Hidden Champions der Elektronik: Mini-Absolutdrucksensoren

Die Mini-Absolutdrucksensoren der MS5837-Reihe von Amsys messen den Absolutdruck mit hoher Auflösung. Sie sind abgeglichen und geben die Messwerte als digitale Ausgangssignale über eine I²C-Schnittstelle aus. Die reflow-fähigen Sensoren sind für den Druckbereich von 300 bis 1200 mbar (MS5837-02BA03) und 0 bis 30 bar (MS5837-30BA) ausgelegt und sind mit einem Gelüberzug mediengeschützt. Neben dem Druck messen sie die Temperatur von -40 °C bis +85 °C. Die Druckaufnehmer MS5837 bestehen aus einer piezoresistiven Druckmesszelle und einem Verstärker-A/D-Interface-IC, die auf einem Keramiksubstrat (3,3 × 3,3 × 2,75 mm³) aufgebaut sind. Der Metallaufsatz schützt die elektronischen Komponenten und erleichtert die O-Ring Montage. Der Sensor wandelt jeweils das gemessene druck- und temperaturabhängige Signal der Messzelle in ein 24-Bit Datenwort. Zusätzlich sind in dem Modul sechs individuelle Koeffizienten abgelegt, die die hoch genaue Softwarekorrektur für die Druck- und Temperaturmessung durch einen externen Mikroprozessor erlauben. Das I²C-Interface dient zur seriellen Kommunikation mit dem Mikroprozessor. Die Sensoren sind für Anwendungen mit einer digitalen Systemumgebung gedacht. Da hier auf Systemebene schon ein Prozessor vorhanden ist, kann dieser zur einfachen Berechnung der aktuellen Druck- und Temperaturwerte benutzt werden. Anwendungen für die Absolutdrucksensoren sind die mobile Höhenmessung, die mobile Wassertiefenmessung, Tauchcomputer, Fahrradcomputer, mobile Altimeter / Barometer, Sportuhren, pneumatische Geräte und die Kompressorenkontrolle.

Wie funktioniert die Absolutdruckmessung?

Die Absolutdruckmessung ist die Druckmessung des Drucks P1 relativ zum perfekten Vakuum P0 (0 bar). Die mikromechanischen Wandlerelemente auf Siliziumbasis der Sensoren haben als druckempfindliches Element eine dünne Membrane, die anisotrop aus dem Siliziumchip ausgeätzt wird. An geeigneten Stellen der Membrane werden im Halbleiterprozess lokal Fremdatome in den Siliziumkristall implantiert, sodass Zonen mit geänderter elektrischer Leitfähigkeit entstehen, die die Eigenschaften von Widerständen besitzen. Sobald ein Druck auf die Membran wirkt, deformiert sich mit der Durchbiegung der dünnen Siliziummembran die molekulare Struktur des Kristalls. Dadurch finden in den Widerstandsgebieten Kristallverschiebungen statt, die zu Widerstandsänderungen führen (piezo-resistiver Effekt). So entsteht ein druckabhängiges, differentielles Signal im Millivolt-Bereich.