Die wohl entscheidende Frage bei der Auswahl des richtigen Sensors ist die nach der Applikation. Dabei ist wesentlich, mit welchem Medium der Sensor beaufschlagt wird. Handelt es sich um korrosive Medien oder um Wasser, ist die Auswahl meist stark eingeschränkt und es wird möglicherweise teuer. Gerade in der Pneumatik funktioniert nicht jeder Sensor zuverlässig: Da immer ein wenig Öl in der Luft vorhanden ist, wird der Sensor mit der Zeit angegriffen und kann ausfallen. Ebenso wichtig ist es, darauf zu achten, dass der Sensor nicht überdimensioniert ist und man die Kosten damit in die Höhe treibt.

Drucksensoren in der Pneumatik nutzen

Eckdaten

Drucksensoren in rauen Industrieumgebungen sind einer Vielzahl von Umwelteinflüssen ausgesetzt – Staub, Vibration, Flüssigkeiten und mehr. Entwickler müssen nicht nur das, sondern noch weitere Eigenschaften wie Größe und Lebensdauer berücksichtigen und dann den richtigen Sensor für ihre jeweilige Anwendung wählen.

Pneumatik spielt schon lange eine bedeutende Rolle bei der Verrichtung mechanischer Arbeit. Vor allem in der Automatisierung ist Pneumatik seit vielen Jahren verbreitet. Im Gegensatz zur Hydraulik, wo das Arbeitsmedium Flüssigkeit ist, wird in der Pneumatik Druckluft – verdichtete Umgebungsluft wird meist als Druckluft bezeichnet – verwendet. Ihr Einsatzgebiet ist sehr vielseitig. Man kann sie beispielsweise zum Reinigen, zum Trocknen oder als Förderluft verwenden, weshalb in vielen Industriegebäuden Druckluftnetze zur Ausstattung gehören. Daraus ergibt sich ein weiterer gewichtiger Vorteil für die Pneumatik: Es lassen sich ohne großen zusätzlichen Aufwand Pneumatik-Komponenten installieren, beispielsweise für die Automation von Produktionsprozessen. Herkömmliche Luftdruckanlagen arbeiten meist in einem Bereich von 6 bis maximal 10 bar – Ausnahmen sind Anwendungen mit hohem Kraftbedarf, wo höhere Drücke zum Einsatz kommen.

Drucksensoren von Fujikura

Bild 1: Keramik-, Edelstahl- und Fujikura-Drucksensor im Kunststoff Gehäuse. Pewatron

Vor allem in der Automation ist die Pneumatik heute sehr verbreitet und kaum mehr wegzudenken. Besonders in hoch industrialisierten Ländern setzt man, auch unter dem Druck der hohen Löhne, stark auf die Prozessautomatisierung. Nur mit einem hohen Automatisierungsgrad lassen sich Produkte in diesen Ländern weiterhin zu marktgerechten Preisen produzieren. Diese Entwicklung treibt das Wachstum von Herstellern von Pneumatik-Komponenten an. In vielen dieser Komponenten ist ein Drucksensor wesentlicher Bestandteil.

Sensor entsprechend der Anwendung wählen

Damit ein Produkt langfristig auf dem Markt bestehen kann, muss es richtig ausgelegt sein: Einerseits muss es die Anforderungen für seine Anwendung erfüllen und unter den Umgebungsbedingungen über seine ganze Lebensdauer zuverlässig funktionieren. Auf der anderen Seite sollte das Produkt oder die Komponente nicht überdimensioniert sein. Wem nutzt ein Produkt, das für 20 Jahre Lebensdauer und raue Umgebungsbedingungen konstruiert ist, wenn es typischerweise nach 5 Jahren ersetzt werden muss und sich nur in klimatisierten Gebäuden unter konstanten Temperaturen einsetzen lässt? Oder wenn es auf eine extrem hohe Genauigkeit ausgelegt ist, aber diese Eigenschaft eigentlich gar nicht benötigt wird?

Aufbau Drucksensor

Bild 2: Schematischer Aufbau eines Drucksensors von Fujikora. Pewatron

Das Problem bei überdimensionierten Produkten ist: Sie führen oft zu deutlich höheren Kosten, was ihre Chance auf dem Markt auf Dauer schmälert. Letztlich ist weder dem Pneumatik-Komponenten-Hersteller noch dem Sensor-Produzenten geholfen, wenn die budgetierten Stückzahlen ausbleiben. Deshalb ist es essenziell, Sensorik nach dem Leitsatz „fit for use” zu designen beziehungsweise auszuwählen – das heißt: exakt auf die Anforderungen abgestimmt. Ingenieure neigen tendenziell eher dazu, Produkte oder Komponenten zu groß zu machen. Dies mag viele Gründe haben. Nicht immer aber liegt es an den Entwicklern selbst, sondern vielmehr daran, dass die Anforderungen nicht klar definiert sind oder dass der Entwickler erst dann involviert wird, wenn die Serie bereits läuft und es Probleme gibt. Bei einem gut funktionierenden Design fristen Entwickler oft ein Schattendasein und erhalten kein Feedback mehr. Das spornt sie natürlich eher dazu an, weniger Risiken einzugehen und eher mit höheren Sicherheitsmargen zu arbeiten – mit dem Resultat eines überdimensionierten Produktes oder einer entsprechenden Komponente. Erfolgreiche Firmen schaffen es, ihre Produkte sehr exakt auf die Anforderungen der Applikation und des Marktes auszulegen. Dadurch gelingt es ihnen, sich auch weiterhin gegen Konkurrenten aus Ländern mit weit tieferen Kostenstrukturen zu behaupten.

Grundaufbau einer Wheatstone-Brücke.

Bild 3: Grundaufbau einer Wheatstone-Brücke. Pewatron

Ein Beispiel für gut dimensionierte Komponenten ist der Drucksensor von Fujikura für Pneumatik-Anwendungen. Bei der Evaluation des passenden Sensors landen Entwickler oft bei einem Keramik- oder Edelstahl-Sensor. Das freut weder den Einkäufer, der technologiebedingt einen markant höheren Einkaufspreis bezahlt, noch den Konstrukteur, der für die falsche Sensor-Wahl viel mehr Platz vorsehen und eine aufwendige Montage definieren muss. Dem gegenüber steht der kompakte Drucksensor von Fujikura, der sich mit seinem Kunststoffgehäuse auch auf Leiterplatten platzieren lässt.

Aufbau des Drucksensors von Fujikura

Bild 2 zeigt den Aufbau des Fujikura-Drucksensors. Daraus ist gut ersichtlich, welche Materialien und Einzelteile Kontakt mit dem Medium haben: das Gehäuse sowie der Port, der Sensor-Die (Chip) und der Kleber zwischen dem Sensor-Die und dem Gehäuse. Das Gehäuse ist unproblematisch, da das Öl in der Pneumatik-Luft den Kunststoff nicht angreift. Schwieriger ist es beim Kleber. Hier unterscheiden sich die verschiedenen Sensor-Hersteller. Der Kleber ist entscheidend für die Sensor-Performance. Verändert sich der Kleber über die Zeit, beispielsweise indem er spröde wird, hat das einen Einfluss auf das Sensor-Signal. Da die Sensor-Membran direkt auf dem Kleber befestigt ist, führt eine Veränderung des Klebers zu einer Drift des Sensor-Signals. Es ist also entscheidend, dass der Kleber den Zustand, den er bei der Kalibration hatte, über die ganze Lebensdauer beibehält. Entscheidend sind hier die Mixtur, die Menge und der ganze Klebeprozess sowie die richtige Voralterung.

Schematischer Aufbau des Drucksensor-Dies

Bild 4: Schematischer Aufbau des Drucksensor-Dies. Pewatron

Wichtigste Komponente ist aber der Sensor-Chip, auch Sensor-Die genannt. Im Fall des Drucksensors von Fujikura ist das ein piezoresistiver Drucksensor-Chip mit Silizium als Grundmaterial. Auf der einen Seite – der Vorderseite – sind vier Messwiderstände aufgebracht und als Wheatstone-Brücke angeordnet. Durch Anlegen von Druck verformt sich die Membrane und die Messwiderstände verändern ihren Wert durch Dehnung oder Stauchung. Die Rückseite des Sensor-Dies besteht aus Silizium ohne Messwiderstände. Bei den meisten Sensoren besteht das Problem darin, dass die Vorderseite des Sensors mit dem Medium beaufschlagt wird.

Je nach Medium werden die Messwiderstände entweder angegriffen oder sie verändern sich. Das Spezielle am Fujikura-Drucksensor ist: Es wird die Rückseite auf der Medienseite verwendet. Da diese aus Silizium besteht und Silizium sehr beständig ist, kann der Sensor mit diversen Medien beaufschlagt werden. Öl, wie in der Pneumatik, kann dem Sensor nichts anhaben. Aber auch Wasser ist kein Problem.