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Piezoresistives Silizium-Hochdruck-Messelement mit intrinsischer Überlastfestigkeit durch den hydrostatisch belasteten Verbund-Verformungskörper

Heinickel, Patrick (2013):
Piezoresistives Silizium-Hochdruck-Messelement mit intrinsischer Überlastfestigkeit durch den hydrostatisch belasteten Verbund-Verformungskörper.
München, Verlag Dr. Hut, TU Darmstadt, In: EMK-Dissertationsreihe, ISBN 978-3-8439-1127-6,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Die Analyse des Stands der Technik von Hochdruck-Sensoren und deren Anwendungen ergibt, dass kostengünstige und überlastsichere Messelemente im Hochdruck-Bereich ab 1.000 bar fehlen. Daher wird die Entwicklung eines neuartigen, überlastfesten Messelements mit piezoresistivem Wirkprinzip zur Messung von Hochdruck bis 5.000 bar beschrieben.

Es wird das neuartig erforschte mechanische Verspannungsprinzip eingesetzt. Dabei wird als Verformungskörper ein hydrostatisch belastetes Verbundelement aus Silizium und Borosilikatglas abgeleitet. Durch hydrostatische Druckbelastung verwölbt sich das neuartige Verbundelement schalenförmig, was durch integrierte piezoresistive Widerstände erfasst wird. Darüber hinaus weist dieses piezoresistive Hochdruck-Messelement eine intrinsische Überlastfestigkeit aufgrund der allseitigen Druckbelastung auf.

Die Beschreibung des piezoresistiven Effekts wird im Vergleich zum Stand der Technik erweitert zur Berechnung von 3-dimensionalen Spannungszuständen. Die Berechnung des Messelements erfolgt durch dessen analytische Beschreibung auf Basis eines Energieansatzes, der mit einem Balkenansatz gekoppelt wird. Beim Vergleich vom analytischen und numerischen FEM-Ansatz mit den real ermittelten Messergebnissen, weichen diese lediglich um weniger als 1% voneinander ab.

Insgesamt werden in dieser Arbeit experimentelle Ergebnisse von 11 aufgebauten Messelement-Varianten mit jeweils mehreren Messelementen im Druckbereich bis 5.000 bar diskutiert. Durch Variation der Entwurfsparameter wird deren Einfluss experimentell nachgewiesen. Die empfindlichste Variante weist eine Kavität auf der Vorderseite des Silizium-Chips zur Konzentration der mechanischen Differenzspannung auf. Mit einer Brückenausgangsspannung von etwa 255mV weisen diese Messelemente eine Messunsicherheit von lediglich ca. 0,1% auf. Die Empfindlichkeit wird durch gezielte Optimierung um etwa den Faktor 210 gesteigert.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2013
Creators: Heinickel, Patrick
Title: Piezoresistives Silizium-Hochdruck-Messelement mit intrinsischer Überlastfestigkeit durch den hydrostatisch belasteten Verbund-Verformungskörper
Language: German
Abstract:

Die Analyse des Stands der Technik von Hochdruck-Sensoren und deren Anwendungen ergibt, dass kostengünstige und überlastsichere Messelemente im Hochdruck-Bereich ab 1.000 bar fehlen. Daher wird die Entwicklung eines neuartigen, überlastfesten Messelements mit piezoresistivem Wirkprinzip zur Messung von Hochdruck bis 5.000 bar beschrieben.

Es wird das neuartig erforschte mechanische Verspannungsprinzip eingesetzt. Dabei wird als Verformungskörper ein hydrostatisch belastetes Verbundelement aus Silizium und Borosilikatglas abgeleitet. Durch hydrostatische Druckbelastung verwölbt sich das neuartige Verbundelement schalenförmig, was durch integrierte piezoresistive Widerstände erfasst wird. Darüber hinaus weist dieses piezoresistive Hochdruck-Messelement eine intrinsische Überlastfestigkeit aufgrund der allseitigen Druckbelastung auf.

Die Beschreibung des piezoresistiven Effekts wird im Vergleich zum Stand der Technik erweitert zur Berechnung von 3-dimensionalen Spannungszuständen. Die Berechnung des Messelements erfolgt durch dessen analytische Beschreibung auf Basis eines Energieansatzes, der mit einem Balkenansatz gekoppelt wird. Beim Vergleich vom analytischen und numerischen FEM-Ansatz mit den real ermittelten Messergebnissen, weichen diese lediglich um weniger als 1% voneinander ab.

Insgesamt werden in dieser Arbeit experimentelle Ergebnisse von 11 aufgebauten Messelement-Varianten mit jeweils mehreren Messelementen im Druckbereich bis 5.000 bar diskutiert. Durch Variation der Entwurfsparameter wird deren Einfluss experimentell nachgewiesen. Die empfindlichste Variante weist eine Kavität auf der Vorderseite des Silizium-Chips zur Konzentration der mechanischen Differenzspannung auf. Mit einer Brückenausgangsspannung von etwa 255mV weisen diese Messelemente eine Messunsicherheit von lediglich ca. 0,1% auf. Die Empfindlichkeit wird durch gezielte Optimierung um etwa den Faktor 210 gesteigert.

Series Name: EMK-Dissertationsreihe
Volume: 27
Place of Publication: München
Publisher: Verlag Dr. Hut
ISBN: 978-3-8439-1127-6
Uncontrolled Keywords: Hochdruck, Silizium, Messelement Entwurf, Mikrosystemtechnik, piezoresistiv, Hydrostatik, überlastfest
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: 06 Aug 2013 19:25
Referees: Werthschützky, Prof. Dr. Roland
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