Vorteile und Nachteile von monokristallinem Silizium sowie kapazitiven und diffusionsbasierten Silizium-Drucksensoren
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Könnte mir jemand bitte detailliert die Vorteile und Nachteile sowie die Unterschiede in den Anwendungsbereichen von monokristallinem Silizium sowie kapazitiven und diffusionsbasierten Silizium-Drucksensoren erläutern? Vielen Dank.
Die Antwort stammt aus Baidu Baike: Unterschiede zwischen kapazitiven und Diffusionssilizium-Drucksendern. Ein kapazitiver Sender verfügt über einen Sensorkomponenten mit variabler Kapazität, der als „δ-Kammer“ bezeichnet wird. Der Sensor ist ein vollständig abgeschlossenes Bauteil. Der Prozessdruck sowie der Differenzdruck werden über die Trenndichtung sowie das als Füllstoff verwendete Silikonöl auf die Sensordichtung übertragen, wodurch eine Verschiebung dieser Sensordichtung entsteht. Der Kapazitätsunterschied zwischen der Sensordichtung und den beiden Kondensatorplatten wird von den elektronischen Komponenten in ein elektrisches Signal im Zweileitersystem mit einem Wert von (4–20) mA umgewandelt. Ein elektronischer Verstärkungskreis besteht aus einem Demodulator, einem Oszillator, einem Oszillationssteuerverstärker, einem Stromdetektor, einem Stromsteuerverstärker, einem Strombegrenzungskontroller, einer Referenzspannung sowie einem Regler usw. Durch ihre Erkennung von Kondensatorsignalen wird die Oszillationsfrequenz gesteuert, die anschließend in eine Stromausgabe umgewandelt wird. Leistungsmerkmale/Vorteile: 1. Es ist möglich, sehr niedrige Drücke zu erzeugen. 2. Hohe Überlastbeständigkeit. 3. Hohe Genauigkeit. Nachteile: Bei der Messung hoher Drücke gibt es keine Vorteile. Die Verarbeitung der Sensordaten erfordert hohe Ansprüche. Funktionsprinzip: Das Gerät wandelt die Temperatursignale mithilfe von Temperatursensoren in elektrische Signale um. Anschließend verstärkt und filtert ein Vorverstärker diese elektrischen Signale, bevor sie an den A/D-Wandlungsmodul des CPUs gesendet werden, um analoge Signale in digitale umzuwandeln. Schließlich führt der CPU die Datenverarbeitung durch, zeigt sie an und gibt einen PWM-Ausgang aus. Messmedium ---〉 Sensor ---〉 Elektronikschaltung ---〉 Ausgangssignal
Der Druck des zu messenden Mediums wirkt direkt auf die keramische/Diffusionssilizium-Membran des Sensors ein, wodurch diese eine geringe Verschiebung erfährt, die proportional zum Druck des Mediums ist. Im Normalbetrieb beträgt die maximale Verschiebung der Membran nicht mehr als 0,025 Millimeter. Die Elektronikschaltung misst diese Verschiebung und wandelt sie anschließend in ein standardisiertes Industriemesssignal um, das dem jeweiligen Druck entspricht. Bei Überdruck liegt die Membran direkt auf der festen Keramiksubstrat-/Diffusionssilizium-Struktur. Da der Abstand zwischen der Membran und dem Substrat nur 0,1 Millimeter beträgt, kann die maximale Verschiebung der Membran bei Überdruck nur 0,1 Millimeter betragen. Dadurch wird strukturell sichergestellt, dass die Membran keine übermäßige Deformation aufweist. Der Sensor weist somit eine gute Stabilität sowie hohe Zuverlässigkeit auf. Hauptvorteile der Diffusionssilizium-Drucksender: 1. Hohe Stabilität – jährlich weniger als 0,1 % der Nennspannung. 2. Geringe Temperaturabweichungen – Durch das Weglassen der Zwischenflüssigkeit in den Messkomponenten erreicht der Sensor nicht nur eine hohe Messgenauigkeit.
3. Hohe Zuverlässigkeit – Durch den Einsatz von großflächigen ICs ist die Zuverlässigkeit des Schaltkreises hoch, außerdem weist er eine starke Störfestigkeit auf. 4. Breite Anwendbarkeit – Das Produkt ist in verschiedenen Modellen erhältlich und verfügt über verschiedene Verbindungsformen für Prozesse; dadurch eignet es sich für die Messung verschiedenster Medien in der Industrie. 5. Einfache Installation und Wartung – Die Produktstruktur ist rational gestaltet; das Gerät ist klein und leicht, sodass es an beliebiger Stelle installiert werden kann. Nachteile sind: Ab einer Temperatur von unter 0 °C nimmt die Temperaturstabilität erheblich ab. Der Sensor kann keine dynamischen Drücke aushalten, und die Membranen können leicht beschädigt werden. **Differenz zwischen Diffusions-Silizium-Drucksensoren und kapazitiven Drucksensoren:** Mitte der 1990er Jahre entwickelten die amerikanischen Unternehmen Icscnsor und Nova mithilfe der beiden fortschrittlichen Technologien Silizium und Siliziumschichten neue Typen von Diffusions-Silizium-Drucksensoren. Dabei entstanden Drucksensoren mit hoher Genauigkeit, geringer Wiederholgenauigkeit sowie guten Korrosionsbeständigkeiten. Der Prozessdruck wird über eine Trennmembran sowie gesiegeltes Silikonöl auf die Diffusions-Silizium-Membran übertragen. Gleichzeitig wirkt der Druck am Referenzende (Atmosphärdendruck) auf die andere Seite der Membran. Dadurch entsteht durch den Druckunterschied auf beiden Seiten der Membran ein Druckfeld, das einen Teil der Membran komprimiert. Ein weiterer Teil der Dehnung: In der Kompressionszone sowie in der Dehnungszone befinden sich jeweils zwei Spannungsresistoren, die Änderungen des Widerstandswerts aufgrund des Drucks erfassen können. Dadurch werden Drucksignale in elektrische Signale umgewandelt. Diffusionssilizium eignet sich nicht für den Einsatz bei Temperaturen unter Null Grad sowie bei Temperaturen über 85 °C. Zudem ist es nicht geeignet für hohe Drücke von mehr als 20 MPa. Kapazitiv-dünnschichtbasierte Drucksensoren sowie kapazitiv-dünnschichtbasierte absolute Drucksensoren existieren bereits seit den 1980er Jahren – das sind also mehr als 20 Jahre. Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit, ihrer Korrosionsbeständigkeit, ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Verschmutzungen sowie ihrer guten Stabilität gelten sie weltweit als ideale Geräte zur Messung von Niedrdrücken im Vakuumbereich. Das amerikanische Unternehmen M.K.S ist einer der weltweit führenden Hersteller von kapazitiven Drucksensoren. Es ist in allen Bereichen der zivilen Industrie tätig und spielt außerdem eine wichtige Rolle in Branchen wie der Raumfahrt- und Atomindustrie. Dieser Drucksensor basiert auf dem Prinzip, dass eine elastische Membran unter dem Einfluss eines Druckunterschieds eine Dehnung erfährt, wodurch sich die Kapazität ändert. Er besteht aus einem Messbereich sowie einer Wandlerschaltung, wie in Abbildung 7-34 dargestellt. Der Messbereich umfasst zwei Kammern: eine Vakuumkammer und eine Messkammer. Die Vakuumkammer ist eine vollständig abgeschlossene Struktur. Nachdem sie mit einem Massenspektrometer auf Lecks überprüft und für einwandfrei befunden wurde, wird sie durch langanhaltendes Entlüften hergestellt; anschließend wird die Entlüftungsleitung versiegelt. Zudem sind Entgasungsmittel vorhanden, um verbleibende Gase zu beseitigen und so ein hohes Vakuum aufrechtzuerhalten. Die festen Elektroden befinden sich in der Vakuumkammer; die Anschlussleitungen dieser Elektroden führen nach außerhalb der Kammer. Die Messmembran befindet sich zwischen der Vakuumkammer im hohen Vakuum und der Messkammer des Systems, das im niedrigeren Vakuum steht. Die Messmembran ist eine bewegliche Elektrode; zusammen mit der festen Elektrode bildet sie einen Plattenkondensator mit einer bestimmten Kapazität (J.). Der zu messende Druck im Niedervakuum gelangt durch die Messöffnung in die Messkammer. Dadurch wird die Messmembran gebogen, wodurch sich der Abstand zwischen ihr und der festen Platte ändert. Infolgedessen ändert sich auch der Kapazitätswert. Verschiedene Werte des Niedrigvakuumdrucks bestimmen verschiedene Kapazitätswerte. Schließlich wird das Kondensatorsignal an den Schaltkreisumwandlungsteil übertragen. Dieser wandelt das Kondensatorsignal durch Umwandlung, Aufbereitung und Verstärkung in ein Standardspannungs- oder Strömsignal um – ein Signal, das proportional zur Vakuumdruck ist. Dieser Typ von Drucksensor eignet sich für die präzise Messung von Differenzdrücken und weist eine stabile Nullpunktanzeige auf. Gute dynamische Reaktionseigenschaften und hohe Anpassungsfähigkeit; eignet sich in der Regel zur Messung von statischem Druck.
Der Druck des zu messenden Mediums wirkt direkt auf die keramische/Diffusionssilizium-Membran des Sensors ein, wodurch diese eine geringe Verschiebung erfährt, die proportional zum Druck des Mediums ist. Im Normalbetrieb beträgt die maximale Verschiebung der Membran nicht mehr als 0,025 Millimeter. Die Elektronikschaltung misst diese Verschiebung und wandelt sie anschließend in ein standardisiertes Industriemesssignal um, das dem jeweiligen Druck entspricht. Bei Überdruck liegt die Membran direkt auf der festen Keramiksubstrat-/Diffusionssilizium-Struktur. Da der Abstand zwischen der Membran und dem Substrat nur 0,1 Millimeter beträgt, kann die maximale Verschiebung der Membran bei Überdruck nur 0,1 Millimeter betragen. Dadurch wird strukturell sichergestellt, dass die Membran keine übermäßige Deformation aufweist. Der Sensor weist somit eine gute Stabilität sowie hohe Zuverlässigkeit auf. Hauptvorteile der Diffusionssilizium-Drucksender: 1. Hohe Stabilität – jährlich weniger als 0,1 % der Nennspannung. 2. Geringe Temperaturabweichungen – Durch das Weglassen der Zwischenflüssigkeit in den Messkomponenten erreicht der Sensor nicht nur eine hohe Messgenauigkeit.
3. Hohe Zuverlässigkeit – Durch den Einsatz von großflächigen ICs ist die Zuverlässigkeit des Schaltkreises hoch, außerdem weist er eine starke Störfestigkeit auf. 4. Breite Anwendbarkeit – Das Produkt ist in verschiedenen Modellen erhältlich und verfügt über verschiedene Verbindungsformen für Prozesse; dadurch eignet es sich für die Messung verschiedenster Medien in der Industrie. 5. Einfache Installation und Wartung – Die Produktstruktur ist rational gestaltet; das Gerät ist klein und leicht, sodass es an beliebiger Stelle installiert werden kann. Nachteile sind: Ab einer Temperatur von unter 0 °C nimmt die Temperaturstabilität erheblich ab. Der Sensor kann keine dynamischen Drücke aushalten, und die Membranen können leicht beschädigt werden. **Differenz zwischen Diffusions-Silizium-Drucksensoren und kapazitiven Drucksensoren:** Mitte der 1990er Jahre entwickelten die amerikanischen Unternehmen Icscnsor und Nova mithilfe der beiden fortschrittlichen Technologien Silizium und Siliziumschichten neue Typen von Diffusions-Silizium-Drucksensoren. Dabei entstanden Drucksensoren mit hoher Genauigkeit, geringer Wiederholgenauigkeit sowie guten Korrosionsbeständigkeiten. Der Prozessdruck wird über eine Trennmembran sowie gesiegeltes Silikonöl auf die Diffusions-Silizium-Membran übertragen. Gleichzeitig wirkt der Druck am Referenzende (Atmosphärdendruck) auf die andere Seite der Membran. Dadurch entsteht durch den Druckunterschied auf beiden Seiten der Membran ein Druckfeld, das einen Teil der Membran komprimiert. Ein weiterer Teil der Dehnung: In der Kompressionszone sowie in der Dehnungszone befinden sich jeweils zwei Spannungsresistoren, die Änderungen des Widerstandswerts aufgrund des Drucks erfassen können. Dadurch werden Drucksignale in elektrische Signale umgewandelt. Diffusionssilizium eignet sich nicht für den Einsatz bei Temperaturen unter Null Grad sowie bei Temperaturen über 85 °C. Zudem ist es nicht geeignet für hohe Drücke von mehr als 20 MPa. Kapazitiv-dünnschichtbasierte Drucksensoren sowie kapazitiv-dünnschichtbasierte absolute Drucksensoren existieren bereits seit den 1980er Jahren – das sind also mehr als 20 Jahre. Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit, ihrer Korrosionsbeständigkeit, ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Verschmutzungen sowie ihrer guten Stabilität gelten sie weltweit als ideale Geräte zur Messung von Niedrdrücken im Vakuumbereich. Das amerikanische Unternehmen M.K.S ist einer der weltweit führenden Hersteller von kapazitiven Drucksensoren. Es ist in allen Bereichen der zivilen Industrie tätig und spielt außerdem eine wichtige Rolle in Branchen wie der Raumfahrt- und Atomindustrie. Dieser Drucksensor basiert auf dem Prinzip, dass eine elastische Membran unter dem Einfluss eines Druckunterschieds eine Dehnung erfährt, wodurch sich die Kapazität ändert. Er besteht aus einem Messbereich sowie einer Wandlerschaltung, wie in Abbildung 7-34 dargestellt. Der Messbereich umfasst zwei Kammern: eine Vakuumkammer und eine Messkammer. Die Vakuumkammer ist eine vollständig abgeschlossene Struktur. Nachdem sie mit einem Massenspektrometer auf Lecks überprüft und für einwandfrei befunden wurde, wird sie durch langanhaltendes Entlüften hergestellt; anschließend wird die Entlüftungsleitung versiegelt. Zudem sind Entgasungsmittel vorhanden, um verbleibende Gase zu beseitigen und so ein hohes Vakuum aufrechtzuerhalten. Die festen Elektroden befinden sich in der Vakuumkammer; die Anschlussleitungen dieser Elektroden führen nach außerhalb der Kammer. Die Messmembran befindet sich zwischen der Vakuumkammer im hohen Vakuum und der Messkammer des Systems, das im niedrigeren Vakuum steht. Die Messmembran ist eine bewegliche Elektrode; zusammen mit der festen Elektrode bildet sie einen Plattenkondensator mit einer bestimmten Kapazität (J.). Der zu messende Druck im Niedervakuum gelangt durch die Messöffnung in die Messkammer. Dadurch wird die Messmembran gebogen, wodurch sich der Abstand zwischen ihr und der festen Platte ändert. Infolgedessen ändert sich auch der Kapazitätswert. Verschiedene Werte des Niedrigvakuumdrucks bestimmen verschiedene Kapazitätswerte. Schließlich wird das Kondensatorsignal an den Schaltkreisumwandlungsteil übertragen. Dieser wandelt das Kondensatorsignal durch Umwandlung, Aufbereitung und Verstärkung in ein Standardspannungs- oder Strömsignal um – ein Signal, das proportional zur Vakuumdruck ist. Dieser Typ von Drucksensor eignet sich für die präzise Messung von Differenzdrücken und weist eine stabile Nullpunktanzeige auf. Gute dynamische Reaktionseigenschaften und hohe Anpassungsfähigkeit; eignet sich in der Regel zur Messung von statischem Druck.