Drucksensor Hochtemperatur-Sensor aus Silizium-Carbid bis 600 °C

Einen speziellen Hochtemperatur-Sensor haben Forscher aus Silizium-Carbid (SiC) aufgebaut. Damit sollen sich nicht nur Temperaturen in Brennkammern überwachen lassen. Perspektivisch soll der Sensor auch in der E-Mobilität eingesetzt werden können.

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Konventionelle Sensoren versagen bei einer Umgebungstemperatur von 300 °C. Forscher des Fraunhofer IZM haben einen Sensor entwickelt, der auch bei doppelt so hohen Temperaturen sicher arbeitet. Mittels präziser Ätzvorgänge machten sie Silizium-Carbid für den Aufbau eines robusten Sensors nutzbar. Durch die Druckmessungen in extrem rauen Umgebungen lassen sich beispielsweise Verbrennungsprozesse in Flugzeugturbinen kontrollieren und damit der Kerosinverbrauch senken.

Seit der Entwicklung der Turbinen-Stahltriebwerke Mitte des 20. Jahrhunderts sind Objekte mit hoher Leistung und Schubkraft in der Luft. Die Funktionsweise: Mittels einer Gasturbine und der Rückstoßwirkung des Luft- sowie Abgasstroms wird hohe Schubkraft erzeugt und der Flugkörper angetrieben. Was von außen nicht sichtbar ist: Durch die starke Kompression der angesogenen Luft herrscht in der Flugzeugturbine enormer Druck und die Temperaturen steigen schon beim Eintritt in die Brennkammer auf bis zu 600 °C.

Bei Raumfahrtapplikationen ist die Umgebung noch rauer. Um Sicherheit in der Luft- und Raumfahrt zu gewährleisten und die Verhältnisse während der Nutzung kontrollieren zu können, werden Sensoren eingesetzt. Sie müssen jedoch speziellen Anforderungen entsprechen: Zusätzlich zur Genauigkeit und Sensibilität müssen sie zuverlässig sein und den extrem korrosiven Umgebungsbedingungen standhalten.

Sensoren aus Silizium-Carbid

Forscher des Fraunhofer IZM aus Berlin haben einen Hochtemperatur-Sensor entwickelt und aufgebaut, der genau für die rauen Umgebungsbedingungen ausgelegt ist. Zum Einsatz kommt Silizium-Carbid (SiC), denn das Material ist für den Aufbau von Drucksensoren hinsichtlich der Robustheit gut geeignet. Herkömmliche Silizium-Sensoren sind für Anwendungen dieser Art unvorstellbar, denn diese geraten schon bei 150° C an ihre Belastungsgrenze.

Sensoren, die auf der sogenannten SOI-Technologie (Silicon on Insulator) basieren, schneiden besser ab, jedoch beginnt auch hier bei Temperaturen über 400 °C in Kombination mit mechanischer Belastung eine plastische Deformation, was die Messgenauigkeit ungünstig beeinflusst.

Robust und thermisch stabil bis 600 °C

Die neue Generation der Hochtemperatur-Sensoren auf SiC aufzubauen, bietet klare Vorteile: Das Material ist extrem robust, thermisch stabil und reagiert kaum auf chemische Einflüsse. Zudem erlaubt die hohe Bandbreite des Materials eine Nutzung bei Temperaturen bis zu 600 °C. Allerdings ist „Silizium-Carbid Fluch und Segen zugleich: Die einzigartige Festigkeit und Beständigkeit des Materials sind vielversprechend für elektronische Komponenten. Genau diese Eigenschaften machen es aber auch extrem schwierig, das SiC zu bearbeiten“, sagt Wissenschaftler Piotr Mackowiak vom Fraunhofer IZM.

Das Hauptproblem für die Entwickler war es, in einem Halbleiterprozess einen winzigen stabilen Grundkörper auf einer dünnen Membran aufzubauen. Dafür verwendeten sie einen zweifachen, schnellen Ätzprozess. Dieser ätzt das Silizium-Carbid mit einer Geschwindigkeit von vier Mikrometern pro Minute auf, was dem 8-fachen der gängigen Raten entspricht und damit für hochvolumige Fertigungsdurchsätze interessant ist.

Luft- und Raumfahrt und E-Mobilität

Mit dem Hochtemperatur-Sensor lässt sich das Verhältnis des Luft-Brennstoff-Gemischs anpassen und die Verbrennung optimieren. Kleine Änderungen des Designs erlauben es, die Messgrößen zu variieren, wodurch der Sensor nicht nur für die Luft- und Raumfahrt, sondern auch in der E-Mobilität oder für Messungen bei Tiefenbohrungen eingesetzt werden kann.

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