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Drucksensoren Was die Langzeitstabilität von Drucksensoren beeinflusst

| Redakteur: Jan Vollmuth

Faktoren wie Temperatur und mechanische Belastungen können sich langfristig negativ auf die Langzeitstabilität von Drucksensoren auswirken. Die Effekte können aber schon im Vorfeld auf Herstellerseite minimiert werden.

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Temperatur und mechanische Belastungen können sich langfristig negativ auf die Langzeitstabilität von Drucksensoren auswirken.
Temperatur und mechanische Belastungen können sich langfristig negativ auf die Langzeitstabilität von Drucksensoren auswirken.
(Bild: STS Sensor Technik Sirnach AG)

Je älter, desto stabiler: Drucksensoren brauchen meist etwas Zeit, sich zu stabilisieren. Vor allem im ersten Jahr treten in erster Linie Verschiebungen beim Nullpunkt und der Empfindlichkeit (Ausgangssignal) auf. Von Anwendern werden meistens die Verschiebungen des Nullpunkts bemerkt, da diese leicht abzulesen sind.

Abweichungen sind produktionsbedingt

Bei der Sensor-Produktion kommt es zu Abweichungen zum Referenzgerät (Normal). Messabweichungen am Messbereichsanfang und -ende werden als Nullpunkt- und Spannefehler bezeichnet. Der Nullpunktfehler ist die Differenz zwischen dem idealen Nullpunkt der Soll-Kennlinie und dem tatsächlichen Ausgangswert der Ist-Kennlinie. Der Nullpunktfehler kann im drucklosen Zustand abgelesen werden. Um ihn zu eliminieren, wird er als Offset in die Auswerteeinheit eingegeben. Der Spannefehler ist die Differenz von Messbereichsanfang und -ende. Um ihn zu beheben muss der Druck am Messbereichsende exakt angefahren werden.

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Stichwort Langzeitstabilität

Bei der Langzeitstabilität von Drucksensoren handelt es sich um einen von den Herstellern unter Laborbedingungen ermittelten Wert, der die max. Änderung von Nullpunkt und Ausgangsspanne in Prozent angibt. Er besagt, dass sich der Gesamtfehler eines Drucksensors z.B. nach einem Jahr um 0,1 % der Gesamtskala verschlechtern kann.

Um eine möglichst optimale Langzeitstabilität zu erreichen, muss das Kernelement stimmen: der Sensorchip. Ein hochwertig produzierter Drucksensor ist der beste Garant für ein langfristig optimal funktionierendes Messinstrument. Bei piezoresistiven Drucksensoren ist dies der Siliziumchip, auf den die Wheatstonesche Messbrücke eindiffundiert ist. Ebenso entscheiden: der Aufbau des Sensors. Der Siliziumchip wird in ein Gehäuse geklebt. Durch Temperatureinwirkung und andere Einflüsse kann sich die Klebestelle verändern und damit die mechanische Belastung des Siliziumchips – worunter die Langzeitstabilität leidet.

Künstlich gealtert

Um Fehlentwicklungen gering zu halten und den Sensor besser einschätzen zu können, wird er gealtert und Tests unterzogen, bevor er die Produktion verlässt. Um neue Drucksensoren zu stabilisieren, werden sie etwa bei STS länger als eine Woche thermisch behandelt und einer künstlichen Alterung unterzogen. Dies nimmt die Bewegung, die dem Sensor besonders im ersten Jahr innewohnt, größtenteils vorweg.

Nachfolgende Tests dienen seiner Charakterisierung. So wird er z.B. unter unterschiedlichen Temperaturen getestet. Im Rahmen einer Druckbehandlung werden die Sensoren über einen längeren Zeitraum dem vorgesehenen Überdruck ausgesetzt, um jeden einzelnen von ihnen zu charakterisieren. Dies erlaubt verlässliche Aussagen über sein Verhalten bei verschiedenen Umgebungstemperaturen (Temperaturkompensation).

Produktionsqualität entscheidet

Bei der Langzeitstabilität kommt es in erster Linie also auf die Produktionsqualität an. Natürlich können regelmäßige Kalibrierungen und gegebenenfalls Justagen helfen, eventuelle Verschiebungen zu korrigieren. In den meisten Anwendungen sollte dies jedoch nicht nötig sein: Richtig produzierte Sensoren funktionieren über einen richtig langen Zeitraum.

Die Relevanz der Langzeitstabilität hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Von besonderer Bedeutung ist sicherlich der Niederdruckbereich, etwa weil hier Fremdeinflüsse stärker auf das Signal einwirken. Kleine Änderungen der mechanischen Belastung des Chips haben hier einen größeren Einfluss auf die Präzision der Messergebnisse. Zudem basieren für Niederdruckanwendungen produzierte Drucksensoren auf einem Siliziumchip, dessen Membrandicke oft unter 10 µm liegt. Dies erfordert beim Verkleben im Gehäuse besondere Sorgfalt.

Alles hat ein Ende

Bei aller Sorgfalt ist eine unendliche Langzeitstabilität und damit auch Genauigkeit unmöglich. Faktoren wie Druck-Hysterese und Temperatur-Hysterese lassen sich nicht gänzlich ausschließen, zählen sozusagen zu den Charaktereigenschaften eines Sensors. Anwender können entsprechend planen: Bei hochgenauen Anwendungen sollten Druck- und Temperatur-Hysterese beispielsweise nicht mehr als 0,02 % der Gesamtskala betragen.

Nicht zu vergessen: die Physik setzt Grenzen. Bei besonders anspruchsvollen Anwendungen ist hohe Stabilität unerreichbar. Das sind in erster Linie Anwendungen mit stark schwankenden, hohen Temperaturen. Auch konstant hohe Temperaturen jenseits von 150 °C zerstören irgendwann den Sensor: Die Metallschicht, die dem Kontaktieren der Widerstände der Wheatstoneschen Messbrücke dient, diffundiert in das Silizium und verschwindet so buchstäblich. Anwender, die Druckmessungen unter solch extremen Bedingungen einsetzen oder höchste Präzision verlangen, sollten die verfügbaren Optionen daher vorab mit Herstellern besprechen. (jv)

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