Materialien und Prozesse für zuverlässige Aufbautechnologien von piezoelektrischen Sensorelementen bis 1000 °C

Kohler, F.; Farina, M.; Zeitouny, Z.; Wilde, J.; Schulz, M. GND; Fritze, H. GND

Bauelemente auf der Basis von piezoelektrischen Einkristallen besitzen das Potential, als Sensoren bei extremen Temperaturen eingesetzt zu werden. Besonders Volumenschwinger, bei denen das gesamte Sensorelement in die Schwingung einbezogen ist, scheinen vielversprechend. Materialauswahl, Konstruktion und Herstellverfahren sind für die Robustheit der Sensoren relevant. Ziel ist eine stabile Aufbautechnologie für Temperatur- und Drucksensoren bis 1000 °C. In Hinblick auf die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) sind sowohl physikalische Größen wie elektrische und mechanische Dämpfung als auch die elektrische Leitfähigkeit in Bezug auf die Sensorfunktion zu berücksichtigen. Im Projekt wurde Saphir als Trägerkeramik verwendet, welche auch auf Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur untersucht wurde. Dazu wurden Möglichkeiten von unterschiedlichen Platin-Metallisierungsprozessen untersucht, sowie deren Eignung für den Einsatz für Hochtemperaturanwendungen. Sowohl die Dünnschichttechnik von gesputtertem Platin auf Saphirsubstrat als auch siebgedruckte Dickfilmsubstrate wurden in dem Projektvorhaben betrachtet. Eine weitere Herausforderung ist die Zuverlässigkeit bei Temperaturen bis 1000 °C. Im Projekt wurde das Drahtbonden mit Platin als Verbindungstechnik verwendet. Über Zugversuche wurde die Haftung der Bonds auf den metallischen Oberflächen charakterisiert. Ebenso zeigen Glaslote gute Verbindungseigenschaften für Gehäuseelemente bei hohen Temperaturen. Die Anpassung dieser Materialien an die Ausdehnungskoeffizienten ihrer Fügepartner ermöglicht spannungsarme Verbunde. Im Sinne von Teilchenverbundwerkstoffen ergeben sich die resultierenden Eigenschaften glaskeramischer Lote gemäß Mischungsregeln aus den Eigenschaften der Glas- und der Kristallphasen. Über bildgebende Analyseverfahren wurde die Verbindungsqualität der Einzelkomponenten über das Glaslot genauer betrachtet. Somit umfasst die Aufbautechnik elektrische Verbindungen durch Metallisierungen und Drahtbonds, eine metallisierte Trägerkeramik und Glaslote zur Verbindung der einzelnen Komponenten. Durch die Wahl von geeigneten Materialien und Prozessen ist die systematische Entwicklung einer thermisch-mechanisch und elektrisch kompatiblen AVT möglich.

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Zitierform:

Kohler, F. / Farina, M. / Zeitouny, Z. / et al: Materialien und Prozesse für zuverlässige Aufbautechnologien von piezoelektrischen Sensorelementen bis 1000 °C. Düren 2021. Shaker.

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