1 Überblick über die Sensorik

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214 4.3 Induktive und kapazitive Kraft- und Drucksensoren 4.3 Induktive und kapazitive Kraft- und Drucksensoren 215
zoelektrischen Eigenschaften, d.h. bei Beschleunigungssensoren ist die Abhängigkeit
von der Richtung der Beschleunigung geringer. Mischkeramiken wie PZT haben in der
Regel eine größere Empfindlichkeit bei weit niedrigeren Materialkosten, nachteilig ist
jedoch die geringere Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität der piezoelektrischen
Eigenschaften, sowie ein größerer parasitärer pyroelektrischer Effekt.
Die Elektroden auf piezoelektrischen Elementen werden häufig über dünne Goldschichten,
sowie über Edelstahlkontakte hergestellt, als Isolationswerkstoff wird Teflon, Kapton
oder eine isolierende Keramik eingesetzt. Im Forschungsstadium befinden sich auch
Sensoren mit aufgesputterten (Band 2, Abschnitt 8.2.3) piezoelektrischen Schichten
(Bild 4.2.2-5).
Mechanische Kräfte oder Drücke können die reversible (elastische Verformung) oder irreversible
(Verschiebung ohne rücktreibende Kraft) Verlagerung von Körpern verursachen.
Wird auf diese Weise die Plattengröße oder der Plattenabstand von Kondensatorplatten
in definierter Weise verändert, dann läßt sich die einwirkende Kraft über eine
Kapazitätsänderung messen (kapazitive Drucksensoren, Bild 4.3-1). Alternativ dazu
bewirkt die Verschiebung eines hochpermeablen Kerns innerhalb oder außerhalb einer
Spulenwicklung die Veränderung der Induktivität der Spule (Band 1, Abschnitt 7.2, induktive
Druckaufnehmer, Bild 4.3-2).
Bild 4.3-1:
Kapazitive Wegaufnehmer (nach [4.40]): Die Kapazität eines Plattenkondensators
wird bestimmt durch die Formel
Bild 4.2.2-5
Aufbau eines Sensors mit aufgesputterter piezoelektrischer Dünnschicht (Aluminiumnitrid)
auf einer Siliziummembran (nach [4.39])
Beim Aufbau a) wird der Plattenabstand x, beim Aufbau b) die Fläche A variiert.
c) Aufbau eines keramischen Drucksensors (nach [4.42])
4.3 Induktive und kapazitive Kraft- und Drucksensoren
Bei den induktiven und kapazitiven Sensoren gibt es eine große Vielfalt von mechanischen
Ausführungen und elektrischen Meßtechniken, die häufig auf die speziellen Bedingungen
bei der Anwendung angepaßt sind.
Bei den kapazitiven Sensoren bieten mikromechanische Verfahren für den Werkstoff
Silizium (s. Abschnitt 4.2.6) neue Möglichkeiten zur Herstellung extrem empfindlicher
und dennoch kostengünstig zu produzierender Ausführungen [4.43 und 44]. Diese
Technik ermöglicht die Fertigung sehr dünner und damit mechanisch leicht und schnell
auslenkbarer Siliziummembranen mit reproduzierbaren Eigenschaften. Die Auslenkung
der Membran läßt sich auf einfache Weise kapazitiv erfassen (Bild 4.3-3).