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 etwa einem Kubikzoll, obwohl einige hundert- oder mehrmal kleiner sein können, beispielsweise solche, die in mikroelektromechanischen Systemen verwendet werden.

Die meisten modernen Drucksensoren arbeiten nach einem Prinzip namens Piezowiderstand. 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 Draht zugeführt, der zu einem Bedienfeld und einer Anzeige für die menschliche Analyse führt.

Konventionelle Drucksensoren verwenden als Widerstandsmedien Schichtwiderstände, Dehnungsmessstreifen, Metalllegierungen oder polykristalline Halbleiter. Diese Materialien leiten aufgrund geometrischer Verformungen in ihrer Struktur mehr oder weniger Strom. Da ein linearer Druckanstieg nicht zu einer linearen Verformungsgröße führt, müssen Kalibriertechniken verwendet werden, um den wahren Druck zu bestimmen. Diese sind in den allermeisten Systemen eingebaut.

Bei empfindlicheren Drucksensoren auf Basis monokristalliner Halbleiter, die in konventioneller Halbleitertechnik hergestellt werden, können kleinste Verformungen große Widerstandsänderungen bewirken. Die Widerstandsänderung beruht nicht auf geometrischen Verformungen des leitenden Materials, sondern auf kleineren, feineren strukturellen Verwerfungen.

Es gibt verschiedene Arten von Drucksensoren. Einer ist ein Absolutdrucksensor, der den Absolutdruck unter Verwendung eines Vakuums als Referenzpunkt misst. Ein anderer ist ein Überdrucksensor, der den Druck in Bezug auf den atmosphärischen Umgebungsdruck misst. Es gibt auch Differenzdrucksensoren, die die Druckdifferenz zwischen zwei Kontakten messen.

Üblicherweise befindet sich zwischen der zu messenden Flüssigkeit und dem Drucksensor selbst ein Medium. Häufig wird eine Metallmembran oder eine hermetisch abgedichtete Flüssigkeitskammer verwendet. Insbesondere bei der Druckmessung von flüchtigen oder korrosiven Materialien, wie heißem Öl in einem Motor, wird eine Zwischenschicht verwendet, um eine Beschädigung des empfindlichen Sensors zu verhindern. Neben ihrer nahezu allgegenwärtigen Verwendung in Prozessanlagen werden Drucksensoren auch von Naturforschern verwendet, um Variablen wie die Tiefe eines Eispakets oder die Dichte einer Gesteinsschicht zu bestimmen.