Das piezoresistive Messprinzip ist Basis für viele verschiedenen Sensoren. Seit geraumer Zeit werden zunehmend hybrid aufgebaute piezoresistive Sensoren entwickelt. Die piezoresistive Komponente besteht hier nicht aus den klassischen Metallfolien-Dehnungsmesssensoren (DMS), sondern aus Silizium-DMS (Si-DMS). In ihrem Aufbau ähneln sie Silizium-Drucksensoren, die implantierte Messwiderstände besitzen und als Messbrücke angeordnet sind. Das Layout kann der Richtung der mechanischen Spannung angepasst werden, um somit nahezu querdehnungsunempfindliche Sensoren zu realisieren.
Die optimale Aufbautechnik dieser Sensoren ist die Verbindung mit Lotglas oder Glasfritte bei Fügetemperaturen über 400°C. Durch die unterschiedlichen Materialien und der dadurch resultierenden unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten (CTE) werden mechanische Spannungen eingebaut, die in einem ungünstigen Fall eine Signaländerung herbeiführen. Die nicht reversiblen Vorgänge erhöhen insbesondere die thermische Hysterese, die nicht durch eine nachgeschaltete Messwertverarbeitung kompensiert werden.
In dem Projekt des CiS Forschungsinstitutes wurden verschiedene Maßnahmen untersucht wie beispielsweise:
- Gezielter und beschleunigter Abbau mechanischer Montagespannung
- Präziser extrem paralleler und symmetrischer Aufbau
- Verminderung der Duktilität der Fügewerkstoffe
- Variation der Position des Si-DMS
Im Ergebnis wurde die Langzeitstabilität dieser Sensoren signifikant durch einen gezielten und beschleunigten Abbau der mechanischen Montagespannung verbessert und ein präziser extrem paralleler und symmetrischer Aufbau erzeugt.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Verbesserung der Stabilität hybrid aufgebauter Silizium-Dehnungssensoren“ (SiDMeses) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
FKZ: 49MF200061
