EBV/Sensata Technologies Drucksensoren: Aus dem Auto für die Industrie

Was tun, wenn Kunden aus der Industrieautomatisierung immer wieder nach einem genauen und qualitativ hochwertigen Drucksensor suchen, den es so aber bisher nicht gibt? Im Rahmen der »EBVchips« hat der Distributor EBV Elektronik zusammen mit dem Sensorhersteller Sensata Technologies einen bestehenden Automotive-Drucksensor für die Automatisierung angepasst.

Man nehme einen Drucksensor, der jedes Jahr in Millionenstückzahlen für den Einsatz im Auto gefertigt wird, versehe ihn mit einer speziellen 4/20-mA-Schnittstelle für den industriellen Einsatz, und fertig ist ein neuer Drucksensor, der trotz Spitzenqualität und hervorragender technischer Daten besonders preiswert ist. Dieses »Kochrezept« - komprimiert und vereinfacht in wenigen Zeilen - zeigt, mit welcher Vorgehensweise EBV Elektronik bei der Definition und Entwicklung seines neusten Produkts »Titan« im Rahmen der »EBVchips« vorgegangen ist.

Nachdem viele Kunden aus dem industriellen Umfeld sich bei den über 120 FAEs des Distributors immer wieder nach preisgünstigen, aber sehr genauen und qualitativ hochwertigen Drucksensoren erkundigt haben, begann hausintern die Suche nach einer Lösung. Mit dem niederländisch-amerikanischen Unternehmen Sensata Technologies fand EBV Elektronik schließlich den passenden Partner zur Umsetzung des Projekts Titan.

Sensata fertigt 75 Millionen Drucksensoren in kapazitiv-keramischer Technologie pro Jahr für die Automobilbranche, die zwar den strengen Automotive-Qualitätskriterien entsprechen, aber allesamt über einen ratiometrischen 0/5-V-Ausgang verfügen. Da in der Industrie jedoch ein 4/20-mA-Ausgang üblicher Standard ist, waren die Sensoren ohne die Stromschnittstelle bisher nur für sehr bestimmte Applikationen in der Industrie ein-setzbar.

Keramik als Basis

Seit 1985 fertigt Sensata Drucksensoren auf Basis seiner Keramiktechnologie. Diese Sensoren kommen im Automobil an vielen verschiedenen Stellen zum Einsatz, wobei ein Drucksensor für den Kompressor-Kreislauf der Klimaanlage im Auto damals die erste Applikation war. Mittlerweile hält der Hersteller in dieser Anwendung einen weltweiten Marktanteil von über 80 Prozent.

Weiterentwickelte Varianten dieses keramischen Drucksensors sind mittlerweile in automatischen Getrieben, Kraftstoff-Anwendungen für Niederdrucksysteme (Diesel) oder zur Öldruckmessung im Einsatz. Sensata fertigt mit dieser Technologie Drucksensoren, die vom Unterdruckbereich bis hinauf zu 80 bar arbeiten.

Das Basiselement des Sensors besteht aus einem etwa 3 mm dicken Keramiksubstrat (Bild 1) sowie einer etwa 0,6 mm bis 1,2 mm dünnen, flexiblen Keramikmem-bran, die im Glasbondverfahren in einem hochgenau definierten Abstand darauf befestigt ist. In ihrem Aufbau unterscheiden sich Sensoren mit unterschiedlichen Druckbereichen nur durch unterschiedlich dicke Membranen und durch elektronisches Kalibieren.

Auf beiden keramischen Teilen befindet sich jeweils eine dünne Goldschicht, die über Kontaktleitungen mit der Elektronik verbunden ist. Die beiden Goldschichten bilden einen Kondensator, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit vom Druck auf die Membran ändert, wobei die Kapazität dieses Kondensators im Bereich um 15 pF liegt. Mit Hilfe eines proprietären Lade-/Entlade-Verfahrens bewertet Sensata die Kapazitätsänderung relativ zu einem Referenzkondensator, um daraus eine Ausgangsspannung zwischen 0 V und 5 V zu erzeugen.

Dieses Verfahren hat sich über viele Generationen bewährt, zumal Sensata die Elektronik, die Kalibrierung und die Temperaturstabilität innerhalb der letzten Jahrzehnte systematisch verbesserte, während das grundsätzliche Verfahren immer gleich blieb. Jeder einzelne Sensor wird bei Raumtemperatur kalibriert. In der Fertigung werden die Sensoren bei +23 °C und +135 °C geprüft.

Auch im oberen und unteren Druckbereich erfolgt eine Kalibrierung. All diese Maßnahmen erfolgen rein analog ohne den Einsatz von Digitalelektronik. Dieses Verfahren hat sich bewährt und sowohl in der Fertigung als auch im Betrieb als äußerst stabil erwiesen. Innerhalb eines Kernbereichs weisen die Sensorelemente eine ziemlich lineare Kennlinie auf; lediglich am unteren und oberen Ende des Messbereichs kommt es zu größeren Nichtlinearitäten.

Andere Ausgangsbeschaltung

Damit die Sensoren auch im Industriebereich zum Einsatz kommen können, benötigen sie einen 4/20-mA-Ausgang. Auf Initiative von EBV Elektronik entstanden jetzt die »Titan«-Drucksensoren mit einer industrietauglichen Ausgangsschnittstelle, wobei der Distributor gemeinsam mit Sensata eine nachgeschaltete Elektronik zur Umwandlung des 0/5-V-Signals in einen Ausgangsstrom von 4 mA bis 20 mA definiert hat (Bild 2).

Für die gesamte Definition auf der industriellen Schnittstellenseite war dabei EBV zuständig. EBV macht damit Sensatas ursprünglich für Automotive-Anwen-dungen entwickelte Drucksensor-Technologie auch den Industriekunden zugänglich, sodass die Sensoren auch in der Prozessautomatisierung und anderen Zweigen zum Einsatz kommen können. In diesem Fall sind die kompletten 4/20-mA-Sensorlösungen jene Titan-Produkte, die EBV im Rahmen seiner EBVchips-Aktivitäten exklusiv vermarktet.

EBV hat ja den Begriff »EBVchips« bewusst nicht nur auf Silizium begrenzt. Zu den EBV-Chips zählen auch Hybride, Leiterplatten, Module, Encoder oder in diesem Fall eben industrielle Sensoren im Einschraubgehäuse. Derzeit sind diese EBVchips-Drucksensoren in Messing-Ausführungen für die drei Druckbereiche 0 bar bis 10 bar, 0 bar bis 20 bar und 0 bar bis 35 bar sowie als Ausführung in rostfreiem Stahl für den Druckbereich 0 bar bis 45 bar erhältlich.

Bei Bedarf und entsprechendem Volumen sind EBV Elektronik und Sensata auch in der Lage, Varianten mit anderen Steckverbindern, unterschiedlichen mechanischen Anbindungen oder Gehäusen etc. zu fertigen. Derzeit sind die Drucksensoren gemäß IP65, IP67 und IP6K9 (alle mit Kabel) klassifiziert. Weil die Stromversorgung des Sensors über die Signalleitung erfolgt, kommen die Titan-Sensoren mit zwei Anschlussleitungen aus, die den in EMV-technisch schwierigen industriellen Umgebungen üblichen Anschlusslängen gemäß SAE-Spezifikation entsprechen.

Dabei sind die industriellen Drucksensoren gegenüber Einstrahlungen von bis zu 30 V/m immun. Über den gesamten Temperaturbereich von -20 °C bis +100 °C hinweg beträgt der Messfehler weniger als 2%; bei +25 °C macht der Messfehler über den gesamten Messbereich hinweg sogar nur 0,75% aus - und das über mehr als 10 Millionen spezifizierte Druckmesszyklen. Damit zählen diese Bauteile laut Hersteller zu den genausten auf dem Markt.

Die Betriebsspannung der verpolungsgeschützten Sensoren darf zwischen 6 V und 30 V liegen, aber auch Spannungen bis 39 V überstehen die Sensoren unbeschadet. Vibrationen bis 10 g mit einer Frequenz von 25 Hz bis 2000 Hz beeinträchtigen die Drucksensoren genauso wenig wie Stoßbeanspruchungen von 100 g aus einer beliebigen Richtung mit 6 Hz (halber Sinus). Stets liefern die UL- und RoHS-konformen, CE-zertifizierten Sensoren nach einer Antwortzeit von unter 10 ms ihr Messergebnis über den kostengünstigen, aber IP6K9-tauglichen Delphi-Packard-Steckverbinder zuverlässig nach außen.

Als Dichtungsmaterial für den internen O-Ring verwendet Sensata Neopren, HNBR und Fluorosilikon. Der Berstdruck entspricht jeweils dem fünffachen Messdruck. Mit ihrem Sechskant-Schraubanschluss (1/8 Zoll Male, 1/4 Zoll Female) eignen sich die Drucksensoren nicht nur für Einsätze in der industriellen Prozessautomatisierung sondern auch für Applikationen wie beispielsweise Pumpen und Kompressoren sowie HVAC (Heizung, Ventilation und Klimatisierung) und Gefriergeräte (Bild 3).

Im Rahmen der Prozessautomatisierung finden sich beispielsweise wichtige Anwendungen in den Bereichen Hydraulik, Pneumatik, Aufzüge, Flüssigkeiten und Gase. Zu den wichtigsten Pumpen- und Kompressorapplikationen gehören industrielle Reinigungssysteme, (Auto-)Waschanlagen, Hochdruckreiniger auf Wasserbasis, Wasser- und Hilfspumpen sowie pneumatische Systeme. Der Bereich HVAC und Gefriergeräte umfasst nicht nur industrielle Gefriertechnik sondern auch Gebäudeautomatisierung, Wärmepumpen sowie Kühl- und Gefriergeräte für Lebensmittel und Einzelhandel.

Win-Win-Situation

»Über das große Netzwerk von EBV Elektronik haben wir Zugang zu einem völlig neuen Kundenkreis im Bereich der Industrieelektronik«, erklärt Roger Appelo, Business Development Manager für Sensorprodukte bei Sensata in Europa. »Andererseits erhält EBV Elektronik Zugang zu einer qualitativ sehr hochwertigen, rundum ausgereiften Sensortechnologie, die noch viel Potenzial birgt.

Aus unserer Sicht ist dies eine klare Win-Win-Situation. Durch die Massenfertigung der ent-sprechenden Automotive-Sensoren in Stückzahlen von mehreren zig Millionen Stück pro Jahr kann EBV die Drucksensoren zu einem sehr attraktiven Preis anbieten.« Die Entwicklung dieser EBVchips erfolgte teilweise in Holland und teilweise in den USA. Die Fertigung des kom-pletten Sensors inklusive Keramikfertigung wird in Mexiko erfolgen, wo Sensata auch die Automotive-Sensoren herstellt.

Vom Auto in die Consumer- und Industriewelt
Seit Ende 2011 muss jeder in der EU verkaufte Neuwagen über ein ESP-System zur Fahrstabilisierung verfügen. Kernelement eines jeden ESPs sind zwei Senoren: Ein Drehraten- und ein Beschleunigungssensor. Mitte der 1990er Jahre kamen die ersten ESP-Systeme auf den Markt, aber nur in Premium-Fahrzeugen, denn die Sensoren waren damals schwierig zu fertigen und sehr teuer. Kurz nach dem legendären »Elchtest« im Jahr 1997 gab es ESP-Systeme auf einem bis hinunter zur Kompaktklasse. Der Siegeszug des ESPs setzte mit dem Einsatz von qualitativ hochwertigen, aber relativ preisgünstig herstellbaren Drehraten- und Beschleunigungssensoren auf Halbleiterbasis ein. Heutzutage finden wir preisgünstige Drehraten- und Beschleunigungssensoren (auf MEMS-Basis) in praktisch jedem neuen Smartphone und den meisten Spielekonsolen, weil die Preise dieser Halbleitersensoren durch die Massenfertigung für das Auto drastisch sanken. Gleichzeitig gab es bei diesen Consumer-Sensoren keine nennenswerten Qualitätsprobleme, da die Automobil-Zulieferer bereits für eine sehr hohe Basisqualität bei der Fertigung gesorgt hatten. Analog hierzu hat auch EBV im Rahmen seiner »EBVchips« einen Drucksensor aus der Automobilindustrie genommen, ihn an die Bedürfnisse der Industrie angepasst und mit der passenden 4/20-mA-Schnittstelle versehen. Da diese Drucksensoren bereits seit vielen Jahren im Auto massenhaft zum Einsatz kommen, hat der Drucksensor-Hersteller die Qualität bestens im Griff, aber die Industriekunden dürfen sich über signifikante Preisvorteile im zweistelligen Bereich freuen, die sich durch die Fertigung in sehr hohen Stückzahlen ergeben.

Über den Autor:

Klaus Schlund ist Director EBVchips bei EBV Elektronik.