Drucksensoren finden sich als vorgefertigte Komponenten in einem Blutdruckmessgerät ebenso wie in einer vollautomatisierten Fabrik, wo sie der Qualitätsprüfung oder Taktung der Fertigung dienen. In einem Kfz messen sie den Reifendruck oder lösen einen Airbag aus, in einem Flugzeug zeigen sie den Kabinendruck an. In einer Industriewaage erfassen sie ein Füll- oder Packgewicht oder sie sorgen in einem Labor für die hochpräzise Erkennung auch kleinster Unterschiede zwischen verschiedenen Substanzen. Kurzum: Es gibt so gut wie keine Anwendung ohne Drucksensoren als erste Instanz, die schnell, effektiv und präzise eine physikalische Veränderung aufzeigt. 

Druckmessung von der Erfassung einer Veränderung bis zum verwertbaren Signal

Am Beispiel modernster piezoelektrischer Drucksensoren lässt sich aufzeigen, in welch hoher Empfindlichkeit diese Messfühler heute in der Lage sind, geringste Abweichungen von einer Norm zu erfassen. Solche Drucksensoren erfassen kleinste Einwirkungen einer äußeren Kraft auf die kristalline Struktur eines Halbleiters wie Silizium und wandeln den dadurch veränderten elektrischen Widerstand in die entsprechend gewünschte Messeinheit um. Drucksensoren, die für besonders empfindliche, also mikromechanische Messbereiche ausgelegt sind, bestehen in ihrem Kern aus hochempfindlichen Membranen, die extrem schnell, d. h. in Elektronengeschwindigkeit reagieren können. Die Trägheit der Masse, die sogar mit dem bloßen Auge erkennbar ist, wenn ein größeres Gewicht als Hebel auf ein Gegengewicht wirkt, spielt bei piezoelektrischen Druckmessverfahren also keine Rolle mehr. Alle Drucksensoren basieren auf dem Prinzip der mechanischen Verformung, die eine Kraft auf einen festen Körper ausübt. Je geringer die Kraft, desto empfindlicher muss der feste Körper auf diese Kraft reagieren können, indem er seinen elektrischen Widerstand ändert, der in ein verwertbares digitales Signal umgewandelt wird. 

Die Grundzutat: druckempfindliche Mikrochips

Die kristalline Struktur von Silizium hat den Vorteil, dass sie beide physikalischen Grundkräfte gleichermaßen erfassen kann: Druck- und Zugkraft, also Dehnung und Stauchung. Deshalb sind die Membranen eines piezoelektrischen Drucksensors so aufgebaut, dass Krafteinflüsse in alle Richtungen erfasst werden, um den veränderten elektrischen Widerstand zu messen.

Was bei der Verwendung eines Drucksensors als Komponente eines Endgeräts oder als Kontrollsystem in einem Fertigungsprozess immer festgelegt werden muss, ist der Messbereich, innerhalb dessen sich eine Druckveränderung maximal ereignen kann. Die Kraft, die auf einen Drucksensor einwirkt, darf nicht über einem bestimmten Maximalwert liegen, weil sie dann den Sensor zerstören würde. Wenn größere Gewichte und Druckänderungen gemessen werden, was bei klassischen Industriewaagen zum Beispiel der Fall ist, kommen nach wie vor Dehnungsmessstreifen und Federkörper aus Metall statt Folien mit integrierten Halbleitern zum Einsatz. Drucksensoren weisen daher eine enorme Vielfalt auf, was ihren inneren Aufbau und ihre Fertigungstiefe betrifft. Die Bandbreite marküblicher Drucksensoren ergibt sich allerdings nicht nur aus den Medien, die gemessen werden, sondern auch aus der Anwendungsumgebung, in der sie ihre Funktion ausüben müssen. Bei jedem Messverfahren müssen auch die Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. Neben der Beschaffenheit der Medien, die Druck auf eine Membran in einem Gasdrucksensor ausüben, müssen in vielen Fällen auch andere Einflüsse wie Vibrationen oder Temperaturschwankungen ausgegrenzt werden, um exakte Messdaten zu erhalten. 

Die Signalverwertung als Auswahlkriterium

Die entscheidende Frage bei der Auswahl geeigneter Drucksensoren lautet: Zu welchem Zweck soll der Druck gemessen werden? Druckänderungen werden immer zu Kontrollzwecken erfasst. Unterschiede gibt es allerdings in der Verwertung der Messdaten: Werden sie benötigt, um einen Produktionsprozess in Gang zu setzen, ihn zu stoppen, wenn ein Qualitätsmangel vorliegt, oder soll ein Füllstand bzw. Füllgewicht angezeigt werden? Je nach Anwendung, also Zweck der Druckmessung, integrieren die Hersteller von Drucksensoren ihre Bauteile in komplette Systemkomponenten, die auch bereits die Signalauswertung enthalten, also als komplette digitale Schnittstellen produziert werden. Drucksensoren sind insofern in der reinen Mess- und Analysetechnik ebenso unverzichtbar wie in der Mess- und Regeltechnik, wo die Messdaten den Durchfluss von Medien oder komplexe Fertigungsprozesse steuern.

Abnehmer aus der Automobilindustrie werden bereits mit fertigen Komponenten für die Endmontage beliefert. Umgekehrt bieten die Spezialisten eine große Auswahl unterschiedlicher Messzellen auf der Basis von Edelstahl, Keramik oder Silizium an, als Grundkomponenten zur Produktion von komplexeren Mess- und Steuereinheiten. 

Drucksensoren können nicht nur anzeigen und warnen, sondern auch regeln und steuern

Zukünftig könnten Drucksensoren auch viele Menschen vor dem Erblinden schützen. Die Avantgarde der Drucksensoren wird vor allem durch Systeme geprägt, die nach dem piezoelektrischen und -resistiven Verfahren hochpräzise Messdaten auf der Basis kleinster Messzellen liefern. In der Medizin, wo größtmögliche Miniaturisierung schon seit Langem eine wichtige Rolle spielt, gehört die regelmäßige Messung der Augeninnendruckkontrolle zu den Diagnosestandards. Den häufigen Gang zum Arzt können schon bald winzig kleine Messstationen ersetzen, die Glaukompatienten direkt ins Auge implantiert werden können. Von dort aus ist es kein großer Schritt mehr, die Daten direkt auf ein Smartphone zu übertragen.