Ziel der Entwicklung
Zur Messung mechanischer Größen stehen eine Reihe physikalischer Prinzipien zur Verfügung. Für miniaturisierte Sensoren auf der Basis von Silizium und MST-Technologien hat sich das piezoresistive Messprinzip als vielfältig einsetzbar und robust erwiesen. Große Bedeutung hat das Messprinzip für Drucksensoren. Die integrierten piezoresistiven Messwiderstände reagieren auf Dehnung bzw. auf mechanische Spannungen. Sie sind in einer Biegeplatte integriert, welche besonders selektiv ihren mechanischen Spannungszustand druckabhängig ändert. Die Messwiderstände sind zur Erhöhung der Sensitivität und zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit als Messbrücke angeordnet.
Bei hochgenauen Druckmesszellen beträgt der Aufwand für die Kalibrierung über den gesamten Einsatzbereich zirka 20 bis 30 Prozent der Herstellungskosten, bedingt durch die nichtlinearen Abhängigkeiten des Messsignals von Druck und Temperatur.
Mit einer neuen Technologie bzw. Orientierung des Siliziums, der Entwicklung von Layouts für die Art- und Weise bzw. der Anordnung der Messwiderstände, die vorzugsweise den Längseffekt nutzen, wurde ein neuer Sensor realisiert. Diese Optimierung der Messbrücke erhöht der Linearität, verringert den Temperaturkoeffizienten des Nullpunkts sowie der Messspanne. Damit werden der Kalibrieraufwand, potenzielle Fehlerquellen und Kosten reduziert.
Vorteile und Lösungen
Bei der Optimierung wurde zugleich auf diese Parameter fokussiert:
– minimaler Temperaturkoeffizient des Nullpunkts
– Differenzdrucksensor mit der integrieren Option den Absolutdruck zu bestimmen
– minimaler Einfluss der mechanischen Spannungen, hervorgerufen durch die Montage, auf das Messsignal
– minimale Druck- und Temperaturhysterese
Für die Messbrücke des Sensors wurden nur longitudinal belastete Messwiderstände verwendet. Für die Messbrücke ist es erforderlich, dass zwei im positiven mechanischen Spannungsgebiet, die anderen beiden im negativen Spannungsgebiet liegen. Hier besteht der Nachteil, dass in der Mitte der Biegeplatte, wo die mechanischen Spannungen sehr hoch sind, der Longitudinaleffekt von Transversaleffekt zu einem großen Teil kompensiert wird
Es wurde eine Möglichkeit gefunden, bei der nur der Längseffekt aktiviert wird. Dadurch
1. wird die Empfindlichkeit erhöht, da sich Longitudinaleffekt und Transversaleffekt nicht teilweise kompensieren,
2. wird die Temperaturabhängigkeit des Offsets minimiert, da sich alle Messwiderstände exakt identisch verhalten.
3. kann die Linearität der Temperaturabhängigkeit der Messspanne erhöht werden
4. und eine Verringerung der Empfindlichkeit des Messsignals gegenüber der Montagespannung wird erreicht werden.
Folgende Parameter wurden erzielt:
– thermische Hysterese Nullpunkt: µV/V ±0,05, bei I=0,3 mA, T1=25°C, T2=85°C
– Linearitätsfehler: kleiner 0,25%
– Grundverstimmung der Messbrücke: kleiner 2,5 mV/V
– statischer Druckeinfluss (kompensiert): kleiner 0,25, % FS/100bar
Zielgruppe und Zielmarkt
Auf Basis der neuentwickelten Technologieplattform lassen sich kundenspezifische Lösungen ableiten mit dem Ziel, die Temperaturkompensation auf Geräteebene zu vereinfachen und damit die Herstellungskosten, insbesondere die Kalibrierkosten, zu senken. Hochstabile und hochgenaue Siliziumsensoren werden vor allen für in der industriellen Prozessmesstechnik benötigt.
Für das Technologieangebot erfolgt die Vermarktung im B2B-Bereich sowohl als Entwicklungsangebot als auch der Möglichkeit, kleine bis mittlere Stückzahlen zu fertigen oder die Entwicklung zu industriellen Dienstleistern zu transferieren.
Die Endkundenmärkte für diese demonstrierten Lösungen sind vorwiegend im Drucksensorbereich mit dem Anwendungen in Industrie 4.0, Prozess- und Verfahrenstechnik, Medizintechnik sowie FuE-Bereich.
