HydroGuard nutzt vier Elektroden. Das äußere Paar schickt einen kleinen Wechselstrom durch den Oberarm. Das innere Paar misst die entstehende Spannung. Durch diese Aufteilung beeinflusst der Widerstand zwischen Haut und Elektrode die Messung weniger stark.
Auf der ersten Platine hat der MAX30001 eine eigene 1,8-V-Versorgung und einen eigenen Takt. Jeder Elektrodenpfad enthält einen 1-kΩ-Schutzwiderstand. Für die Referenzspannung gibt es einen Testpunkt. Das ESP32-C6-Modul ist steckbar und lässt sich beim Messen leicht abnehmen oder ersetzen.
Vier Elektroden an einem elastischen Band
Als Anschlüsse verwenden wir 12-mm-Druckknöpfe. Sie lassen sich einfach austauschen und auf einem elastischen Band positionieren. So liegen die Elektroden flach am Arm an, ohne dass wir zuerst ein eigenes Klebepflaster entwickeln müssen.
Die Batteriespannung messen
Ein Spannungsteiler aus 2 MΩ und 1 MΩ bringt die LiPo-Spannung in den Messbereich des Controllers. Ein Kondensator am Eingang hilft dem ADC, den hochohmigen Teiler zuverlässig zu lesen. Dafür muss die Spannung vor jeder Messung kurz einschwingen.
Eine optionale Statusleuchte
Die erste Platine hat eine SK6812-LED. Sie funktionierte, wird aber mit einer Spannung unterhalb der Datenblattangabe betrieben. Die Firmware behandelt sie deshalb als optional. Die Impedanzmessung funktioniert auch ohne LED.
Was die Fertigung gekostet hat
Bestellt haben wir die Platinen am 5. Juli bei JLCPCB, in der Hand hatten wir sie am 24. Juli. Vier Lagen, 100 × 100 mm, 1,6 mm FR-4, 1 oz Kupfer außen und 0,5 oz auf den Innenlagen, kleinstes Via 0,3 mm, geprüft nach IPC Class 2.
Als Oberfläche haben wir ENIG genommen statt des günstigeren HASL. Der MAX30001 kommt im Wafer-Level-Gehäuse mit 0,5 mm Pitch, und ENIG liefert dafür eine plane Fläche. HASL hinterlässt gewölbte Pads, was für einen Steckverbinder reicht und für dieses Bauteil nicht.
Wir haben fünf unbestückte Platinen fertigen lassen und zwei davon bestücken, nur die Oberseite. Den MAX30001 haben wir selbst beigestellt statt ihn dort zu kaufen, weil er das eine Bauteil ist, bei dem wir uns nicht auf die Lagerverfügbarkeit verlassen wollten. Das Controller-Modul und die I2C-Stiftleisten haben wir bewusst von der Bestückung ausgenommen und von Hand nachgelötet. Genau das macht das Modul auch tauschbar.
Beide bestückten Platinen kamen genau so zurück, wie wir sie gezeichnet hatten, und beide funktionierten. Nichts war versetzt, keine Lötstelle musste nachgearbeitet werden, und das Bauteil mit dem feinen Pitch sah unter dem Mikroskop aus wie das Footprint, das wir geschickt hatten. Für eine erste vierlagige Platine von einem Team, das noch nie eine hatte fertigen lassen, zählte das mehr als der Preis.
Eine unbestückte Platine kostete 4,30 €, eine bestückte 35,04 €. Mit Versand und 19 Prozent Einfuhrumsatzsteuer lag die Bestellung bei 126,37 €. Das ist die reale Zahl dafür, eine vierlagige Platine mit einem feinen Pitch-Bauteil bauen zu lassen, in einer Stückzahl, die für eine Fabrik keinen Sinn ergibt.
Warum wir mit 32 µA begonnen haben
Für die ersten Tests nutzten wir einen Messstrom von 32 µA. Das war ein vorsichtiger Ausgangspunkt, während wir Elektrodenkontakt und Messbereich prüften. Höhere Einstellungen sind möglich, waren für den Nachweis der Schaltung aber nicht nötig.
Die große Platine erfüllte ihren Zweck. Wir konnten den Signalweg nachvollziehen und die ersten Probleme beheben. Beim nächsten Entwurf stehen Größe, Stromverbrauch und Tragekomfort im Mittelpunkt.