So essenziell die Bedeutung von robusten Sensoren für viele Industriebereiche ist, so groß ist die Herausforderung für eine zuverlässige Anwendung in extrem rauen Umgebungen. Im Inneren von Turbinen oder geothermalen Bohrlöchern etwa herrschen hohe Temperaturen und Drücke; aggressive Gase, Flüssigkeiten sowie Schmutz setzen Sensoren zu.
Acht Fraunhofer-Institute haben deshalb ihre Kompetenzen gebündelt, um besonders robuste Sensoren unter Verwendung neuer Technologiekonzepte zu entwickeln. Als Ergebnis entstanden zwei Demonstratoren – einer für den Einsatz in Triebwerken/Turbinen und einer für Bohrungen zur Geothermie.
Neue Prüfmethoden für Belastungstests
Für die Bewertung der eingesetzten Werkstoffe, etwa besonders hitzebeständiger Keramiken oder speziell angepasster Elektronikmaterialien, war das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS zuständig. Die Forscher untersuchten unter anderem Zuverlässigkeitseigenschaften wie kritische thermomechanische Belastungen, Verschleißfestigkeiten, die Anfälligkeit für Rissbildungen oder Korrosionen, alles bei sehr hohen Temperaturen oder Druckbelastungen. Ein weiterer Schwerpunkt war die Parameterermittlung unter diesen Bedingungen. Sie diente der Zuverlässigkeitsbewertung mittels Simulationsmodellen sowie dem Verständnis von möglichen Versagensmechanismen unter Verwendung hochauflösender Fehleranalytik.
„Um das möglich zu machen, haben wir zahlreiche Diagnostikverfahren auf die relevanten Materialsysteme angepasst und auch neue Prüfmethoden und Versuchsaufbauten entwickelt“, berichtet Falk Naumann, der das Teilprojekt am Fraunhofer IMWS geleitet hat. Die Erkenntnisse stellt das Institut nun seinen Kunden für ähnliche Fragestellungen für die Hochtemperatur-Materialcharakterisierung von Elektronikkomponenten und weiteren Materialsystemen zur Verfügung.
Dazu zählen mikromechanische Prüfmethoden bis 500 °C (Zug-, Druck- und Biegeversuche) ebenso wie die temperaturabhängige Charakterisierung dünner Schichten mit Verfahren der Eindringprüfung mittels Nano-Indentation, zerstörungsfreie In-situ-Röntgenanalyse für 2D- und 3D-Abbildungen. Auch bei angepassten Lösungen für die dazu jeweils benötigte Probenpräparation, beispielsweise durch ionen- und laserbasierte Routinen zur hochauflösenden Fehleranalytik im Transmissionselektronenmikroskop, können die Ergebnisse hilfreich sein.
„Insgesamt konnten wir ein vertieftes Verständnis der Fehlermechanismen an den keramischen Schaltungsträgern sowie Verbindungs- und Gehäusematerialien gewinnen, das nun vielfältig genutzt werden kann, etwa für eine Designoptimierung oder Stresstests der Lebensdauer bei der Entwicklung neuer elektronischer Komponenten“, sagt Naumann.
Für 500 °C und 200 bar geeignet
Die als Demonstrator entwickelten Sensorelemente für Druck- oder Temperaturmessungen in Turbinen und Geothermie-Anwendungen kombinieren sowohl Sensor- als auch Auswerteelektronik. Das soll für eine höhere Stabilität und geringere Störanfälligkeit der Sensorsignale sorgen und die Integration der Sensorelemente verbessern.
Durch eine definierte Abstimmung der Eigenschaften der Gehäusematerialien, Verbindungs- und Sensorelemente können die keramischen Sensoren bei Temperaturen von 500 °C und einem Druck von bis zu 200 bar eingesetzt werden. Das elektronische Innenleben ist für rund 300 °C ausgelegt.
