1 Ãberblick über die Sensorik
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180 4.1 Resistive Kraft- und Drucksensoren 4.1.6 Metall-Drucksensoren 181<br />
4.1.6 Metall-Drucksensoren<br />
Bei Anwendungen, <strong>die</strong> eine besonders hohe Zuverlässigkeit und Überlastsicherheit<br />
erfordern, sowie in der Präzisionsmeßtechnik dominieren weiterhin <strong>die</strong> Drucksensoren<br />
mit metallischem Federkörper. Ein metalltypischer Vorteil ist in vielen Fällen <strong>die</strong><br />
Duktilität des Federkörpers, <strong>die</strong> im Fall einer extremen Belastung den Sprödbruch<br />
verhindert (Band 1, Abschnitt 3.5). Weiterhin kann bei Metall-Drucksensoren der<br />
Werkstoff des Federkörpers mit dem des Drucksensorgehäuses identisch sein oder<br />
zumindest ähnliche Eigenschaften haben. Bei Spezialausführungen mit besonders<br />
hohen Zuverlässigkeitsanforderungen werden sogar Federkörper und Gehäuse aus<br />
demselben Werkstück gefertigt. Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist <strong>die</strong> Widerstandsfähigkeit<br />
des Federkörpermaterials gegenüber korrosiven Einflüssen aus dem zu<br />
messenden Medium. Auch hierbei haben Metalle in der Regel Vorteile. Nachteilig<br />
gegenüber den mikromechanisch hergestellten Silizium-Drucksensoren sind vor allem<br />
<strong>die</strong> weit höheren Fertigungskosten, so daß Metall-Drucksensoren überwiegend nur in<br />
der industriellen Technik, wenig aber in der Konsumtechnik eingesetzt werden können.<br />
Die Frage der Überlastsicherheit kann bei vielen Drucksensoranwendungen von entscheidender<br />
Bedeutung sein. Deshalb wird bei Drucksensoren häufig <strong>die</strong> Membrandurchbiegung<br />
durch ein mechanisches Gegenlager begrenzt (Bild 4.1.6-1), so daß <strong>die</strong><br />
Membran z.B. bei einer 10%igen Überschreitung der Nennlast aufliegt. Ein Bersten<br />
des Gebers darf erst bei einer 1000%igen Überlast, bzw. bei 1500 bar auftreten.<br />
Wie in Abschnitt 4.1.5 behandelt, können Dehnungsmeßstreifen direkt auf den<br />
Druckmembranen aufgebracht werden (Bild 4.1.6-1a). Eine Übertragung der Membranausbiegung<br />
auf <strong>die</strong> Meßfeder mit Hilfe eines Stößels (Bild 4.1.6-1b und c)<br />
bringt aber den Vorteil, daß z.B.eine thermische Belastung der Membran sich nicht<br />
unmittelbar auf den Meßfederkörper auswirkt und dort bleibende Veränderungen<br />
verursachen kann.<br />
Die Dehnungsmeßstreifen auf Metall-Drucksensoren können grundsätzlich sowohl<br />
in Dickschicht- (Band 1, Abschnitt 4.2.1, zur Zeit wird <strong>die</strong>se Technik für Metall-<br />
Drucksensoren selten angewendet) wie Dünnschichttechnik (Band 2, Abschnitt 8.2)<br />
aufgebracht werden, als Werkstoffe hierfür kommen Metallegierungen (Abschnitt<br />
4.1.2), aber auch polykristalline Halbleiter (Abschnitt 4.1.3) in Frage.<br />
Zur Senkung der Fertigungskosten werden Drucksensoren auch in einer Planartechnik<br />
(Band 2, Abschnitt 8.2) hergestellt. Kennzeichnend hierfür ist <strong>die</strong> gleichzeitige<br />
Herstellung vieler Drucksensorsysteme auf einer großen Scheibe (Wafer) aus einer<br />
Metall-Doppelschicht (Bild 4.1.5-11 unten). Die Kreisringmembranstruktur (Bild<br />
4.1.5-11 oben) wird durch selektives Wegätzen der Kupfer-Berylliumschicht erzeugt.<br />
Zur Vergrößerung der Empfindlichkeit können <strong>die</strong> Dehnungsmeßstreifen aus<br />
Polysilizium hergestellt werden.<br />
Bild 4.1.6-1<br />
Aufbau von Drucksensoren mit metallischem Federkörper: Die Durchbiegung der dem Druck ausgesetzten<br />
Membran kann direkt über Dehnungsmeßstreifen ausgewertet (a) oder über einen Stößel<br />
auf eine Biegebalkenkonstruktion mit integrierten DMS übertragen werden (b und c). Die Durchbiegung<br />
der Membran wird häufig durch ein mechanisches Gegenlager begrenzt. In vielen Fällen<br />
sind Bauelemente zum Abgleich des Sensors und zur Temperaturkompensation im Meßgehäuse integriert.<br />
a) Drucksensor nach [4.23] b) Drucksensor nach [4.24] c) Drucksensor nach [4.1]<br />
Typische Kenngrößen zur Charakterisierung von Drucksensoren, deren DMS praktisch<br />
immer in einer Brückenschaltung (Bild 4.1.6-2) angeordnet werden, sind das Nullsignal,<br />
der Kennwert (Empfindlichkeit), der Brückenwiderstand u.a (s. Anhang D).<br />
H. Schaumburg: Band 3 – Sensoren 1.5.2007 1.5.2007 H. Schaumburg: Band 3 – Sensoren