Piezoresistive Drucksensoren

Aber was macht sie so besonders, und warum sollten Sie sich für diese Technologie entscheiden?

Im Folgenden werden wir Ihnen die Funktionsweise erklären und die Vorteile gegenüber anderen Drucksensoren aufzeigen, um Ihnen die Entscheidung für den richtigen Sensor zu erleichtern.

Der piezoresistive Effekt

Der piezoresistive Effekt beschreibt, wie sich der elektrische Widerstand eines Materials unter mechanischer Belastung verändert. Einfach ausgedrückt, ändert sich der Widerstand des Materials, wenn es Druck oder Zug ausgesetzt wird. Percy W. Bridgman entdeckte diesen Effekt bereits in den 1920er Jahren.

Der Effekt läuft wie folgt ab:

  • Phase 1: Zunächst kommt es zu einer mechanischen Verformung, wenn eine äußere Kraft (Zug oder Druck) auf das Material einwirkt. Dadurch wird die Kristallstruktur des Materials entweder gestaucht oder gedehnt.
  • Phase 2: In Halbleitermaterialien wie Silizium verändert die Verformung den Abstand zwischen den Atomen. Dies hat wiederum Auswirkungen auf die Beweglichkeit und Anzahl der Ladungsträger innerhalb des Materials.
  • Phase 3: Schließlich führt die veränderte Ladungsträgerdichte zu einer Änderung des elektrischen Widerstands des Materials. Je nachdem, wie das Material verformt wird, kann der Widerstand entweder steigen oder sinken.

Dieser Effekt wird in Drucksensoren genutzt, um Druckänderungen in elektrische Signale umzuwandeln.

Funktionsweise von piezoresistiven Drucksensoren

Piezoresistive Drucksensoren nutzen den oben beschriebenen Effekt, um Druck in ein messbares elektrisches Signal umzuwandeln. Das Herzstück bildet dabei oft ein Siliziumchip mit integrierten Widerständen. Die kompakte Bauweise der Technologie ermöglicht den Bau äußerst platzsparender Miniatur-Drucksensoren.

Bestandteile und Funktionsweise:

    1. Druckaufnahme: Der zu messende Druck wirkt auf eine Membran. Diese Membran kann aus verschiedenen Materialien bestehen, oft wird jedoch Edelstahl verwendet.
    2. Kraftübertragung: Die Membran gibt die durch den Druck erzeugte Kraft an einen piezoresistiven Widerstand weiter.

    1. Widerstandsänderung: Durch die Krafteinwirkung ändert sich der Widerstand des Halbleitermaterials. Silizium zeigt hier einen besonders starken Effekt. Seine Kristallstruktur verändert sich minimal unter Druck, was zu einer deutlichen Widerstandsänderung führt. Silizium ist wesentlich empfindlicher als metallische Dehnungsmessstreifen, was eine höhere Auflösung und Genauigkeit ermöglicht.

    1. Wheatstone-Brücke: Um die geringen Widerstandsänderungen präzise zu erfassen, sind die Widerstände in einer Wheatstone-Brücke angeordnet. Diese besteht aus vier Widerständen, von denen sich zwei auf der Membran in Bereichen mit Zugspannung und zwei in Bereichen mit Druckspannung befinden. Die Spannung an den Knotenpunkten der Brücke ändert sich proportional zur Widerstandsänderung und liefert so ein elektrisches Ausgangssignal, das mit dem anliegenden Druck korreliert.

    1. Signalkonditionierung: Das Ausgangssignal der Wheatstone-Brücke ist sehr klein und muss verstärkt werden. Eine integrierte Elektronik sorgt für Signalverstärkung, Linearisierung und Temperaturkompensation, da Widerstände temperaturabhängig sein können. Das konditionierte Messsignal wird anschließend in ein industrieübliches, normiertes Ausgangssignal (Spannung, Strom oder digital) gewandelt.

    1. Messzelle: Der Siliziumchip mit der Widerstandsbrücke ist empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Um das piezoresistive Messverfahren universell anwendbar zu machen, wird der Siliziumchip mit den Brückenwiderständen in eine sogenannte Messzelle verpackt. Die Messzelle besteht aus einem Edelstahlkörper mit einer dünnen Trennmembrane. Alle Komponenten werden dichtungslos miteinander verschweißt. Der Hohlraum zwischen Siliziumchip und Trennmembrane wird mit einem Fluid gefüllt, um den Prozessdruck übertragen zu können. Die so gekapselte Messzelle kann weitgehend unabhängig vom Medium universell eingesetzt werden. Sie bildet das Herzstück jedes piezoresistiven Drucksensors.

Piezoresistive Druckmessung vs. Resistive Druckmessung

Sowohl die piezoresistive als auch die resistive Druckmessung nutzen das Prinzip der Widerstandsänderung zur Druckmessung, aber es gibt wesentliche Unterschiede in ihrer Funktionsweise und ihren Eigenschaften.

  • Resistive Druckmessung (DMS): Bei der resistiven Druckmessung wird ein Dehnungsmessstreifen (DMS) verwendet, der auf ein Trägermaterial aufgebracht und mit dem zu messenden Objekt verbunden wird. Ändert sich der Druck, verformt sich das Objekt, wodurch sich der DMS dehnt oder staucht. Diese mechanische Dehnung führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstands des DMS.
  • Piezoresistive Druckmessung: Im Gegensatz dazu nutzt die piezoresistive Druckmessung den piezoresistiven Effekt in Halbleitermaterialien wie Silizium. Hierbei ändert sich der Widerstand des Materials direkt durch die Krafteinwirkung des Drucks, nicht durch eine mechanische Verformung des Objekts.

Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der Eigenschaften beider Technologien:

KriteriumPiezoresistiver DrucksensorResistiver Drucksensor (DMS)
MessprinzipWiderstandsänderung in Halbleitern durch den piezoresistiven EffektWiderstandsänderung durch mechanische Dehnung eines Metall- oder Halbleiterstreifens
EmpfindlichkeitSehr hoch Bis 300 mVUm einen Faktor 10 bis 100 geringer als piezoresistive Sensoren
Typische Messbereiche100 mbar bis 200 bar10 bar bis 1000 bar
Überlastfestigkeit4-fach vom Messbereich1,5-fach vom Messbereich
GenauigkeitTypisch 0,05%Typisch 0,1
LangzeitstabilitätSehr gut, kaum Drift oder Materialermüdung, da Silizium wie Glas hysteresefrei arbeitet.Schlechter, da mechanische Dehnung zu Materialermüdung führt

Welche Druckarten können von piezoresistiven Drucksensoren erfasst werden?

Piezoresistive Drucksensoren sind vielseitig einsetzbar und können verschiedene Druckarten erfassen. Die folgende Übersicht zeigt die gängigsten Druckarten und wie piezoresistive Sensoren dafür eingesetzt werden:

  • Relativdruck: Relativdrucksensoren messen den Druck im Verhältnis zum aktuellen Atmosphärendruck. Sie verfügen über eine Belüftungsöffnung, die den Sensor mit der Umgebung verbindet. Diese Sensoren werden mit “gauge” oder “g” gekennzeichnet. Anwendungsbeispiele sind die Messung des Reifendrucks oder des Füllstands in offenen Behältern. Mehrere Drucksensoren von DDM, wie z.B. der PV15, PV15H, PV22, PV22 TEDS, PV22H, PV22H², PV25H, PV25L, PX25H und PX25L, können Relativdruck messen.
  • Absolutdruck: Absolutdrucksensoren messen den Druck im Verhältnis zum absoluten Vakuum. Sie sind unabhängig von Schwankungen des Atmosphärendrucks. Diese Sensoren werden mit “absolute” oder “a” bezeichnet. Anwendungsbeispiele sind die Messung des Luftdrucks in Flugzeugen oder die Druckkontrolle in Vakuumanwendungen. Mehrere Drucksensoren von DDM, wie z.B. der PV15, PV15H, PV22, PV22 TEDS, PV22H, PV22H², PV25H, PV25L, PX25H und PX25L, können Absolutdruck messen.
  • Differenzdruck: Differenzdrucksensoren messen die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten. Sie werden häufig zur Überwachung von Filtern, Durchflussmessungen oder zur Füllstandsmessung in geschlossenen Behältern eingesetzt. Die Differenzdruck Sensoren PV2722, PV2722H und PV2722L von DDM sind für die Messung von Differenzdrücken geeignet.

DDM Sensors bietet ein breites Spektrum an piezoresistiven Drucksensoren für verschiedene Druckarten und Anwendungen.

Vorteile von piezoresistiven Drucksensoren

Piezoresistive Drucksensoren bieten gegenüber anderen Druckmesstechnologien, insbesondere der resistiven Druckmessung mit Dehnungsmessstreifen (DMS), eine Reihe von Vorteilen. Diese Vorteile machen sie für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv:

  • Höhere Präzision: Piezoresistive Sensoren zeichnen sich durch eine höhere Empfindlichkeit aus, was zu einer besseren Auflösung und Genauigkeit bei der Druckmessung führt.
  • Kompakte Bauweise: Aufgrund ihrer Bauweise können piezoresistive Sensoren kompakter sein als DMS-basierte Sensoren.
  • Größerer Messbereich: Piezoresistive Drucksensoren können einen größeren Messbereich abdecken, was sie vielseitiger für unterschiedliche Anwendungen macht. Die typischen Messbereiche liegen zwischen 100 mbar und 200 bar.
  • Höhere Langzeitstabilität: Durch die Verwendung von Silizium als Sensormaterial weisen piezoresistive Sensoren eine hohe Langzeitstabilität auf, da Silizium kaum Materialermüdung zeigt. Dies führt zu geringerem Drift und zuverlässigeren Messungen über längere Zeiträume.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass piezoresistive Drucksensoren aufgrund ihrer Präzision, kompakten Bauweise, des breiten Messbereichs und der hohen Langzeitstabilität eine ausgezeichnete Wahl für anspruchsvolle Druckmessanwendungen darstellen.

Anwendungsgebiete von piezoresistiven Drucksensoren

Piezoresistive Drucksensoren finden aufgrund ihrer hohen Präzision, Zuverlässigkeit und kompakten Bauweise in zahlreichen Anwendungsbereichen Verwendung. Hier sind einige Beispiele:

  • Automobilindustrie:
    • Bremsdruckmessung: Piezoresistive Sensoren werden eingesetzt, um den Bremsdruck in Fahrzeugen präzise zu messen und so die Sicherheit und Effizienz des Bremssystems zu gewährleisten. Der Bremsdrucksensor PV-15B von DDM ist speziell für diese Anwendung entwickelt worden.
    • Motorsteuerung: In Verbrennungsmotoren, Hybrid- und Elektroantrieben helfen Drucksensoren, den Druck von Luft/Kraftstoffgemischen zu messen.
  • Industrielle Automatisierung:
    • Prozesssteuerung: Piezoresistive Drucksensoren werden in der Prozessindustrie zur Überwachung und Steuerung von Druck in verschiedenen Prozessen eingesetzt.
    • Hydraulikanlagen: In hydraulischen Systemen dienen sie zur Messung und Regelung des Drucks, um eine optimale Leistung sicherzustellen.
    • Pneumatikanlagen: In der Pneumatik werden sie zur präzisen Druckkontrolle verwendet.
    • Filterüberwachung: Drucksensoren überwachen den Zustand von Filtern, indem sie den Druckabfall messen und so rechtzeitig einen notwendigen Austausch signalisieren.
  • Weitere Anwendungsgebiete:
    • Lebensmittel- und Getränkeindustrie: In der Lebensmittelproduktion und Getränkeherstellung werden sie zur Druckkontrolle in verschiedenen Prozessen verwendet.
    • Luft- und Raumfahrt: Drucksensoren kommen in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz, beispielsweise in Turbinenprüfständen.
    • Rennsport: Auch im Rennsport werden Drucksensoren zur Überwachung verschiedener Parameter eingesetzt.
    • Wasserwirtschaft:
      • Brunnenpegel: Piezoresistive Sensoren werden zur Messung des Wasserstands in Brunnen verwendet.
      • Hochbehälterüberwachung: Sie dienen zur Überwachung des Füllstands in Hochbehältern.
    • Dichtheitsprüfung: Piezoresistive Druckmessung wird zur Dichtheitsprüfung mittels Druckabfallmethode verwendet.

Piezoresistive Drucksensoren von DDM Sensors

Als Team von DDM Sensors bieten wir Ihnen hochwertige und präzise piezoresistive Drucksensoren, die auf Ihre Anforderungen zugeschnitten sind. Unsere Sensoren zeichnen sich durch hohe Qualität und Präzision aus und sind für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet. Unser Sortiment umfasst unter anderem miniaturisierte Sensoren (PV10, PV15), Bremsdrucksensoren (PV15B), Sensoren mit integriertem Parameterspeicher (PV22 TEDS), Sensoren für Wasserstoffanwendungen (PV-22H2) und Differenzdrucksensoren (PV2722). Besuchen Sie unsere Webseite für weitere Informationen oder kontaktieren Sie uns für eine individuelle Beratung.