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DER KONSTRUKTEUR 5-6/2021

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DER KONSTRUKTEUR 5-6/2021

SENSORTECHNIK

SENSORTECHNIK DRUCKMESSUNG MIT EFFEKT Die piezoresistive Technologie wird oft in einem Atemzug mit Druckmessung genannt. Doch was genau ist der piezoresistive Effekt? Und warum wird diese Technologie in der Druckmesstechnik angewendet? SPECIAL Zusammen mit der Temperatur ist der Druck ein wesentlicher Parameter in vielen technischen Systemen. Zudem verlangen verschiedenste industrielle Prozesse nach genau kontrollierten Druckbedingungen. Daher ist neben der Temperaturmessung die Druckmesstechnik die wichtigste und am häufigsten eingesetzte Technik zur Überwachung und Steuerung von Maschinen und Anlagen. Dazu stellt der atmosphärische Luftdruck eine wichtige Umweltgröße dar und über die Messung des Schweredrucks der Flüssigkeitssäule lassen sich zum Beispiel Grundwasserpegel oder Füllstände ermitteln. Für die elektronische Druckmessung ist ein Sensor erforderlich, der den zu messenden Druck aufnimmt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Bei der resistiven Druckmessung ist das Herzstück ein elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck ändert. RESISTIVE DRUCKMESSUNG Die klassische resistive Druckmessung funktioniert im einfachsten Fall mit einem dünnen Metallstreifen, dessen Widerstandswert sich bei Verformung verändert. Bei Dehnung wird der Streifen länger und dünner, sodass sein elektrischer Widerstand steigt. Bei Stauchung wird der Streifen kürzer und sein Querschnitt steigt, sodass sich sein Widerstand verringert. Um den zu messenden Druck in eine kontrollierte mechanische Verformung zu übersetzen, wird der Dehnungsmessstreifen (DMS) auf eine elastische Membran aufgebracht. Normalerweise erfolgt diese Verbindung mittels Klebstoff. Wirkt nun auf eine Seite dieser Membran ein Druck, verformt sich diese und führt – je nach Position des DMS auf der Membran – zu seiner Stauchung oder Dehnung. Je größer der Druck ist, umso stärker verformt sich die Membran, sodass das Ausmaß der Widerstandsänderung direkt vom Druck abhängt. Zur genaueren Messung werden mehrere DMS zu einer Brückenschaltung zusammengefasst und die Widerstandsänderung als Spannungssignal erfasst. Autor: Dr. Sören Boyn, Sensor- und Elektronik-Entwickler, Abteilung Softwareentwicklung, Keller AG für Druckmesstechnik, 8404 Winterthur, Schweiz PIEZORESISTIVE DRUCKMESSUNG Wie das altgriechische Wort piezein („drücken“, „pressen“) sagt, handelt es sich bei der piezoresistiven Technologie um ein Verfahren, das mit Druck arbeitet. Das Grundprinzip der piezoresistiven Druckmessung entspricht im Wesentlichen dem der resistiven Druckmessung. Auch hier bewirkt eine Verlängerung bzw. Verkürzung eine Änderung des Widerstands. Zusätzlich führt in einem piezoresistiven Material die mechanische Spannung, die bei Dehnung oder Stauchung auftritt, aber auch zu einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit. Dieser piezoresistive Effekt beruht auf Verschiebungen der Atompositionen zueinander, die sich direkt auf den elektrischen Ladungstransport auswirken. Die aus der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit resultierende Widerstandsänderung kann deutlich größer ausfallen als jene, die durch reine Verformung bedingt ist. Typische piezoresistive Materialien, die einen ausgeprägten piezoresistiven Effekt zeigen, sind Halbleiter. Als Halbleiter gelten Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern (Metalle wie z. B. Silber, Kupfer, Aluminium) und der von Nichtleitern (z. B. Glas) liegt. Zur Herstellung von piezoresistiven Druckmesszellen wird typischerweise Silizium ver- 44 DER KONSTRUKTEUR 2021/05-06 www.derkonstrukteur.de

V ref NTC + IN - OUT + OUT wendet, wie es auch in der Fabrikation von elektronischen Schaltkreisen zum Einsatz kommt. Daher werden die daraus hergestellten Sensoren auch als Sensorchips bezeichnet. Grundlage für einen piezoresistiven Sensorchip sind weniger als einen Millimeter dünne, kristalline Siliziumscheiben, sogenannte Wafer. In dessen Oberfläche werden an bestimmten Stellen Fremdatome eingebracht, die örtlich gezielt die Leitfähigkeit beeinflussen. Dieser Prozess ist das sogenannte Dotieren und diese dotierten Gebiete im Silizium bilden die R p - IN DA PIEZORESISTIVE SENSOREN KEINE BEWEGLICHEN TEILE ENTHALTEN, SIND SIE ROBUST GEGENÜBER ERSCHÜTTERUNGEN Ultraschnell. Infrarotkameras. Pyrometer. Zubehör. Software. Wir messen berührungslos Temperaturen von –50 °C bis +3000 °C. Besuchen Sie uns: www.optris.de Unser neues High-speed Pyrometer CT 4M mit einer ultraschnellen Erfassungszeit von nur 90 μs ist ideal geeignet für schnelle, hochvolumige Produktions- und Verpackungsprozesse. Neu piezoresistiven Widerstände. In einem nachfolgenden Prozessschritt wird dann der Siliziumwafer örtlich so abgedünnt, dass Membranen direkt im Silizium entstehen und die piezoresistiven Widerstände an bestimmen Positionen liegen. Wirkt nun auf eine Seite dieser Membran ein Druck, verformt sich diese und bewirkt so eine mechanische Spannung in den piezoresistiven Widerständen. Je nach Position nimmt der Widerstandswert zu oder ab. Über die Dicke der verbleibenden Membran lässt sich die Druckempfindlichkeit des Sensorchips einstellen. Anschließend wird die Rückseite des Siliziums noch fest mit einem Glas verbunden. Dabei entsteht für Absolutdrucksensoren ein abgeschlossener Referenzraum unter Vakuum. Für die Messung eines Relativdrucks enthält das rückseitige Glas ein Referenzloch. when temperature matters

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