Ziel der Entwicklung
Im Rahmen neuer innovativer Konzepte zum Aufbau von speziellen Kraftsensoren basierend auf miniaturisierten, siliziumbasierten Dehnmessstreifen (Si-DMS) wurden Technologien und Systeme entwickelt, die es möglich machen, MEMS-basierte, hochempfindliche Kraftsensoren noch einfacher und flexibler an ihren Einsatzort zu bringen oder in Systeme zu integrieren, bei denen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Kraftsensors bestehen, wie beispielsweise Anwendungen von Kraftsensor-Systemen im Bereich der Schraubverbindungen in Windkraftanlagen oder innerhalb schwer zugänglicher Flansch- und Rohrverbindungen verfahrenstechnischer Anlagen oder Hydraulikkomponenten.
Diese Anforderungen bildeten die Themenschwerpunkte für die Kraftsensortechnik, welche folgende Randbedingen erfüllen mussten:
– Entwicklung einer Kraftsensor-Baugruppe (bestehend aus Si-DMS, PCB und Signalverarbeitung), welche soweit vormontiert wird, dass einzig nur noch das Fügen bzw. Ankontaktieren dieses DMS-Systems an den Prüfkörper erfolgen muss.
– universell einsetzbar an Prüfkörpern unterschiedlicher Geometrie
– keine Drahtbond-Kontaktierung am Prüf- bzw. Federkörper
– Einsatz langzeitstabiler Fügetechnologie unter Gewährleistung maximaler Signalperformance des Dehnungssensor-Bauelements – Glasfritte-Fügung
– geringe Temperaturbelastung des Prüfkörpers (partielle Erwärmung ist tolerierbar)
Durch die Verwendung der Si-DMS für Kraftsensoren und verschiedenen Prüfkörper unter den oben gesetzten Randbedingungen ergeben sich sind maßgebliche Vorteile:
– kleinere und steifere Federkörper zum Aufbau als Kraftsensor-System
– größere Messspanne
– einfachere Realisierung von Mehrkomponenten-Kraftsensoren durch die integrierte Vollbrücke
– Möglichkeit der Montage Vorort zur Analyse mechanischer Spannungen
Vorteile und Lösungen
Der bevorzugte Kraftsensor-Aufbau mit miniaturisierten, siliziumbasierten Dehnmessstreifen erfolgt vorzugsweise mit Glasfritte direkt auf den Verformungskörper (günstigerweise auf einem Edelstahl). Sollen die Si-DMS jedoch auf größere Federkörper gefügt werden, ist dieses Verfahren ungünstig. Der gesamte Verformungskörper ist zu erwärmen, was bei großen Massen zu langen Prozesszeiten führt. Besonders kritisch ist der Drahtbondprozess. Die großen Federkörper können nur mit Spezialgeräten bearbeitet werden. Genauso kritisch verhält es sich bei der Montage von Kraftsensor-Systemen an Verformungskörpern, die sehr schlecht zugänglich sind, wie beispielsweise in Windraftanlagen-Gondeln.
Die Lösung ist die Verwendung einer Montageträger-Baugruppe aus Edelstahlblech mit aufgeglastem Si-DMS.
Aufgrund entwickelten technologischen Verfahren und Optimierungen des Kraftsensor-Systems hinsichtlich Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität wurde ein serientaugliches, vormontiertes Kraftsensor-Element entwickelt. Es basiert auf einem Edelstahl-Montageträger mit geglasten Si-DMS und integrierter Elektronikschnittstelle für eine Vielzahl von Applikationen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Hauptanwendungsfeld spezieller kraftsensorischer Komponenten basierend auf Montageträgern mit integriertem siliziumbasierten Dehnmessstreifen und elektronischer Schnittstelle ist die hochempfindliche Sensorik an großen und hinsichtlich ihrer Geometrie komplexen Verformungskörpern. Hinzu kommt die kraftsensorische Messtechnik an schwer zugänglichen Orten (z. B. an Flanschverbindungen in Windkraftanlagen).
Der Markt für solche Sensorbauelemente hat sich gut entwickelt. Aktuelle Marktstudien zu diesem Anwendungsfeld versprechen ein verstärktes Wachstum in den kommenden Jahren.
Die Verwertung der Entwicklungsergebnisse erfolgt durch enge Kooperation mit Transferunternehmen. Zu den Transferunternehmen zählen insbesondere Hersteller von Sensoren und Messgeräten für die Kraft- und Druckmessung (vor allem kleine und mittlere Unternehmen) aber auch Anbieter von mechanischen Komponenten mit integrierter Informationstechnik (z. B. für Industrie 4.0-Applikationen).
Für die Nachfrage an kraftsensorischen Lösungen kann das CiS Forschungsinstitut anwendungsspezifische und hochfunktionale Sensorkomponenten entwickeln und anschließend in Kleinserie fertigen.
Übersteigt der Bedarf dieser Unternehmen die Kapazitäten des CiS Forschungsinstituts, kann ein Technologietransfer zu großen Produzenten erfolgen.
