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Materialien, die hohe Temperaturen in Gehäusen und Substraten für Sensoren aushalten
Siliziumkarbid, Keramiken und andere Halbleiter mit breitem Bandabstand
Die für Hochtemperatursensoren verwendeten Materialien, die bei Temperaturen von 600 °C und darüber betrieben werden, sind hochtemperaturstabile Keramiken. Als Substrate kommen Aluminiumoxid, Bariumtitanat-Strontium und Siliziumnitrid zum Einsatz, die thermisch stabil sind, hohe Schmelzpunkte (> 1800 °C) aufweisen und niedrige sowie stabile Wärmeausdehnungskoeffizienten (< 4,5 ppm/K) besitzen, um thermischen Schock und Rissbildung zu vermeiden. Siliziumkarbid (SiC) ist ein Halbleiter mit breiter Bandlücke, dessen Wärmeleitfähigkeit 4,9 W/cm·K beträgt und der bei hohen Temperaturen (über 300 °C) elektrische Isolation sowie Oxidationsbeständigkeit bietet. Dadurch ist eine Integration in Systeme möglich, die durch Verbrennungs- und Turbinenflammen gesteuert werden, deren Temperaturen über die Betriebsgrenzen von SiC hinausgehen. Darüber hinaus können BTS-Keramiken aufgrund ihres piezoresistiven Verhaltens Dehnungs- und Drucksensoren in heißen Umgebungen betreiben.
Thermomechanische Zuverlässigkeit der Kapselung unter zyklischer 600-°C-Belastung
Es treten wiederholte thermische Schocks an der Verkapselung auf, wobei die Aufrechterhaltung der Integrität eine der größten Herausforderungen darstellt, die sich hieraus ergeben. Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid gewährleisten eine hermetische Verkapselung mit Korrosionsbeständigkeit. Die Verkapselung muss zudem die ständige Beanspruchung durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) der jeweiligen Verkapselungsmaterialien aushalten. Platin-Iridium-Legierungen dienen als metallische Diffusionsbarrieren und haben sich bewährt, da sie die höchste Anzahl thermischer Zyklen (über 10.000 thermische Zyklen) aushalten und dennoch den ohmschen Kontakt bewahren. In vielen Fällen wird heute das eutektische Gold-Zinn-Bonding eingesetzt, da es deutlich mehr thermische Zyklen (bis zu fünfmal so viele) aushält als herkömmliche Lotverbindungen; Finite-Elemente-Modelle haben gezeigt, dass die spröden Lotverbindungen die am stärksten beanspruchten Bereiche sind. Viele Geothermiebohrungen konnten nachweisen, dass keramische Sensoren nach 18 Monaten bei 600 °C noch immer eine Kalibrierungsdrift von nur 0,02 % aufweisen. Dies liegt daran, dass die Sensoren mit geeigneten Wärmeausdehnungsraten ausgelegt wurden, um die mechanische Spannung gleichmäßig zu verteilen. Dies ist zudem auf neue Beschichtungen zurückzuführen, die während der beschleunigten Prüfung die Delaminierung um 40 % verringern können.
Temperatursensoren mit optimalen Messprinzipien für hohe Stabilität
AlN-piezoelektrische Sensierung und andere bandlückentechnisch optimierte Optionen
AlN kann als piezoelektrische Sensierbasis für Hochtemperaturanwendungen dienen und stabile Signale ohne externe Stromversorgung bis über 1150 °C liefern (in der Zeitschrift Journal of Materials Science (2024) veröffentlichte Studien berichten über eine Drift von < 1 % bei langzeitiger Belastung). Durch Bandlückentechnik lässt sich das Betriebsfenster weiter erweitern. GaN und ScAlN können die piezoelektrischen Koeffizienten erhöhen und die Temperaturbeständigkeit um 200 % steigern, wodurch eine präzise Druck- und Beschleunigungsmessung in Strahltriebwerken und bei der Verarbeitung von geschmolzenem Metall ermöglicht wird. Weitere betriebliche Vorteile umfassen den passiven (stromlosen) Betrieb, Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen sowie Mikrosekunden-schnelle Reaktionszeiten bei thermischen Transienten.
Optische Hochtemperatursensoren: regenerierte und mit Femtosekunden-Lasern geschriebene FBGs
Optische Sensorik mit regenerierten und mit Femtosekundenlaser geschriebenen Bragg-Gittern (FBGs) eliminiert Elektronik aus der Hochtemperaturzone und adressiert damit die primären Ausfallmodi herkömmlicher Sensoren. Regenerierte FBGs, die thermisch geglüht werden, um feuerfeste Strukturen zu erzeugen, erreichen eine Wellenlängenstabilität von ±0,5 pm unter zyklischer Belastung bei 600 °C. Die Einschreibung mit Femtosekundenlasern erzeugt stabile Gitter in Saphirfasern für einen kontinuierlichen Betrieb über 10.000 Stunden bei 1000 °C (Optics Express, 2023). Diese Sensoren wurden bereits in Kernreaktoren und geothermischen Bohrlöchern eingesetzt und ermöglichen eine Dehnungsabbildung über mehr als 50 m, Strahlungshärte sowie Korrosionsüberwachung mit Echtzeit-Wasserstoffdetektion – was sie zu einem entscheidenden Element für Luft- und Raumfahrt sowie für Energieinfrastrukturen macht.
Siliziumkarbid-Elektronik für Signalverarbeitung und Integration bei 600 °C
SiC-JFET-Verstärker und Stabilität ohmscher Kontakte in Sensorsystemen für hohe Temperaturen
Siliziumcarbid (SiC) bietet die höchste Wärmeleitfähigkeit (das 3,5-Fache) und Stabilität oberhalb von 600 °C und ermöglicht die monolithische Integration von Hochtemperatursensoren sowie elektronischen Signalverstärkungs- und -aufbereitungsschaltungen. JFET-Verstärker auf SiC-Basis liefern eine stabile Verstärkung und geringes Rauschen, während Silizium-(Si-)Bauelemente auf Systemebene degradieren und zu einer Verschlechterung der Signaldrift führen. Ohmsche Kontakte verschlechtern sich aufgrund interfacialer Reaktionen zwischen der Metallisierung und dem SiC oberhalb von 500 °C, was zu einem erhöhten Kontaktwiderstand und Kalibrierungsverlust führt. Die Nickel-/Tantal-Barrierschichten unterdrücken Elektromigration und Interdiffusion und gewährleisten so die Kontakttreue über mehr als 1000 thermische Zyklen hinweg. Vollständig integrierte SiC-Verstärker-Sensor-Pakete können bei kontinuierlichem Betrieb mit 600 °C eine Messgenauigkeit von ±1 % aufrechterhalten.
Einsatz hochtemperaturfester Sensoren in der Praxis: Von der Validierung bis zur industriellen Anwendung
Feldzertifizierte FBG-Arrays und Erkenntnisse aus dem HOTS-Programm in nuklearen und geothermischen Umgebungen
Feldbewertete FBG-Arrays haben eine robuste Leistung in sicherheitskritischen Anwendungen nachgewiesen, bei denen herkömmliche Sensoren versagen – beispielsweise in Kernreaktor-Kernen und tiefen geothermischen Bohrlöchern. Das Programm für Hochtemperatursensoren (HOTS) validierte optische Systeme durch über 1.000 Stunden kontinuierlichen Betrieb bei 600 °C in einer simulierten Reaktorumgebung mit einer Wellenlängendrift von < 0,1 % – ein entscheidender Faktor für die Überwachung der strukturellen Integrität. In geothermischen Umgebungen überstehen metallbeschichtete Saphir-FBGs die korrosive Sole, Druckzyklen bis zu 25 MPa sowie thermischen Schock und ermöglichen so die Echtzeitüberwachung der Bohrlochintegrität. Ihre Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen erleichtert die Messung des Neutronenflusses in kerntechnischen Anlagen und reduziert im Vergleich zu Thermoelement-Arrays die Kabeleindringungen um 40 %. Hervorzuheben ist, dass mit Femtosekunden-Lasern eingebrachte Gitter 500 Zyklen thermischen Schocks (600 °C ↔ 25 °C) ohne Rissbildung überstanden – eine wesentliche Einschränkung silikatischer Alternativen wurde damit überwunden. Diese in der Praxis erprobten Fähigkeiten ermöglichen nun vorausschauende Wartung in zuvor unüberwachten Bereichen und reduzieren die Ausfallzeiten von Turbinen in superkritischen geothermischen Kraftwerken um 30 %.
Häufig gestellte Fragen
Welche Materialien werden üblicherweise für Substrate hochtemperaturfester Sensoren verwendet?
Zu den üblicherweise verwendeten Substraten für hochtemperaturfeste Sensoren zählen eine Reihe keramischer Materialien, Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Bariumtitanat-Strontium-(BTS-)Keramiken sowie breitbandige Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC). Diese Materialien bieten thermische Stabilität und eine gute Beständigkeit gegenüber thermischen Wechsellasten.
Wie zuverlässig sind Sensoren bei hohen Temperaturen mit Verkapselungstechniken?
Die von diesen Methoden eingesetzten Mechanismen zur Steuerung thermischer Spannungen und zur Minderung von Kalibrierungsdrift ermöglichen einen langfristigen Betrieb bei hohen Temperaturen.
Welche Vorteile bietet die Verwendung von Siliziumkarbid (SiC) in Hochtemperaturumgebungen für die Signalaufbereitung?
Zudem ist es schwierig, dass Signale aufgrund thermischer Spannung driften. Durch die Integration von SiC-Elektronik wird eine Signalverarbeitung direkt in den Hochtemperatur-Betriebszonen möglich.
Welche Vorteile bieten optische Sensortechnologien in extremen Umgebungen?
Das Fehlen elektronischer Komponenten in der Hochtemperaturzone bei optischen Sensortechnologien wie Fiber-Bragg-Gittern (FBGs) verbessert die Zuverlässigkeit des Systems. Diese Technologien sind nicht nur für den Einsatz unter extremen Bedingungen ausgelegt, sondern bieten zudem strahlungsharte Leistung und liefern Echtzeitdaten zur Überwachung von Strukturen und der Umgebung.
