Drucksensor ASIC

Miniaturisierter hochauflösender Drucksensor ASIC wie z. B. für medizinische Implantate zur Hirndruckmessung

Hochauflösender Drucksensor

Zwei mögliche MEMS Auslese Verschaltungen des ICAPS ASIC
© Fraunhofer IMS
Zwei mögliche MEMS Auslese Verschaltungen des ICAPS ASIC

Leistungsfähiges Signalverarbeitungs-IC für MEMS-Drucksensoren

Das Auslese-ASIC ICAPS wurde für miniaturisierte kapazitive MEMS Sensoren entwickelt, die in einer volldifferentiellen Brückenschaltung verschaltet sind. Das Auslese ASIC ICAPS besteht als Kernstück aus einem 18 Bit Sigma Delta ADC, der aufgrund seiner Verschaltung die Möglichkeit besitzt, unterschiedliche Sensoren wie den integrierten Temperatur- und VDD-Sensor auszulesen. Der interne Temperatursensor hat eine Zielauflösung von 0.05K. Der Aufbau des Sigma Delta Modulators wurde in Hinblick auf Rauschen, Störungsfestigkeit und geringen Stromverbrauch für den Einsatz in energieautarken, z. B. batteriebetriebenen Anwendungen oder in RFID-Sensoren optimiert. Damit kann eine Auflösung des Drucksensors von 0,065 mBar erreicht werden. Bei vollständigen Messzyklen mit Ausgabe der gemessenen Temperatur-, Druck- und Versorgungsspannungswerte wird eine Sample Rate von bis zu 200 Hz erreicht. Zum Erreichen höhere Datenraten kann jeder Sensor einzeln gewandelt und ausgegeben werden. Für eine optimale Ausnutzung der Sample Rate kann das ICAPS ASIC in einen kontinuierlichen Messmodus betrieben werden. In diesem Modus wird über den MISO Pin der SPI Schnittstelle ein Ready Signal übertragen. Durch die Einstellbarkeit der Überabtastrate des Sigma Delta Modulators kann für jeden Sensor eine spezifische ADC Auflösung eingestellt werden. Durch die Implementierung eines Rechnenwerks bzw. eines RISC V Mikroprozessors inklusive eines nichtflüchtigen Speichers, in dem Kalibrier- und Konfigurationsdaten abgelegt werden, können sowohl Kalibrierte Druckdatenwerte als auch Rohdaten ausgegeben werden. Da das ICAPS ASIC stromsparend ausgeführt ist und eine Standard SPI Schnittstelle besitzt, kann es in transponder- als auch drahtgebunden System eingesetzt werden. Anwendungsfelder können hierbei Medizin, Automotive als auch industrielle Anwendungen sein, die eine Versorgungspannung und SPI Schnittstellenpegel von 3,3 V unterstützen.

CMOS-Postprocessing für flächenoptimierte Sensorlösungen

Um einen flächenoptimiertes ASIC zu erhalten, wurde in einem 0,18 μm Prozess entwickelt. Die kapazitiven MEMS Sensoren werden am Anschluss an die ASIC Fertigung im Postprozessing am IMS aufgebracht. Da die Sensoren über die Schaltung gebracht werden, kann hierbei durch die 3D Integration im Sinne der Miniaturisierung Fläche eingespart werden. Die erreichte Chipfläche ist 6 mm2. Aktuell werden kapazitive Drucksensorelemente auf das Auslese ASIC ICAPS aufgebracht. Die Drucksensoren sind für einen spezifizierten Druckbereich von bis zu 1300 mBar ausgelegt. Durch Anpassung des Druckdosendurchmessers und der Anzahl an Drucksensor Elementen können andere Druckbereiche realisiert werden.

Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung  und Forschung (BMBF) mit dem Förderkennzeichen 13GW0275B gefördert.

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