Sensortechnik

Sensorelemente formen physikalische, chemische oder biologische Messgrößen in elektrische Messsignale um, die mit den Messwerten in eindeutigen oft linearen Zusammenhängen stehen (Abb. 1.1). Die erhaltenen elektrischen Messsignale werden mit Hilfe einer aktiven Messschaltung vorverarbeitet und in ein normiertes, analoges Messsignal verstärkt (Sensor mit analogem, normiertem Ausgangssignal). In einem Mikrocontroller werden die normierten Analogsignale in ein digitales Signalformat umgesetzt und verarbeitet. Über einen Buskoppler erfolgt die Anpassung an eine digitale Busschnittstelle (busfähiger, intelligenter Sensor).

Messungen, Messergebnisse und darauf aufbauende Entscheidungen sind aus unserem Leben nicht wegzudenken. Fast alle Sphären, wie Produktion, Handel, Energieerzeugung und –nutzung, Umwelt, Gesundheit sowie Sicherheit sind davon berührt: Überall verlassen wir uns auf die Richtigkeit von Messergebnissen und auf die Plausibilität der möglicherweise in der Folge dieser Ergebnisse getroffenen Entscheidungen. Beispiele sind die Weiterverwendung eines Werkstückes, das vorgegebene Spezifikationsgrenzen einhält, die Entscheidung über eine Behandlung, weil der Cholesterinwert zu hoch ist, oder die Sperrung bestimmter urbaner Bereiche für den automobilen Verkehr, weil die Feinstaubbelastung zu hoch ist. Ziel von Messungen ist es, eine ausgewählte Ziel- bzw.

Ein Sensor ist ein Bauelement, welches nach der in Abschn. 1.1 festgelegten Definition die Umwandlung einer unbekannten physikalisch-chemischen Messgröße in ein zur Weiterverarbeitung geeignetes elektrisches Messsignal vornimmt. Die Komplexität dieser Messaufgabe macht eine einfache Klassifizierung schwierig, eine übersichtliche Möglichkeit besteht in der Verwendung von SI Einheiten, welche alle physikalisch-chemischen Parameter in einem kohärenten System von sieben Größen abbildet (The international systems of units 2006) (Tab. 3.1). Die Messgröße kann demnach nach Art der auftretenden physikalischen Größe, dem mechanischen, magnetischen, thermischen, strahlenden, chemischen oder biologischen Bereich zugeordnet werden (Lion 1969). Die theoretisch möglichen Beziehungen zwischen den unterschiedlichen Bereichen und der resultierenden elektrischen Größe sind in Abb. 3.1 schematisch dargestellt. Anzumerken ist, dass alle elektrischen Größen sich über das Ampere definieren.

In diesem Kapitel werden wichtige Sensorwerkstoffe und deren wesentliche Eigenschaften erläutert. Der oder die für Sensoren genutzten physikalischen Effekte bzw. ihre Auswertung sind meist an eine bestimmte Werkstoffeigenschaft gebunden.

Modellierung und Simulation sind Werkzeuge für das Design neuer Bauteile, die es erlauben aufwendige und kostenintensive Zyklen von Versuch und Irrtum bei der Überführung in einen Herstellungsprozess zu reduzieren. Hierbei liegt die Betonung auf „erlauben“; denn es muss nicht immer eine Simulation sein, mit der man dies schneller erreicht. Bei der Modellierung und Simulation – so nützlich und Kosten reduzierend sie auch in vielen Fällen sein mögen – gilt genau wie bei allen anderen in Erwägung gezogenen Maßnahmen, dass zuvor eine Abschätzung gemacht werden muss, ob sich der Aufwand lohnt. Das heißt man sollte sich zuvor Gedanken machen, ob überhaupt simuliert werden muss und ob es dem Designprozess dienlich ist.

Die Prozesse der Mikrotechnologien entstammen zum Großteil den Fertigungsmethoden der Mikroelektronik. Hinzu kommen verschiedene Sonderprozesse und Methoden, die speziell für die Herstellung von Mikrosensoren und Mikroaktoren entwickelt wurden. Weil diese Prozesse in der Regel eine besonders reine Arbeitsumgebung erfordern, wird am Anfang dieses Kapitels zunächst auf die grundsätzlichen Anforderungen an Reinräume eingegangen. Es werden dann die wichtigsten Prozesse der Siliziumtechnologie, der Mikromechanik, der Schichttechniken, der Verbindungs- und Kontaktiertechniken und der LIGA-Technik behandelt. Diese Ausführungen können im Rahmen dieses Handbuches naturgemäß nur in Form einer Übersicht erfolgen. Ausführliche Darstellungen dazu finden sich in der einschlägigen Spezialliteratur am Ende dieses Kapitels.

Zum spanabhebenden Bearbeiten von metallischen Werkstoffen und Kunststoffen stehen eine Reihe von Bearbeitungsverfahren und entsprechende Werkzeugmaschinen zur Verfügung. Wesentlich schwieriger ist die Bearbeitung von Werkstoffen wie z. B. Keramik, Glas, Quarz, Siliziumnitrid, -karbid, Korund und Diamant. Durch die besonderen Eigenschaften wie z. B. hohe Härte, Sprödigkeit, Verschleißfestigkeit, elektrisch nicht leitend und Empfindlichkeit gegen bestimmte mechanische Belastungen scheiden die meisten konventionellen Bearbeitungsverfahren aus. In vielen Fällen können die Bearbeitungsaufgaben bei den o. g. Werkstoffen durch den Einsatz der Ultraschall-Erosion, in der Literatur auch als Ultraschall-Schwingläppen bezeichnet, oder durch den Einsatz von rotierenden Diamantwerkzeugen mit kinematisch in axialer Richtung überlagerter Oszillation im Ultraschallbereich gelöst werden.

Sensoren und Sensorsysteme müssen die durch Spezifikationen, Gesetzgebung, Normung und Marktgepflogenheiten vorgegebenen Anforderungen einhalten. Dabei sind zwei wesentliche Aspekte zu betrachten:

Bis zum Anfang der sechziger Jahre war das gängige Messmittel zur industriellen Druckmessung ein mechanisches Manometer. Mit dem Siegeszug der Elektronik im Bereich der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik trat eine zunehmende Nachfrage nach elektrischen Ausgangssignalen auf. Nach und nach wurden die rein mechanischen Kontaktmanometer durch verschiedene physikalische Prinzipien zur direkten Umwandlung der mechanischen Größe Druck in ein proportionales elektrisches Signal ersetzt. Der Oberbegriff für diese Geräte heißt „Druckaufnehmer“.

Weg- und Winkelaufnehmer werden überall dort benötigt wo veränderliche Positionen, (Abstände, Längen oder Winkel) erfasst werden müssen, um entweder als reiner Messwert ausgegeben zu werden oder in einem Regelkreis zumeist die Regelgröße als Messwert zur Verfügung zu stellen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen berührenden (tastenden) und berührungslosen Aufnehmern. Zu den berührenden Sensoren zählen dabei alle Aufnehmer, die ein spezielles Messobjekt als Weg- oder Winkelvermittler benötigen, das während der Messung fest mit dem eigentlichen Messobjekt verbunden ist. Diese Bezeichnung gilt auch dann, wenn die eigentliche Messung gegen das vermittelnde Objekt im Endeffekt berührungslos erfolgt. Berührungslose Weg- und Winkelaufnehmer können ohne einen solchen Vermittler direkt gegen das zu vermessende Objekt messen.

Die Messung der Füllhöhe von Flüssigkeiten und Schüttgütern in Behältnissen oder offenen Umgebungen wird in sehr unterschiedlichen Messanordnungen mit einer Vielzahl von Technologien durchgeführt. Ergebnis der Messung ist eine Höhen- beziehungsweise Entfernungsangabe oder ein Anwesenheitssignal. Daher besteht eine sehr große technologische Nähe der Füllstandmessung zu Methoden der Distanzmessung und Anwesenheitserkennung. Neben den Kosten wird die Wahl des Messverfahrens zur Füllstanderkennung bestimmt durch das zu messende Medium, die erwünschte Ergebnisgröße der Messung sowie den Umgebungs- und Einbaubedingungen der Messaufgabe.

Der Drehzahlmessung kommt in der Technik eine bedeutende Rolle zu.

Der Durchfluss ist eine in der industriellen Messtechnik sehr wichtige Größe. Er beschreibt, welches Volumen oder welche Stoffmenge (bzw. Masse) pro Zeiteinheit einen betrachteten Rohrleitungsquerschnitt passiert.

Die Erfassung der Messgröße Temperatur gehört zu den grundlegenden Auf-gabenstellungen in der Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik.

Unter dem infraroten Spektralbereich verstehen wir den Frequenzbereich elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen oberhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches (ca. 0,8 μm) bis zum Mikrowellenbereich (ca. 1 mm).

Kleine Partikel spielen in einer wachsenden Anzahl von Bereichen in Wissenschaft und Technik eine wichtige Rolle. Zum einen dienen sie als Ausgangsmaterial zur Herstellung vieler Produkte, wie Farbstoffen, keramischen Werkstoffen, Katalysatoren und magnetischen Speicherplatten oder -Bändern. Zudem gibt es eine steigende Zahl von Technologien, die sich kleiner Partikel bedienen, und die heute erst im Bereich der Forschung oder an der Schwelle zur industriellen Anwendung stehen.

In dem nachfolgenden Kapitel werden nichtoptische Gassensoren, die auf den chemischen Effekten Adsorption und Desorption basieren, beschrieben. Dabei werden nur die wichtigsten Typen behandelt. Bis auf die gassensitiven Feldeffekttransistoren werden alle Ausführungsformen in großer Anzahl industriell für verschiedenste Anwendungen hergestellt. Gassensitive Feldeffekttransistoren werden gegenwärtig von der Wissenschaft und Industrie verstärkt untersucht, da sie durch die Möglichkeit der preisgünstigen Herstellung ein großes Potential für die zukünftige Industrialisierung aufweisen.

Sensoren, die geeignet sind Stoffkonzentrationen zu bestimmen, werden gemeinhin als chemische Sensoren bezeichnet.

Das elektrische Ausgangssignal eines Sensorelements 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 modernen Sensorkonzepten leistet die Signalverarbeitung am Sensor sogar mehrere wichtige Aufgaben. Dazu gehören Schaltungsmaßnahmen zum Betrieb des Sensors und zur Formung eines weiterverarbeitbaren Ausgangssignals – man spricht hier auch von Signalvorverarbeitung-, sowie Signalverarbeitungsmaßnahmen zur Darstellung der gemessenen Größe sowie Maßnahmen zum Austausch von Daten über eine Busschnittstelle.

Methoden der Informationsfusion sind immer dann erforderlich, wenn Informationen (sensorieller Art oder aus anderen Quellen, z. B. aus Vorwissen) aus mehreren Quellen zusammengeführt (d. h. „fusioniert“) werden sollen.

In vielen Steuerungs-, Regelungs-, Überwachungs- und Abrechnungsprozessen muss eine Messgröße übermittelt werden, ohne dass ein Kabel zwischen der Auswerteelektronik und ihren zugehörigen Messwertaufnehmern gelegt werden kann oder soll. In diesen Fällen werden energieautarke, drahtlose Sensorsysteme (Funksensoren, engl. Transponder) eingesetzt, die von ihren Lesegeräten (engl. Reader) über eine Funkverbindung ausgelesen werden. In diesem Beitrag werden die unterschiedlichen Funktionsprinzipien funkauslesbarer Sensoren erläutert.

Sensorgeführte Systeme, welche selbständig auf unterschiedliche Situationen reagieren, übernehmen zunehmend Schlüsselfunktionen in modernen Produktionsanlagen. Durch ihren Einsatz wird die Flexibilität dieser Anlagen entscheidend erhöht. Dabei spielen Systeme zur Objekterkennung eine wichtige Rolle. Mit ihrer Hilfe können beispielsweise unterschiedliche Fertigungsteile, ungenau positioniert und in zufälliger Folge angeliefert, von „intelligenten“ Robotern erfasst und bearbeitet werden.

Durch Brände werden Menschenleben gefährdet und Sachwerte in enormen Umfang zerstört. So entstanden z. B. in 2008 in den USA 17,5 Milliarden $ Verluste durch Brände und in Deutschland 2.85 Milliarden €. Die Zahl der Toten durch Brände lag in 2005 in Deutschland bei 510, in den USA in 2008 bei 3650 (The Geneva Assiciation 2011).

In den letzten Jahren haben sich am Markt Sensoren mit bereits integrierter Sensorbusschnittstelle sowie dezentrale, vernetzte intelligent Sensor-/Aktorinseln am Markt etabliert. Diese Busse basieren auf digitalen Übertragungsmechanismen, die es gestatten, mehrere Sensoren – ggf. in Verbindung mit Aktoren und Steuergeräten – an ein gemeinsames Kabel anzuschließen, und sind damit strukturell den im Bürobereich weit verbreiteten LANs (Local Area Networks) vergleichbar. Der folgende Beitrag beschreibt die funktionellen Grundlagen derartiger Bussysteme und gibt Auswahlhilfen für die Entscheidung.