Definition unidirektionale Differenzdrucksensoren:

Differenzdrucksensoren messen die Differenz zwischen zwei Messdrücken P₁ und P₂ , wobei ein Druck gleich/größer ist als der andere Druck sein muss.

Definition bidirektionale Differenzdrucksensoren:

Bidirektionale Differenzdrucksensoren messen die Differenz zwischen zwei beliebigen Messdrücken P₁ und P₂ ohne vorgeschiebenes Grössenverhältnis.

Mikromechanische Druckmesszellen aus Silizium – die Basis der Differenzdrucksensoren

Da die mikromechanischen Messzellen (Sensorelemente) aus Silizium mit den Methoden der Halbleitertechnologie hergestellt werden, genügen sie den hohen Ansprüchen der KFZ-Industrie und der industriellen Elektronik.

Alle mikromechanische piezoresistive Druckmesszellen haben als druckempfindliches Element einen Chip mit einer dünnen Membrane, die heute vorwiegend anisotrop aus dem Siliziumchip ausgeätzt wird (Cavity). An geeigneten Stellen der Membrane werden lokal Fremdatome in den Siliziumkristall implantiert, so dass Zonen mit geänderter Leitfähigkeit entstehen, die elektrisch als Widerstände wirken.

Typischer Aufbau einer Messzelle zur Differenzdruckmessung

Sobald ein Druck von außen auf die Membran einwirkt, deformiert sich mit der Durchbiegung der dünnen Siliziummembran die molekulare Struktur des Kristalls. Insbesondere in den Widerstandsgebieten finden starke Kristallverschiebungen statt, die zu einer messbaren Änderung ihres elektrischen Wertes führen (Piezoeffekt). Werden diese integrierten Widerstände zu einer Brücke geschaltet (s. Abbildung oben), so erhält man bei Strom- oder Spannungsbeauf­schlagung ein druckabhängiges, differentielles Signal im Millivoltbereich.

Signalaufbereitung bei piezoresistiven Drucksensoren

Da die Siliziummesszellen bei der üblichen Brückenschaltung ein Differenzsignal von maximal ca. ≤ 150 mV (abhängig von der Membranempfindlichkeit) als Full Scale Signal erzeugen können, ist zur Signalverarbeitung zunächst ein Instrumentenverstärker notwendig. Dieser verstärkt das Signal mit geringem Offset und Offsetdrift, damit es problemlos weiter verarbeitet werden kann. In der nachfolgenden Single-Ended-Conversion-Stufe wird das Differenzsignal auf ein festes Potential bezogen. In der Regel wird der Nullwert als Bezugspunkt gewählt, so dass bei Differenzmesszellen (ideal gleichen Widerständen vorausgesetzt) ohne Druckbeaufschlagung als Ausgangssignal der Wert 0 V gemessen wird. In der nachfolgenden Signalbearbeitung wird dieser Wert entweder digitalisiert und kalibriert oder durch eine Spannungs- oder Stromendstufe auf den gewünschten Nullpunktwert in Volt oder mA gesetzt.

Elektronischer Aufbau der Signalverarbeitung bei einem Drucksensor mit analoger Stromaussgangsstufe

Mehr zu diesem Thema finden Sie im Whitepaper zur Differenzdruckmessung, in dem im Detail das Messprinzip und daraus resultierende Konsequenzen erläutert werden.

Die Einsatzgebiete für Differenzdrucksensoren sind nicht branchengebunden. Sie reichen von medizinischen Anwendungen -wo vor allem Niederdrucksensoren zum Einsatz kommen- bis hin zur Gebäude-, Industrie- und Gerätetechnik sowie Produktions- und Haushaltstechnik. Prinzipiell können Differenzdruck-Sensoren in nahezu jeder Branche, unter Berücksichtigung der jeweiligen, speziellen Anforderungen eingesetzt werden. Dazu gehören: Druckbereich, Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Medientauglichkeit. Drucksensoren werden zur Messung des Drucks, des Durchflusses, des Füllstands und des Relativdrucks eingesetzt. Vorteilhaft für viele Messaufgaben ist die Tatsache, dass mit den digitalen, abgeglichenen Drucksensoren auch die Temperatur gemessen werden kann.

Eine grosse Zahl an Anwendungsnotizen beschreibt spezielle Anwendungsfälle und die dafür nötigen Eigenschaften eines Sensors, gibt Montageanweisungen und  Programmierhilfen und erläutert mitunter auch Begriffe wie z.B. Systemdruck und Rückseitenbeaufschlagung.