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Die piezoresistive Druckmesstechnik: Ausgabe 09/2020, 12.06.2020

Selbst nach vielen Druckzyklen standhaft

Die piezoresistive Technologie wird oft in einem Atemzug mit Druckmessung genannt. Doch was genau ist der piezoresistive Effekt? Und warum wirddiese Technologie in der Druckmesstechnik angewendet?

Autor: Dr.Sören Boyn

Bilder: Keller AGf ür Druckmesstechnik

Zusammen mit derTemperatur ist der Druck ein wesentlicher Parameter in vielen technischen Systemen. Zudem verlangen verschiedenste industrielle Prozesse nach genau kontrollierten Druckbedingungen. Daher ist neben der Temperaturmessung die Druckmesstechnik die wichtigste und amhäufigsten eingesetzteTechnikz ur Überwachung und Steuerung von Maschinen und Anlagen. Dazu stellt der atmosphärische Luftdruck eine wichtige Umweltgrösse dar und über die Messung des Schweredrucks der Flüssigkeitssäule lassen sich zum Beispiel Grundwasserpegel oder Füllstände ermitteln.
Für die elektronische Druckmessung ist ein Sensor erforderlich, der den zu messenden Druck aufnimmt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Bei der resistiven Druckmessung ist das Herzstück ein elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck ändert.

Resistive Druckmessung
Die klassische resistive Druckmessung funktioniert im einfachsten Fall mit einem dünnen Metallstreifen, dessen Widerstandswert sich bei Verformung verändert. Bei Dehnung wird der Streifen länger und dünner, so dass sein elektrischer Widerstand steigt; bei Stauchung wird der Streifen kürzer und sein Querschnitt steigt, sodass sich sein Widerstand verringert. Um den zu messenden Druck in eine kontrollierte mechanische Verformung zu übersetzen, wird der Dehnungsmessstreifen(DMS)auf eine elastische Membran aufgebracht. Normalerweise erfolgt diese Verbindung mittels Klebstoff. Wirkt nun auf eine Seite dieser Membran ein Druck, verformt sich diese und führt –jen ach Position des DMS auf der Membran – zu seiner Stauchung oder Dehnung (siehe Abbildung 1). Je grösser der Druck ist, um so stärker verformt sich die Membran, so dass das Ausmass der Widerstandsänderung direkt vom Druck abhängt. Zur genaueren Messung werden mehrere DMS zu einer Brückenschaltung zusammengefasst und die Widerstandsänderung als Spannungssignal erfasst.

Piezoresistive Druckmessung
Wie das altgriechische Wort piezein («drücken», «pressen») sagt, handelt es sich bei der piezoresistiven Technologie um ein Verfahren, das mit Druck arbeitet. DasGrundprinzip der piezoresistiven Druckmessung entspricht im Wesentlichendem der resistiven Druckmessung. Auch hier bewirkt eine Verlängerung beziehungsweise Verkürzung eine Änderung des Widerstands. Zusätzlich führt in einem piezoresistiven Material die mechanische Spannung, die bei Dehnung oder Stauchungauftritt, aber auch zu einer Änderungder elektrischen Leitfähigkeit. Dieser piezoresistive Effekt beruht auf Verschiebungen der Atompositionen zueinan der, die sich direkt auf den elektrischen Ladungstransport auswirken. Die aus der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit resultierende Widerstandsänderung kann deutlich grösser ausfallen als jene, die durch reine Verformung bedingt ist.
Typische piezoresistive Materialien, die einen ausgeprägten piezoresistiven Effekt zeigen, sind Halbleiter. Als Halbleiter gelten Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern(Metalle wie z.B. Silber, Kupfer, Aluminium) und der von Nichtleitern (z.B.Glas) liegt. Zur Herstellung von piezoresistiven Druckmesszellen wirdt ypischerweise Silizium verwendet,wie es auch in der Fabrikation von elektronischen Schaltkreisen zum Einsatzkommt. Daher werden die daraus hergestellten Sensoren auch als Sensorchips bezeichnet.

Wafer als Grundlage
Grundlage für einen piezoresistiven Sensorchip sind weniger als einen Millimeter dünne, kristalline Siliziumscheiben, sogenannte Wafer (sieheAbbildung 2). In dessen Oberfläche werden an bestimmten Stellen Fremdatome eingebracht, die örtlich gezielt die Leitfähigkeit beeinflussen. Dieser Prozess ist das sogenannte Dotieren und diese dotierten Gebiete im Silizium bilden die piezoresistiven Widerstände. In einem nachfolgenden Prozessschritt wird dann der Siliziumwafer örtlich so abgedünnt, dass Membranen direkt im Silizium entstehen und die piezoresistiven Widerstände, ähnlich wie in Abbildung 1 gezeigt, an bestimmen Positionen liegen. Wirkt nun auf eine Seite dieser Membranein Druck, verformt sich diese und bewirkt so eine mechanische Spannung in den piezoresistiven Widerständen. Je nach Position nimmt der Widerstandswert zu oder ab. Über die Dicke der verbleibenden Membran lässt sich die Druckempfindlichkeit des Sensorchips einstellen. Anschliessend wird die Rückseite des Siliziums noch fest mit einem Glas verbunden (siehe Abbildung 3).Dabei entsteht für Absolutdrucksensoren ein abgeschlossener Referenzraum unter Vakuum. Für die Messung eines Relativdrucks enthält das rückseitige Glas ein Referenzloch.

EineSchwachstelle entfällt
Bei piezoresistiven Druckmesszellen sind die Messwiderstände also imGegensatz zu DMS in die Membran integriert. Bei dieser Technologie entfällt somit das Aufkleben und damit auch die Schwachstelle des Klebstoffs, was eine wichtige Voraussetzung für Alterungs- und Temperaturbeständigkeit sowie Hysteresefreiheit (Hysterese =Nachwirkung des vorherigen Verformungszustands) ist. Dazu führt der piezoresistive Effekt zu einer bis zu 50-fach grösseren Widerstandsänderung als dies mit metallischen DMS erreicht werden kann. Um die Sensorchips von dem zu messenden Medium zu isolieren, werden sie druckdicht in ein Metallgehäuse eingebaut, das ölgefüllt und frontseitig mit einer dünnen Membran verschlossen ist. Der Druckwirkt dann über diese Membran und das Öl als Übertragungsmedium auf den Sensorchip. Mit dieser isolierten Messzelle ist die Druckmessung auch in aggressiven Flüssigkeiten und Gasen möglich.

Warum piezoresistiv in der Druckmesstechnik?
Aufgrund des grossen Ausgangssignals und der etablierten Herstellungsprozesse hat sich die piezoresistive Technologie in der Druckmesstechnik durchgesetzt. Ein weiterer grosser Pluspunkt ist das Entfallen des für die Stabilität kritischen Aufklebens der DMS. Das kristalline Silizium des Sensorchips verformt sich im Betrieb rein elastisch, sodass auch nach vielen Druckzyklen keine
Ermüdungserscheinungen oder Stabilitätsprobleme auftreten. Die Sensorchips können in etablierten Prozessen der elektronischen Halbleitertechnologie produziert werden und die Integration der für die Druckmessung relevanten Membran in den Sensorchip ermöglicht die Herstellung von äusserst kompakten und langzeitstabilen Druckmesszellen. Da piezoresistive Druckaufnehmer ohne beweglicheTeile gebaut werden, sind sie sehr robust gegenüber Erschütterungen und Beschleunigungen. Die wesentlich grössere Änderung des Widerstands in piezoresistiven Messzellen gegenüber konventionellen Metall-DMS führt zu einem  grossen Ausgangssignal und ermöglicht so eine rauscharme elektronische Auswertung mit hoher Auflösung. In Kombination mit analogen oder digitalen Kompensationslösungen steht so ein äusserst präzises, temperaturunabhängiges Drucksignal zur Verfügung.

45 JahreErfahrung
Die isolierte piezoresistive Druckmesszelle sticht durch ihrevielseitigen Einsatzmöglichkeiten hervor: sie ist mit verschiedensten Medien kompatibel und deckt weite Druckbereiche ab. Die gezielte Konstruktion des Gehäuses erreicht grosse Flexibilität für viele industrielle Anwendungen auch in kritischen Umgebungen. Dank 45-jähriger Unternehmenserfahrung in der piezoresistiven Druckmesstechnik kann die Keller AG auch Spezialanwendungen kompetent umsetzen.

Infoservice
Keller AG für Druckmesstechnik
St.Gallerstrasse 119, 8404 Winterthur
Tel. 052 235 25 25, Fax 052 235 25 00
info@keller-druck.com, www.keller-druck.com

 

 

 

 

 

 



Abbildung 1: Positionierung von Dehnungsmessstreifen auf einer druckempfindlichen Membran.


Abbildung 3: Aufbau des piezoresistiven Sensorchips.


Abbildung 2: Wafer aus Silizium, auf dem verschiedene Metallstrukturen aufgebracht sind.

Vor- und Nachteile der piezoresistiven Technologie

+ Etablierte Prozesse in der Herstellung der piezoresistiven Sensorchips, lange Erfahrung mit piezoresistiver Technologie
+ Abdeckung weiter Druckbereiche
+ Sehr gute Langzeitstabilität
+ Keine Ermüdungserscheinungen auch nach vielen Druckzyklen
+ Hohe Überlastfestigkeit
+ Keine Hysterese des Silizium-Sensorchips
+ Kompakte Druckmesszellen
+ Gute Schock- und Vibrationsfestigkeit
+ Zur Messung von Relativ- und Absolutdrücken geeignet
+ Isolierte Messzelle für grosse Medienkompatibilität
+ In einer Vielzahl von industriellen Anwendungen einsetzbar
+ GrossesAusgangssignalermöglichteinfache Auslese-Elektronik mit hoher Auflösung

° Temperaturkompensation erforderlich
° Entwurf und Herstellung der isolierten Messzelle erfordert viel Know-how

– Messung sehr kleiner Drücke beschränkt (<0,01 mbar)
– Zusätzliche Massnahmen bei sehr hohen Medientemperaturen (>200°C) nötig