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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
]

Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard


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ISSN
2196-7113
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Volume 83, Issue 3

Issues

Drucksensoren aus Zirkonoxid-Keramik mit hochempfindlichen Sensorschichten

Pressure sensors based on zirconia-ceramics and highly sensitive thin films

Günter Schultes
  • htw saar – Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, Sensorik und Dünnschichttechnologie, Goebenstr. 40, 66117 Saarbrücken
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/ Mario Cerino
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/ Matthäus Langosch
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/ Thomas Kuberczyk
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/ Dennis Vollberg
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/ Dirk Göttel
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/ Olivia Freitag-Weber
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/ Anne-Catherine Probst
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Published Online: 2016-02-26 | DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2015-0096

Zusammenfassung

In diesem Beitrag stellen wir ein neues Konzept zum Aufbau von resistiv arbeitenden Drucksensoren vor. Durch die Entwicklung von hochempfindlichen Funktionsschichten im Verbund mit Sensorkörpern aus der Hochleistungskeramik ZrO2 (stabilisiert mit Y2O3) entsteht ein leistungsfähiges, ausfallsicheres und kostengünstiges Sensorkonzept. Bedingt durch die naturgemäßen guten Isolationseigenschaften des keramischen Werkstoffs, in Verbindung mit einer fortschrittlichen Dünnfilmtechnologie ist ein stark vereinfachter Aufbau möglich. Die Membran benötigt keine Isolationsschicht, sie trägt lediglich eine hochempfindliche Sensorschicht, welche mit wenigen Laserschnitten zu einer Wheatstone'schen Brücke strukturiert wird. Eine sichere elektrische Verbindung wird durch Ultraschall-Bonden direkt auf der Dünnschicht realisiert, sodass keine weiteren Kontaktschichten benötigt werden. Es wird eine Aufbautechnik demonstriert, die eine Stahl-Keramik Klemmverbindung sowie die Kapselung des Drucksensors einschließt. Erste Ergebnisse von Labormustern der Drucksensoren mit einem Nenndruck von 100 bar werden präsentiert und diskutiert.

Abstract

This contribution introduces a new and advantageous set-up for resistive pressure sensors. Highly sensitive functional layers in combination with the ceramics zirconia enables the invention of a high performance, fail-proof and cost-efficient sensor concept. Membrane and sensor body are based on the ceramic material ZrO2 stabilized with Y2O3 yielding improved mechanical properties. Due to the ceramics inherent electrical insulation and the use of advanced thin film technology a simplified set-up is feasible. The membrane carries a highly sensitive layer that is structured to a Wheatstone bridge just by some laser cuts. Electrical contacts are securely bonded directly onto the sensor layer without the need for contact layers. We further demonstrate a construction and assembling technique of the complete pressure sensor including threat and housing. First results of pressure sensor samples with a nominal capacity of 100 bar are realized and discussed.

Schlagwörter: Hochempfindliche Sensorschicht; Drucksensor; ZrO2-Keramik; Laser-Strukturierung

Keywords: Highly sensitive thin film; pressure sensor; ZrO2 ceramics; zirconia; laser-based patterning

About the article

Günter Schultes

Günter Schultes hat Physik an der RWTH-Aachen studiert und wurde mit einem Beitrag zur Festkörperphysik promoviert. Nach einer etwa 10-jährigen Tätigkeit in der Sensorikindustrie ist er seit 1998 Professor an der HTW saar im Studiengang Mechatronik und Sensortechnik. Er leitet die Forschungsgruppe Sensorik und Dünnschichttechnik in der aktuelle Themen der Druck-, Kraft- und Temperatursensorik bearbeitet werden.

htw saar – Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, Goebenstr. 40, 66117 Saarbrücken, Germany

Mario Cerino

Mario Cerino schloss 2012 sein Studium als Master of Engineering im Bereich Mikrosystem und Nanotechnologie an der Fachhochschule Kaiserslautern (Standort Zweibrücken) ab. Seitdem arbeitet er in der Forschungsgruppe Sensorik und Dünnschichttechnologie als Wissenschaftlicher Mitarbeiter und beschäftigt sich sowohl mit der Anwendung als auch mit der Prozessentwicklung von hochempfindlichen granularen metall-Dünnschichten.

htw saar – Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, Sensorik und Dünnschichttechnologie, Goebenstr 40, 66117 Saarbrücken, Tel.: +49 (0)681 85787-61

Matthäus Langosch

Matthäus Langosch promovierte 2014 an der Fakultät Physik und Mechatronik der Universität des Saarlandes in Saarbrücken. Anschließend wechselte er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an die Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, um in der Forschungsgruppe Sensorik und Dünnschichttechnologie an der Entwicklung von funktionalen Dünnschichten zu arbeiten.

htw saar – Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, Sensorik und Dünnschichttechnologie, Goebenstr. 40, 66117 Saarbrücken, Tel.: +49 (0)681 85787-65

Thomas Kuberczyk

Thomas Kuberczyk schloss 1996 sein Studium als Dipl.-Ing. (FH) im Bereich Elektrotechnik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes ab. Nach einer Tätigkeit in der Industrie arbeitet er seit 1999 als Laboringenieur an der htw saar im Bereich Mechatronik/Sensortechnik und beschäftigt sich mit der Entwicklung von Sensoren.

htw saar – Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, Sensorik und Dünnschichttechnologie, Goebenstr. 40, 66117 Saarbrücken

Dennis Vollberg

Dennis Vollberg schloss 2012 sein Studium als Master of Science im Bereich Mechatronik und Sensortechnik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes ab. Seitdem arbeitet er in der Forschungsgruppe Sensorik und Dünnschichttechnologie als Wissenschaftlicher Mitarbeiter und beschäftigt sich mit der Entwicklung von Sensoren auf Basis dünner Schichten.

htw saar – Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, Sensorik und Dünnschichttechnologie, Goebenstr. 40, 66117 Saarbrücken, Tel.: +49 (0)681 85787-69

Dirk Göttel

Dirk Göttel schloss 2002 sein Studium als Diplom Ingenieur im Bereich Sensor und Feinwerktechnik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes ab. Seitdem arbeitet er in der Forschungsgruppe Sensorik und Dünnschichttechnologie als Wissenschaftlicher Mitarbeiter und beschäftigt sich mit der Entwicklung dehnungsempfindlicher Dünnschichten.

ZeMA – Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik, Sensorik und Dünnschichttechnologie, Eschberger Weg 6, Gewerbepark Gebäude 5, 66121 Saarbrücken, Tel.: +49 (0)681 85787-60

Olivia Freitag-Weber

Olivia Freitag-Weber promovierte 1992 an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken im Bereich Festkörperphysik. Seit 1993 ist sie an die Hochschule für Technik und Wirtschaft, htwsaar, und arbeitet als Dozentin und wissenschaftliche Mitarbeiterin im Labor für Dünnschichttechnologie und Sensorentwicklung mit dem Schwerpunkt in der Werkstoffanalytik.

htw saar – Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, Sensorik und Dünnschichttechnologie, Goebenstr. 40, 66117 Saarbrücken

Anne-Catherine Probst

Anne-Catherine Probst schloss 2011 ihr Promotionsstudium an der Fakultät Physik und Mechatronik der Universität des Saarlandes in Saarbrücken ab. Seit 2008 arbeitet sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes in Saarbrücken in der Forschungsgruppe Sensorik und Dünnschichttechnologie und ist an der Entwicklung dehnungsempfindlicher Dünnschichten tätig.

htw saar – Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, Sensorik und Dünnschichttechnologie, Goebenstr. 40, 66117 Saarbrücken, Tel.: +49 (0)681 85787-63


Accepted: 2015-12-08

Received: 2015-11-04

Published Online: 2016-02-26

Published in Print: 2016-03-28


Citation Information: tm - Technisches Messen, Volume 83, Issue 3, Pages 147–156, ISSN (Online) 2196-7113, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2015-0096.

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