Ziel der Entwicklung
Piezoresistive Si-Drucksensoren werden mit verschiedenen Montageverfahren (zum Beispiel Kleben) auf einen Träger aufgebracht. Sie detektieren den Druck durch mechanische Verformung einer Biegeplatte.
Montagespannungen, hervorgerufen durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien, verursachen eine zusätzliche Verspannung der Biegeplatte, welche das druckinduzierte Signal überlagert.
Aus vielfältigen Erfahrungen lässt sich zusammenfassen, dass die Eigenschaften, insbesondere die Langzeitstabilität des Messsignals sowie die Temperatur- und Druckhysterese sich in ihren Eigenschaften verschlechtert und zwar umso mehr, je weiter die Aufbaustufe fortschreitet. Das wesentliche Problem ist, dass diese Montagespannung zeitlich nicht konstant ist. Dies liegt unter anderem daran, dass die verwendeten Materialien wie Glas, Metall und Polymere duktil sind und zum Kriechen unter Belastung neigen.
Entwicklungsziel war durch ein geändertes Design der Messbrücke, den Einfluss der Montagespannungen zu minimieren.
Vorteile und Lösungen
Zur Fertigung hochpräziser Drucksensoren haben sich siliziumbasierte MEMS-Technologien etabliert. Typischerweise wird durch Druckbeaufschlagung eine Si-Membran verformt. Deren Auslenkung kann anschließend piezoresistiv in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt und ausgewertet werden.
Die Kompensation der Montagespannungen, die bei der Montage des Sensorelementes auf dem Träger entstehen, wurde durch ein neuartiges Design der Messbrücke auf dem Drucksensorchip erreicht.
Dadurch wurde es möglich, die dem Verbund Sensor/Rückplatte innewohnende Leistungsfähigkeit hinsichtlich Faktoren wie Langzeitstabilität oder Kriechfreiheit für das Gesamtsystem des Messgerätes nutzbar zu machen.
Somit wird dieser Engpass in der Wirkungskette geschlossen und eine weitere Leistungssteigerung des Gesamtsystems möglich.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die entwickelten Sensoren/ Technologien bedienen vorrangig industrielle oder FuE-Anwendungen.
Die Endkundenmärkte liegen im Bereich:
• Piezoresistive siliziumbasierte Druckmesszellen für Prozessmesstechnik, Nahrungsmittelindustrie, Chemieanlagen, Raffinerien
• Drucksensorik mit Edelstahl- oder Keramikfederkörper (Messtechnik)
• Überwachung von Befestigungen durch Messung der Vorspannkraft an Schrauben (Windkraft, Schienenfahrzeugbau, Bahninfrastruktur)
• Wägetechnik
• Medizintechnik (Prothetik)
Die generellen Trends in diesem Bereich wie ein zunehmender Automatisierungsgrad sowie eine erhöhte Langzeitzuverlässigkeit, erfordern genau die Innovationspotenziale, welche im Projekt bearbeitet wurden.
Die Projektergebnisse werden durch die Akquise und Durchführung von kundenspezifischen Entwicklungsprojekten für industrielle Geräte- und Systemhersteller genutzt.
