MAZeT ASIC für die Messung kleinster Kapazitäten

Redakteur: Ines Stotz

MAZeT, Entwicklungs- und Fertigungsdienstleister für Opto-ASICs, Spektral- und Farbsensoren sowie Embedded-Computing-Lösungen aus Jena, hat im Auftrag der Firma Rechner Industrie-Elektronik einen ASIC entwickelt, welcher die Bewertung kleinster kapazitiver Änderungen erlaubt.

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Als Marktführer auf dem Gebiet der kapazitiven Sensortechnologie hat sich Rechner Industrie-Elektronik neben einer Palette von Standardsensoren auf die Entwicklung kundenspezifischer Lösungen für kapazitive Messaufgaben spezialisiert. Dabei erlaubt das Dreielektroden-Messprinzip in Verbindung mit einer patentrechtlich geschützten Kompensationstechnik die Auswertung kleinster Kapazitäten. Herkömmliche Messverfahren führen die Kapazitätsmessung auf eine Frequenzänderung eines einfachen RC-Oszillators (z.B. Relaxationsoszillator, Wien-Brücken-Oszillator) zurück bzw. verwenden Ladungstransferverfahren wie Sigma-Delta-Modulatoren. Problematisch sind hier lange Zuleitungen zum Sensor, welche die Reproduzierbarkeit des Messergebnisses aufgrund von thermischen Driften in Frage stellt.

Das von Rechner Sensors entwickelte Verfahren führt die Kapazitätsmessung dagegen auf die Messung einer Wechselspannungsamplitude zurück. Als Anregungssignal wird hierbei ein geregeltes Wechselspannungssignal verwendet, welches über den Schutzleiter in die Messumgebung eingekoppelt wird. Damit kann dieses Signal an nahezu jeder Stelle der Messumgebung kapazitiv abgegriffen werden. Die Messaufgabe bestimmt dabei die Form der Gegenelektrode. Da diese in weiten Grenzen variabel ist, kann das Messprinzip für eine breite Palette von Anwendungen eingesetzt werden, z.B. für die Füllstandsmessung von Schüttgut und Flüssigkeiten oder als kapazitiver Näherungsschalter.

Hochgenaue Messung kleinster Kapazitätsänderungen

Der von MAZeT entwickelte analoge ASIC für die Auswertung von kapazitiven Sensoren vereinigt zwei unabhängige mehrstufige Verstärkerkanäle mit einstellbarer Verstärkung. Das Messsignal, welches je nach Ausführung des kapazitiven Sensors im Bereich von wenigen Nanovolt liegen kann, gelangt nach der Vorverstärkung und Filterung zu einem Spitzenwertgleichrichter, welcher das Wechselsignal in ein Gleichsignal wandelt. Dieses Gleichsignal steht dann als Indikator für z.B. einen bestimmten Füllstand oder den Abstand eines Roboterarms zum Objekt zur Verfügung. Durch die hohe Reproduzierbarkeit der Schaltungseigenschaften auch zwischen unterschiedlichen Chips und dem geringen Platzbedarf ist es möglich, mehrere kapazitive Sensoren in einem System auszuwerten. Dabei wird ein Verstärkerkanal eines ASICs als Referenzkanal verwendet, die anderen Verstärkerkanäle der weiteren ASICs arbeiten dann als Sensorsignalverstärker. Eine Besonderheit dieses ASIC ist die gemeinsame Integration hochempfindlicher rauscharmer Sensorsignalverstärker am Eingang mit Ausgangsverstärkern, welche mit bis zu 30 V Betriebsspannung betrieben werden können. Durch den Einsatz des ASIC von MAZeT wird eine Verbesserung der Empfindlichkeit von kapazitiven Sensoren um den Faktor 10 gegenüber der diskreten Schaltungslösung erreicht. Es ist damit möglich, Kapazitätsänderungen bereits im Bereich von einigen Femtofarad zu messen.

Der MAZeT-Bereich Chipdesign & Optoelektronik hat im Rahmen dieses Projektes sein Know-how in der Entwicklung von analogen ASICs ausspielen können. Angefangen von den ersten Systemdiskussionen und -simulationen über die Erstellung des Pflichtenheftes, den Entwurf und die Simulation der anspruchsvollen analogen Schaltungen bis hin zum Entwurf des für die Halbleiterfertigung benötigten Layout-Datensatzes, die Präparation der Silizium-Wafer und den Aufbau der Chips im TSSOP38-Gehäuse wurden alle Schritte erfolgreich durchlaufen. Die besondere Herausforderung bei diesem ASIC bestand in der Vereinigung von empfindlichen Niederspannungsschaltungen mit Hochvoltschaltungen unter Einhaltung der Randbedingungen wie ESD-Festigkeit, hohe Eingangsempfindlichkeit, geringes Rauschen und kleine Chipfläche. Damit sind die Vorraussetzungen für die Überführung der Prototypen in die Serienfertigung gegeben. Dieser Schritt — ebenso wie der notwendige Serientest der Bauelemente — gehört ebenfalls zur breiten Angebotspalette von MAZeT.

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