Systemarchitektur eines SSCs für kapazitive Umgebungssensoren

Bild: ZMDI

Embedded-Systeme & Mikrocontroller Weniger Referenzmessungen

21.10.2015

Nahezu jeder physikalische Sensor weist nichtlineares Verhalten und unerwünschte Abhängigkeiten von Umgebungseinflüssen auf, zum Beispiel von Temperatureinflüssen bei der Messung von Luftdruck oder -feuchte. Für eine fehlerfreie Sensormessung sind diese Einflüsse sowie nichtlineares Verhalten zu kompensieren. Hierbei besteht das Ziel, passende Sensor-Interface-ICs bereit zu stellen und gleichzeitig Korrekturmethoden zu entwickeln, die die Anzahl notwendiger aber teurer Referenzmessungen minimieren.

Sensoren sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Es ist zu erwarten, dass ihre Zahl, Art und Anwendung in den nächsten Jahren rasant steigen werden. Die Entwicklungen im Rahmen der 5G-Initiative und der Roadmap zum Internet-of-Things (IoT) werden dabei ein wesentlicher Antriebsfaktor sein, auch insbesondere energieeffiziente smarte Sensoren in großer Zahl und Vielfalt in alltäglichen Geräten, Gegenständen und sogar in Kleidung zu integrieren.

Ein diesbezüglich wichtiger Wachstumsmarkt für Sensoren sind mobile Endgeräte, Mobile Sensing sowie vernetzte Sensorknoten für IoT-Anwendungen. Durch die Miniaturisierung ist die Anzahl der Sensoren in hierbei stetig gewachsen; in einen durchschnittlichen Smartphone finden sich heute Beschleunigungssensor, Drehratensensor, Magnetfeldsensor, Umgebungslichtsensor und ein Abstandssensor. Die nächsten Generationen von Smartphones werden mit Temperatur-, Luftdruck- und Feuchtesensoren ausgestattet sein. In absehbarer Zukunft werden Thermopile-Sensoren zu kontaktlosen Temperaturmessung und Gassensoren folgen.

Bei der Entwicklung der nächsten Generation des Mobile Sensing sind die übergeordneten Zielstellungen:

  • Verringerung der Baugröße

  • Reduzierung des Energiebedarfs

  • Verringerung der Kosten des Gesamtsystems

  • Erhöhung der Genauigkeit

Häufig kommen in der mobilen UmweltSensorik (z.B. Luftdruckmessung im SmartPhone) resistive Sensorelemente mit vergleichsweise starken Umgebungstemperaturabhängigkeiten zum Einsatz. Für die nötigen Genauigkeitsanforderungen ist eine große Anzahl an Referenz-Messpunkten als Input für die Sensor-Korrektur nötig, wobei selbst diese oft nicht ausreichen, um bei starken Temperaturgradienten innerhalb des Endgerätes (z.B. durch das An-/Ausschalten von: Transceivern, GPU-hungrigen Apps, oder Ähnlichem) stabile Sensorwerte zu liefern.

In diesem Zusammenhang, wird hier das Konzept von Signal-Konditionierungs-IC (kurz: SSC) für kapazitive Sensorelemente an einem Beispiel dargelegt. Ein entsprechender SSC soll sowohl für verschiedenste Sensorelemente programmierbar sein, eine interne Recheneinheit beinhalten, welche die gewünschte Signal-Korrektur, sowie eine Reduzierung der nötigen Referenzpunkte ermöglichen. Mittels kapazitiver Sensorelemente (im Vergleich zu z.B. resistiven) sind häufig linearere und umgebungstemperaturunabhängigere Sensoren bei vergleichbarer Baugröße oder eben performanzgleiche, kleinere Sensoren herstellbar.

Abbildung 1 zeigt einen Vergleich von auf dem Markt verfügbaren Feuchtesensoren und die Zielspezifikation für ein Sensormodul mit dem vorgestellten SSC. Ziel ist, sowohl die Baugröße zu verkleinern als auch eine höhere Genauigkeit zu erreichen. Diese Eigenschaften sind im Verbund mit einem geeigneten, kapazitiven Feuchte-Sensorelement erreichbar.

SSC-Schaltkreis

Moderne Bauelemente müssen neben ihrer eigentlichen Funktion auch speziell für minimale Energieaufnahme ausgelegt sein. Zu diesem Zweck wurde eine Topologie weiterentwickelt, die bei angelegter externer Betriebsspannung dennoch einen Großteil des Smarten Sensors in einen Ruhemodus versetzen kann. Dafür sind die internen Regler: VDDa und VDDd explizit steuerbar. Das „Aufwachen“ des Schaltkreises kann an die konkrete Applikation angepasst werden. Neben einem optimierten Power-Management verbessert die getrennte Erzeugung und Führung der analogen und digitalen Betriebsspannung die Störunempfindlichkeit des Sensor-Signalpfades. Dies führt zu einer Verbesserung der Signalqualität des Smarten Sensors.
Für die Unterstützung verschiedener Messanwendungen sowie für Kalibrier- und Testzwecke bieten sich drei Betriebsarten bzw. deren Steuerung im SSC an:

  • Sleep Mode: Einzel-Messbetrieb, Befehlsgesteuert, optimal für Anwendungen mit wenigen Messungen pro Zeiteinheit, beste Energieeffizienz.

  • Cyclic Mode: Automatische, zyklische Messsequenz mit fest vorgegebenen Messabständen - in Kombination mit integriertem Interrupt-Ausgang nutzbar, um Peripheriegeräte (z.B. feuchteabhängig) direkt zu steuern oder Alarme, etc. auszulösen, bei minimaler Latenzzeit.

  • Command Mode: Keine Ruhephasen; geeignet für Kalibrierdaten-Ermittlung, Evaluierung und Test.

Kapazitive Eingangsstufe, AMP

Das Kernstück des SSCs ist die Eingangsstufe, anpassbar für verschiedene Eingangssensoren (unterschiedliche Kapazitäts-Bereichs-Werte: 0...30pF), die wiederum auch noch mit stark unterschiedlichen Offset-Kapazitäten anzunehmen sind (0 bis 400 Prozent). Programmierbarkeit ist dabei in Hinblick auf eine optimale Nutzsignalausteuerung von wesentlicher Bedeutung.

Offsetkapazitäten sind Kapazitätswerte, deren analoge und digitale Weiterverarbeitung keinerlei Informationsgewinn mit sich bringt. Solche Offsets sind nach Möglichkeit früh in der Verarbeitungskette zu eliminieren, um einerseits mehr Freiheiten für die nachfolgenden Schaltungsblöcke zu haben, und um andererseits keine Energie für die Verarbeitung „nutzloser“ Informationen zu verschwenden. Bei letzterem müssen stets der Aufwand und die Energie zur Offset-Kompensation geringer sein, als der Aufwand bzw. die Energie zu Verarbeitung des Offsets ohne Kompensation. Darüber hinaus lässt sich mittels der Offset-Kompensation z.B. innerhalb einer analogen Eingangsstufe, wie dem integrierten Kapazitäts-Spannungswandler (AMP in Abbildung 1), die Qualität des eigentlich interessanten Nutzsignals noch vor der Digitalisierung im Analog-Digital-Wandler (ADC) verbessern. Darüber hinaus sind für hochgenaue kapazitive, smarte Sensoren häufig zusätzliche präzise Referenzelemente, Cref notwendig, die i.d.R. extern, neben dem eigentlichen Sensorelement ebenfalls im Sensormodul unterzubringen sind. Letzteres erhöht den Platzbedarf und auch die Kosten eines entsprechenden Smarten Sensors. Eine direkte Siliziumintegration von Cref war bisher wegen der technologischen Prozesstoleranzen bei der Herstellung bzw. wegen entsprechend hoher IC-Flächenbedarfe und teurer Kalibrieraufwendungen nicht sinnvoll.

In der hier vorgeschlagenen Lösung wird die Referenzkapazität im SSC integriert, und mittels eines speziellen, aufwandsoptimierten Trimm-/Kalibrier-Verfahrens bereits im SSC-Schaltkreis mit einem Restfehler von unter einem Prozent eingestellt, sodass ein externes Cref unnötig wird (vergleiche Abbildung 1).
Mit der neu entwickelten Schaltung können Signale verschiedenster kapazitiver Sensorelemente verarbeitet werden. Diese Flexibilität ermöglicht eine vielseitige Verwendung der Lösung und kann gleichzeitig in Bezug auf die Zielanwendung Feuchtesensor als applikative Arbeitsbereichsreserve gesehen werden.

Temperatursensor, ADC, SSC-Rechenwerk

Die Ausgangssignale des On-Chip-Temperatursensors mit einer Genauigkeit von <±0,2 K in einem Temperaturbereich von -40 bis 125 °C werden ebenso wie die eigentlichen im AMP C-U-gewandelten Kapazitätswerte des Feuchtesensors mittels des integrierten ADCs digitalisiert. Auch hierbei lässt sich das Wechselspiel aus Signalqualität, Messrate und Energieverbrauch anwendungsspezifisch optimieren, und der ADC zwischen 12-Bit- und 18-Bit-Auflösung programmieren. Das SSC-Rechenwerk innerhalb des DSP-Blocks realisiert letztlich eine Messwert-Linearisierung und die Kompensation von Temperatureinflüssen bei der Kapazitäts- bzw. Feuchtemessung. Diese Kompensation basiert auf im nicht flüchtigen Speicher abgelegten Referenzmesswerten im Sensormodul bei z.B. bekannter Luftfeuchte und Temperatur. Die digitale Kommunikation mit dem Smarten Sensor sind via I²C möglich, welches alle I²C-Modi unterstützt und somit unter Umständen sogar auch zu I3C aufwärtskompatibel sein dürfte.

Bench-Sensor-Ergebnisse

Eine Realisierung eines Feuchtesensors unter Verwendung der SSC-Technologie für kapazitive Sensoren funktioniert in einem Bereich 1,62 bis 3,6 V. Luftfeuchte-Genauigkeiten von weniger als ±1 Prozent RH mit der beabsichtigten Auflösung von 0,0025 Prozent RH sind erzielbar. Abhängig von der programmierbaren ADC-Auflösung sind Stromaufnahmen von z.B. 1,6 µA bei 14 Bit, wobei der Ruhestrom deutlich unter
250 nA liegt.

Mit dieser neuen Generation von SSC-Schaltkreisen wird auch das Feld der kapazitiven Sensoren technisch und kommerziell konkurrenz- und zukunftsfähig auf dem Weg zum Internet-of-Things und 5G-Applikationen.

Bildergalerie

  • Feuchtesensor-Parameter im Vergleich (RH steht für relative humidity - relative Luftfeuchte)

    Bild: ZMDI

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