1 Überblick über die Sensorik

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142 4.1 Resistive Kraft- und Drucksensoren 4.1.2 Metallfolien-Dehnungsmeßstreifen 143
Die Querempfindlichkeit (nicht zu verwechseln mit der Sensorempfindlichkeit gegenüber
einer Lateraldehnung!) aller resistiven Drucksensoren gegenüber der Temperatur
ist ein fundamentales Problem, das angesichts der ohnehin niedrigen Meßsignale bei
Metall-DMS eine besondere Bedeutung gewinnt. Dabei müssen sowohl der Temperaturkoeffizient
α T
R
des DMS-Widerstands (auch TK R oder TC R genannt), der Temperaturkoeffizient
α T
E
des Elastizitätsmoduls E des Trägersubstrats (TK E oder TC E ),
wie auch der Temperaturkoeffizient α T k des k-Faktors (TK k oder TC k ) berücksichtigt
werden. Einen weiteren temperaturabhängigen Störeffekt liefert die unterschiedliche
thermische Ausdehnung (Bimetalleffekt, s. Band 1, Abschnitt 5.3) von Dehnungsmeßstreifen
und Trägersubstrat, so daß wir – bei Annahme linearisierter Temperaturabhängigkeiten
und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α T l,S und α T
l,DMS
im
DMS und Substrat – insgesamt erhalten [4.2]:
Bild 4.1.2-1
Aufbau eines Metall-Dehnungsmeßstreifens (DMS), der bei einer Kraft– oder
Druckmessung über eine Zwischenisolation auf einem Substrat (Federkörper) aufgebracht
wird (Folientechnologie, nach [4.1]). Bei einer Kraft- oder Druckeinwirkungen
entstehen im Federkörper elastische Verformungen (z.B. Dehnungen), die auf
den DMS übertragen werden und dort eine Widerstandsänderung erzeugen. Der
Meßeffekt ist am größten, wenn die Dehnung parallel zu den Widerstandsbahnen
verläuft. Zur Vergrößerung des Widerstandes werden viele Metallbahnen, meist in
einer Mäanderform (um kleine Sensorabmessungen zu erhalten) hintereinandergeschaltet.
Bei Metall-DMS reduziert sich der k-Faktor (4.1-6) auf den geometrisch bestimmten
Anteil:
Da die Dehnung ε des DMS möglichst auf den elastischen Bereich einschränkt werden
sollte, darf auch bei Werkstoffen mit einer ausgeprägten Streckgrenze (Band 1, Abschnitt
3.2.1) in der Regel ein Wert von 0,1% nicht überschritten werden, d.h. die relative
Widerstandsänderung ist in praktisch vorkommenden Fällen meist weit kleiner als 10 -3 .
Als meßtechnische Schwierigkeit kommt hinzu, daß wegen des niedrigen spezifischen
Widerstandes von Metallen die Widerstände niedrige Werte annehmen. Aus diesem
Grund wird meist die Länge des DMS durch eine Mäanderform geometrisch vergrößert
(s. Bild 4.1.2-1), so daß z. B. ein Standardwert von 350Ω erreicht wird. Bei der praktischen
Messung muß der Einfluß des Zuleitungswiderstandes berücksichtigt werden
(d.h. es gelten dieselben Gesichtspunkte wie in Abschnitt 3.3.6), aus diesem Grund – und
weiteren (große relative Empfindlichkeit, da die Brückenspannung im Brückengleichgewicht
Null wird, wirkungsvolle Temperaturkompensation bei abgestimmten Widerstands-TK
R s, s.u.) – werden die Metall-DMS häufig in Brückenschaltungen wie in
Bild 3.3.6-2b) und c) eingesetzt, d.h. die elektrische Messung erfolgt in Drei- oder Vierleitertechnik.
Die Optimierung des DMS bezüglich der Querempfindlichkeit gegenüber der Temperatur
erfolgt also durch die Bedingungen
Die Auswahl der Substratwerkstoffe (Federwerkstoffe) erfolgt meist nach dem Kriterium
optimaler elastischer Eigenschaften, so daß deren Temperaturkoeffizienten
festliegen:
Bild 4.1.2-2 zeigt die Temperaturabhängigkeiten des Elastizitätsmoduls und des k-
Faktors verschiedener DMS-Materialien in einem Vergleich.