Drucksensoren: Definitionen und Begriffe Genaue Ungenauigkeiten

MEMS-Drucksensoren zählen zu den mikroelektromechanischen Wunderkindern: Der Beitrag gibt Anwendungstipps und macht auf häufige Fehler- und Irritationsquellen aufmerksam. Ergänzend werden Definitionen wichtiger Begriffe vorgestellt.

In vielen Anwendungen ist es erforderlich einen mikroelektromechanischen (MEMS) Drucksensor zu integrieren. Das Einhalten von Normen oder internen Vorgaben ist jedoch nicht so ohne weiteres in die Spezifikation eines Drucksensors umzusetzen. Eine weitere Schwierigkeit stellen die in den ­Datenblättern enthaltenen hersteller- und produktspezifischen Begriffsunterschiede dar. Diese verkomplizieren die Entscheidung, welcher Sensor der geeignete ist. Bei der Entwicklung und Herstellung eines Produktes, bestimmt oft der vorgegebene Preis des Sensors die Spezifikation. Wird kein dazu passender Sensor gefunden, werden die Anforderungen an das Produkt solange reduziert, bis der Zielpreis erreicht ist. In der Medizintechnik ist es genau umgekehrt. Hier bestimmen Normen und Vorgaben bezüglich der Funktionalität des Endgerätes die Spezifikation des Sensors. Erst im zweiten Schritt gilt es, herauszufinden, wie kostengünstig der Sensor unter Einhaltung der Vorgaben herstellbar ist. In beiden Fällen ist es erforderlich, die beschreibenden Parameter des Produktes zu verstehen. Da wesentliche Begrifflichkeiten von Unternehmen zu Unternehmen unterschiedlich sind, kommt es häufig zu Verwechslungen und Missverständnissen. Um diese zu vermeiden, ist es wichtig, Definitionen von Beginn an festzulegen. Aus diesem Grund ist es hilfreich, zu ergründen, wie die einzelnen Parameter bestimmt oder gemessen werden.

Im Folgenden geht es um häufige Verwechslungen von Parametern bei Sensoren. Dabei wird die Verwechslung aus Sicht des Sensorherstellers erläutert.

Genauigkeit versus Präzision

Die Begriffe Genauigkeit und Präzision werden häufig gleichbedeutend als Synonyme verwendet. Doch es gibt Unterschiede. Bild  1 und Bild 2 verdeutlichen den Unterschied zwischen beiden Spezifikationen. Bild 1 zeigt die Präzision als statistische Verteilung von Mess­punkten mehrerer Sensoren am gleichen Arbeitspunkt. Im Vergleich dazu ist die Genauigkeit als Abstand eines tatsächlichen Wertes eines Sensors zum Ziel- oder Vergleichswert zu erkennen. Bei präzisen Sensoren sind die Messwerte enger verteilt, bei genauen Sensoren liegen sie näher am geforderten Wert. Bild 2 zeigt, wie sich Präzision und Genauigkeit am Beispiel von Farbpunkten auf Zielscheiben unabhängig voneinander verändern können.
In der Regel weisen Sensoren aus einer Charge eine hohe Präzision auf. Die Genauigkeit kommt durch den individuellen Abgleich oder die Justierung zustande. Für kritische Anwendungen ist es daher empfehlenswert, bei der Bemusterung von Sensoren mehrere Produktionschargen zu testen. So kann nicht nur eine Aussage über die chargenabhängige Genauigkeit, sondern auch über die Präzision zwischen den Chargen getroffen werden.

Genauigkeit versus Auflösung

Noch häufiger als die Begriffe Genauigkeit und Präzision werden die Begriffe Genauigkeit und Auflösung miteinander vertauscht. Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: Häufig folgt auf die Frage nach der benötigten Genauigkeit eines des Sensors, die Antwort 13 oder 14 bit.
Die Auflösung eines Sensors ist jedoch die kleinste Signaländerung, die er verlässlich anzeigen kann. Es ist wichtig, die Auflösung zu kennen, um den geringsten messbaren Druckunterschied bestimmen zu können. Ist die Auflösung nicht der limitierende Faktor, so ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ausschlaggebend. Ein Ana­­log/Digital-Wandler (ADC), der den gleichmäßigen Output eines Analogsensors für den Gebrauch in einer digitalen Kontrollanwendung quantisiert, hat eine umso höhere Auflösung je größer die Anzahl der Bits ist. Bild 3 zeigt den Unterschied zwischen der Auflösung und der Genauigkeit bei der Quantisierung des Sensor­outputs. Ob die A/D-Wandlung des Signals außerhalb des Sensors (bei Drucksensoren mit analogem Ausgangsignal) oder im Sensor (Sensoren mit digitalem Ausgangsignal) erfolgt, ist für diese Betrachtung nicht relevant. Entscheidend ist die Anzahl der Bits, die für die Anwendung zur Verfügung stehen.

Genauigkeit definieren /Sensoren vergleichen

Es gibt viele unterschiedliche anerkannte Formate zur Messung und Definition der Genauigkeit. Das macht es schwierig, die Genauigkeit von Produkten mit Produkten anderer Firmen zu vergleichen. Die Genauigkeit wird für gewöhnlich anhand von Ungenauigkeiten oder Fehlern definiert. Mit der folgenden Beschreibung möglicher Fehler können die Datenblätter verschiedener Hersteller von Drucksensoren leichter miteinander verglichen werden.