Temperaturverhalten piezoresistiver Druckmessumformer

 

Piezoresistive Druckmessumformer zeichnen sich durch ihre hohe Empfindlichkeit aus, was Messungen von kleinsten Drücken ermöglicht. Allerdings weisen die eingesetzten Materialien auch eine recht hohe Temperaturabhängigkeit auf, welche kompensiert werden muss.

Das Verhalten eines piezoresistiven Druckaufnehmers verändert sich mit der Temperatur. Während temperaturbedingte Nullpunktverschiebungen offensichtlich sind und vom Anwender leicht erkannt und überprüft werden können, sind temperaturbedingte Änderungen der Empfindlichkeit und der Linearität weniger auffällig und werden deshalb oft übersehen.

Ursachen für Nullpunktverschiebung

Die Ursache für die Nullpunktverschiebung ist eine Summe verschiedenster Effekte:

  • verschiedene Widerstandswerte der Messbrücke auf dem Silizium Chip
  • verschiedene Temperaturkoeffizienten der einzelnen Widerstände in der Messbrücke
  • die Siliziummembrane ist nicht homogen, sondern mit einer Siliziumoxydschicht überzogen (unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten)
  • mechanische Spannungen bei der Montage der Messzelle auf ihrem Träger (Chip, Glas, Glasdurchführung)
  • die Ausdehnung des Öls in Verbindung mit der Steifigkeit der Stahlmembrane (daher wird mit einem Füllkörper das Ölvolumen auf wenige µL minimiert)

Je nach Aufbau des Druckaufnehmers und Druckbereich fallen die einzelnen Effekte mehr oder weniger stark ins Gewicht. Wichtig ist in der Praxis nicht, woraus sich die thermische Nullpunktverschiebung zusammensetzt, sondern wie gut kompensierbar sie ist. Erwünscht ist ein möglichst lineares Verhalten über einen möglichst grossen Temperaturbereich.

Beste Ergebnisse mit Polynom-Kompensation

Auch die Linearität verändert sich mit der Temperatur. Falls solche Temperatureffekte berücksichtigt und kompensiert werden sollen, ist dies meist nur im Rahmen einer kompletten mathematischen Modellierung des Aufnehmerverhaltens sinnvoll und möglich. Dieses mathematische Modell beschreibt das gesamte Druck- und Temperaturverhalten eines Aufnehmers genauestens. Es bedarf aber eines Rechners oder digitaler Kompensationsmethoden, um dieses mathematische Modell anwenden zu können.

Bei STS wird dies bei den OCS-Produkten mittels Polynom-Kompensation erzielt. Der piezoresistive Drucktransmitter des Datenlogger DL.OCS/N/RS485 zur Wasserüberwachung erreicht durch Polynom-Kompensation beispielsweise eine Genauigkeit von 0,03 % FS sowie einen Gesamtfehler von nur 0.05 %FS in einem Temperaturbereich von -5…+50 °C.

Die meisten Druckmessumformer von STS sind standardmässig für Betriebstemperaturen von -0°C bis 70°C optimiert – ein guter Wert, um bei den meisten Anwendungen präzise Resultate zu erzielen. In manchen Fällen ist es für jedoch von Vorteil, wenn die Sensoren auf die in der jeweiligen Anwendung auftretenden Temperaturverhältnisse hin optimiert geliefert werden. STS ist darauf spezialisiert, anwendungsspezifische Drucksensoren innerhalb kürzester Zeit bereitzustellen.