Der piezoresistive Effekt und die Messung von Druck

Patrick Niedenführ
Patrick Niedenführ, September 2018

Innovative Sensortechnologien liefern Ihnen heute für jede Messaufgabe den passenden Drucksensor. So können Sie sich nicht nur zwischen Relativ-, Absolut- und Differenzdrucksensoren entscheiden, die mit unterschiedlichen Bezugsgrößen arbeiten. Moderne Drucksensorik lässt Ihnen auch die Wahl zwischen verschiedenen Messprinzipien, die auf unterschiedlichen physikalischen Effekten beruhen. Piezoelektrischer und piezoresistiver Effekt kommen vor allem bei modernen Druckaufnehmern zur Anwendung. 

 

In diesem Blogbeitrag sehen wir uns die besonderen Eigenschaften und Anwendungsvorteile eines piezoresistiven Differenzdrucksensors genauer an.

Die Ausgangsfrage: Wie funktioniert der piezoresistive Differenzdrucksensor eigentlich?

Anders als Relativ- und Absolutdrucksensoren messen Differenzdrucksensoren den Unterschied zwischen zwei beliebigen Drücken. Ein Differenzdruckaufnehmer verfügt über zwei separate Druckanschlüsse (Schlauch-, Gewindeanschluss oder Manifold). Und er kann – je nach Kalibrierung – sowohl positive (p1>p2) als auch negative (p1<p2) Differenzdrücke messen.

 

Der piezoresistive Effekt

Piezoresistive (membranbasierte) Differenzdrucksensoren auf Siliziumbasis bestehen wiederum aus einer dünnen Silizium-Membran, in die Widerstände in Form einer Wheatstone-Brücke eingebettet sind. Bei Druckunterschieden drückt sich die Membran durch und es kommt zu einer Verformung der Widerstände. Auf diese Verformung reagieren die in der Messbrücke zusammengeschlossenen Widerstände, ein piezoresistiver Effekt kommt zustande. Dabei ändern sich die Widerstände sowie die elektrische Spannung. Und schließlich wird ein druckproportionales Messsignal ausgelöst.

Spannende Aspekte an der membranbasierten Sensortechnologie:

  • Der Widerstand im Halbleiter der Silizium-Membran reagiert schon auf kleinste Druckbelastungen und -änderungen sehr empfindlich. Daher arbeitet der piezoresistive Differenzdruckaufnehmer extrem genau und erlaubt Messbereiche von wenigen Millibar.
  • Das Element Silizium verfügt über eine Einkristallstruktur. Deshalb kehrt die Membran nach einer Dehnung immer wieder in ihren Ursprungszustand zurück, ohne zu deformieren.

Aufbau piezoresistiver Differenzdrucksensor

Prinzipieller Aufbau eines piezoresistiven Differenzdrucksensors


Der Vergleich: Womit punkten piezoresistive Drucksensoren?

Eine Alternative zum piezoresistiven Differenzdrucksensor ist der piezoelektrische Druckaufnehmer. Anders als membranbasierte Sensoren bestehen piezoelektrische Druckaufnehmer aus Scheiben eines Kristalls. Unter Druck wird in dem Kristall durch Ladungstrennung eine proportionale elektrische Spannung erzeugt – der sogenannte piezoelektrische Effekt. Ein Ladungsverstärker liest die Spannungsdifferenz aus, eine digitale Schaltung rechnet sie in die physikalische Größe Druck um.

 

Im Vergleich haben sowohl der piezoresistive Sensor als auch der piezoelektrische Sensor Vorteile. Wann welches Messprinzip zu empfehlen ist, hängt schlicht und einfach vom jeweiligen Anwendungsfall ab. So hält der piezoelektrische Sensor beispielsweise hohen Temperaturen und hochdynamischen Druckverläufen besonders gut stand. Beim membranbasierten Differenzdruckaufnehmer sind hingegen vor allem Messgenauigkeit und Messempfindlichkeit extrem hoch.

 

Membranbasierter Differenzdrucksensor

Darstellung eines membranbasierten Differenzdrucksensors von First Sensor 

 

Hier die wichtigsten Anwendungsvorteile eines piezoresistiven Differenzdruckaufnehmers:          

+ sehr kleine Bauweise

+ extreme Messgenauigkeit

+ hervorragende Empfindlichkeit

+ misst bereits kleinste Differenzdrücke       

+ großer Messbereich: 1 mbar (100 Pa) bis 10 bar   

+ kaum Materialermüdung oder Hysterse                

+ sehr gute Überdruckfestigkeit                            

+ analoge und digitale Schnittstellen

+ besonders lineare Signal-Druck-Kennlinien (kein Druchströmen von Luft)

Neuheit: Piezoresistiver Niedrigdifferenzdrucksensor für Manifold-Montage

Von First Sensor kommen membranbasierte Niedrigdifferenzdrucksensoren in neuer Manifold-Miniaturbauform. Die sehr kleinen, flachen Sensoren decken Messbereiche von 1 mbar bis 7 bar ab und eignen sich hervorragend für den platzsparenden Einbau in Mehrfachverteilern (Manifolds). Die piezoresistiven Sensoren verfügen über eine digitale Signalaufbereitung, eine SPI-Schnittstelle sowie ein analoges Ausgangssignal und sind deshalb ideal für batteriebetriebene Anwendungen in mobilen bzw. tragbaren Geräten.

 

Mehr zum membranbasierten Miniatursensor von First Sensor lesen Sie hier. 

 

Merkmale:

  • geeignet für die Manifold-Montage
  • Grundfläche 8 x 13 mm, Bauhöhe <7 mm
  • hochgenau und langzeitstabil
  • Druckbereiche ab 1 mbar bis 7 bar
  • kalibriert und temperaturkompensiert (0 ... 70 °C)
  • 3,3 V oder 5 V-Spannungsversorgung
  • SPI-Schnittstelle mit 15 Bit Auflösung

Anforderung:

  • Manifold-taugliche Druckports
  • Manifold-fähiges Gehäuse
  • gerader Anschluss, damit Montagestelle durch O-Ring abdichtbar ist

Der Anwendungsfall:

Wann ist der Einsatz membranbasierter Differenzdrucksensoren empfehlenswert?

Wenn es bei der Druckmessung auf hochsensibles, hochgenaueres Messen, auf Druckbereiche von 1 mbar bis 10 bar und auf eine platzsparende Bauweise ankommt, sind das genau die Anforderungen, die zu einem piezoresistiven Differenzdruckaufnehmer passen.

 

Typische Anwendungsfelder für membranbasierte Differenzdrucksensoren:

Präzise Prozessanschlüsse und Filter

Grundsätzlich sollten Differenzdrucksensoren über Prozessanschlüsse verfügen, damit der Sensor (mittels Schläuchen etc.) mit der Strömungsleitung verbunden werden kann. Auch zusätzliche Filter in den Zuleitungen sind bei vielen Anwendungen wichtig, um z. B. Staub, Feuchtigkeit oder bakterielle Verschmutzung vom Sensor fern zu halten.

Und wenn eine Standard-Lösung nicht genügt?

Noch präziser, noch schneller, noch effizienter, noch kostengünstiger, noch anwendungsspezifischer: Mancher Anwendungsfall und manche Marktsituation erfordern besondere Sensorlösungen. Führende Hersteller wie First Sensor bieten deshalb neben einem breiten membranbasierten Differenzdrucksortiment auch die Entwicklung und Realisierung anwendungsspezifischer Sensorsysteme an.

 

Ist es möglich, dass ein Differenzdrucksensor gleichzeitig hochsensibel und zuverlässig misst? Die Antwort erhalten Sie in diesem Webinar:

 

Webinar Download Differenzdrucksensoren

Kommentar hinterlassen

Über diesen Blog

In diesem Blog schreiben wir über Anwendungen und aktuelle Themen aus der Sensorik.

Newsletter

Aktuelle Beiträge