Übliche resistive MEMS haben einen Offset, eine nichtlineare Kennlinie und eine starke Temperaturabhängigkeit. Diese Abweichungen sind produktionsabhängig und variieren von MEMS zu MEMS. Deshalb wird der Sensor üblicherweise zusammen mit einem Sensor-Signal-Prozessor (SSP) in einem Modul aufgebaut und kalibriert.
Die Hauptaufgabe des SSP besteht dann in der Bereitstellung eines linearen, temperaturunabhängigen Ausgangssignals des Sensormoduls, das proportional zur gemessenen physikalischen Eingangsgröße ist. Außerdem wird durch die SSPs gewährleistet, dass über die Vorverarbeitung des Eingangssignals im analogen Frontend eine optimale Anpassung an den jeweiligen Sensor und die Applikationsanforderungen, wie beispielsweise Bandbreite und Temperaturbereich, vorgenommen werden kann.
Die optimalen Werte für den individuellen MEMS werden nach dem Kalibrationsprozess im EEPROM des SSPs abgespeichert und benötigen keinen Platz im Speicher der ECU. Damit wird auch die Einschaltzeit minimiert und das Modul ist kurz nach dem Anlegen der Versorgungsspannung betriebsbereit.
Schnittstellen sind entscheidend
Die typischen automobilen Applikationsfelder für Drucksensoren sind Comfort, Safety und Powertrain. Ein wichtiges Auswahlkriterium für SSPs im Einsatz ist die Schnittstelle zur Auswerteeinheit. Als digitale Schnittstellen sind meist SPI und I2C vorhanden. Weit verbreitet ist auch heute noch der analoge, ratiometrische Spannungsausgang. In Zukunft wird anstatt dem analogen Interface vorrangig auf die digitale SENT-Schnittstelle (Single Edge Nibble Transmission) gesetzt. Diese speziell für automobile Anwendungen entwickelte Schnittstelle erfordert auf der Empfängerseite keine zusätzliche physikalische Empfangseinheit und kann in der Software des Steuergerätes (ECU) umgesetzt werden.
SSPs müssen also den Spagat zwischen einer Vielzahl von möglichen Anwendungen, Anforderungen und Schnittstellen meistern. Und zudem ist es für den Entwickler von Vorteil, wenn er den Kalibrierungsaufwand durch den Einsatz einer speziellen Software gering halten kann.
Vielseitige SSPs
Elmos hat sich diesen Gedanken angenommen und eine SSP-Familie entwickelt, die für nahezu alle Applikationen einsetzbar sind. Diese SSPs eignen sich für eine Vielzahl von automobilen und industriellen Anwendungen, in denen mittels resistiven MEMS-, Keramik- oder Metallfilm-Messbrücken Druck, Drehmoment oder verwandte physikalische Größen gemessen werden müssen.
Alle Elmos-SSPs zeichnen sich durch weite Einstellbereiche für GAIN und OFFSET und umfangreiche Konfigurationsmöglichkeiten aus. Des Weiteren verfügen sie über umfangreiche, integrierte Selbsttest-Funktionen sowie hohe Robustheit gegen Überspannungen, die in automobilen Applikationen auftreten. Als Schnittstellen werden ein ratiometrischer Spannungsausgang, PWM, SPI, I2C oder SENT (J2716) angeboten. Die einfache Kalibrierung und Konfigurierung im kompletten System wird über eine Ein-Draht-Verbindung (SIO) ermöglicht.
Der Baustein E520.18 ermöglicht mit integrierten Reglern einen Versorgungsbereich von 3,3V bis 16V bzw. auch 36V zusammen mit externem Transistor abzudecken. Die Datenausgabe der aufbereiteten Sensorsignale kann als Analogspannung, PWM, digitale SPI oder I2C erfolgen. Ein einstellbarer Eingangsverstärker erlaubt es, Sensor-Sensitivitäten von 1,3 bis 130 mV/V optimal zu verarbeiten. Für höchste Zuverlässigkeit im Betrieb sind Selbst-Test- und Diagnose-Routinen in diesem SSP implementiert. Für Fahrzeug-Applikationen mit digitaler SENT-Schnittstelle wurde der IC E520.33 entwickelt. Dieser SSP arbeitet ebenfalls optimal bei Sensor-Sensitivitäten von 1,3 bis 130 mV/V und wird mit 5 V versorgt. Er verfügt an Versorgung und Ausgang über einen Überspannungsschutz für ± 18 V.
Analog oder SENT
Auch beim neuen E520.44 gilt das Hauptaugenmerk automobilen Drucksensor-Applikationen. Dieses IC kann alternativ mit analogem Spannungsausgang oder digitaler SENT-Schnittstelle flexibel betrieben werden. Mit seinem besonders rauscharmen Eingang ist dieser SSP optimal ausgelegt auch für niedrigste Sensitivtäten zwischen 0,5 und 50 mV/V. Damit werden Signal-Rauschabstände über 70 dB bei kurzer Einschwingzeit unter 0,5 ms (90%) und kurze Power-Up Verzögerung unter 2 ms erreicht. Der SSP benötigt eine 5V-Versorgung, bietet Überspannungsschutz bis +40 / -28 V und erlaubt den Betrieb bei hoher Umgebungstemperatur bis +150°C. Eine Besonderheit des E520.44 ist die Möglichkeit durch einfaches Umkonfigurieren die Schnittstelle vom ratiometrischen Spannungsausgang auf SENT-Interface umzustellen. Das bietet dem Kunden die Möglichkeit durch einfache Maßnahmen (unter Berücksichtigung des SENT-Ausgangsfilters) von dem heute noch weit verbreiteten ratiometrischen Spannungsausgang auf die SENT-Schnittstelle umzuschalten, ohne das Sensor-Package-Layout zu ändern. Eine weitere Besonderheit findet sich im Bereich der Diagnose. Für den Anwendungsfall der analogen Schnittstelle wurde ein hocheffizienter Selbsttest über den vollständigen Signalpfad (Signal Path BIST) realisiert. Dadurch werden die gestiegenen Anforderungen bezüglich der funktionalen Sicherheit auch in diesem Fall unterstützt.
Einfach entwickeln
Für die Sensorevaluierung und Konfiguration aller drei SSPs bietet Elmos eine vollständige Entwicklungsumgebung an. Diese Umgebung wurde in Zusammenarbeit mit den Kunden auf ein modulares Konzept mit einfacher Bedienung ausgelegt. Sie besteht aus einem User-Interface, Kommunikationsboard, Multiplex-Hardware und -Software zur Berechnung der Korrekturkoeffizienten. Ohne eigene Programmierung ist es möglich, eine schnelle Kalibration von mehreren Sensormodulen mit den integrierten SSPs parallel durchzuführen. Und damit das Team abschließend auch zur Kundensoftware passt, wird für aktuelle und zukünftige SSPs ein einheitliches Application Programming Interface (API) angeboten.
