Dünnschicht versus Dickschicht versus Silizium – Maschinenhersteller können aus einer Vielzahl von Sensorvarianten für die Erfassung von Druck in ihrem System oder in der Umgebung wählen. Doch welche Technologie ist am besten für welche Anwendung geeignet? Ein Vergleich zwischen der Dünnschichttechnologie und weiteren üblichen Verfahren.
Inhaltsverzeichnis
1. Was ist Dünnschichttechnologie?
2. Alternativen zur Dünnschichttechnologie
3. Vorteile der Dünnschichttechnologie
4. Sensortechnologie für Wasserstoffanwendungen
Mit Dünnschichttechnologie werden in der Elektronik solche Bearbeitungsverfahren bezeichnet, bei denen Kleinstmaterialien mit einer Größe von 1 μm oder kleiner auf ein Trägermaterial (Substrat) aufgebracht und anschließend bearbeitet werden. Hierbei wird zwischen einzelnen Verfahren unterschieden, etwa der physikalischen Gasphasenabscheidung, der chemischen Gasphasenabscheidung oder der Sputter-Beschichtung.
Was ist Dünnschichttechnologie?
Die Dünnschichttechnologie ist keine neue Entwicklung, die Prozesse zur Herstellung dünnster Schichten sind seit Jahrzehnten bekannt und insbesondere in der Halbleiterfertigung im Einsatz. Für die Sensorentwicklung und -produktion bietet dieses Verfahren den großen Vorteil, dass die Schichten unlösbar mit dem Substrat verbunden werden. Sensoren, die auf Dünnschichttechnologie basieren, sind somit hoch konstant in ihrer Messgenauigkeit und robust gegen Störeinflüsse. In Dünnschicht gefertigte Sensoren können eine Vielzahl von Messgrößen erfassen, etwa Temperatur, Verformung, Kräfte oder auch die Lichtintensität. Neben den bereits genannten bieten derart prozessierte Messfühler jedoch noch weitere Vorteile für den Maschinenhersteller als auch -betreiber, insbesondere in der Druckmessung. Doch inwiefern unterscheiden sie sich zu den Alternativen?
Alternativen zur Dünnschichttechnologie
Silizium-Messzelle
Druckfühler, die auf Silizium-Wafer setzen, haben einen großen Vorteil: Sie sind günstig herzustellen. Die Wafer werden lediglich mit dem Träger verklebt und gebondet, somit sind sie recht einfach zu bearbeiten. Der große Nachteil liegt in der mangelhaften Medienkompatibilität und dem geringen Maximaldruck. Daher eignen sie sich vorrangig für den Einsatz in weniger herausfordernden Applikationen, etwa zur Luftdrucküberwachung.
Silizium-Messzelle mit Edelstahlmembran
Robuster sind Silizium-Messzellen mit Edelstahlvorlage. In diesem Fall ist die Messzelle über eine Keramik und Ölfüllung vor äußeren Einflüssen geschützt. Die Edelstahlmembran komprimiert bei Druckveränderung das Öl, was sich auf den Sensor überträgt. Dadurch bieten diese Varianten eine verbesserte Medienkompatibilität bei gleichzeitiger Eignung zur Erfassung kleinster Drücke im mbar-Bereich bis hin zu Maximaldrücken von bis zu 1000 bar.
Durch die komplexe Keramikkonstruktion und die notwendige Ölbefüllung sind sie jedoch deutlich anspruchsvoller in der Fertigung, und damit hochpreisiger. Das Keramik-Material macht diese Sensoren zudem wenig temperaturresistent, bei Kleinstdrücken kann die Einbaurichtung und damit die Lage des Öls bereits zur Verfälschung der Messwerte führen. Die empfindliche Membran macht sie zudem anfällig für Beschädigung selbst bei minimaler Manipulation. Insgesamt baut diese Variante mit relativ großem Durchmesser auf.
Keramik-Dickschicht-Messzelle
Beim Dickschichtverfahren werden die Widerstände auf den Keramikträger aufgedruckt. Auch diese Sensorvariante erfordert durch den Lötprozess in der Fertigung jedoch einiges an Knowhow, um die Keramik nicht durch die große Hitze zu beschädigen. Die notwendige Abdichtung und Lagerung kann bei diesem Sensortyp zudem zu Problemen führen. Durch Verspannen in Folge der Klemmmontage kann sich beispielsweise die Kraftaufnahme der Messzelle ändern und somit die Messergebnisse verfälschen. Dies kann durch eine schwimmende Lagerung umgangen werden, was jedoch mit einer aufwändigeren Montage und somit höheren Kosten einhergeht. Der Dichtring schränkt darüber hinaus die Medienverträglichkeit ein. Keramikmesszellen haben zusätzlich den Nachteil, dass der Berstdruck und der Überlastdruck in einem sehr engen Fenster liegen und es somit schnell zu Sensorausfällen und -beschädigungen kommen kann. Auch diese Variante ist vergleichsweise bauraumintensiv.
Vorteile der Dünnschichttechnologie
Drucksensoren in Dünnschichttechnologie können auf beliebige Träger aufgebracht werden, egal, ob Silizium, Keramik oder Edelstahl. Die Dünnschichten werden untrennbar im Rahmen des Prozesses mit dem Trägermaterial verbunden. Dadurch ist eine optimale Medienkompatibilität und eine sehr große Robustheit gewährleistet. Die Sensoren bauen sehr viel kleiner auf als die genannten Alternativen.
Um diese Vorteile zu nutzen, benötigt der Sensorikhersteller jedoch großes Fertigungsknowhow in-house. Es sind sowohl Schweiß- als auch Wire-Bonding-Expertise nötig. STW verfügt seit mehr als 30 Jahren über Erfahrung in der Dünnschichttechnologie zur Herstellung von Messzellen für anspruchsvolle Sensorik. Die Experten aus Kaufbeuren verwenden als Trägermaterial bevorzugt Federstähle in Edelstahlausführung, um die notwendige Dehnung abbilden zu können. Diese ermöglichen eine optimale Medienverträglichkeit und sind besonders verarbeitungsfreundlich, insbesondere hinsichtlich des Schweißprozesses. Je nach Kundenwunsch lassen sich weitere Metalle, beispielsweise Titan, als Trägermaterial verwenden.
Die Dünnschichtmesszellen auf Edelstahl liefern eine langzeitstabile Messung und sind sehr temperaturresistent. In Verbindung mit der mechanischen Robustheit sind sie somit die beste Wahl für herausfordernde Anwendungen – entweder in Verbindung mit anspruchsvollen Medien oder unter widrigen Umgebungsbedingungen.
Sensortechnologie für Wasserstoffanwendungen
Zu diesen hoch anspruchsvollen Medien gehört auch Wasserstoff. Wasserstoff spielt eine wichtige Rolle in der Energiewende: entweder als umweltschonender Kraftstoff für Fahrzeuge auf Brennstoffzellenbasis oder auch als Energiespeichermedium oder Industriegas in der Prozessindustrie. Die Nachfrage nach zuverlässigen und vor allem robusten Drucksensoren für diese Anwendungen steigt dementsprechend stetig. Denn Wasserstoff ist eines der anspruchsvollsten Materialien in der Sensorkonstruktion. Ohne Gegenmaßnahmen kann das Gas in und durch Materialien, einschließlich Metalle, diffundieren, wodurch die Genauigkeit der Sensoren allmählich nachlassen und es zu Fehlfunktionen kommen kann. Gleichzeitig kann das Eindringen von Wasserstoff in ein Material zu dessen Versprödung und einer Beeinträchtigung seiner strukturellen Integrität führen. Dieser Umstand kann zu sicherheitskritischen Situation führen.
Für die Messung des Drucks in Wasserstoff hat STW daher verstärkte Dünnschicht-Messzellen-Designs mit widerstandsfähigen, aber hochempfindlichen Funktionsschichten entwickelt, die diese Herausforderungen meistern. Sie messen hochpräzise und hochauflösend Drücke bis zu 3000 bar. (eve)
Messe Sensor + Test 2024: Halle 1, Stand 508
Hier finden Sie mehr über:
