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Kapazitive vs. piezoresistive MEMS-Sensoren: Prinzip und Einsatz

MEMS-Beschleunigungs- und Drucksensoren wandeln die Bewegung oder Durchbiegung einer Masse oder Membran unter Krafteinwirkung in ein elektrisches Signal um. Kapazitive Sensoren messen die Auslenkung über die Änderung der Kapazität zwischen beweglicher und fester Elektrode. Sie haben eine geringe Leistungsaufnahme und sind wenig temperaturempfindlich, doch da die Änderung äußerst klein ist, benötigen sie eine hochempfindliche dedizierte Schaltung. Piezoresistive Sensoren nutzen den Effekt, dass sich der spezifische Widerstand von Silizium unter mechanischer Spannung ändert, und werden über eine Brückenschaltung ausgelesen. Die Schaltung ist einfach und das Ausgangssignal gut handhabbar, doch da ständig Strom fließt, ist die Leistungsaufnahme hoch, und eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit ist unverzichtbar.

MerkmalKapazitivPiezoresistiv
MessprinzipÄnderung der Kapazität zwischen beweglicher und fester ElektrodeÄnderung des spezifischen Widerstands durch mechanische Spannung (piezoresistiver Effekt)
Aufbau des BeschleunigungssensorsAn einer federnd aufgehängten Masse sind kammartige bewegliche Elektroden angebracht; gemessen wird die Kapazitätsdifferenz zu den festen Elektroden auf beiden Seiten (differenziell)In die Balken, die die Masse tragen, sind Widerstände eingebracht; gemessen wird die mechanische Spannung bei Biegung der Balken
Aufbau des DrucksensorsGemessen wird die Kapazität zwischen einer sich unter Druck biegenden Membran und einer gegenüberliegenden ElektrodeAm Rand einer dünnen Membran sind vier Widerstände eingebracht und zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet
Ausgelesenes SignalSehr kleine Kapazitätsänderung (bei Beschleunigungssensoren mitunter im fF-Bereich oder darunter). Ein dedizierter ASIC zur Kapazitäts-Spannungs-Wandlung ist erforderlichDie Widerstandsänderung wird als Brückenspannung abgegriffen. Einfache Schaltung
LeistungsaufnahmeGering. Es fließt kein GleichstromEher hoch. Durch die Brücke fließt ständig Gleichstrom
TemperatureinflussGeringWiderstandswert und Empfindlichkeit ändern sich stark mit der Temperatur; Temperaturkompensation ist zwingend
Empfindlichkeit und AuflösungMit differenziellen Elektroden und hochempfindlicher Schaltung lassen sich kleine Beschleunigungen und geringe Drücke mit hoher Auflösung messenGute Linearität des Ausgangssignals. Die Empfindlichkeit ist vergleichsweise gering, eignet sich aber auch für die Messung hoher Drücke und Stöße
Messung im Ruhezustand (konstante Kraft)Möglich (auch die Schwerkraft ist messbar)Möglich (auch die Schwerkraft ist messbar)
StörfestigkeitEmpfindlich gegenüber parasitären Leitungskapazitäten und elektrischem Rauschen; die Schaltung wird nahe am Sensor platziertNiedrige Impedanz, wenig anfällig für parasitäre Kapazitäten
FertigungGefertigt etwa durch Oberflächen-Mikromechanik; lässt sich leicht zusammen mit dem Schaltungschip in einem kleinen Gehäuse unterbringenMembranen und Balken hauptsächlich durch Bulk-Mikromechanik; die Widerstände werden durch Ionenimplantation oder Diffusion gebildet
Typische AnwendungenBeschleunigungssensoren und Gyroskope in Smartphones u. Ä., MEMS-Mikrofone, stromsparende LuftdrucksensorenMotor- und Reifendruck in Fahrzeugen, Blutdruckmessgeräte, industrielle Druckmessgeräte, Beschleunigungssensoren für Stöße

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Kapazitiv
Wenn die Leistungsaufnahme in batteriebetriebenen Geräten gering sein soll, wenn Stabilität in Umgebungen mit starken Temperaturschwankungen gefragt ist oder wenn kleine Änderungen mit hoher Auflösung gemessen werden sollen.
Piezoresistiv
Wenn die Schaltung einfach sein soll, wenn Linearität und einfache Handhabung des Ausgangssignals im Vordergrund stehen oder wenn hohe Drücke oder Stöße gemessen werden.
Hinweise zur Auswahl
Die Leistung realer Produkte hängt nicht nur vom Sensoraufbau ab, sondern stark von der zugehörigen Schaltung, der Temperaturkompensation und dem Gehäuse. Leistungsaufnahme, Messbereich, Genauigkeit und Temperaturbereich werden anhand der Datenblätter verglichen.

Häufige Fragen

Sind Piezoresistivität und Piezoelektrizität dasselbe?

Nein. Der piezoresistive Effekt ist die Änderung des spezifischen Widerstands durch mechanische Spannung; gemessen wird die Widerstandsänderung bei fließendem Strom. Der piezoelektrische Effekt ist die Entstehung elektrischer Ladung im Material durch mechanische Spannung. Bei piezoelektrischen Sensoren fließt die Ladung bei anhaltender konstanter Kraft ab, daher lassen sich konstante Beschleunigungen wie die Schwerkraft kaum messen; piezoresistive Sensoren können sie dagegen messen.

Warum sind Beschleunigungssensoren in Smartphones kapazitiv?

Weil sie eine geringe Leistungsaufnahme haben, wenig temperaturempfindlich sind und sich leicht zusammen mit dem Schaltungschip in einem kleinen Gehäuse unterbringen lassen. Die Kapazitätsänderung ist äußerst gering, wird aber mit differenziellen Elektroden und einer hochempfindlichen Schaltung ausgelesen.

Warum benötigen piezoresistive Sensoren eine Temperaturkompensation?

Weil sowohl der Widerstandswert des Siliziums als auch die Stärke der Widerstandsänderung unter mechanischer Spannung (Empfindlichkeit) temperaturabhängig sind. Durch die Verschaltung der vier Widerstände zu einer Brücke wird ein Teil des Einflusses aufgehoben; der Rest wird durch Kompensationsschaltungen oder Kalibrierung korrigiert.

Verständnis prüfen

Welches Prinzip nutzt ein kapazitiver MEMS-Beschleunigungssensor zur Erfassung der Beschleunigung?

  1. AÄnderung des Widerstandswerts durch Temperaturänderung
  2. BÄnderung der Kapazität zwischen Elektroden durch die Auslenkung des beweglichen Teils (Masse)
  3. CÄnderung von Interferenzstreifen des Lichts
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Antwort: B. Änderung der Kapazität zwischen Elektroden durch die Auslenkung des beweglichen Teils (Masse)

Wirkt eine Beschleunigung, bewegt sich die an Federn gehaltene Masse aufgrund ihrer Trägheit, und der Abstand zu den kammförmigen festen Elektroden ändert sich. Die Kapazitätsänderung wird von einer Schaltung erfasst und daraus die Beschleunigung bestimmt. Auslenkung (höchstens einige nm) und Kapazitätsänderung (höchstens fF, 10⁻¹⁵ F) sind winzig, werden aber durch differentiellen Elektrodenaufbau und hochempfindliche Schaltungen ausgelesen. Wegen des einfachen Aufbaus, des geringen Verbrauchs und der geringen Temperaturempfindlichkeit wird er in Smartphones u. Ä. breit eingesetzt.

Welche Aussage zum in Halbleiter-Drucksensoren genutzten piezoresistiven Effekt ist korrekt?

  1. ADer Effekt, dass sich der spezifische elektrische Widerstand eines Materials bei mechanischer Spannung ändert
  2. BDer Effekt, dass bei Lichteinfall eine Spannung entsteht
  3. CDer Effekt, dass die Stromrichtung durch ein Magnetfeld abgelenkt wird
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Antwort: A. Der Effekt, dass sich der spezifische elektrische Widerstand eines Materials bei mechanischer Spannung ändert

Bei mechanischer Spannung ändert sich die Bandstruktur des Siliziumkristalls, und der spezifische Widerstand ändert sich um ein Vielfaches (einige zehn Mal) stärker als bei Dehnungsmessstreifen aus Metall (piezoresistiver Effekt). Werden am Rand einer dünnen, unter Druck verformten Membran vier Widerstände ausgebildet und die Widerstandsänderung in einer Wheatstone-Brücke erfasst, lässt sich Druck in ein elektrisches Signal umwandeln. Anwendungen sind Motor- und Reifendruck im Auto, Blutdruckmessgeräte und Barometer; die Temperaturkompensation ist der Schlüssel des Entwurfs.

Welches ist das typische Verfahren, mit dem ein MEMS-Mikrofon Schall in ein elektrisches Signal umwandelt?

  1. AErfassung der Temperaturänderung eines durch Schall erwärmten Widerstands
  2. BErfassung der Lichtmenge eines durch Schall leuchtenden Elements
  3. CErfassung der Kapazitätsänderung zwischen einer durch Schalldruck schwingenden Membran und einer festen Elektrode
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Antwort: C. Erfassung der Kapazitätsänderung zwischen einer durch Schalldruck schwingenden Membran und einer festen Elektrode

Ein übliches MEMS-Mikrofon bildet aus einer durch Schalldruck schwingenden dünnen Membran (Diaphragma) von etwa 1 µm Dicke und einer gelochten festen Elektrode (Backplate) einen Kondensator; die Kapazitätsänderung durch die Membranschwingung wird von einem ASIC im selben Gehäuse in ein elektrisches Signal umgewandelt. Es ist kleiner als herkömmliche Elektret-Kondensatormikrofone, hitzebeständig gegenüber dem Löten und weist gleichmäßigere Eigenschaften auf, sodass Smartphones mehrere davon etwa zur Rauschunterdrückung nutzen.

  1. Welche Bedingung gilt für den Abgleich einer Wheatstone-Brücke aus vier Widerständen R1, R2, R3 und R4 (R1 und R2 sowie R3 und R4 jeweils in Reihe, beide Zweige parallel), bei dem zwischen den Mittelpunkten der beiden Zweige kein Strom fließt?
  2. Warum erfasst ein MEMS-Beschleunigungssensor auch im Ruhezustand eine Beschleunigung von etwa 1 G?

Übungsfragen zu MEMS und Sensoren

Wichtige Begriffe erklärt

Kapazitive Detektion
Verfahren, bei dem Verschiebung, Druck u. Ä. aus der Änderung der Kapazität zwischen beweglicher und fester Elektrode erfasst werden. Es ist in MEMS-Sensoren weit verbreitet.
Piezoresistiver Effekt
Effekt, dass sich der spezifische elektrische Widerstand eines Materials bei mechanischer Spannung ändert. In Silizium ist er besonders groß und wird z. B. in Halbleiter-Drucksensoren genutzt.
Beschleunigungssensor
Sensor, der die Beschleunigung aus der Bewegung einer federgelagerten kleinen Masse erfasst. Er dient u. a. zur Lageerkennung bei Smartphones und für Airbags.
MEMS (mikroelektromechanische Systeme)
Mikroelektromechanische Systeme. Bauelemente, bei denen mit halbleitertechnischer Mikrofertigung winzige mechanische Strukturen und elektronische Schaltungen gemeinsam hergestellt werden.

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