Dünnschichtsensoren bieten neue Möglichkeiten beim Messen

Dünnschichtsensoren werden in vielen Bereichen der Mess-technik eingesetzt. Die ideale Kopplung zwischen Sensor-schicht und Bauteil führt vor allem im Bereich der Druck- und Kraftmessung zu Produkten...

Anbieter zum Thema

Treston Deutschland GmbH

Renishaw GmbH

JESSBERGER GmbH

Dünnschichtsensoren werden in vielen Bereichen der Mess-technik eingesetzt. Die ideale Kopplung zwischen Sensor-schicht und Bauteil führt vor allem im Bereich der Druck- und Kraftmessung zu Produkten mit herausragenden Eigenschaften. So sind beispielsweise schon jetzt Drucksensoren für eine permanente Zylinderdruckerfassung in Verbrennungsmotoren verfügbar.Ausgehend von der Halbleitertechnologie hat sich die Dünnschichttechnik schon vor längerer Zeit als eigenständiger Bereich entwickelt. Neben einfachen Schichten (Verschleißschutz, Spiegel, dekorative Schichten) werden inzwischen zunehmend dünne Schichtstrukturen für die Sensorik eingesetzt. Die KMW Dünnschichttechnik und Mikrosysteme GmbH, ein Partnerunternehmen der STW GmbH, hat sich auf diese Technik spezialisiert und hat das erklärte Ziel, mit neuen Ansätzen und Produkten dem Kunden und Anwender neue und genauere Messwerte zur Verfügung zu stellen.Am Anfang jedes Sensors stehen das Layout des Grundkörpers (meist ein hochwertiger Edelstahl) sowie die Simulation der zugehörigen Eigenschaften unter Einsatz von CAD- und FEM-Programmen. Weil die Sensoren schon extrem kleine Spannungen zuverlässig detektieren, kann der Stahlkörper sehr kompakt ausgelegt werden und ist damit haltbar auch bei extremen Wechsellastbeanspruchungen. Es folgen Entwurf und Herstellung entsprechender Masken.Für die Druck- oder Kraftsensoren werden Dünnschicht- Dehnungsmessstreifen (DMS) eingesetzt. Die Sensorstrukturen bestehen aus Mehrschichtsystemen, die die mechanischen Eigenschaften des Bauteils nicht beeinflussen. Die erste Schicht (SiO2) dient zur elektrischen Isolierung zwischen dem Bauteil und den Funktionsschichten des Sensors. Zwei Varianten von FunktionsschichtenAls Funktionsschichten stehen zwei Varianten zur Verfügung:- Die erste, für Messungen zwischen -10 und 85 °C, besteht aus einer Nickel-Chromlegierung. Druckmesszellen und -transmitter dieser Bauart werden in größeren Stückzahlen im Bereich Hydraulik und Pneumatik eingesetzt.- Bei extremen Umweltbedingungen wird eine patentierte Titanlegierung für die Sensoren verwendet. Diese preisgünstige Legierung ist bis über 300 °C einsetzbar, chemisch extrem resistent und bietet ein größeres Ausgangssignal als NiCr-Dehnungsmessstreifen.Beide Varianten zeichnen sich durch eine sehr kleine Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals aus.Eine weitere Schicht (Nickel oder Gold) dient der elektrischen Kontaktierung des Sensors.Als letzte Dünnschicht wird dann noch eine Passivierungsschicht abgeschieden, die die Strukturen vor Umwelteinflüssen schützt.Sensortest nach der MontageDie Strukturierung der abgeschiedenen Dünnschichten erfolgt mit einer der jeweiligen Applikation angepassten Technik (im Reinraum von KMW stehen nasschemische, trockenchemische und physikalische plasmagestützte Ätzverfahren zur Verfügung).Die fertige Messzelle wird dann auf ein anwendungs- oder kundenspezifisches Vorsatzteil aufgeschweißt.Die elektrische Kontaktierung erfolgt wahlweise durch Löten oder Drahtbonden. Nach der Montage durchlaufen die Sensoren ein umfangreiches Testprogramm.Für viele Anwendungen ist die einfache Anzeige der Sensorsignale nicht ausreichend, sondern diese sind Teil eines Steuer-, Regelungs- oder Überwachungssystems. Mit einer jeweils angepassten Elektronik und dem Gehäuse wird die Messzelle dann zu einem Drucktransmitter komplettiert. Zusammen mit der Partnerfirma STW GmbH können auch für diese Anwendungen kunden- und applikationsspezifisch optimale Lösungen aus einer Hand garantiert werden.Bild 3 zeigt einen bereits gebondeten Hochtemperatur-Drucksensor. Um die Temperatur der Membran und damit auch des Mediums zu messen, wurde in diesem Fall ein Temperaturwiderstand in die Strukturen integriert.Das ,,Flaggschiff" der Hochtemperatur-Drucktransmitter stellt zweifelsohne die für den Einbau in Motoren entwickelte Version des Transmitters für einen Temperaturbereich von bis zu 350 °C dar. Mit Hilfe dieses Transmitters können sowohl der Druck als auch die Temperatur im Brennraum von großen Gas- oder Dieselmotoren im Dauerbetrieb gemessen werden. Dadurch können die Leistung des Motors gesteigert und Schäden zum Beispiel durch Klopfen vermieden werden. Die Messzelle wird dabei direkt in den Brennraum des Motors eingebaut. Die Elektronik zur Auswertung des Messzellensignals wird über ein temperaturbeständiges Kabel mit dem Sensor verbunden.Für den Temperaturbereich bis zu 200 °C steht eine preiswertere Messzelle zur Verfügung, bei der die Anschlüsse nicht gebondet, sondern mit einem Hochtemperaturlot gelötet werden. Der besondere Vorteil liegt dabei, neben der problemlosen Handhabung, ebenfalls in der extrem hohen Lastwechselfestigkeit. Weil die Elektronik in einem separaten Gehäuse untergebracht ist, kann die Messzelle auch bei räumlich beengten Platzverhältnissen eingebaut werden.Im Bereich bis 125°C nur ein GehäuseWerden nur Temperaturen bis zu 125 °C erreicht, kann eine weitere Version eingesetzt werden, bei der dann die Elektronik und die Messzelle gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht sind, weil die Elektronik in diesem Temperaturbereich problemlos arbeiten kann. Das ist die kostengünstigste und für den Kunden die am einfachsten anzuwendende Variante der Titanlegierung. Auch hier sind die hohe Lastwechselfestigkeit sowie die hohe Genauigkeit gegeben.Für Temperaturen bis 85 °C werden die Drucktransmitter mit der NiCr-Legierung als DMS-Material ausgerüstet. Zusammen mit gelöteten Verbindungen und einer entsprechenden Elektronik stellen diese Produkte die preiswerteste Variante dar.Die besonderen Vorteile der Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen ermöglichen auch bei Kraft- oder Torsionsmessungen neue, interessante Anwendungen.Geringste Dehnungen werden ideal kraftschlüssig, ohne Kriecheffekte, mit einem minimalen Platzbedarf und ohne Beeinflussung des Bauteils gemessen.So kann beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen zur Kraftmessung direkt auf einer Welle im Lager integriert werden, um Drehmomente und Torsionskräfte absolut präzise zu messen.Dünnschichten auf große KörperWeil KMW in der Lage ist, die Dünnschichten auch auf größere Körper mit nicht planaren Oberflächen aufzubringen, lassen sich diese Sensoren in nahezu jedem Aufbau verwenden.In derselben Technik können auch miniaturisierte Multi-Sensorsysteme (Druck, Kraft, Torsion, Temperatur) realisiert werden.Der Einsatz von Dünnschichtsensoren bietet Vorteile für eine Vielzahl von Anwendungen: - Hydraulik/Pneumatik: Edelstahl-Druckmesszellen in einem weiten Druck- und Temperaturbereich(temperaturkompensiertes Signal, großer Nenndruckbereich von 10 bis 3000 bar) - Gas-Messtechnik: Druck, Temperatur- und Flussmessung auch für extreme Anforderungen (beständig gegen hohe Temperaturen, hohe Wechsellastbeanspruchung, aggressive Medien)- allgemeiner Maschinenbau: Kraft- und Temperaturmessung direkt am Bauteil zur Messung von Be- oder Überlastungen (Messung ohne Beeinträchtigung der Bauteilstabilität)- bewegliche Teile im Maschinenbau: Kraft- Torsions- und Schwingungsmessung (schnell, langzeitstabil, genau)- Motortechnik: Zylinderdruck- und Einspritzdruckmessung zur Motorüberwachung und Regelung (extreme Lastwechsel- und Temperaturstabilität, sehr geringer Thermoschock, kostengünstig) - Steuerungstechnik: kraftsensitive Handgriffe, Fußschalter und andere zur Maschinensteuerung (einfacher,stabiler Aufbau, langzeitstabil).Für Überwachungs- und Steuerungsaufgaben besteht ein großer Bedarf an Sensoren. Dünnschichtsensoren bieten bei einer Vielzahl von Applikationen neue und oft einzigartige Lösungen. Im Rahmen von Neu- und Weiterentwicklungen werden in Zusammenarbeit mit Anwendern Sensoren in kundenspezifische Komponenten integriert.