Sensortechnik

Wie funktionieren piezo-resistive Siliziumsensoren?

Der Aufbau eines fertigen Siliziumsensors ist relativ komplex. Hier kommen keine Dehnungsmessstreifen, wie vorher beschrieben, zum Einsatz. Vielmehr besteht das druckempfindliche Element aus einem wenige Millimeter großen Siliziumchip.

Die Kristallstruktur dieses Chips entspricht funktionell der eines Metall-DMS, jedoch ist sie als solche optisch nicht zu erkennen. Sie wird durch Dotierung, d. h. durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen, hergestellt. Die so erzeugten Halbleiter-DMS reagieren im Vergleich zu metallischen DMS bis zu 100-mal empfindlicher auf Verformung. Die Widerstandsänderung wird hierbei nicht durch die rein geometrische Verformung hervorgerufen, sondern durch die daraus resultierende Veränderung der Kristallgitterstruktur und damit der Elektronenbeweglichkeit bzw. der Leitfähigkeit. Die einzelnen Sensorchips werden auf sogenannten Wafern gefertigt. Diese ca. 150 mm großen Siliziumscheiben beinhalten mehrere Hundert Chips.

Abb. 1 Wafer mit piezoresistiven Siliziumsensoren

Die Kristallstruktur dieses Chips entspricht funktionell der eines Metall-DMS, jedoch ist sie als solche optisch nicht zu erkennen. Sie wird durch Dotierung, d. h. durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen, hergestellt. Die so erzeugten Halbleiter-DMS reagieren im Vergleich zu metallischen DMS bis zu 100-mal empfindlicher auf Verformung. Die Widerstandsänderung wird hierbei nicht durch die rein geometrische Verformung hervorgerufen, sondern durch die daraus resultierende Veränderung der Kristallgitterstruktur und damit der Elektronenbeweglichkeit bzw. der Leitfähigkeit. Die einzelnen Sensorchips werden auf sogenannten Wafern gefertigt. Diese ca. 150 mm großen Siliziumscheiben beinhalten mehrere Hundert Chips.

Der einzelne Sensorchip wird mittels anodischen Bondens auf einem Glassockel fixiert. Bei Relativdruckausführungen wird der Glassockel mit einer durchgängigen Bohrung versehen. Durch diese Bohrung wird der Umgebungsdruck auf die Rückseite des Chips geführt. Der Glassockel ist mit dem sogenannten TO-Header verklebt. Der Header leitet den Umgebungsdruck über ein Belüftungsröhrchen zum Glassockel. Auf der Rückseite befinden sich zusammen mit Belüftungsröhrchen und Füllröhrchen die Anschlusspins, welche über Bonddrähte mit dem Chip verbunden werden.


Abb. 2 Gebondeter Siliziumchip auf TO-Header

Das Sensorelement ist sehr empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen und wird daher nicht direkt mit dem zu messenden Medium beaufschlagt. Der Header wird in ein Edelstahlgehäuse eingeschweißt, auf dessen Front eine dünne Metallmembran geschweißt ist. Durch die Auswahl an verschiedenen Membranwerkstoffen (Edelstahl, Hastelloy C, Titan etc.) können die Messzellen den Anforderungen unterschiedlicher Messstoffe gerecht werden.

Über das Füllröhrchen im Header wird der Innenraum mit einem synthetischen Öl gefüllt und anschließend druckdicht verschlossen. Bei der so entstandenen Messzelle wirkt der Prozessdruck indirekt: über die Membran auf das Füllöl und so auf den Sensorchip (Medientrennung).

Neben der beschriebenen Ausführung mit Medientrennung gibt es eine Variante ohne Trennmembran und Füllöl. Diese kann zur Messung von inerten Medien verwendet werden. Dabei steht der Sensorchip in direktem Kontakt zu dem Medium und bietet so eine bessere Messgenauigkeit, da störende Einflüsse – Füllöl und Membran – wegfallen.

Aufgrund der Messzellenbauart ist die Varianz bei dieser Sensortechnik am größten. Die Materialauswahl für Membran und Gehäuse ist vom Messsystem unabhängig und auch Form oder Größe lassen sich anwendungsspezifisch anpassen. Die Messzelle ist mit dem Prozessanschluss des fertigen Druckmessumformers direkt verschweißbar (Abb. 3), sodass eine zusätzliche Dichtung entfällt und letztlich nur eine einzige Materialart Verträglichkeit mit dem Medium aufweisen muss.


Abb. 4 Hochtemperaturausführung

Das Füllöl überträgt den Druck von der Trennmembran auf den Sensorchip. Das am häufigsten verwendete Füllöl ist Silikonöl, welches gute Eigenschaften bezüglich temperaturbedingter Ausdehnung besitzt. Bei Prozessen in der Lebensmittelindustrie sind Füllöle vorgeschrieben, die für den menschlichen Verzehr unbedenklich sind. Neben den speziell von der amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zugelassenen Ölen können auch medizinische Weißöle zum Einsatz kommen. Zur Sauerstoffmessung eignen sich Fluorkohlenstoffe. Bei Chlormessung kann der Austritt von Silikonölen zur explosionsartigen Reaktion führen, auch hier bieten sich Fluorkohlenstoffe als Füllmedium an.

JUMO. Druckmessumformer der Serie dTRANS p31