CFSensor Drucksensoren: Innovation und Zuverlässigkeit für industrielle Anwendungen
Dank fortschrittlicher Fertigungstechnologie, engagierter Forschung und Entwicklung, eines wissenschaftlichen Ansatzes im Produktionsmanagement und strenger Verpackungs- und Teststandards ist CFSensor in der Lage, hochwertige Drucksensoren zu außergewöhnlich wettbewerbsfähigen Preisen herzustellen.
Absolut-, Relativ- und Differenzdruck
Im Prinzip messen die Sensoren die Druckdifferenz P zwischen der Oberseite (P1) und der Unterseite (P2) einer Membran, ausgedrückt als P = P1 - P2.
Hierbei gilt P = P1 - P2, aber da der Vergleichsdruck P2 immer Null ist (Vakuum) , ist das Ergebnis einfach P = P1.
Dabei wird P = P1 - PA gemessen, wobei PA den atmosphärischen Umgebungsdruck angibt.
Je nach Sensortyp kann P1 entweder höher oder niedriger als der Atmosphärendruck sein.
Hier wird die Differenz zwischen zwei Druckwerten gemessen, P = P1 - P2.
Je nach Sensortyp kann P1 höher oder niedriger als P2 sein.
Je nach Typ und Druckbereich sind die Sensoren so ausgelegt, dass sie dem 1,5- bis 2-fachen Nenndruck standhalten, ohne beschädigt zu werden oder einen Parameterdrift aufzuweisen.
Bei einigen Typen wird außerdem ein Druckniveau angegeben, bei dem es noch nicht zu einem mechanischen Versagen ("burst pressure”) kommt – typischerweise etwa dem Dreifachen des Nenndrucks. Sobald ein Sensor jedoch diesem Druck ausgesetzt war, entsprechen seine technischen Eigenschaften nicht mehr den Angaben im Datenblatt (z.B. die Messgenauigkeit).
Funktionsweise eines piezoresistiven MEMS-Drucksensors
Piezoresistivität
Die elektrische Widerstandsfähigkeit ρ beschreibt, wie stark ein Material den Fluss von elektrischem Strom behindert.
Der Widerstand, R, eines Körpers der Länge ℓ, mit konstantem Querschnitt A, und der Widerstandsfähigkeit ρ ist:
Wenn ein p-dotiertes Siliziummaterial einer mechanischen Belastung ausgesetzt wird, ist die durch den piezoresistiven Effekt (ρ) verursachte Änderung des Widerstands wesentlich größer als jede durch die Geometrie (ℓ, A) hervorgerufene Änderung. Aus diesem Grund können wir geometrische Änderungen vernachlässigen und die Widerstandsänderung wie folgt ausdrücken:
Dabei sind πL und πT die longitudinalen und transversalen piezoresistiven Koeffizienten, während σL und σT die mechanische Spannung auf den Piezowiderständen beschreiben.
Praktische Ausführung
Ein Drucksensor besteht im einfachsten Fall aus vier Piezowiderständen, die in eine flexible Siliziummembran integriert sind. Die Membran besteht aus einem n-dotierten Wafermaterial mit einer Dicke von typischerweise einigen zehn Mikrometern (µm).
Auf diese Oberfläche wird eine nur wenige Mikrometer dicke Schicht von Piezowiderständen aufgebracht. Durch den Druck wird die Membran verbogen, wodurch in der Nähe der Ränder – genau dort, wo die Widerstände angebracht sind – Zonen hoher Zugspannung entstehen.
Diese vier Widerstände bilden eine Wheatstone-Brücke. Die beiden Längswiderstände (R1, R3) erhöhen unter Zugspannung ihren Widerstand, während die Querwiderstände (R2, R4) ihren Widerstand verringern.
Die Knoten Vs+ (1) und GND (3) sind mit einer bekannten Eingangsspannung Vin oder einer Stromquelle Iin verbunden. Die Ausgangsspannung Vout wird zwischen den Knoten Vo+ (2) und Vo- (4) abgegriffen.
Unkompensierte Sensoren
Diese Sensoreinheiten enthalten ausschließlich die vier Piezowiderstände auf einer flexiblen Siliziummembran, die eine Wheatstone-Brücke bilden und direkt mit den Gehäuseanschlüssen verbunden sind.
Sie können mit einer Konstantspannung oder Konstantstrom betrieben werden, aber für die Serien XGZP160, XGPZ166, XGPZ167, XGPZ168, XGPZ183, XGPZ185 und XGPZ190 ist eine Konstantstromquelle der bessere Ansatz, da sie zu besseren Temperaturkoeffizienten TCO (Offset) und TCS (Span) führt.
Die Serien XGZP170 und XGZP182 sind hingegen für den Betrieb mit Konstantspannung ausgelegt.
Je nach Sensor und Druck erhalten Sie einen nominalen Ausgangswert (FSS – Full Scale Span) zwischen 30 und 120 mV bei 5 V oder 1 mA.
| Wichtig: Aufgrund von Fertigungstoleranzen ist die Ausgangsspannung nicht unbedingt gleich null (Offset), wenn gar kein Druck vorhanden ist, und Sensoren desselben Typs zeigen bei gleichem Druck dennoch leicht unterschiedliche Ausgangspegel. Sowohl der Offset als auch FSS sind zudem temperaturabhängig. Während sich der Offset relativ einfach kompensieren lässt, ist dies bei Schwankungen des FSS und Temperatureinflüssen nicht im gleichen Maße möglich. Wenn Ihre Anwendung eine höhere Genauigkeit erfordert, ist ein Sensor mit Offset- und Spannweitenkompensation oder ein vollständig kalibrierter Sensor die bessere Wahl. |
Beispiel: Der XGZP160040S Relativdrucksensor (40 kPa), gespeist aus einer Konstantstromquelle mit 1 mA, hat einen Offset von ±10 mV und eine Ausgangsspannung bei Nenndruck von 55…75 mV (65 mV ±15,4%).
Die TCO und TCS betragen ±0,02 %FS/°C (typ.) bzw. ±0,05 %FS/°C (max.) über einen Temperaturbereich von 0 bis 60 °C.
Sensoren mit Offset- und Spannweitenenkompensation
Diese Sensoreinheiten basieren auf dem unkompensierten Kern und ergänzen diesen um lasergetrimmte Widerstände, um den Offset und die Streuung der Spanne zu kompensieren. Außerdem sind sie mit einem Thermistor für die Temperaturkompensation ausgestattet.
Beispiel: Der XGZP195050SG Relativdrucksensor (50 kPa, Relativdruck, 10 V) hat einen Offset von ±1 mV und eine Ausgangsspannung bei Nenndruck von 38,5…41,5 mV bzw. 40 mV ±3,8%.
Der TCO und der TCS (Temperaturkoeffizient von Offset und Spanne) betragen ±20 µV/°C (max.), was ±(0,048…0,052) %FS/°C über den Temperaturbereich von 0 bis 60 °C entspricht. Das sind beeindruckende Werte, insbesondere wenn man bedenkt, dass spannungsbetriebene Sensoren typischerweise TCO- und TCS-Werte von etwa ±0,2 %FS/°C aufweisen.
Kalibrierte Sensoren mit digitalem oder analogem Ausgang
Kalibrierte Sensoren gehen noch einen Schritt weiter. Sie verwenden einen dedizierten Schaltkreis, um Offset- und Spannungsfehler, Nichtlinearität, Wiederholgenauigkeit, Druckhysterese und Temperatureinflüsse zu kompensieren. So kann der Hersteller einen einzigen, wirklich aussagekräftigen Parameter angeben: die Gesamtgenauigkeit.
Die Sensoren von CFSensor bieten entweder eine digitale I²C-Schnittstelle oder einen Spannungsausgang. Die meisten dieser Bauteile erreichen eine Gesamtgenauigkeit von ±2 % bzw. ±2,5 % des Messbereichsendwertes (FSS) im Temperaturbereich von 0 bis 60 °C. Die meisten Sensoren werden mit 5 V betrieben, es sind aber auch kundenspezifische Versionen für 3,3 V oder 3 V Systeme erhältlich.
Die Serie XGZP6891D unterstützt einen Versorgungsspannungsbereich von 2,5 bis 5,5 V.
| Sprechen Sie uns an, falls Sie eine höhere Genauigkeit (z. B. ±1 % FSS), einen Betrieb mit 3,3 V oder 3 V oder einen kundenspezifischen Ausgangsspannungsbereich benötigen. Wir geben Ihre Anforderungen direkt an den Hersteller weiter und sorgen dafür, dass die passende Lösung gefunden wird. |
Auf unserer Website finden Sie eine breite Palette an CFSensor Drucksensoren. Die gängigsten Ausführungen sind ab Lager lieferbar und sofort versandbereit, weitere Varianten können auf Anfrage geliefert werden. Gerne unterstützen wir Sie auch bei der Auswahl der passenden Lösung für Ihre Anwendung.
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Hinweis: Produktmuster werden nur für Entwicklungsprojekte und nicht für private Zwecke zur Verfügung gestellt.
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