Sensorik Zeitmessung zur Auswertung kapazitiver und resistiver Sensoren

Autor / Redakteur: Norbert Breyer und Adrian Schwenck * / Gerd Kucera

Zeit als universellste aller physikalischen Größen ist am genauesten bestimmbar. Schwierige Messaufgaben werden daher über Time-to-Digital Converter gelöst. Der Artikel zeigt mögliche Anwendungen.

Bild 1: Ein Time-to-Digital-Converter (TDC) misst kurze Zeitintervalle und wandelt das Ergebnis in einen digitalen elektrischen Wert um.
Bild 1: Ein Time-to-Digital-Converter (TDC) misst kurze Zeitintervalle und wandelt das Ergebnis in einen digitalen elektrischen Wert um.
(Bild: IS-LINE / Fotolia)

Ein neuartiger Ansatz für kapazitive Messungen aller Art ist das PicoCap-Messprinzip von acam-messelectronic (jetzt Teil der ams-Gruppe). Es basiert auf der hochgenauen Messung der Entladezeiten von RC-Gliedern. Zu diesem Zweck werden die zu messende Sensorkapazität und eine feste Referenzkapazität mit einem Widerstand verschaltet (Bild 2).

Durch unterschiedliche Entladewiderstände können verschiedene Messbereiche für die Kapazität gewählt werden. Die beiden Kapazitäten werden jeweils bis zu einer Versorgungsspannung Vdd geladen und dann über den Widerstand bis zu einer Trigger-Spannung Vth entladen (Bild 3). Für beide Kapazitäten wiederholt sich dieser Vorgang im Zeit-Multiplex mehrfach. Dabei werden die Entladezeiten immer ins Verhältnis zur Entladekurve der Referenzkapazität gesetzt, die möglichst in der gleichen Technologie wie die Messgröße gefertigt wird, um den Einfluss von Temperatur-Drift zu minimieren.

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Integrierte digitale Time-to-Digital Converter

Die Entladezeiten werden mit einem sogenannten Time-to-Digital-Wandler (TDC) gemessen. Digitale TDCs sind integrierte Schaltungen zur hochgenauen Erfassung von kleinsten Zeitdifferenzen im Bereich von Nanosekunden (ns) bis hinunter in den Picosekunden-Bereich (ps). Sie tun dies ohne jegliche analoge Komponenten. Ihre Realisierung wurde erst durch die gewaltigen Innovationen in der Halbleitertechnologie möglich.

TDCs basieren auf der Durchlaufzeit einfacher logischer Gatter (z.B. Inverter), welche sie für die Quantisierung der Zeitdifferenz heranziehen. Durch den extrem hohen internen Takt ist eine sehr hohe Auflösung möglich; der Vergleich mit einer bekannten Kapazität macht das Verfahren unempfindlich gegenüber Schwankungen dieses Taktes.

Auflösungen im Bereich von 10 bis 100 ps können mit solchen Messkreisen und gängigen CMOS-Technologien erreicht werden. Praktisch gibt es keine Messbereichsgrenzen für die Kapazität: Sensoren im Bereich von 0 fF (1 Femto-Farad = 10-15 Farad) bis zu einigen hundert nF (1 Nano-Farad = 10-9 Farad) lassen sich so vermessen.

Um auch den Einfluss von parasitären Kapazitäten zu eliminieren, die das Messergebnis verfälschen könnten, wurde zudem ein Verfahren entwickelt, dass diese Einflüsse erfasst und herausrechnet. Somit lassen sich ganze Systemlösungen auf einem einzigen Chip (SoC) integrieren, die effizient, stromsparend, platzsparend und letztlich kostengünstig sind.

Die Anwendung mit kapazitiven Drucksensoren

Für die kapazitive Druckmessung sind heute MEMS-Drucksensoren Stand der Technik. Insbesondere dann, wenn große Stückzahlen zu produzieren sind. Beim Stuttgarter F+E-Dienstleister Hahn-Schickard hat man sich bewusst für einen anderen Weg entschieden und setzt auf Leiterplatten basierte Sensoren. Dies ermöglicht den Aufbau der Sensoren mit SMD-Standardprozessen, die auch bei kleinen und mittelständischen Unternehmen meist im Haus vorhanden sind und daher keine Investitionen in die Anlagentechnik erfordern.

Auch die Leiterplatten für die Sensorstruktur können günstig zugekauft werden. Durch die niedrigen Investitionskosten sind auch kleine Serien wirtschaftlich. Die Anpassung der Sensoren an Kundenwünsche kann, im Gegensatz zu MEMS-Prozessen, ebenfalls kostengünstig erfolgen. Durch den Einsatz der oben beschriebenen PicoCap-Technologie sind auch hochauflösende kapazitive Druckmessungen darstellbar.

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Bei dem von Hahn-Schickard entwickelten Konzept des kapazitiven Drucksensors ist die fluidseitig druckbelastete Struktur ähnlich zu den bekannten resistiven Sensoren mit Metall-Druckwandler-Membran. Allerdings dient die Wandler-Membran hier direkt als Gegenelektrode einer kapazitiven Abtastvorrichtung, wobei die Membran auf festem Potenzial (z.B. Erdpotenzial) liegt.

Die kapazitive Abtastvorrichtung besteht im einfachsten Fall aus einer Leiterplatte mit einer Elektrode oder Elektrodenanordnung, wobei Gegenelektrode (Membran) und Elektroden einen variablen, druckabhängigen Abstand aufweisen, wodurch eine druckabhängige Kapazitätsänderung gemessen wird. Das Funktionsprinzip ist in Bild 4 gezeigt.

Der Herstellungsprozess des Drucksensors ist einfach: Zunächst wird auf dem PCB das Lot mittels Dispensen aufgebracht. Danach werden die Membran, die Elektronik sowie alle passiven Komponenten auf der Leiterplatte platziert und das Lot wird durch Reflow-Löten umgeschmolzen. Die Membran kann dabei aus unterschiedlichen Materialen hergestellt und somit auf das jeweilige Medium, mit welchem die Membran in Berührung kommt, abgestimmt werden.

Vor allem für die Messung von Füllständen von Fluiden ist dies ein wichtiger Vorteil. Der Drucksensor ist jedoch nicht allein darauf beschränkt, sondern vielseitig einsetzbar: Für andere Anwendungen, etwa in der Pneumatik, der Überwachung des Druckes in LKW-Bremsanlagen oder auch der Klimatechnik, lässt sich die Membran entsprechend anpassen.

Beispiel 1: kapazitiver Drucksensor in MID/PCB

Im Rahmen des EU Projektes „3D-Hipmas“ (3D-Hipmas: The research leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme, FP7/2007-2013, under grant agreement n°314293.) wurde ein Sensor für den Messbereich 0 bis 10 bar ausgelegt und aufgebaut.

Dabei kamen sowohl Leiterplattentechnik als Basissubstrat als auch sogenannte 3D-Moulded Interconnect Devices (3D-MID = dreidimensionale, spritzgegossene Schaltungsträger) zum Einsatz.

Aufgrund des geringen Platzbedarfes und der wenigen zum Betrieb notwendigen externen passiven Bauelemente bietet sich hier die Verwendung eines PCAP01-Chips von acam an.

So konnte der Drucksensor inklusive der kompletten Elektronik in den zur Verfügung stehenden Bauraum integriert werden. Eine erste Version (Bild 5) wurde in ein Aluminiumgehäuse mit den Abmessungen 14,25 mm x 18 mm x 18 mm eingebaut. In der zweiten Version (Bild 6), kam ein 3D-MID zum Einsatz. In beiden Versionen wurde die Membran auf einer Seite des Substrates und die Elektronik auf der anderen Seite aufgebracht.

Beispiel 2: Umweltsensor für verschiedene Messgrößen

Wenn es nicht nur um die Auswertung kapazitiver Sensorelemente geht, sondern gleichzeitig auch resistive Sensoren ausgewertet werden sollen, steht mit dem PCAP01 eine Single-Chip-Lösung zur Verfügung.

Es können neben sechs kapazitiven Sensoren (single ended) oder drei differenziellen Sensoren auch bis zu zwei resistive Sensoren (plus einer Referenz) angeschlossen werden. Die Signalverarbeitung und Auswertung erfolgt mit dem im PCAP01 ebenfalls integrierten DSP.

In Rahmen der Studie „Point4Micro“ (Studie gefördert durch Baden-Württemberg Ministerium für Finanzen und Wirtschaft) wurde von Hahn-Schickard ein Multisensor für einige der möglichen Messgrößen abgebildet.

Den fertigen Demonstrator des Umweltsensors zeigt Bild 7. Um den Sensor für verschiedene Anwendungen einfach anpassen zu können, wird eine Standard-Leiterplatte verwendet. Sie lässt sich dann mit verschiedenen Sensoren individuell bestücken. Hierbei kommen kommerziell verfügbare Sensorelemente und Eigenentwicklungen zum Einsatz.

Der Umgebungsdruck wird durch einen Sensor (wie im Beispiel 1) erfasst. Die Messung gegen einen hermetisch abgeschlossenen Referenzdruck (Referenzvakuum) zur Messung des Absolutdrucks ist Inhalt der weiteren Entwicklung.

Die Temperaturmessung erfolgt bei einfachen Anwendungen mit dem in der Elektronik integrierten Aluminiumwiderstand, bei höheren Anforderungen an Auflösung und Genauigkeit mit einem externen PT1000-Element. Für die Messung der relativen Feuchte kommt ein kapazitiver SMD-Feuchtesensor zum Einsatz. Aus diesen Messgrößen ist z.B. der Taupunkt über die Magnus-Näherungsformel bestimmbar.

Neben der Kalibration des Temperatur- und des Feuchtesensors kann diese Berechnung direkt im DSP der Elektronik erfolgen. Zur Messung der Beleuchtung wird ein Fotowiderstand verwendet.

Fazit: Das Prinzip der hochgenauen Zeitmessung zur Auswertung kapazitiver und resistiver Sensoren bietet dem Entwickler höchste Flexibilität und ermöglicht (neben der kapazitiven Druckmessung) den Einsatz in einer großen Anzahl unterschiedlichster Anwendungen, beispielsweise mit Feuchte- und Temperatur-Sensoren, Beschleunigungssensoren, Neigungssensoren, Freefall-Sensoren, Positionssensoren, Touch-Sensoren, Füllstandssensoren und MEMS-Sensoren.

Diese leistungsstarke Technologie kombiniert höchste Performance und Genauigkeit mit der Möglichkeit des Einsatzes in Ultra-Low-Power-Anwendungen. Unterstützung bei der Implementierung in konkrete Messaufgaben gibt es durch Applikationsspezialisten bei Hahn-Schickard und IS-LINE.

Ein IS-LINE-Anwendungstag zum Thema TDCs findet in Zusammenarbeit mit acam-messelectronic und Hahn-Schickard am 1. März 2016 in Düsseldorf statt. Entsprechende Info-Links finden Sie im Online-Artikel 43796584 auf elektronikpraxis.de.

* Dipl.-Phys. Norbert Breyer ist seit der Übernahme durch die ams AG Senior Marketing Manager für die Produkte von acam-messelectronic in Stutensee.

* Dipl.-Ing. Adrian Schwenck ist stellvertretender Gruppenleiter für Sensoren + Aktoren bei Hahn-Schickard in Stuttgart.

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