1 Überblick über die Sensorik

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