~2025-62990-1: /* Marktübliche Drucksensoren */ IO-Link hinzugefügt; inzwischen gängiger Standard bei Sensorik aller Art, so auch Drucksensorik.

2025-09-16T12:22:22Z

Marktübliche Drucksensoren: IO-Link hinzugefügt; inzwischen gängiger Standard bei Sensorik aller Art, so auch Drucksensorik.

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[[Datei:druckmessumformer.jpg|mini|Druckmessumformer]]
Ein '''Drucksensor''' gehört zur Gruppe der [[Druckmessgerät]]e, welche als erstes Glied einer [[Messeinrichtung|Messkette]] die physikalische Größe [[Druck (Physik)|Druck]] (= [[Kraft]] pro [[Flächeninhalt|Fläche]]) in eine elektrische Ausgangsgröße als Maß für den Druck [[Messumformer|umformen]]. Die [[SI-Einheit]] für Druck ist [[Pascal (Einheit)|Pascal]] mit dem [[Einheitenzeichen]] Pa. Nach [[DIN 1301]] ist auch das [[Bar (Einheit)|Bar]], Einheitenzeichen bar, zugelassen. Drucksensoren gibt es zum [[Messung|Messen]] des stationären Drucks, einer Druckdifferenz oder von Druckschwankungen bis zum [[Schalldruck]].

== Drucksensortypen ==
Es gibt je nach Messverfahren unterschiedliche Drucksensoren auf dem Markt wie:
*[[Absolutdrucksensor]]en: Dieser Typ von Sensor bezieht seine Druckmessung auf [[Vakuum]] mit einem Druck von nahezu 0 bar.
**Barometrische Drucksensoren: Dieser Typ ist ein Absolutdrucksensor, der speziell für den Druckbereich 0–1,3 bar konzipiert ist und den barometrischen Luftdruck misst.
*[[Differenzdrucksensor]]en: Dieser Typ von Sensor misst die Druckdifferenz zwischen zwei Messkammern, in denen unterschiedlich hohe Drücke herrschen können. Druckänderungen, die sich auf beide Messkammern auswirken, werden nicht erfasst.
*Bidirektional-differenzielle Drucksensoren: Dieser Typ misst wie die Differenzdrucksensoren den Druckunterschied, der in zwei Kammern herrscht. Das Besondere dabei, ist, dass die Messmembran sich in beide Richtungen biegen kann, daher der Begriff Bidirektional.
*[[Relativdrucksensor]]en: Dieser Typ ist dem Differenzdrucksensor ähnlich. Als Referenz wird der relative Druck bezogen zur Atmosphäre (atmosphärischer Luftdruck) gemessen.

Von den Herstellern, insbesondere im englischsprachigen Raum, werden Absolutdrucksensoren mit "absolute" oder "a" bezeichnet. Drucksensoren, die für Messungen von Drücken relativ zum Atmosphärendruck bestimmt sind, werden mit "gauge" oder "g" bezeichnet. Hier unterscheidet man weiter zwischen eingeschlossener (und damit konstruktiv abgedichteter) Atmosphäre von beispielsweise 1013 mbar (sealed gauge) sowie einer Messung relativ zum aktuell tatsächlich vorhandenen Atmosphärendruck. Bei letztgenannten Drucksensoren ist die Atmosphärenkammer meist durch eine kleine Bohrung mit dem Atmosphärendruck gekoppelt.

Auf dem Markt sind auch kombinierte Druck- und [[Temperatur]]<nowiki/>sensoren verfügbar. Mit diesen können an einer Messstelle beide [[Physikalische Größe|physikalischen Größen]] gemessen werden.

Drücke können in [[gas]]förmigen und [[Flüssigkeit|flüssigen]] Medien sowie an Festkörpern als kraftübertragendes Bauteil gemessen werden.

== Sensormaterialien ==
Als Sensormaterialien werden [[Silizium]], [[Quarz]] oder [[Metalle]] verwendet. Mit Hilfe von Halbleitertechnologien ist es inzwischen auch möglich, [[Piezoelektrizität|piezoelektrische]] [[Dünnschicht]]en auf Messkörpern direkt zu applizieren. Hierbei handelt es sich meistens um [[Zinkoxid]] (ZnO) oder [[Aluminiumnitrid]] (AlN).

[[Mikroelektronik#Integrierte_Schaltkreise|Monolithisch]]e Drucksensoren bestehen aus nur einem Material, z. B. Quarz; teilweise werden neben einem [[Elastizität (Physik)|elastischen]] Grundmaterial zusätzlich [[Dehnungsmessstreifen]] verwendet.

== Physikalische Messeffekte ==
Zur Erfassung der [[Messgröße]] werden verschiedene physikalische [[Messeffekt]]e ausgenutzt. Daher unterteilt man die Drucksensoren in folgende Typen:

=== {{Anker|Passiv}} Piezoresistiver- oder DMS-Drucksensor ===
Bei [[Piezoresistiver Effekt|piezoresistiven]] Drucksensoren kommen entweder metallische [[Dehnungsmessstreifen]] (DMS) oder druckempfindliche Halbleiterchips zum Einsatz. Zwar zeigen die zur Druckmessung eingesetzten Materialien eine starke Temperaturabhängigkeit, da aber dieser Einfluss auf alle Widerstände gleich ist, kann er durch eine [[Wheatstone-Brücke|differenzbildende elektrische Schaltung]] unwirksam gemacht werden. Folgende Sensortechniken sind üblich:

''Keramik-Dickschichtsensoren'' werden aus [[Aluminiumoxid]] hergestellt. Den Grundkörper bildet ein massiver Ring, dessen Stirnseite die Membran darstellt. Auf der Membranrückseite – der druckabgewandten Seite – werden die DMS mittels [[Siebdruck]]verfahren aufgebracht und eingebrannt. Die Aluminiumoxid-Keramik ist bis an die Bruchgrenze nahezu ideal elastisch. Generell haben Keramik-Dickschichtsensoren ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis und sind beständig gegenüber vielen Chemikalien.

''Metall-Dünnfilmsensoren'' bestehen aus einer Kreisringmembran aus Edelstahl. Das Leitermaterial für die DMS wird mittels [[Chemische Gasphasenabscheidung|Gasphasenabscheidung]] auf die Membran aufgebracht und die Strukturen anschließend [[Fotolithografie (Drucktechnik)|fotolitografisch]] geätzt. Die so entstandenen DMS sind dünner als 1 µm. Die Sensoren sind relativ klein und eignen sich für Hochdruckanwendungen und sind äußerst vibrationsfest.

Diese beiden Typen werden auch, da sie selbst keine [[elektrische Spannung]] bei Druckänderung erzeugen, sondern nur ihren elektrischen Widerstand verändern, als '''Passivdrucksensoren''' bezeichnet.

''[[Silizium-Drucksensor]]en'' haben eine Membran aus Silizium und darauf [[Diffusion|eindiffundierte]] verformungsabhängige Widerstände (DMS). ''Siliziumsensoren'' haben ein ähnliches Funktionsprinzip wie metallische DMS. Jedoch beruht der messbare Effekt nicht auf einer Geometrieänderung, sondern auf einer Änderung der [[Kristallstruktur|Kristallgitterstruktur]] und damit der Elektronenbeweglichkeit. Das eigentliche Sensorelement ist ein wenige-millimetergroßer Siliziumchip, der auf einen [[Liste von Halbleitergehäusen#Runde Metallgehäuse, Anschlüsse an einer Seite|TO-Header]] befestigt und [[Drahtbonden|gebondet]] wird. Der Header sitzt in einer runden Metallkapsel die mit einer Metallmembran verschlossen wird. Der Innenraum wird mit Öl befüllt (mediengetrennte Drucksensoren), welches den Druck von der Membran auf den Chip leitet. Die Messzellen sind vom Druckbereich und der Baugröße her sehr variabel. Außerdem sind sie besonders überlastsicher und durch entsprechende Membranwerkstoffe für viele Medien einsetzbar.<ref>{{Internetquelle |autor=JUMO |url=http://campus.jumo.de/index.cfm?seite=veranstaltungsliste&format=fachbuch&l=0a06d8c0&lang=de |titel=JUMO Campus - Elektronische Druckmesstechnik |zugriff=2018-09-03}}</ref>

=== Piezoelektrischer Drucksensor ===
Bei einem [[Piezoelektrischer Sensor|piezoelektrischen Sensor]] wird mittels Druck durch Ladungstrennung eine elektrische Spannung in einem Kristall erzeugt. Dies nennt man den [[piezoelektrischer Effekt|piezoelektrischen Effekt]]. Durch Druck verschieben sich im Inneren des Kristalls Ionen, wodurch sich an der Oberfläche [[elektrische Ladung]] proportional zur Kraft bildet. Die Ladung wird durch einen [[Ladungsverstärker]] in eine [[proportional]]e elektrische Spannung umgeformt. Die unmittelbare Messung der Spannung ist nicht möglich, da die geringe erzeugte Ladung sehr gut isoliert sein muss und keine [[elektrische Kapazität]]sänderung erfahren darf. Jeder beliebige Druck kann durch Ableitung (Kurzschluss) der Ladung als Nullpunkt des Ladungsverstärkers eingestellt werden; dadurch werden Druckänderungen direkt messbar.

Piezoelektrische [[Sensor]]en messen grundsätzlich nur Kräfte. Soll der Sensor in der Druckmesstechnik verwendet werden, muss erst über eine Membran der Druck proportional in eine Kraft umgeformt werden.

''Vorteile piezoelektrischer Sensoren:''
* unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen
* keine äußere Spannungsversorgung nötig
* hohe Empfindlichkeit
* mechanisch sehr starr, wodurch es nur geringfügig zu Eigenschwingungen oder Nachschwingeffekten kommt
* für Druckschwankungen bei hoher [[Frequenz]] geeignet bis >100 kHz.

''Nachteile piezoelektrischer Sensoren:''
* ohne Ladungsverstärker nicht verwendbar
* für statische Messungen wie Wasserstand oder Luftdruck nicht verwendbar, weil selbst bei höchstmöglicher Isolation eine eigentlich konstante Ladung im Laufe von Stunden abfließt.
* Hohe Temperaturempfindlichkeit, welche allerdings zum Teil mechanisch oder elektronisch kompensiert werden kann.

=== Drucksensoren im Vakuumbereich ===
Hier wird zusätzlich verwiesen auf:
* [[Pirani-Vakuummeter|Wärmeleitungsvakuummeter]] nach Pirani, Messbereich ca. 100 … 0,1 Pa
* [[Ionisations-Vakuummeter]] mit Kaltkathode nach Penning, Messbereich ca. 10−1 … 10−5 Pa
* Ionisations-Vakuummeter mit Glühkathode nach Bayard-Alpert, Messbereich ca. 10−1 … 10−10 Pa

=== Frequenzanaloger Drucksensor ===
Dieser ist meistens ein piezoresistiver Drucksensor, der den Druck mittels Dehnungsmessstreifen misst und schaltungstechnisch um einen [[Ringoszillator]] erweitert ist. Durch Verändern des Druckes ändert sich der Widerstand der Dehnungsmessstreifen und in Folge wird die Frequenz des Ringoszillators verstimmt. Die ausgegebene Frequenz ist direkt proportional zum angelegten Druck.

=== Drucksensor mit Hallelement ===
Er arbeitet nach dem [[Hall-Effekt]], wobei bei Druckbelastung das Magnetfeld um das Hall-Element geändert wird.

=== Kapazitiver Drucksensor ===
Kapazitive Drucksensoren enthalten zwei in einen Siliziumchip eindiffundierte [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren]]. Bei Druckbeaufschlagung werden die Abstände einer Membran zu zwei beidseitig gegenüberliegenden Kondensatorplatten und dadurch die Kapazitäten der Kondensatoren gegenläufig verändert. Meistens sind die Kondensatoren Teil eines internen Verstärkers, dessen Ausgangssignal von der Differenz der Kapazitäten abhängig ist.

=== Induktiver Drucksensor ===
Induktive Drucksensoren arbeiten mit einem induktiven [[Wegaufnehmer]], welcher mit einer Membran verbunden ist. Druckänderungen erzeugen eine Kraft auf die Membran und bewegen diese. Dadurch ändert sich die Position eines Eisenankers gegensinnig in zwei Spulen: In einer steigt die [[Induktivität]], in der anderen sinkt sie. Der Unterschied kann elektrisch sehr genau bestimmt werden. Diese Anordnung kann auch durch einen [[Differentialtransformator]] ersetzt werden.

=== Weitere Sensoren ===
Für die Erfassung kleiner Druck''schwankungen'', wie sie beim [[Schalldruck]] auftreten, werden weitere Messeffekte und ihre Anwendungen in Sensoren des Mikrophons in dem entsprechenden Hauptartikel unter dem Stichwort [[Mikrofon#Wandlerprinzipien|"Wandlerprinzipien"]] dargestellt.

== Marktübliche Drucksensoren ==
[[Datei:Pressuresensor.jpg|mini| Luftdrucksensor]]
[[Datei:Digital-barometric-pressure-sensor.jpg|mini|Digitaler Luftdrucksensor, 5 × 5 × 1,2 mm³]]
Die am Markt befindlichen Sensoren geben ein standardisiertes [[elektrisches Signal]] aus, das durch das nachfolgende Gerät (z. B. [[Direct Digital Control (Regelungstechnisches Verfahren)|DDC]]) einfach verarbeitbar ist. Analoge [[Einheitssignal]]e können 0 … 10 [[Volt|V]], 0,5 … 4,5 [[Volt|V]][[ratiometrisch|rat]] oder 4 … 20 m[[Ampere|A]] sein; ferner gibt es standardisierte digitale Schnittstellen wie [[I²C]], [[IO-Link]] oder [[Controller Area Network|CAN-Bus]]. Diese Drucksensoren sind passive Komponenten, die eine Stromversorgung für die Aufbereitung des Signals benötigen. Die [[Kennlinie]]n der Sensoren können [[Linearität (Physik)|linear]] sein oder einer Exponentialfunktion entsprechen; Störgrößen (z. B. Temperatur) sind zu kompensieren und die Kennlinien geeignet zu linearisieren. Daher unterscheidet man heute zwischen:
* nicht kompensierten Drucksensoren (z. B. normale Brückenschaltung, [[piezoresistiver Drucksensor]], [[Mikrosystemtechnik]])
* analogen, jedoch kalibrierten Sensoren (z. B. kalibrierte Brückenschaltung, piezoresistiver Drucksensor, Mikrosystemtechnik)
* digitalen, kalibrierten und linearisierten sowie temperaturkompensierten Drucksensoren (z. B. kalibrierte Brückenschaltung kombiniert mit [[Analog-Digital-Umsetzer]] und Parameterspeicher, piezoresistiver Drucksensor, Mikrosystemtechnik)

== Restriktionen bei der Applikation ==
Drucksensoren reagieren empfindlich auf Überbelastung. Wird der [[Messbereich]] überschritten, kann der Sensor je nach verwendeter Technologie leicht irreparabel beschädigt werden. Für richtige Messwerte ist zudem die korrekte Einbaulage des Sensors zu berücksichtigen. Bei Sensoren, die Flüssigkeiten messen, ist darauf zu achten, dass die Sensorleitung entlüftet ist. Oft ist eine Trennung des (aggressiven) Mediums vom eigentlichen Drucksensor erforderlich, um die auch chemisch empfindlichen Drucksensoren vor Korrosion oder Verschmutzung zu schützen.

== Weblinks ==
* [http://www.emk.tu-darmstadt.de/fileadmin/groups/2/Dokumente/Anleitung_Druckmessung.pdf Markus Bogdahn, Eric Egert, Sebastian Kassner, Timo Kober und Matthias Staab, Druckmessung] (PDF-Datei; 3,65 MB)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Druckmessgerät]]
[[Kategorie:Sensor]]

Drucksensor - Versionsgeschichte

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