Ultra-kleine Feuchtesensoren für Anwendungen im Bereich Consumer Electronics
Ultra-kleine Feuchtesensoren für Anwendungen im Bereich Consumer Electronics
Autor: Vincent Hess, Product Manager Humidity Sensors
Sensoren ermöglichen heute viele neue Anwendungen, die vor wenigen Jahren noch völlig undenkbar waren. Sensoren, wie der Feuchte- und Temperatursensor SHTW2 von Sensirion, sind mikroskopisch klein, kosteneffizient, verbrauchen wenig Energie und können somit sehr einfach in zahlreiche interessante neue Anwendungen in den Bereichen Consumer Electronics und Wearables integriert werden.
Die Entwicklung der Mikroelektronik hat die moderne Gesellschaft in den vergangenen Jahrzehnten so stark beeinflusst, wie kaum eine andere Technologie. Der Fortschritt in der Elektronik hat dafür gesorgt, dass heutzutage Rechenleistung sowie drahtlose Kommunikation günstig und dadurch allgegenwärtig verfügbar sind. Sollen Informationen über Umweltbedingungen verarbeitet und kommuniziert werden, sind allerdings Sensoren notwendig, die diese Daten erfassen. Auch in diesem Bereich werden inzwischen Technologien aus der Mikroelektronik eingesetzt. Im Ergebnis werden Sensoren kleiner, leistungsfähiger, verbrauchen weniger Energie und werden zudem noch günstiger.
Miniaturisierung in der Sensorik
Ein Pionier bei der Miniaturisierung von Umwelt- und Durchflusssensoren ist die Sensirion AG, die in den vergangenen 20 Jahren mit wesentlichen Schritten die Technologieführerschaft im Bereich der Mikrosensorik erobert hat. Das Unternehmen hat 2001 den ersten Feuchte- und Temperatursensor auf den Markt gebracht hat, der mit Abmessungen von lediglich 5 mm x 7,5 mm x 2,5 mm im Vergleich zu allen damals am Markt erhältlichen Sensoren extrem klein war und einen viel grösseren Leistungsumfang hatte. Und die Miniaturisierung ist in den vergangenen 16 Jahren stetig weiter vorangeschritten. Der kleinste Feuchte- und Temperatursensor von Sensirion, der aktuell erhältlich ist, misst gerade noch 1,3 mm x 0,7 mm x 0, 5 mm. Das entspricht weniger als einem Fünftel der nächstkleinsten, auf dem Markt verfügbaren Feuchtesensoren. Möglich wurde diese Miniaturisierung dadurch, dass die Sensoren basierend auf Standard-CMOS-Technologien gefertigt werden. Dabei wird das Sensorelement, ein nach dem kapazitiven Prinzip arbeitendes "micro-machined" Fingerelektrodensystem, in die CMOS Schaltung integriert. Diese so genannte CMOSens® Technologie führt nicht nur zur Miniaturisierung, sondern bietet auch zahlreiche weitere Vorteile: Die Mikrosensorsysteme haben einen hohem Integrations- und Funktionalitätsgrad, da die analoge und digitale Signalverarbeitung, die Kalibrierdaten sowie eine digitale Schnittstelle zusammen mit dem Sensorelement auf dem Halbleiterchip untergebracht sind. Die Sensoren sind dadurch sehr genau, unempfindlich gegenüber Störungen und äusserst langzeitstabil. Die Sensoren, die auf der CMOSens®Technologie basieren, lassen sich außerdem in großen Stückzahlen und dadurch kosteneffizient produzieren.
Sensor im Chip-Scale-Package eröffnet neue Anwendungsfelder
Die neueste Entwicklung von Sensirion ist der Feuchte- und Temperatursensor SHTW2, der als Chip-Scale-Package entwickelt wurde.. Das bedeutet, dass das fertige Sensorprodukt, welches der Kunde kauft und in sein Produkt integriert, nicht grösser ist als der Sensor Chip selber. Sensirion hat dafür einen bestehenden Chip verwendet, der in einem anderen Produkt schon über 150 Millionen Mal im Feld eingesetzt wurde, und diesen mit dem Flip-Chip-Packaging kombiniert. Dieser Ansatz ermöglicht es ein äusserst kosteneffizientes und zugleich sehr zuverlässiges Produkt anbieten zu können. Die Innovation von Sensirion ist es dabei, diese Standard Packaging Technologie mit dem Feuchtesensor Chip zu verschmelzen, ohne dass dieser in seiner Funktion beeinträchtigt wird. Mit dem SHTW2 steht jetzt ein Sensor zur Verfügung, der sehr einfach in verschiedenste Anwendungen integriert werden kann. Er lässt sich, wie jedes andere Bauteil auch, mit Standard-SMD-Fertigungsverfahren verarbeiten. Mit seinen Abmessungen von 1,3 mm × 0,7 mm × 0,5 mm kann er auch in Anwendungen eingesetzt werden, bei welchen nur sehr wenig Platz zur Verfügung steht. Der SHTW2 arbeitet mit einer Betriebsspannung von 1,8 V und hat ein voll optimiertes ASIC-Design, das unter anderem dazu führt, dass der Energieverbrauch extrem niedrig ist. Aus dem Stand-by-Modus benötigt der Sensor für Power-Up und Messung lediglich 1 ms. Bei einer Messung pro Sekunde, was für praktisch alle Anwendungen ausreicht, beträgt die durchschnittliche Leistung lediglich 8,6 µW. Bei einer tieferen Messfrequenz lässt sich dieser Wert sogar nochmals deutlich reduzieren. Damit eignet sich der Feuchte- und Temperatursensor speziell für mobile Anwendungen. Neben tragbaren Geräten im Bereich Consumer Electronics sind hier insbesondere auch Wearable-Anwendungen interessant.
Die Idee, Sensoren direkt am menschlichen Körper zu verwenden, ist nicht neu. Die Herzfrequenzmessung beim Sport – ursprünglich eher eine medizinische Anwendung – ist heute auch bei Freizeitsportlern weit verbreitet. Mit der Entwicklung leistungsfähiger Umweltsensoren werden viele weitere neue Anwendungen möglich. So kann der SHTW2 in Kopfhörer implementiert werden, um zu erkennen, ob der Anwender diesen gerade trägt oder nicht. Damit lässt sich auch die Wiedergabe unterbrechen, wenn der Anwender den Kopfhörer abnimmt. Um dies zu realisieren werden zwei Feuchte- und Temperatursensor in den Kopfhörer integriert, von denen einer zum Ohr hin und einer nach außen gerichtet ist. Durch die höhere Feuchtigkeit des Ohrs im Vergleich zur Umgebungsluft misst ein Sensor einen höheren Wert, wenn der Kopfhörer getragen wird. Dank der beiden Sensorwerte in Kombination mit einem entsprechenden Algorithmus – eine weitere Kompetenz von Sensirion – kann zuverlässig detektiert werden, wann ein Kopfhörer aufgesetzt und abgenommen wird. Durch die geringe Baugrösse des SHTW2 ist diese Anwendung sogar in sehr kleinen In-Ear-Kopfhörern möglich und erlaubt ein smarteres Batteriemanagement, das der individuellen Nutzung batteriebetriebener Geräte, wie Kopfhörer, Fitness-Tracker, VR Brillen usw., entspricht. Sensirions Entwicklerwebseite „developer.sensirion.com“ bietet für dieses Anwendungsbeispiele Tutorials zur Erstellung eines Prototyps sowie Quellcodes zur Entwicklung der Algorithmen.
Die Feuchte der menschlichen Haut spielt auch in zwei weiteren Anwendungen eine wichtige Rolle. Motorad- und Skifahrer sowie Benutzer von VR-Brillen leiden häufig unter einem Problem: Aufgrund von Feuchtigkeit – etwa durch Schwitzen der Haut – kann das Visier eines Helms, einer Skibrille oder auch die Linse einer VR-Brille beschlagen. Wie dieses Problem gelöst werden kann, macht eine Anwendung aus dem Automobilbereich deutlich: Jährlich werden bereits millionenfach Feuchtesensoren von Sensirion, die den Qualitätsansprüchen der Automobilindustrie entsprechen und somit grösser sowie kostenintensiver sind, zur Beschlagserkennung in Fahrzeugen eingesetzt. Der Feuchte- und Temperatursensor bestimmt den Taupunkt und regelt bei Bedarf die Klimatisierung bzw. Lüftung. Dank des geringen Stromverbrauchs, der mikroskopisch kleinen Baugrösse sowie der Kosteneffizienz des Feuchtesensors SHTW2 können derartige Funktionen nun auch in preissensitiveren Anwendungen im Bereich Consumer Electronics realisiert werden.
Die direkte Messung der Perspiration auf der Haut ist eine weitere mögliche Anwendung des SHTW2 im Bereich Wearables. Die Flüssigkeit, die ein menschlicher Körper durch Schwitzen verliert, muss ausgeglichen werden, um eine Dehydrierung zu vermeiden. Gerade ältere Menschen können bei hohen Temperaturen schnell in Gefahr geraten, falls der Flüssigkeitshaushalt nicht ausgeglichen wird. Eine direkte Bestimmung der Perspiration mit einem am Handgelenk zu tragenden Gerät ist mit dem SHTW2 einfach realisierbar. Dazu sind zwei der Feuchte- und Temperatursensoren in einer Art Kanal montiert, dessen eines Ende mit der Haut in Kontakt steht. Über Diffusionsgleichungen lässt sich so die Perspirationsrate genau bestimmen. Das Gerät kann den Träger so bei Bedarf daran erinnern ausreichend zu trinken.
Entwicklungsplattformen und Beispielanwendungen
Sensirion unterstützt Entwickler dabei, ihre Anwendungen einfach zu implementieren und zu testen. Für alle Feuchtesensoren von Sensirion stehen Evaluationskits für schnelle und einfache erste Messungen zur Verfügung. Speziell für den Feuchtesensor SHTW2 bietet der Sensorexperte ein so genanntes Xplained Pro Dual Humidity and Temperature Extension Board an, das mit zwei SHTW2 Feuchtesensoren ausgestattet und zur Xplained Pro Plattform von Atmel kompatibel ist. Für die Entwicklung von Mobilfunk-Anwendungen gibt es den SHTW2 auch auf einem Qualcomm DragonBoard. Für diverse Plattformen stellt Sensirion nicht nur die passenden Boards mit den Sensoren zur Verfügung, sondern liefert mittels der Entwicklerwebseite „developer.sensirion.com“ auch Beispiel-Quellcodes, mit denen Entwickler sofort eigene Projekte starten können. Generell bietet die Entwicklerwebseite eine Plattform für die Maker Community, in welcher Einsatzmöglichkeiten von Umwelt- und Durchflusssensoren aufgezeigt werden, die als Inspirationsquelle für die Umsetzung eigener Projekte dienen soll.
Fazit: Kosteneffizienter Sensor und optimale Entwicklungs-Unterstützung
Mit dem neuen SHTW2 steht ein leistungsfähiger Feuchte- und Temperatursensor in einem Chip-Scale-Package zur Verfügung. Mit ihm lassen sich auch preissensitive Anwendungen etwa für Wearables implementieren, wodurch sich viele neue Möglichkeiten eröffnen. Sensirion unterstützt die Entwickler solcher Anwendungen sowohl mit entsprechenden Entwicklungskits als auch mit Beispielapplikationen, deren Quellcode frei zur Verfügung steht.
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