TDK Sensor zeigt, wie kapazitiv MEMS und Low

Von allen Designaspekten für IoT-Geräte steht der Stromverbrauch an erster Stelle. Optimierungen des Stromverbrauchs können aus verschiedenen Quellen stammen – den integrierten Verarbeitungseinheiten, HF-Modulen oder Sensoren. Die TDK Corporation geht mit ihrer neuesten Version speziell das Problem des Stromverbrauchs von Sensoren an: einen Drucksensor mit geringem Stromverbrauch, der auf einer proprietären kapazitiven MEMS-Technologie basiert.

In diesem Artikel werden wir das neue Produkt von TDK erkunden und sowohl die kapazitive als auch die resistive MEMS-Drucksensortechnologie besprechen.

Der erste kommerziell erhältliche MEM-Drucksensortyp war ein ohmscher oder piezoresistiver MEMS-Sensor.

Diese Art von Drucksensor nutzt dehnungsabhängige Widerstände in einer Spannungsteilerkonfiguration, um Druckänderungen zu messen. Der Widerstandswert dieser Widerstände variiert je nach dem Druck, unter dem sie stehen. Die Belastung, der sie ausgesetzt sind, verlängert das Bauteil und verändert seinen Widerstandswert.

Diese Widerstände werden dann spannungsteilerartig angeordnet und mit einer Erregerspannung geprüft. Die gemessene Ausgangsspannung variiert direkt mit den Widerstandswerten, sodass der ausgeübte Druck elektronisch gemessen werden kann.

Kapazitive MEMS-Drucksensoren nutzen die Eigenschaften von Parallelplattenkondensatoren zur Messung des Atmosphärendrucks. Diese Sensoren basieren auf der Tatsache, dass die Kapazität eines Parallelplattenkondensators eine Funktion des Abstands zwischen den Platten ist.

Um diese Funktion zu nutzen, besteht diese Art von Drucksensor aus einer leitenden Schicht, die auf einer Membran aufgebracht ist, wodurch ein Kondensator zwischen der leitenden Schicht und einer anderen Elektrode entsteht. Der atmosphärische Druck führt zu einer Verformung der Membran, wodurch der Abstand zwischen den parallelen Platten verringert und die Kapazität erhöht wird (und umgekehrt).

Obwohl die Kapazitätsänderung in der Größenordnung von Picofarad liegen kann, ist sie dennoch mit mehreren Techniken messbar. Eine Möglichkeit, diese Kapazitätsänderung zu messen, ist ein abgestimmter RC-Schaltkreis, bei dem die variable Kapazität durch den Frequenzgang des Schaltkreises erkennbar ist. Eine andere Methode kann die Zeit messen, die der Kondensator benötigt, um direkt von einer bekannten Stromquelle aufzuladen.

Im Allgemeinen ist die kapazitive MEMS-Lösung tendenziell eine Lösung mit viel geringerem Stromverbrauch als piezoresistive Lösungen. Vor diesem Hintergrund hat TDK seinen neuesten Drucksensor für IoT auf den Markt gebracht, der auf derselben Technologie basiert.

Laut Datenblatt ist der Sensor mit der Bezeichnung ICP-10125 für einen VDD-Bereich von -0,3 V–2,16 V ausgelegt und zieht im extrem rauscharmen Modus einen maximalen Strom von 10,4 μA. Dies führt im ungünstigsten Fall zu einem Stromverbrauch von ca. 25 μW, was es für IoT mit geringem Stromverbrauch geeignet macht.

Neben dem geringen Stromverbrauch bietet der neue Sensor weitere Merkmale, darunter eine Wasserdichtigkeit bis 10 ATM, einen Temperaturkoeffizienten von ±0,5 Pa/°C und einen Druckgeräuschpegel von 0,4 Pa, der laut TDK der niedrigste auf dem Markt ist.

Bei IoT-Geräten ist der geringe Stromverbrauch wohl das wichtigste Designproblem für Elektroingenieure, und neue Sensoren mit geringem Stromverbrauch wie der ICP-10125 von TDK könnten ein Schritt in die richtige Richtung sein. Mit seinen wasserdichten Eigenschaften wird der Sensor von TDK für die Märkte Fitness, Smartwatch und tragbare Geräte vermarktet.