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Sensorik

Zeitmessung zur Auswertung kapazitiver und resistiver Sensoren

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Die Anwendung mit kapazitiven Drucksensoren

Für die kapazitive Druckmessung sind heute MEMS-Drucksensoren Stand der Technik. Insbesondere dann, wenn große Stückzahlen zu produzieren sind. Beim Stuttgarter F+E-Dienstleister Hahn-Schickard hat man sich bewusst für einen anderen Weg entschieden und setzt auf Leiterplatten basierte Sensoren. Dies ermöglicht den Aufbau der Sensoren mit SMD-Standardprozessen, die auch bei kleinen und mittelständischen Unternehmen meist im Haus vorhanden sind und daher keine Investitionen in die Anlagentechnik erfordern.

Auch die Leiterplatten für die Sensorstruktur können günstig zugekauft werden. Durch die niedrigen Investitionskosten sind auch kleine Serien wirtschaftlich. Die Anpassung der Sensoren an Kundenwünsche kann, im Gegensatz zu MEMS-Prozessen, ebenfalls kostengünstig erfolgen. Durch den Einsatz der oben beschriebenen PicoCap-Technologie sind auch hochauflösende kapazitive Druckmessungen darstellbar.

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Bei dem von Hahn-Schickard entwickelten Konzept des kapazitiven Drucksensors ist die fluidseitig druckbelastete Struktur ähnlich zu den bekannten resistiven Sensoren mit Metall-Druckwandler-Membran. Allerdings dient die Wandler-Membran hier direkt als Gegenelektrode einer kapazitiven Abtastvorrichtung, wobei die Membran auf festem Potenzial (z.B. Erdpotenzial) liegt.

Die kapazitive Abtastvorrichtung besteht im einfachsten Fall aus einer Leiterplatte mit einer Elektrode oder Elektrodenanordnung, wobei Gegenelektrode (Membran) und Elektroden einen variablen, druckabhängigen Abstand aufweisen, wodurch eine druckabhängige Kapazitätsänderung gemessen wird. Das Funktionsprinzip ist in Bild 4 gezeigt.

Der Herstellungsprozess des Drucksensors ist einfach: Zunächst wird auf dem PCB das Lot mittels Dispensen aufgebracht. Danach werden die Membran, die Elektronik sowie alle passiven Komponenten auf der Leiterplatte platziert und das Lot wird durch Reflow-Löten umgeschmolzen. Die Membran kann dabei aus unterschiedlichen Materialen hergestellt und somit auf das jeweilige Medium, mit welchem die Membran in Berührung kommt, abgestimmt werden.

Vor allem für die Messung von Füllständen von Fluiden ist dies ein wichtiger Vorteil. Der Drucksensor ist jedoch nicht allein darauf beschränkt, sondern vielseitig einsetzbar: Für andere Anwendungen, etwa in der Pneumatik, der Überwachung des Druckes in LKW-Bremsanlagen oder auch der Klimatechnik, lässt sich die Membran entsprechend anpassen.

Beispiel 1: kapazitiver Drucksensor in MID/PCB

Im Rahmen des EU Projektes „3D-Hipmas“ (3D-Hipmas: The research leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme, FP7/2007-2013, under grant agreement n°314293.) wurde ein Sensor für den Messbereich 0 bis 10 bar ausgelegt und aufgebaut.

Dabei kamen sowohl Leiterplattentechnik als Basissubstrat als auch sogenannte 3D-Moulded Interconnect Devices (3D-MID = dreidimensionale, spritzgegossene Schaltungsträger) zum Einsatz.

Aufgrund des geringen Platzbedarfes und der wenigen zum Betrieb notwendigen externen passiven Bauelemente bietet sich hier die Verwendung eines PCAP01-Chips von acam an.

So konnte der Drucksensor inklusive der kompletten Elektronik in den zur Verfügung stehenden Bauraum integriert werden. Eine erste Version (Bild 5) wurde in ein Aluminiumgehäuse mit den Abmessungen 14,25 mm x 18 mm x 18 mm eingebaut. In der zweiten Version (Bild 6), kam ein 3D-MID zum Einsatz. In beiden Versionen wurde die Membran auf einer Seite des Substrates und die Elektronik auf der anderen Seite aufgebracht.

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