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Technische ProjektarbeitAnwendungen von SensorenProf. Dr. Thomas Rose

2010Alle Rechte vorbehaltenII

EinleitungInhaltsverzeichnis1234Einleitung. 11.1Bedeutung und Ziele der Lehrveranstaltung. 11.2Aufbau der Lehrveranstaltung . 11.3Übersicht über die Lerneinheit . 2Sensoren . 32.1Was ist ein Sensor? . 42.2Anwendungsbereiche von Sensoren. 5Temperaturmessung . 73.1Pt100 und ähnliche . 73.2Halbleitersensoren . 93.3Heiß‐ und Kaltleiter . 113.4Thermoelemente. 123.5Weitere Verfahren . 13Widerstandssensoren. 144.1Drucksensoren /Mikrophone . 144.2Potentiometer. 144.3Dehnungsmessstreifen. 184.4Anemometer . 215Kapazitive Sensoren. 246Induktive Sensoren . 257Piezoelektrische‐ Sensoren. 278Pyroelektrische Sensoren . 339Magnetfeld‐Sensoren . 3410 Optische Sensoren. 3811 Moderne Herstellverfahren. 4111.1 Halbleitertechnik. 4511.2 Dickschichtverfahren. 4911.3 Dünnfilmschaltungen . 5011.4 Hybridtechnik . 5112 Suchen und Verwalten von Literatur. 5113 Das Referat . 51I

EinleitungAbbildungsverzeichnisAbbildung 1Sensoren für Wasch‐ und Spülmaschinen . 5Abbildung 2Sensoren im Automobil (Bosch) . 6Abbildung 3Aufbau von konventionellen Pt100‐Sensoren . 9Abbildung 4Pt100 in Dünnfilmtechnik . 9Abbildung 5Spreading Resistance Prinzip, Schnitt durch einen Si‐Wafer. 10Abbildung 6Symmetrischer Spreading‐Resistance Aufbau. 10Abbildung 7Temperaturabhängigkeit verschiedener Sensoren: Pt Platin‐Sensor; Si‐Thermistor Silizium‐Sensor; PTC‐Thermistor PTC,NTC‐Thermistor NTC;. 11Abbildung 8Prinzip der thermoelektrischen Messung. 12Abbildung 9Bezeichnung der Thermopaare . 13Abbildung 10Kohlemikrophon, ein Widerstands‐Drucksensor. 14Abbildung 11Potentiometer als lineare Positions‐ oder Winkelsensoren . 15Abbildung 12Widerstandsschichten für Potentiometer mit nichtlinearenKennlinien . 15Abbildung 13Elektronisches Gaspedal mit Potentiometersensor (ausWikipedia) . 16Abbildung 14 Potentiometer mit 2 Widerstandsschichten . 16IIAbbildung chleiferfeder; 3 Kontaktniet; 4 Widerstandsplatine; 5Lagerstift; 6 Doppelkontakt; 7 Schwimmerhebel; 8Schwimmer; 9 Boden des Kraftstoffbehälters. 17Abbildung standsbahn 1; 3 Widerstandsbahn 2; 4 Schleiferarm mitSchleifern, 5 elektrischer Anschluss. 18Abbildung 17Dehnungsmessstreifen DMS (aus Wikipedia). 18Abbildung 18Drehmomentsensor; 1 Anzeigegerät; σ Spannungen, erstände . 19Abbildung 19Drucksensor von Bosch. 20Abbildung 20Drucksensor von Bosch, aufgebaut auf einem hohlenGlaskörper mit Druckanschluss auf der Pin‐Seite des Gehäuses. 20Abbildung 21Hitzdrahtanemometer (aus Wikipedia) . 21Abbildung 22Erste Generation von Hitzdrahtanemometern für dieLuftmengenbestimmung beim Motor 1‐ Widerstand zurTemperaturkompensation; 2 Sensorring mit Hitzdraht, 3Messwiderstand; QM Luftmassenstrom. 22

EinleitungAbbildung 23Anemometer in Mikrotechnik, im inneren Bild ist der Chip zusehen, der eine Heizzone und die beiden Temperatursensorenenthält .23Abbildung 24Kapazitive Sensorprinzipien .24Abbildung 25Prinzip eines kapazitiven Fingerabdrucksensors .25Abbildung 26Kapazitiver Beschleunigungssensor .25Abbildung 27Induktiver Sensor nach dem Wirbelstromprinzip (Abbildung derFirma Turck).26Abbildung 28Drehzahlsensor der Firma AB Elektronik .26Abbildung 29Quarzkristall .27Abbildung 30Der Piezoeffekt beim Quarz (Reif 2010, S. 101) .28Abbildung 31Elementarzelle des Bariumtitanats (aus Wikipedia), das Ti‐Ionbefindet sich real etwas außerhalb des Zentrums .28Abbildung 32Polymerstruktur von PVDF, grün die negativen Fluor‐Ionen, helldie positiven H‐Ionen, dunkel die C‐Ionen .29Abbildung 33Kraftsensor von Kistler .30Abbildung 34Sensor zur Bestimmung des Fahrzeuggewichts im laufendenVerkehr (Kistler) .30Abbildung 35typische Messwerte des Sensors .31Abbildung 36Klopfsensor von Bosch, 1 Piezokeramischer Ring, 2 SeismischeMasse, 3 Gehäuse, 4 Schraube, 5 Kontaktierung, 6 elektrischerAnschluss, 7 Motorblock, V Vibrationen .31Abbildung 37Piezoelektrischer Beschleunigungssensor, a im Ruhezustand, bbei Beschleunigung a, 1 Piezokeramisches Bimorph‐Biegeelement, UA Messspannung .32Abbildung geelementen (1) zur gleichzeitigen Messung in zweiRichtungen.33Abbildung 39Typischer Aufbau pyroelektrischer Sensoren.34Abbildung 40Typischer Aufbau eines Bewegungsmelders.34Abbildung 41Aufbau zum Hall‐Effekt.35Abbildung 42Blockschaltbild eines integrierten Hall‐Sensors .36Abbildung 43Prinzip der Feldplatte .37Abbildung 44Eigenschaften von Feldplatten .37Abbildung 45Feldplattensensor mit 2 Feldplatten und Magnet in einemGehäuse, gezeigt wird die Erkennung eines vorbeibewegtenexternen Magneten.38Abbildung 46Drehzahlmessung mit Feldplatte .38Abbildung 47Typische Diodenkennlinie, eingezeichnet ist auch dieTemperaturabhängkeit; der bei negativer Spannungentstehende Sperrstrom ist so klein, dass hier auf einEinzeichnen verzichtet wurde .39III

EinleitungIVAbbildung 48Typische Kennlinie einer Photodiode, die eingezeichnetenArbeitsgeraden interessieren hier nicht . 40Abbildung 49Empfindlichkeit einer typischen Photodiode. 40Abbildung 50Regensensor: 1 Regentropfen; 2 Windschutzscheibe; 3Umgebungslichtsensor;4 Photodiode, 5 in die Ferne gerichteterLichtsensor; 6 Leuchtdiode . 41Abbildung 51ein historischer 1‐Bit Speicher (Relais) im Vergleich mit einem16 MBit IC. 42Abbildung 52ein Manometer aus einem alten Physikbuch, ein typischeBeispiel für Feinwerktechnik. 42Abbildung 53Schnitt durch Multilayer‐Platine, man erkennt IC‐Anschlüsse,Leiterbahnen und Durchkontaktierungen . 43Abbildung 54Ausschnitt aus einer bestückten Platine, man sieht IC undWiderstände in surface mount technology . 44Abbildung 55Chip im Gehäuse, die Verbindungsstreifen an denAußenanschlüssen werden nach Montage auf der Platineentfernt. 44Abbildung 56Ablauf der Planartechnik zur lokalen Oberflächenveränderungdurch Photolithographie. 46Abbildung 57Chip im Gehäuse, noch nicht gebondet. 47Abbildung 58Ausschnitt aus dem vorigen Bild. 47Abbildung 59Prozessablauf in der Oberflächenmikromechanik . 48Abbildung 60Strukturierung von Opferschichten ( Uni Freiburg). 48Abbildung 61Spiegelarray zur digitalen Bildprojektion: a) Spiegelelemente,b) abgelöstes Spiegelelement und c) Detailansicht derAufhängung. 48Abbildung 62Ein Beschleunigungssensor, die schwere Masse in der Mittehängt frei an den beiden linken Stegen. 49Abbildung 63Aufbau auf einer Dickschichtschaltung, die schmalen,schwarzen Strukturen sind integrierte Widerstände. 50Abbildung 64Aufbau eines Flachbildschirms mit Dünnfilmtransistoren. 50Abbildung 65Fenster des Programms Citavi mit bibliographischen Angabenzu einer Quelle . 51Abbildung 66Citavi‐Fenster mit Zitaten . 51

Einleitung1Einleitung1.1Bedeutung und Ziele der LehrveranstaltungHeutige Technik ist ohne Sensoren undenkbar. Sie prägen die Produktion, dasAutomobil, den Haushalt, die Kommunikation, die Audio‐ und Videotechnik unddie Spieletechnik. Dies hat nicht nur technische, sondern auch wirtschaftliche endurchBildverarbeitungssysteme ersetzt, Fachkräfte durch sensorgesteuerte Roboter.Automobile können von unerfahrenen Personen sicherer betrieben werden.Sensoren in der Motor‐Steuerung reduzieren den Kraftstoffverbrauch, Sensoren inWasch‐ und Spülmaschinen den Verbrauch von Wasser, Strom undReinigungsmitteln.Wegen dieser großen Bedeutung ist es gerade an der Schnittstelle zwischenTechnik und Wirtschaft wichtig, die Möglichkeiten eines Sensoreinsatzesabschätzen zu können.Mit dieser Lehrveranstaltung sollen in der Lage versetzt werden, in ihrer späterenTätigkeit für eine technische Problemstellung die am Markt befindlichen Sensorenauszuwählen und zu bewerten, daraus einen Lösungsvorschlag zu entwickeln unddiesen zu präsentieren. Dazu sollen sie jetzt den Einsatz von Sensoren an einemkonkreten Beispiel selbst studieren und die Ergebnisse vortragen. Durch dieVorträge Ihrer Kommilitoninnen und Kommilitonen erhalten sie einen größerenÜberblich.1.2Aufbau der LehrveranstaltungIm ersten Teil der Lehrveranstaltung werden Sie mit einigen grundlegendenSensoren und Sensorprinzipien vertraut gemacht.In einem zweiten Teil werden Sie gemeinsam mit dem Lehrenden Themen suchenund festlegen, zu denen Sie mittels Studium von Fachliteratur, Patenten,Firmenschriften und Firmenunterlagen und eventuell durch Gespräche mitExperten die sensortechnischen Lösungen erarbeiten.In einem dritten Teil werden Sie diese Ergebnisse in einer etwa 20‐minütigenPräsentation in der Lehrveranstaltung vortragen.Die Veranstaltung hat daher folgende drei Teile:VorbereitungVor der ersten Präsenz haben Sie die Lerneinheit durchgearbeitet.1. PräsenzIn der ersten Präsenzveranstaltung werden offene Fragen zur Lerneinheitbesprochen, die Vortragsthemen diskutiert und vergeben.2. PräsenzIn der zweiten Präsenz werden die Referate gehalten.1

EinleitungBeim Studium der Unterlagen müssen Sie davon ausgehen, dass vieleInformationen nur aus englischsprachigen Quellen gewonnen werden können.Die Themen können aus allen Bereichen der Anwendung von Sensoren stammen.Beispiele können sein: Übersicht über Sensoranwendungen im Automotive‐Bereich Sensoren für die Motorsteuerung im Automobil Sensoren für den Komfort im Automobil Sensoren für die Sicherheit im Automobil Drehzahlsensoren für die Getriebesteuerung Sensoren für das Antiblockiersystem Ultraschall‐Abstandssensoren für die Rückraumüberwachung Radarsensoren für die Vorderraumüberwachung Übersicht über Sensoranwendungen im Haushalt Sensoren in Wasch‐ und Spülmaschinen Sensoren in Herden und Backöfen Sensoren in Kleingeräten (Bügeleisen, Abzugshauben, Staubsaugern) Sensor für die Verkalkungserkennung in Spülmaschinen Übersicht über Sensoranwendungen in der Freizeit‐ und Spiele‐Industrie Sensoren in Spielkonsolen Sensoren in MobiltelefonenEs sind also Übersichtsthemen über einen ganzen Bereich oder über Teilbereiche,aber auch Vorträge über spezielle Einzeltechnologien möglich.In dieser Lerneinheit werden Ihnen einige grundlegende Sensorprinzipien undeinige moderne Herstellverfahren vorgestellt. Dies soll eine Grundlage schaffen,damit Sie sich in die Vortragsthemen einarbeiten können.1.3Übersicht über die LerneinheitDie Lerneinheit ist in mehrere Teile gegliedert. Zu Beginn werden einigeSensorprinzipien behandelt. Sie lernen also an einigen Beispielen, wie Sensorenfunktionieren, auf welchen physikalischen Grundlagen sie beruhen. Danachwerden einige Herstellverfahren für Sensoren behandelt. Damit sind Sie in derLage, moderne Sensoren, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrieeingesetzt werden, zu verstehen. Allerdings werden die Anwendungen vonSensoren in dieser Lerneinheit nur in Ansätzen behandelt. Es ist ja das Ziel, dassSie sich einen Anwendungsbereich für Ihre Präsentation selbst genauer anschauensollen. Um Ihnen dabei eine Hilfe zu geben, ist noch ein kleines Kapitel überLiteratursuche und –verwaltung angefügt.2

Sensoren2SensorenHeutige Technik ohne Sensoren ist undenkbar.Im Automobil messen sie Drehzahl oder Geschwindigkeit, um den Motor treibstoffsparend zubetreiben, Sauerstoffgehalt im Abgas, um den Motor umweltverträglicher zubetreiben, Temperatur des Fahrgastraums, um die Klimaanlage zu steuern, Schadstoffgehalt der Umgebungsluft, um die Frischluftzufuhr zuregulieren, Abstand und Geschwindigkeit zu vorausfahrenden Fahrzeugen, um dieFahrsicherheit zu erhöhen, die Lidschlaghäufigkeit von Fahrerinnen und Fahrern, um Sekundenschlafvorzubeugenund vieles mehr.In Haushaltsgeräten wie Wasch‐ und Spülmaschinen werden Temperatur,Verschmutzungsgrad und Durchflussmenge des Wassers ermittelt. Sensorenermitteln, ob Gläser einen Kalkschleier beim Spülen bekommen.In der Automatisierungstechnik und in der Qualitätskontrolle werden Fertigungs‐und Produkt‐Kenngrößen gemessen.Und, dies hat in den letzten Jahren enorm zugenommen, in der Kommunikations‐und Unterhaltungsbranche haben Sensoren für geradezu revolutionär neueMöglichkeiten gesorgt. Sie messen, ob ein Laptop vom Tisch fällt, so dass dieFestplatte gesichert werden kann. Sie bestimmen die Neigung eines Displays,damit automatisch zwischen Hoch‐ und Querdarstellung umgeschaltet werdenkann. In den Fernbedienungen von Spielestationen ermitteln sie die momentanenBewegungsrichtungen und Beschleunigungen, damit möglichst wirklichkeitsnahgespielt werden kann.Entsprechendes gilt für die Videotechnik. Kostete vor 30 Jahren eineRöhrenkamera noch mehrere Tausend DM und wog einige Kilogramm, so gibt esheute Mobiltelefone unter 100 Gramm, die zwei Kameras enthalten.Nach einer aktuellen Marktstudie erreichte der weltweite Sensormarkt im Jahr2008 über 50 Mrd. US , im Jahr 2010 wird mit über 60 Mrd. gerechnet. Dabeientfällt der Löwenanteil auf die Automobilsensorik.Consulting IntechnoConsulting recently released market report, the global sensormarket volume in 2008 to 50.6 billion U.S. dollars, estimated the global sensormarket in 2010 reached more than 60 billion U.S. dollars. Worldwide, the fastestgrowing sensor market is still Car Market.1Wieso haben nun Sensoren eine derartig große Bedeutung erlangt?Ein wesentlicher Grund ist die Weiterentwicklung der Fertigungstechnik. Imletzten Jahrhundert wurden Sensoren in sogenannter Feinwerktechnik hergestellt.1The global sensor market in 2010 reached 60 billion U.S. , 24.07.2010, S. 13

SensorenDie eigentlichen Messwandler, beispielsweise elektrische Widerstände ausPlatindraht zur Temperaturmessung, wurden aus dünnen Drähten gewickelt undin Glasgehäuse montiert. Es wurde geschweißt, gelötet. Diese Elemente wurdendann mit elektronischen Bausteinen und Schaltungen und mitAnzeigeinstrumenten verbunden, um ein elektronisches Thermometer zuerhalten. Jeder Messwandler, jede Schaltung musste einzeln bearbeitet undgefügt werden. Heute kann man durch mikroelektronische Fertigungstechnikendie Sensorelemente und die Elektronik, teilweise einschließlich ieseMikrofertigungsverfahren erlauben es auch noch, Tausende solcher Chips aufeiner Halbleiterscheibe, einem sogenannten Wafer, gleichzeitig zu fabrizieren.Diese neuen Techniken arbeiten aber nur bei großen Stückzahlen wirtschaftlich dadie Fixkosten bei Mikrofertigungsverfahren enorm hoch sind. Heute hat teilweiseein sich selbst verstärkender Kreislauf eingesetzt:die Anwendungsfelder für Kamera‐Chips oder hochintegrierte Sensorenwerden größer höhere Investitionen in Mikrofertigungstechniken werdenrentabler die Stückkosten für die Sensoren sinken neueAnwendungsfelder werden gefunden Die Bedeutung von Sensoren für die künftige technologische Entwicklung kannalso kaum überschätzt werden.2.1Was ist ein Sensor?Üblicherweise wird ein Sensor folgendermaßen definiert:Ein Sensor ist ein Bauteil, das physikalische, chemische biologische oder sonstigeMessgrößen in eine elektrische Größe umwandelt.Beispiele sind ein Thermowiderstand wie der Pt100, der eine Temperatur in einenelektrischen Widerstandswert wandelt ein Piezokristall, der einen mechanischen Druck in eine elektrische Ladungwandelt, eine Photodiode, die eine auftreffende Lichtintensität in einenelektrischen Strom wandelt.Ein Quecksilberthermometer, das die Temperatur in die Länge einesQuecksilberfadens umwandelt, ist nach dieser Definition kein Sensor. Es ist einMesswandler.Wird ein Sensor mit einer Auswerteelektronik verbunden, so kann man von einemSensorsystem sprechen. Allerdings wird die Unterscheidung zwischen Sensor undSensorsystem immer unschärfer, da, wie schon erwähnt, heute Sensoren undsignalverarbeitende Elektronik auf einem einzigen Halbleiterchip integriertwerden können.Da die Sensortechnik so ein großes Gebiet umfasst, steht ihre Gliederung vorfolgendem Problem:Man kann nach der Messgröße gliedern. Dann wird geschaut, mit welchenSensoren, mit welchen grundlegenden Umwandlungsprinzipien lassen sichTemperaturen, Drücke, Abstände, Lichtintensitäten usw. messen.4

SensorenMan kann aber auch nach dem zugrundeliegenden Wandlungsprinzip unterteilen.Also: welche Messgrößen lassen sich mit Widerstandssensoren, mitpiezoelektrischen Sensoren, mit optischen Sensoren usw. erfassen.Man kann aber auch nach dem Anwendungsfeld gliedern: Welche Sensorenwerden im Automobil, im Haushalt, in der industriellen Fertigung usw. eingesetzt.Ich werde, was vielleicht etwas ungeordnet erscheint, in den nächsten Kapitelnnach den ersten beiden Ordnungsprinzipien vorgehen. So werden im Kapitel„Temperaturmessungen“ unterschiedliche Sensoren und Prinzipien zurTemperaturmessung vorgestellt. Im Kapitel „Piezo‐ und Pyroelektrische Sensoren“werden Piezo‐ und Pyroeffekt vorgestellt und dann verschiedene Messgrößenerläutert.2.2Anwendungsbereiche von SensorenAuf die Anwendungsbereiche werde ich hier nur kurz eingehen.Die Abbildung 2 zeigt eine Darstellung der Firma Bosch, etwa aus dem Jahr 2006,mit den damaligen Einsatzfeldern von Sensoren im Automobil. In der Zwischenzeitsind noch weitere Felder dazugekommen.Im Bereich der Haushaltstechnik schreibt die Firma emz‐Hanauer auf ihrerWebseite:Abbildung 1Sensoren für Wasch‐ und Spülmaschinen5

SensorenAbbildung 26Sensoren im Automobil (Bosch)

TemperaturmessungAber dies ist nur ein kleiner Teilbereich von Sensoranwendungen in Haus undHaushalt. (Dieses Gebiet wird übrigens auch als „home automation“ oder„domotics“ bezeichnet.) Hierzu zählen unter anderem: Heizung, Ventilation, Klimaanlagen Beleuchtung Sicherheit Robotik im Haushalt Haushaltsgeräte(Im Jahr 2007 wurden übrigens im Labor für Sensortechnik der FH MünsterDiplomarbeiten durchgeführt, in denen eine Kochherdüberwachung entwickeltwurde. Hier wurde mit Sensoren eine Anwesenheitskontrolle in der Küchedurchgeführt. Ist bei eingeschaltetem Herd die Küche längere Zeit leer, wird erstein Warnton ausgegeben, dann der Herd abgeschaltet. Ziel ist, leicht dementenPersonen länger ein selbstständiges Leben in der eigenen Wohnung zuermöglichen.)3TemperaturmessungTemperatur ist wohl die am häufigsten gemessene Größe. Gleichzeitig hängt fastjedes Naturgesetz von der Temperatur ab. Daher gibt es eine sehr große Anzahlsowohl von Sensorprinzipien als auch von konkreten Bauformen. In dieserLerneinheit beschränke ich mich auf Sensoren, deren Widerstand von derTemperatur abhängt (dazu gehören Pt100, Halbleitersensoren, Heiß‐ undKaltleiter) und auf Thermoelemente, die eine temperaturabhängige Spannungliefern.3.1Pt100 und ähnlicheDer elektrische Widerstand von Metallen hängt bekanntermaßen von derTemperatur ab. In sehr guter Näherung gilt dabei für den Widerstand R(T) beieiner Temperatur T:R(T ) R0 (1 α (T T0 ) β (T T 0 ) 2 )wobei R0 der Widerstandswert bei der Temperatur T0 ist. Die beiden Größen αund β sind der lineare und der quadratische Temperaturkoeffizient. In vielenFällen reicht die lineare Näherung, so dass gilt:R (T ) R0 (1 α (T T0 ))Der lineare Koeffizient ist für einige Metalle in folgender Tabelle aufgeführt:7

Temperaturmessungα in K 1Reine MetalleAluminium (99,5 %)4,0 10 3Blei4,22 10 3Eisen (rein)6,57 10 3Gold3,98 10 3Kupfer (99,9 %)3,9 10 3Nickel6,7 10 3Platin3,88 10 3Quecksilber0,9 10 3Silber3,8 10 3Tantal3,5 10 3Wolfram4,8 10 3Im Grunde könnte jedes Metall zum Bau eines Temperatursensors genutztwerden. Wenn man aber berücksichtigt, dass ein Sensor langzeitstabil undchemisch stabil sein soll und das Material leicht zu bearbeiten sein soll, dannbleiben nicht mehr viele Metalle übrig. In der Vergangenheit wurde meist Platin,trotz seines hohen Preises, gewählt. Es wurde ein dünner Draht zu einer Spulegewickelt, so dass der Sensorwiderstand bei 0 C gerade 100 Ω beträgt. Bei 100 Cmüsste der Sensor dann also den Widerstand 138,8 Ω haben.Für Präzisionsmessungen mit Pt100‐Sensoren wurde eine eigene DIN‐Normgeschaffen, die DIN EN 60751. Hier werden die Widerstandswerte als Funktion derTemperatur in 0.1 C Schritten angegeben. Bei T 100 C erwartet man R 138,51Ω,bei T 200 C R 175,86Ω. Man sieht also, dass hier die lineare Näherung schon zukleinen Abweichungen führt.Übung:Welche Widerstandswerte erwarten Sie bei linearer Näherung bei 100 bzw.200 C?Welche Temperatur berechnet man (fälschlicherweise), wenn der Pt100‐Sensorder Wert R 175,86Ω zeigt und man mit linearer Näherung arbeitet?In der Vergangenheit wurden Pt100 meist aus dünnem Draht gewickelt. TypischeAufbauformen zeigt die folgende Abbildung 3.Heute werden solche Sensoren häufig in Dünnschichttechnik erstellt. Sie bestehendann aus einem mäanderförmigen Leiter auf einem Keramiksubstrat. DieSchichtdicke beträgt typischerweise Bruchteile eines Mikrometers. SolcheSensoren können in großer Zahl gleichzeitig auf einem Substrat erzeugt werden,so dass die Herstellkosten gering sind. (Abbildung 4)8

TemperaturmessungAbbildung 3Aufbau von konventionellen Pt100‐SensorenAbbildung 4Pt100 in DünnfilmtechnikDie Dünnfilmtechnik macht auch weitere Metalle für die Temperaturmessungnutzbar. So wurden in den letzten Jahren verstärkt Sensoren aus Nickel auf denMarkt gebracht, die Ni100‐Sensoren. Sie sind preisgünstiger als Pt100, erfüllenaber nicht die gleichen ktrische Widerstände lassen sich auch aus halbleitendem Material fertigen,und diese sind ebenfalls temperaturabhängig. Solche Sensoren werden häufig inder „spreading resistance“ Technik hergestellt (Abbildung 5).Eine Si‐Scheibe mit einer Dicke von typischerweise einigen 100µm ist auf derRückseite metallisiert, die Vorderseite ist mit einer Isolationsschicht belegt. indiesem Isolator befindet sich eine kleine Öffnung mit Durchmesser d, typischeinige µm groß. Diese Öffnung ist metallisiert. Nun wird der Widerstand zwischendieser metallisierten Öffnung und der Rückseite gemessen. Er ist unabhängig von9

Temperaturmessungder Dicke t der Si‐Scheibe und hängt nur von d ab. Dieses merkwürdige Verhaltenlässt sich anschaulich verstehen. Wird an der Widerstand eine Spannung angelegt,so gehen von der metallisierten Öffnung elektrische Feldlinien zur Rückseite.Diese sind in der Abbildung skizziert. Nimmt t zu, dann müssen die Elektroneneinen längeren Weg zurücklegen, der Widerstand nimmt also zu. Andererseitskönnen sich jetzt die Feldlinien, auf denen sich die Elektronen ja bewegen, weiterausdehnen. Damit steht den Elektronen eine größere Querschnittsfläche zurVerfügung. Größerer Querschnitt bedeutet aber niedrigerer Widerstand. Einegenaue Rechnung zeigt, dass sich beide Effekte gerade aufheben. Der Widerstandwird unabhängig von t.Abbildung 5Spreading Resistance Prinzip, Schnitt durch einen Si‐WaferDer Aufbau hat einen kleinen Nachteil: der Widerstand hängt ein wenig von derPolarität der angelegten Spannung ab. Die obere und die untere Metallisierunghaben ja eine unterschiedliche Form. Dies führt beim Kontakt von Metall zumHalbleiter zu etwas unterschiedlichen Effekten. Meist werden diese Sensorendahersymmetrischeraufgebaut.2210Abbildung 6Symmetrischer Spreading‐Resistance AufbauInfineon technologies o.J.

TemperaturmessungDies hat den weiteren Vorteil, dass jetzt beide Kontakte von der gleichen Seite ausangeschlossen werden können.Diese Sensoren sind also im wesentlichen aus Silizium aufgebaut. Dieses Materialdient aber auch zum Bau von integrierten Schaltungen, beispielsweise für analogeVerstärker oder digitale Schaltungen. Die Sensoren lassen sich also gut mit derweiteren Elektronik auf einem Chip integrieren.3.3Heiß‐ und KaltleiterÜblicherweise sind Keramiken aus nichtleitenden Materialien aufgebaut. Siesollten also für sensorische Anwendungen ungeeignet sein. Allerdings gibt eseinige oxidische Keramiken mit geringer Leitfähigkeit, die sehr starktemperaturabhängig ist. Die Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu,der Widerstand also ab. Sie werden als Heißleiter bezeichnet, auf Englisch als NTC(negative temperature coefficient). Ihr Widerstandswert ändert sich etwazehnmal stärker mit der Temperatur als der von Metallen.Eine besondere Gruppe von oxidischen Keramiken ändert bei einer bestimmtenkritischen Temperatur ihre innere Struktur. Dies führt zu einem drastischenAnstieg des Widerstands in der Nähe dieser kritischen Temperatur. Da derWiderstand hier mit der Temperatur zunimmt, heißen sie Kaltleiter, englisch PTC(positive temperature coefficient).Abbildung 73Temperaturabhängigkeit verschiedener Sensoren: Pt Platin‐Sensor; Si‐Thermistor Silizium‐Sensor; PTC‐Thermistor PTC,NTC‐Thermistor NTC;3Hesse, Schnell 2009, S. 23811

Temper

Technische Projektarbeit . konkreten Beispiel selbst studieren und die Ergebnisse vortragen. . und festlegen, zu denen Sie mittels