MEMS-Technik kommt in immer mehr Branchen zum Einsatz, so auch in der Druckmessung. Die Analysten von Research & Markets gehen davon aus, dass der Markt für MEMS-Drucksensoren bis zum Jahr 2018 mehrere Milliarden US-Dollar betragen wird – mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 8,6 %.

Diese Sensoren arbeiten nach dem folgenden Prinzip: Tritt ein Druck auf, verformt sich eine sehr empfindliche mikrobearbeitete Siliziummembran. Das Ausmaß der Verformung steht in direktem Bezug zum elektrischen Signal, das durch ein integriertes Widerstandsnetzwerk fließt. Damit ist eine genaue Messung des Drucks möglich, der auf den Sensor einwirkt. Aufgrund der äußerst elastischen Eigenschaften von Silizium ist die Verformung der Membran vorübergehend und reversibel.

Bild 1: MEMS-Sensoren verbinden das Sensorelement und die Auswerteelektronik auf einem Halbleiterchip. Damit steigt die Robustheit gegenüber EMV-Störungen.

Bild 1: MEMS-Sensoren verbinden das Sensorelement und die Auswerteelektronik auf einem Halbleiterchip. Damit steigt die Robustheit gegenüber EMV-Störungen.Melexis

Klein und robust

Die Sperrigkeit und der relativ hohe Stückpreis elektromechanischer Drucksensoren begrenzen deren Anwendungsmöglichkeiten. Entsprechende MEMS-Sensoren sind hingegen kompakt und robust, was einen zuverlässigeren Betrieb zu geringeren Kosten ermöglicht. Ein weiterer MEMS-Vorteil ist die Kompatibilität zu gängigen CMOS-Prozesstechnologien. Das Sensorelement kann daher zusammen mit den erforderlichen Signalaufbereitungsschaltkreisen auf einem Chip untergebracht sein und eine monolithische Sensorlösung bilden (Bild 1). Herkömmliche Sensoren basieren hingegen auf Keramik- oder Metallsubstraten und können diese Funktionen nicht zusammen integrieren. Damit sind sie wesentlich empfindlicher gegenüber elektromagnetischen Störungen, was die Gesamtleistungsfähigkeit beeinträchtigt.

Eckdaten

In MEMS-Technologie lassen sich sehr robuste und kompakte Sensoren herstellen, die neben dem Sensorelement auch einen Teil der Auswerteelektronik integrieren. Dadurch sind diese Chips sehr robust und störsicher. Ihr Aufbau ermöglicht auch Druckmessungen in Flüssigkeiten. Melexis erklärt die Grundzüge der Technologie und stellt passende Bauelemente vor.

MEMS-Drucksensoren lassen sich auch in andere Medien verbauen, um so die Robustheit des Sensorsystems zu erhöhen. Dies ist vor allem dann interessant, wenn der Sensor den Druck einer Flüssigkeit messen soll. Das Anwendungsmedium ist durch eine metallische Membran getrennt vom MEMS-Sensorelement. Die Lücke zwischen dem MEMS-Baustein und der metallischen Membran ist mit einer elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit gefüllt, die den Druck von der metallischen Membran auf das MEMS-Element leitet.

Drucksensor-IC

Wegen der steigenden Nachfrage nach einer fortschrittlicheren Druckmessung hat Melexis sein Angebot um zwei neue Automotive-konforme MEMS-basierende Drucksensor-ICs erweitert. Die AEC-Q100-qualifizierten Bausteine sind in einer eigenen Prozesstechnologie gefertigt, die hohe Empfindlichkeit und Linearität für die Druckmessung im Fahrzeugbereich garantiert. Zu den Anwendungsbereichen zählen zum Beispiel die Öldruckmessung im Motor/Getriebe und die Drucküberwachung in Klimaanlagen. Die Bausteine sind auch in Industriesteuerungen, Medizintechnik, Haushaltsgeräten und Consumer-Elektronik einsetzbar.

Bild 2: Die Differenzspannung an der Wheatstone-Brücke ist direkt proportional zum Druck auf das Sensorelement.

Bild 2: Die Differenzspannung an der Wheatstone-Brücke ist direkt proportional zum Druck auf das Sensorelement.Melexis

Der MLX90815 misst einen absoluten Druck zwischen 0 und 30 bar und wird durch den MLX90816 ergänzt, der einen Druck zwischen 30 und 50 bar erfasst. Beide Sensorelemente bestehen aus einer piezoresistiven Wheatstone-Brücke, die mit der winzigen Druckmembran verbunden ist. Diese ist in den Halbleiterchip geätzt. Wird ein Druck auf die Membran ausgeübt, tritt über den Ausgängen der Wheatstone-Brücke eine differenzielle Spannungsänderung auf (Bild 2). An den Eingängen der Brücke liegt eine Bias-Spannung an.

Bei steigendem Druck auf die Membran steigt der Widerstandswert bei zwei Widerständen in der Wheatstone-Brücke und sinkt bei den beiden anderen. Daraus ergibt sich eine Differenzspannung. Diese Spannung ist proportional zum angelegten Druck, was eine genaue Druckmessung ermöglicht. Beide Sensoren lassen sich direkt in herkömmlichen nicht-korrosiven (nicht-aggressiven) Medien einsetzen oder je nach Bedarf in ölgefüllte Sensormodule integrieren.

Breites Einsatzfeld

Für moderne Drucksensoren ergeben sich immer mehr Einsatzmöglichkeiten. Die Nachteile herkömmlicher Sensortechnik werden hingegen immer deutlicher: große Formfaktoren, schlechte Leistungsfähigkeit und hohe Kosten schränken die Einsatzmöglichkeiten ein. Im Gegensatz dazu sorgen der kleinere Aufbau und die kostenoptimierte Wafer-Fertigung von MEMS-Bausteinen für ein breiteres Anwendungsfeld.

Viele Elektronikentwickler müssen Sensoren in anspruchsvollen Umgebungen einsetzen, etwa in Fahrzeugen, in der Industrie und Medizintechnik. MEMS-basierende Bausteine unterstützen dank der höheren Empfindlichkeit und Robustheit die steigenden Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und bieten zudem bessere Integrationsmöglichkeiten.