Wie funktioniert ein piezoresistiver Drucksensor?
Aufbau und Prinzip eines Drucksensors
- Membran und Dehnungsmessstreifen:
Der Sensor besteht meist aus einer dünnen, flexiblen Membran, die unter Druck verformt wird. Auf dieser Membran sind Dehnungsmessstreifen (häufig aus Halbleitermaterialien wie dopiertem Silizium oder aus metallischen Legierungen) angebracht. Diese Streifen sind so positioniert, dass sie bei der durch den Druck induzierten Verformung entweder gedehnt oder gestaucht werden.
Hinsichtlich der Ausführung unterscheidet man zwischen Metallfolien-Sensoren (gebondete DMS-Rosette) und Halbleiterausführungen (Siliziumchip).
Jede dieser Ausführungen hat Vor- und Nachteile (z.B. bezogen auf Temperaturempfindlichkeit, Sensitivität, Stabilität). - Wheatstone-Brücke:
Die Dehnungsmessstreifen sind in einer Wheatstone-Brücke verschaltet. Diese Schaltung ermöglicht es, sehr kleine Widerstandsänderungen präzise in eine messbare elektrische Spannung umzuwandeln.
Wirkungsweise
- Druckeinwirkung und Membranverformung:
Wird ein äußerer Druck auf den Sensor ausgeübt, verformt sich die Membran. Diese Verformung führt dazu, dass an den angebrachten Dehnungsmessstreifen Längenänderungen (Dehnung/Stauchung) auftreten was zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands der DMS führt. Die Membrane stellt das sensitive Element dar, die verschiedenen Messbereiche werden durch änderung der Membrandicke erreicht. - Signalumwandlung:
Die veränderten Widerstandswerte der Streifen führen in der Wheatstone-Brücke zu einer Veränderung des Ausgangssignals (messtechnisch Ausschlagverfahren genannt), das proportional zur aufgebrachten mechanischen Spannung und somit zum Druck ist. - Signalaufbereitung:
Da das resultierende Spannungssignal oft sehr klein ist, wird es in der Regel verstärkt (interne oder externe DMS-Verstärker), eventuell digitalisiert und anschließend von einer Steuerelektronik weiterverarbeitet.
Frontbündige oder zurückversetzte Membran?
Frontbündige Membran
Bei einer frontbündigen Membran befinden sich die DMS dirkt unter der Membran. Diese wird dann mit Hilfe eines Lasers an das Gehäuse geschweisst. Das Messmedium (Flüssigkeit oder Gas) kommt unmittelbar mit der Membran in Kontakt. Die Membran muss für diese Median ausgelegt sein (z.B. Edelstahl, Titan)
Vorteile:
Schnelle Reaktionszeit, hohe Frequenzen: Da der Druck direkt auf die Membran wirkt, erfolgt eine nahezu unmittelbare Übertragung der mechanischen Verformung in das elektrische Signal.
Hohe Empfindlichkeit: Die direkte Druckübertragung ermöglicht eine präzise Messung auch bei kleinen Druckänderungen.
Nachteile:
Höhere Empfindlichkeit gegenüber Temperatur, Anzugsmoment beachten
Zurückversetzte Membran
Bei einer zurückversetzten Membran liegt die aktive Messfläche innerhalb eines Gehäuses oder hinter einer schützenden Abdeckung. Der Druck wird indirekt über ein Druckübertragungselement (z. B. eine Flüssigkeits- oder Gasfuge) auf die Membran übertragen.
Vorteile:
Erhöhter Schutz: Die Membran ist vor direkten Umwelteinflüssen, mechanischen Stößen und aggressiven Medien besser geschützt. Unempfindlich gegen Anzugsmomente.
Robustheit: Besonders in rauen Einsatzbedingungen bietet diese Bauweise einen besseren Schutz, was zu einer längeren Lebensdauer des Sensors beitragen kann.
Nachteile:
Da die Membran zurückversetzt ist können mit diesem Sensor nur statische oder sich sehr langsam ändernde Drücke gemessen werden (z.B. Hydraudlikdruck, Bremsdruck).