Jste zde

Jednochipové integrované multisenzory

Antonín Vojáček, 27. Červen 2007 - 21:27

Již nějakou dobu lze na trhu senzorů najít různé kombinované senzory (multisenzory), kde na jediném chipu je umístěno více senzorů než jeden. Například lze poukázat na senzory teploty & relativní vlhkosti, kde se společnou integrací dosahuje velmi přesného měření. I zde však existují různé možnosti řešení struktury a provedení. Více v následujícím článku...

Budoucností senzoriky se zdá být integrace stále většího počtu snímačů různých veličin do jednoho celku, jednoho pouzdra nebo lépe na jeden chip. Místo toho, aby se pro snímání příbuzných veličin, jako je například teplota/tlak/vlhkost, složení/tlak, teplota/zrychlení apod., používali různé separátní senzory, které je nutné složitě připojovat a vyhodnocovat různými obvody či více vstupové MCU, je výhodnější integrovat všechny tyto snímače společně do jednoho pouzdra. Ty je možné označit výrazem multisenzory. Záleží však z jakého pohledu se na tu integraci díváme:

Již dlouho existují "velké multisenzory", které v jedné "krabičce" obsahují více snímačů, obvykle napojené na jednu společnou desku plošných spojů (DPS), kde je realizováno zpracování a přizpůsobení jejich signálů. Ten je poté digitálně vysílán například pomocí některé průmyslové komunikace nadřazeného systému.

Dalším krokem byla a je integrace více snímačů do jedné součástky. Tento princip je využívá od 90. let a vyznačuje se na první pohled kompaktní provedení, kdy je více snímačů neviditelně schováno v jednom malém pouzdru, ale kdybychom mohli nahlédnout do vnitř, zjistili by jsme, že jde prakticky o jednotlivé oddělené snímače na různých chipech připojené na chip realizující vyhodnocení signálů a výstupní rozhraní. Dá se to přirovnat k miniaturizované 1. variantě.

Třetí a nejjednodušší verze, která se začala masově uplatňovat až v posledních letech, je umístění všech prvků (různých snímačů, vyhodnocovací elektroniky i kom. rozhraní) na jednom chipu.

Zatímco rozdíl mezi prvními a dvěma skupinami je na první pohled markantní, rozdíl mezi druhou a třetí skupinou je často patrný až při pohledu do datových listů, případně při otestování, naměření závislostí a provozu v náročných podmínkách. Obecně však platí, že zatímco vícechipové senzory jsou často malinko větší (větší typ pouzdra), plně na jednom chipu integrované senzory jsou velmi malinké a dnes zpravidla v SMD pouzdru.

Typickou ukázkou vývoje jednochipových multisenzorů mohou být následující senzory teploty/vlhkosti:

senzor HMC01 firmy E+E Elektronik GmbH
senzory SHT1x/SHT7x firmy Sensirion

Monolitický senzor teploty & vlhosti HMC01

V nabídce firmy E+E Elektronik GmbH lze pod označením "HMC01" najít kompletně na jednom skleněném substrátu integrovaný senzor teploty a vlhkosti. Prakticky zde jde o vrstvenou strukturu tvořenou skleněnou podložkou, na které je nejdříve integrován odporový snímač teploty, na němž je pak umístěn přesný kapacitní snímač relativní vlhkosti.

Výhoda takové kombinace a struktury není jen v malé velikosti, ale i ve velmi přesném měření a multifunkčnosti. Prakticky přímý kontakt obou snímačů zamezuje vzniku chyb způsobené u jiných senzorů vzájemnou tepelnou izolací , kdy na teplotně citlivém prvku naměříme jinou teplotu, než která je přímo na prvku citlivém na vlhkost. Znalost teploty přímo v místě vlhkoměru se navíc dá využít pro měření a výpočet rosného bodu (dew point temperature).

Multisenzor HMC01 je monolitický senzor teploty a relativní vlhkosti

Zde konkrétně přítomnost odporového teploměru pod vlhkoměrem může být využita pro měření v prostředích se stálou vysokou relativní vlhkostí, kde hrozí velké riziko kondenzace par a tak vysokému driftu hodnoty vlhkosti. Využitím odporového teplotního snímače jako malinkého topného elementu může být relativní vlhkost v blízkosti senzoru redukována a držena například na hodnotě okolo 76 % RH. Takto lze dosáhnout přesného měření a detekce i za nepříznivých průmyslových podmínek.

Schématická struktura monolitického senzoru HMC01

Firma E+E Elektronik také hned využívá tento multisenzor využívá ve svých přesných měřících přístrojích řady E32 a E33 označené jako "Humidity/Dew Point/Temperature Transmitters" pro měření a použití v chemických aplikacích a průmyslu.

Vlastnosti přístroje E33 využívající senzor HMC01:

snímač relativní vlhkosti:
- princip: kapacitní
- měřící rozsah: 0 ... 100% RH
- přesnost: +/- 1.3 % (při vlhkosti do 90%), +/- 2.3 % (při vlhkosti nad 90%)
- odezva do 15 s
- výstup: analogový - změna kapacity
snímač teploty:
- princip: odporový
- měřící rozsah: -40°C až 180°C
- přesnost: 0.2°C při 20°C, 0.6°C při 180°C, 0.3°C při -40°C
- výstup: analogový - změna odporu
výstup přístroje E33:
- napěťový: 0 až 1/5/10 V
- proudový: 0/4 až 20 mA
napájení přístroje E33: 8 - 35 V DC

Povolený měřící rozsah relativní vlhkosti (šedivá plocha) v závislosti na teplotě - mimo tuto plochu není garantována uvedená přesnost

Jednochipový senzory teploty & vlhkosti SHT1x/SHT7x

Dalším a v budoucnu asi typičtějším představitelem jednochipových multisenzorů je řada teploměrů/vlhkoměrů SHT1x a SHT7x firmy Sensirion. Jde o kompletní jednochipové multisenzory s kompletní vyhodnocovací elektronikou zahrnující A/D převodník, kalibrační obvody i a digitálním dvouvodičovým sériovým komunikačním rozhraním apod. Vše je vytvořeno pomocí aplikování průmyslových CMOS výrobních procesů s patentovaným mikroobráběním. Tato technologie je označená jako CMOSens technology. Tím se zajišťuje vysoká spolehlivost a dlouhodobá stabilita senzoru.

Relativní vlhkost je měřena polymerovým kapacitním snímačem, zatímco teplotní snímač je tvořen osvědčeným polovodičovým PN přechod v zapojení typu bandgap. Proti výše uvedenému senzoru HMC01 zde však nejsou umístěny nad sebou, ale vedle sebe a přece jenom jsou tepelně vzájemně odizolovány substrátem chipu, byť úzkým. Nelze tedy zde vytvářet tak přesnou kompenzaci snímače vlhkosti a tím dochází i ke zhoršení jeho přesnosti. Oba on-chip snímací elementy analogovými výstupy jsou připojeny na 14bitový A/D převodník a následně na vyhodnocovací logiku provádějící kompenzaci, úpravu signálu a je přenos přes 2vodičovou sériovou sběrnici (SCK, DATA) podobnou s I2C.

Blokové vnitřní uspořádání multisenzorů řady SHTxx - vše je umístěno na jednom chipu

Díky minimální délce propojovacích cest mezi snímači a vyhodnocovacími obvody se nejen dosahuje velké miniaturizace, ale i velké odolnosti proti okolnímu možnému elmag. rušení, nízké spotřebě a hlavně rychlé reakci (krátké reakční době). Každý distribuovaný senzor SHTxx je individuálně kalibrován. Kalibrační koeficienty, podle kterých elektronika právádí kompenzace, jsou zaprogramovány v OTM ROM paměti a nelze je tedy nijak ztratit. Protože veškerá komunikace, přenos dat i nastavení probíhá sériovou komunikací, vystačí senzor jen se 4 vývody (SCK, DATA, VDD, GND) a zároveň tedy nejsou potřeba žádné externí součástky. Senzory SHT11/SHT15 a SHT71/SHT75 se tedy hodí k připojení k CPU nebo CPU.

Možnost připojení snímače Sensirion řady SHT1x k mikropočítači

Vlastnosti senzorů SHT1x/SHT7x:

snímač relativní vlhkosti:
- princip: kapacitní
- měřící rozsah: 0 ... 100% RH
- přesnost: 2 až 4 % (SHT15/SHT75), 3.5 až 5 % (SHT11/SHT71)
- rozlišení: 0.03 % RH při 12bitovém rozlišení
- dlouhodobá stabilita: menší než 1 % RH za rok
- nelinearita: menší než 1 % RH
- odezva: 4 s
snímač teploty:
- princip: bandgap
- měřící rozsah: -40 °C až 124 °C
- přesnost: 0.4°C až 1.5°C (SHT15/SHT75), 0.5°C až 2.1°C (SHT11/SHT71)
- rozlišení: 0.01 °C
- odezva: 5 až 30 s
výstup: 2vodič. sériová linka
napájení: 2.4 až 5.5 V DC

Závěr

Na výše uvedených ukázkách integrovaných multisenzorů je vidět, jakým směrem se v budoucnu bude ubírat vývoj v oblasti senzoriky. Již dnes je cílem mnoha výrobců vyvinout tzv. víceúčelový inteligentní senzor, který by byl schopen měřit mnoho veličin při zachování miniaturních rozměrů a snadného použití.

Pro bližší informace senzorech uvedených v článku odkazuji na stránky výrobců uvedených níže.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz