Piezoresistive Druckaufnehmer zeichnen sich durch ihre hohe Empfindlichkeit aus. Auch hinsichtlich Genauigkeit und Miniaturisierung ergeben sich viele Vorteile gegenüber anderen Messinstrumenten. In unserem Wissensbeitrag erklären wir das Druckverhalten piezoresistiver Druckaufnehmer.
Anwender piezoresistiver Druckaufnehmer erwarten ein lineares Druckverhalten, bei dem das Ausgangssignal proportional zum anstehenden Druck ist. Darum soll die Kurve im Druck-Signal-Diagramm eine Gerade sein, deren Anfangspunkt mit Nullpunkt und deren Steigung mit Empfindlichkeit bezeichnet wird. Der wirkliche Verlauf der Druck-Signal-Kurve zeigt immer mehr oder weniger starke Abweichungen von der idealen Geraden. Diese Abweichung ist der Linearitätsfehler des Druckaufnehmers. Die Steigung der Kurve entspricht dagegen der Empfindlichkeit.
In der Abbildung ist zu sehen, dass ein praktisch linearer Teil der Kennlinie ausgenutzt wird, wenn der Aufnehmer mit geringerer Empfindlichkeit (ca. 70% des Chip-Nenndrucks) eingesetzt wird. Durch Selektion können Transmitter mit sehr geringer Nichtlinearität (Stichwort 0.05 %FS) gebaut werden. Voraussetzung ist aber, dass der Einsatzbereich im linearen Teil des Chips liegt.
Empfindlichkeit piezoresistiver Druckaufnehmer
Die Empfindlichkeit eines Druckaufnehmers hängt im wesentlichen von zwei Faktoren ab:
- dem Widerstandswert der eindiffundierten Halbleiterwiderstände und ihrem piezoresistiven Wirkungsfaktor,
- der Dicke der Siliziummembrane.
Die Dicke der Siliziummembrane hat den grössten Einfluss auf das Druckverhalten. Sie wird durch mechanische, chemische oder kombinierte Bearbeitung festgelegt. Diese Prozesse lassen sich nicht so genau kontrollieren, dass alle Druckmesszellen die genau gleiche Empfindlichkeit aufweisen. Deshalb werden Klassen gebildet, innerhalb derer die Druckaufnehmer für einen bestimmten Druckbereich eingesetzt werden können. Innerhalb dieser Klassen können die Empfindlichkeiten um etwa ±20% streuen. Diese Abweichung kann durch den Speisestrom oder den Verstärkungsfaktor in der Elektronik kompensiert werden (Kalibrierung).
Linearität piezoresistiver Druckaufnehmer
Bei Linearitätsangaben in Prozent muss beachtet werden, dass dabei meist %FS (Full Scale, Endwert) angegeben werden. Bezogen auf einen Messwert kann der Fehler also durchaus stark ins Gewicht fallen, auch wenn in der Herstellerangabe ein sehr kleiner Wert, aber eben als %FS, angegeben wird.
Bei der Druckmesszelle hängt die Linearität von mehreren Faktoren ab:
- die Halbleiterwiderstände müssen genügend klein und an der genau richtigen Stelle der Siliziummembrane eindiffundiert sein,
- die Siliziummembrane muss sauber, scharfkantig und genau am richtigen Ort sein,
- die Linearität ist unterschiedlich, ob Über- oder Unterdruck gemessen wird, d.h. ob sich die Membrane in konkaver oder konvexer Form baucht (Zug- oder Druckbelastung),
- das Verhältnis Durchmesser zu Dicke der Siliziummembrane muss innerhalb eines bestimmten Bereiches sein. Sehr dünne Membranen deformieren sich mit einer überlagerten Streckung: Dieser Balloneffekt führt bei Aufnehmern für tiefe Druckbereiche zu einem typischen s-förmigen Verlauf der Linearitätskurve (welche mit analogen Kompensationsmethoden nicht behoben werden kann),
- bei sehr dicken Siliziummembranen ist die beabsichtigte Struktur der am Rand starr eingespannten Membrane nicht mehr realisierbar, da z.B. bei einem 1000 bar Aufnehmer die Membrane halb so dick ist wie der Chip.
Überlast und Berstdruck piezoresistiver Druckaufnehmer
Der typische Verlauf der Linearitätskurve ist in einem grossen Teil recht linear und dann eher stark abflachend. Im Interesse eines möglichst grossen Ausgangssignals wird der grösstmögliche Bereich dieser Kurve ausgenutzt. Bis etwa zwei Drittel ist der Verlauf so linear, dass der Fehler kleiner als 0.5 %FS ist. Darüber wird der Linearitätsfehler schnell grösser, so dass eine Grenze von der Genauigkeit her gesetzt ist. Ausser bei sehr tiefen und sehr hohen Druckbereichen kann der Nenndruckbereich um etwa 50 % überschritten werden, bis die Messzelle bricht.
Um die Überlastsicherheit zu erhöhen, muss auf ein hohes Nutzsignal verzichtet werden: Man muss einen Druckaufnehmer verwenden, der an sich für einen höheren Druckbereich bestimmt wäre. Während beispielsweise bei kapazitiven Druckaufnehmern ein mechanischer Anschlag für die sich unter Druck durchbiegende Membrane vorgesehen werden kann und eine sehr hohe Überlastfestigkeit gewährleistet wird, ist dies bei den vergleichsweise winzig kleinen Siliziummembranen der piezoresistiven Druckmesszellen mit ihren kleinsten Auslenkungen kaum möglich.
Bei STS ist der Berstdruck der Druck, bei dem ein Medium in den Sensor gelangen kann, also die metallische Membrane zerstört wird. Der Aufnehmer ist allerdings bereits vorher nicht mehr funktionsfähig. Das geschieht bereits wenn der Chip bricht. Bei Tauchsonden sind Gehäuse, Kabelverschraubung und Kabel massgebend, nicht der Berstdruck des Aufnehmers (etwaige Angaben im Datenblatt sind also vernachlässigbar).
