Sensormesstechnik Mess-Artefakte bei der Zwei-Pol-Kontaktierung von Sensoren

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Die Zwei-Pol-Kontaktierung wird sehr oft verwendet, um Sensoren mit Strom und Spannung zu versorgen. Doch dabei kann es zu Mess-Artefakten kommen. Können Kelvin-Kontakte helfen?

In der automotiven Sensortechnik werden aus Kosten- oder Performance-Gründen die Teile gelegentlich via Zwei-Pol-Kontaktierung mit Strom und Spannung versorgt. Allerdings hat das Einfluss auf das Messergebnis, wenn man so kontaktiert. Diese Art zu kontaktieren kann unter gewissen Umständen zu Mess-Artefakten führen. Treten diese Artefakte bei der Messung auf, so kann man nicht in einfacher Weise auf die eigentliche Ursache reflektieren. Es ist in der Regel nicht trivial, die gemessenen „Erscheinungen“ auf Kontakt-Probleme zu reduzieren. Anhand eines Beispiels soll das in dem Beitrag erläutert werden.

Die Ursachen bei den Übergangswiderständen

In vielen Fällen werden Sensoren nach der Eichung nochmals überprüft. Dabei soll beispielhaft die Zwei-Pol-Kontaktierung verwendet werden. Sollten in der Kontaktierung keine parasitären Übergangswiderstände vorhanden sein, so ergibt sich ein Ersatzschaltbild (Bild 1, links). Ansonsten kommt es zum Ersatzschaltbild (Bild 1, rechts). Wie das Ersatzschaltbild zeigt, sind bis zu drei parasitäre Übergangswiderstände in der Schaltung vorhanden.

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Die Übergangswiderstände können verschiedene Ursachen haben. Zum einen kann sich auf dem Nickel-Pin eine Oxid-Schicht bilden (NiO), die eine isolierende bzw. halbleitende Wirkung hat. Zum andern kann das Abstanzen der Pins nicht-planare Oberflächen erzeugen. Beide Ursachen bewirken erhöhte Übergangswiderstände (Bild 2). Eine Charge umfasst ungefähr 1000 Teile und jedes Teil wird bei 25 °C und bei 140 °C sowie bei verschiedenen Druckbedingungen vermessen. Die gemessene Ausgangsspannung des Sensors steht im direkten Zusammenhang zum angelegten Druck. Ohne parasitäre Widerstände erwartet man Spannungen, die symmetrisch zu ihren Spezifikationsgrenzen liegen (siehe Grafiken).

Der parasitäre Übergangswiderstand im Detail

Treten parasitäre Widerstände auf, so ergibt sich durch Messartefakte ein anderes Verhalten (Bild 3). Hier erkennt man, dass bei geringen Drücken die Spannungen zu höheren Werten hin tendieren und bei hohen Drücken zu geringeren Werten. Dieses Verhalten wird als Flip-Flop-Verhalten bezeichnet.

Charakteristisch für das Flip-Flop-Verhalten ist, dass es bei hohen Temperaturen nicht mehr beobachtet werden kann. Das kann nur so gedeutet werden, dass der Einfluss der parasitären Übergangswiderstände bei hohen Temperaturen vernachlässigbar ist. Daher ist davon auszugehen, dass der parasitäre Übergangswiderstand halbleitenden Charakter besitzt.

Elektrotechnische und ratiometrische Betrachtungen

Durch das Ersatzschaltbild (Bild 1; rechtes Bild) lässt sich eine Formel für die korrigierten Ausgangs-Spannungen U_a' erstellen. Mit einfachen elektrotechnischen und ratiometrischen Betrachtungen ergibt sich ein Zusammenhang, der in Formel 1 dargestellt ist.

In der Formel 1 werden die realen Ausgangsspannungen beschrieben, die bei parasitären Übergangswiderständen in einer Zwei-Pol-Kontaktierung vorhanden sind. Die Parameter der Formel 1 bedeuten im Detail:

U_a = theoretisch zu erwartende Ausgangsspannung,
U_a' = gemessene Ausgangsspannung,
V_DD = eingestellte Betriebsspannung,
I = Strom im Betriebszustand,
R₁ = Übergangswiderstand V_DD(+) und Sensor,
R₂ = Übergangswiderstand U_a und Sensor,
R₃ = Übergangswiderstand V_DD(-) und Sensor.

Die Formel beschreibt im linken Term das ratiometrische Verhalten der Ausgangsspannung als Funktion von V_DD und den parasitären Widerständen R₁, R₃ und dem Strom I. Der rechte Term berücksichtigt den Spannungsabfall, der über den parasitären Widerstand R₃ auftritt. Beide Terme verfälschen das Ergebnis der zu erwartenden Ausgangsspannung U_a. Deshalb wird U_a' gemessen.

Wird die Formel genauer analysiert, so beschreibt sie die beobachteten Mess-Artefakte. Damit verifiziert die Formel das beschriebene Flip-Flop-Verhalten (Bild 4). Man erkennt also, dass bei hohen Drücken eine zu geringe Spannung gemessen wird und bei geringen Drücken eine zu hohe Spannung. Damit wird genau das Verhalten reflektiert, das Bild 3 darstellt.

Damit Mess-Artefakte vermieden werden, nutzt man in der Praxis eine Kelvin-Kontaktierung. Eine Kelvin-Kontaktierung garantiert, dass die auftretenden Übergangswiderstände ausgeregelt werden. Das Bild 6 zeigt das beschriebene Flip-Flop-Verhalten. Bei einem Druck von 2,2 bar werden bei einigen Teilen zu hohe Ausgangs-Spannungen gemessen und bei 22 bar etwas zu kleine Ausgangs-Spannungen. Die gleiche Sensor-Charge wurde nochmals mit einer Kelvin-Kontaktierung gemessen. Das Resultat der Messung kann man im Bild 7 sehen. Man erkennt deutlich, dass die Mess-Artefakte nicht mehr auftreten. Der Ausbeuteverlust der Messung ist um den Faktor sieben geringer als bei der Zwei-Pol-Kontaktierung, die im Bild 6 zu sehen ist.

Flip-Flop-Chargen und unerwartete Ergebnisse

Elektrische Messungen mit Zwei-Pol-Kontaktierung können zu unerwarteten Ergebnissen führen. Der Beitrag hat das Verhalten sogenannter Flip-Flop-Chargen erläutert. Diese Flip-Flop-Chargen erzeugen hohe messtechnisch bedingte Ausfälle und waren schwer interpretierbar. Die Interpretation dieses eklektischen Verhaltens konnte erst über die Formel sauber qualifiziert werden. Letztlich beschreibt die Formel, dass man bei einer Zwei-Pol-Kontaktierung immer mit elektrischen Übergangswiderständen rechnen muss. Aus den Messergebnissen kann man über das beschriebene Model die Übergangswiderstände in einem Bereich von zwei bis zwanzig Ohm annehmen. Das Flip-Flop-Verhalten zeigt sich lediglich bei Messungen bei 25 °C. Bei Hochtemperaturmessungen tritt das Verhalten nicht auf, weil die Isolationsschichten einen halbleitenden Charakter haben. Das Flip-Flop-Verhalten tritt ebenfalls nicht bei Kelvin-Kontakten auf. Hier werden die Übergangswiderstände ausgeregelt (Bild 7).

Sollten bei einer Zwei-Pol-Kontaktierung vernachlässigbare Übergangswiderstände auftreten, so vereinfacht sich die Formel 1 zu U_a' = U_a. Falls R₃ Null ist und R₁ ungleich Null, so wird für alle Drücke immer eine zu geringe Spannung U_a' gemessen und im umgekehrten Fall wird immer eine zu hohe Spannung U_a' gemessen. In der Praxis ist die Annahme vernünftig, dass man von gleich großen parasitären Übergangs-Widerständen ausgehen kann. Aus diesem Grunde wird das Flip-Flop-Verhalten gemessen.

Danksagung des Autors: Ich danke Herrn Michael Roch für die Anregung zu dieser Arbeit. Den Herren Frank Bilz und Dr. Matthias Werner danke ich für redaktionelle Hinweise und die ständige Ermutigung, diesen Stoff zu publizieren.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 22/2019 (Download PDF)

* Dr. Dieter Duschl arbeitet als Physiker bei der Robert Bosch GmbH in Reutlingen.

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