Basistechnik piezoresistive Technologie
Das Herz der eingesetzten Drucktransmitter in der Luft- und Raumfahrt ist ein piezoresistiver Silizium-Drucksensor. Dessen elastisch verformbare Membran aus Silizium biegt sich entsprechend des Druckunterschieds zu beiden Seiten durch, was in der Oberfläche mechanische Spannungen hervorruft. Damit man diese mechanischen Spannungen messen kann, sind in der Randzone der Membran, wo diese Spannungen am größten sind, Widerstände eindiffundiert. Die Widerstände reagieren anhand des piezoresistiven Effektes viel stärker auf die mechanischen Spannungen wie herkömmliche Dehnungsmesstreifen, die nur geometrischen Änderungen folgen. Der große Vorteil ist somit zum einen die hohe Empfindlichkeit aber auch die gute Nullpunktstabilität. Letztere resultiert aus der Verwendung von einkristallinem Si-Material, welches im Gegensatz zu Metallen keine Verformungen kennt.
Die auf Silizium-Chips basierte piezoresistive Technologie hat sich im Alltag vielfach bewährt und findet ihren Einsatz in immer extremeren Umgebungen. Der Schlüssel zum jeweiligen Einsatz liegt dabei weniger in der Technologie selber als in der „Verpackung“ des piezoresistiven Sensorchips. Anders als bei metallischen Membranen war der Silizium-Sensor nicht so medienresistent und konnte anfangs nur in trockener, sauberer Luft oder in nicht leitenden Medien eingesetzt werden. Aber aus der Silizium-Membran, einer intelligenten Kapselung und der entsprechenden Schaltung konnte man hochgenaue, zuverlässige Drucksensoren bauen.
Da Druckmessung immer die Druckdifferenz zwischen zwei Drücken bestimmt, musste man die Sensoren geeignet kapseln. Für Keller erschien die Druckmessung gegen Vakuum in der Luft- und Raumfahrt als bester Weg, da nur noch eine Seite gegen Medien geschützt werden musste. Mit dem elektrostatischen Bonden der Si-Messzelle auf Glas hatte man ein Verfahren, die das nötige Vakuum auf der Rückseite fast gratis lieferte. Ohne Vakuum funktioniert nämlich das elektrostatische Bonden nicht, das auf einer Ionenwanderung zwischen der Glasplatte der Rückseite und dem Silizium beruht. Auch die Gestaltung der Ölfüllung und die Isolation gegen die zu messenden Medien war ein Problem. Wegen den vielen Effekten die beim Einbau einer piezoresistiver Silizium-Messzelle zu beherrschen sind, ist es nachvollziehbar, dass ein solcher Sensor immer noch 10 bis 100 Mal teurer ist als die Si-Messzelle alleine.
„Dank ihrer hohen Genauigkeit und der großen Zuverlässigkeit haben ölgefüllte, piezoresistive Drucksensoren heute eine führende Rolle in der Druckmessetechnik erobert und bieten mit dieser Technik das Herzstück für die Drucktransmitter der Luft- und Raumfahrt“ so Jürg Dobler, Mitglied der Geschäftsleitung Keller AG für Druckmesstechnik. „Derzeit befinden sich ca. 40000 Drucksensoren von uns in der Luft, davon ca. 30000 Stück alleine für die Kabinendruckregelung in Flugzeugen. Die feine Regelung des Kabinendruckes ist ein deutliches Komfort-Plus für den Passagier, vor allem beim Start und der Landung. Gegenwärtig fliegt praktisch die gesamte Airbus-Flotte, die brasilianischen Embraer, der „Dreamliner“ von Boeing und diverse Business-Jets mit Keller-Druckmesstechnik.“
Literatur
[1] Keller AG für Druckmesstechnik, Winterthur/Schweiz: www.keller-druck.com