Drucksensorkern

MEMS-Drucksensoren sind der absolute Kern und Mainstream der modernen Drucksensortechnologie. Sie stellen eine Revolution in Bezug auf Miniaturisierung, Intelligenz und niedrige Kosten dar.

 

MEMS oder Micro-Electro-Mechanical Systems bezieht sich auf mechanische und elektronische Miniatursysteme, die in großen Mengen auf Siliziumwafern mithilfe von Fertigungsverfahren für integrierte Schaltkreise (IC) hergestellt werden.

Das Herzstück eines MEMS-Drucksensors ist eine mikrometergroße Siliziummembran. Durch den auf diese Membran wirkenden Druck verformt sie sich. Diese Verformung verändert die elektrischen Eigenschaften der integrierten Sensorelemente und durch Messung dieser elektrischen Änderungen kann der Druckwert abgeleitet werden. Basierend auf dem Sensorprinzip werden sie hauptsächlich in die folgenden Typen unterteilt:

• Prinzip: Durch einen Dotierungsprozess werden auf der Siliziummembran piezoresistive Elemente erzeugt und zu einer Wheatstoneschen Brücke verbunden. Wenn sich die Membran unter Druck verformt, ändern sich die Widerstandswerte, wodurch die Brücke ein Spannungssignal proportional zum Druck ausgibt.
• Eigenschaften: Ausgereifte Technologie, einfacher Aufbau, großes Ausgangssignal, niedrige Kosten. Es handelt sich um die gebräuchlichste und wirtschaftlichste Art von MEMS-Drucksensoren. Es ist jedoch temperaturempfindlich und erfordert einen Temperaturausgleich.

• Prinzip: Die Siliziummembran fungiert als eine Kondensatorplatte und bildet mit einer anderen festen Platte einen Miniaturkondensator. Der Druck verformt die Membran, wodurch sich der Abstand zwischen den beiden Platten ändert und dadurch eine Änderung der Kapazität entsteht.
• Eigenschaften: Geringer Stromverbrauch, hohe Empfindlichkeit, gute Temperatureigenschaften, starke Überlastfestigkeit. Wird häufig in Messbereichen mit geringer-Leistung und niedrigem-Druck verwendet.

• Prinzip: Druck verändert die Spannung in der Siliziummembran, wodurch sich die Eigenfrequenz eines darauf hergestellten Miniaturresonanzbalkens ändert. Der Druck wird durch Messung der Frequenzänderung erfasst.
• Eigenschaften: Sehr hohe Genauigkeit, gute Stabilität, digitaler Ausgang (Frequenz). Allerdings ist die Struktur komplex, die Kosten hoch und sie wird hauptsächlich in der High-End-Industrie sowie in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

MEMS-Drucksensoren werden auf Siliziumwafern mithilfe von Standard-Halbleiterprozessen (wie Fotolithographie, Ätzen, Diffusion, Dünnschichtabscheidung) hergestellt. Der entscheidende Schritt ist die Bildung des Hohlraums und der Druckmembran, typischerweise unter Verwendung von Massenmikrobearbeitungstechniken oder Oberflächenmikrobearbeitungstechniken.

Im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Drucksensoren oder Metallmembran-Drucksensoren haben MEMS-Drucksensoren überwältigende Vorteile:

• Miniaturisierung:Die Größe kann im Millimeter- oder sogar im Mikrometerbereich liegen, wodurch sie leicht zu integrieren sind.
• Massenproduktion und niedrige Kosten:Werden wie Chips gleichzeitig zu Tausenden auf Wafern hergestellt, was die Kosten pro Sensor drastisch senkt.
• Hohe Genauigkeit und hohe Zuverlässigkeit:Keine beweglichen Teile, lange Lebensdauer.
• Geringer Stromverbrauch:Besonders geeignet für batteriebetriebene tragbare Geräte.
• Intelligenz:Signalaufbereitungsschaltungen, Mikroprozessoren, Temperatursensoren usw. können problemlos auf demselben Chip wie die Sensoreinheit integriert werden und bilden so ein „System-on-Chip“, um Selbst-Kompensation, Selbst-Kalibrierung und digitale Ausgabe zu erreichen.

Der Referenzdruck ist ein Vakuum. Es misst den Druck relativ zu einem perfekten Vakuum.

Anwendungen: Höhenmesser, Wetterstationen, Vakuumsysteme.

Der Referenzdruck ist der aktuelle Atmosphärendruck. Es misst den Druck relativ zum Atmosphärendruck. Verfügt normalerweise über eine Entlüftungsöffnung im Gehäuse.

Anwendungen: Blutdruckmessgeräte, Barometer, industrielle Prozesskontrolle (z. B. Rohrleitungsdruck).

Anwendungen: Durchflussmessung, Filterverstopfungsüberwachung, Flüssigkeitsstandmessung.

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