Sensor 11

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76 Werkstoffe und Sensorik ________________________________________________________________________________________________________________________ Kapazitiver Si-Drucksensor Verwendung von Si als Membran mit guter mechanischer Reproduzierbarkeit (( ± 0.5 %) und Elektrode eines Kondensators Integrierbarkeit in Si-Technologie. Abb. 11.18. - 11.20.: Konstruktionsprinzipien für integrierte mikromechanische Beschleunigung. Abb. 11.15. - 11.17.: Kapazitive Drucksensoren in Silizium. Abb. 11.15. Funktionsprinzip: Die Differenz von Außendruck P außen und Innendruck P innen biegt die dünne Si-Membran durch. Dadurch ändert sich die Kapazität zwischen den beiden Kapazitätselektroden Abb. 11.18. Die bewegliche Zunge ist hier aus SiO 2 . Auf ihr ist eine Elektrode aufgebracht, die eine Kapazität zum Si-Substrat aufweist. Wirkt auf die auch auf der Zunge befindliche Masse eine Beschleunigung, son lenkt sie die Zunge aus und verändert die Kapazität. Abb. 11.16. Wird zusätzlich zur Meßkapazität noch eine Referenzkapazität aufgebaut, so kann schaltungstechnisch eine Brückenanordnung oder ähnliche Kompensationsanordnungen gehlt werden. Abb. 11.19. Die Auslenkung der Siliziumzunge, die aus dem Silizium durch eine besondere Ätztechnik freistehend herausgeätzt ist, erzeugt an der Einspannstelle an druckabhängigen Widerständen eine Widerstandsänderung. Diese muß durch eine elektrische Schaltung ausgewertet werden. Abb. 11.17. In Silizium läßt sich räumlich neben der Si- Membran auch die elektronische Auswerteschaltung integrieren. In ihr muß berücksichtigt werden, daß die Kapazitätsänderung sowohl vom Druck als auch von der Temperatur abhängt. Abb. 11.20. Die freistehende Si-Zunge kann auch durch eine Si- Sirale ersetzt sein. Sie enthält in der Mitte die für Beschleunigunmessungen erforderliche Masse als Siliziumstückchen. Mikromechanischer Beschleunigungs-Sensor Masse auf beweglicher Si-Zunge. Kraft - F = Masse x Beschleunigung. Kandasensor Verwendet wird ein Hallelement ohne angelegtes Magnetfeld. Wirken Druck oder Zug in der Ebene der Fläche des Elements, so kann eine Spannung an den "Hall"-Elektroden abgegriffen werden. Sie ist abhängig vom Winkel q , in dem Druck oder Zug (relativ zu den Kristallachsen) auf das Hallelement wirken.
Werkstoffe und Sensorik 77 ________________________________________________________________________________________________________________________ SAW-Kraft- und Drucksensor Anwendung des SAW-Elements als Verzögerungsleitung oder Resonator. Ist es als frequenzbestimmendes Teil eines Oszillators geschaltet, so erfolt eine Abbildung in ein frequenzanaloges Signal. Durch die Kraft oder den Druck wird die Oszillatorfrequenz moduliert, und Kraft oder Druck werden als Frequenz abgebildet. Materialien: LiNbO 3 , SiO 2 , CdS, ZnO, GaAs, ARN. Abb. 11.23. Longitudinalwelle Die Teilchenverschiebung erfolgt in ausbreitungsrichtung, auch Kompressionswelle genannt. Abb. 11.21. Verwendet wird ein Hallelement ohne angelegtes Magnetfeld. Wirken Druck oder Zug in der Ebene der Fläche des Elementes, so kann eine Spannung an den Elektroden 3 und 4 abgegriffen werden. Diese Spannung kann als Offsetspannung des Hallelementes angesehen werden. Sie ist abhängig vom Winkel Q (Q = 0 in der Diagonalen des Hallelementes festgelegt), in der Druck oder Zug in Beachtung der Lage zu den Kristallachsen auf das Hallelement wirken. Abb. 11.24. Transversalwelle Verschiebung nur senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, auch Scherwellen genannt. Abb. 11.25. Lambwellen (Plattenwellen) Wellen in plattenförmigen Körpern, deren Dicke kleiner ist als die halbe Wellenlänge. Abb. 11.26. Rayleighwellen (Oberflächenwellen) Wellen an der Oberfläche von Körpern. Abb. 11.22. Anordnung des Hallelementes als Kandasensor auf einer dünnen Siliziummembran zur Messung des Druckes in Relation zum Referenzdruck.
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