Drucksensor

Ein Drucksensor ist ein Messelement, welches die physikalische Größe Druck in eine zum Druck (=Kraft pro Flächeneinheit) proportionale elektrische Ausgangsgröße umwandelt. Im einfachsten Falle ist es ein Mikrofon zum Messen des Schallwechseldrucks.

Drucksensortypen

Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Drucksensoren auf dem Markt, so z.B.:

• Relativdrucksensoren
• Absolutdrucksensoren
• Differenzdrucksensoren.

Drücke können in gasförmigen und flüssigen Medien sowie an Festkörpern als kraftübertragendes Bauteil gemessen werden.

Sensormaterialien

Als Sensormaterialien werden Silizium, Quarze oder Metalle verwendet. Mit Hilfe von Halbleitertechnologien ist es inzwischen auch möglich, piezoelektrische Dünnschichten auf Messkörpern direkt zu applizieren. Hierbei handelt es sich meist um Zinkoxyd (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN).

Physikalische Messeffekte

Zur Erfassung der Messgröße werden verschiedene physikalische Effekte ausgenutzt. Daher unterteilt man die Drucksensoren in folgende Typen:

piezoresistiver Drucksensor

Sie enthalten meist in einem Membran eindiffundierten Dehnungsmessstreifen (DMS) und sind meist aus Silizum hergestellt. Wird der Membran mit Druck beaufschlagt ändert sich der Widerstand der Dehnungsmesswiderstände und damit der gemessene Spannungsabfall. Diese Drucksensoren sind kostengünstig herzustellen und weisen eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit auf. Allerdings zeigen die zur Druckmessung eingesetzen Materialen eine sehr starke Temperaturabhängigkeit. Sensoren auf Silizumbasis haben daher praktisch immer zusätzlich Temperatursensoren eingebaut mit deren Hilfe die Messwertinformation korrigiert werden kann.

frequenzanaloger Drucksensor

Sind meist piezoresistive Drucksensoren die den Druck mittels Dehnungsmessstreifen messen und schaltungstechnisch um einen Ringoszillator erweitert sind. Durch Verändern des Druckes ändert sich der Widerstand der Dehnungsmessstreifen und in Folge wird die Frequenz des Ringoszillators verstimmt. Die ausgegebene Frequenz ist somit direkt proportional dem angelegten Druck.

Drucksensor mit Hallelement

Sie arbeiten nach dem Hall-Effekt, wobei bei Druckbelastung das Magnetdfeld um das Hall-Element geändert wird.

kapazitiver Drucksensor

Kapazitive Drucksensoren enthalten einen in einen Siliziumchip eindifunfierten Kondensator. Über eine Membran wird bei Druckbeaufschlagung der Abstand der Kondensatorplatten, und dadurch die Kapazität des Kondensators verändert. Meist sind die Kondensatoren Teil eines internen Verstärkers, dessen Verstärkungsfaktor von der Kapazität des Kondensators abhängig ist.

Monolithische Drucksensor bestehen aus einem Material, z.B. Quarz, während bei Dehnungsmessstreifen (DMS) die Änderung des elektrischen Widerstands, d.h. das piezoresistive Messverfahren ausgenutzt wird.

Marktübliche Sensoren

Die am Markt befindlichen Sensoren geben ein standardisiertes elektrisches Signal aus, welches durch das nachfolgende Gerät (z.B. DDC) einfach verarbeitbar ist. Diese Standardsignale sind 0..10 V oder 4... 20 mA. Drucksensoren sind aktive Komponenten, welche eine Stromversorgung für die Aufbereitung des Signals benötigen. Die Kennlinien der Sensoren können proportional sein oder einer e-Funktion entsprechen, wobei diese Kennlinien geeignet von Störgrößen (z.B. Temperatur) zu kompensieren und zu linearisieren sind.

Restriktionen bei der Applikation

Drucksensoren reagieren empfindlich auf Überbelastung. Wird der Messbereich überschritten kann der Sensor leicht irreparabel beschädigt werden. Für richtige Messwerte ist zudem die korrekte Einbaulage des Sensor zu berücksichtigen. Bei Sensoren, die Flüssigkeiten messen, ist darauf zu achten, dass die Sensorleitung entlüftet ist. Oft ist auch eine Trennung des (aggressiven) Mediums vom eigentlichen Drucksensor erforderlich, um die empfindliche Drucksensortechnik vor Korrosion oder Verschmutzung zu schützen.