Fraunhofer entwickelt SOI-Hochdrucksensor für extreme Temperaturen

Sensorik

Fraunhofer IZM: Hochdrucksensoren für Extremtemperaturen

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Hochtemperatur-Sensor für Extrusionsanlagen: SOI-Chips (links) und Gehäuse (rechts). Foto: Fraunhofer IZM
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Eine exakte Druckkontrolle ist in vielen industriellen Prozessen erforderlich. Der neu entwickelte SOI-Hochdrucksensor (Silicon-on-Insulator) des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) soll solch eine Kontrolle auch unter Extrembedingungen ermöglichen: aktuell bei bis zu 400° Celsius, in Zukunft auch bei noch höheren Temperaturen .

Der SOI-Sensor kommt vor allem in Extrusionsanlagen zur Verarbeitung von Kunststoffen zum Einsatz. Bei diesen Anlagen muss regelmäßig festgestellt werden, wann eine Form vollständig mit Plastik gefüllt ist – dafür misst der Sensor 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 dieser 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. MEMS steht für Micro-Electro-Mechanical Systems und bezeichnet miniaturisierte Bauteile, die mechanische und elektronische Informationen verarbeiten. Bei diesem elektrischen Bauelement fließt der Strom nur in eine Richtung. MEMS-Sensoren können im Gegensatz zum SOI-Sensor nur für einen Temperaturbereich bis ca. 125° C eingesetzt werden.

Präzise, ökologisch unbedenklich – und äußerst robust

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 dieses ist eine Stahlmembran angebracht, 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.

Georg Weigelt ist im Bereich PR und Marketing am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) tätig.

https://www.izm.fraunhofer.de/de/abteilungen/high_density_interconnectwaferlevelpackaging/arbeitsgebiete/sensor_development.html

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