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Industrielle Automation 4/2017

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SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK “Nachgefragt” Druckaufnehmer – Druckverhalten, Linearität und was sie auszeichnet Der Markt bietet eine Reihe an Drucksensoren, denen unterschiedliche physikalische Messverfahren zu Grunde liegen. Piezoresistive Druckaufnehmer beispielweise zeichnen sich durch ihre hohe Empfindlichkeit aus, sind sehr genau und lassen sich durch ihre kompakte Bauweise in viele Systeme integrieren. Doch wie sieht das Druckverhalten dieser Sensoren aus und worauf sollten Anwender achten. Anwender piezoresistiver Druckaufnehmer erwarten ein lineares Druckverhalten, bei dem das Ausgangssignal proportional zum anstehenden Druck ist. Darum soll die Kurve im Druck-Signal-Diagramm eine Gerade sein, deren Anfangspunkt mit Nullpunkt und deren Steigung mit Empfindlichkeit bezeichnet wird. Der wirkliche Verlauf der Druck-Signal-Kurve zeigt immer mehr oder weniger starke Abweichungen von der idealen Geraden. Diese Abweichung ist der Linearitätsfehler des Druckaufnehmers. Die Steigung der Kurve entspricht dagegen der Empfindlichkeit. Von welchen Faktoren hängt die Empfindlichkeit ab? Karl-Heinz Löprich ist Verkaufsleiter bei der STS Sensoren Transmitter Systeme GmbH in Sindelfingen chanische, chemische oder kombinierte Bearbeitung festgelegt. Diese Prozesse lassen sich nicht so genau kontrollieren, dass alle Druckmesszellen die genau gleiche Empfindlichkeit aufweisen. Deshalb werden Klassen gebildet, innerhalb derer die Druckaufnehmer für einen bestimmten Druckbereich eingesetzt werden können. Innerhalb dieser Klassen können die Empfindlichkeiten um etwa ± 20 % streuen. Diese Abweichung kann durch den Speisestrom oder den Verstärkungsfaktor in der Elektronik kompensiert werden (Kalibrierung). Linearität hat ihre Tücken Bei Linearitätsangaben in Prozent muss beachtet werden, dass dabei meist % FS (Full Scale, Endwert) angegeben werden. Bezogen auf einen Messwert kann der Fehler also durchaus stark ins Gewicht fallen, auch wenn laut Hersteller ein sehr kleiner Wert, aber eben als % FS, angegeben wird. Bei der Druckmesszelle hängt die Linearität von mehreren Faktoren ab: n die Halbleiterwiderstände müssen genügend klein und an der richtigen Stelle der Siliziummembrane eindiffundiert sein, n die Siliziummembrane muss sauber, scharfkantig und genau am richtigen Ort sein, n die Linearität ist unterschiedlich, ob Über- Die Empfindlichkeit eines Druckaufnehmers hängt im wesentlichen von zwei Faktoren ab. Das sind der Widerstandswert der eindiffundierten Halbleiterwiderstände und ihr piezoresistiven Wirkungsfaktor sowie die Dicke der Siliziummembrane. Die Dicke der Siliziummembrane hat den größten Einfluss auf das Druckverhalten. Sie wird durch meoder Unterdruck gemessen wird, das heißt ob sich die Membrane in konkaver oder konvexer Form baucht (Zug- oder Druckbelastung), n das Verhältnis Durchmesser zu Dicke der Siliziummembrane muss innerhalb eines bestimmten Bereiches sein. Sehr dünne Membranen deformieren sich mit einer überlagerten Streckung: Dieser Balloneffekt führt bei Aufnehmern für tiefe Druckbereiche zu einem typischen s-förmigen Verlauf der Linearitätskurve, Präzise Messtechnik STS Sensoren Transmitter Systeme entwickelt, produziert und vertreibt hochwertige Druckaufnehmer, Drucksensoren, Niveausonden und Datenlogger sowie Messinstrumente für unterschiedlichste Anwendungen. Dazu zählen viele Anwendungen des Maschinen- und Anlagenbaus, der Chemie und in der Prozessautomation sowie die Überwachung von Schmutzwasser, Produkte für die Niveau- und Druckregulierung im Bereich der Wasserversorgung. 14 INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2017

SENSORIK UND MESSTECHNIK 01 Piezoresistive Druckaufnehmer gibt es in zahlreichen Ausführungen, deren hohe Zuverlässigkeit selbst bei explosionsgefährdeten Anwendungen eine feste Konstante darstellt n bei sehr dicken Siliziummembranen ist die beabsichtigte Struktur der am Rand starr eingespannten Membrane nicht mehr realisierbar, da zum Beispiel bei einem 1 000 bar Aufnehmer die Membrane halb so dick ist wie der Chip. Überlast und Berstdruck piezoresistiver Druckaufnehmer Der typische Verlauf der Linearitätskurve ist in einem großen Teil recht linear und dann eher stark abflachend. Im Interesse eines möglichst großen Ausgangssignals wird der größtmögliche Bereich dieser Kurve ausgenutzt. Bis etwa zwei Drittel ist der Verlauf so linear, dass der Fehler kleiner als 0.5 % FS ist. Darüber wird der Linearitätsfehler schnell größer, so dass eine Grenze von der Genauigkeit her gesetzt ist. Außer bei sehr tiefen und sehr hohen Druckbereichen kann der Nenndruckbereich um etwa 50 % überschritten werden, bis die Messzelle bricht. Um die Überlastsicherheit zu erhöhen, muss auf ein hohes Nutzsignal verzichtet werden: Man muss einen Druckaufnehmer verwenden, der an sich für einen höheren Druckbereich bestimmt wäre. 02 Ein praktisch linearer Teil der Kennlinie wird ausgenutzt, wenn der Aufnehmer mit geringerer Empfindlichkeit eingesetzt wird; durch Selektion können Transmitter mit sehr geringer Nichtlinearität (Stichwort 0.05 %FS) gebaut werden. Voraussetzung ist aber, dass der Einsatzbereich im linearen Teil des Chips liegt. Während beispielsweise bei kapazitiven Druckaufnehmern ein mechanischer Anschlag für die sich unter Druck durchbiegende Membrane vorgesehen werden kann und eine sehr hohe Überlastfestigkeit gewährleistet wird, ist dies bei den vergleichsweise winzig kleinen Siliziummembranen der piezoresistiven Druckmesszellen mit ihren kleinsten Auslenkungen kaum möglich. Bei STS ist der Berstdruck der Druck, bei dem ein Medium in den Sensor gelangen kann, also die metallische Membrane zerstört wird. Der Aufnehmer ist allerdings bereits vorher nicht mehr funktionsfähig. Das geschieht bereits wenn der Chip bricht. Bei Tauchsonden sind Gehäuse, Kabelverschraubung und Kabel maßgebend, nicht der Berstdruck des Aufnehmers. Fotos: Aufmacher Fotolia, sonstige STS Sensors www.stssensors.de IC-Haus.indd 1 18.07.2017 09:41:23 INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2017 15