Anorganische, dielektrische Kompositwerkstoffe als sensitive Elemente für chiplose Mikrowellen-RFID-Sensoren zur drahtlosen Hochtemperaturmessung

• Antragsteller: Dr. Joachim Rudolf Binder; Professor Dr.-Ing. Rolf Jakoby
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 353490693

Temperaturmessungen sind essentieller Bestandteil automatischer Steuerung und Regelung industrieller Prozesse. Speziell die Überwachung von Hochtemperaturprozessen benötigt Hochtemperatursensorik bis 1000 °C und darüber hinaus. Zudem ist eine drahtlose Messung oftmals vorteilhaft oder unumgänglich. Es existieren mehrere Möglichkeiten zur drahtlosen Temperaturmessung, z.B. Infrarotthermometer oder SAW-Temperatursensoren. Die meisten Verfahren nutzen jedoch kein Sensorelement, das in der Hochtemperaturumgebung verbleibt und damit eine höhere Messgenauigkeit und einen Betrieb ohne direkte Sichtverbindung ermöglicht. Verfahren, die solche Sensorelemente nutzen, weisen eine geringere maximale Temperatur oder Verweildauer in der Hochtemperaturumgebung auf. Die chiplose drahtlose Sensorik ist ein vielversprechender Ansatz zum Überwinden dieser Einschränkungen, und es sind Sensoren realisierbar, die sogar durch dicke dielektrische Temperaturabschirmungen hindurch drahtlos auslesbar sind. Speziell der Einsatz dielektrischer Resonatoren (DR) hat sich als extrem zuverlässig und vielseitig herausgestellt. Die Zusammenhänge bei dem Design entsprechender Systeme sind jedoch noch weitgehend unbekannt, da sich die Forschung in diesem Bereich bisher auf verfügbare Materialien beschränkt und weder im elektromagnetischen noch im materialwissenschaftlichen Bereich Optimierung von Sensorelement und System vorangetrieben wird. Daher werden in dem beantragten Projekt anorganische Komposite und neue elektromagnetische Resonatorstrukturen untersucht, um eine hohe Anzahl an Freiheitsgraden für das Sensorsystemdesign bereitzustellen.Zentrale Idee des Projekts ist das Design von DR aus geschichteten Dielektrika. Eine Schichtung aus verlustarmen Materialien geringer Permittivität und ohne merkliche Temperaturabhängigkeit und hochpermittiven, stark temperaturabhängigen Materialien niedriger Güte ermöglicht eine Vielzahl unterschiedlicher Optimierungsmöglichkeiten, beispielsweise für Sensoren mit großem Temperaturbereich und moderater Genauigkeit oder hochgenaue Sensoren mit einem kleinen Temperaturfenster. Zunächst wird der neue geschichtete DR-Ansatz jedoch mit bekannten Materialien und bei geringen Temperaturen verifiziert. In einem zweiten Schritt findet der Transfer zu hohen Temperaturen mittels der neuen Komposite statt. Letztendlich sind für die Realisierung von vollintegrierten RFID-Hochtemperatursensoren sowohl temperaturunabhängige als auch anpassbare temperaturabhängige Materialien vonnöten. Während die Anwendung von geschichteten DR die Hauptmotivation für das Projekt darstellt, kann dieser Ansatz auch zur elektromagnetischen Charakterisierung bei extrem hohen Temperaturen eingesetzt werden. Damit ergeben sich sowohl eine neue Charakterisierungsmethode als auch erste Charakterisierungsdaten für die neuen Materialien. Die Erforschung einer neuen, modellbasierten Charakterisierungsmethode basierend auf geschichteten DR ist daher eine weitere Aufgabe des Projekts.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen