Ultimative Miniaturisierung: SOIC-Drucksensoren

Amsys stellt neuartige digitale OEM-Drucksensoren vor, die als Beispiele für die konsequenteste Miniaturisierung von differentiellen Niederdrucksensoren angesehen werden können. 

Sie sind das Ergebnis von modernster Mikroelektronik (ASIC) verbunden mit einem neuen Verfahren zur Herstellung von flächenoptimierten Niederdruckmesszellen im Bereich von wenigen Millibar.

Der Begriff SOIC-Sensoren ist noch nicht in der Nomenklatur der Drucksensoren zu finden. Es handelt sich um die Bezeichnung einer neuen Klasse von OEM-Sensoren: Small-OutlineIC-Sensoren, die in Standard-SOIC-Gehäuse untergebracht werden konnten.

SOIC-Sensoren sind miniaturisierte Sensoren, die nur aus zwei Halbleiterbausteinen, einem MEMS (mikroelektromechanischem Sensor) und einem ASIC (anwendungsspezifisches IC) bestehen und die für die Oberflächenmontage entwickelt wurden.

Bei dem ASIC handelt es sich um ein komplexes CMOS-IC, das im Wesentlichen aus einem programmierbaren Instrumentenverstärker, einem 16 bit ADC, einem EEPROM, dem Prozessor und einer digitalen Ausgangsstufe besteht. 

Der integrierte Multiplexer erlaubt die Messung von Druck und Temperatur und ist dem ADC vorgeschaltet. Die Ausgangsstufe stellt sowohl den gemessenen Druckwert als auch den Temperaturwert im I²C-Format bereit.

Im ASIC wird während der Herstellung der elektronischen Abgleich des Sensors (Kalibration, Kompensation und Linearisierung) durchgeführt. Dazu werden im internen EEPROM Korrekturkoeffizienten abgelegt, die durch einen gespeicherten Algorithmus mit den jeweiligen Messwerten verrechnet werden, so dass nach jedem Zyklus (0,5 msec) der aktualisierte Messwert am Ausgang im I²C Format bereitsteht. 

Die Niederdruck-Siliziummesszelle wurde neu entwickelt und in ihren Abmessungen dank eines Trockenätzprozesses stark verkleinert, so dass die Miniaturisierung überhaupt ermöglicht wurde.

Die Messzelle und das ASIC sind in einem 16 Pin SOIC Standard Gehäuse montiert, dass in seinen Abmessungen der bekannten JEDEC-Norm MS-O12 (300 mil) entspricht. Das Gehäuse besteht aus Thermoplast (PPS) und ist damit weitgehend gegen Chemikalien resistent. Die OEM-Sensoren sind für die automatisierte SMD-Montage (siehe JEDEC J-STD.-020D.1) geeignet. Die zwei vertikalen oder seitlichen Druckanschlüsse ermöglichen die Verbindung mittels Silikonschläuchen mit 2,2 – 2,5 mm Innendurchmesser.

Mit dem standardisierten SOIC-Gehäuse können die Sensoren wie ein IC im Leiterplattenentwurf eingeplant und im Reflow-Verfahren auf PCB verlötet werden.

Die SOIC-Sensoren werden für die Relativdruck- und Differenzdruckmessung sowie auch als bidirektionale Version angeboten. Mit dem letztgenannten Typ können sowohl Unter- wie Überdruck gemessen werden. Dabei decken verschiedene Varianten die Druckbereiche von 0,075 psi bis 15 psi ab. (SM1X21 bis SM7X21 sowie SM9543). 

Die Versorgungsspannung beträgt 3,3 V oder 5 V, die Stromaufnahme 2 mA und der Arbeitstemperaturbereich ist von -20° bis 85°C spezifiziert.

Die miniaturisierten SOIC-Sensoren haben ein Auflösungsvermögen von 16 bit und zeichnen sich durch einen bemerkenswert kleinen Gesamtfehler* von ± 1,0 %FS (SM9543: ± 1,5 %FS ) im Temperaturbereich von -5 bis 65°C aus. Dieser geringe Wert für einen Sensor im Kunststoffgehäuse imponiert und wird von den wenigsten OEM-Sensoren, selbst in größerer Bauform nicht erreicht.  Die Kommunikation mit dem Sensor erfolgt über eine Standard I²C-Schnittstelle und ist somit für den Einbau in elektrische Systeme bestens geeignet. Um die Funktion des Sensors zu kontrollieren, sind die Sensoren mit einer Statusdiagnose und mit einer Fehlermeldung ausgestattet. Außerdem bieten einige Varianten einen zusätzlichen analogen Ausgang.

Mit den SOIC-Sensoren wird eine neue Generation von OEM-Drucksensoren angeboten, die in SOIC-16 (w)-Gehäusen montiert werden konnten. Damit stehen sie an der Grenze der Möglichkeiten der heutigen Aufbau- und Verbindungstechnik. Nicht zuletzt aus Gründen des Handlings (Schlauchmontage) und der Druckführung im Gehäuse wird man eine weitergehende Miniaturisierung in Frage stellen müssen. 

Moderne MEMS-Technologie und der Fortschritt in der Mikroelektronik ermöglichten hervorragende Werte in Auflösung, Genauigkeit und Stabilität auf kleinstem Raum. Die kompakten Abmessungen und die höhere Leistungsfähigkeit sind Beispiele einer konsequenten Strategie = ultimative Miniaturisierung.

*Gesamtfehler schließt die Kalibrationsfehler, die Temperaturfehler und alle stochastischen Fehler (Hysterese, Nichtlinearität und Reproduzierbarkeit) mit ein.