Kapazitive Sensortechnologie: Neue Möglichkeiten bei der Absolutdruckmessung

as Unternehmen überträgt nunmehr sein Know-how bei kapazitiven Sensoren auf absolute Druckmessung – ein Bereich, der das derzeitige Produktportfolio des Unternehmens optimal ergänzt: „Wir haben in Zusammenarbeit mit unseren Kunden herausgefunden, dass viele von ihnen, wenn nicht sogar fast alle, bei ihren Anwendungen neben der Beschleunigungsmessung auch Messungen des absoluten Drucks benötigen. Unsere kapazitive Messtechnologie kommt daher in diesem Bereich den Kundenerfordernissen entgegen", so Ulf Meriheinä, Business Development Manager bei VTI Technologies. Die Sensoren für die absolute Druckmessung basieren auf der erprobten 3D-MEMS-Technologie.

Wohlbefinden und Sicherheit

Absolutdrucksensoren mit niedriger Stromaufnahme können in den vielfältigsten Bereichen eingesetzt werden, wie etwa im medizinischen Sektor, im Outdoorbereich oder auch in Autos. VTI zielt mit seinen neuen Sensoren insbesondere auf die Bereiche Wohlbefinden und Sicherheit. Denn schließlich liegen uns unsere eigene Gesundheit und unser Wohlbefinden besonders am Herzen. Absolutdrucksensoren können dafür eingesetzt werden, im menschlichen Körper verschiedene Drücke, wie etwa Blutdruck oder Gehirndruck, zu erfassen. „Mit Hilfe der Messergebnisse können z.B. Herzschrittmacher gesteuert oder zukünftig die korrekte Dosierung und der richtige Zeitpunkt bei der Verabreichung von blutdruckbeeinflussenden Medikamenten bestimmt werden", ist Meriheinä überzeugt.

In einem eng mit der Gesundheit verbundenen Bereich können uns Absolutdrucksensoren dazu motivieren, effizienter zu trainieren oder unser Training sicherer zu machen. Ausreichend genaue Höhenmessungen können in Informationen über Energieverbrauch und Trainingsleistung umgewandelt werden. So ist es bspw. für Taucher lebenswichtig, die genaue Tauchtiefe zu kennen, ebenso wie Informationen über plötzliche Veränderungen des Luftdrucks als Ankündigung von Wetterumschwüngen für Wanderer wichtig sind. Absoluter Druck und Sicherheit sind auch in Fahrzeugen eng miteinander verbunden. Der richtige Reifendruck verringert die Gefahr von Aquaplaning und Über- bzw. Untersteuerung. Zusätzlich wird durch zu geringen Reifendruck der Bremsweg erheblich verlängert: Reifen mit einem um 50% zu niedrigen Druck weisen bei 100 km/h und nassem Wetter trotz ABS-Bremsen einen um 10 m längeren Bremsweg auf. Auch erhöht zu geringer Reifendruck den Treibstoffverbrauch um ca. 4% pro 0,6 Bar. Ein korrekter Reifendruck verlängert die Lebensdauer der Reifen.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten umfassen Füllstandsanzeigen bei Tanks, Prozessmessungen und Messinstrumente.

Kapazitive Technologie: Leistung und Beständigkeit

Die verschiedenen Anwendungsbereiche stellen unterschiedliche Anforderungen an die Messung des absoluten Drucks. In Reifen untergebrachte Sensoren sind hohen und niedrigen Temperaturen, Feuchtigkeit, hoher Beschleunigung, Chemikalien und andauernden Vibrationen ausgesetzt. Beim Outdoortraining können die Geräte herunterfallen oder unter Wasser geraten. Im medizinischen Bereich hat die Zuverlässigkeit der Messung oberste Priorität. „Der gemeinsame Nenner bei allen von uns ins Auge gefassten Anwendungen ist die Forderung nach geringer Sensorgröße und geringe Stromaufnahme. Unsere Sensoren sind kompakt und verbrauchen äußerst wenig Strom. Darüber hinaus sind sie präzise, stabil und zuverlässig", erläutert Meriheinä.

Das Sensorelement wird aus monokristallinem Silizium hergestellt, einem nahezu idealen elastischen Material. Die dreidimensionalen Strukturen werden in einen einzelnen Siliziumwafer geätzt; der Druck verbiegt dann eine Siliziummembran, so dass sich der Abstand zwischen den Elektroden eines Kondensators und damit die Kapazität des Sensors ändert. Die niedrige Basiskapazität und die hohen Kapazitätsänderungen innerhalb des Druckbereichs verleihen dem Sensor hohe Genauigkeit und Auflösung.

Silizium ist von Natur aus ein sehr stabiles Material. So hat z.B. die Temperatur nur einen sehr geringen Einfluss auf den Absolutdrucksensor von VTI. Dank des Materials und seines inneren Aufbaus ist der Sensor unempfindlich gegenüber Schock und übersteht auch hohen Überdruck. Kapazitätsmessungen an sich benötigen nur sehr wenig Strom, und das Signal des Sensors erfordert keine A/D-Umwandlung, so dass der Sensor mittels Batterie oder sogar ohne Batterie betrieben werden kann. In den meisten Bereichen der Absolutdruckmessung kommt es auf die Größe an. Wenn ein Absolutdrucksensor in ein Sportinstrument, wie etwa eine Armbanduhr, eingebaut werden soll, sind seine Abmessungen, Kompaktheit und die geringe Masse entscheidend. Das Absolutdruckmesselement von VTI ist mit 1,4 x 1,4 x 1,25 mm äußerst kompakt.

Wachsender Markt

Der Markt für die Absolutdruckmessung wächst, und VTI geht davon aus, dass die Vorteile und Möglichkeiten seiner kapazitiven Sensoren diesen Trend in Zukunft nur noch verstärken. Da die Einschränkungen der heute eingesetzten piezoresistiven Messtechnologie nicht für die kapazitive Messtechnik gelten, stehen hier auch komplett neue, bisher ungeahnte Anwendungsbereiche offen.