Messtechnik & EMV Feuchte schneller und einfacher messen

Die herkömmliche Feuchtemessung mit diskreten Schaltkreisen, die viel Platz einnehmen, oder mit großen Feuchtesensormodulen, die 4 bis 20 mA Strom verbrauchen, ist im Zeitalter des „Internet der Dinge“ nicht mehr angesagt. Entwickler wollen heute kleine, leichte und stromsparende Endprodukte auf den Markt bringen. Ein kompakter, digitaler Feuchtesensor-IC erfüllt die Anforderungen heutiger Anwendungen wie tragbarer Wetterstationen, Luftbefeuchter, Datenlogger für Waren und Güter im Transit, Smartphone-Zubehör und Sensoren zur Fernerfassung von Umgebungsbedingungen.Um die Vorteile digitaler Feuchtesensoren in Anwendungen besser zu verstehen, werden im Folgenden die Prinzipien der Feuchtemessung näher erläutert. Auch der Unterschied zwischen Einchip-Sensoren zur Messung der relativen Feuchte (RH; Relative Humidity) und herkömmlichen diskreten RH-Sensoren wird erklärt.

Grundlagen Feuchtemessung

Feuchte ist das Maß für die Feuchtigkeit in der Luft oder anderen Gasen und kann unterschiedlich angegeben werden:

Asolute Luftfeuchtigkeit (in g/m3) Absoluter Dampfdruck (tatsächlicher Feuchtigkeitsanteil in der Luft, in kPa) Sättigungsdampfdruck (maximaler Wasserdampfdruck, der bei einer gegebenen Temperatur vorherrschen kann).

Übersteigt der Feuchtegehalt den Sättigungsdampfdruck, tritt Kondensation auf, und der Feuchtigkeitsgehalt in der Luft wird bis zum Wert des Sättigungsdampfdrucks wieder verringert. Der Taupunkt (die Temperatur, bei der oder unterhalb der die Kondensationsbildung beginnt, wenn sich das Gas abkühlt) ist ebenfalls ein Maß für den absoluten Feuchtegehalt der Luft. Die relative Luftfeuchtigkeit lässt sich mit verschiedenen Techniken messen: von einfachen mechanischen Anzeigen mit federbelasteten Geweben bis hin zu komplexen, teuren Analysegeräten, wie Hygrometern mit gekühlter Spiegeloptik. Generell ist die Feuchtemessung keine einfache Aufgabe - ob nun die relative Feuchtigkeit, der Taupunkt, die absolute Feuchtigkeit oder die Feuchtkugeltemperatur gemessen werden. Laut dem englischen National Physical Laboratory ist Feuchtigkeit in der Praxis eine relativ schwer zu messende Größe. In einer unkontrollierten Umgebung beträgt die Messgenauigkeit daher bestenfalls ±3 Prozent. Da die relative Feuchte temperaturabhängig ist, muss die genaue Lufttemperatur bekannt sein, um den Wert zu bestimmen. Nur 0,2 °C Abweichung können den RH-Wert um ein Prozent verfälschen. Diskrete Widerstands- und kapazitive RH-Sensoren nehmen seit Langem den Platz zwischen mechanischen und optischen RH-Sensoren ein. Sie werden zusammen mit diskreten Temperatursensoren eingesetzt, zum Beispiel Thermistoren und Widerstands-Temperatursensoren (RTDs), um den RH-Wert und den Taupunkt zu bestimmen. Widerstandssensoren basieren auf einer Polymer-Membran, deren Leitfähigkeit sich je nach aufgenommener Feuchtigkeit ändert. Kapazitive RH-Sensoren verwenden ein Polymer-Dielektrikum zwischen den Kondensatorplatten. Zur Messung des RH-Wertes wird die �?nderung der Dielektrizitätskonstante (εr) und der Kapazität erfasst, die durch das Eindringen von Feuchtigkeit in die poröse polymer-dielektrische Schicht entsteht. Ein εrvon 3,0 bis 4,0 wäre eine typische �?nderung der Dielektrizitätskonstante, wenn der RH-Wert von 0 bis 100Prozent variiert. Diskrete Lösungen sind kleiner und einfacher zu kalibrieren als mechanische Systeme. Sie erfordern aber viele unterstützende Bauteile, um die RH-Werte zu linearisieren, kalibrieren und umzuwandeln. Dazu ist mehr Leiterplattenfläche, mehr Strom und eine arbeitsintensivere Kalibrierung jeder Einheit in der Fertigungslinie erforderlich - noch bevor die Auslieferung erfolgt. Hinzu kommt, dass diskrete Sensoren untauglich für das Reflow-Löten in der Volumenfertigung sind. Sie sind zudem ungenau, weisen hohe Los-Abweichungen, Hysterese und Drift über der Temperatur und Zeit auf. Fertigungstests und die Kalibrierung gestalten sich daher ziemlich komplex. Meist ist auch noch während der gesamten Lebensdauer eine regelmäßige Kalibrierung in der Endanwendung erforderlich.

Digitale Single-Chip-RH-Sensor-ICs

Eine neue Sensorlösung vereint RH- und Temperatursensoren direkt auf einem einzigen CMOS-IC mit digitaler I2C-Schnittstelle. Da sich beide Sensoren in unmittelbarer Nähe auf dem gleichen monolithischen Die befinden - und damit bei gleicher Temperatur arbeiten - ist die RH-Messung stets genauer als bei einer diskreten Lösung. Der digitale RH- und Temperatursensor Si7005 von Silicon Laboratories ist eine solche Single-Chip-Lösung. Der Sensor misst die Feuchte mit einem Polymerfilm auf der Oberfläche des Dies; die Temperatur wird über einen integrierten Dioden-Bandlücken-Schaltkreis gemessen. Die einzigen externen Bauteile sind ein Paar Überbrückungskondensatoren. Jeder Si7005 ist ab Werk kalibriert, was eine Kalibrierung beim Kunden erübrigt. Der Sensor wird im 4 mm x 4 mm kleinen QFN-Gehäuse ausgeliefert, das eine kleine Öffnung für die Feuchtemessung mit dem Polymer-Film aufweist. Eine Version mit einer flachen Schutzabdeckung ist auf Anfrage ebenfalls erhältlich. Die Abdeckung bietet zusätzlichen Schutz gegen Lötflussmittel, Staub, Chemikalien und andere Verschmutzungen, die im Laufe der Lebensdauer einwirken können. Zudem schützt sie den Sensor während des Reflow-Lötprozesses.Die Umwandlung einer Kapazität in einen RH-Wert und die Feineinstellung der RH-Genauigkeit werden erreicht durch:

Kalibrieren der Kapazität an zwei RH-Testpunkten für jeden Baustein, Durchführen einer On-Chip-Verstärkungs- und Offset-Korrektur zur RH-Berechnung.

Weitere Nichtlinearitäts- und Temperatur-Kompensationen werden durchgeführt, um eine RH-Genauigkeit von ±3Prozent zu erzielen. Diese nichtlinearen und Temperatur-Koeffizienten werden unabhängig vom Baustein und Fertigungslos von Silicon Labs bereitgestellt. Die Hardware, Software und Firmware des Si7005 bietet zusammen mit der Schutzabdeckung folgende Vorteile gegenüber diskreten, hybriden und MCM-Lösungen:Hohe Integration:Die gemessenen Feuchtigkeits- und Temperaturwerte werden in ein Digitalformat umgewandelt. Dazu dient der integrierte Signalaufbereitungsschaltkreis und A/D-Wandler. Um eine Spannung oder Frequenz auszugeben, ist keine externe Signalaufbereitung oder Wandlung erforderlich. Die Stückliste besteht aus nur zwei Überbrückungskondensatoren - im Vergleich zu Dutzenden von Bauteilen einer diskreten Lösung mit gleichem Funktionsumfang. Der Si7005 bietet eine wesentlich kleinere Stellfläche, Bauhöhe und ein geringeres Gewicht als diskrete Sensoren, Module oder Hybride/MCMs. Damit verringern sich die Gesamtkosten, der Entwicklungsaufwand, der Platzbedarf und das Gewicht. Die Zuverlässigkeit steigt und das Endprodukt kann schneller auf den Markt kommen.Plug&Play und benutzerfreundlich:Der Digitalausgang und die Kalibrierung ab Werk erübrigen das Kalibrieren des Si7005. Jeder Sensor ist damit einfach austauschbar. Software-/Firmware-�?nderungen oder eine Rekalibrierung sind beim Austausch nicht erforderlich. Der Host übernimmt die endgültige Linearisierung und Temperaturkompensation, aber der Algorithmus verwendet Festwerte, die von Chip zu Chip nicht variieren. Weder Zeit noch Arbeit muss aufgewendet werden, um jede Einheit in der Fertigungslinie zu justieren. Nacharbeiten während der Fertigung und die Wartung im Feld werden dadurch wesentlich bequemer.Schutzabdeckung:Die Zugabe einer optionalen, ab Werk angebrachten Schutzabdeckung macht den Si7005 robust und einfach handhabbar. Die flache wasser- und ölundurchlässige Membran schützt den Sensor vor, während und nach der Montage auf die Leiterplatte. Sie bleibt während der gesamten Lebensdauer auf dem Baustein und schützt ihn gegen Flüssigkeiten/Kondensation und Partikel wie Staub. Die Nachfrage nach kleinen, stromsparenden Feuchtigkeitssensoren steigt durch neue mobile Geräte und Anwendungen für das „Internet der Dinge“ immer weiter. Digitale Single-Chip Feuchtesensoren wie der Si7005 von Silicon Labs sind die richtige Wahl für solche Systeme. Der Si7005 ist ein kompakter, hochleistungsfähiger Sensor, der die Bauteilanzahl und Kosten für die Stückliste verringert. On-Chip-Kalibrierung, eine digitale I2C Host-Schnittstelle, eine optionale Schutzabdeckung sowie eine Auswahl an kostengünstigen Evaluierungsboards und Entwicklungskits ermöglichen die schnelle und einfache Integration kleiner Feuchtesensor-Systeme. Sie sind imstande, mindestens 5 bis 10 Jahre Betriebs- und Batterielebensdauer zu unterstützen.