Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSRobuste Sensoren für raue Umgebungsbedingungen
Sensoren, die auch bei extrem hohen Temperaturen oder in korrosiven Umgebungen zuverlässig funktionieren, sind beispielsweise für den Einsatz in der Energietechnik, wie Geothermie oder Turbinenanwendungen, oder in der Chemietechnik gefragt. Acht Fraunhofer-Institute haben in einem Gemeinschaftsprojekt eine Technologieplattform für die Realisierung geeigneter robuster Sensorsysteme entwickelt. Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) brachte dabei seine Kompetenzen in der Werkstoffanalytik ein und entwickelte neue Möglichkeiten zur Materialcharakterisierung im Hochtemperaturbereich.
Leistungsfähige Sensoren sind für das effiziente Betreiben von Prozessen und Anlagen ebenso wichtig wie für die frühzeitige Fehlererkennung und Qualitätssicherung.
Sie überwachen Zustandsparameter wie Temperaturen und Drücke während des Betriebs und ermöglichen so eine energieeffiziente Regelung der Prozessführung oder erkennen ungewöhnliche Betriebsbedingungen, die auf Fehler hinweisen können.
So essentiell ihre Bedeutung für viele Industriebereiche bereits ist, so groß ist die Herausforderung für eine zuverlässige Anwendungen in extrem rauen Umgebungen, wie dem Inneren von Kraftwerks- oder Flugzeugturbinen oder geothermalen Bohrlöchern, wo hohe Temperaturen und Drücke herrschen und aggressive Gase und Flüssigkeiten sowie Schmutz den Sensoren zusetzen können. Herkömmliche Bauteile und Materialien sind für den Einsatz in solchen Bereichen nicht geeignet. Acht Fraunhofer-Institute haben deshalb ihre Kompetenzen gebündelt, um besonders robuste Sensoren unter Verwendung neuer Technologiekonzepte für extrem raue Umgebungen zu entwickeln. Im Ergebnis entstanden zwei Demonstratoren – einer für den Einsatz in Triebwerken/Turbinen und einer für Bohrungen zur Geothermie.
Für die Bewertung der eingesetzten Werkstoffe, etwa besonders hitzebeständiger Keramiken oder speziell angepasster Elektronikmaterialien, war im Projekt das Fraunhofer IMWS verantwortlich. Um ihre Anwendbarkeit zu testen, wurden beispielsweise Zuverlässigkeitseigenschaften wie kritische thermo-mechanische Belastungen, Verschleißfestigkeiten, die Anfälligkeit für Rissbildungen oder Korrosionen untersucht, jeweils bei sehr hohen Temperaturen oder Druckbelastungen. Ein weiterer Schwerpunkt war die Parameterermittlung unter diesen Bedingungen für eine Zuverlässigkeitsbewertung mittels Simulationsmodellen oder für das Verständnis von möglichen Versagensmechanismen unter Verwendung hochauflösender Fehleranalytik.
»Um das möglich zu machen, haben wir zahlreiche Diagnostikverfahren auf die relevanten Materialsysteme angepasst und auch neue Prüfmethoden und Versuchsaufbauten entwickelt«, sagt Falk Naumann, der das Teilprojekt am Fraunhofer IMWS geleitet hat. Die Erkenntnisse aus dem Projekt stellt das Institut nun seinen Kunden für ähnliche Fragestellungen für die Hochtemperatur-Materialcharakterisierung von Elektronikkomponenten und weiteren Materialsystemen zur Verfügung.
Dazu zählen mikromechanische Prüfmethoden bis 500°C (Zug-, Druck- und Biegeversuche) ebenso wie die temperaturabhängige Charakterisierung von dünnen Schichten mit Verfahren der Eindringprüfung mittels Nano-Indentation, zerstörungsfreie in-situ-Röntgenanalyse für 2D- und 3D-Abbildungen oder angepasste Lösungen für die dazu jeweils benötigte Probenpräparation, beispielsweise durch ionen- und laserbasierte Routinen zur hochauflösenden Fehleranalytik im Transmissionselektronenmikroskop.
Das Fraunhofer IMWS unterstützte im Projekt somit bei der Auswahl und Identifikation geeigneter Materialien für den Einsatz von Sensoren in rauer Umgebung und bei der Zuverlässigkeitssimulation, indem die notwendigen Material- und Schädigungskenndaten für ausgewählte Werkstoffe bereitgestellt wurden. »Insgesamt konnten wir ein vertieftes Verständnis der Fehlermechanismen an den keramischen Schaltungsträgern sowie Verbindungs- und Gehäusematerialien gewinnen, das nun vielfältig genutzt werden kann, etwa für eine Designoptimierung oder Stresstests der Lebensdauer bei der Entwicklung neuer elektronischer Komponenten«, so Naumann.
So konnte das Forscherteam aus Halle (Saale) zum Gelingen des Gesamtprojekts beitragen. Die als Demonstrator entwickelten Sensorelemente für Druck- oder Temperaturmessungen in Turbinen oder Geothermie-Anwendungen kombinieren dabei sowohl Sensor- als auch Auswerteelektronik. Das sorgt für eine höhere Stabilität und geringere Störanfälligkeit der Sensorsignale sowie eine verbesserte Integration der Sensorelemente. Durch eine definierte Abstimmung der Eigenschaften der Gehäusematerialien, der Verbindungs- und Sensorelemente können die keramischen Sensoren bei Temperaturen von 500°C und einem Druck von bis zu 200 Bar eingesetzt werden. Das elektronische Innenleben ist hierbei für rund 300°C ausgelegt.