Faktoren wie Temperatur und mechanische Belastungen können sich langfristig negativ auf die Langzeitstabilität von Drucksensoren auswirken. Die Effekte können aber schon im Vorfeld auf Herstellerseite minimiert werden.
In den Datenblättern zu Drucksensoren geben Hersteller auch die Langzeitstabilität an. Dabei handelt es sich um einen unter Laborbedingungen ermittelten Wert, der die maximale Änderung von Nullpunkt und Ausgangsspanne angibt. Dieser Wert wird in Prozent angegeben und bezieht sich in der Regel auf den Gesamtfehler. Er besagt, dass sich der Gesamtfehler eines Drucksensors zum Beispiel nach einem Jahr um 0,1 Prozent der Gesamtskala verschlechtern kann.
Drucksensoren brauchen in der Regel etwas Zeit, um sich zu stabilisieren. Das bedeutet, dass hinsichtlich der Langzeitstabilität vor allem im ersten Jahr die meiste „Bewegung“ ist. Wie bereits angesprochen, sind hier in erster Linie Verschiebungen beim Nullpunkt und der Empfindlichkeit (Ausgangssignal) zu nennen. Von Anwendern werden meistens die Verschiebungen des Nullpunkts bemerkt, da diese leicht abzulesen sind.
Wie kann die Langzeitstabilität optimiert werden?
Um eine möglichst optimale Langzeitstabilität zu erreichen, bei der es im Verlauf der Produktlebensdauer nur zu geringen Verschiebungen kommt, muss das Kernelement stimmen: Der Sensorchip. Ein hochwertig produzierter Drucksensor ist die beste Garantie für ein langfristig optimal funktionierendes Messinstrument. Bei piezoresistiven Drucksensoren ist dies der Siliziumchip, auf den die Wheatstonesche Messbrücke eindiffundiert ist (zur Funktionsweise piezoresistiver Drucksensoren erfahren Sie hier mehr). Die Spreu trennt sich gleich zu Beginn der Produktion vom Weizen. Eine gewissenhafte Qualifizierung des Siliziumchips steht bei der Produktion langzeitstabiler Drucksensoren am Anfang.
Im zweiten Schritt ist der Aufbau des Sensors entscheidend. Der Siliziumchip wird in ein Gehäuse geklebt. Durch Temperatureinwirkung und andere Einflüsse kann sich die Klebestelle verändern und damit auch die mechanische Belastung des Siliziumchips. Darunter leidet natürlich die Langzeitstabilität.
Die Praxis hat gezeigt, dass ein neuer Sensor einige Zeit „arbeitet“ – besonders im ersten Jahr. Je älter ein Sensor, desto stabiler ist er auch. Um Fehlentwicklungen möglichst gering zu halten und den Sensor allgemein besser einschätzen zu können, wird er gealtert und einigen Tests unterzogen, bevor er die Produktion verlässt.
Wie hier verfahren wird, ist von Hersteller zu Hersteller verschieden. Um neue Drucksensoren zu stabilisieren, werden sie bei STS über eine Woche lang thermisch behandelt. Die „Bewegung“, die einem Sensor besonders im ersten Jahr innewohnt, wird damit zu einem grossen Teil bereits vorweggenommen. Daher kommt die thermische Behandlung einer künstlichen Alterung gleich.
Abbildung 1: Thermische Behandlung der piezoresistiven Druckmesszellen
Nach dieser Stabilisierung des Sensors wird er weiteren Tests unterzogen, um ihn optimal zu charakterisieren. Es wird das Verhalten des Drucksensors unter unterschiedlichen Temperaturen getestet. Auch findet eine Druckbehandlung statt. Hier müssen die Sensoren zeigen, was sie aushalten, indem sie über einen längeren Zeitraum dem vorgesehenen Überdruck ausgesetzt werden. Diese Messungen dienen der Charakterisierung jedes einzelnen Sensors. Das ist nötig, um verlässliche Aussagen über das Verhalten des Messinstruments bei verschiedenen Umgebungstemperaturen zu treffen (Temperaturkompensation).
Bei der Langzeitstabilität kommt es in erster Linie also auf die Produktionsqualität an. Natürlich können regelmässige Kalibrierungen und gegebenenfalls Justagen helfen, eventuelle Verschiebungen zu korrigieren. In den meisten Anwendungen sollte dies jedoch nicht nötig sein: Richtig produzierte Sensoren funktionieren über einen richtig langen Zeitraum.
Wie relevant ist die Langzeitstabilität?
Wie relevant die Langzeitstabilität ist, kommt ganz auf die Anwendung an. Sicher ist sie aber im Niederdruckbereich von grösserer Bedeutung. Das liegt einerseits daran, dass Fremdeinflüsse stärker auf das Signal einwirken. Kleine Änderungen der mechanischen Belastung des Chips haben hier einen grösseren Einfluss auf die Präzision der Messergebnisse. Des Weitern basieren für Niederdruckanwendungen produzierte Drucksensoren auf einem Siliziumchip, dessen Membrandicke oftmals kleiner als 10 µm ist. Daher ist hier bei der Verklebung im Gehäuse auch besondere Sorgfalt gefragt.
Abbildung 2: Detailaufnahme des geklebten und gebondeten Siliziumchip
Bei aller Sorgfalt ist eine unendliche Langzeitstabilität und damit auch Genauigkeit nicht möglich. Faktoren wie Druck-Hysterese und Temperatur-Hysterese lassen sich nicht gänzlich ausschliessen. Sie zählen sozusagen zu den Charaktereigenschaften eines Sensors. Anwender können entsprechend planen. Bei hochgenauen Anwendungen sollten Druck- und Temperatur-Hysterese beispielsweise nicht mehr als 0,02 Prozent der Gesamtskala betragen.
Im Zusammenhang mit Langzeitstabilität muss natürlich auch erwähnt werden, dass die Physik gewisse Grenzen aufzeigt. Bei besonders anspruchsvollen Anwendungen ist eine hohe Stabilität nicht zu erreichen. Das sind in erster Linie Anwendungen mit stark schwankenden, hohen Temperaturen. Auch konstant hohe Temperaturen jenseits von 150 °C zerstören irgendwann den Sensor: Die Metallschicht, die dem Kontaktieren der Wiederstände der Wheatstoneschen Messbrücke dient, diffundiert in das Silizium und verschwindet so buchstäblich.
Anwender, die Druckmessungen unter solch extremen Bedingungen einsetzen oder höchste Präzision verlangen, sollten die verfügbaren Optionen daher gründlich vorab mit Herstellern besprechen.
