EN
Materialen die hoge temperaturen verdragen en worden gebruikt in verpakkingen en substraten voor sensoren
Siliciumcarbide, keramiek en andere halfgeleiders met een breed bandgap
De materialen die worden gebruikt voor hoogtemperatuursensoren die werken bij 600 °C en hoger, zijn thermisch stabiele keramische materialen voor hoge temperaturen. De gebruikte substraten zijn aluminiumoxide, bariumtitanat-strontium en siliciumnitride, die thermisch stabiel zijn, een hoog smeltpunt hebben (> 1800 °C) en een lage en stabiele lineaire uitzettingscoëfficiënt (< 4,5 ppm/K) om thermische schok en scheurvorming te voorkomen. Siliciumcarbide (SiC) is een halfgeleider met een breed bandgap die een thermische geleidbaarheid heeft van 4,9 W/cm·K en die elektrische isolatie en oxidatiebestendigheid biedt bij hoge temperaturen (boven 300 °C). Dit maakt integratie mogelijk in systemen die worden bestuurd door verbrandings- en turbinevlammen, waarvan de temperaturen boven de operationele grenzen van SiC liggen. Bovendien kunnen BTS-keramieken, dankzij hun piezoresistieve eigenschappen, worden ingezet als rek- en druktransducers in warme omgevingen.
Thermomechanische betrouwbaarheid van encapsulatie onder cyclische belasting bij 600 °C
Er zijn herhaalde thermische schokken op de encapsulatie, en het behoud van de integriteit vormt een van de grootste uitdagingen die hieruit voortvloeien. Alumina of aluminiumnitride biedt een hermetische encapsulatie met corrosieweerstand. De encapsulatie moet ook bestand zijn tegen de constante buiging veroorzaakt door het verschil in uitzettingscoëfficiënt (CTE) van de verschillende encapsulatiematerialen. Platina-iridiumlegeringen worden als metalen diffusiebarrières gebruikt en kunnen de meeste thermische cycli (meer dan 10.000 thermische cycli) weerstaan, terwijl ze nog steeds ohmse contacten behouden. Eutectische goud-tin-bonding wordt in veel gevallen nu toegepast, omdat deze veel meer thermische cycli (tot vijf keer zoveel) kan weerstaan dan standaardsoldeermaterialen; eindige-elementenmodellering heeft aangetoond dat de brosse soldeerverbindingen de meest belaste gebieden zijn. Veel geothermische putten hebben aangetoond dat keramische sensoren na 18 maanden bij 600 °C nog steeds een kalibratiedrift van slechts 0,02 % vertonen. Dit komt doordat de sensoren zijn ontworpen met de juiste thermische uitzettingscoëfficiënten om de spanning gelijkmatig te verdelen. Dit is ook het resultaat van nieuwe coatings die tijdens versnelde tests de afschilfering met 40 % verminderen.
Temperatuursensoren met optimale meetprincipes voor hoge stabiliteit
AlN-piezoelektrische sensing en andere bandgap-geoptimaliseerde opties
AlN kan dienen als piezoelektrische sensingbasis voor toepassingen bij hoge temperaturen, waarbij stabiele signalen worden ondersteund zonder stroomvoorziening tot boven de 1150 °C (in studies gepubliceerd in het Journal of Materials Science (2024) wordt een drift van <1% gemeld bij langdurige blootstelling). Bandgap-engineering kan het werkingsbereik verder uitbreiden. GaN en ScAlN kunnen de piezoelektrische coëfficiënten verhogen en de temperatuurweerstand met 200% behouden, wat nauwkeurige druk- en versnellingsmeting mogelijk maakt in straalmotoren en smeltmetaalprocessen. Aanvullende operationele voordelen omvatten passief (stroomloos) bedrijf, ongevoeligheid voor elektromagnetische interferentie en reactietijden in de orde van microseconden bij thermische transiënten.
Optische sensoren voor hoge temperaturen: geregenereerde en met femtosecondlaser geschreven FBG’s
Optisch meten met geregenereerde en met femtosecondlaser geschreven Bragg-roosters (FBG’s) elimineert elektronica uit de heetste zone, waardoor de voornaamste foutmodi van traditionele sensoren worden aangepakt. Geregenereerde FBG’s, thermisch getempereerd om hittebestendige structuren te vormen, bereiken een golflengtestabiliteit van ±0,5 pm onder cyclische belasting bij 600 °C. Door middel van inscriptie met een femtosecondlaser worden stabiele roosters gecreëerd in saffiervezels voor meer dan 10.000 uur continu bedrijf bij 1000 °C (Optics Express, 2023). Deze zijn toegepast in kernreactoren en geothermische putten, waar zij meer dan 50 m aan rekmeting, stralingsbestendigheid en corrosiebewaking bieden, inclusief real-time waterstofdetectie, waardoor zij essentieel zijn voor de lucht- en ruimtevaart en energie-infrastructuur.
Siliconcarbide-elektronica voor signaalverwerking en integratie bij 600 °C
SiC-JFET-versterkers en stabiliteit van ohmse contacten in sensoren voor hoge temperaturen
Siliconcarbide (SiC) biedt de hoogste thermische geleidbaarheid (3,5×) en stabiliteit boven 600 °C en maakt monolithische integratie van sensoren en signaalverwerkingscomponenten voor hoge temperaturen mogelijk. Op SiC gebaseerde JFET-versterkers bieden een stabiele versterking en lage ruis, terwijl Si-componenten afbreken en op systeemniveau leiden tot signaaldrift. Ohmse contacten verslechteren door interfaciale reacties tussen de metallisatie en SiC boven 500 °C, wat leidt tot een toename van de contactweerstand en verlies van kalibratie. De nikkel/tantaal barrièrelagen onderdrukken elektromigratie en interdiffusie, waardoor de integriteit van de contacten gedurende meer dan 1000 thermische cycli behouden blijft. Volledig geïntegreerde SiC-versterker-sensorpakketten kunnen een meetnauwkeurigheid van ±1 % handhaven tijdens continue werking bij 600 °C.
Toepassing in de praktijk van sensoren voor hoge temperaturen: van validatie tot industriële inzet
Veldgecertificeerde FBG-arrays en inzichten uit het HOTS-programma in nucleaire en geothermische omgevingen
Veld-gecertificeerde FBG-arrays hebben een robuuste prestatie aangetoond in missie-kritische toepassingen waar conventionele sensoren falen—zoals in kernreactorkernen en diepe geothermische putten. Het High Temperature Sensors (HOTS)-programma heeft optische systemen gevalideerd via meer dan 1.000 uur continu bedrijf bij 600 °C in een gesimuleerde reactoromgeving, met een golflengteafwijking van minder dan 0,1 %—een cruciale factor voor structurele gezondheidsmonitoring. In geothermische omgevingen overleven metaalcoated saffier-FBG’s de corrosieve bronwateroplossing, drukcycli tot 25 MPa en thermische schokken, waardoor real-time monitoring van de boorgatintegriteit mogelijk is. Hun ongevoeligheid voor elektromagnetische interferentie vergemakkelijkt de meting van neutronenvloed in nucleaire installaties en vermindert het aantal kabeldoorvoeringen met 40 % ten opzichte van thermokoppelarrays. Opmerkelijk is dat door femtosecond-lasers ingeschreven roosters 500 cycli thermische schok (600 °C ↔ 25 °C) zonder breuk overleefden—een belangrijke beperking van siliciumdioxide-alternatieven overkomend. Deze in de praktijk bewezen mogelijkheden maken nu voorspellend onderhoud mogelijk in eerder niet-bewaakte gebieden, wat de stilstandtijd van turbines met 30 % vermindert in superkritische geothermische centrales.
Veelgestelde vragen
Welke materialen worden veelal gebruikt voor substraatmateriaal van sensoren voor hoge temperaturen?
Veelgebruikte substraatmaterialen voor sensoren voor hoge temperaturen omvatten een reeks keramische materialen, aluminiumoxide (Al₂O₃), siliciumnitride (Si₃N₄), bariumtitanium-strontiumkeramiek (BTS) en halfgeleiders met een breed bandgap zoals siliciumcarbide (SiC). Deze materialen bieden thermische stabiliteit en een goede weerstand tegen thermische cycli.
Wat is de betrouwbaarheid van sensoren bij hoge temperaturen met behulp van encapsulatietechnieken?
Het thermische spanningbeheer en de mechanismen voor het verminderen van kalibratiedrift die deze methoden toepassen, maken langdurige werking bij hoge temperaturen mogelijk.
Wat zijn de voordelen van het gebruik van siliciumcarbide (SiC) in hoge-temperatuurtoepassingen voor signaalconditioning?
Het is ook moeilijk dat signalen afwijken door thermische spanning. Met de integratie van SiC-electronica wordt signaalverwerking haalbaar in de operationele zones met hoge temperatuur.
Wat zijn de voordelen van optische sensortechnologieën in extreme omgevingen?
Het ontbreken van elektronische componenten in de hoge-temperatuurzone, in combinatie met optische detectietechnologieën zoals fiber Bragg-roosters (FBGs), verbetert de betrouwbaarheid van het systeem. Deze technologieën zijn niet alleen ontworpen om extreme omstandigheden te doorstaan, maar bieden ook stralingsbestendige prestaties en verstrekken realtimegegevens voor het bewaken van constructies en de omgeving.
