Halbleitertechnologie für Drucksensoren #####

Druck-Sensoren werten seit alters her die Widerstandsänderung eines Dehnungsmessstreifen bei seiner mechanischen Verformung in einer Wheatstone-Brücke aus. Im Zeitalter der Dünnschichttechnik kann eine solche Struktur mit hoher Präzision stabil realisiert werden, Nichtlinearitäten beseitigt der nachgeschaltete Mikrocontroller mit geeigneten Algorithmen.

Druck-Sensoren werten seit alters her die Widerstandsänderung eines Dehnungsmessstreifen bei seiner mechanischen Verformung in einer Wheatstone-Brücke aus. Im Zeitalter der Dünnschichttechnik kann eine solche Struktur mit hoher Präzision stabil realisiert werden, Nichtlinearitäten beseitigt der nachgeschaltete Mikrocontroller mit geeigneten Algorithmen.

Das in Kaufbeuren im Allgäu ansässige Familienunternehmen Sensor-Technik Wiedemann (STW – www.sensor-technik.de) setzt für die Entwicklung seiner Druck-Sensoren das ganze Spektrum zeitgemäßer Verfahren ein. Vom Laserschweißen der Druckzelle bis zur Simulation der mechanisch/ elektronischen Eigenschaften mit einer aufwendigen FEM-Software (Finite Elemente Methoden) wird praktisch keines der zeitgemäßen Hilfsmittel ausgelassen, um einen stabilen, genauen und kostenoptimierten Druck-Sensor produzieren zu können. Nahezu alle Anforderungen an eine Druckmesszelle für den industriellen Einsatz drehen sich um die Langzeitstabilität; das reicht vom Edelstahl der Zelle und dessen Verarbeitung bis zur Wahl des Beschichtungsmaterials. Dabei muss die Zelle mechanisch so auslegt werden, dass eine maximale Dehnung bzw. Stauchung an der Messzellenoberfläche mit den Forderungen nach gleichmäßiger Belastung und Dauerfestigkeit in Einklang gebracht wird. Als Beschichtungsmaterial setzen die Wiedemann-Entwickler neben NiCrAl auf Titanoxinitrid (Ti-ON), entwickeln jedoch für die Zukunft andere Schichtsysteme. TiON zeichnet sich aus durch einen K-Faktor von 5 (NiCrAl = 2), es ist zudem bis 300 °C temperaturbeständig; NiCrAl ist nur bis 120 °C belastbar. Die Schicht wird in einer Vakuumkammer durch Ionenzerstäubung („Sputtern“) eines Titan-Targets in einer genau eingestellten Sauerstoff-Stickstoff-Atmosphäre abgeschieden. Der Temperatur-Koeffizient der Schicht kann über die Prozessführung eingestellt werden zwischen –200 und +200 ppm/K.

Der englische Sensor-Spezialist Sens-Dev (www.senspecial.com) bietet so genannte Differenzdruck-Transmitter der Baureihe SDT an (Bild 3), die für die Umsetzung des mechanischen Drucks in ein elektrisches Ausgangssignal Halbleiter-Piezo-Elemente verwenden. Deren Ausgangsspannung wird von einem ASIC aufbereitet und als industrieübliches „4 bis 20 mA“-Signal ausgegeben. Zusätzlich steht über eine I2C-Schnittstelle der Messwert in digitaler Form zur Verfügung. Die Firma Gems Sensors & Controls (www.gemssensors.com) setzt bei ihren neuen Druck-Sensoren der Serie 3100 auf die Silzium-Dünnschicht-Technik. Die Messelemente sind ganz in Edelstahl gehalten, ihr Durchmesser beträgt knapp 25 mm. Der Messbereich erstreckt sich bis 220 MPa (2200 bar), zusätzlich wird auch die Temperatur an der Messstelle mit ermittelt und ausgegeben. Die Messgenauigkeit beträgt 0,25 % vom Endwert, die Langzeitdrift weniger als 0,1 % pro Jahr, und das über die gesamte Skala.

Gems hat für die Signalaufbereitung des Sensor-Elementes ein eigenes ASIC entwickelt und dafür, nach eigenen Angaben, in einem nicht unerheblichen Maße investiert. Dadurch kann das Unternehmen die Druck-Sensoren nach Kundenwunsch für die Ausgabe des Messsignals mit den verschiedensten Schnittstellen ausstatten. Gems unterhält drei Produktionsstätten; in einer wird das Sensor-Element gefertigt, in den beiden anderen – in England und in den USA – finden Endmontage und Test der Sensoren statt. jw

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Intelligente Sensoren: Trends und Technologien

Es folgen die üblichen Prozessschritte Belackung und Belichtung durch eine Maske (Bild 1), die mit Hilfe einer FEM-Software auf mehrere Ziel-Parameter hin per Simulation optimiert wurde. Dazu zählt die Festigkeit des Designs gegenüber Lastwechseln ebenso wie die Minimierung der Nullpunkt-Drift und der Prozess-Streuungen. Bei der Optimierung der Linearität etwa wurde die Geometrie so ausgelegt, dass sich das Element bei Ausdehnung der Membran versteift. Da sich mit dem FEM-Programm neben dem mechanischen Verhalten auch die Stromdichten in der Struktur berechnen lassen, erhält die Struktur noch eine Art Feinschliff durch die Optimierung.

Der Druckschalter P01 von STW nutzt die in Dünnschicht-Technik gefertigte Druckmesszelle für die Überwachung des Hydraulikdrucks in Arbeitsmaschinen und Nutzfahrzeugen. Der Druckschalter ist für Druckbereiche von 1 bis 80 MPa (10 bis 800 bar) erhältlich, als Ausgang stehen ein bzw. zwei NPN- bzw. PNP-Transistor-Schaltausgänge mit einem maximalen Schaltstrom von 0,5 A zur Verfügung. Mit der elektronischen Kompensation des Temperaturgangs von 0 bis 80 °C wird in diesem Bereich 1 % Schaltgenauigkeit vom Skalen-Endwert erreicht. Der Arbeitsbereich des Schalters erstreckt sich über 190 Grad, von –40 bis +150 °C. Wahlweise kann der Schalter als Drucktransmitter mit einem analogen Ausgang oder einer CAN-Schnittstelle geliefert werden, die Produktbezeichnung lautet dann M01 bzw. M01-CAN. Da das Unternehmen seine Entwicklungsprozesse entsprechend ISO/TS 16949 implementiert hat und mittlerweile zertifiziert wurde, können die Sensoren auch im Bereich Automotive eingesetzt werden.

Sensortechnics (www.sensortechnics.com) bietet mit seiner neuen HDO-Serie Druck-Sensoren auf Basis piezoresistiver Silizium-Elemente an (Bild 2). Dabei wird die Widerstandsänderung des Siliziums bei Belastung mit Druck oder Zug in einer Brückenschaltung ausgewertet. Silizium weist einen wesentlich höheren k-Wert auf als Konstantan (k = 2), er kann – je nach Dotierung – zwischen +150 und –150 liegen. Für eine einfache Leiterplatten-Montage sind die Sensoren als SMD-Bausteine ausgeführt. Sie können in verschiedenen Druckmessbereichen geordert werden, die Endwerte liegen zwischen 10 hPa (mbar) und 1 MPa (10 bar). Die Genauigkeit über den gesamten Messbereich gibt der Hersteller mit ±0,5 Prozent vom Skalenendwert (FSS – Full Scale Span) an. Der Messwert wird sowohl analog als auch digital ausgegeben. Für die Ausgabe der digitalen Werte wurde die SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface) vorgesehen, auf Kundenwunsch werden eine I²C-Schnittstelle oder Schaltausgänge implementiert. Die Sensoren sind in speziellen Ausführungen erhältlich, etwa für eine Spannungsversorgung mit 3 V oder im DIP bzw. SIL-Gehäuse (Dual In-line Package/Single In-Line).