Der Begriff Sensor – auch als „Messaufnehmer“ oder schlicht „Aufnehmer“ bezeichnet – bezieht sich auf eine Komponente, die eine nichtelektrische Messgröße in ein elektrisches Primärsignal umwandelt, das dann mit weiteren Elektroniken weiterverarbeitet werden kann. Wir hatten uns dies bereits im Rahmen unserer einführenden Betrachtungen (siehe erstes Kapitel) überlegt.

Bei einigen Messgrößen hat sich der zugehörige Sensormarkt dabei aufgeteilt: Der eigentliche physikalische (mitunter auch chemische) Prozess, der für die Generierung des elektrischen Primärsignals zuständig ist, wird in Form eines meist relativ kompakten Bauelements ausgeführt. Dieses ist oftmals, jedoch nicht immer, so gebaut, dass es direkt auf elektronischen Leiterplatten montiert werden kann. Teilweise werden hierzu auch im Bereich elektronischer Bauelemente standardisierte Gehäusebauformen verwendet. In Bild 76 ist ein solches Sensorelement, das im Englischen „Sensor Device“ bzw. „Transducer“ heißt, grafisch angedeutet.

Den Herstellern derartiger Sensorelemente stehen Hersteller gegenüber, die diese dann mit anwendungsspezifischen Gehäusen versehen, Auswerteelektroniken integrieren, Kabel bzw. Anschlussklemmen ergänzen etc. Sie produzieren installationsfertige Sensoren. Hersteller installationsfertiger Sensoren gibt es deutlich mehr als solche für „nackte“ Sensorelemente, was daran liegt, dass letztere immer häufiger mit modernen Mikrotechnologien aus dem Umfeld der Chipherstellung gefertigt werden, was wiederum entsprechende Unternehmensgrößen voraussetzt.

Bild 76: Sensorelement

Im Wesentlichen kommen heute folgende Fertigungstechnologien bei der Herstellung von Sensorelementen zur Anwendung:

  • Feinmechanik:

Hierunter fallen „klassische“ Werkstückbearbeitungsmethoden primär mit Werkzeugmaschinen wie Drehen, Fräsen, Erodieren, Pressen, Hämmern etc.

  • Spritzgießen:

Dieses besteht aus dem Verflüssigen eines Werkstoffs (meist Kunststoff) und dem anschließenden Einspritzen in eine Form, um dreidimensionale Teile zu fertigen.

  • Schweißen:

Dies ist das dauerhafte Fügen zweier Werkstoffe mit unterschiedlichsten Schweißverfahren wie Autogenschweißen (Schmelzschweißen), Lichtbogenschweißen, Laserschweißen, Ultraschallschweißen etc.

  • Mikrotechnologien:

Unter diesem Begriff werden Verfahren subsummiert, die zur Herstellung Chip-ähnlicher, miniaturisierter Komponenten dienen. Sie stammen häufig aus der Halbleiterfertigung bzw. sind den dort verwendeten Prozessen ähnlich. Unter anderem vier Verfahren sind hier zu nennen: Zunächst die Siliziumtechnologien, welche die üblichen Schritte der Chipfertigung umfassen (Waferherstellung, Schichterzeugung, Dotierung, Photolithografie, Strukturierung, Metallisierung, Passivierung). Des Weiteren die Mikromechanik, worunter man das Ausbilden dreidimensionaler Strukturen auf dem Chip versteht und wofür spezifische Ätzmethoden zum Einsatz kommen (isotropes, anisotropes und elektrochemisches Ätzen). Schichttechnologien dienen der Erzeugung von z.B. Widerstands-, Dielektrikums- oder Isolierschichten durch Siebdrucken (Dickschichttechnik) oder Vakuumbedampfen bzw. Kathodenzerstäubung (Dünnschichttechnik). Das LIGA-Verfahren schließlich ist eine Kombination aus Röntgenlithografie, Galvanoformung und Abformung, durch die sehr kleine Mikrostrukturen bis in den Sub-Mikrometerbereich hinab mit Werkstoffen wie Kunststoff oder Metall gefertigt werden können.

Die Mikrotechnologien sind seit einigen Jahren so weit entwickelt, dass sich damit auf einem Chip nicht nur die reine Sensorfunktion realisieren lässt. Vielmehr werden zusätzlich hochintegrierte analoge und digitale Elektroniken integriert. Das Sensorsignal wird damit auf dem Chip entsprechend aufbereitet (analoge Signalvorverarbeitung), digitalisiert und mit spezifischen Methoden der digitalen Signalverarbeitung weiterverarbeitet. Sehr häufig wird das Ausgangssignal nicht mehr als elektrisches Analogsignal (z.B. Spannungssignal) realisiert, sondern der Chip verfügt hierzu über eine Digitalschnittstelle, über die ein meist einfaches Übertragungsprotokoll gefahren wird, mittels dessen Messwerte ausgelesen und ggf. auch Parametrierungen vorgenommen werden können. Als Fachbegriff für derartige Chips hat sich MEMS (Micro Electro Mechanical System) herausgebildet. Man spricht auch von MEMS-Sensoren – im Gegensatz zu MEMS-Aktoren, die es z.B. in Form von Mikropumpen auch gibt.

MEMS-Sensoren stellen eigentlich bereits das Bindeglied zwischen den Sensorelementen und installationsfertigen Sensoren dar. Sie beinhalten im Prinzip so gut wie alle elektronischen Funktionen eines modernen anwendungsbereiten Sensors, ohne jedoch bereits dessen robuste Bauform mit Gehäusung und Anschlussklemmen oder fest montiertem Anschlusskabel aufzuweisen. Ein kompletter installationsfertiger Sensor ist in Bild 77 angedeutet. Installationsfertige Sensoren können ein Sensorelement (bzw. auch einen MEMS-Sensor) beinhalten, der die Messgröße an sich aufnimmt und nach entsprechender Weiterverarbeitung mehr oder weniger direkt ausgibt. Beispiele hierfür sind Temperatursensoren oder Beschleunigungssensoren. Sie können jedoch auch Messgrößen ausgeben, die nur indirekt unter Integration einer spezifischen feinmechanischen Struktur zur nichtelektrischen Signalwandlung erfasst werden können. Die eigentliche Messgröße wird durch die feinmechanische Struktur in eine andere umgeformt, die dann mittels eines hierfür geeigneten Sensorelements aufgenommen wird. Ein Beispiel hierfür sind Drucksensoren, bei denen intern durch eine Membran der Druck in eine Dehnung umgeformt wird, die mit entsprechend aufgeklebten sog. Dehnungsmessstreifen gemessen wird.

Bild 77: Installationsfertiger Sensor

Unabhängig vom konkreten internen Sensorprinzip kann ein installationsfertiger Sensor den ermittelten Messwert auf zwei Arten ausgeben: Die konventionelle Art ist ein Analogsignal. Hier sind verbreitet:

  • Spannung (z.B. 0…1 V):

Der Sensor muss mit einer Spannungsversorgung gespeist werden und erzeugt ein i.d.R. dem Messwert proportionales Gleichspannungssignal.

  • Strom (z.B. 0/4…20 mA):

Hier gibt es zwei Ausführungen: Entweder wird der Sensor ebenfalls mit einer Spannungsversorgung gespeist und erzeugt als Stromquelle einen zum Messwert proportionalen Strom. Oder – und das ist der häufigere Fall – Versorgungs- und Messleitung sind eines. Extern ist daran ein Netzteil angeschlossen. Der Sensor „zieht“ als sog. Stromsenke zur eigenen Versorgung stets einen Strom von exakt 4 mA. Zusätzlich entnimmt er einen dem Messwert proportionalen Strom bis hin zum standardisierten Maximum von 20 mA. Beobachtet der in diesen Stromkreis eingeschaltete Strom-messeingang einmal keinerlei Stromfluss, so wird dies als Fehlerfall identifiziert. Letztere Ausführungsform ist früher der Standard in der Chemie und Verfahrenstechnik gewesen, ist aber zugunsten der Digitalschnittstelle seit Jahren auf dem Rückzug.

  • Frequenz:

Es wird ein sinus- oder rechteckförmiges periodisches Signal ausgegeben, bei dem der Messwert als Frequenz „codiert“ ist (frequenzmoduliertes Signal).

  • Widerstand:

Bei installationsfertigen Sensoren, die auf einem ohmschen Widerstandselement basieren, dessen Widerstand sich direkt in Abhängigkeit der Messgröße ändert, ist dieser Widerstand direkt am Ausgang abgreifbar. Man spricht von einem resistiven Sensor. Dies macht nur Sinn, wenn die Empfindlichkeit der Kennlinie dieses Elements genügend hoch ist, so dass sich gut weiterverarbeitbare Widerstandswerte ergeben.

  • Induktivität:

Analog zum Widerstandsausgang. Man spricht von induktiven Sensoren.

  • Kapazität:

Analog zum Widerstandsausgang. Man spricht von kapazitiven Sensoren.

Für die ersten drei Signalarten haben wir in einem früheren Kapitel dieses Kompendiums entsprechende Messverfahren kennengelernt. Wie resistive, induktive bzw. kapazitive Sensoren ausgewertet werden, werden wir im weiteren Verlauf dieses Kapitels noch analysieren.

Der starke Trend in allen Branchen geht zu installationsfertigen Sensoren mit Digitalschnittstelle. Deren internen Aufbau zeigt Bild 78. Die dort gezeigte Struktur entspricht der grundsätzlichen Messsystemstruktur aus dem ersten Kapitel. Zusätzlich ist ein Funktionsblock „Bus-Anbindung“ aufgeführt.

Bild 78: Interner Aufbau eines Sensors mit Digitalschnittstelle

Im Unterschied zu den meist einfachen Digitalschnittstellen der MEMS-Sensoren werden hier fast durchgehend standardisierte Schnittstellen verbaut. Von mitunter ebenfalls angebotenen reinen Punkt-zu-Punkt-Schnittstellen wie USB und dem veralteten RS-232 abgesehen, lassen sich diese zwei Gruppen zuordnen: Zum einen die Feldbusse wie z.B. CAN, DeviceNet, KNX, LON, PROFIBUS etc. Zum anderen die neueren Industrial Ethernet-Systeme wie EtherCAT oder PROFINET. Meist sind in bestimmten Branchen einzelne Systeme vorherrschend, so dass Sensorhersteller, die in diese Branchen liefern, ihre Sensoren auch mit diesen Schnittstellen ausstatten. Sehr häufig findet man auch Sensoren angeboten, die in ansonsten identischer Bauform mit unterschiedlichen Schnittstellen bestellt werden können. Der Leser möge sich bewusst sein, dass bei einem solchen Sensor der Messwert testweise nicht mehr einfach mit z.B. einem Multimeter überprüft werden kann. Vielmehr handelt es sich bei derartigen Sensoren um kleine Rechner, mit denen in vernetzter Umgebung nur noch über entsprechende Kommunikationsprotokolle „gesprochen“ werden kann. Diese im Rahmen dieses Kompendiums detaillierter zu behandeln, würde den Rahmen sprengen (einige Kapitel im „Kompendium Messdatenerfassung und -auswertung“ des Verfassers widmen sich dieser Thematik).

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Seit kurzem ist jedes der elf Hauptkapitel dieses Kompendiums auch als E-Book erhältlich. Die E-Book-Versionen bieten eine optimierte Lesbarkeit auf Mobilgeräten wie auch am Desktop. Weitere Infos hier.

Etliche in der Messtechnik und Sensorik bekannte Institutionen haben nach wenigen Wochen der Freischaltung bereits über das Kompendium berichtet, z.B. das Messweb sowie die Strategische Partnerschaft Sensorik. Auch in Wikipedia haben wir etliche Links bereits entdeckt. Einen ausführlichen Bericht finden Sie ab S. 3 der Ausgabe 92 des Sensorik-Magazins. Das Magazin wird herausgegeben vom renommierten, vom Bayerischen Wirtschaftsministerium unterstützten Sensorik-Cluster. Die Elektronikpraxis (bzw. hier) hat über Professor Böttcher als unseren Herausgeber zwei Fachartikel zu Themen aus diesem Kompendium veröffentlicht.

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