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Robuster, kompakter und präziser barometrischer Luftdrucksensor: Ideal für Wearables und den Einsatz in rauen Umgebungen

Smartwatches und Wearables werden oft in rauen Umgebungen eingesetzt, ihre Funktionen wie Motion- und Activity-Tracking erfordern höchste Präzision, schnelles Auslesen und eine geringe Leistungsaufnahme. Um Höhenunterschiede, Vertikalgeschwindigkeiten und Bewegungen präzise zu erkennen, arbeiten sie mit Luftdrucksensoren. Der neue DPS368 eignet sich ideal für diese Anwendungsfälle, da er im Vergleich zu anderen wasserdichten Drucksensoren bis zu 80 % Platz einspart, eine Genauigkeit von ± 2 cm bietet und gegenüber piezoresistiven Verfahren bis zu 50 % weniger Energie benötigt.

Der Digitalsensor, der den atmosphärischen Luftdruck misst, ist widerstandsfähig gegen Wasser, Feuchtigkeit und Staub, da die Kontaktstellen und Membranen durch ein Gel geschützt sind (Abb. 1). Er ist IPx8-zertifiziert und hält einer Wassertiefe von 50 m eine Stunde lang stand. Der DPS368 basiert grundsätzlich auf dem bewährten DPS310, verfügt aber über ein sehr robustes und wasserdichtes Gehäuse (Abb. 2).

Typische Anwendungen sind Smartwatches, Wearables und Smartphones (z. B. Fitness-Tracking, Schrittzählung, Navigation, Höhenmessung, etc.). Ein weiterer anspruchsvoller Anwendungsbereich ist die Überwachung von Luftströmen in Staubsaugern, Klimaanlagen und Dunstabzugshauben. Dort könnnen Drucksensoren Fehlfunktionen oder Leistungsabfälle erkennen, und arbeiten meist in staubigen oder feuchten Umgebungen. Außerdem kann der DPS368 bei der Wasserstandsmessung in Waschmaschinen, in Einbruchmeldeanlagen oder Drohnen (z. B. Flugstabilität, Höhenregelung) zum Einsatz kommen. Therapeutische Anwendungsfälle sind unter anderem intelligente Inhalationsgeräte, Atemmasken, Sturzerkennung oder die nichtinvasive Blutdruckmessung.

Generell ist der Luftdrucksensor besonders interessant für alle batteriebetriebenen Geräte in Anwendungsbereichen, in denen sehr kleine Druckänderungen gemessen werden müssen - insbesondere in rauen Umgebungen. Er integriert sowohl die Luftdruck- als auch die Temperaturmessung (Abb. 3) in einem extrem kompakten 8-poligen LGA-Gehäuse, das lediglich 2,0 mm × 2,5 mm × 1,1 mm misst. Darüber hinaus hat er einen FIFO-Speicher für bis zu 32 Messungen integriert. Dadurch lässt sich auf Systemebene zusätzlich Energie einsparen, indem man dem Host-Prozessor erlaubt, zwischen den Lesevorgängen über längere Zeiträume im Ruhemodus zu bleiben. Die durchschnittliche Stromaufnahme bei der Druckmessung beträgt 1,7 µA (bei 1 Hz Messfrequenz).

Der Sensor verfügt über eine Genauigkeit von bis zu ± 0,002 hPa (entsprechend ± 2 cm), kann Luftdrücke zwischen 300 hPa und 1200 hPa bei Temperaturen von −40 bis 85 °C messen und weist eine Druck-Temperatur-Empfindlichkeit von weniger als 0,5 Pa/°C auf. Die Temperaturgenauigkeit ist mit ± 0,5 °C spezifiziert. Der Sensor ist in der Lage, einzelne Stufen, Körperbewegungen oder Gesten zu erkennen. Die hohe Messfrequenz (bis zu 200 Hz) und das schnelle Auslesen ermöglichen rasche Rückmeldungen des Sensors.

Jedes einzelne Bauteil wird während der Produktion individuell kalibriert, wobei die Kalibrierkoeffizienten in einem OTP-Speicher (einmalig programmierbar) gespeichert werden. Rohdaten können über eine I2C- oder SPI-Schnittstelle übertragen werden, die kompensierten Druckwerte werden im Host berechnet.

Kapazitives Verfahren

Dank seiner kapazitiven Technik (AC-Biasing) benötigt der Sensor im Betrieb mit maximaler Messfrequenz 50 % weniger Energie als Konkurrenzprodukte basierend auf piezoresistiver Technologie, was die Lebensdauer der Batterie signifikant erhöht. Bei diesem Messverfahren erfasst ein Dehnungssensor die Verformung einer Membran in Abhängigkeit von Druckänderungen. Allerdings sind piezoresistive Messfühler sehr anfällig für Abweichungen bei Temperaturänderungen, und sie reagieren nicht linear auf Temperaturschwankungen. Daher erfordern entsprechende Sensoren eine komplexere Kalibrierung als kapazitive Messfühler. Außerdem ist die resistive Messung durch eine relativ hohe Stromaufnahme gekennzeichnet - eine besonders wichtige Überlegung, wenn die Zielanwendung ein batteriebetriebenes Gerät ist und die Betriebslebensdauer eine entscheidende Rolle spielt.

Wegen der Beschränkungen, denen piezoresistive Verfahren unterliegen, hat Infineon eine kapazitive MEMS-Technik für seine Drucksensoren entwickelt. Abb. 4 zeigt den Aufbau der Messzelle und die Konfiguration der kapazitiven Messbrücke. Der Luftdrucksensor besteht aus vier Arrays von Mess- und Referenzzellen. Die Messzellen verfügen über eine elastische Membran, die auf Druckänderungen reagiert, und ermöglichen die Messung des Luftdrucks. Dagegen haben die Referenzzellen eine starre Membran, die nicht auf Druckänderungen reagiert - sie liefern einen stabilen Referenzwert für die Messung. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass ein Differenzdruck gemessen werden kann und sowohl die Mess- als auch die Referenzzellen denselben Temperaturänderungen ausgesetzt sind, so dass sich Temperaturdrifteffekte aufheben. Die Zellengröße ist auf hohe Empfindlichkeit und mechanische Zuverlässigkeit optimiert. Da die MEMS-Zelle sehr klein ist, wirkt sich die Schwerkraft praktisch nicht auf die Messung aus. Weitere wichtige Merkmale neben der sehr guten Temperaturstabilität über weite Temperatur- und Druckbereiche sind das geringe Rauschen und die geringe Leistungsaufnahme.

Optimierte Systemauslegung

Für flexible Systemkonzepte ist der Sensor im Hinblick auf verschiedene Anwendungsfälle konfigurierbar, so dass sich das Verhältnis zwischen Auflösung und Leistungsaufnahme optimieren lässt. In verschiedenen Betriebsarten (Ultra Low Power, Low Power, Standard, High Precision) lassen sich unterschiedliche Genauigkeiten (2 bis 50 cm) und Messfrequenzen (Einzelmessung und Messung mit bis zu 200 Hz) miteinander kombinieren. So sind beispielsweise Einzelmessungen für die Genauigkeit von GPS-Höhenbestimmungen ausreichend, während die Gesten- oder Sturzerkennung mehrere Messungen pro Sekunde erfordert. Die konfigurierbaren Betriebsarten (Abb. 5) resultieren auch in einem optimierten Wirkungsgrad, da die Leistungsaufnahme direkt proportional zur Messfrequenz ist.

Infineon for Makers - Schnelles Prototyping mit Shield2Go

Infineon unterstützt das schnelle Evaluieren und Prototyping mit umfassenden IoT-Lösungen, Entwicklungsplatinen und Software. Das Sensor-Board Shield2Go kann entweder zusammen mit der Mikrocontrollerplatine XMC2Go oder mit gängigen IoT-Hardwareplattformen wie Arduino und Raspberry Pi verwendet werden, um Entwicklungen in Verbindung mit den Sensoren DPS368, DPS310 oder DPS422 schnell und einfach voranzubringen. Über GitHub (https://github.com/Infineon) ist auch eine kostenlose, sofort einsetzbare Arduino-Bibliothek erhältlich. Das erlaubt die schnelle und kostengünstige Evaluierung von Anwendungen und beschleunigt die Erstellung von Prototypen.

Außerdem ist für Entwicklungsarbeiten in Verbindung mit den barometrischen Drucksensoren der Sensor Nano Hub erhältlich. Auf dem eigenständigen Board, das nur 30 mm × 15 mm × 10 mm misst (einschließlich Batterie), befindet sich ein Drucksensor, der mithilfe der bereitgestellten Software von Infineon evaluiert werden kann. Die Übertragung der Daten an den Host erfolgt über Bluetooth.

Als Alternative zur Sensor-Evaluierungssoftware SES2G ist die Android-App "Infineon Pressure Sensor" kostenlos erhältlich. Diese App ist kompatibel mit den zugehörigen Sensor-Hubs, kommuniziert über Bluetooth und ermöglicht den Zugriff auf wichtige Sensorfunktionen, so dass sich das Betriebsverhalten des Sensors in einer Zielanwendung schneller evaluieren und testen lässt.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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