Aufbautechnologien für piezoelektrische Sensoren bis 1000 °C

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Fritze; Professor Dr.-Ing. Jürgen Wilde
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420186236

Piezoelektrische Einkristalle können in Form von Resonatoren prinzipiell bei Temperaturen bis mindestens 1000 °C zur Messung von Temperatur, Druck oder Gaszusammensetzung eingesetzt werden. Entsprechende Sensorsysteme müssen dabei eine ausreichende Funktionalität und Zuverlässigkeit aufweisen, was robuste Aufbautechnologien der Gehäuse für die Sensorelemente erfordert. Bisher sind für Temperaturen bis 1000 °C keine Aufbautechnologien verfügbar, so dass das übergreifende Ziel des Vorhabens die Schaffung der materialwissenschaftlichen Grundlagen und Systemkonzepte ist.Im Rahmen des Vorhabens soll ein auf elementare Funktionen reduzierter resonanter Sensor in ein Gehäuse integriert werden, so dass grundlagennahe Untersuchungen zum Einfluss der eingesetzten Materialien, des Aufbaus und der Fertigungsverfahren auf dessen Funktion und Langzeitstabilität bei Temperaturen bis 1000 °C erfolgen können. Zunächst sollen die sensorischen Funktionen mit Hilfe elektrischer und thermomechanischer Modelle beschrieben und Schluss¬folgerungen zur Modellierung wesentlicher Merkmale wie Signalübertragung und thermomechanische Spannungen abgeleitet werden. Als Basistechnologien müssen Verbundsubstrate, glaskeramische Lote und Verbindungstechnologien erforscht und zum Aufbau des Sensors mit Gehäuse genutzt werden. Dazu erfolgt eine eingehende Untersuchung der Materialverbunde. Die Ermittlung von Interdiffusionsprozessen zwischen den verschiedenen Materialien soll beispielsweise Aussagen zur Stabilität und Degradationskinetik erlauben und als Basis für Verbesserungsmaßnahmen dienen. Zugleich müssen Fragen zu Hermetizität und Schädigungsmechanismen beantwortet werden. Als Modellsensor eignen sich Resonatoren aus CTGS (Ca3TaGa3Si2O14), die als Volumenschwinger betrieben werden. Die Stabilität dieser Sensorelemente ist bis 1000 °C gegeben, so dass sie einen geeigneten Ausgangspunkt zur Untersuchung des Gehäuseeinflusses bilden. Dabei soll zunächst die Temperaturabhängigkeit der Frequenz als Sensorsignal genutzt werden. Eine wissenschaftliche Herausforderung liegt dabei erstens in der Darstellung eines geeigneten Modellsystems selbst und zweitens in dessen Untersuchung, Modellierung und Validierung.Das Arbeitsprogramm umfasst gemeinsame Pakete zur Konzeptionierung des Gesamtsystems, zur Herstellung der Sensorelemente und zum Aufbau des Gesamtsystems. An der Uni Freiburg werden die Keramikgehäuse realisiert. Letzteres umfasst Bauteilbearbeitung, Metallisierung und die Kontaktierungs- und Fügetechnik. Die Präparation und Charakterisierung der Sensoren bei Temperaturen bis 1000 °C wird von der TU Clausthal übernommen. Basierend hierauf trägt die Uni Freiburg federführend zur funktionalen Modellierung und Physics-of-failure-Analysen bei. Weiterhin werden an der TU Clausthal das Sensorverhalten und die Grenzflächen der Materialverbunde untersucht und so Aussagen zur thermomechanischen Stabilität gewonnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen