Sensorik der nächsten Generation

III-V-Verbindungshalbleiter für genaueste und kleinste Sensoren

19. Oktober 2020, 08:05 Uhr   |  Takahisa Shikama, Field Application Engineer, Current Sensor Products, Asahi Kasei Microdevices Europe GmbH; Miguel Galvan, Field Application Engineer, IR Sensor Products, Asahi Kasei Microdevices Europe GmbH

III-V-Verbindungshalbleiter für genaueste und kleinste Sensoren
© Asahi Kasei Microdevices

Currentier-Sensoren sind die weltweit ersten kernlosen Stromsensoren in einem SMD-Gehäuse, deren geringe Offset-Charakteristik und Ansprechzeiten mit denen von Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis vergleichbar sind.

Systeme müssen immer kleiner werden und weniger Strom verbrauchen - gleichzeitig sollen die Sensoren aber ihre Genauigkeit und ihr Ansprechverhalten beibehalten. Diese Herausforderung adressiert Asahi Kasei mit seiner III-V-Verbindungshalbleiter-Technologie.

III-V-Verbindungshalbleiter enthalten Elemente aus den Gruppen III und V des Periodensystems, wie z.B. Galliumarsenid (GaAs), Indiumarsenid (InAs) und Indiumantimonid (InSb). Im Gegensatz zu den gebräuchlicheren Halbleitern auf Siliziumbasis (Si) weisen diese Verbindungen eine hohe Elektronenbeweglichkeit auf; ein Schlüsselelement, um eine höhere Empfindlichkeit der Hall-Elemente zu erreichen. Die Empfindlichkeit eines Hall-Elements ist proportional zu dem als »Elektronenbeweglichkeit« bezeichneten Parameter des Halbleitermaterials, aus dem das Hall-Element besteht.


III-V-Verbindungshalbleiter weisen im Vergleich zu Silizium eine deutlich höhere Elektronenbeweglichkeit auf.
© Asahi Kasei Microdevices

III-V-Verbindungshalbleiter weisen im Vergleich zu Silizium eine deutlich höhere Elektronenbeweglichkeit auf.

Asahi Kasei’s Elektroniksparte Asahi Kasei Microdevices (AKM) kann auf vier Jahrzehnte als Hersteller von Magnetsensoren mit Hall-Elementen zurückblicken. Es gibt zwar viele Hersteller von Hallelementen auf Siliziumbasis, AKM ist mit seinem III-V-Verbindungshalbleiterdesign und der einzigartigen Produktionstechnologie aber Marktführer. Durch kontinuierliche Grundlagenforschung und viel praktische Erfahrung über Jahrzehnte hinweg hat Asahi Kasei mithilfe seiner III-V-Technologie Sensoren mit überlegener Leistung und Eigenschaften entwickelt, die selbst die höchsten Marktanforderungen übertreffen.

(Klein + hohe Spannung) x (schnell + präzise) = Currentier
Der kernlose Stromsensor »Currentier« basiert auf der Kombination der III-V-Verbindungshalbleiter-Technologie mit einem einzigartigen Gehäuse-Design und Analogschaltungen. Currentier-Sensoren zeichnen sich durch eine schnelle Ansprechzeit von 1 µsec und einer geringen Offset-Drift aus. Sie sitzen in einem kleinen SMD-Gehäuse mit einer hohen Spannungsfestigkeit nach UL-61800-5-1 und weisen eine hohe Genauigkeitsspezifikation zur Verbesserung von Systemen auf - Eigenschaften, die den Sensor perfekt für industrielle Anwendungen machen.

Ein Beispiel sind Photovoltaik (PV)-Wechselrichter, bei denen Kunden oft vor der Herausforderung stehen, ein Strommesssystem mit hoher Genauigkeit und schneller Reaktionszeit realisieren zu müssen. Auf der Wechselstromseite des Wechselrichters ist es für den Anschluss an eine kommerzielle Stromversorgung und letztendlich den Verkauf des Stroms erforderlich, einen Wechselstrom zu erzeugen, der den Offset-Strom (DC-Komponenten) so weit wie möglich eliminiert. Gleichzeitig ist im Falle eines Überstroms eine schnell reagierende Strommessung unerlässlich, um das System sofort abzuschalten. Wegen ihres geringen Offsets und ihrer schnellen Ansprechcharakteristik werden in dieser Anwendung häufig Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis wie Fluxgates eingesetzt. Diese haben jedoch Nachteile bei Größe und Kosten.

Der kernlose Stromsensor »Currentier«.
© Asahi Kasei Microdevices

Der kernlose Stromsensor »Currentier«.

Asahi Kasei’s Currentier ist der weltweit erste kernlose Stromsensor in einem oberflächenmontierten Gehäuse, einer geringen Offset-Charakteristik und Ansprechzeiten, die mit denen von Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis vergleichbar sind.

Darüber hinaus sind in diesen Sensoren aufgrund ihres Aufbaus ohne Magnetkern magnetische Hysteresefehler grundsätzlich nicht vorhanden und es können stabil-niedrige Offset-Charakteristiken erreicht werden.

Die III-V-Technologie eröffnet neue Anwendungsfelder für genauere und schnellere Stromsensoren bei größerer Kompaktheit und Robustheit des Gesamtsystems. Weitere Anwendungsfelder sind Umrichter (Antriebe), Robotik oder AC-Servo-Antriebe.

Ein IR-Quantensensor bei Raumtemperatur
Die Vorteile der III-V-Technologie ermöglichen auch Neuerungen auf dem Gebiet der Hausautomation, wo es eine Vielzahl batteriebetriebener Geräte gibt. Bei der Entwicklung eines batteriebetriebenen Produktes müssen Entwicklungsingenieure stets sorgfältig notwendige Funktionen und die dafür benötigte Leistung miteinander abwägen. Denn eine hohe Leistung bedeutet auch einen hohen Stromverbrauch, der die Größe und auch die Lebensdauer der Batterie erheblich beeinflusst.

Darüber hinaus gewinnen auch die Größe und das Design des Produkts zunehmend an Bedeutung. Um diese Vielzahl von Herausforderungen zu meistern, entwickelte Asahi Kasei basierend auf der III-V-Verbindungshalbleitertechnologie den weltweit kleinsten Einzelchip-IR-Sensor (IR: Infrarot) für die Anwesenheitserkennung von Menschen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Infrarot-Quantensensoren liegt die Betriebstemperatur des Sensors bei Raumtemperatur - eine Kühlung ist somit überflüssig. Das führt zu einer kleineren Systemgröße und einer verbesserten Benutzerfreundlichkeit. Gleichzeitig bleiben die typischen Vorteile von Infrarot-Quantensensoren erhalten, wie beispielsweise schnelle Reaktionszeiten und ein Gleichstromausgang.

 

Die IR-Quantensensoren der AK975x-Serie zeichnen sich durch einen sehr niedrigen Stromverbrauch aus.
© Asahi Kasei Microdevices

Die IR-Quantensensoren der AK975x-Serie zeichnen sich durch einen sehr niedrigen Stromverbrauch aus.

Darüber hinaus verfügt der IR-Sensor über einen eingebauten Algorithmus zur Annäherungserkennung. Im Vergleich zu herkömmlichen Erkennungssystemen, die eine externe Signalverarbeitung benötigen, ist der Stromverbrauch damit sehr gering. Daher eignet er sich sehr gut für batteriebetriebene Anwendungen, die von dem geringen Stromverbrauch profitieren und eine längere Batterielebensdauer erreichen.

Das kompakte Sensordesign bringt auch Vorteile für Anwendungen wie intelligente Schlösser und Bedienfelder, insbesondere das Sensormodell AK9754. Der Sensor ist für den Einsatz ohne Linse konzipiert – diese Besonderheit ermöglich ein ansprechendes Design der Zielanwendung.

Das Ausgangssignal (Output) der IR-Quantensensoren der AK975x-Serie ist gleich der durchschnittlichen Temperatur im Sichtfeld des Sensors. Das ermöglicht Sensormodule, die in einem Abstand von 1,5 bis 2 Meter sich nähernde Personen erkennen, und in Anwendungen wie Lichtsteuerung oder Tischbelegung eingesetzt werden können.

Weitergehende Informationen zu den Produkten finden Sie über die folgenden Links:

Current Sensor IC (Currentier): https://www.akm.com/eu/en/products/current-sensor/

Infrared Sensor: https://www.akm.com/eu/en/products/human-sensing/

Wer ist Asahi Kasei?
Die Asahi Kasei Corporation ist ein weltweit tätiger Technologiekonzern mit den drei Geschäftsbereichen »Material«, »Homes« und »Health Care«. Der Geschäftsbereich »Material« umfasst Fasern & Textilien, Petrochemikalien, Hochleistungspolymere, Hochleistungswerkstoffe, Verbrauchsgüter, Batterieseparatoren und Elektronikgeräte. Der Geschäftsbereich »Homes« bietet auf dem japanischen Markt Baustoffe bis hin zu fertigen Häusern an. Zum Bereich »Health Care« gehören Pharmazeutika, Medizintechnik sowie Geräte und Systeme für die Akut- und Intensivmedizin. Mit 39.283 Beschäftigten in aller Welt betreut die Asahi Kasei Gruppe Kunden in mehr als 100 Ländern und erzielte einen Umsatz von 17,6 Mrd. Euro (2.151,6 Mrd. Yen) im Geschäftsjahr 2019 (1. April 2019 – 31. März 2020).

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