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TECHNIK Feldebene
[1] [2]
sich um einen quadratischen Silizium-
Chip, der Membran und Messelement
trägt. Das in der SOI-Technologie (Silicon
On Insulator, Silizium auf Isolator) aufgebaute
Sensorelement besteht aus einer
Wheatstoneschen Messbrücke. Die piezoresistiven
Widerstände der Messbrücke
werden mittels Ionenimplantation auf
das Substrat aus Silizium und der Isolationsschicht
aus Siliziumoxid aufgebracht.
Dabei sorgt die SiO 2
-Trennmasse dafür,
dass der Sensor höhere Betriebstemperaturen
aushält als herkömmliche piezoresistive
Sensoren ohne eine solche Schicht:
Der Chip arbeitet bei Temperaturen bis
350 °C. Ein fester, 5 mm langer Stößel
überträgt den Druck von der Membran
zum Chip. Das Sensorelement ist so empfindlich,
dass die maximale Ausgangsspannung
bereits bei einer Durchbiegung
von 11 bis 14 µm bereit steht. Eine Materialermüdung
ist aufgrund der geringen
Durchbiegung auch bei dynamischen
Prozessen ausgeschlossen. Damit eignet
sich der Sensor neben der direkten Messung
entlang der Extruderschnecke auch
für Messungen direkt in der Düse von
Spritzgießmaschinen.
Schwimmender Sensor
„Herkömmliche piezoresistive Druckmesssysteme
verwenden Chipbonden zur
Befestigung der Sensoren. Dies kann jedoch
bei hohen Temperaturen zu Ausdehnungsdifferenzen
– einem CTE-Mismatch
– und damit zu einer Verfälschung des
Sensor-Ausgangssignals führen. Der Sensor
verzichtet auf Chipbonden und verwendet
stattdessen das Floating-Konzept.
Dabei sitzt der Sensor schwimmend in einem
Keramikgehäuse aus Kovar – einer
Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung mit geringem
Wärmeausdehnungskoeffizienten.
[1] + [2] Mechanische Belastungen oder anhaftende
Schmelze können die dünnen Membranen
herkömmlicher Sensoren verformen (links) oder
ganz abreißen (rechts) und damit zum Ausfall des
Fühlers führen.
Ein Stößel und die enge Toleranz des Keramikträgers
sorgen für die Befestigung
bei konstanter Kraft-Weg-Übertragung.
Mit diesem Konzept lassen sich auch flüssige
Druckübertragungsmedien wie
Quecksilber, Öl oder NaK und deren
komplizierte Befüllung vermeiden. Da der
Sensorchip auf der SOI-Technologie basiert,
kann er problemlos im Hochtemperaturbereich
eingesetzt werden“, erklärt
Dr. Ha-Duong Ngo, Leiter des Instituts
für Mikrosensorik und Aktuatortechnologie
der Technischen Universität Berlin
(TUB). Er und sein Vorgänger Dr. Ernst
Obermeier entwickelten mit ihrem Team
den Sensor gemeinsam mit Gefran. Die
Entwicklung des Sensors in rund fünf
Jahre. Dabei übernahm das Team der
TUB die Entwicklung von Design, Simulation
und Prozess des SOI-Sensorelements.
Das Unternehmen steuerte die
Entwicklung des gesamten Sensorgehäuses
bei. „Der Impact kann ohne konstruktive
Eingriffe angebracht werden und eignet
sich auch für die Nachrüstung bestehender
Anlagen“, erklärt Torsten Fuchs.
Auch der Austausch gegen bereits installierte
Massedrucksensoren ist möglich, da
der Sensor über die in der Extrusion üblichen
Druckanschlüsse und Ausgangssignale
verfügt. Weil er klein ist, eignet er
sich besonders für die punktuelle Druckmessung.
Erfahrungen aus der Praxis
Hersteller von Extrudern und Extrusionsanlagen
zur Verarbeitung von Kunst- ➜