Sensor mit
integriertem Faradaykäfig: Kapazitive
Sensoren sind gegen äußere elektrische und magnetische
Störfelder besonders anfällig. Ein robustes Gehäuse
kann den Sensor zwar davor schützen, verfälscht aber
gleichzeitig das zu empfangende Signal beträchtlich.
Dagegen ist der kapazitive Mikrosensor für Druck und
Kraft mittels eines Faradaykäfig in sich selbst abgeschirmt.
Ausgangsmaterial des Sensors ist monokristallines
Silizium, daß durch seine Elastizitätseigenschaften
dafür besonders geeignet ist.
Durch
ein Ätzverfahren wird eine hochelastische, nahezu
ermüdungsfreie, Siliziummembran hergestellt. Prinzipiell
ist der Sensor als MOS
- Sandwich (Metall
/ Oxid
/ Semiconductor)
aufgebaut. Die Membran und ein ebenfalls aus Silizium
hergestellter Grundkörper sind am äußeren Rand
miteinander verschweißt und so mechanisch und elektrisch
verbunden. Im Inneren dieser Meßzelle ist eine Kavität
(Höhlung) geätzt.
Auf dem
Grundkörper und der Membran ist innenseitig jeweils eine
isolierende Schicht aus Siliziumoxid (Si02)
abgeschieden. Darauf sind Meßelektroden aufgebracht, die
wiederum von Siliziummaterial umgeben sind. Dieses
leitende Silizium bildet so einen Faradaykäfig um die Meßelektroden. Die äußere
Siliziumoberfläche läßt sich auf Wunsch mit einer
Schutzschicht überziehen, die sich vor allem gegen
aggressive Medien richtet.
Die
lateralen Abmessungen des Sensors betragen 4,32 mm x 5,08
mm. Die Bauhöhe beträgt 1,4 mm. Der Abstand der Meßelektroden
beträgt 5 µm, das ergibt
eine Grundkapazität von 5 pF. Die aus dem
Elektrodenabstand resultierende geringe Durchbiegung der
Membran von maximal 5 µm gewährleistet eine nahezu
wegfreie Druckmessung. Durch Variation der Membrandicke
kann ein Meßbereich von < 10 mbar bis 1.500 bar
realisiert werden.
Die
Meßelektroden werden durch eine Öffnung in der
Verbindung zwischen dem Membran und dem Grundkörper nach
außen geführt, wo die Elektroden und das abschirmende
Silizium mit zwei Ø 0,3 mm dicken Koaxialkabeln kontaktiert
werden (Dreileiterversion). Daneben kann der Sensor auch
mit einem einzelnen Koaxialkabeln versehen werden. Bei
dieser Zweileiterversion wird die Messelektrode mit dem
Silizium kurzgeschlossen. Gegenüber dieser Variante ist
die Dreileiterversion zwar teurer; bietet aber eine
höhere Auflösung und Genauigkeit. Die derzeitige maximale Auflösung liegt
bei 0,002 % des maximal meßbaren Druckwertes.
Durch
die Öffnung steht der Zwischenraum der Elektroden in
Verbindung mit dem Umgebungsdruck und bildet einen
Relativdrucksensor. Das hermetische Verschließen der
Öffnung mit Lot unter Vakuumbedingungen, wobei der
Zwischenraum evakuiert wird, läßt einen
Absolutdrucksensor entstehen.
Die
Meßzelle selbst ist nichtlinear. Bei zunehmendem Druck
wächst diese Nichtlinearität. Wird das Membran
allerdings nur bis zu 60 % durchgebogen, so liegt der
Linearitätsfehler < 1 %.
Bei dem
Sensor selbst treten keine temperaturabhängigen
Halbleitereffekte auf, da das Silizium als einheitlicher
Kristall und nicht als p-n-Übergang verwendet wird.
Eventuelle Temperaturänderungen gehen nur in die
thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein. In den meisten
Anwendungsfällen ist damit keine Temperaturkompensation
notwendig (Temperaturkoeffizient <0,01 % / Kelvin).
Temperaturen bis 350 °C sind
möglich.
Der
weltweit patentierte Drucksensor mit integriertem
Faradaykäfig ist ein Produkt eines mehrjährigen
Modellversuchs für technologieorientierte Unternehmen ,
und wird im Rahmen eines Lizenzvertrages nach
verwenderseitiger Spezifikation in Serie hergestellt.
Entsprechende Auswerteschaltungen (Anzeigen,
Schaltinstrumente, Signalgeber, Regelventile u.a.) sind
auf Wunsch lieferbar.
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