Sensorik

Die enormen Fortschritte der Halbleiterelektronik eröffnen der Verarbeitung elektrischer Signale nahezu unbegrenzte Möglichkeiten. Damit Hand in Hand gewinnt die Kommunikation unserer elektronischen Geräte mit der Außenwelt entscheidende Bedeutung. Oftmals liegt dort die eigentliche Problemstellung, zumal mit den zunehmenden Möglichkeiten der Verarbeitung auch die Anforderungen an diese äußeren Schnittstellen gewachsen sind.

Wie bereits in der Einleitung dargelegt, muß man schon bei einem einfachen Sensor unterscheiden zwischen dem genutzten physikalischen Effekt und der zu messenden Größe.

Die Grundgröße “Temperatur” hat auf viele physikalische Vorgänge einen entscheidenden Einfluß. Entsprechend ihrer Bedeutung für die optimale Steuerung und Überwachung technischer Prozesse wurden für die unterschiedlichen Anwendungsfälle spezielle Meßverfahren entwickelt [2.1, 2.2]. Neben mechanischen Ausführungen, hauptsächlich Ausdehnungs- und Bimetallthermometern, haben elektrische Thermometer eine weite Verbreitung gefunden [2.3]. Sie bestehen im allgemeinen aus einem Meßwertaufnehmer, einer Auswerte- und Anzeigeeinheit.

Optoelektronische Bauelemente werden in vielfältiger Weise zum Aufbau optischer Sensoren und als Verbindungselemente zur elektrischen Signalverarbeitung eingesetzt. Insbesondere für die optische Nachrichtentechnik wurden preisgünstige Bauelemente mit hoher Zuverlässigkeit und großer Lebensdauer entwickelt, die in der Sensorik genutzt werden können. Typische Einsatzgebiete solcher optoelektronischer Bauelemente sind:

Das magnetische Feld der Erde dient gewissen Tieren zur Orientierung und wird von ihren Sinnesorganen wahrgenommen. Der Mensch behilft sich Scit 4000 Jahren mit dem Kompass, dem wohl ältesten sensorartigen Instrument. Moderne mikroelektronische Magnetfeldsensoren auf Siliziumbasis sind zu Millionen als Positions- und Stromdetektoren im Einsatz. Die Einleitung zu diesem Kapitel bietet eine erste Übersicht der Anwendungen, Feldstärkebereiche, Spezifikationen, physikalischen Effekte, Materialien und Technologien der auf magnetischen Phänomenen beruhenden Sensoren und ihrer Literatur.

Die Eigenschaften eines Festkörpers hängen im allgemeinen vom Zustand der Dehnungen ab, in dem er sich befindet. Wirkt eine mechanische Spannung auf einen Kristall, so verschieben sich die Atome gegeneinander. Die Änderung der Gitterkonstanten bewirkt eine Änderung der Struktur der Leitungs- und Valenzbänder. Haben die Kristalle polare Achsen, so tritt Piezoelektrizität auf, d.h. unter Druck entstehen Ladungen auf Elektroden, die mit den Kristallen verbunden sind. Der piezoelektrische Effekt wirkt nur dynamisch, weil äußere Ladungen immer rasch gegenkompensiert werden. Er wird beschrieben in Kap. 6 dieses Buches. Sensoren, die ihn verwenden, sind rezeptive Sensoren.

Piezoelektrische Materialien zeichnen sich dadurch aus, daß unter mechanischer Druck- oder Zugbelastung an ihren Oberflächen elektrische Ladungen auftreten, die über Elektroden abgegriffen werden können. Bei pyroelektrischen Materialien geschieht dies auch bei einer Temperaturänderung der Probe. Es gibt Einkristalle (α-Quarz, LiNbO₃), Keramik (BaTiO₃, PbZr_xTi_x-1O₃) und Polymere (Polyvinylidendifluorid) mit derartigen Eigenschaften. Die Halbleiter Silizium und Germanium gehören nicht dazu, III–V-Halbleiter wie GaAs zeigen eine gewisse Piezoelektrizität, ohne daß Anwendungen bekannt sind.

Im Rahmen von Prozeßüberwachung, Umweltschutz, Medizin und Arbeitssicherheit besteht der Wunsch, an sehr vielen Stellen die Konzentration bestimmter, auch schädlicher oder gefährlicher Stoffe in Gasen oder Flüssigkeiten laufend automatisch zu überwachen. Für einen so breit gestreuten, ständigen Einsatz können Analysegeräte, wie sie üblicherweise in Laboratorien verwendet werden, nicht eingesetzt werden, da im allgemeinen Meßzeit und finanzieller Aufwand viel zu hoch wären. Scit Jahren wird daher daran gearbeitet, verschiedene physikalisch-chemische Effekte auszunützen, um die Konzentration der betreffenden Stoffe mit möglichst einfachen Mitteln nachzuweisen. Als Ergebnis dieser Arbeiten erwartet man Sensoren, die die Konzentration des nachzuweisenden Stoffs möglichst direkt in ein elektrisches Signal umwandelt. Um dieses Ziel kostengünstig zu erreichen, ist man in Grenzen bereit, Konzessionen bezüglich Genauigkeit, Selektivität und Breite des Anwendungsbereichs einzuräumen.

Das von einem Sensorelement gelieferte elektrische Signal hat meist einen kleinen Signalpegel, der durch geeignete Schaltungsmaßnahmen so aufbereitet und umgeformt werden muß, daß eine ungestörte Übertragung zu einer übergeordneten Auswerteeinheit bzw. einem Ausgabegerät möglich wird. In den meisten Fällen ist die Auswerteeinheit heute ein Mikrocomputer oder ein Prozeßrechner.

Die vorangehenden Kapitel zeigen, wie mit Hilfe der modernen Halbleitertechnologie ganze Meßketten für alle wichtigen physikalischen Größen vom Sensor bis hin zur Übertragung und Verarbeitung der Signale aufgebaut werden können. Bei den meisten technischen Anwendungen werden mehrere Meßketten zu einem Sensorsystem zusammengefügt. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die Signalverarbeitung in Sensorsystemen und umfaßt hier die Aufnahme mehrerer Meßgrößen, die Übertragung der zugehörigen Meßsignale und ihre Auswertung. Je nach der Funktion, die das Sensorsystem erfüllen muß, entsprechen die Meßgrößen entweder einer einzigen physikalischen Größe oder verschiedenen physikalischen Größen. Diese Unterscheidung bietet eine — wenn auch grobe—Möglichkeit, die Vielzahl der Sensorsysteme in zwei Klassen aufzuteilen.