1 Ãberblick über die Sensorik
1 Ãberblick über die Sensorik
1 Ãberblick über die Sensorik
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
Seite 93<br />
184 4.1 Resistive Kraft- und Drucksensoren 4.1.7 Halbleiter-Drucksensoren 185<br />
Das Einsetzen von (5) und (6) in (2) ergibt für den Kennwert und dessen relativer<br />
Abweichung <strong>die</strong> Beziehungen [4.1]:<br />
Bezieht man <strong>die</strong> Abweichungen auf <strong>die</strong> Temperatur, dann erhält man wie in Abschnitt<br />
4.1.2 <strong>die</strong> Temperaturkoeffizienten:<br />
– Linearitätsabweichung in der Abhängigkeit ε(p):<br />
Die Dehnung nimmt nicht linear mit dem äußeren Druck zu. Dieser Fehler tritt<br />
insbesondere bei großen Auslenkungen des Federkörpers (z.B. bei Membranen<br />
mehr als <strong>die</strong> Membrandicke) in Erscheinung.<br />
Bei Drucksensoren entstehen Hystereseabweichungen (Anhang D) durch [4.1] …<br />
– Reibung und Setzung bei mehrteiligen (geschraubten oder geklemmten) Meßkörpern<br />
– Spannungsspitzen an Stellen im Meßkörper, <strong>die</strong> mit großen Dehnungen verbunden<br />
sind<br />
– Kriecheffekte (Band 1, Abschnitt 3.2.1).<br />
In den meisten Fällen kann <strong>die</strong> lineare Wärmedehnung α T<br />
d<br />
gegenüber den anderen<br />
Termen vernachlässigt werden. In <strong>die</strong>sem Fall wird <strong>die</strong> Temperaturabhängigkeit der<br />
Sensorempfindlichkeit wie bei den Metall-Dehnungsmeßstreifen in Abschnit 4.1.2<br />
minimiert durch eine Anpassung der TKs von k-Faktor und Elastizitätsmodul. Eine<br />
externe Temperaturkompensation kann erreicht werden durch Einfügen angepaßter<br />
temperaturabhängiger Widerstände in <strong>die</strong> Zuleitungen der Betriebsspannung (Bild<br />
4.1.6-5).<br />
Hysteresefehler von guten Federstählen liegen im allgemeinen unter 0,05%, bei dem<br />
wichtigen Federwerkstoff CuBe sogar noch weit darunter.<br />
Während bei Folien-DMS das Kriechen (Anhang D) des Klebers erheblich eingehen<br />
kann (Abschnitt 4.1.2), wird bei Dünnfilm-DMS im allgemeinen nur das Kriechen<br />
des Federkörpers wirksam. Für gute Federwerkstoffe (Abschnitt 4.1.5) ergeben sich<br />
hierfür niedrige Werte unterhalb von 0,02%.<br />
Bild 4.1.6-5<br />
Temperaturkompensation von Meßbrücken durch temperaturabhängige Widerstände<br />
(nach [4.1])<br />
Bei der Linearitätsabweichung (Anhang D) ist bei Drucksensoren von praktischer<br />
Bedeutung <strong>die</strong> …<br />
– Linearitätsabweichung des k-Faktors:<br />
Die Widerstandsänderung ist abhängig von der Größe der Dehnung. Dieser Effekt<br />
ist bei Metall-DMS in den meisten Fällen vernachlässigbar.<br />
4.1.7 Halbleiter-Drucksensoren<br />
Wie aus Bild 4.1.3-5 zu ersehen, können Dehnungsmeßstreifen in monokristallinem<br />
Silizium außerordentlich große k-Faktoren annehmen, so daß im Prinzip gegenüber<br />
Metall-DMS eine Vergrößerung der Empfindlichkeit erreicht werden kann. Da <strong>die</strong><br />
Herstellung monokristalliner Dünnfilme technologisch nur mit hohem Aufwand zu<br />
realisieren ist, bleibt als Ausweg, <strong>die</strong> gesamte Druckmembran aus monokristallinem<br />
Silizium herzustellen und <strong>die</strong> Dehnungsmeßstreifen in <strong>die</strong>se hineinzudiffun<strong>die</strong>ren.<br />
Silizium hat durchaus brauchbare Eigenschaften als Federwerkstoff: Es ist rein elastisch<br />
(mit konstantem Elastizitätsmodul) dehnbar bis zu einer Bruchdehnung von<br />
ca. 0,5%, wobei <strong>die</strong> Reproduzierbarkeit der Dehnung und <strong>die</strong> Hysterese nicht<br />
schlechter sind als bei anderen guten Federwerkstoffen (vgl. Abschnitte 4.1.5 und 6).<br />
Die Fertigung dünner großflächiger Membranen kann nach den Verfahren der Mikromechanik<br />
(Band 1, Abschnitt 3.4) erfolgen (Bild 4.1.7-1).<br />
H. Schaumburg: Band 3 – Sensoren 1.5.2007 1.5.2007 H. Schaumburg: Band 3 – Sensoren