Aufbautechnologien für piezoelektrische Sensoren bis 1000 °C

Bauelemente auf der Basis von piezoelektrischen Einkristallen besitzen das Potential, als Sensoren bei extremen Temperaturen eingesetzt zu werden. Besonders Volumenschwinger, bei denen das gesamte Sensorelement in die Schwingung einbezogen ist, scheinen vielversprechend. Materialauswahl, Konstruktion und Herstellverfahren sind für die Robustheit der Sensoren relevant. Ziel ist die Entwicklung und Prüfung einer stabilen Aufbautechnologie für piezoelektrische Sensoren bis 1000 °C. Diesbezüglich sind sowohl physikalische Größen wie elektrische und mechanische Dämpfung als auch die elektrische Leitfähigkeit in Bezug auf die Sensorfunktion zu berücksichtigen. Saphir wurde als Trägerkeramik verwendet, welche auch auf Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur untersucht wurde. Die Möglichkeiten von unterschiedlichen Platin-Metallisierungsprozessen wurden untersucht, sowie deren Eignung verbunden mit Hochtemperaturanwendungen. In der Arbeit wurde die Platinbondverbindung als Verbindungstechnik verwendet. Über Zugversuche wurde die Haftung der Bonds auf den metallischen Oberflächen genauer charakterisiert. Für keramische Verbunde zeigt Glaslot gute Verbindungseigenschaften. Der Aufbau umfasst ebenso elektrische Verbindungen, welche durch gezielte Kapazitäts- und Verlustfaktormessungen analysiert wurden. Potenzielle Einflussfaktoren auf das Sensorverhalten sind der Leitwert und die Kapazität von Saphirsubstrat, Sensorelement, Keramikgehäuse und Abstandshalter. Die ermittelten Parameter wurden in ein Ersatzschaltbild einbezogen. Die Verformung der Sensorbaugruppe wurde mithilfe der digitalen Bildkorrelation analysiert. Die Ergebnisse wurden über ein entsprechendes FE-Modell validiert. Über einen Vektor-Netzwerkanalysator konnte das Sensorsignal sowohl des Sensorelements, als auch das Signal nach dem schrittweise durchgeführten Aufbau ermittelt werden. Dies ermöglicht die Gegenüberstellung der Messwerte, woraus der Einfluss der Aufbautechnik herausgestellt wurde.