Sensorik und Sensorsysteme

Hochdrucksensoren für Extremtemperaturen

9.10.2017

Das Fraunhofer IZM hat in Kooperation mit der Technischen Universität Berlin einen Hochdrucksensor entwickelt, der bei wesentlich höheren Temperaturen als herkömmliche MEMS-Sensoren eingesetzt werden kann.

© Foto Fraunhofer IZM

Hochtemperatur-Sensor für Extrusionsanlagen: SOI-Chips (l.) und Gehäuse (r.).

© Foto MEV Verlag

Nicht nur der Mensch, sondern auch die Technik ist in Industrieanlagen oft großen Belastungen ausgesetzt. Der SOI-Hochdrucksensor des Fraunhofer IZM hält weitaus höhere Temperaturen aus als herkömmliche Sensoren.

Eine exakte Druckkontrolle mittels Sensoren ist in vielen industriellen Prozessen unerlässlich. Um den rauen Bedingungen in den Fertigungsumgebungen gerecht zu werden, sind an die Sensoren sehr hohe Anforderungen gestellt. Vor allem die extremen Umgebungstemperaturen stellen für die sensiblen Messgeräte oft eine große Herausforderung dar. Nun gelang es erstmals, einen Hochdrucksensor für den Einsatz bei bis zu 400 °C zu entwickeln. Dieser hat sich bereits in Extrusionsanlagen zur Verarbeitung von Kunststoffen bewährt, wo er mittels Druckmessung die vollständige Befüllung von Gussformen bestätigt.

Ein Sensor mit innovativem Aufbau

Der SOI-Sensor (Silicon-on-Insulator) ist mit einer Sperrschicht aus Siliziumdioxid versehen, die eine komplette elektrische Isolation gewährleistet. In der darüberliegenden SOL-Schicht (Silicon-Over-Layer) sind alleinstehende Piezowiderstände in die Silikonmembran eingeätzt. Um Umwelteinflüssen vorzubeugen, befindet sich der SOI-Chip in einem Keramikgehäuse ohne Verklebungen, an dem eine Stahlmembran angebracht ist, welche wiederum mit einem Stahlzylinder verbunden ist. Der Sensor ist passgenau eingebaut und »schwebt« somit quasi im Gehäuse zwischen den elektrischen Kontakten, wodurch weitere Fülltechnologien überflüssig werden. Die elektrische Verbindung zwischen dem SOI-Chip und dem Keramikgehäuse wird durch Drahtbonden erreicht.

Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Drucksensoren

Der SOI-Sensor kann bei Temperaturen bis zu 400 °C verwendet werden. Herkömmliche MEMS-Sensoren bewerkstelligen lediglich 125 °C. Außerdem kommt die SOITechnologie ohne den Einsatz zusätzlicher Flüssigkeiten wie Öl oder Quecksilber aus. Dadurch können Messergebnisse nicht mehr verfälscht werden. Der Sensor stellt damit außerdem eine Alternative für die Zukunft dar, da z. B. Öl und Quecksilber in manchen Produkten verboten werden sollen. Auch Zeit und Material können im Spritzgussprozess durch die genaue Messweise des SOI-Sensors eingespart werden, was ihn im Vergleich zu klassischen Sensoren wesentlich effizienter macht.

Die Entwicklung der Hochdrucksensoren ist noch nicht abgeschlossen

In Zukunft sollen die Sensoren sogar Temperaturen von 600 °C und mehr aushalten können. Dafür muss das Silizium ersetzt werden, da dieses ab Temperaturen von über 400 °C leitende Eigenschaften entwickelt, die es für die Druckmessungen disqualifizieren. Das Material Siliziumcarbid (SiC) hingegen verfügt auch bei hohen Temperaturen über die nötigen elektrischen Eigenschaften und wird daher als mögliche Alternative betrachtet. Die Forschungsarbeit an SiC-basierten Sensoren hat bereits begonnen.