Kapazitäten messen Wie sich Kondensatoren ohne Einschränkung vermessen lassen

Mit einem sogenannten Kombo-Sensor lassen sich unterschiedliche physikalische Parameter messen und bereits direkt vor Ort aufbereiet. Der PCapØ2 bietet einen voll programmierbaren internen 48-Bit DSP.

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Laut einer Studie der französischen Marktforscher Yole Développement wird der MEMS-Markt bis 2017 sein starkes Wachstum beibehalten und jährlich in Stückzahlen um 20 Prozent zulegen. Die Markttrends sind klar umrissen, vor allem für die Konsumgüterindustrie, wo immer ausgefeiltere Anwendungen mehrere Sensor-Eingänge erfordern. Hier spricht man von einer Sensor-Fusion. Der Fokus hat sich vom eigenständigen MEMS-Sensor-Chip auf die Entwicklung integrierter Systeme verschoben, bei denen ein MEMS ein integraler Bestandteil einer kompletten Sensor-Systemlösung ist.

Unternehmen müssen immer mehr auf den Trend reagieren, ein komplexes System in einem einzigen Baustein zu integrieren und abzubilden. Dabei setzen sie bei der MEMS-Produktentwicklung verstärkt auf Kombo-Sensoren, die unterschiedliche physikalische Größen wie Druck , Beschleunigung, Temperatur und Zeit berechnen. Die mit den MEMS erzeugten Sensorsignale bzw. die gewonnen Parameter der MEMS werden in einem oft schon im System integrierten Sensor-Konditionierer aufbereitet. Damit werden Störungen durch eventuell vorhandene Nicht-Linearitäten und andere Einflüsse erfolgreich ausgeglichen. Für diesen Zweck hat acam auf Basis ihrer Time-to-Digital-Wandler-Technologie (TDC) eine Reihe leistungsfähiger Sensor-Signal-Konditionierer mit mehreren analogen Eingängen entwickelt.

Die Familie PICOCAP, das sind sogenannte Capacitance-to-Digital-Converter, lässt sich getrost als Universallösung bezeichnen. Das patentierte PICOCAP-Messprinzip bietet dabei vielfältige Möglichkeiten, um hochpräzise Kapazitäten zu messen und das bei minimalem Stromverbrauch. Für die Vermessung von Kondensatoren gibt es mit PICOCAP praktisch keine Einschränkung. Der Baustein kann Werte von einigen fF bis zu mehreren hundert nF präzise ermitteln. Viele aktuell verfügbare Sensoren stellen die physikalische gemessene Größen wie Druck, Temperatur, Bewegung oder Geschwindigkeit als Änderung in einer Kapazität dar. Mit den Sensoren lassen sich solche Werte präzise erfassen. Unter anderem ermöglicht speziell die TDC-Messmethode eine geringe Stromaufnahme, die bei einigen wenigen Microampere liegt sowie einer Auflösung von bis zu 21 Bit und Aktualisierungsraten bis zu 500.000 Messungen pro Sekunde bietet.

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Der Baustein bietet zusätzliche Funktionen, wie beispielsweise eine interne Referenzkapazität, durch die sich externe Komponenten einsparen lassen. Das eingeführte EEPROM speichert anwenderspezifischen Kalibrierungsdaten. Verbessert wurde außerdem der Betrieb mit Feuchtigkeits- und MEMS-Sensoren, um störendes Oszillieren der Sensoren zu vermeiden. Dank des frei programmierbaren internen 48-Bit-DSP kann der Chip komplexe Operationen an den akquirierten Daten direkt auf dem Chip durchführen. So gelingt es beispielsweise, eine Sensorlinearisierung zu einem Bruchteil der Leistung, die vergleichbare Chips dafür aufwenden müssen, durchzuführen.

Parasitäre Kapazitäten clever unterdrücken

Der Sensor quantifiziert bei der Kapazitätsmessung die aufgebrachte Ladung in präziser Zeit. Dafür werden die Sensorkapazitäten und ein Referenzkondensator mit einem Widerstand zu einem Tiefpassfilter verschaltet. Die Kondensatoren werden mit Hilfe der Versorgungsspannung aufgeladen und dann über den Widerstand entladen, wobei wechselweise die Referenzkapazität und die unbekannte Kapazität angeschaltet werden.

Beim Verhältnis zwischen Referenz- und Messkondensator kürzt sich damit mathematisch die Einheit Farrad heraus und es bleibt Zeit als physikalische Größe stehen. Das Verhältnis der Kapazitäten entspricht dem Verhältnis der Entladezeiten. Die Entladezeiten werden über einen äußerst präzise arbeitenden Time-to-Digital Converter (TDC) gemessen. Patentierte Algorithmen sorgen für eine exzellente Unterdrückung parasitärer Kapazitäten und gewährleisten gute Temperaturstabilität.

Die integrierten TDC-Schaltkreise sind Zeit-Digital-Wandler mit einer Auflösung im unteren Picosekunden-Bereich. Damit lassen sich selbst schwierige Messaufgaben unter widrigen Bedingungen wie Spannungs- und Temperaturschwankungen elegant lösen. Nahezu alle physikalischen Größen wie Position, Höhe, Gewicht, Druck, Feuchte, Bewegung, Beschleunigung, Torque oder Temperatur erfassen die TDC-Schaltkreise über die Zeitmessung. Zu den Anwendungen gehören derzeit Feuchtigkeitssensoren, Taupunktsensoren, Drucksensoren, Trägheits- und Bewegungssensoren, Füllstandssensoren, Näherungsschalter, Absturzsensoren, Touchsensoren sowie Kombisensoren. Der Beitrag ist nach Unterlagen von acam messelectronic entstanden.

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