+41 44 955 04 55
Comparison - Thin-film technology vs. foil strain gauges

Wissen & Hilfe

Dünnfilmtechnik vs Folien-Dehnmesstreifen: Der Technologievergleich

Der Beitrag vergleicht Dünnschicht-Technik und klassische Folien-DMS und zeigt, wann welche Lösung technisch oder wirtschaftlich sinnvoll ist. Dabei werden Unterschiede, Vorteile und Einsatzgrenzen beschrieben, wobei die Bewertung immer vom konkreten Anwendungsfall abhängt.

Projekt anfragen

Wann spielt die atomare Bindung der Dünnschicht-Technik ihre Stärken aus und wann ist der klassische Folien-DMS die wirtschaftliche Wahl? Dieser Beitrag geht auf die verschiedenen Techniken ein und diskutiert vertieft die individuellen Unterschiede und Vorzüge der Dünnfilmtechnik und den konventionellen Folien-DMS, die aufgeklebt werden. Die verschiedenen Eigenschaften werden diskutiert und deuten die Einsatzgrenzen an. Andeutungsweise deshalb, weil eine abschliessende Betrachtung und Bewertung nur im Einzelfall vorgenommen werden kann und man möglicherweise auch einen Nachteil in Kauf nimmt, weil die Vorteile im Endergebnis überwiegen.

Um eine mechanische Verformung in ein elektrisches Signal zu wandeln sind verschiedene, auch eher exotische Techniken am Markt erhältlich. Diese sind im Wesentlichen:

  • Folien-DMS
  • Dünnfilm-DMS
  • Silizium- (piezoresistive) DMS
  • Piezolektrische Kristalle
  • Piezokeramiken
  • Resonanzprinzipien (schwingende Saite)
  • SAW
  • Braggs-Gitter (Lichtleiter)
  • Wirbelstrommessung (berührungslos)

Alle diese Messprinzipien reagieren auf kleinste Verschiebewege im Mikrometer- oder sogar im Nanometer-Bereich. Mit der Einführung von kostengünstigen, hochstabilen DC-Operationsverstärker in den 1990er Jahren durch die grossen Brands der Halbleiterherstellung erweiterte sich der Markt für Anwendungen mit Dehnmess-Streifen. Da das elektrische Ausgangssignal von DMS-Messbrücken in der Regel sehr klein ist (<20mV) galt die DMS-Technik vorher als schwierig zu beherrschen oder dann sehr aufwendig und teuer in der Signalverarbeitung. Ein temporärer Ausweg stellen die Silizium-DMS dar, die mit ihrem sehr hohen Ausgangssignal überzeugen. Die Verarbeitung und die Temperaturkompensation hingegen sind dermassen aufwendig, dass sich der Einsatz dieser DMS auf einige wenige Nischenanwendungen beschränkt. Auf diese Technik wird nachfolgend nicht weiter eingegangen. Ebenso wenig wie auf die anderen aufgeführten Messprinzipien, die alle berechtigte Anwendungsgebiete haben, sich aber nicht in der gleichen Breite durchsetzen konnten wie die resistiven Metall-Folien-DMS.

Mit dem Markteintritt von Anbietern aus Fernost, die standardisierte Folien-DMS zu attraktiven Preisen anboten, traten die Folien-DMS ihren endgültigen Siegeszug an und diese sind heutzutage in unzähligen Industrie- und Haushalt-anwendungen anzutreffen. Da der Verarbeitungsprozess von Folien-DMS aber nach wie vor als schwer zu automatisieren gilt, konnte sich neben den Folien-DMS die Dünnfilm-Technik einen respektablen Platz verschaffen. Die Dünnfilm-Technik erlaubt es, Messbrücken mit nahezu frei gestaltbarer Geometrie vollautomatisch auf metallische Federkörper aufzudampfen. Dies geschieht in hochspezialisierten Sputteranlagen in Hochvakuum-Kammern, wobei je nach Grösse der Federkörper einige Dutzend bis einige Hundert Sensorelemente pro Batch erzeugt werden können.

Es stellt sich nun die berechtigte Frage, warum denn nicht sämtliche DMS-Anwendungen schon längst mit der Dünnfilm-Technik realisiert werden?

Nun, die Dünnfilm-Technik hat, wie jede Technologie, auch ihre Einsatzgrenzen, seien es solche technischer oder wirtschaftlicher Natur.

Technischer Hintergrund

Wann ist die Dünnfilm-Technik erste Wahl?

Die Dünnfilm-Technik spielt ihre Vorteile überall dort aus, wo ein eher kleiner Federkörper an einem wohlbekannten Ort eine Oberflächendehnung erzeugt und die mit einer hochohmigen, fertig verdrahteten Vollbrücke zu messen ist. Neben der vollautomatischen Verarbeitung sind damit die wesentlichen Vorteile der Dünnfilm-Technik dargelegt. Weitere, nicht zu verachtenden Vorteile sind die nahezu völlig frei gestaltbaren Gitterformen, das völlige Fehlen von Kriech-Effekten und kleinste Gitterformen. Werden vier Messgitter zu einer Vollbrücke verschaltet, so resultiert ein sehr kleiner Temperaturkoeffizient, da die metallischen Eigenschaften der einzelnen Gitter nahezu gleich sind. Dies ist ein dem Sputter-Prozess inhärenter Vorteil, da die Gitter unter den exakt gleichen Produktionsbedingungen aufgedampft werden.

Wo haben die Folien-DMS ihre Berechtigung?

Folien-DMS überzeugen durch ihre Universalität und den vergleichsweise niedrigen Initialaufwand. Unersetzlich sind Folien-DMS beispielsweise bei der experimentellen Spannungsanalyse, bei der Dehnungsmessung an grösseren Federkörpern oder auf unebenen oder schlecht zugänglichen Oberflächen. Je nach Anforderung lassen sich Folien-DMS im einfachsten Fall mit handelsüblichem Cyano-Acrylat Kleber (ugs. Sekundenkleber) oder 2K-Epoxyd Klebern applizieren. Bei geschickter Wahl der Messgitterkonfiguration kann auch der Verdrahtungsaufwand klein gehalten werden. Die hohe Anzahl von Anbietern der Folien-DMS garantiert Verfügbarkeit, Liefersicherheit und eine enorme Breite der Wahlmöglichkeiten bei der Gitterkonfiguration. Da die Applikation von Folien-DMS prinzipiell keine aufwendigen Masken, Lehren, Abgleichprozeduren, Reinräume oder gar aufwendige Apparaturen voraussetzt, können auch kleine und kleinste Stückzahlen wirtschaftlich gefertigt werden. Spezielle DMS-Gitterkonfigurationen, sogenannte Rosetten, erlauben es, mit sehr kleinem Aufwand auch mehrachsige Spannungszustände mit einer raschen ad-hoc Messung sowohl in Betrag wie auch in der Richtung zu ermitteln.

Eine tabellarische Gegenüberstellung als Auswahlhilfe

Parameter
Dimensionen
Initialaufwand
Ad-hoc Installationen
Manueller Aufwand
Stückzahl
Verfügbarkeit
Gittergrösse, bzw.
Gitterlänge
Gitterwiderstand
Temperaturdrift(en)
Bevorzugte Anwendungen
Kriech-Effekte der
Messbrücke

Dünnschicht-DMS

Dimensionen
Miniaturisierung bis in den Bereich von 4 x 4 mm möglich. Für eher kleine Federkörper/Substrate im wenigen cm-Bereich
Grosse Geometrieflexibilität bei geringer Sensorgrösse, da durch die Lasertechnologie grosse Freiheitsgrade bestehen. Allerdings dürfen die zu beschichtenden Teile Höhen von 20 mm nicht überschreiten
Initialaufwand
Hoch, Hochvakuum-Anlage, Masken, Lehren, Abgleichprozeduren sind nötig.
Ad-hoc Installationen
Nicht möglich, eine Sputteranlage ist zwingend notwendig, ebenso die nötigen Masken
Manueller Aufwand
Bei entsprechender Auslegung verschwindend gering
Stückzahl
Prinzipiell unbegrenzt, ohne dass der manuelle Aufwand proportional dazu ansteigen würde
Verfügbarkeit
Bedingt durch die hohen Investitionen in spezialisierte Anlagen gibt es (auch weltweit) nicht besonders viele Anbieter, die diese Technik beherrschen.
Gittergrösse, bzw.
Gitterlänge
Die Technologie setzt hier keine Grenzen, aus wirtschaftlichen Gründen werden aber kleine und kleinste Gitterlängen bevorzugt.
Gitterwiderstand
Immer relativ hochohmig, d.h. im Bereich 2’000 bis 5’000Ω oder noch höher. Prädestiniert für Low-Power Anwendungen
Temperaturdrift(en)
Niedrig, die Dünnfilm-Messbrücke kommen problemlos ohne zusätzliche Temperaturkompensationsmassnahmen aus.
Bevorzugte Anwendungen
Kleinste Gittergrössen und geringster Platzbedarf bei gleichzeitig grosser Freiheit bei der Gitteranordnung.
Kriech-Effekte der
Messbrücke
Da die Klebeschicht fehlt und die Dünnfilm-DMS praktisch keinen Stellwiderstand aufweisen sind Kriech-Effekte nicht vorhanden.

Folien-DMS

Dimensionen
Für jegliche Grössen und Formen. Auch Körper mit Rundungen können beklebt werden
Initialaufwand
Kaum vorhanden, meistens machbar mit den Einrichtungen, die in einem Elektronik-Labor, bzw. Elektronik-Betrieb schon vorhanden sind.
Ad-hoc Installationen
Problemlos machbar, auch im Feld an Bauwerken. Ideal auch für experimentelle Spannungsanalysen bei unbekannten oder vermuteten Spannungszuständen
Manueller Aufwand
Mittel bis hoch, da die DMS geklebt werden. Je nach Ausgestaltung des Federkörpers und Verteilung der DMS am Federkörper
Stückzahl
Hohe Stückzahlen bedingen auch einen hohen Arbeitsaufwand. Für kleinere Stückzahlen (<100) jedoch geeignet, da der Initialaufwand weitgehend entfällt und auch ad-hoc Änderungen sehr einfach umsetzbar sind.
Verfügbarkeit
Unzählige Anbieter, die teilweise enorme Stückzahlen an Folien-DMS ausstossen. Enorm breites Angebot an Bauformen, Performance und Preisen.
Gittergrösse, bzw.
Gitterlänge
Abgesehen von exotischen Ausführungen weisen Folien-DMS in der Regel Gitterlängen im Bereich 1…10mm auf.
Gitterwiderstand
Meistens recht niederohmig, d.h. im Bereich 120…350Ω. Folien-DMS mit 1’000Ω Nennwiderstand sind mittlerweile gut erhältlich, einzelne Hersteller gehen sogar bis 5’000Ω.
Temperaturdrift(en)
Moderat, aber etwa 5x grösser als Dünnfilm-DMS. Bei statischen Langzeitanwendungen mit hoher Auflösung ist oft eine zusätzliche Temperaturkompensation notwendig.
Bevorzugte Anwendungen
Grössere, lasttragende Federkörper, kleine Stückzahlen bei gleichzeitiger Variantenvielfalt. Messungen an schlecht zugänglichen Stellen, Installationen sind sogar an Innenwänden von Bohrungen möglich.
Kriech-Effekte der
Messbrücke
Metallfolien-DMS weisen immer einen Kriech-Effekt (Creep) auf. Bei einer geschickten Wahl des Kriechverhaltens des DMS fängt dieser den natürlichen Metall-Creep des Federkörpers auf.

Diese tabellarische Gegenüberstellung gibt eine Orientierung, ohne jedoch den konkreten Einzelfall der einen oder anderen Technik den Vorzug zu geben. Selbst ein grosser Federkörper, der im Regelfall die Dünnschicht-Technik aus wirtschaftlichen Gründen ausschliesst, kann im Einzelfall trotzdem die Dünnfilm-Technik gewählt werden, da beispielsweise die Kleinheit und Hochohmigkeit der Messbrücke als viel wichtiger bewertet werden. Die IST-Senstech ist einer der wenigen Anbieter von resistiver Sensorik, der beide Technologien beherrscht und gleichwertig im Angebot führt. Lassen Sie sich von den IST-Senstech Ingenieuren umfassend beraten.

Typische Fragestellungen

Was sind Fragen die Kunden häufig stellen, in diesem Zusammenhang?

WAS muss ich messen?

Erscheint auf den ersten Blick trivial und durch die Anwendung gegeben. Für den Entscheid, welche Technologie, welches Messprinzip zur Anwendung kommen soll, ist diese Frage hingegen essentiell.

WO soll ich messen?

In realen Prozessen ist aber oft die eigentlich interessierende Grösse nicht ohne weiteres zugänglich, sodass nach einer anderen, geeigneten Mess-Stelle gesucht werden muss. Idealerweise liegt diese perfekt im Kraftfluss und weist keine Nebenschlüsse, Reibungen oder Störeffekte wie Torsion oder Seitenkräfte auf.

WIE kann ich messen?

Die Integration und die Performance eines Sensors wird umso besser, je früher Messprinzip, Messort und Verbindungsstellen in der Entwurfsphase passend zu den Anforderungen gewählt werden. Nachträgliche „Add-on“ Lösungen sind oft kostenintensiv bei gleichzeitig suboptimaler Performance.

WELCHE Genauigkeit kann ich erwarten?

In der Kraft- und Dehnungsmesstechnik gilt als Faustregel, dass absolute Fehler von <1% vom Skalenendwert in den realen Einbausituation als anspruchsvoll gelten. Geringere Fehler lassen sich durch in-situ Mehrpunktkalibrationen mit 3..10 Stützwerten, kleine Temperaturgradienten und geringste Störeffekte erreichen.

GIBT es kritische Randbedingungen?

Neben den eigentlichen Messaufgaben gibt es in den realen Anwendungen oft auch unerwünschte Betriebszustände, wie mechanische oder elektrische Überlastungen, rasche und sich wiederholende Temperaturwechsel, Vibrationen, sich verändernde Einbauzustände, Fehlbelegungen an Steckern oder Klemmen, Potentialunterschiede zwischen Sensor und Auswerteeinheit. Hilfreich ist hier eine Checkliste und Analyse dieser unerwünschten Betriebszustände und die Implementierung von geeigneten Massnahmen. Von industriell verwendbaren Sensoren wird in der Regel erwartet, dass sie gegen die meisten unerwünschten Betriebszustände immun sind.

IST das eine Single-Source Lösung?

Hier ergibt sich gerne ein Zielkonflikt. Einerseits ist eine genau angepasste, leistungsfähige und kostenoptimierte Lösung wünschenswert, andrerseits ist Liefersicherheit und das Know-How mehrerer Partner ebenso ein wichtiger Punkt. Als Teil der weltweit agierenden Endress+Hauser Gruppe hat die iST Senstech Zugriff zu den neuesten Technologien und Fachgremien und garantiert Liefersicherheit über entsprechende planerische und logistische Massnahmen über die ganze Prozesskette hinweg.

Typische Fehlerquellen

Gibt es Fehler die in diesem Zusammenhang häufig gemacht werden oder Missverständnisse?

Auflösung und Genauigkeit werden oft verwechselt

Während man Auflösung als die kleinste, sicher messbare Signalveränderung bezeichnet, versteht man unter Genauigkeit, den Fehler zwischen der idealisierten Kennlinie und den realen Messwerten des Sensors. So kann ein relativ ungenauer Sensor trotzdem eine sehr gute Auflösung aufweisen, indem zwar eine nichtlineare Kennlinie aufweist, aber ein stabiles Ausgangssignal liefert, das sich eben in kleinste Schritte auflösen lässt.

Auflösung versus Bandbreite / Messgeschwindigkeit

Die Auflösung wird prinzipiell durch stochastische Störsignale begrenzt. Während systematische Störsignale meist durch geeignete Kompensationsmassnahmen korrigiert werden, sind diese zufälligen Störsignale nicht vorhersagbar und damit nicht korrigierbar. In der Praxis werden die Störsignale durch kleine, zufällige Signalveränderungen erzeugt. Der Oberbegriff dafür heisst „Rauschen“. Das Rauschen bildet den sogenannten „Noise-Floor“, also eine Art Rauschteppich. Die Amplitude dieses Rauschens begrenzt die Auflösung. Da das Rauschen aber eine gewisse Periodizität und eine Verteilung über das Frequenzspektrum aufweist, kann mit einer Filterung das Rauschen erheblich reduziert und damit die Auflösung gesteigert werden. Dies allerdings auf Kosten der Dynamik. Stark begrenzende Filter reduzieren die Ansprechgeschwindigkeit und weisen Laufzeiten auf, die beispielsweise eine Regeldynamik einschränken. Hier ergibt sich ein Zielkonflikt zwischen erreichbarer Auflösung und maximaler Messgeschwindigkeit. Eine Lösung besteht darin, dass die Steuerungs-Software die Filterung abhängig vom Betriebszustand situativ den Anforderungen entsprechend anpasst.

Kraft und Dehnungen sind Vektoren, behalten diese ihre zu messende Richtung in allen Betriebszuständen bei?

Meist ist offensichtlich, welche Richtung diese Vektoren im normalen Betriebszustand haben. Kommen hingegen noch weitere Effekte, wie schwere Werkzeuge, rotierende Antriebswellen oder verschiedene Einbaulagen hinzu, so können durchaus bemerkenswerte Seitenkräfte als Störfaktoren auftreten. Die weitaus dominierende Anzahl von Kraft- und Dehnungssensoren weist eine einzige Vorzugsmessrichtung auf. Einfallende Kräfte aus anderen Richtungen werden entweder kompensiert oder es wird lediglich der Teil der „falsch“ einfalllenden Kraft gemessen, der der Vorzugsmessrichtung entspricht. Auch hier gilt die Empfehlung, schon in der Konstruktionsphase einer Anlage diese Umstände zu berücksichtigen, entweder durch konstruktiv geeignete Massnahmen oder durch Auswahl eines geeigneten Messwertaufnehmers.

Ist die Verdrahtung und Signalführung EMV gerecht? Fliessen über den Sensorkörper möglicherweise Ausgleichsströme, die ein Magnetfeld erzeugen können?

Neben den zuvor beschriebenen mechanischen Fehlerquellen, kann auch die Elektrik einer Maschine zur unerwünschten Störquelle werden. Meist sind dies hochfrequente Signalanteile auf der 24V Versorgung, von Schaltnetzteilen, Drives und elektromechanischen Leistungsschaltern herrührend. Industrielle Sensoren weisen in der Regel eine gut ausgebaute Störunterdrückung im Eingangskreis auf, sodass diese Störungen bei korrekter Verdrahtung beherrschbar sind. Kritisch können hingegen Potentialunterschiede zwischen Maschinenbauteilen und/oder Steuerschrank sein. Da die Maschinenstruktur in der Regel auf Erde liegt und diese gleichzeitig mit der 0V Schiene verbunden ist, können über Maschinebauteile erhebliche Ausgleichsströme fliessen. Diese Ausgleichsströme generieren ein Magnetfeld, das wiederum in Sensorleitungen eine Spannung erzeugen kann. Abhilfe schaffen hier massive Erdungsbänder, ein wohldurchdachtes Erdungs- und Verdrahtungskonzept sowie allenfalls diffentielle, erdfreie Mess-Eingänge.

Zusammenfassung

Der Artikel vergleicht Dünnfilm‑DMS und klassische Folien‑DMS und zeigt auf, in welchen Anwendungen welche Technologie ihre Stärken hat. Während die Dünnfilm‑Technik durch automatisierte Fertigung, hohe Temperaturstabilität und kompakte Bauformen überzeugt, punkten Folien‑DMS mit Universalität, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit insbesondere bei kleinen Stückzahlen und experimentellen Messungen. Eine eindeutige Bewertung ist jedoch stets anwendungsabhängig, da technische und wirtschaftliche Vor‑ und Nachteile im Einzelfall gegeneinander abzuwägen sind.

Team plans sensor for customer

Kundenspezifische Anwendung

Sie benötigen einen Sensor für eine konkrete Anwendung?

Von der Technologieauswahl über die mechanische Anbindung bis zur Signalauswertung: Entwickeln Sie eine kundenspezifische Sensorlösung, die zu Bauraum, Messbereich und Umgebung passt.

Projekt anfragen Onlinechat Beratung vereinbaren