FARADAY SENSOR - TECHNOLOGIE

Sensor mit integriertem Faradaykäfig:

Kapazitive Sensoren sind gegen äußere elektrische und magnetische Störfelder besonders anfällig. Ein robustes Gehäuse kann den Sensor zwar davor schützen, verfälscht aber gleichzeitig das zu empfangende Signal beträchtlich. Dagegen ist der kapazitive Mikrosensor für Druck und Kraft mittels eines Faradaykäfig in sich selbst abgeschirmt. Ausgangsmaterial des Sensors ist monokristallines Silizium, daß durch seine Elastizitätseigenschaften dafür besonders geeignet ist.

Durch ein Ätzverfahren wird eine hochelastische, nahezu ermüdungsfreie, Siliziummembran hergestellt. Prinzipiell ist der Sensor als MOS - Sandwich (Metall / Oxid / Semiconductor) aufgebaut. Die Membran und ein ebenfalls aus Silizium hergestellter Grundkörper sind am äußeren Rand miteinander verschweißt und so mechanisch und elektrisch verbunden. Im Inneren dieser Meßzelle ist eine Kavität (Höhlung) geätzt.

Auf dem Grundkörper und der Membran ist innenseitig jeweils eine isolierende Schicht aus Siliziumoxid (Si02) abgeschieden. Darauf sind Meßelektroden aufgebracht, die wiederum von Siliziummaterial umgeben sind. Dieses leitende Silizium bildet so einen Faradaykäfig um die Meßelektroden. Die äußere Siliziumoberfläche läßt sich auf Wunsch mit einer Schutzschicht überziehen, die sich vor allem gegen aggressive Medien richtet.

Die lateralen Abmessungen des Sensors betragen 4,32 mm  x  5,08 mm. Die Bauhöhe beträgt 1,4 mm. Der Abstand der Meßelektroden beträgt 5 µm, das ergibt eine Grundkapazität von 5 pF. Die aus dem Elektrodenabstand resultierende geringe Durchbiegung der Membran von maximal 5 µm gewährleistet eine nahezu wegfreie Druckmessung. Durch Variation der Membrandicke kann ein Meßbereich von < 10 mbar bis 1.500 bar realisiert werden.

Die Meßelektroden werden durch eine Öffnung in der Verbindung zwischen dem Membran und dem Grundkörper nach außen geführt, wo die Elektroden und das abschirmende Silizium mit zwei Ø 0,3 mm dicken Koaxialkabeln kontaktiert werden (Dreileiterversion). Daneben kann der Sensor auch mit einem einzelnen Koaxialkabeln versehen werden. Bei dieser Zweileiterversion wird die Messelektrode mit dem Silizium kurzgeschlossen. Gegenüber dieser Variante ist die Dreileiterversion zwar teurer; bietet aber eine höhere Auflösung und Genauigkeit. Die derzeitige maximale Auflösung liegt bei 0,002 % des maximal meßbaren Druckwertes.

Durch die Öffnung steht der Zwischenraum der Elektroden in Verbindung mit dem Umgebungsdruck und bildet einen Relativdrucksensor. Das hermetische Verschließen der Öffnung mit Lot unter Vakuumbedingungen, wobei der Zwischenraum evakuiert wird, läßt einen Absolutdrucksensor entstehen.

Die Meßzelle selbst ist nichtlinear. Bei zunehmendem Druck wächst diese Nichtlinearität. Wird das Membran allerdings nur bis zu 60 % durchgebogen, so liegt der Linearitätsfehler < 1 %.

Bei dem Sensor selbst treten keine temperaturabhängigen Halbleitereffekte auf, da das Silizium als einheitlicher Kristall und nicht als p-n-Übergang verwendet wird. Eventuelle Temperaturänderungen gehen nur in die thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein. In den meisten Anwendungsfällen ist damit keine Temperaturkompensation notwendig (Temperaturkoeffizient <0,01 % / Kelvin). Temperaturen bis 350 °C sind möglich.

Der weltweit patentierte Drucksensor mit integriertem Faradaykäfig ist ein Produkt eines mehrjährigen Modellversuchs für technologieorientierte Unternehmen , und wird im Rahmen eines Lizenzvertrages nach verwenderseitiger Spezifikation in Serie hergestellt. Entsprechende Auswerteschaltungen (Anzeigen, Schaltinstrumente, Signalgeber, Regelventile u.a.) sind auf Wunsch lieferbar.

Was ist ein Faraday Käfig?

Der Faradaykäfig ist eine allseitig geschlossene Umhüllung, die durch ein elektrisch leitendes Material das Innere des Käfigs gegen äußere elektrische Felder abschirmt. Dabei umschließt das störende Feld den elektrisch leitenden Käfig und induziert einen Strom, der dann über einen Masseanschluß abfließt. Der Käfig kann beispielsweise aus Blech, aber auch aus Maschendraht bestehen; wichtig ist nur, daß er ein in sich geschlossenes Objekt darstellt. Der Faradaykäfig bietet allerdings keinen Schutz gegen magnetische Felder.