Messtechnik extrem

Forscher entwickeln Hochdrucksensoren für Extremtemperaturen

19.06.17 | Redakteur: Hendrik Härter

Mit einem speziellen Hochdrucksensor auf Basis von Silizium ist es Fraunhofer-Forschern gelungen, Prozesse bis 400 °C zu überwachen (Symbolbild).
Mit einem speziellen Hochdrucksensor auf Basis von Silizium ist es Fraunhofer-Forschern gelungen, Prozesse bis 400 °C zu überwachen (Symbolbild). (Bild: Pixabay / CC0)

Fraunhofer-Forscher haben einen Hochdrucksensor entwickelt, der Temperaturen bis 400 °C überwachen kann. Durch den Verzicht auf Öl im Sensor werden die Temperaturen nicht verfälscht.

In vielen industriellen Prozessen kommt es darauf an, dass der Druck exakt kontrolliert wird. Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM hat einen SOI- (Silicon-on-Insulator)- Hochdrucksensor entwickelt, der Prozesse bei Temperaturen bis 400 ° C überwachen kann.

Um dem technischen Bedarf gerecht zu werden, sollen zukünftige Sensoren sogar Temperaturen über 600 °C aushalten können. Der SOI-Sensor kommt vor allem in Extrusionsanlagen zum Einsatz, wo Kunststoffe verarbeitet werden. Er misst präzise den Druck und sendet ein Signal, sobald Gegendruck durch das Plastik besteht.

Ein SOI-Sensor ist mit einer Sperrschicht aus Siliziumdioxid versehen, die für komplette elektrische Isolation sorgt. In der SOL- (Silicon-Over-Layer-) Schicht, die sich über der Sperrschicht befindet, sind alleinstehende Piezowiderstände in die Siliziummembran eingeätzt. Herkömmliche MEMS-Drucksensoren nutzen hingegen die Sperrschicht zwischen positiver und negativer Dotierung - den so genannten p-n-Übergang - als Isolation.

Bei diesem elektrischen Bauelement fließt der Strom nur in eine Richtung. MEMS steht für Micro-Electro-Mechanical-Systems und bezeichnet miniaturisierte Bauteile, die mechanische und elektronische Informationen verarbeiten. MEMS-Sensoren können im Gegensatz zum SOI-Sensor nur bis ca. 125 °C eingesetzt werden.

Temperaturen werden nicht verfälscht

Der Sensor, an dessen Entwicklung auch die TU Berlin beteiligt war, funktioniert dank der SOI-Technik ohne den Zusatz von Flüssigkeiten wie Öl, welches in herkömmlichen Sensoren häufig zum Einsatz kommt. Der Vorteil dabei: Die Sensorsignale werden nicht durch die temperaturbedingte Ausdehnung der Flüssigkeiten verfälscht.

Auch Zeit und Material können im Spritzgussprozess durch die genaue Messweise des SOI-Sensors eingespart werden. 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 wird daher auch als „floating“ bezeichnet: Er schwebt quasi im Gehäuse zwischen den elektrischen Kontakten, wodurch keine weiteren Fülltechniken notwendig sind. Die elektrische Verbindung zwischen dem SOI-Chip und dem Keramikgehäuse wird durch Drahtbonden erreicht.

In Zukunft sollen Hochdrucksensoren bis zu 600 °C und mehr aushalten können. Dafür muss jedoch das Silizium ersetzt werden, da es ab Temperaturen von über 400 °C selbstleitend wird. Eine Lösung hierfür stellt Silizium-Carbid dar, das bei hohen Temperaturen über bessere elektrische Eigenschaften verfügt.

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