC-Gehäuse verkapselt sind.

Bei dem ASIC handelt es sich um ein komplexes IC, das im Wesentlichen aus einem programmierbaren Instrumentenverstärker, einem 16-Bit-ADC, einem EEPROM, dem digitalen Signalprozessor (DSP) und einer digitalen Ausgangsstufe besteht. Der integrierte Multiplexer erlaubt die Messung von Druck und Temperatur, deren Kenntnis für die Kompensation notwendig ist. Er ist dem Verstärker vorgeschaltet.

Im ASIC erfolgt noch während der Herstellung des Sensors der elektronische Abgleich (Kalibration, Kompensation und Linearisierung). Dazu werden mittels Druck- und Temperaturmessung Korrekturkoeffizienten ermittelt und im internen EEPROM abgelegt. Sie werden in einem gespeicherten Algorithmus mit den jeweiligen Messwerten verrechnet, so dass nach jedem Zyklus (0,5 ms) der abgeglichene Messwert aktualisiert ist und am Ausgang im I2C-Format bereitsteht. SOIC-Sensoren sind so konzipiert, dass sie Differenzdruck (Relativdruck) und bidirektionalen Differenzdruck messen können.

Einer für beides: positiver und negativer Differenzdruck

Unter bidirektionaler Differenzdruckmessung versteht SOIC-Hersteller Amsys die Eigenschaft, mit demselben Sensor sowohl einen positiven als auch einen negativen Differenzdruck bestimmen zu können. Dazu benötigt man eine Messzelle, die sich durch ein symmetrisches Verhalten gegenüber einer beiderseitigen Druckbeaufschlagung auszeichnet. Außerdem muss man zur Signalerfassung einen Instrumentenverstärker einsetzen, der die positiven und negativen Signale ausreichend verstärken kann. In der Bildergalerie erkennt man in Abbildung 2a die Auslenkung der Membran der Silizium-Messzelle für den Fall P1>P2 und in Abbildung 2b den Fall P1<P2. In dem einen Fall ist das Messzellensignal positiv, im anderen negativ.

Wenn beide Drücke gleich sind, also der Differenzdruck = 0 ist, findet keine Membranverformung statt und das Messzellen-Ausgangssignal ist, abgesehen von einem Offset, der in der nachfolgenden Elektronik ausgeglichen werden kann, ebenfalls 0. In der Auswerte-Elektronik wird diesem Wert dann der Wert Ausgangsspanne/2 zugeordnet.

An asymmetrische Druckverhältnisse anpassen

Neben der Möglichkeit, einen symmetrischen Unter- und Überdruck (z.B. ± 20 mbar) zu messen, können die SOIC-Sensoren vom Hersteller so kalibriert werden, dass sie auch asymmetrische bidirektionale Differenzdrücke erfassen können (z.B. von -10 bis 20 mbar). Damit eröffnet sich die Möglichkeit, den Dynamikbereich des Ausgangssignals an die vorhandenen asymmetrischen Druckverhältnisse optimal anpassen zu können.

Die Messzelle ist zusammen mit dem ASIC in einem SOIC-Standard-Gehäuse mit 16 Pins montiert, das in seinen Abmessungen der bekannten JEDEC-Norm MS-O12 (150miles) entspricht. Das Gehäuse besteht aus Thermoplast (PPS) und ist damit weitgehend gegen Chemikalien resistent. Die OEM-Sensoren sind für die automatische SMD-Montage geeignet. Zwei vertikale oder seitliche Druckanschlüsse erlauben den Anschluss von Silikonschläuchen mit Øinnen= 2,2 - 2,5 mm. Die SOIC-Sensoren werden für Relativdruck- und Differenzdruckmessung sowie auch als bidirektionale Version angeboten. Dabei decken verschiedene Varianten die Druckbereiche von 0,075 psi bis 30 psi ab.

Mini-Sensoren mit kleinem Gesamtfehler

Die miniaturisierten SOIC-Sensoren haben ein Auflösevermögen von 16 Bit und zeichnen sich durch einen kleinen Gesamtfehler* von ± 1,0 % FS (SM9543 hat ± 1,5 % FS) im Temperaturbereich von -5 bis 65 °C aus. Die Versorgungsspannung beträgt 3,3 V oder 5,5 V bei einer Stromaufnahme von 2 mA in einem Arbeitstemperaturbereich von -20 °C bis 85 °C. Die Kommunikation mit dem Sensor erfolgt über eine Standard-I2C-Schnittstelle und ist somit für den Einbau in elektrische Systeme geeignet. Um die Funktion des Sensors zu kontrollieren, sind die Sensoren mit einer Status-Diagnose und mit Fehlermeldung ausgestattet.

Die neue Generation von OEM-Drucksensoren ist durch ihre Bauform besonders für großvolumige Sensorprojekte geeignet. Laut Amsys ist nicht zuletzt wegen des Handlings (Schlauchmontage) und der Druckführung in dem Gehäuse eine weitergehende Miniaturisierung fraglich. Durch den Druckbereich von 0,075 bis 30 psi eignen sich die SOIC-Sensoren für Niederdruckanwendungen, etwa für Atemkontrollgeräte, für NPWT, für Anwendungen innerhalb von HVCA oder für die Volumenstrommessung von Gasen sowie für Ventilsteuerungen.

Der Beitrag stammt von unserem Partnerportal Elektrotechnik.

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* Gesamtfehler schließt die Kalibrationsfehler, die Temperaturfehler und alle stochastischen Fehler (Hysterese, Nichtlinearität und Reproduzierbarkeit) mit ein.

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