1 Überblick über die Sensorik

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188 4.1 Resistive Kraft- und Drucksensoren 4.1.7 Halbleiter-Drucksensoren 189
Die Herstellung von Silizium-Drucksensoren mit Temperaturkoeffizienten, die zu
denen von Metall-Drucksensoren (Abschnitt 4.1.6) vergleichbar sind, erfordert einigen
Aufwand, insbesondere wegen der vergleichsweise starken Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands und k-Faktors der Silizium-Dehnungsmeßstreifen (s. Abschnitt
4.1.3). Innerhalb gewisser Grenzen kann ein Optimum durch Auswahl der Dotierungsparameter
erreicht werden, in der Regel sind aber zusätzliche Maßnahmen in der
Auswerteelektronik erforderlich. Eine Reduktion der Temperaturabhängigkeit wird
durch eine Konstantstromspeisung der Brücke erreicht (Bild 4.1.7-3).
Bild 4.1.7-4
Temperaturabhängigkeit der Brückenspannung für verschiedene Halbleiterdotierungen
bei sonst gleichen DMS-Parametern. Durch Zuschaltung externer Widerstände
kann die Temperaturabhängigkeit weiter reduziert werden (nach [4.29]).
Bild 4.1.7-3
Temperaturstabilisierung durch Konstantstromspeisung der Meßbrücke eines Silizium-Drucksensors
(nach [4.28]): Bei einem konstanten Strom I bewirkt eine
Widerstandszunahme eine Vergrößerung der Betriebsspannung an der Brücke und
daher eine Vergrößerung des Brückensignals, welche eine Verminderung der Empfindlichkeit
ausgleicht.
Es wird davon ausgegangen, daß der Widerstand R der Meßbrücke aus Siliziumwiderständen
mit der Temperatur ansteigt, vgl. Abschnitt 3.3.3), der k-Faktor hingegen
mit der Temperatur abnimmt (vgl. Bild 4.1.3-5). In erster Näherung gilt:
Die Brückenspannung beträgt dann nach (4.1.6-5):
Die Temperaturkoeffizienten können durch die Dotierungskonzentration des Halbleiter-DMS beeinflußt
werden, d.h. bei etwa gleichen TKs von beiden wird die Temperaturabhängigkeit
der Brückenspannung minimal (Bild 4.1.7-4).
Konstant–Spannungsgespeiste Halbleiter-DMS-Meßbrücken können durch ein abgestimmtes
Widerstandsnetzwerk temperaturstabilisiert werden, haben dann aber kleinere
Ausgangsspannungen. Bei Präzisionsanwendungen ist für Silizium-Drucksensoren
grundsätzlich eine externe Temperaturkompensation erforderlich, die z.B. mit Hilfe eines
laser–abgeglichenen Dünnschicht–Widerstandsnetzwerks auf dem Sensor realisiert
werden kann.
Da in Silizium bei Temperaturen unterhalb von ca. 500 o C keinerlei plastische Verformung
auftritt, zeigen Siliziummembranen keine Ermüdungseffekte (Band 1, Abschnitt
3.7): Sie eignen sich daher insbesondere für große Lastwechselzahlen.
In Tab. 4.1.7-1 sind die Kenndaten von kommerziell erhältlichen Silizium-Drucksensoren
industrielle Anwendungen zusammengestellt.
Die in Bild 4.1.7-2 dargestellten aufwendig konstruierten Drucksensorgehäuse führen
zwangsläufig zu hohen Kosten, so daß die entsprechenden Sensoren nur im industriellen
Bereich und der Labormeßtechnik (s. Abschnitt 1) eingesetzt werden können.
Für viele Anwendungen in der Konsumtechnik und Kraftfahrzeugelektronik können
auch – bei weit verminderter Spezifikation – einfachere Gehäuse eingesetzt werden. Besonders
kostengünstig ist die Herstellung gespritzter Plastikgehäuse (Bild 4.1.7-5a) mit
einer Verbindungs- und Anschlußtechnik, die ähnlich wie bei Halbleiterbauelementen
(Band 2, Abschnitt 8.3) erfolgt. Auf diese Weise lassen sich Standard-Sensorelemente
herstellen, die ihrerseits in kundenspezifische Spezialgehäuse (Bild 4.1.7-5b) eingebaut
werden können.