Ziel der Entwicklung
In modernen, hochpräzisen Druckmessgeräten gibt es den Trend zur Miniaturisierung. Durch diesen Trend sparen die Geräte Bauraum, gewinnen an Dynamik und senken sowohl Anschaffungs- als auch Installationskosten. Miniaturisierte Messzellen benötigen jedoch wie ihre konventionell aufgebauten Pendants ebenso hohe Überlastfestigkeiten. Viele Lösungen zur Realisierung einer hohen Überlastfestigkeit lassen sich bei solchen zu bevorzugenden Miniaturaufbauten leider nur schwieriger integrieren als in konventionellen Aufbauten. Es werden daher dringend Primärsensoren benötigt, die die Überlastfestigkeit bereits beidseitig integriert haben. Ein solcher Sensor bietet den Anwendern einen deutlichen Mehrwert gegenüber bisher verfügbaren Sensoren. Der Aufbau von Messzellen für Differenzdruckanwendungen könnte sich damit wesentlich vereinfachen. Das Ziel des Projekts war daher, einen Überlastschutz direkt in Primärsensoren zu integrieren, ohne die Performance der Sensoren in signifikanten Punkten zu verschlechtern.
Vorteile und Lösungen
Die innerhalb des Projekts entwickelten Drucksensoren besitzen eine nachgewiesene minimale Berstfestigkeit von 200bar, bei einem Nenndruckbereich von 0,01bar. Je nach Lastfall sind bei geringen Ausfallraten auch Sensoren bis zu einem Maximaldruck von 400bar getestet worden. Die bisherigen Sensoren waren hingegen je nach Ausführungsvariante von 2 - 5bar einsetzbar. Nun kann der Einsatzbereich deutlich erweitert oder der Aufbauaufwand erheblich gesenkt werden. Die extrem hohen erreichten Überlastfestigkeiten machen teilweise den Wegfall des gesamten messzellenseitigen Überlastschutzes möglich oder erlauben mit einem solchen Schutz exorbitante Überlastfestigkeiten. Die elektrischen Parameter der Sensoren konnten, verglichen mit den Sensoren ohne Überlastschutz, gehalten werden. Durch den Wegfall der messzellenseitigen Aufbauten zur Steigerung des Berstdrucks des Systems lassen sich eine bessere Dynamik, Präzision und Reproduzierbarkeit der Messzelle erreichen. Die ursprüngliche Zielsetzung, die Steigerung des Berstdruckes eines Sensors mit dem Nenndruck von <50mbar auf 100bar, wurde deutlich übertroffen. Innerhalb des Projektes wurde eine Steigerung des Berstdrucks von Sensoren mit dem Nenndruck von 10mbar auf sicher 200bar beziehungsweise mit einer Ausfallquote von aktuell 4 Prozent auf 400bar erreicht. Hierzu ist zu bemerken, dass kleinere Nenndrücke üblicherweise auch kleinere absolute Berstfestigkeiten nach sich ziehen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Das CiS vermarktet die entstandenen Sensoren direkt und bietet diese, Messzellenfertigern als Basis für eigene Anpassungsentwicklungen an. Mit diesen piezoresistiven Sensoren ist es möglich, die Leistung der bereits angebotenen Niederdrucksensoren zu übertreffen und somit Marktanteile zu akquirieren. In den vergangenen Jahren war immer stärker der Trend zur Miniaturisierung, auch in den Hochpräzisionsanwendungen wie der Prozessmesstechnik, zu erkennen.
In der Lebensmittelindustrie und in pharmazeutischen Produktionsbetrieben werden in medienführenden Systemen turnusmäßig Dampfsterilisationszyklen durchgeführt, die zu hohen Druckstößen führen können. Solche Druckstöße sind auch bei Schaltvorgängen oder beim Anfahren von Pumpen möglich. Um diese Märkte zu bedienen, wird bei den Messtechnikherstellern, welche die Drucksensoren verarbeiten, ein kostenintensiver Aufwand betrieben, um die Überlastfestigkeit der Systeme sicherzustellen bzw. weiter zu steigern.
Das Ziel des Projekts war es daher, einen Überlastschutz bereits direkt in Drucksensoren zu integrieren, ohne die Performance der Sensoren in signifikanten Punkten zu verschlechtern. Der sich für die Kunden des CiS ergebende Nutzen, besteht in der Einsparung oder zumindest deutlichen Reduzierung von systemseitigen Überlastschutzsystemen. Dies bedeutet ein hohes Kosteneinsparpotenzial und verspricht zudem auch hinsichtlich Miniaturisierung Wettbewerbsvorteile.
Die erarbeiteten Herstellungsverfahren fließen in die Entwicklung und Fertigung neuer MEMS und MOEMS Bauteile ein. Beispielsweise werden sie in der Entwicklung eines Infrarot Interferometers angewendet. Der innerhalb des Projekts entwickelte 10mbar Sensor führte bereits mit zur Akquise eines Industrie-FuE-Projekts und wird darin für beidseitig nicht mediengetrennte Anwendungen weiterentwickelt.
