Sensoren. Autor: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hilleringmann Universität Paderborn Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik Warburger Str.

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1 Sensoren Autor: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hilleringmann Universität Paderborn Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik Warburger Str Paderborn Telefon: +49 (0) 5251 / Telefax: +49 (0) 5251 / hilleringmann@sensorik.upb.de Internet: Zusammenfassung Stand: 21. Februar 2007 Seite 1 (11) Mechatronische Systeme erfordern Sensoren zur Erfassung von verschiedensten Umweltgrößen, z. B. Druck, Temperatur, Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung. Jede dieser Größen lässt sich auf der Basis unterschiedlicher physikalischer Grundlagen ermitteln; entscheidend für die Auswahl eines Sensors sind letztlich die Einsatzbedingungen, die Auflösungsanforderungen, die möglichen Baugrößen und auch der Preis des Sensors bzw. Sensorsystems. Für eine lange Lebensdauer und hohe Robustheit sind berührungslose Messsysteme den Kontaktsensoren vorzuziehen. Aufgrund der Bedeutung der Mikroelektronik werden Sensoren häufig nicht mehr als diskrete Bauelemente hergestellt, sondern direkt als System, bestehend aus Sensor, Verstärker und Analog-Digital-Umsetzer bzw. Endverstärker, in einem Baustein untergebracht. Dabei befindet sich der Sensor gemeinsam mit den elektronischen Komponenten auf einem Siliziumchip integriert in einem einzigen Gehäuse. Diese monolithischen Bauelemente zeichnen sich durch eine besonders hohe Zuverlässigkeit aus.

2 Sensoren Seite 2 (11) A/D-Umsetzer Anzeige/Ventil Sensor Verstärker Logik Aktor/Treiber D/A-Umsetzer Bild 1: Mikrosystem, bestehend aus einem Sensor zur Signalerfassung, der Signalverstärkung und -umsetzung sowie einem Leistungstransistor als Aktor [Hil06]

3 Sensoren Seite 3 (11) Temperatursensoren Tabelle 1 gibt einen Überblick der Temperatursensoren mit dem jeweiligen Erfassungsbereich. Für mechatronische Anwendungen sind allerdings nur Sensoren, die ein elektrisches Ausgangssignal liefern, von Bedeutung. Tabelle 1: Temperatursensoren [Sch92] Sensor Temperaturbereich [ C] Dehnungsthermometer Temperaturmessfarben Anwendung Flüssigkeits- oder Bimetall, kein elektrisches Ausgangssignal Flüssigkristalle, Alterung möglich Thermoelement kleine Signalspannung, Relativmessung Metall-Widerstandsthermometer Si-Ausbreitungswiderstand Si-Grenzflächensensor (+180) kleine Signalspannung preiswert, robust preiswert, robust Kaltleiter steiler Widerstandsgradient, billig Heißleiter exponentielle Kennlinie, billig Thermosäule Strahlungsmessung, relativ ungenau Pyroelektrischer Detektor Fernmessung, hohe Empfindlichkeit, Signaländerungen Die typischen elektronischen Temperatursensoren lassen sich in Widerstandssensoren und thermoelektrische Sensoren unterteilen. Metallwiderstandssensoren nutzen die Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerstreuung an Phononen (Gitterschwingungen) als Widerstandsänderung, in Halbleiterwiderstandssensoren ändert sich entsprechend die Ladungsträgerbeweglichkeit mit der Temperatur. Beispiele für diese Sensoren sind der Pt100 Messwiderstand sowie der Silizium-Ausbreitungswiderstandssensor [Ber98]. Alternativ eignen sich Halbleiter mit geringem Bandabstand als Messwiderstände mit negativem Temperaturkoeffizienten, den NTC-Widerständen [Elb96]. Titanatkeramiken werden für PTC-Schutzwiderständen eingesetzt, allerdings ist ihr nutzbares Temperaturfenster äußerst eng [Sch92].

4 Sensoren Seite 4 (11) Bild 2: Kennlinienverläufe typischer Widerstandssensoren: a) Ausbreitungswiderstandssensor, b) NTC- Widerstand, c) PTC- Widerstand und d) Metallwiderstandssensor [Elb96] Thermoelektrische Sensoren auf der Basis des Seebeck-Effektes ermöglichen eine relative Temperaturmessung in einem weiten Temperaturbereich von C bis über 1800 C. Aufgrund des Seebeck-Effekte s entsteht an der Berührungsstelle zweier unterschiedlicher Metalle eine elektrische Spannung. An einer Vergleichsstelle, die sich auf Referenztemperatur befindet, lässt sich diese temperaturabhängige Spannung messen. Folglich ermöglicht der thermoelektrische Sensor nur eine auf die Referenztemperatur bezogene Temperaturdifferenz. Gebräuchlich sind die in der Tabelle 1 aufgeführten Materialpaarungen. Aufgrund der geringen Signalspannungen ist eine empfindliche, relativ teuere Elektronik zur Signalverstärkung erforderlich. Tabelle 2: Daten gebräuchlicher Thermoelemente zur Temperaturmessung [Elb96]: Material Typ Einsatzbereich [ C] Seebeck-Koeffizient [µv/k] Cu-CuNi T Fe-CuNi J NiCr-NiAl K Pt10Rh-Pt S Strahlungssensoren Strahlungssensoren nutzen die Energie der einfallenden elektromagnetischen Welle entweder zur Erwärmung des Sensorelementes oder zur Generation eines elektrischen Stromes durch Ladungsträgergeneration. Die Wärmesensoren messen die zugeführte Wärmemenge als Temperaturerhöhung im Bolometer oder mithilfe der Thermosäule [Elb96]. Dabei können pw an zugeführter Leistung aufgelöst werden. Wichtigste Strahlungssensorelemente für den sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich sind Silizium-Fotodioden in Form von pin-dioden. Sie ermögli-

5 Sensoren Seite 5 (11) chen hohe Empfindlichkeiten, geringes Rauschen und kurze Schaltzeiten im Nanosekundenbereich. Schnellere Fotodioden lassen sich mit Indiumphosphit- Halbleitern herstellen. Fotowiderstände und Fotobipolar-Transistoren weisen längere Schaltzeiten und ein erhöhtes Rauschen auf, ihr Verbreitungsgrad ist folglich geringer. Die Schaltzeiten betragen einige µs bis zu einigen 100 ms. Die Fotozelle als Energiewandler erzeugt einen zur einfallenden Strahlungsleistung proportionalen Fotostrom. Aufgrund der hohen Sperrschichtkapazitäten ist sie nur zur Leistungsmessung geeignet, nicht jedoch als Schaltelement. Langwellige Strahlung mit einer Wellenlänge über 1,1 µm lässt sich mit Halbleiterdioden mit kleiner Bandlücke nachweisen. Für Wärmestrahlung bis 6 µm Wellenlänge eignet sich der Halbleiter InSb, bei noch größerer Wellenlänge über 10µm werden stark gekühlte Germanium-Zink-Verbindungen eingesetzt. Drucksensoren In der Mechatronik werden Sensoren zur Absolutdruck- und Differenzdruckmessung benötigt. Beide Bauformen erfassen den Druck durch Messung der Auslenkung bzw. Verbiegung einer allseitig eingespannten geschlossenen Membran. Die mechanische Verbiegung der Membran führt zu Spannungen im Material, die über den piezoresistiven Effekt als Widerstandsänderung erfasst werden kann. Dabei ist die entstehende Widerstandsänderung für kleine Membranauslenkungen proportional zum anliegenden Druck [Ada95]. Nachteilig ist bei diesem Verfahren der starke Temperaturgang der Empfindlichkeit und des Offsets. P P P P Bild 3: Absolutdruck- und Differenzdrucksensoren im Querschnitt Alternativ lässt sich die Membranauslenkung auch kapazitiv über die Abstandsänderung zwischen der Membran und einer festen Referenzelektrode erfassen. Der Temperaturgang dieser Sensoren ist gering, jedoch ist der Zusammenhang zwischen der Kapazitätsänderung bei einer Druckänderung nichtlinear.

6 Sensoren Seite 6 (11) Bild 4: Schematischer Aufbau eines Drucksensors mit piezoresistiven Widerständen zur Messung der Membranauslenkung [Sch92] Drucksensoren werden heute aus Siliziummembranen hergestellt, die sich gemeinsam mit der zur Signalverarbeitung erforderlichen Elektronik auf einem Chip befinden. Je nach Membrandicke und -durchmesser liegt der typische Messbereich der Sensoren zwischen 100 Pa und Pa. Ihre Anwendungsgebiete sind z. B. die Medizintechnik (Herzkatheder [FHG-IMS]) und die Automobiltechnik (Ansaugdrucksensor [Bosch]). Bild 5 zeigt einen Siliziumdrucksensor mit integrierter mikroelektronischer Signalverarbeitung zur Verstärkung sowie Offset- und Temperaturgangskompensation der Fa. Bosch.

7 Sensoren Seite 7 (11) Bild 5: Drucksensor der Fa. Bosch in einer Bipolar-Schaltung zur Signalverarbeitung [Bos05] Neigungssensoren Mikrosystemtechnische Neigungssensoren werden als flüssigkeitsgefüllte Impedanzsensoren oder als thermische Konvektionssensoren angeboten. Beide Bauformen lassen eine empfindliche Messung von Neigungswinkeln gegenüber der Horizontalen zu. Der Impedanzsensor besteht aus einer Kammer mit zwei oder vier Paaren an Bodenelektroden, die mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit gefüllt ist. In der Horizontalen bedeckt die Flüssigkeit alle Elektroden gleichmäßig, d. h. bei Anlegen einer Wechselspannung herrscht an allen Elektrodenpaaren die gleiche Impedanz. Eine Neigung des Sensors führt dagegen zu unterschiedlichen Bedeckungsgraden der Elektroden, sodass sich die Impedanzen gegenüberliegender Elektroden gegenläufig ändern. Das Bauteil erreicht eine Auflösung von 0,001 in e inem Winkelmessbereich von -25 bis +25. Die Ansprechgeschwindigkeit liegt be i 0,5 s, der zulässige Temperaturbereich reicht von -40 C bis 105 C.

8 Sensoren Seite 8 (11) Bild 6: Foto und Kennlinie eines hybrid aufgebauten Neigungssensors der Fa. HL-Planartechnik, Dortmund [Hlp05] Der Neigungssensor auf der Basis der Konvektionsströmung besteht aus zwei bzw. vier unabhängigen Temperatursensoren, die symmetrisch um einen Heizwiderstand angeordnet sind. Das Erhitzen des Widerstandes erwärmt die umgebende Luft, die aufgrund der Volumenzunahme entgegen der Gravitationskraft nach oben steigt. In horizontaler Ausrichtung werden beide Temperatursensoren gleichermaßen von der aufsteigenden Luft erwärmt. Ist die Sensorebene dagegen zur Horizontalen geneigt, so tritt ein Temperaturunterschied an den einander gegenüber liegenden Temperatursensoren auf; die Differenz ist ein Maß für die Neigung. In Bild 7 sind ein Foto eines Konvektionssensors sowie das Funktionsprinzip schematisch dargestellt. Silizium Heizwiderstände Temperatursensoren Silizium Bild 7: Neigungssensor nach dem Konvektionswärmeprinzip: links ein Chipfoto, rechts das Funktionsprinzip [FZK] Positions- und Abstandssensoren Die Positionserfassung in Werkzeugmaschinen erfolgt heute hauptsächlich mithilfe magnetischer Sensoren, da diese eine hohe Genauigkeit bei gleichzeitig geringer Verschmutzungsanfälligkeit aufweisen. Wichtigster Sensor ist der Hall-

9 Sensoren Seite 9 (11) Sensor, der eine zur magnetischen Flussdichte proportionale Ausgangsspannung liefert. Einfache Systeme zur Positionserfassung detektieren einen an der Schaltstelle montierten Permanentmagneten, den Verstellweg erfassende Systeme nutzen ein Magnetband mit einer dichten Abfolge von Polaritätswechseln (Tonspur), die über den Hall-Sensor erfasst werden. Die erreichbare Positioniergenauigkeit beträgt ca. 10 µm. Optische Systeme ermöglichen als Interferometer wesentlich höhere Messgenauigkeiten. Auflösungen unter 100 nm lassen sich bereits mit kommerziellen Systemen erzielen [Las02]. Für die Entfernungsmessung werden Lasermesssysteme mit Infrarotsensoren genutzt. Dabei wird zwischen Laufzeit- und Triangulationssensoren unterschieden. Die Laufzeit des Lichtes liefert in Verbindung mit der Lichtgeschwindigkeit eine Wegstrecke, die der doppelten Objektentfernung entspricht. Eine genaue Auswertung lässt sich durch Betrachtung der Phasenverschiebung eines modulierten Licht- oder Lasersignals erreichen. Triangulationssysteme bestimmen die Objektentfernung mithilfe einer Winkelmessung zwischen dem gesendeten und dem reflektierten Signal. Sie werden für Objektentfernungen zwischen einigen Zentimetern und mehreren 100 Metern eingesetzt. Ultraschallsensoren ermöglichen eine Abstandsmessung durch Bestimmung der Pulslaufzeit. Ihr einfacher Aufbau liefert unter Atmosphärenbedingungen Auflösungen im 0,1 mm-bereich, dabei können Objekte in einigen Zentimeter bis zu einigen Metern Entfernung abgetastet werden. Sie werden z. B. als Einparkhilfen am Kfz oder zur Füllstandsmessung in Flüssigkeitsbehältern eingesetzt [Sor02]. Feuchte-Sensoren Feuchte-Sensoren sind als resistive oder kapazitive Sensoren verbreitet. Resistive Sensorelemente nutzen die Änderung der Leitfähigkeit einer Keramik oder eines Polymers bei Anwesenheit von Wasser infolge von Wasserstoff- Ionenleitung. Die Sensoren sind robust, weisen aber große Exemplarstreuungen auf. Kapazitive Sensoren detektieren die Feuchte infolge eine Änderung der Dielektrizitätszahl durch Wassereinlagerung. Sie bestehen aus sogenannten Interdigitalstrukturen, die mit einem Feuchtempfindlichen dielektrischen Film abgedeckt sind. Beide Sensortypen werden in Klimaanlagen, Wäschetrocknern etc. eingesetzt. Gassensoren Integrierte Gassensoren nutzen dünne Membranen, die infolge ihrer niedrigen Wärmekapazität empfindlich auf eine geringe Energiezufuhr reagieren oder bei schwacher zugeführter elektrischer Leistung bereits auf hohe Temperaturen erhitzt werden können. Die geringe Wärmekapazität ist für die Funktion der Pel-

10 Sensoren Seite 10 (11) listoren eine wesentliche Voraussetzung, dagegen erfordern Metalloxidgassensoren oder Amalgamsensoren während der Messung oder zur Regeneration eine Temperatur zwischen C. Pellistoren Ein chemischer Sensoreffekt zum Nachweis brennbarer Gase arbeitet nach dem Prinzip des Pellistors, d. h. durch katalythische Verbrennung des nachzuweisenden Gases erhöht sich die Sensortemperatur. Der Sensor besteht aus einer Platinwendel, die von einer gesinterten Oxidkeramik umgeben ist. Die Außenhaut der Keramik ist mit einem Katalysatormaterial beschichtet, das bei der Betriebstemperatur zur Oxidation des Gases führt. Diese chemische Reaktion setzt Wärme frei, die zur Temperaturerhöhung führt. Platinwen- Sinterkera- Katalysator Bild 8: Aufbau eines hybriden Pellistors, bestehend aus einer Platinwendel in gesinterter Oxidkeramik mit Katalysatorbeschichtung Damit ist die Temperaturzunahme ein Maß für die Konzentration eines brennbaren Gases in der Umgebung des Pellistors. Die Empfindlichkeit liegt im Bereich von 0,5% bis 30% Gaskonzentration in Luft. Metalloxidgassensoren Ein Metalloxidgassensor besteht aus den Komponenten Heizung, Temperaturerfassung und Widerstandsmessstruktur für Metalloxide, sowie dem Metalloxid selbst. Sämtliche Elemente befinden sich auf einer Membran, die einerseits als Träger des Metalloxides dient, andererseits die erforderliche thermische Isolation bewirkt und somit die Heizleistung reduziert. Nur auf diese Weise sind die relativ hohen, für die Funktion des Sensors erforderlichen Temperaturen möglich. Wesentliche Voraussetzung für die Funktion des Sensors ist ein Gleichgewicht zwischen der Sauerstoffleerstellenkonzentration im halbleitenden Metalloxid und der Konzentration in der umgebenden Atmosphäre. Es stellt sich bei Erhitzung des Halbleitermaterials auf C innerhalb von Sekunden ein, sodass dann eine konstante Leerstellenkonzentration und damit eine konstante elektrische Leitfähigkeit gegeben ist.

11 Sensoren Seite 11 (11) SiO Metalloxid Interdigitalstruktur Silizium Temperatursensor Heizwider- Siliziumnitrid Heizung Temperatur Bild 9: Schematischer Querschnitt und Aufsicht eines Metalloxidgassensors mit Zinkoxid als reaktive Beschichtung Die o. a. Gassensoren erfassen Gas-Konzentrationen im unteren ppm-bereich bei Ansprechgeschwindigkeiten im Minutenbereich. Schnellere Sensoren, die bereits nach wenigen Sekunden reagieren, erfordern hohe Metalloxidtemperaturen, die sich jedoch negativ auf die Lebensdauer des Bauelementes auswirken. Literaturverzeichnis: [Ada95] S. Adams: Drucksensoren für die Systemintegration in Silizium, VDI-Verlag, 1995 [Ber98] H Bernstein: Sensoren und Meßelektronik, Pflaum, 1998 [Bos05] Aufruf am [Elb96] T. Elbel: Mikrosensorik, Vieweg Studium Technik, Wiesbaden, 1996 [FZK] Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Mikrotechnik [Hil06] U. Hilleringmann: Mikrosystemtechnik, Teubner, 2006 [Hlp05] Aufruf am [Las02] Fa. Laser 2000, Prospekt zum Laserinterferometer, 2002 [Sch92] H. Schaumburg: Sensoren, Teubner, Stuttgart, 1992 [Sor02] G. Sorge: Faszination Ultraschall, Teubner, 2002