Drucksensor

Überblick über die Drucksensoren

 

Vereinfacht gesagt ist ein Drucksensor ein Instrument, das Druck wahrnehmen und diesen in ein Messsignal umwandeln kann (normalerweise ein analoges elektrisches Signal), dessen Stärke sich im Verhältnis zum Druck, dem das Gerät ausgesetzt ist, verändert. Aufgrund der Umwandlung einer Energieform in eine andere werden Drucksensoren auch allgemein als Druckwandler bezeichnet.

 

Diese Geräte werden im Allgemeinen verwendet, um Veränderungen des Gas- oder Flüssigkeitdrucks bei verschiedenen Anwendungen zu messen. Der Druck wird in Kraft pro Flächeneinheit gemessen und wird generell als die Menge an Kraft, die benötigt wird, um die Ausdehnung einer Flüssigkeit zu verhindern, definiert.

 

Heutzutage hängt das reibungslose Funktionieren von buchstäblich tausenden alltäglichen Anwendungen von Drucksensoren ab. Drucksensoren umfassen inzwischen ein außerordentlich breites Spektrum an Technologien (mindestens 50) und existieren in Milliarden verschiedenen Ausführungen.

 

Geschichte

Obwohl er ratlos war, warum das geschah, entdeckte der Galileo Galilei aus Pisa im Jahr 1594, dass er Wasser bis zu einer Höhe von 10 Metern in einer Spritze wie in einer Saugpumpe ansteigen lassen konnte. Er wusste jedoch, dass dieses eine Art Messung von irgendetwas ist, und die entstehende wissenschaftliche Gemeinschaft begann mit Experimenten, um herauszufinden, worum es sich dabei handelte. Fünfzig Jahre später, im Jahr 1644, füllte sein italienischer Landsmann, Evangelista Torricelli, eine 1 Meter lange Glasröhre mit Quecksilber (ein Ende war hermetisch versiegelt) und platzierte diese mit dem verschlossenen Ende nach oben zeigend in eine Schüssel mit Quecksilber, woraufhin die in der Röhre befindliche Quecksilbersäule auf 760 mm fiel. Während er über diese Entdeckung spekulierte, stellte der französische Philosoph und Physiker Blaise Pascal die Theorie auf, dass der 760 mm hohe Raum in der Röhre über dem Quecksilber im Verhältnis zum Gewicht der Luft in der Röhre steht. Um das zu überprüfen, führte er Experimente mit der Quecksilbersäule in verschiedenen Höhenlagen durch - das Gewicht der Luft am Gipfel eines Bergs war vermutlich geringer als das an seinem Fuß. Und tatsächlich bestätigte Pascal, dass der „leere“ Raum am oberen Teil des Zylinders in hoher Höhe kleiner als auf Bodenhöhe war. Er nannte die Kraft, die auf die Oberfläche des Quecksilbers wirkte „Druck“.

 

Durch die Verwendung einer J-förmigen Glasröhre, die an einem Ende versiegelt war, entdeckte der Chemiker Robert Boyle im Jahr 1661, dass es, wenn die Gasmenge und die Temperatur konstant blieben, möglich war, die Druckveränderung innerhalb der Röhre zu berechnen, wenn das Gasvolumen durch Ausdehnung oder Zusammenziehung verändert wurde.

 

Aber es war erst im Jahr 1843, dass der erste Drucksensor hergestellt wurde - das von dem Franzosen Lucien Vidie erfundene, mit Federwaagen betriebene „Aneroidbarometer“. Elektrische Drucksensoren existierten jedoch erst 1930, als Verformungen einer Membran als Folge von Druck in Änderungen der elektrischen Kapazität umgewandelt wurden. In den 1930ern und 1950ern wurden gebondete Dehnmessstreifen und Foliendehnmessstreifen entwickelt, um Druckschwankungen zu messen, aber das „Sensorenzeitalter“ begann erst 1967 wirklich, als das Honeywell Research Centre in den USA die erste geätzte Siliziummembran patentierte. Ab dem Jahr 2000 begann der Durchbruch der piezoresistiven Drucksensoren, die heutzutage gewissermaßen universell einsetzbar geworden sind.

 

Technische Aspekte

Die Standard-SI-Einheit von Druck ist Pascal. Dabei entspricht 1 Pascal = 1 Newton pro Quadratmeter. Das entspricht in etwa der Menge an Kraft, die eine £ 5 Banknote ausübt, wenn sie flach auf einem Tisch liegt. Da es sich um solch eine kleine Menge handelt, werden Drücke in industriellen und Herstellungsanwendungen üblicherweise in Kilopascal gemessen, dabei entspricht 1 kPa = 1.000 Pascal. Andere Maße für Druck umfassen Pfund pro Quadratzoll (Pounds per Square Inch, psi), dabei entspricht 1 psi = 6891 Pa; Bar, dabei entspricht 1 Bar =105N/m2 = 100 kPa; Torr, dabei entspricht 1 Torr = 1 Millimeter Quecksilber (mmHg) = 133,1 Pa; und physikalische Atmosphären (atm), dabei entspricht 1 atm = 760 mmHg.

 

Heute nutzen Kraftkollektor-Drucksensoren die Durchbiegung, die durch den Druck auf eine Feder oder eine Membran (den Kraftkollektor) bewirkt wird, um eine Messung der Stärke des wirkenden Drucks zu erreichen. Materialien wie Polysiliziumdünnschichten, monokristallines Silizium und gebondete Metallfolien, die ihren elektrischen Widerstand infolge von Druck ändern (piezoresistive Sensoren), werden inzwischen vielfach verwendet, um den Differenzdruck (die Differenz des Drucks auf beiden Seiten des Kraftkollektors), den Absolutdruck (die Differenz zwischen Umgebungsdruck und einem perfekten Vakuum), den Manometerdruck (die Differenz zwischen Umgebungsdruck und Luftdruck) und den Vakuumdruck (die Differenz zwischen Luftdruck und Unterdruck) zu messen.

 

Kraftkollektor-Sensoren mit Membranen aus Silizium, Metall oder Keramik messen Änderungen der elektrischen Kapazität dieser Materialien in Reaktion auf den wirkenden Druck.  Sie werden normalerweise bei Anwendungen verwendet, die Drücke am unteren Ende der Skala messen. Die Messung dynamischer Druckveränderungen erfordert normalerweise eine piezoelektrische Technologie im Sensor.

 

Neben den Kraftkollektor-Drucksensoren beruht die Funktion anderer Druckwandler auf Eigenschaften wie der Dichte eines Gases oder einer Flüssigkeit, der von Druckveränderungen bestimmten Resonanzfrequenz, den Änderungen der Wärmeleitfähigkeit eines Materials als Reaktion auf Druckschwankungen und Veränderungen der Ionisation (beispielsweise in Heiß- und Kaltkathoden-Messröhren), die sich aus Druckveränderungen ergeben.

 

Produktanwendung

Drucksensoren werden zunehmend bei der Herstellung von Computern und Smartphones verwendet, wo sie das Funktionieren von berührungsempfindlichen Bildschirmen erleichtern. Sie werden hauptsächlich in der Automobilindustrie verwendet, um zum Beispiel den Druck von Öl und Kühlmittel im Motor zu überwachen und die Motorleistung entsprechend der Änderungen des Drucks mit dem Fuß auf das Gaspedal zu steuern. Sie werden ebenfalls verwendet, um den zuverlässigen Betrieb von Antiblockiersystemen und die Aktivierung von Airbags im Auto sicherzustellen.

 

Drucksensoren werden weit verbreitet in der Luftfahrt eingesetzt, um die Differenz zwischen atmosphärischem Druck und dem Luftdruck im Flugzeug zu regulieren, nicht nur, damit Passagiere und Bordpersonal richtig atmen können, sondern auch, um die ordnungsgemäße Funktionsweise der im Inneren des Flugzeugs befindlichen Komponenten und elektrischen Schaltkreise zu gewährleisten.

 

Die Schiffsbranche verlässt sich auf Drucksensoren, um die Tiefe, in der U-Boote betrieben werden, zu messen, aber auch zahlreiche biomedizinische Instrumente (wie zum Beispiel Beatmungsgeräte und digitale Blutdruckmessgeräte) sind von akkuraten Drucksensoren abhängig, um das Wohlbefinden des Patienten sicherzustellen.

 

Wie sich Drucksensoren von anderen Sensoren unterscheiden

Drucksensoren aller Art reagieren speziell auf Änderungen des Umgebungsdrucks statt zum Beispiel auf Wärmeenergie, elektrische Spannung, Feuchtigkeit, Licht oder Bewegung.

 

Aktuelle Produktverbesserungen und -grenzen

Obwohl sie dazu beigetragen haben, die im Abschnitt Produktanwendung genannten Branchen zu revolutionieren, gibt es einige hartnäckige Grenzen für die Effektivität von Drucksensoren in manchen Anwendungen. Touchscreens von Smartphones und Computern reagieren deutlich weniger empfindlich, wenn mehrere Berührungen gleichzeitig erfolgen.

 

Wie bei einer Vielzahl von Wandlern kann intensiver Gebrauch (wie in Autos oder bei Computer-Touchscreens) dazu führen, dass der Wirkungsgrad eines Drucksensors schnell abnimmt - wobei sich die industrielle Forschung auf diese Beschränkung vorrangig konzentriert und vermutlich eine neue Generation robusterer Drucksensoren in absehbarer Zukunft zur Verfügung stehen wird.