Präzise Extrusionssteuerung

Hochdrucksensoren für extreme Temperaturen

Eine exakte Druckkontrolle ist in vielen industriellen Prozessen erforderlich. Der SOI-Hochdrucksensor (Silicon-on-Insulator) des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM ermöglicht soll eine genaue Überwachung von Prozessen bei Temperaturen bis 400 Grad Celsius ermöglichen.

Hohe Drücke bei der Kunststoffverarbeitung bis 400 Grad Celsius messen, in Zukunft eventuell bei noch höheren Temperaturen. (Bild: Fraunhofer IZM)

Der SOI-Sensor kommt vor allem in Extrusionsanlagen zur Verarbeitung von Kunststoffen zum Einsatz. Bei diesen Anlagen ist es beispielsweise notwendig, festzustellen, wann ein Extruder oder andere Anagenkomponente vollständig gefüllt ist. Hier kommt der SOI-Sensor ins Spiel: Er misst präzise den Druck und sendet ein Signal, sobald Gegendruck durch die Kunststoffmasse 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 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 laut Entwickler im Gegensatz zum SOI-Sensor bis etwa 125 Grad Celsius eingesetzt werden.

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Der Sensor, an dessen Entwicklung auch die TU Berlin beteiligt war, funktioniert dank der SOI-Technologie ohne den Zusatz von Flüssigkeiten wie Öl, das in herkömmlichen Sensoren häufig zum Einsatz kommt. Der Vorteil: Die Sensorsignale werden nicht durch die temperaturbedingte Ausdehnung der Flüssigkeiten verfälscht. Durch Verzicht auf teure und komplizierte Fülltechnologien beuge der SOI-Sensor zudem Umweltbelastungen vor und sei eine Alternative für die Zukunft, da beispielsweise Öl und Quecksilber in manchen Produkten verboten werden sollen. Zeit und Material können auch im Spritzguss durch präzisere 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 Kunststoffverarbeitung standhält.

Um Umwelteinflüssen vorzubeugen, befindet sich der SOI-Chip in einem Keramikgehäuse ohne Verklebungen, an dem eine Stahlmembran angebracht ist, die 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 SOI-Chip und Keramikgehäuse stellen Drahtbonden her.

In Zukunft sollen Hochdrucksensoren mehr als 600 Grad Celsius aushalten können. Dafür muss jedoch das Silizium ersetzt werden, da es über 400 Grad Celsius selbstleitend wird. Ein Ersatz ist Silizium-Carbid, das bei hohen Temperaturen über bessere elektrische Eigenschaften verfügt. Die Forschung daran findet bereits statt. Das Fraunhofer IZM kooperiert mit Sensorhersteller Gefran, die die Entwicklung von Hochtemperatursensoren in Auftrag gegeben hat.

Fakuma 2017, Halle B4, Stand 4404

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