Dehnungsmessstreifen (DMS) in der Druckmesstechnik

STS Sensortechnik: Bei Dehnungsmessstreifen (DMS) handelt es sich um Messeinrichtungen, die durch mechanische Verformungen ihren elektrischen Widerstand ändern. Genutzt werden sie in einer Vielzahl von Messinstrumenten, neben Waagen und Kraftaufnehmern gehören auch Druckaufnehmer dazu.

Druckmessgeräte verwenden verschiedene physikalische Grössen, darunter Induktivität, Kapazität oder Piezoelektrizität. Die häufigste physikalische Grösse, mit der Druckmessumformer arbeiten, ist jedoch der elektrische Widerstand, der an sich verformenden metallischen oder den piezoresistiven Effekt nutzenden Halbleiter-Dehnungsmessstreifen zu beobachten ist. Hier wird der Druck über eine mechanische Vorformung ermittelt. Die Dehnungsmessstreifen werden auf einem elastischen Träger aufgebracht. Es ist dabei wichtig, dass die Dehnungsmessstreifen den Bewegungen des Trägers folgen können. Wirkt ein Druck auf den Träger, kommt es durch die ausgelöste Verformung zu einer Querschnittsänderung der Leiterbahnen. Dies bewirkt wiederum eine Änderung des elektrischen Widerstandes. Es ist letztlich diese Änderung des elektrischen Widerstandes, die ein Druckmessumformer erfasst und über die der Druck ermittelt wird.

Es wird also durch die auf den Leiter wirkende Verformung dessen Länge l geändert (Δl). Da das Volumen gleich bleibt, ändert sich der Querschnitt und damit der Ohmsche Widerstand R:

ΔR/R = k • Δl/l

Die Widerstandsänderung ΔR verhält sich proportional zur Längenänderung ^l. Der Proportionalitätsfaktor k ist von der Geometrie und den Materialeigenschaften abhängig. Während k bei metallischen Leitern 2 ist, kann er bei Halbleitern sehr hoch sein. Durch die relativ hohen k-Faktoren von Halbleitern sind diese empfindlicher und können daher bereits kleinste Druckänderungen messen. Allerdings ist die Temperaturabhängigkeit dadurch ebenfalls höher.

Die Widerstandsänderung bei metallischen DMS ergibt sich aus den Veränderungen der Abmessungen (Geometrie). Bei den Halbleiter-DMS ist die Änderung auf Veränderungen der Kristallstruktur zurückzuführen (piezoresistiver Effekt).

Die Auswertung der durch eine druckbedingte Verformung ausgelöste Widerstandsänderung erfolgt über eine Brückenschaltung. Zu diesem Zwecke werden die DMS zu einer Wheatstonschen Messbrücke verschalten (Abbildung 2). Zwei der DMS werden in radialer, zwei in tangentialer Richtung gelegt. Somit werden bei einer Verformung zwei gedehnt und zwei gestaucht. Damit Temperatureffekte kompensiert werden können und ein möglichst lineares Signal erzeugt wird, ist es wichtig, dass die DMS die gleichen Widerstände haben und mit einer exakten Geometrie angeordnet werden.

Metallische DMS

Bei metallischen DMS wird zwischen Folien-DMS und Dünnfilm-DMS unterschieden.

Folien-DMS bestehen aus gewalzter, nur wenige Mikrometer dicken Folie. Üblicherweise wird Konstantan als Werkstoff verwendet, aber auch Karma und Modco werden eingesetzt, besonders wenn ein grösserer Temperaturbereich nötig ist oder die Temperaturen unter -150 °C liegen. Konstantan hat einen sehr geringen k-Faktor von 2,05 und ist somit nicht sehr empfindlich. Dafür zeigt der Werkstoff eine geringe Temperaturabhängigkeit, weshalb er auch am häufigsten für Folien-DMS genutzt wird.

Folien-DMS werden eher in Kraftaufnehmern eingesetzt. Für die Druckaufnehmer sind sie oftmals nicht empfindlich genug. So sind Werte von weniger als 1 bar nicht mit ihnen zu erfassen. Auch ist der Temperaturbereich vergleichsweise eingeschränkt, sodass je nach Ausführung bereits Temperaturen von 80 °C nicht überschritten werden sollten.

Dünnfilm-DMS werden mit der sogenannten Dünnschichttechnik hergestellt, beispielsweise Aufdampfen oder Aufsputtern. Der Fertigungsvorgang ist also etwas aufwendiger und damit auch kostspieliger als bei Folien-DMS. Dafür ist ein Temperaturbereich von 170 °C möglich. Auch die Langzeitstabilität ist sehr hoch.

Metallische Dünnfilm-DMS ermöglichen langzeitstabile, jedoch auch zum Teil recht teure Messgeräte. Dabei gilt: Je geringer die zu erfassenden Drücke, desto höher der Fertigungspreis. Geringe Drücke von weniger als 6 bar werden mit einer schlechten Genauigkeit erfasst.

Halbleiter-DMS

Halbleiter-DMS arbeiten mit dem piezoresistiven Effekt. Als Werkstoff dient in den meisten Fällen Silizium. Halbleiter-DMS sind tendenziell empfindlicher als metallische DMS. Auch werden sie üblicherweise durch eine Trennmembran von dem Medium getrennt. Der Druck wird dann über eine Übertragungsflüssigkeit weitergegeben.

Bei Halbleitermaterialien ist der piezoresistive Effekt etwa 50-fach stärker ausgeprägt als bei metallischen DMS. Entweder werden die Halbleiter-DMS auf einen Träger geklebt oder direkt aufgesputtert. Letzteres ermöglicht eine intensive Verbindung und ermöglicht Hysteresefreiheit sowie Alterungs- und Temperaturbeständigkeit. Obwohl der piezoresistive Effekt nicht allein den Halbleiter-DMS vorbehalten ist, hat sich die Bezeichnung „piezoresistiver Druckaufnehmer“ für solche Messinstrumente eingebürgert, bei denen die elastische, sich unter Druck deformierende Struktur und die Widerstände in einem Chip integriert sind. Piezoresistive Druckaufnehmer können klein und (abgesehen von der Membrane) ohne bewegliche Teile gebaut werden. Die Herstellung beruht auf den normalen Halbleiterfabrikationsmethoden. Gleichzeitig ergibt sich die Möglichkeit, Widerstände und die elastische, sich unter Druck deformierende Membrane in einem Chip zu integrieren und damit eine Druckmesszelle in Chipgrösse herzustellen.

Piezo-Dünnfilm-DMS werden auf einem Siliziumträger aufgebracht und durch eine isolierende Schicht vom Träger getrennt. Das erhöht den Fertigungsaufwand und damit auch den Preis. Dafür sind Temperaturbereiche von -30 °C bis 200 ° C möglich. Dank des sehr elastischen Verhaltens von Silizium ist nur mit einer geringen Hysterese zu rechnen. Der hohe k-Faktor bewirkt eine hohe Empfindlichkeit. Somit sind piezoresistive Druckmessumformer bei kleinsten Druckbereichen im mbar Bereich die erste Wahl. Darüber hinaus können Geräte mit sehr geringen Abmessungen produziert werden, was sich positiv auf die Einsatzmöglichkeiten auswirkt. Die Langzeitstabilität ist wie auch die EMV-Verträglichkeit gut. Letztere ist natürlich vom Trägermaterial abhängig. Dafür erfordert die Temperaturkompensation etwas mehr Aufwand. Doch auch diese Herausforderung lässt sich gut in den Griff bekommen. Mehr zur Temperaturkompensation lesen Sie hier.

Dickfilm-DMS werden auf keramische oder metallische Membranen gedruckt. Mit einer Dicke von 20 Mikrometern sind sie bis zu 1000-fach dicker als Dünnfilm-DMS. Aufgrund des geringen Fertigungsaufwand sind sie günstiger im Preis, durch die Alterung der Dickschicht jedoch auch nicht sehr langzeitstabil.

Fazit: Die Art der verwendeten DMS hat einen grossen Einfluss auf das Messinstrument. Faktoren wie Preis, Genauigkeit und Langzeitstabilität spielen eine wichtige Rolle bei der Wahl des passenden Druckmessumformers. Am leistungsfähigsten haben sich unserer Erfahrung nach Druckmessumformer mit Piezo-Dünnfilm-DMS gezeigt, da sie dank ihrer Empfindlichkeit weite Druckbereiche mit hoher Präzision erfassen können und eine gute Langzeitstabilität aufweisen.