1 Überblick über die Sensorik

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