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Verstärkte, rein analoge MEMS-Drucksensoren mit extrem gutem Signalrauschverhältnis (SNR) : Ausgabe 07/2017, 26.04.2017

Revival der hochpräzisen, rein analogen Technologie

Die Drucksensoren der Serien AG3 und AP3 von Fujikura wurden für die hochgenaue Blutdruck­messung entwickelt. Nun hat sich gezeigt: Der Sensor mit dem extrem rauscharmen analogen Ausgangs­signal bringt auch in anderen Anwendungen entscheidende Vorteile, zum Beispiel in Medizin­technikapplikationen wie Dialyse oder Thrombosenbehandlung.

Bilder: Pewatron

Die AG3-/AP3-Sensoren von Fujikura, einem führenden Hersteller von Druck- und Sauer-stoffsensoren, werden in professionellen Blutdruckmessgeräten bereits in grossen Stückzahlen verbaut. Viele Kunden nutzen das Potenzial dieser Sensoren aus, indem sie sie auch in zusätzlichen Applikationen einsetzen: Sie konnten zeigen, dass mit einer fachgerechten AD-Wandlung bis zu 16 Bit Auflösung des analogen Signals möglich sind. Deshalb findet dieser Sensor heute Einsatzgebiete überall dort, wo eine hohe Auflösung und/oder eine schnelle Abtastrate gefordert ist – bei günstigen Kosten, kompakten Baumassen und hoher Zuverlässigkeit. Diese Vorteile stärken die AG3-/AP3-Sensoren im Bereich leiterplattenbasierte Drucksensoren.

Standard mit Grenzen: digitale Signalverarbeitung

Vergleichbare Produkte verwenden für die Signalkonditionierung etwa einen ASIC. In diesem Konzept wandelt man das analoge Signal in ein digitales um, bevor es im digitalen Signalprozessor (DSP) weiterverarbeitet wird – ein Prinzip, das unterdessen zu einem Quasistandard bei den MEMS-Drucksensoren geworden ist und von Fujikura auch in der AG2/AP2-Sensorfamilie genutzt wird.

In der analogen Version dieses Konzepts wird das digitale Signal dann wieder DA-gewandelt, in der digitalen Version direkt über eine SPI- oder I2C-Schnittstelle ausgegeben. Dieses Konzept hat absolut seine Berechtigung und ist für viele Anwendungen die richtige Lösung. Die Signalverarbeitung im DSP-Block des ASICs eröffnet mächtige Möglichkeiten, die allerdings wieder durch die Rechenleistung definiert bzw. begrenzt werden.

Die ASIC-Hersteller dimensionieren ihre Produkte so, dass sie den grössten Teil des Marktes und der Applikationen abdecken können: eine gute Lösung mit gutem Preis-Leistungs-Verhältnis.

Liegen die Kundenanforderungen jedoch über denen dieser Mainstream-Applikationen, stösst das Konzept an seine Grenzen. Entweder erfüllt die Lösung nur einen Teil der Spezifikation – oder sie wird äusserst kostspielig. Diese Lücke lässt sich nun mit der AG3/AP3-Serie schliessen, die einen völlig anderen Ansatz verfolgt als die Produkte der Mitbewerber.

Back to the Roots: analoge Signalkonditionierung

Nicht immer ist die Digitalisierung besser. Manche altbewährte Konzepte haben weiterhin ihren Charme und bieten entscheidende Vorteile. Bei der AG3/AP3-Serie heisst das Zauberwort «voll analoge Signalkonditionierung»: Der ASIC von Fujikura verzichtet ganz auf die AD-/DA-Wandlung und somit auf eine digitale Signalverarbeitung. Nicht nur der ganze Signalpfad ist rein analog, sondern auch die Temperatur- und Kennlinienkorrektur. Durch den Einsatz neuester Analogtechnik wird eine herausragende Signalqualität erreicht.

Die AG3/AP3-Serie in Kombination mit einer externen AD-Wandlung bietet in vielen Applikationen entscheidende Vorteile. Das extrem rauscharme, stufenlose Analogsignal bietet die Grundlage für eine hohe Auflösung der Ausgangsspannung (bis zu 16 Bit); es kann aber auch sehr schnell abgetastet werden (bis zu 120 µs). Natürlich ist die resultierende Performance auch vom verwendeten AD-Wandler und somit vom Kundendesign abhängig. Mit diesem Aufbau – Drucksensor mit verstärktem Analogausgang und externer AD-Wandlung – bestimmt der Kunde die Kosten der Gesamtlösung massgeblich mit (Güte der AD-Wandlung) bzw. kann diese nach seinen Anforderungen dimensionieren und optimieren.

Einige Kunden von Pewatron benötigen zudem eine echte synchrone Abtastung mehrerer (bis zu fünf) Drucksensoren, was mit den markttypischen digitalen Drucksensoren nicht exakt durchführbar ist. Zwar lässt sich theoretisch ein quasisynchrones Auslesen über mehrere I2C/SPI-Busse realisieren, jedoch nicht exakt; echte äquidistante und synchrone Abtastwerte sind nicht möglich. Dafür müssten die verschiedenen Clocks der digitalen Drucksensoren bzw. ihrer digitalen Blöcke miteinander synchronisiert werden, was bei den genannten Sensoren nicht machbar ist – im Unterschied zum voll analogen Konzept mit der nachfolgenden AD-Wandlung, die der Kunde definiert und so nach seinen Anforderungen konzipieren kann.

Zusammenarbeit von Pewatron mit Fujikura

Pewatron war zusammen mit einem seiner grössten Kunden im Bereich Medizintechnik an der Entwicklung der AG3-/AP3-Serie von Fujikura beteiligt. Die enge Zusammenarbeit zwischen Fujikura und Pewatron besteht seit über 25 Jahren. Aus der Kombination des Engineering- und Applikations-Know-hows bei Pewatron mit der Entwicklungs- und Fertigungskompetenz von Fujikura haben über die Jahre unzählige erfolgreiche Produktinnovationen resultiert.

Der Markt hat das Prinzip der AG3/AP3-Serie gut aufgenommen, auch aufgrund des für viele Anwendungen vorteilhaften Verhältnisses von Signal-Rausch-Abstand (SNR) zu Kosten. Die grossen Stückzahlen und die hochautomatisierte Produktion in japanischer Qualität und fast 0 % Ausschuss verschaffen dem Sensor auch ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Mit der Auswahl an SMD- und THT-Gehäusen lässt sich auch der Bestückungsprozess beim Kunden optimieren, was weiter zur Reduktion der Gesamtkosten beiträgt. 

Infoservice

Pewatron AG
Thurgauerstrasse 66, 8052 Zürich
Tel. 044 877 35 00, Fax 044 877 35 25
info@pewatron.com, www.pewatron.com



Konzept mit digitaler Signalverarbeitung (AG2/AP2-Serie)


Analoges Konzept ohne digitale Signalverarbeitung (AG3/AP3-Serie)


Gehäuse AG3 (SMD) und AP3 (THT)

Produktprofil

Bei der analogen Serie AG3/AP3 handelt es sich jeweils um ein Zweichipsystem, bestehend aus einem MEMS-Sensorchip und einem Signalkonditionierungschip (ASIC). Der Signalkonditionierungs-IC besitzt im Gain-Verstärker keine A/D- und D/A-Wandlerstufen, und durch die Verstärkung wird ein sehr störungsarmes Ausgangssignal erreicht.

Mit der richtigen Filterung liegen die Peak-to-Peak-Störsignale deutlich unter 0,02 mmHg. Die störungsarme Verstärkung über den gesamten Messbereich bietet vor allem grosse Vorteile für den Einsatz in High-End-Messgeräten für die nichtinvasive Blutdruckmessung (NiBP).

Eine weitere Funktion, die immer wichtiger wird, ist die Einpunkt-Druckschwellen-Erkennung. Das analoge Ausgangssignal der Druckmessung und eine Schwellenspannung werden an einen internen Komparator geschickt, der die beiden Spannungen miteinander vergleicht. Das Resultat dieses Vergleichs ist das digitale Ausgangssignal. Dadurch werden sehr kleine und günstige Druckschalter möglich, was besonders wichtig ist für Anwendungen in begrenzten Platzverhältnissen oder für die Druckmessung in kleinen, leichtgewichtigen Konstruktionen.

Der Standardmessbereich der Sensoren liegt zwischen 0 bis 250 mbar und 0 bis 12 bar. Weitere Messbereiche sind auf Anfrage möglich. Der Druckmessbereich kann für positive, negative oder bidirektionale Messwerte konfiguriert werden, die Speisespannung für 3,0, 3,3 oder 5,0 VDC. Die Drucksensoren werden in den für Fujikura üblichen hochwertigen Verpackungen geliefert, je nach Kundenwunsch in Tray, Tape and Reel oder Stick.