1 Überblick über die Sensorik

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4 Kraft- und Drucksensoren
4.1 Resistive Kraft- und Drucksensoren
4.1.1 Piezoresistiver Effekt
Neben der Temperaturmessung kommt der Kraft- und Druckmessung (Definitionen s.
Band 1, Abschnitt 3) die größte technische Bedeutung zu; Anwendungen reichen von
der Meteorologie (z.B. Luftdruck), Medizin (z. B. Blutdruck), Motorsteuerung (Ansaugdruck,
Öldruck u.a.) und Wägetechnik bis hin zu vielfältigen Einsatzmöglichkeiten
in der Mechanik (Belastung, Trägheit, Kraftausübung, etc.).
Die Grundlage der meisten Kraft- und Drucksensoreffekte ist die elastische Verformung
eines Festkörpers: In diesem Fall wirken die äußeren mechanischen Kräfte gegen
die interatomaren Bindungskräfte, als Reaktion ergibt sich eine reversible Formänderung
(Band 1, Abschnitt 3.1). Plastische Formänderungen (Band 1, Abschnitt 3.2)
sind bei Drucksensoren meist unerwünscht, sie verändern bleibend die Sensorcharakteristik
und können bei Wechselbeanspruchung letztlich zu einem Ermüdungsbruch
(Band 1, Abschnitt 3.7) führen.
Allein die Formänderung eines Leiters unter Einfluß einer mechanischen Kraft wirkt
sich bereits auf den elektrischen Widerstand eines Meßkörpers aus und kann daher als
Grundlage für die Herstellung von resistiven Drucksensoren herangezogen werden
(piezoresistiver Effekt). Hierzu betrachten wir als einfachstmöglichen Fall die elastische
Verformung eines Quaders durch uniaxiale Kompression oder Dilatation (Band
1, Bild 3.1-5) in Bild 4.1.1-1.
Bild 4.1.1-1
Elastische Verformung eines Quaders der Länge l, der Breite b und der Dicke d
durch uniaxiale Kompression mit einer mechanischen Spannung σ. Eingezeichnet