Sensoren Graphik 3:
Sensoren Graphik 3: Genauigkeit im Gegensatz zur Auflösung bei einem ideal funktionierenden Sensor Bits ist. Graphik 3 zeigt den Unterschied zwischen Auflösung und Genauigkeit, wenn der Output des Sensors quantisiert wird. Ob die A-D-Wandlung des Signals außerhalb des Sensors (bei Drucksensoren mit analogem Ausgangsignal) oder im Sensor (Sensoren mit digitalem Ausgangsignal) erfolgt, ist bei dieser Betrachtung nicht relevant. Ausschlaggebend ist immer die Anzahl der Bits, die für die Anwendung zur Verfügung stehen. Genauigkeit definieren / Sensoren vergleichen Vergleicht ein Unternehmen seine eigenen Produkte und behauptet, ein Produkt oder eine Produktfamilie wären doppelt so genau wie ein anderes Produkt/ eine andere Produktfamilie, sollte dieser Vergleich korrekt sein. Allerdings existieren viele verschiedene anerkannte Formate zur Messung und Definition von Genauigkeit. Das macht es sehr viel schwieriger, die Genauigkeit von Produkten einer Firma mit Produkten einer anderen Firma zu vergleichen. Genauigkeit wird gewöhnlich in Hinblick auf Ungenauigkeit oder Fehler definiert. Mit der folgenden Beschreibung möglicher Fehler können die Datenblätter verschiedener Hersteller von Drucksensoren leichter verglichen werden. Fehlerarten sind bei Drucksensoren im Allgemeinen: - Nullpunktfehler und Spanne-Fehler Durch die Produktion der Sensoren ergibt sich eine initiale Abweichung des Sensors zu einem Normal- oder Referenzgerät. Je nach Komplexität des Sensors und Aufwand bei der Herstellung kann diese Abweichung größer oder kleiner sein. - Nichtlinearität Nichtlinearität meint die Abweichung des Sensorsignals von einer idealen Geraden. Wesentlich ist hier, wie diese ideale Gerade definiert oder gefunden wird. Meist wird die „Best Fitting Straight Line“ (BFSL) verwendet, eine Gerade, die durch ein Näherungsverfahren (meist nach kleinstem quadratischen Fehler) an die Kennlinie des Sensors angenähert ist. Weiter wäre es möglich, die Linearität auch als Startoder Endpunkt bezogen oder als fixe Gerade zu definieren. - Temperaturfehler im Nullpunkt und der Signalspanne Jeder Drucksensor ist auch ein Temperatursensor. Dabei ist der Nullpunkt temperaturabhängig, was einer Parallelverschiebung der Ausgangskennlinie durch Temperatureinfluss entspricht. Zusätzlich ist auch die Empfindlichkeit des piezoresistiven Drucksensors stark temperaturabhängig. Durch die Physik gegeben, sinkt die Empfindlichkeit immer mit steigender Temperatur. - Thermische- und Druckhysterese Je nach der Richtung, aus der auf einen Ausgangspunkt in Druck oder Temperatur zurückgekehrt wird, kann der jetzt erzielte Ausgabewert des Sensors vom Ausgangswert abweichen. In der Regel sind diese Fehler sehr klein, so dass eine Temperaturhysterese selten oder gar nicht spezifiziert wird und die Druckhysterese meist mit der Linearität zusammen. - Wiederholfehler (Reproduzierbarkeit) Wiederholfehler sind Abweichungen im Ausgangssignal, wenn mehrfach derselbe Arbeitspunkt angefahren wird. Andere das System betreffende Faktoren, die sich auf die Genauigkeit auswirken können, sind unter anderem: - Antwortzeit Die Antwortzeit ist die Reaktionszeit des Sensorschips. Diese kann durch die mechanischen Konstanten bestimmt sein, eher aber durch den Druck, der eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit hat. Meist wird hier aber die Antwortzeit eines digitalen Drucksensors definiert, die der verwendete Controller für die Signalwandlung und Verarbeitung braucht. - Abhängigkeit von der Versorgungsspannung Gemeint ist die Abhängigkeit des Ausgangssignals des Sensors von der Versorgungsspannungshöhe (Ratiometrie) und von der „Sauberkeit“ der Versorgung, also von Rippeln oder Rauschen. - Lageabhängigkeit Die Lage beeinträchtigt das Ausgangssignal des Sensors - Kurzzeit- und Langzeitstabilität Bei der Stabilität unterscheidet man kurzzeitige Stabilität, die meist durch thermische Veränderung in der Zeit nach dem Einschalten verursacht wird, und lang- 42 meditronic-journal 1/2019
Sensoren Graphik 4: Der Faktor des Temperaturfehlers kann den zulässigen Gesamtfehler des Sensors unter Einfluss von Temperaturen im Grenzbereich um das ± 3-fache erhöhen. zeitige Stabilität, die meist durch Alterung der Materialien und/ oder durch Abbau von mechanischen Spannungen im System herrührt. Bei einem Vergleich der Datenblätter verschiedener Hersteller von Drucksensoren ist es zunächst essentiell, die dieselben Druck- Einheiten wie mm Quecksilber (Hg), Kilopascal (kPA), bar, Zoll Wasser, etc. zu verwenden. Dann gilt es, die Bedingungen zu prüfen, bei denen die Spezifikationen erstellt wurden. Normalerweise werden die meisten MEMS Drucksensoren bei einer fixen Versorgungsspannung und einer festen Temperatur (und eventuell auch Feuchte) definiert. Als drittes ist bei Fehlerangaben in Prozent darauf zu achten, welche Bezugsgröße für die %-Berechnung herangezogen wurde. In den meisten Fällen wird hier eine der folgenden Varianten gewählt: - Endwertbezogene Fehler: • Full Scale Span (FSS), also die maximale Signalspanne • Full Scale (FS), also der maximale Druckmesswert • Full Scale Output (FSO), also der Ausgangswert bei maximalem Druck (beinhaltet den Offset) - Messwert bezogene Fehler Error Budget oder TEB? Die oben beschriebenen Einzefehler werden in der Regel mit der Angabe von Fehlerwerten (Error Budgets, EB) beschrieben. Es gibt aber auch die Möglichkeit Genauigkeit als maximales Fehler band (TEB, Total Error Band) zu definieren. Der Einzelfehler (EB, Error budget) legt die maximale Abweichung des Messergebnisses innerhalb eines Toleranzbereichs fest, der von der im Sensor verbauten Technologie vorgegeben ist. Bei den jeweiligen Enden des Fehlerbands kann fallweise der zulässige Fehler mit einem Multiplikator erhöht werden: zum Beispiel der mögliche Temperaturfehler bei sehr hohen oder niedrigen Temperaturen (siehe Graphik 4). Graphik 5 zeigt ein typisches Fehlerband um eine ideale Kennlinie. Diese Genauigkeit wird meist als ±-Wert angegeben und kann auch in den Grenzbereiche breiter werden. Das maximale Fehlerband kann sich zusammensetzen aus dem Linearitätsfehler, Temperatur- und Druck-Hysteresis, dem Temperaturkoeffizienten der Spanne und dem Temperaturkoeffizienten des Nullpunktes. Aber auch jede andere Kombination von Einzelfehlern ist denkbar. Oft werden Linearität, Hysterese und Abgleichfehler als „Accuracy“ also Genauigkeit zusammengefasst und die Temperaturfehler separat in Form eines Einzelfehlers definiert. Welche dieser Methoden der Fehlerbeschreibung piezoresistiver Drucksensoren eingesetzt ist hersteller- aber auch produktabhängig. In der Vergangenheit gab es lediglich Sensoren mit analogem Ausgangssignal, entweder als mV- oder verstärkt als V-Signal. Hier sind die oben aufgeführten Fehler des Sensors einzeln messbar und auch einzeln verifizierbar. Bei den heute verwendeten Sensoren mit digitaler Signalaufbereitung sieht es ganz anders aus. Meist wird zur Kompensation der Fehler ein Polynom höherer Ordnung verwendet. Dabei werden verschiedene Fehler gleichzeitig mathematisch kompensiert. Das hat zur Folge, dass sich der Rest-Fehler nicht mehr einfach in Einzelfehler zerlegen lässt. Zum Beispiel kann die Linearität eines solchen Sensors eine Temperaturabhängigkeit aufweisen, welche nur durch die Art der Kompensation entsteht. Teilt man dennoch den Restfehler in Einzelfehler auf, so ist die Summe dieser Einzelfehler immer größer als der reale Gesamtfehler, was das Produkt letztendlich schlechter darstellt als es eigentlich ist. Zusammenfassung Bei piezoresistiven Drucksensoren gibt es einige unterschiedliche Methoden, um die Genauigkeit eines Sensors festzulegen. Sowohl seitens der Hersteller derartiger Sensoren als auch auf Seiten der Anwender kommt es oft zu unterschiedlichem Verständnis der Fehler. Ausschlaggebend für die Festlegung der Genauigkeit eines Produkts durch den Hersteller sind normalerweise die für den Sensor verwendete Technologie, die Wahl des Testequipments, der Testaufwand und das angestrebte Marktsegment, wie Industrie, Automobil, Medizin, Verbraucher etc. Die Herausforderung für den Kunden ist es, beim Vergleich von mehreren Produkten verschiedener Hersteller genauestens zu recherchieren, mit welcher Methode der jeweilige Hersteller die Genauigkeit seines Produktes bestimmt, um anschließend den Sensor zu finden, der den Anforderungen der Anwendung des Kunden am besten entspricht. ◄ Graphik 5: Das maximale Fehlerband definiert minimale und maximale Toleranzen um ein Standardlevel herum. meditronic-journal 1/2019 43
