Piezoresistiver Hochdruck-Sensor mit einem Nennmessbereich bis 5.000 bar

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Patrick Heinickel

 

Motivation

Im internationalen Vergleich des Absatzmarktes für Sensoren werden Drucksensoren weltweit mit am stärksten nachgefragt. Da mit fortschreitender Technik auch der Hochdruckbereich zunehmend wichtiger wird, sollen hierfür neuartige kostengünstige Sensoren für große Stückzahlen entwickelt werden. Der Bereich des Hochdrucks umfasst 100 bar bis 10.000 bar.

Anwendungsbeispiele für den Hochdruckbereich

Hochdruck-Sensoren werden als Massenanwendung im KFZ beispielsweise zur Regelung des Bremssystems (250 bar) oder des Common-Rail-Systems (1.200 bar bis 3.000 bar) benötigt. Auch in der Fertigungstechnik, wie dem Wasserstrahlschneiden oder Hydroforming, wird mit Drücken von 4.000 bar bis 6.000 bar gearbeitet. Aber auch in anderen Anwendungsgebieten, wie beispielsweise der Lebensmittel-, der Chemie- und Ölindustrie, ist der Hochdruckbereich zunehmend stark vertreten.

Ausgangslage

Auf dem Markt verfügbare Hochdrucksensoren sind derzeit meist aus einem Metallverformungskörper aufgebaut. Dieser ist mit Dehnungsmesselementen, wie DMS in Dünnfilm-, Dickfilm- bzw. Halbleiterausführung, bestückt. Das Know-How dieser Sensoren steckt vor allem im aufwendig zu fertigenden monolithischen Metallverformungskörper. Das Prinzip ermöglicht das Messen von Drücken bis 15.000 bar. Die Nachteile sind hohe Kosten und der vergleichsweise geringe Überlastschutz von maximal 120% des Nenndrucks, da die Gefahr der plastischen Verformung besteht.

Piezoresistive Silizium-Messelemente finden als Primärsensoren für Relativ- und Absolutdruckbereiche von 0,1 bar bis 1.000 bar industrielle Anwendung in Massen- und Konsumgütern. Sie vereinen eine Reihe von Vorteilen, wie niedrige Fertigungskosten, miniaturisierte Abmessungen, hohen Grundwiderstand und hohen Übertragungsfaktor. Dabei bieten Sensoren nach dem piezoresistiven Prinzip die Möglichkeit zusätzliche Funktionen, wie die Primärelektronik, auf dem Silizium-Chip zu integrieren. In der Druckplatte des Silizium-Chips treten bei Druckbelastung mechanische Spannungen auf. Übertreffen diese auftretenden Zugspannungen die Bruchspannung von Silizium, so führt dies zum Bersten der Silizium-Druckplatte. Der maximale Nenndruck von piezoresistiven Silizium-Drucksensoren ist bei einem Überlastfaktor von zwei auf ca. 1.000 bar beschränkt.

Piezoresisitiver Absolutdrucksensor für den Mitteldruckbereich in Schnittdarstellung

 

Verbundelement als neuartiges Hochdruck-Messelement

Um die Vorteile des piezoresistiven Silizium-Drucksensors auch im Hochdruckbereich nutzen zu können, entstanden im Rahmen vorangegangener Arbeiten am Institut EMK verschiedene Konstruktionsvarianten für Silizium-Hochdruck-Messelemente. Die Abbildung zeigt das Verbundelement als eine Konstruktionsvariante für ein neuartiges piezoresistives Hochdruck-Messelement.

Verbundelement als neuartige Konstruktionsvariante eines Silizium-Hochdruck-Messelementes

Funktionsprinzip des Verbundelementes

Der Hauptunterschied im Vergleich zu den Standard-Absolutdruck-Sensoren aus Silizium besteht darin, dass auf die Druckplatte als Schwachstelle im Siliziumelement verzichtet wird. Da dies gleichzeitig das druckempfindliche Element der Standardvariante darstellt, wird auf ein neuartiges Prinzip zur Erzeugung von messbarer mechanischer Spannung im Verformungskörper gesetzt. Ein Vollkörper-Silizium-Messelement mit integrierten piezoresistiven Widerständen wird anodisch an einen im Vergleich zu Silizium weicheren Substratwerkstoff gebondet. Die unterschiedlichen elastischen Koeffizienten von Silizium und Substrat führen zu in der Verbindungsschicht entstehenden, belastungsabhängigen mechanischen Differenzspannungen, die sich durch das Verbundelement ausbreiten. Bei hydrostatischer Druckbelastung stellt sich eine Überlagerung von Kompression und schalenförmiger Verwölbung, infolge der stärkeren Stauchung des weicheren Substratmaterials als des Silizium-Chips, ein. Als Substratmaterial wird ein anodisch bondbares Borosilikatglas verwendet. Durch diese mechanische Fehlanpassung der Fügepartner wird das neuartige Prinzip der mechanischen Verspannung zur Messung von Hochdruck genutzt.

Neben dieser Variante als piezoresisitves Hochdruck-Messelement werden noch weitere Konstruktionsvarianten untersucht. In diesem Zusammenhang werden verschiede Themen zur Bearbeitung als Studien-, Diplom- bzw. Bachelor- oder Masterarbeit angeboten.

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Packaging des Hochdruck-Messelementes

Neben der Entwicklung eines piezoresistiven Messelememts für den Hochdruck-Bereich bis 5.000 bar, stellt das Packaging des Messelementes ein weiteres wichtiges Arbeitspaket dar.

Das Packaging stellt den Schutz des Messelementes bei definierter Druckeinleitung dar. Hierbei wird das Messelement sowohl vor mechanischen Einwirkungen in begrenztem Masse geschützt, als auch vor aggressiven Messmedien durch Medientrennung. Auch wird somit der Einbau des Messelementes und die Elektrische Schnittstelle definiert.

Auch auf dem Gebiet des Packagings des Hcohdruckmesselementes sind Studien-, Diplom- bzw. Bachelor- oder Masterarbeit zu vergeben

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Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Patrick Heinickel

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Institut für Elektromechanische Konstruktionen

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