Piezoresistiver Sensor

Dein Smartphone weiß, in welchem Stockwerk du stehst. Die Waschmaschine merkt, wie hoch das Wasser in der Trommel steht, das Auto misst den Saugrohrdruck im Motor und den Reifendruck, das Blutdruckmessgerät den Druck in der Manschette. Fast immer arbeitet dabei ein piezoresistiver Drucksensor: ein Siliziumchip mit einer hauchdünnen Membran, in die Widerstände eingebracht sind. Biegt sich die Membran unter Druck, ändern sie ihren Wert.

Aufbau und Funktionsweise

Der piezoresistive Effekt beschreibt, dass sich der spezifische Widerstand eines Materials unter mechanischer Spannung ändert. Bei Metallen ist dieser Effekt klein; dort ändert sich der Widerstand vor allem, weil sich die Geometrie ändert – das nutzt der Dehnungsmessstreifen. In Halbleitern wie Silizium dagegen verschiebt mechanische Spannung die Energiebänder im Kristall. Dadurch ändern sich Zahl und Beweglichkeit der Ladungsträger, und der Widerstand ändert sich bei gleicher Dehnung 50- bis 100-mal stärker als bei einem Metall-DMS.

Nicht verwechseln: Der piezoelektrische Effekt erzeugt unter Druck eine Ladung, ohne Hilfsenergie – wie im Feuerzeug oder Piezo-Summer. Der piezoresistive Sensor erzeugt nichts selbst, er ändert seinen Widerstand. Beide Effekte stellt Thermoelektrik und Piezo-Effekt gegenüber.

Ein Drucksensor-Chip ist so aufgebaut: Von der Rückseite eines Siliziumplättchens wird eine Grube geätzt, bis nur eine Membran von wenigen bis einigen zehn Mikrometern Dicke übrig bleibt. An den Rändern der Membran, wo sie sich unter Druck am stärksten verformt, werden vier Widerstände durch Dotierung eingebracht. Zwei liegen so, dass sie gedehnt werden, zwei so, dass sie gestaucht werden. Zusammen bilden sie eine Wheatstone-Brückenschaltung. Darunter ist der Chip auf einen Glas- oder Siliziumsockel gebondet.

Diese Fertigung stammt direkt aus der Chipherstellung (siehe Chemie in der Halbleiterfertigung) und macht den Sensor klein und billig. Er ist damit einer der ältesten MEMS-Bausteine.

Bezugsdruck

Eine Membran misst immer einen Unterschied zwischen ihren beiden Seiten. Was auf der anderen Seite liegt, bestimmt die Art des Sensors:

• Absolutdruck: Unter der Membran ist ein Vakuum eingeschlossen. Gemessen wird gegen null – nötig für Luftdruck und Höhe.
• Relativdruck: Die Rückseite ist zur Umgebung offen. Gemessen wird der Überdruck gegenüber der Umgebungsluft, etwa beim Reifendruck oder Füllstand.
• Differenzdruck: Zwei Anschlüsse, beide Seiten mit unterschiedlichen Drücken. So misst du Luftströmung an einer Engstelle oder einen verstopften Filter.

Schaltzeichen

Einen eigenen Schaltplanbaustein bildet nur der nackte Sensor: vier Widerstände in Brücke, oft als Rechteck mit den Anschlüssen „+Vs“, „GND“, „+Vout“, „−Vout“. Integrierte Sensoren erscheinen als normales IC-Rechteck. Mehr unter Schaltzeichen.

Kennwerte

Der nackte Sensor liefert nur wenige zehn Millivolt bei Vollausschlag, hat einen Offset und einen großen Temperaturgang – sowohl der Nullpunkt als auch die Empfindlichkeit wandern mit der Temperatur, weil Silizium selbst stark temperaturabhängig ist (siehe Temperaturverhalten von Halbleitern). Deshalb kaufst du heute meist einen kompensierten und verstärkten Sensor, bei dem Verstärker, Abgleich und Temperaturkorrektur schon im Gehäuse sitzen.

Zur Orientierung bei den Einheiten: 1 bar = 1000 hPa = 100 kPa. Der normale Luftdruck auf Meereshöhe beträgt 1013 hPa.

Der Ausgang reicht bis 4,7 V. Hängt der Sensor an einem Mikrocontroller mit 3,3 V, brauchst du einen Spannungsteiler, zum Beispiel 10 kΩ und 20 kΩ: Dann werden aus 4,7 V rund 3,13 V. Wie fein dein ADC dann noch auflöst, rechnest du hier nach:

Bauformen

• Kunststoffgehäuse mit Schlauchanschluss: ein oder zwei Stutzen für Silikonschlauch, durchsteckbar oder SMD (etwa die MPX-Reihen).
• Winzige LGA-Gehäuse mit Metalldeckel und Loch: digitale Barometer wie BMP280, BMP390 oder LPS22, nur 2 × 2 mm groß.
• Gelgefüllte Gehäuse für Feuchte und Flüssigkeiten, etwa in Wasseruhren und Tauchcomputern.
• Drucktransmitter mit Edelstahlgehäuse, Gewinde und Stecker für Hydraulik, Druckluft und Wasser.

Typische Anwendungen

• Barometer und Höhenmesser: In Meereshöhe sinkt der Luftdruck um rund 0,12 hPa je Meter. Ein BMP280 mit ±0,12 hPa relativer Genauigkeit erkennt also etwa einen Meter Höhenunterschied – genug für Stockwerke.
• Füllstand über die Wassersäule, wie im Beispiel oben.
• Strömung über den Differenzdruck an einer Blende oder einem Staurohr.
• Medizin: Blutdruck, Beatmung, Infusionspumpen.
• Auto: Saugrohrdruck, Reifendruck, Bremskraftverstärker.

Auswahl und Praxistipps

Kläre Bezug (absolut, relativ, Differenz), Messbereich mit etwas Reserve und das Medium. Trockene, saubere Luft verträgt jeder Sensor; Wasser, Öl oder aggressive Gase nur speziell geschützte Typen. Prüfe den Berstdruck und den zulässigen Überdruck – ein Druckstoß beim Einschalten einer Pumpe kann ein Vielfaches des Nenndrucks erreichen.

Häufige Fehler:

• Absolutsensor für Füllstand: Er misst den Luftdruck mit, der um mehrere Kilopascal schwankt. Nimm einen Relativ- oder Differenzsensor oder ziehe den Luftdruck mit einem zweiten Sensor ab.
• Licht auf dem Chip: Manche Barometer im offenen Gehäuse reagieren auf Licht, weil Silizium lichtempfindlich ist. Das Loch nicht direkt einer Lampe aussetzen.
• Lötwärme und mechanischer Stress: Eine verspannte Platine biegt den Chip und verschiebt den Nullpunkt. Platziere den Sensor nicht nahe an Schrauben oder Steckern, die beim Einbau Kraft auf die Platine bringen.
• Eigenerwärmung vergessen: Ein Barometer neben dem Prozessor misst auch die Temperatur falsch, mit der es seinen Druckwert korrigiert.
• Wasser im Schlauch: Kondenswasser im Verbindungsschlauch verfälscht kleine Drücke. Schlauch mit Gefälle zum Messort verlegen.

Selbsttest