Dünne Schichten im Härtetest

Der Autor Michael Sieber ist Leiter Vertrieb Messtechnik und Sensorik bei der Sensor-Technik Wiedemann GmbH, Kaufbeuren,

Herzstück eines Drucktransmitters ist die Messzelle, die für die Umsetzung des Druckes in ein elektrisches Signal verantwortlich ist. Neben Siliziummesszellen mit Edelstahlvorlage werden auch Keramik- und Dünnschichtmesszellen eingesetzt. Da letztere im Hydraulikbereich einige Vorteile aufweisen, wird in der Folge nur auf diesen Typ eingegangen. Ein Drehteil aus hochwertigem Edelstahl (1.4548) bildet den Grundkörper der Messzelle und legt deren grundsätzlichen mechanischen Eigenschaften fest. Über seine Geometrie lässt sich beispielsweise der Druckbereich oder die Überlastgrenze festlegen. Auf den Edelstahlkörper wird eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxid (SiO2) aufgebracht, auf die dann die eigentlichen Funktionsschichten aufgesputtert werden. Meist werden hierfür NiCr-Dünnschichten eingesetzt, die ein Standardsignal von 2 mV/V haben und für Medientemperaturen bis etwa 100 °C eingesetzt werden können.

Sensor-Technik Wiedemann (STW) bietet als Alternative Titanoxinitrid (TiON) an. Messzellen, die mit diesen Dünnschichten aufgebaut sind, haben ein deutlich höheres Ausgangssignal von 5,5 mV/V und sind zudem für Medientemperaturen bis 200 °C einsetzbar. Durch das höhere Ausgangssignal lassen sich entweder höhere Überdrücke realisieren, da die Membran dicker ausgelegt werden kann, oder das Messzellensignal muss nicht so stark verstärkt werden. Dies wiederum beeinflusst positiv die Stabilität des Messsignals.

Die notwendigen Strukturen werden anschließend in einem fotochemischen Prozess belichtet und geätzt. Den Abschluss bildet eine Passivierungsschicht (SiO2 oder Si3N4), um die Dünnschicht vor Umwelteinflüssen zu schützen. Die Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung bleiben von dieser Passivierungsschicht ausgespart, um eine problemlose Anbindung an die Elektronik zu gewährleisten. Da diese Dünnschicht-Messzelle einen Durchmesser von nur etwa 3 mm hat, beträgt die Auslenkung unter Druck nur einige Mikrometer. Daraus resultiert eine sehr hohe Festigkeit von 108 Lastwechseln. In einigen Applikationen konnte auch eine deutlich höhere Lastwechselfestigkeit von >109 nachgewiesen wurde.

Die so gefertigte Messzelle kann auf ein Vorsatzteil geschweißt werden, um einen Anschluss an das Druckmedium zu ermöglichen. Da Vorsatzteil und Messzelle aus dem gleichen Material bestehen, entsteht beim Schweißen kein Materialmix und die Medienverträglichkeit wird nicht beeinträchtigt.

Um dem Anwender ein normiertes und kalibriertes Signal zur Verfügung zu stellen, muss das Messzellensignal verstärkt und bewertet werden. Die hierfür notwendige Elektronik wird an die Messzelle gebondet. Diese Methode hat den Vorteil, dass einerseits die hohen Medientemperaturen bis 150 °C, die in diesen Anwendungen auftreten können, die Kontaktierung nicht negativ beeinflussen und andererseits die elektrische Verbindung preiswert aufgebaut werden kann.

Die Auswertung selbst erfolgt über ein Asic, das neben der Kalibrierung über den Druck auch die Einbeziehung des Temperaturgangs übernimmt. Um diesen Abgleich durchführen zu können, wird der Drucktransmitter sowohl unter Druck als auch unter Temperatur ausgemessen und die Werte vom Prüfstand bewertet. Anschließend werden die berechneten Daten im Speicher der Elektronik abgelegt. Durch diese Methode lassen sich im kompensierten Temperaturbereich Gesamtgenauigkeiten <1 % realisieren.

Die bewerteten Messdaten müssen nun in das vom Kunden gewünschte Ausgangssignal umgesetzt werden. Neben den Strom- und Spannungssignalen 0/4 bis 20 mA oder 0 bis 10 V werden im Fahrzeugbereich auch ratiometrische Ausgänge mit einem Signalbereich von 0,1 bis 0,9*Ub eingesetzt. Da die Transmitter auf Fahrzeugen mit 12- sowie 24-V-Bordnetz eingesetzt werden können, muss die Versorgungsspannung bis an die Grenzen beider Bordspannungen ausgelegt sein. Für die ratiometrische Variante dagegen wird eine Versorgungsspannung von 5 V benötigt. Auch dürfen externe Einflüsse wie Temperaturdifferenzen oder Vibrationen nicht oder nur in geringem Maße in das Ausgangssignal eingehen.

Der Temperaturbereich liegt, bedingt durch den weltweiten Einsatz solcher Maschinen und den Einbau der Transmitter im Motorenbereich, häufig zwischen -40 und +125 °C. Durch die rauen Umgebungsbedingungen müssen auch das Gehäuse sowie die elektrische Kontaktierung solide ausgelegt sein. Neben hoher Vibrationsfestigkeit ist auch ein hoher Schutz gegen Schockbelastungen unerlässlich. Zudem ist es notwendig, dass durch die EMV-Festigkeit des Transmitters der Einsatz der mobilen Geräte unter allen Umständen gewährleistet ist.

Ausgehend von der hauseigenen Dünnschicht-Messzelle hat STW mit dem M01 einen robusten, dabei kleinen und vor allem preiswerten Drucktransmitter entwickelt, der den rauen Umgebungsbedingungen mobiler Arbeitsmaschinen und Nutzfahrzeugen trotzt. Das Gerät wurde nach EN ISO 16949 entwickelt und wird auch in Anlehnung an diese gefertigt. Neben den genannten Analogausgängen steht der Transmitter auch mit einer CAN-Bus-Schnittstelle zur Verfügung, wobei Anwender zwischen CANopen und SAE J1939 wählen können. Firmeninterne Protokolle lassen sich ebenfalls implementieren. Um für den weltweiten Einsatz gerüstet zu sein, verfügt der M01/M01-CAN über eine UL- und E1-Zulassung.

Alternativ steht der P01 mit einem oder zwei Schaltausgängen bereit, der für den gleichen Einsatzbereich entwickelt wurde. Seine Schaltpunkte können ab Werk oder über eine Adapterbox am PC eingestellt werden.

Sicherheitskritische Anwendungen setzen andere Maßstäbe an. Die aktuell heranzuziehende Norm ist die EN ISO 13849-1, die auf die EN 954-1 aufbaut und die kompletten Sicherheitsfunktionen mit allen an ihrer Ausführung beteiligten Geräten inklusive quantitativer Betrachtung berücksichtigt. Hierzu werden die Performance Level (PL) verwendet.

Bei Sensoren, die entsprechend den Anforderungen der Kategorie 3 oder 4 aufgebaut sind, werden zwei Messzellen eingesetzt, die am gleichen Druckanschluss montiert sind. Das stellt sicher, dass das Signal der einzelnen Messzelle auch unter Belastung auf Plausibilität geprüft werden kann. Idealerweise können im Transmitter Messzellen mit unterschiedlicher Geometrie und/oder unterschiedlichen Messbereichen eingesetzt werden, um bei Überdruck unterschiedliche Verhalten zu erreichen, damit auch Überdruckschäden zuverlässig detektiert werden können.

Die Signale der einzelnen Messzellen (Brückensignal, Temperatursignal zur Kompensation) werden von einer Elektronik aufgenommen und mittels A/D-Wandler umgesetzt. Dabei wird die A/D-Wandlung durch einen weniger genauen zweiten Wandler zur Verifikation geprüft. Die Ergebnisse werden in einem Prozessor verglichen, um Abweichungen zu erkennen. Die Signale beider Ausgangskanäle werden als Analogsignale ausgegeben. Bei einem schwerwiegenden Fehler können die Ausgänge innerhalb des Transmitters abgeschaltet werden, um der Steuerung zu signalisieren, dass der Transmitter nicht ordnungsgemäß funktioniert. Durch die Überprüfung der Signale in der Steuerung lassen sich auch geringe Abweichungen beider Kanäle erkennen, um dann entsprechend reagieren zu können. Alternativ kann die Ausgabe auch mittels eines Safety-CAN-Protokolls erfolgen. Mit diesem Aufbau lassen sich Drucktransmitter mit PLd und e realisieren.

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