Fraunhofer-Forscher entwickeln Hochdrucksensoren für Extremtemperaturen

Berlin / 19.6.2017

Eine exakte Druckkontrolle ist in vielen industriellen Prozessen erforderlich. Der SOI-Hochdrucksensor (Silicon-on-Insulator) des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM ermöglicht solch eine genaue Kontrolle von Prozessen bei Temperaturen bis zu 400° Celsius. Er zeichnet sich vor allem durch seine Langlebigkeit, Präzision und Effizienz aus. Um dem technischen Bedarf gerecht zu werden, sollen zukünftige Sensoren sogar Temperaturen über 600° Celsius aushalten können.

Der SOI-Sensor kommt vor allem in Extrusionsanlagen zur Verarbeitung von Kunststoffen zum Einsatz. Bei diesen Anlagen ist es notwendig, festzustellen, wann eine Form vollständig mit Plastik gefüllt ist. Hier kommt der SOI-Sensor ins Spiel: Er misst präzise den Druck und sendet ein Signal, sobald Gegendruck durch das Plastik besteht. SOI steht für Silicon-on-Insulator und bezeichnet einen Sensor, der mit einer Sperrschicht aus Siliziumdioxid versehen ist, die für komplette elektrische Isolation sorgt. In der SOL-Schicht (Silicon-Over-Layer), die sich über der Sperrschicht befindet, sind alleinstehende Piezowiderstände in die Silikonmembran 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 für einen Temperaturbereich bis ca. 125°C eingesetzt werden.

Der Sensor, an dessen Entwicklung auch die TU Berlin beteiligt war, funktioniert dank der SOI-Technologie 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. Durch den Verzicht auf teure und komplizierte Fülltechnologien beugt der SOI-Sensor zudem Umweltbelastungen vor und stellt 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 effizienter macht. Ausschlaggebend für den Nutzen dieses Sensors ist jedoch, dass er den hohen Temperaturen und rauen Bedingungen bei der Verwendung von flüssigem Kunststoff standhält.

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 weitere Fülltechnologien überflüssig werden. 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. Die Forschung daran findet bereits statt. Das Fraunhofer IZM nimmt bei der angewandten Forschungsarbeit im Hochtemperaturbereich eine Vorreiterrolle ein und kooperiert mit der Firma Gefran SPA, die auch die Entwicklung von Hochtemperatursensoren in Auftrag gegeben hat.

 

(Text: Sabrina Köhnke)
 

Hochtemperatur-Sensor für Extrusionsanlagen: SOI-Chips (links) und Gehäuse (rechts).
© Foto Fraunhofer IZM

Hochtemperatur-Sensor für Extrusionsanlagen: SOI-Chips (links) und Gehäuse (rechts).