Piezoresistive Sensoren: Druck in präzise elektrische Signale umwandeln

Funktionsprinzip

Ein piezoresistiver Sensor nutzt Änderungen des elektrischen Widerstands bestimmter Halbleitermaterialien unter mechanischer Belastung, um eine elektrische Reaktion auszulösen. Dieser piezoresistive Effekt beruht auf der Tendenz dieser Materialien, ihre spezifischen Widerstandseigenschaften bei Biegung durch Druck oder Spannung zu ändern. Dies bewirkt eine entsprechende Änderung des durch das Bauteil fließenden Stroms, die in ein Messsignal oder eine Anzeige übersetzt wird. Verwendete Halbleitermaterialien stammen im Wesentlichen aus denselben metallischen und siliziumbasierten Familien wie die meisten elektronischen Bauteile. Diese Komponenten sind mit vielfältigen Empfindlichkeitsmerkmalen für unterschiedlichste Industrieanforderungen erhältlich.

Widerstandsänderung unter Spannung

Werden bestimmte Halbleitermaterialien mechanischer Spannung ausgesetzt, ändert sich ihr Widerstand – ihre grundlegende Fähigkeit, dem Stromfluss entgegenzuwirken. Diese Änderung des Widerstandscharakters verändert offensichtlich den spezifischen Widerstandswert. Dies führt zu einem Anstieg oder Abfall jedes durch das Bauteil geleiteten Stroms, der dann zur Anzeige oder Messung der einwirkenden Spannung genutzt wird. Der piezoresistive Effekt wird genutzt, um eine Reihe von ablenkungsempfindlichen Halbleiterbauelemente zu schaffen, die spannungsinduzierende Kräfte wie Beschleunigung und Druck erfassen und messen.

Aufbau und Materialien

Solche Sensoren bestehen typischerweise aus Halbleitersubstraten wie Germanium, polykristallinem Silizium, amorphem Silizium und einkristallinem Silizium. Ein typischer Sensor besteht aus einer druckempfindlichen Halbleitermembran mit mehreren n⁺- und p⁺-Kontakten. Elektrischer Strom fließt durch den Wafer mit einer Rate, die von seinem Widerstand abhängt. Diese Stromübertragung und das resultierende Signal unterscheiden sich je nach Widerstandsänderungen im Bauteil, wenn die Membran unter Druck gesetzt wird. Die Sensoren reichen in ihrer Komplexität von einfachen Piezowiderständen mit begrenztem Bereich und Temperaturstabilität bis hin zu hochstabilen und präzisen Piezo-FETs.

Anwendungsbereiche

Piezoresistive Sensoren finden in zahlreichen Anwendungen zur Messung mechanischer Spannung Verwendung:

• Automobilindustrie: Vakuum- und Drucksensoren, Öl- und Kraftstoffstandsanzeigen.
• Medizintechnik: Blutdruckmessgeräte.
• Tauchtechnik: Tiefenmesser für präzise Tiefenangaben.
• Luftfahrt: Höhenmesser und barometrische Druckinstrumente.

Weitere Einsatzfelder

Druckabhängige Sensoren dieser Art werden auch in elektronischen Messgeräten mit Brückenschaltungen (Wheatstone-Brücke) und Bipolartransistoren eingesetzt. Beschleunigungssensoren zur Messung von Lage, Beschleunigung und Vibration nutzen ebenfalls piezoresistive Technologie. Auch im Haushalt haben sie Einzug gehalten: Viele Geschirrspüler, Staubsauger und Waschmaschinenhersteller setzen sie in ihren Produkten ein.