Piezoresistiver Drucksensor
Silizium
Temperaturfehler (thermal effects)
Digitale Signalaufbereitung
Gesamtgenauigkeit (total accuracy)
Hysterese (hysteresis)
Nicht-Linearität (non-linearity)
Wiederholbarkeit (repeatability)
Ratiometrisches Ausgangssignal
Überlastgrenze (proof pressure)
Berstdruck (burst pressure)
Lageunempfindlichkeit
Absolutdruck
Differenzdruck
Relativdruck
Vakuum
Piezoresistive Drucksensoren auf Siliziumbasis bestehen aus einer dünnen Membran, in die Widerstände in Form einer Wheatstone-Brücke eingebettet sind. Bei einer Druckbelastung verändern sich die elektrischen Widerstände unter dem Einfluss der mechanischen Spannungen (piezoresistiver Effekt). Wird die Wheatstone-Brücke mit einer elektrischen Spannung versorgt, erhält man ein druckproportionales Sensor-Ausgangssignal.
Silizium bietet besondere Vorteile zur Herstellung piezoresistiver Drucksensorchips. Auf Grund seiner Einkristallstruktur zeigt es keine plastische Verformung, sondern kehrt nach einer Druckbelastung ohne Deformation in seinen Ursprungszustand zurück. Materialermüdung und Hystereseeffekte sind damit nahezu ausgeschlossen. Die Halbleiterwiderstände der Silizium-Membran reagieren sehr empfindlich schon auf kleinste Druckbelastungen bzw. Druckänderungen und erlauben Messbereiche von wenigen Millibar.
Der Temperaturfehler gibt die maximale Abweichung der Sensorkennlinie innerhalb des Betriebstemperaturbereichs des Sensors im Vergleich zu einer Referenztemperatur (z. B. 25 °C) an. Dabei unterscheidet man zwischen dem Temperaturfehler des Nullpunkts (Offset) und dem Temperaturfehler der Spanne. Der Temperaturfehler wird häufig als Temperaturkoeffizient in % pro °C angegeben. Temperaturfehler können durch Temperaturänderungen des zu messenden Mediums sowie durch Umgebungstemperaturänderungen verursacht werden.
Bei der digitalen Signalaufbereitung von First Sensor Drucksensoren werden alle Fehlergrößen wie Offset, Empfindlichkeit, Temperaturabhängigkeit des Offset, Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit, Nicht-Linearität und Hysterese als Gesamtsystem elektronisch korrigiert.
Das analoge mV-Ausgangssignal der Messbrücke wird verstärkt und zusammen mit dem entsprechenden Referenzsignal eines integrierten Temperatursensors von einem A/D-Wandler digitalisiert. Ein Mikroprozessor berechnet anhand von sensorspezifischen Kalibrierkoeffizienten mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus' das korrigierte Sensor-Ausgangssignal. Für jeden einzelnen Sensor werden vorher in einer Kalibriermessung über den gesamten Druck- und Temperaturbereich die Korrekturparameter bestimmt und im EEPROM gespeichert. Das aufbereitete Sensorsignal steht als digitaler Druckwert über eine I²C- oder SPI-Bus-Schnittstelle und als analoger Spannungsausgang zur Verfügung.
Der maximale Gesamtfehler des Sensors über den kompensierten Temperaturbereich. Bei First Sensor Drucksensoren schließt die Gesamtgenauigkeit alle Fehlergrößen wie Offset, Empfindlichkeit, Temperaturabhängigkeit des Offset, Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit, Nicht-Linearität und Hysterese ein. Die Gesamtgenauigkeit wird oft auch als Gesamtfehlerband (TEB = Total Error Band) bezeichnet.
Abweichung des Ausgangssignals für einen beliebigen Druckwert innerhalb des spezifizierten Druckbereichs des Sensors, bei Anfahren dieses Wertes mit steigendem und fallendem Druck.
Die Nicht-Linearität bezeichnet die größte Abweichung der Sensorkennlinie von einer Bezugsgeraden über den spezifizierten Messbereich. Die Bezugsgerade kann nach verschiedenen Methoden ermittelt werden, z.B. als beste Gerade (BFSL = Best Fit Straight Line) oder Grenzpunkteinstellung. Die beste Gerade wird so gelegt, dass der positive und negative Abstand zur tatsächlichen Sensorkennlinie minimiert ist (Methode der kleinsten Quadrate). Bei der Grenzpunkteinstellung führt die Referenzgerade durch den Anfangs- und Endwert der Sensorkennlinie. Die Nicht-Linearität nach Grenzpunkteinstellung kann bis zu Faktor zwei größer sein als bei Festlegung nach BFSL.
Unter Wiederholbarkeit versteht man die größte Abweichung des Sensorsignals bei wiederholtem Anlegen des gleichen Druckwerts aus der gleichen Richtung (mit steigendem oder fallendem Druck) unter identischen Bedingungen.
Das ratiometrische Sensor-Ausgangssignal verhält sich proportional zur Versorgungsspannung. Erhöht sich z.B. die Versorgungsspannung für einen Sensor mit 0,5…4,5 V-Ausgang bei 5 V-Versorgung um 10 % auf 5,5 V, erhöht sich auch das Ausgangssignal um 10 % auf 0,55…4,95 V. Im Gegensatz dazu spricht man bei Sensoren mit einer internen Referenzspannung von einem nicht-ratiometrischen Ausgangssignal.
Die Überlastgrenze ist die maximal zulässige Belastung des Drucksensors, bei der noch keine bleibenden Veränderungen der elektrischen Eigenschaften auftreten. Drücke oberhalb der Überlastgrenze können dazu führen, dass der Sensor seine Spezifikationen dauerhaft nicht mehr einhält.
Drücke oberhalb des Berstdrucks können zu einer Zerstörung des Sensors führen, z.B. zu einer Beschädigung des Messelements oder einer Leckage des Gehäuses.
Piezoresistive Siliziumdrucksensoren mit Niedrigstdruckbereichen von wenigen Millibar besitzen eine sehr dünne druckempfindliche Membran und reagieren unter Umständen auch auf Kräfte, die durch Bewegungen und Lageänderungen des Sensors verursacht werden. First Sensor Niedrigstdrucksensoren der HCLA-Serie nutzen daher eine spezielle Kompensationstechnik, die Nullpunktverschiebungen nahezu vollständig aufhebt und sehr stabile Sensorausgangssignale ermöglicht. Weiterhin wird der Nullpunkt auch während der Aufwärmphase und über die Lebensdauer der Sensoren sowie bei Betriebstemperaturänderungen äußerst stabil gehalten.
Hinweis: First Sensor LDE/LME/LMI-Niedrigstdrucksensoren basieren auf der thermischen Massendurchflussmessung von Gas durch einen sehr kleinen, im Sensor-Chip integrierten Strömungskanal und zeigen keine Lageempfindlichkeit.
Absolutdruck ist der Druck bezogen auf den leeren Raum (Druck Null). Absolutdrucksensoren messen den Druck im Vergleich zu einem im Sensorelement eingeschlossenen Vakuum. Das Referenzvakuum sollte dabei so klein sein, dass es im Vergleich zum zu messenden Druck vernachlässigbar ist.
Lesen Sie mehr über den Unterschied zwischen Absolut-, Relativ- und Differenzdruck.
Differenzdruck ist der Druckunterschied zwischen zwei beliebigen Drücken. Differenzdrucksensoren besitzen zwei separate Druckanschlüsse und können so kalibriert werden, dass sie sowohl positive als auch negative Differenzdrücke messen (bidirektionale Differenzdrucksensoren).
Lesen Sie mehr über den Unterschied zwischen Absolut-, Relativ- und Differenzdruck.
Relativdrucksensoren messen den Druck in Bezug zum Luftdruck der Umgebung. Im Mittel beträgt der Atmosphärendruck auf Meereshöhe 1013,25 mbar. Luftdruckschwankungen, verursacht durch Veränderungen der Wetter- oder Höhenlage, übertragen sich bei diesen Sensoren direkt auf den aktuellen Druckmesswert.
Lesen Sie mehr über den Unterschied zwischen Absolut-, Relativ- und Differenzdruck.
Druck kleiner als Atmosphärendruck wird als Unterdruck bzw. Vakuum bezeichnet. Im allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter Vakuum den weitgehend luftleeren Raum. Man unterscheidet in Bezug auf die Qualität des Vakuums z.B. zwischen Grob-, Fein- und Ultrahochvakuum.
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