Sensoren Genauigkeit von
Sensoren Genauigkeit von MEMS piezoresistiven Drucksensoren verstehen All Sensors GmbH www.allsensors.com Für viele Anwendungen ist es heutzutage erforderlich einen mikroelektromechanischen (MEMS) Drucksensor auszuwählen und zu integrieren. Allerdings lassen sich die Anforderungen aus Normen und/oder internen Vorgaben nicht ohne Weiteres in Spezifikationen für einen Drucksensor übersetzen. Eine weitere Schwierigkeit stellen die in den Datenblättern von Drucksensoren enthaltenen hersteller- und produktspezifischen begrifflichen Unterschiede dar. Kurz gefasst: Die Entwicklung von MEMS Sensoren ist kompliziert. Datenblätter sollten hierbei als Orientierung dienen. Allerdings sind die verwendeten Begriffe nicht einheitlich definiert. Dies soll in diesem Artikel für die wichtigsten Begriffe nachgeholt werden. Sie verkomplizieren die Entscheidung, welcher Sensors der geeignete ist. Dieser Artikel soll – basierend auf der Erfahrung aus unzähligen Kundengesprächen – Anwendungstipps liefern, die die Entwicklung mit MEMS Drucksensoren vereinfachen und häufige Fehler- und Irritationsquellen vermeiden sollen. Außerdem ist eine genaue Definition ausschlaggebender Begriffe enthalten. Bei der Entwicklung und Herstellung eines Produktes, gibt es immer wieder den Fall, dass der starr vorgegebene Preis des Sensors die Spezifikation bestimmt. Kann kein entsprechender Sensor gefunden werden, werden folglich die Anforderungen an das Produkt reduziert – solange, bis der Zielpreis erreicht ist. Meist und insbesondere in der Medizintechnik aber ist es andersherum. Hier bestimmen Normen und Vorgaben über die Funktionalität des Endgerätes die Spezifikation des Sensors. Erst im zweiten Schritt gilt es, herauszufinden, wie kostengünstig ein Sensor unter Einhaltung der Vorgaben herstellbar ist. Begrifflichkeiten In beiden Fällen ist es erforderlich, die beschreibenden Parameter des Produktes zu verstehen. Da hierbei wesentliche Begrifflichkeiten von Unternehmen zu Unternehmen häufig unterschiedlich verwendet werden, kommt es zu Verwechslungen und Missverständnissen. Um diese zu vermeiden, zum Beispiel in einem Gespräch zwischen Sensorhersteller und Kunde, ist es wichtig, zu Beginn zu klären, was mit einzelnen Definitionen gemeint ist und bei Bedarf 40 meditronic-journal 1/2019
Sensoren Graphik 1: Verhältnis zwischen Genauigkeit und Präzision gemeinsame Termina festzulegen. Um dies zu erreichen, ist es oft hilfreich, zu ergründen, wie die einzelnen Parameter bestimmt oder gemessen werden. Im Folgenden sind häufige Verwechslungen von Parametern dargestellt. Dabei wird auf eine Parameterverwechslung aus der Sicht des Sensorherstellers eingegangen. Der je nach Kunde eventuell abweichende Sprachgebrauch kann nicht berücksichtigt werden. Genauigkeit versus Präzision Die Begriffe Genauigkeit und Präzision werden häufig synonym verwendet, besonders in Werbetexten für Produkte, die Sensoren enthalten. Die zwei folgenden Graphiken zeigen den deutlichen Unterschied zwischen beiden Spezifikationen. Graphik 1 zeigt die Präzision als statistische Verteilung von Messpunkten mehrerer Sensoren am gleichen Arbeitspunkt im Vergleich zur Genauigkeit als Abstand eines tatsächlichen Wertes eines jeden Sensors zum Ziel- oder Vergleichswert. Bei präziseren Sensoren sind die Messwerte enger verteilt, bei genaueren Sensoren liegen sie näher am geforderten Wert. Graphik 2 zeigt, wie sich Präzision und Genauigkeit am Beispiel von Farbpunkten auf Zielscheiben unabhängig voneinander verändern können. In der Regel weisen Sensoren aus einer Charge eine hohe Präzision auf. Die Genauigkeit kommt durch den individuellen Abgleich oder die Justierung zustande. Für kritische Anwendungen ist es daher empfehlenswert, bei der Bemusterung von Sensoren mehrere Produktionschargen zu testen, um nicht nur eine Aussage über die chargenabhängige Genauigkeit sondern auch über die Präzision zwischen den Chargen zu bekommen. Genauigkeit versus Auflösung Noch häufiger als die Begriffe Genauigkeit und Präzision werden Genauigkeit und Auflösung vertauscht. Beispielsweise, wenn auf die Frage nach der nötigen Genauigkeit des Sensors die Antwort „13 oder 14 bit“ folgt. Die Auflösung eines Sensors ist die kleinste Signaländerung, die er verlässlich anzeigen kann. Es ist wichtig, diese zu kennen, um zu bestimmen, was der geringste messbare Druckunterschied ist. Ist die Auflösung nicht der limitierende Faktor, so ist der Signalrauschabstand an dieser Stelle ausschlaggebend. Ein analogdigital Konverter (ADC), der den gleichmäßigen Output eines Analogsensors für den Gebrauch in einer digitalen Kontrollanwendung quantisiert, hat eine höhere Auflösung je größer die Anzahl der Graphik 2: Die Entfernung von einem Zielpunkt zeigt bildlich den Unterschied zwischen Genauigkeit und Präzision. meditronic-journal 1/2019 41
