- Piezoresistiver Drucksensor
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Ein Drucksensor ist ein zur Gruppe der Druckmessgeräte gehörendes Messelement, welches die physikalische Größe Druck in eine zum Druck (=Kraft pro Flächeneinheit) proportionale elektrische Ausgangsgröße umwandelt. Die SI-Einheit für Druck ist [Pascal] = Pa und setzt sich aus N/m² zusammen. Im einfachsten Falle ist es ein Druckmikrofon zum Messen des Schallwechseldrucks.
Inhaltsverzeichnis
Drucksensortypen
Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Drucksensoren auf dem Markt, so z. B.:
- Passivdrucksensoren
- Relativdrucksensoren
- Absolutdrucksensoren
- Differenzdrucksensoren.
Von den Herstellern, insbesondere im englisch-sprachigen Raum, werden Absolutdrucksensoren mit "absolute" oder "a" bezeichnet. Drucksensoren die für Messungen von Drücken relativ zum Atmosphärendruck bestimmt sind, werden mit "gauge" oder "g" bezeichnet. Hier unterscheidet man weiter zwischen eingeschlossener (und damit konstruktiv abgedichteter) Atmosphäre von beispielsweise 1013 mbar (sealed gauge), sowie einer Messung relativ zum aktuell tatsächlich vorhandenen Atmosphärendruck. Bei letztgenannten Drucksensoren ist die Atmosphärenkammer meist durch eine kleine Bohrung mit dem Atmosphärendruck gekoppelt.
Drücke können in gasförmigen und flüssigen Medien sowie an Festkörpern als kraftübertragendes Bauteil gemessen werden.
Sensormaterialien
Als Sensormaterialien werden Silizium, Quarze oder Metalle verwendet. Mit Hilfe von Halbleitertechnologien ist es inzwischen auch möglich, piezoelektrische Dünnschichten auf Messkörpern direkt zu applizieren. Hierbei handelt es sich meistens um Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN).
Physikalische Messeffekte
Zur Erfassung der Messgröße werden verschiedene physikalische Effekte ausgenutzt. Daher unterteilt man die Drucksensoren in folgende Typen:
Piezoresistiver Drucksensor
Sie enthalten meist einen in einer Membran eindiffundierten Dehnungsmessstreifen (DMS) und sind überwiegend aus Silizium hergestellt. Kommt es zu einer Krafteinwirkung ändert sich der Widerstand der Dehnungsmesswiderstände (wegen der Längenänderung der Dehnmessstreifen) und damit die gemessene Spannung. Diese Drucksensoren sind kostengünstig herzustellen und weisen eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit auf. Allerdings zeigen die zur Druckmessung eingesetzten Materialien eine sehr starke Temperaturabhängigkeit. Sensoren auf Siliziumbasis haben daher praktisch immer zusätzlich Temperatursensoren eingebaut mit deren Hilfe die Messwertinformation korrigiert werden kann.
Piezoelektrischer Drucksensor
Bei einem piezoelektrischen Sensor wird mittels Druck durch Ladungstrennung eine elektrische Spannung in einem Kristall erzeugt. Dies nennt man den piezoelektrischen Effekt. Durch Druck verschieben sich im Inneren des Kristalls Ionen, wodurch sich die Ladung proportional zur Kraft verändert.
Piezoelektrische Sensoren messen grundsätzlich nur Kräfte. Soll der Sensor in der Druckmeßtechnik verwendet werden muss erst über eine Membran der Druck proportional in eine Kraft umgewandelt werden.
Vorteile piezoelektrischer Sensoren:
- unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen
- keine äußere Spannungsversorgung nötig
- Wirkungsgrad der Energieumwandlung sehr hoch, wodurch man eine hohe Ausgangsspannung erhält
- mechanisch sehr starr, wodurch es nur geringfügig zu Eigenschwingungen oder Nachschwingeffekten kommt
Nachteile piezoelektrischer Sensoren:
- piezoelektrische Sensoren müssen sehr hochohmig sein und können nur sehr kleine Ladungsmengen erzeugen, wodurch man zur Weiterverarbeitung eine sehr hohe Isolation und Signalverstärkung benötigt
- nicht verwendbar für statische Messungen wie Wasserstand / Luftdruck; bei höchstmöglichen Isolationen läuft ein konstanter Messwert gegen Null mit einer Rate von etwa 4 %/Stunde. Dieser Effekt wird auch als Drift bezeichnet und kann bei guten Verstärkern kompensiert werden.
Pirani-Drucksensor
Ein Pirani-Drucksensor wird für Druckmessungen im Vakuum verwendet. Grundlage hierfür ist ein Heizelement, welches von den Gasmolekülen des zu messenden Vakuums gekühlt wird, d. h. wenn das Vakuum sehr hoch ist, dann prallen weniger Moleküle pro Zeiteinheit auf das Heizelement und es wird somit weniger gekühlt. In direkter Folge davon steigt der Widerstand des Heizelements proportional mit dem Hitzeanstieg. Durch ein Referenzvakuum kann man dann den Druck im gemessenen Vakuum ermitteln. Ein Pirani-Drucksensor kann aufgrund der unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeit Gase unterscheiden.
Frequenzanaloger Drucksensor
Sind meistens piezoresistive Drucksensoren die den Druck mittels Dehnungsmessstreifen messen und schaltungstechnisch um einen Ringoszillator erweitert sind. Durch Verändern des Druckes ändert sich der Widerstand der Dehnungsmessstreifen und in Folge wird die Frequenz des Ringoszillators verstimmt. Die ausgegebene Frequenz ist somit direkt proportional zu dem angelegten Druck.
Drucksensor mit Hallelement
Sie arbeiten nach dem Hall-Effekt, wobei bei Druckbelastung das Magnetfeld um das Hall-Element geändert wird.
Kapazitiver Drucksensor
Kapazitive Drucksensoren enthalten einen in einen Siliziumchip eindiffundierten Kondensator. Über eine Membran wird bei Druckbeaufschlagung der Abstand der Kondensatorplatten, und dadurch die Kapazität des Kondensators, verändert. Meistens sind die Kondensatoren Teil eines internen Verstärkers, dessen Verstärkungsfaktor von der Kapazität des Kondensators abhängig ist.
Monolithische Drucksensoren bestehen aus einem Material, z. B. Quarz, während bei Dehnungsmessstreifen (DMS) die Änderung des elektrischen Widerstands, d. h. das piezoresistive Messverfahren ausgenutzt wird.
Induktiver Drucksensor
Induktive Drucksensoren arbeiten mit einem induktiven Wegaufnehmer, welcher mit einer Membran verbunden ist. Druckänderungen erzeugen eine Kraft auf die Membran und bewegen diese. Dadurch ändert sich die Position eines Eisenankers gegensinnig in zwei Spulen: In einer steigt die Induktivität, in der anderen sinkt sie. Der Unterschied kann elektrisch sehr genau bestimmt werden. Diese Anordnung kann aber auch durch einen Differentialtransformator ersetzt werden.
Marktübliche Drucksensoren
Digitaler Luftdrucksensor
Digitaler Luftdrucksensor, 5 x 5 x 1,2 mm³Die am Markt befindlichen Sensoren geben ein standardisiertes elektrisches Signal aus, das durch das nachfolgende Gerät (z. B. DDC) einfach verarbeitbar ist. Diese Standardsignale sind 0 bis 10 V, 4 bis 20 mA oder digitale Schnittstellen wie I2C. Drucksensoren sind aktive Komponenten, die eine Stromversorgung für die Aufbereitung des Signals benötigen. Die Kennlinien der Sensoren können proportional sein oder einer e-Funktion entsprechen, wobei diese Kennlinien geeignet von Störgrößen (z. B. Temperatur) zu kompensieren und zu linearisieren sind. Daher unterscheidet man heute zwischen
- nicht kompensierten Drucksensoren (z. B. normale Brückenschaltungen, piezoresistiver Drucksensor, MEMS Technologie)
- analoge jedoch kalibrierte Sensoren (z. B. kalibrierte Brückenschaltung, piezoresistiver Drucksensor, MEMS Technologie)
- digitale, kalibrierte und linearisierte sowie temperaturkompensierte Drucksensoren (z. B. kalibrierte Brückenschaltung kombiniert mit A/D Wandler und Parameterspeicher, piezoresistiver Drucksensor, MEMS Technologie)
Restriktionen bei der Applikation
Drucksensoren reagieren empfindlich auf Überbelastung. Wird der Messbereich überschritten kann der Sensor je nach verwendeter Technologie leicht irreparabel beschädigt werden. Für richtige Messwerte ist zudem die korrekte Einbaulage des Sensor zu berücksichtigen. Bei Sensoren, die Flüssigkeiten messen, ist darauf zu achten, dass die Sensorleitung entlüftet ist. Oft ist auch eine Trennung des (aggressiven) Mediums vom eigentlichen Drucksensor erforderlich, um die empfindliche Drucksensortechnik vor Korrosion oder Verschmutzung zu schützen.
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