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Piezoresistiver Drucksensor für Nenndrücke bis 500 bar mit Gel als Koppelmedium und galvanisch erzeugter Gelabdeckung

Schlosser, Michael (2006):
Piezoresistiver Drucksensor für Nenndrücke bis 500 bar mit Gel als Koppelmedium und galvanisch erzeugter Gelabdeckung.
Technische Universität Darmstadt, [Diploma Thesis or Magisterarbeit]

Abstract

Zusammenfassung:

In dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit galvanisch erzeugter Trennmembran und Gel als Druckmittler entwickelt und die Sensoren wurden aufgebaut. Dieser Sensoraufbau ermöglicht es, sehr kostengünstig medienresistente Drucksensoren auf piezoresistiver Basis aufzubauen. Um eine Langzeitstabilität des Sensors zu gewährleisten, muss das Gehäuse hermetischdicht sein, was durch die galvanische Abscheidung einer Nickelmembran gegeben ist. Als Füllmedium ist ein Silikongel eingesetzt, das über einen weiten Temperaturbereich günstiges Verhalten aufweist.

Das Gehäuse und der Membranträger sind geometrisch einfach ausgelegt, um die hohe Volumenänderung des verwendeten Silikongels direkt über die Membran kompensieren zu können und die Herstellungskosten zu minimieren.

Die Grundlage zur Auslegung des Gehäuses und der Membran bildet die analytische Betrachtung der Membran über Plattengleichungen. Zur Optimierung der geometrischen Verhältnisse des Sensors ist eine FEM-Simulation mit Ansys durchgeführt und der genaue Verlauf der mechanischen Spannungen in der Membran ermittelt.

Um die Trennmembran auf das nichtleitfähige Silikongel galvanisch abscheiden zu können, ist eine elektrisch leitfähige Grundschicht aus Silberleitpulver mit einem Haarpinsel aufgebracht. Es ist keine Vor- oder Nachbehandlung nötig und die Membran kann direkt galvanisch abgeschieden werden. Der zur Herstellung des Sensors nötige Primärsensor ist von dem Kooperationspartner ETO-Sensoric in zwei Varianten aufgebaut. Er besteht aus einem Keramiksubstrat, auf dem ein piezoresistives Messelement (max. 12 bar) aufgeklebt und mit Bonddrähten kontaktiert ist. Eine Variante des Primärsensors ist mit einer Leitfläche versehen. Hierauf ist ein Aufbau mit kugelförmiger Membran realisiert.

Zwei weitere Varianten verfügen über einen runden Membranträger auf Edelstahl, der auf das Keramiksubstrat aufgeklebt ist. Bei der einen Variante ist die Innenseite des Membranträgers angeschägt, um das Innenvolumen zu reduzieren und die Belastung der Membranänder zu minimieren. Die dritte Variante weist senkrechte Seitenwände auf.

Die Varianten sind messtechnisch in einem Druckbereich bis ca. 5 bar charakterisiert. Die Auswirkungen der Membran auf das Sensorverhalten sind als gering ermittelt.

Item Type: Diploma Thesis or Magisterarbeit
Erschienen: 2006
Creators: Schlosser, Michael
Title: Piezoresistiver Drucksensor für Nenndrücke bis 500 bar mit Gel als Koppelmedium und galvanisch erzeugter Gelabdeckung
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

In dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit galvanisch erzeugter Trennmembran und Gel als Druckmittler entwickelt und die Sensoren wurden aufgebaut. Dieser Sensoraufbau ermöglicht es, sehr kostengünstig medienresistente Drucksensoren auf piezoresistiver Basis aufzubauen. Um eine Langzeitstabilität des Sensors zu gewährleisten, muss das Gehäuse hermetischdicht sein, was durch die galvanische Abscheidung einer Nickelmembran gegeben ist. Als Füllmedium ist ein Silikongel eingesetzt, das über einen weiten Temperaturbereich günstiges Verhalten aufweist.

Das Gehäuse und der Membranträger sind geometrisch einfach ausgelegt, um die hohe Volumenänderung des verwendeten Silikongels direkt über die Membran kompensieren zu können und die Herstellungskosten zu minimieren.

Die Grundlage zur Auslegung des Gehäuses und der Membran bildet die analytische Betrachtung der Membran über Plattengleichungen. Zur Optimierung der geometrischen Verhältnisse des Sensors ist eine FEM-Simulation mit Ansys durchgeführt und der genaue Verlauf der mechanischen Spannungen in der Membran ermittelt.

Um die Trennmembran auf das nichtleitfähige Silikongel galvanisch abscheiden zu können, ist eine elektrisch leitfähige Grundschicht aus Silberleitpulver mit einem Haarpinsel aufgebracht. Es ist keine Vor- oder Nachbehandlung nötig und die Membran kann direkt galvanisch abgeschieden werden. Der zur Herstellung des Sensors nötige Primärsensor ist von dem Kooperationspartner ETO-Sensoric in zwei Varianten aufgebaut. Er besteht aus einem Keramiksubstrat, auf dem ein piezoresistives Messelement (max. 12 bar) aufgeklebt und mit Bonddrähten kontaktiert ist. Eine Variante des Primärsensors ist mit einer Leitfläche versehen. Hierauf ist ein Aufbau mit kugelförmiger Membran realisiert.

Zwei weitere Varianten verfügen über einen runden Membranträger auf Edelstahl, der auf das Keramiksubstrat aufgeklebt ist. Bei der einen Variante ist die Innenseite des Membranträgers angeschägt, um das Innenvolumen zu reduzieren und die Belastung der Membranänder zu minimieren. Die dritte Variante weist senkrechte Seitenwände auf.

Die Varianten sind messtechnisch in einem Druckbereich bis ca. 5 bar charakterisiert. Die Auswirkungen der Membran auf das Sensorverhalten sind als gering ermittelt.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Analytische Berechnung piezoresistiver Drucksensor, Beschichten galvanisch, FEM-Simulation piezoresistiver Drucksensor, Gehäusung Drucksensor, Gestaltungskriterien Membran, Membranherstellung, Nickelabscheidung elektrolythisch
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 31 Aug 2011 10:18
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1624

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 01-06-2006

Ende Datum: 06-12-2006

Querverweis: 17/24 EMKS 1609, 17/24 EMKS 1305, 17/24 EMKD 1586, 17/24 EMKD 1456, 17/24 EMKDIS44

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

Identification Number: 17/24 EMKD 1624
Referees: Wohlgemuth, Dipl.-Ing. Christian and Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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