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© Fraunhofer Komponenten | 06 Januar 2010

Drucksensoren, die nicht schwitzen

Mikroelektronische Chips, die DrĂŒcke messen, sind sehr empfindlich. Eine neue Technologie, entwickelt am Fraunhofer-Institut fĂŒr Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS, macht Drucksensoren jetzt robuster: Sie funktionieren auch noch bei Temperaturen von bis zu 250 Grad Celsius.
Dutzende von Sensoren messen unter anderem den Druck und ĂŒberprĂŒfen die PorositĂ€t, wenn sich ein Bohrkopf unter die Erde (z.B. bei der Erdölförderung) grĂ€bt. Die Bedingungen dabei sind extrem: Neben SchlĂ€gen und Vibrationen mĂŒssen die Sensoren hohen DrĂŒcken und Temperaturen standhalten. Die Sensoren senden die Daten an die OberflĂ€che. Ein Problem: Die Drucksensoren halten im Schnitt nur Temperaturen von 80 bis 125 Grad Celsius aus – doch in großen Tiefen ist es oft wesentlich heißer. Die Forscher des Fraunhofer-Institut fĂŒr Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg haben ein Drucksensorsystem entwickelt, das auch bei 250 Grad Celsius noch voll funktionsfĂ€hig ist. "Die Drucksensoren bestehen aus zwei Komponenten, die sich auf einem mikroelektronischen Chip oder Wafer befinden", erklĂ€rt Dr. Hoc Khiem Trieu, Abteilungsleiter am IMS. "Die erste Komponente ist der Sensor selbst, die zweite das EEPROM." Dieser Baustein speichert alle gemessenen Werte sowie Daten fĂŒr die Kalibrierung. Damit der Drucksensor auch unter extrem hohen Temperaturen funktioniert, haben die Entwickler den Wafer modifiziert. Normalerweise sind Wafer Scheiben aus monokristallinem Silizium. Doch in diesem Fall setzten die Wissenschaftler auf Siliziumoxid. "Die zusĂ€tzliche Oxidschicht sorgt fĂŒr eine bessere Isolation", sagt Dr. Hoc Khiem Trieu. "Sie verhindert Leckströme, die bei besonders hohen Temperaturen auftreten und dafĂŒr sorgen, dass herkömmliche Sensoren ab einer gewissen Temperatur versagen." Durch die Oxidschicht konnten die Forscher die Isolation der Speicher um drei bis vier GrĂ¶ĂŸenordnungen verbessern. Theoretisch könnten die Drucksensoren auf diese Weise bis zu 350 Grad Celsius ertragen – praktisch nachgewiesen haben die Experten eine StabilitĂ€t bis zu 250 Grad, weitere Untersuchungen bei höheren Temperaturen sollen nun folgen. Zudem analysieren die Forscher die Prototypen der Drucksensoren in Langzeittests. Das Anwendungsspektrum ist breit: Die Ingenieure wollen die Hoch-Temperatur-Drucksensoren nicht nur in der Petrochemie, sondern auch in Automotoren einsetzen oder fĂŒr die Geothermie nutzen.
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