MEMS-Sensoren Gase, Luftqualität und Feuchtigkeit überwachen

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MEMS-Sensoren für Gase, flüchtige organische Verbindungen (VOC) und Feuchtigkeit haben in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht und werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Zwei MEMS-Sensormodule für verschiedene physikalische Größen.

Seit jeher besteht eine große Nachfrage nach elektronischen Sensoren, die verschiedene physikalische Parameter wie Licht, Druck, Schall und die Temperatur, der am häufigsten gemessenen Parameter, erfassen können. Die gute Nachricht ist, dass bei der Entwicklung leistungsfähiger, kostengünstiger und benutzerfreundlicher Sensoren für viele dieser Messungen große Fortschritte erzielt wurden. Hier ist in erster Linie die MEMS-Technologie (Mikroelektromechanische Systeme) zu nennen.

So ist beispielsweise die Messung von Position und Bewegung – zwei eng miteinander verbundene physikalische Eigenschaften, die traditionell zu den schwierigsten Messungen gehören –, dank der breiten Verfügbarkeit von winzigen Beschleunigungsmessern und Gyroskopen auf Siliziumbasis, die in großem Umfang für die Navigation von Drohnen und für die Sicherheit von Fahrzeugen eingesetzt werden, nahezu trivial geworden.

Sensoren für Gase, flüchtige organische Verbindungen (VOC) und Feuchtigkeit

In einem Gebiet der Sensorik gab es jedoch lange Zeit keine leistungsfähigen, kostengünstigen und energiesparenden Sensoren: bei der Detektion von Dämpfen und Gasen (Gerüchen). Von einer sensiblen, universellen Geruchssensorik, vergleichbar mit den Fähigkeiten einer Hundenase oder gar einer menschlichen Nase, sind wir noch weit entfernt.

Die Entwicklung von Sensoren für Gase, flüchtige organische Verbindungen (VOC) und sogar Feuchtigkeit war eine besondere Herausforderung. Die Anwendung, Kalibrierung und Integration dieser Sensoren war schwieriger als bei Temperatursensoren. Darüber hinaus haben die verschiedenen Gassensoren oft ein unterschiedliches analoges Ausgangsformat, das unter anderem die Skalierung, das Verhältnis von Spannung zu Strom und das Timing betrifft (Bild 1).

Das Problem wird noch verschärft, wenn mehrere verschiedene Variablen an einem Ort gemessen werden sollen. Um die Vielzahl der verfügbaren Sensoren einfach und erfolgreich miteinander zu verbinden, muss die Auswahl der Sensoren eingeschränkt werden. Auch müssen Schaltungen angepasst oder hinzugefügt werden, damit ein einziges Ausgabeformat bereit steht oder müssen mehrere Ausgabeformate miteinander verbunden werden.

Erhebliche Fortschritte gab es in den letzten zehn Jahren: MEMS und damit verbundene Halbleiter sind leistungsstärker geworden und es sind Sensoren mit niedrigem Stromverbrauch und geringen Kosten für bestimmte Gase verfügbar. Im Gegensatz zu den Gassensoren begannen diese Fortschritte jedoch mit anwendungsspezifischen Aufprall- und Drucksensoren für die Auslösung von Airbags. Diese Forschung, Entwicklung und Kommerzialisierung hat den Weg für Fortschritte bei MEMS-Sensoren für Druck, flüchtige organische Verbindungen und Kohlendioxid (CO₂) geebnet. Das Ergebnis ist eine breite Verfügbarkeit von mikrochipbasierten Geräten für die einfache Messung von Gasen und Flüssigkeiten sowie für die Kalibrierung, zusätzliche integrierte Funktionen und weitere eingebettete Funktionen.

Kombinierte Sensordaten in einem Gerät

Mit der Weiterentwicklung der Sensoren in Bezug auf Gesamtleistung, Netzwerkfähigkeit, Kosten und Energieverbrauch ist auch ein Trend zur Erfassung mehrerer Parameter an jedem Standort zu beobachten. Dies stellt eine Abkehr von früheren Architekturen dar, bei denen nur die Temperatur und möglicherweise die Feuchtigkeit an einem Ort erfasst und gemessen wurde, während beispielsweise VOC und CO₂ an einem anderen Ort erfasst wurden. Mit neueren Sensoren ist es möglich und sogar sinnvoll, an jedem Standort einen kompletten Satz von Sensoren mit einer Einwegverbindung sowohl drahtgebunden oder drahtlos zu integrieren.

Dies kommt verschiedenen Anwendungen zugute, die Sensordaten für mehrere Parameter benötigen. Dazu gehören Beleuchtungssteuerung, Gebäudeautomatisierung, Sicherheit, Bewegungs- und Präsenzmeldung, vernetzte Häuser, die Luftqualität überwachen sowie das Energiemanagement. Die Kombination aller benötigten Sensoren in einem einzigen Gerät bietet Systementwicklern, ihren Projekten und den Endnutzern den Vorteil einer kürzeren Markteinführungszeit mit weniger komplizierte Designs und Installationskosten. Entwickler müssen sich nicht mehr mit einzelnen Sensoren und Schnittstellen befassen. So lassen sich multifunktionale Umweltsensorknoten kostengünstig und einfach in industriellen, kommerziellen, institutionellen und privaten Umgebungen installieren.

Mehrere physikalische Größen erfassen

Um die neuen Möglichkeiten der Multisensorik zu nutzen, haben die Hersteller kleine Leiterplatten und Module entwickelt, die eine Reihe häufig benötigter Sensorfunktionen als komplette, hochintegrierte, kalibrierte und benutzerfreundliche Lösungen für diese Anwendungen bieten. Bei zwei Produkten wurde bereits die integrierte Erfassung mehrerer physikalischer Größen integriert, einschließlich gasbasierter Größen.

Ein Modul ist von TE Connectivity und es eignet sich für die feste Installationen in Gebäuden. Es ist auf einer PC-Platine mit einer Größe von 16 mm x 30 mm untergebracht (Bild 2).Das AmbiMate-Sensormodul der MS4-Serie von TE Connectivity erfasst bekannte Umgebungs- und Anwesenheitsparameter wie Bewegung über einen Passiv-Infrarot-Detektor (PIR), Licht, Temperatur und Feuchtigkeit. Darüber hinaus bietet es optionale mikrofonbasierte Geräuscherkennung, VOC-Erkennung für Umgebungsluftqualität und gefährliche Bedingungen sowie CO₂-Erkennung (Bild 3).

Das AmbiMate-Sensormodul wird mit einer gewöhnlichen Gleichstromversorgung von 3,3 V (Nennwert mindestens 3,1 V) betrieben, benötigt 10 mA (oder 33 mA mit der VOC/CO₂-Erfassungsoption) und verfügt über eine geringe Verlustleistung, hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer aus. Die Genauigkeit des Temperatursensors beträgt ±0,3 °C im Temperaturbereich von 5 bis 50 °C, die Genauigkeit des Feuchtesensors beträgt 2 Prozent von 5 bis 95 Prozent relativer Feuchte (RH). Sowohl der Temperatur- als auch der Feuchtigkeitssensor haben eine Aktualisierungsrate von 1 s.

Gase innerhalb von 60 Sekunden messen

Die Gasmessfunktionen des Moduls können VOC-Messwerte mit Konzentrationen von 0 bis 1.187 Teilen pro Milliarde (ppb) und CO₂-Messwerte von 400 bis 8.192 Teilen pro Million (ppm) verarbeiten. Beide Gasmesswerte haben eine Messzeit von 60 s.

Das Modul kann jederzeit über seine I²C-Schnittstelle mit einer Übertragungsrate von 100 kBaud abgefragt werden und verfügt über einen interruptgesteuerten Event-Pin, der Bewegungen und Geräuschen mit einer Reaktionszeit von weniger als 0,5 s erkennen kann. Der Audio-Alarm-Ausgang hat eine Empfindlichkeit zwischen -25 und -19 dBV über einen Frequenzbereich von 100 Hz bis 10 kHz.

Umgebungssensor für mobile Anwendungen

Im Gegensatz zum AmbiMate-Modul integriert der Umgebungssensor BME680 von Bosch Sensortec hochgenaue und hochlineare Gas-, Druck-, Feuchte- und Temperatursensoren in einem Gehäuse, das speziell für mobile Anwendungen und tragbare Geräte entwickelt wurde. Das LGA-Gehäuse (Land Grid Array) mit Metalldeckel hat eine Grundfläche von 3 mm x 3 mm und einer Höhe von 0,95 mm (Bild 4). Um den Anschluss an verschiedene Prozessorkonfigurationen zu ermöglichen, unterstützt es ein I²C- und zwei SPI-I/O-Formate (Bild 5).

Der BME680 misst VOCs in Farben, Lacken, Abbeizmitteln, Bürogeräten, Klebstoffen und Alkohol. Der Sensor verfügt über eine integrierte Kalibrierung und misst neben Ethanol auch VOCs und wichtige Verbindungen in der menschlichen Atemluft. Das ausführliche Datenblatt des BME680 enthält eine Tabelle mit den Toleranzen und der Genauigkeit bei der Messung der gängigsten VOCs (Quelle: Bosch):

Die Gassensorfunktion des BME680 zeigt den hohen Integrationsgrad. Sie funktioniert in zwei Schritten:

• 1. Eine integrierte Gassensor-Heizplatte wird auf eine Zieltemperatur erwärmt, die typischerweise zwischen 200 und 400 °C liegt, und für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten.

• 2. Der Widerstand der gasempfindlichen Schicht des Sensors wird gemessen und dieser Widerstandswert in einen entsprechenden Wert der VOC-Konzentration umgerechnet.

Der Sensor wurde mit dem Ziel entwickelt, den Stromverbrauch zu minimieren – ein kritischer Parameter für mobile und tragbare Anwendungen. Deshalb arbeitet der Sensor mit einer Versorgungsspannung von 1,71 bis 3,6 V. Der Stromverbrauch liegt für jeden Sensor im einstelligen Mikroampere-Bereich (Aktualisierungsrate 1 Hz), mit einem Anstieg auf etwa 12 mA im aktiven Gassensormodus; der Ruhestrom liegt unter 0,1 mA im Ultra-Low-Power-Modus und bei 0,15 μA im Sleep-Modus.

* Bill Schweber hat einen MSEE-Abschluss (Master of Science in Electrical Engineering) der University of Massachusetts und einen BSEE-Abschluss (Bachelor of Science, Electrical Engineering) der Columbia University, ist Registered Professional Engineer und verfügt über eine Advanced Class-Amateurfunklizenz. Darüber hinaus plant, verfasst und präsentiert er Online-Kurse zu Themen wie MOSFET-Grundlagen, ADC-Auswahl und Ansteuern von LEDs.

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