Was sind Drucksensoren?
Drucksensoren sind seit dem Aufkommen des Dampfzeitalters gefragt. Milliarden solcher Sensoren werden täglich verwendet, um den Druck von Flüssigkeiten in Rohren, Motoren, Hydraulik oder in der Natur zu überwachen. Spezielle Sensoren werden auch verwendet, um den Druck von Feststoffen oder Gasen zu bestimmen. Ein typischer Drucksensor hat eine Größe von ungefähr einem Kubikzoll, obwohl einige hundertmal oder mehr kleiner sein können, beispielsweise solche, die in mikroelektromechanischen Systemen verwendet werden.
Die meisten modernen Drucksensoren arbeiten nach einem Prinzip, das als Piezowiderstand bezeichnet wird. Druck bewirkt, dass ein Material Elektrizität mit einer bestimmten Rate leitet, was zu einem bestimmten Ladungsfluss führt, der mit einem bestimmten Druck verbunden ist. Diese Ladung wird einem Kabel zugeführt, das zu einem Bedienfeld und einer Anzeige für die menschliche Analyse führt.
Herkömmliche Drucksensoren verwenden Filmwiderstände, Dehnungsmessstreifen, Metalllegierungen oder polykristalline Halbleiter als Widerstandsmedien. Diese Materialien leiten mehr oder weniger Elektrizität aufgrund geometrischer Deformationen in ihrer Struktur. Da ein linearer Druckanstieg nicht zu einer linearen Verformung führt, müssen Kalibrierungstechniken verwendet werden, um den tatsächlichen Druck zu bestimmen. Diese sind in den allermeisten Systemen eingebaut.
Bei empfindlicheren Drucksensoren auf der Basis von monokristallinen Halbleitern, die unter Verwendung herkömmlicher Halbleitertechnologie hergestellt werden, können winzige Verformungen zu großen Widerstandsänderungen führen. Die Widerstandsänderung beruht nicht auf geometrischen Verformungen des leitenden Materials, sondern auf einem kleineren, feineren Strukturverzug.
Es gibt verschiedene Arten von Drucksensoren. Einer ist ein Absolutdrucksensor, der den Absolutdruck unter Verwendung eines Vakuums als Bezugspunkt misst. Ein anderer ist ein Messsensor, der den Druck in Bezug auf den Umgebungsluftdruck misst. Es gibt auch Differenzdrucksensoren, die die Druckdifferenz zwischen zwei Kontakten messen.
In der Regel befindet sich zwischen der zu messenden Flüssigkeit und dem Drucksensor selbst ein Zwischenmedium. Oft wird eine metallische Membran oder eine hermetisch abgeschlossene Fluidkammer verwendet. Insbesondere bei der Messung des Drucks von flüchtigen oder ätzenden Stoffen wie heißem Öl in einem Motor wird eine Zwischenschicht verwendet, um eine Beschädigung des empfindlichen Messfühlers zu verhindern. Neben ihrer nahezu allgegenwärtigen Verwendung in Prozessanlagen werden Drucksensoren von Naturwissenschaftlern auch zur Bestimmung von Variablen wie der Tiefe eines Eispanzers oder der Dichte einer Gesteinsschicht verwendet.