Leiterplattendesign

Kapazitive Sensoren auf PCB – hohe Auflösung zu geringen Kosten

| Autor / Redakteur: André Bülau, Adrian Schwenck, Professor Heinz Kück * / Franz Graser

Abbildung 1: Kapazitiver Low-Cost-Drucksensor mit Druckmembran auf Leiterplatte bzw. MID, Ausleseelektronik und Gehäuse.
Abbildung 1: Kapazitiver Low-Cost-Drucksensor mit Druckmembran auf Leiterplatte bzw. MID, Ausleseelektronik und Gehäuse. (Bild: HSG-IMAT)

Am Stuttgarter Institut für Mikroaufbautechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft (HSG-IMAT) werden kapazitive Sensoren in Leiterplattentechnik für den preissensitiven Massenmarkt entwickelt.

Von kapazitiven Low-Cost-Drucksensoren über drahtlos auslesbare Montagesensoren, Drehmoment-, und Drehwinkelsensoren bis hin zu Kraftsensoren, hochauflösenden Positionssensoren sowie 1-achsigen und 2-achsigen Neigungswinkelsensoren steht am Institut für Mikroaufbautechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft (HSG-IMAT) ein breites Portfolio an kapazitiven Sensoren in Leiterplattentechnik sowie das Know How zu deren Konzeption zur Verfügung.

Kapazitiver Low-Cost-Drucksensor

Der kapazitive Low-Cost-Drucksensor ist die neueste Entwicklung des HSG-IMAT. Basierend auf einer Leiterplatte mit aufgelöteter Drucksensormembran kann mit vergleichsweise einfachen Mitteln ein Drucksensor realisiert werden. Da bei der Aufbau- und Verbindungstechnik keine Spezialprozesse notwendig sind, sondern der Sensoraufbau mit SMT-Bestückungstechniken auskommt, ist es möglich, Sensoren für kundenspezifische Anwendungen in kleinen Stückzahlen zu geringen Kosten herzustellen. Aber auch im preissensitiven Massenmarkt – also in Anwendungen, bei denen die Baugröße eine untergeordnete Rolle spielt – kann der Sensor seine Vorteile gegenüber MEMS-Drucksensoren ausspielen.

Die Abbildung 1 zeigt einen Demonstrationsaufbau des Sensors. Auf der Leiterplatte befindet sich unterhalb der Drucksensormembran eine erste Elektrode. Die aufgelötete Membran selbst, hier aus Kupfer-Beryllium, bildet die zweite Elektrode eines druckabhängigen Kondensators. Bei Druckbeaufschlagung wird die Membran parallel zur Leiterplattenoberfläche ausgelenkt und somit der Abstand beider Elektroden zueinander minimiert. Damit steigt die Kapazität des Kondensators, was mittels einer Auswerteelektronik gemessen werden kann. Dies ist im einfachsten Fall ein Capacitance-to-Digital-Converter (CDC), der direkt digitale Werte liefert.

Die Auslegung der Membran an den jeweiligen Druckbereich erfolgt durch FEM-gestützte Simulationen (FEM: Finite-Elemente-Methode), die Fertigung und Bereitstellung der Membranen wiederum durch auf diesem Gebiet spezialisierte Lieferanten. Die Membranen können je nach Einsatzgebiet aus unterschiedlichen Werkstoffen wie Kupfer-Beryllium, Nickel-Beryllium oder Edelstahl bestehen und nötigenfalls auch beschichtet werden. Durch die Verwendung von Edelstahlmembranen lassen sich somit medienbeständige Drucksensoren für aggressive Medien realisieren.

Abbildung 2: Die doppelseitig bestückten Aufbauten des Drucksensors.
Abbildung 2: Die doppelseitig bestückten Aufbauten des Drucksensors. (Bild: HSG-IMAT)

Die in Abbildung 2 gezeigten, doppelseitig bestückten Aufbauten des Drucksensors in Leiterplatten- und MID-Technologie messen 13 mm im Durchmesser und tragen eine Membran mit einem Durchmesser von 9,2 mm. Die Kapazität des Sensorzelle wird im einfachsten Fall gegen einen keramischen Festkondensator gemessen. Auf diese Weise konnte bei ersten Aufbauten eine Wiederholbarkeit von 0,5 Prozent Fullscale in einem Messbereich von 0 bis 10 bar erreicht werden.

Zur Kompensation von Umwelteinflüssen wie Temperatur oder Feuchte kann etwa eine zweite nicht mit Druck beaufschlagte Membran zum Einsatz kommen. Ebenso kann mit einer zweiten Membran, die etwa auf der Unterseite der Leiterplatte und gegenüber der ersten Membran montiert wird, ein Differenzdrucksensor aufgebaut werden.

Leiterplattenbasierte, kapazitive, 1-achsige Neigungswinkelsensoren sind eine weitere Gruppe von Sensoren, die am HSG-IMAT entwickelt und im Jahr 2009 erfolgreich in die industrielle Produktion überführt wurden. Seither wird dieser Sensortyp erfolgreich vermarktet und kommt beispielsweise in kundenspezifischer Ausführung bei einem OEM (Original Equipment Manufacturer) zum Einsatz, wo er in seinem Preissegment nach wie vor der genaueste am Markt erhältliche Sensor ist.

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