Sensorchips als Grundlage
Bild 2: Aufbau eines isolierten, ölgefüllten piezoresistiven Drucksensors (Quelle: Keller AG für Druckmesstechnik)
Das Grundprinzip der piezoresistiven Druckmessung entspricht im Wesentlichen dem der resistiven Druckmessung. Auch hier bewirkt eine Verlängerung bzw. Verkürzung eine Änderung des Widerstands. Zusätzlich führt in einem piezoresistiven Material die mechanische Spannung, die bei Dehnung oder Stauchung auftritt, aber auch zu einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit. Dieser piezoresistive Effekt beruht auf Verschiebungen der Atompositionen zueinander, die sich direkt auf den elektrischen Ladungstransport auswirken. Die aus der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit resultierende Widerstandsänderung kann deutlich größer ausfallen als jene, die durch reine Verformung bedingt ist.
Typische piezoresistive Materialien, die einen ausgeprägten piezoresistiven Effekt zeigen, sind Halbleiter. Zur Herstellung von piezoresistiven Druckmesszellen wird typischerweise Silizium verwendet, wie es auch in der Fabrikation von elektronischen Schaltkreisen zum Einsatz kommt. Daher werden die daraus hergestellten Sensoren auch als Sensorchips bezeichnet.
Grundlage für einen piezoresistiven Sensorchip sind weniger als 1 mm dünne, kristalline Siliziumscheiben, sogenannte Wafer (Bild 1). In dessen Oberfläche werden an bestimmten Stellen Fremdatome eingebracht, die örtlich gezielt die Leitfähigkeit beeinflussen. Dieser Prozess ist das sogenannte Dotieren und diese dotierten Gebiete im Silizium bilden die piezoresistiven Widerstände. In einem nachfolgenden Prozessschritt wird dann der Siliziumwafer örtlich so abgedünnt, dass Membranen direkt im Silizium entstehen und die piezoresistiven Widerstände an bestimmten Positionen liegen. Wirkt nun auf eine Seite dieser Membran ein Druck, verformt sich diese und bewirkt so eine mechanische Spannung in den piezoresistiven Widerständen. Je nach Position nimmt der Widerstandswert zu oder ab. Über die Dicke der verbleibenden Membran lässt sich die Druckempfindlichkeit des Sensorchips einstellen.
Anschließend wird die Rückseite des Siliziums noch fest mit einem Glas verbunden. Dabei entsteht für Absolutdrucksensoren ein abgeschlossener Referenzraum unter Vakuum. Für die Messung eines Relativdrucks enthält das rückseitige Glas ein Referenzloch.
Bei piezoresistiven Druckmesszellen sind die Messwiderstände also im Gegensatz zu den DMS in die Membran integriert. Bei dieser Technologie entfällt somit das Aufkleben und damit auch die Schwachstelle des Klebstoffs, was eine wichtige Voraussetzung für Alterungs- und Temperaturbeständigkeit sowie Hysteresefreiheit (Hysterese = Nachwirkung des vorherigen Verformungszustands) ist. Dazu führt der piezoresistive Effekt zu einer bis zu 50-fach größeren Widerstandsänderung, als dies mit metallischen DMS erreicht werden kann.
Um die Sensorchips von dem zu messenden Medium zu isolieren, werden sie druckdicht in ein Metallgehäuse eingebaut, das ölgefüllt und frontseitig mit einer dünnen Membran verschlossen ist (Bild 2). Der Druck wirkt dann über diese Membran und das Öl als Übertragungsmedium auf den Sensorchip. Mit dieser isolierten Messzelle ist die Druckmessung auch in aggressiven Flüssigkeiten und Gasen möglich (Bild 3).