Das Beste aus zwei Welten

Sensoren sollen sensibel sein, müssen aber für so manche Anwendung auch harsche Umgebungsbedingungen aushalten. Der Thüringer Wachstumskern "HIPS" entwickelt deshalb robuste Sensoren mit einer neuartigen Technologie.

HIPS steht für High Performance Sensors und genau dies wollen die Ingenieure erreichen: Digitale Sensorsysteme, die zuverlässig, unabhängig und robust sind. Sie sollen hohe Temperaturen und Drücke sowie starke mechanische Beanspruchungen aushalten können. Geplante Anwendungen in der Medizin- und Umwelttechnik oder in der Lebensmittelindustrie erfordern von den neuen Sensoren, dass sie möglichst wartungsfrei sind, sich selbst kalibrieren können und nur sehr selten ausfallen. Das HIPS-Bündnis will mit den neuartigen Systemen auch Gas- und Flüssigkeitsströme in industriellen Prozessen überwachen, oder in Automobilen für Sicherheit sorgen. In solchen Umgebungen gelangen herkömmliche Sensoren oft an ihre Grenzen. Die Materialien, die darin verbaut sind, halten sehr hohe Temperaturen, starke Vibrationen oder Flüssigkeiten mit extremen pH-Werten nicht aus. Die Thüringer haben eine geniale Lösung für das Problem gefunden: die Silizium-Keramik-Technologie, kurz: SiCer-Technologie.

Ungewöhnliche Verbindung

Der neuartige Träger, auf dem der Sensor sitzt, besteht aus einer Keramik- und einer Siliziumseite. Die spezielle Keramik wird mit Silizium bei Raumtemperatur verbunden und dann bei fast 900 Grad Celsius samt Silizium gebrannt. Bisher gibt es keinen vergleichbaren monolithischen Träger, der das Beste aus zwei Welten so perfekt miteinander verbindet: die elektrisch und thermisch isolierenden Eigenschaften von Keramik und das ideale elastische und mechanische Verhalten von Silizium. Beschichtet ist der Silizium-Keramik-Träger mit metallischem Material, das ebenfalls elektrisch und thermisch sehr gut leitfähig ist. Diese einzigartige Kombination ermöglicht eine starke Miniaturisierung der Sensoren und die Integration verschiedener Funktionen. Das Thüringer Team hat mit der SiCer-Technologie die Voraussetzungen für eine Sprunginnovation in der Sensortechnologie geschaffen. Die neuen Sensoren halten sowohl eine starke mechanische Beanspruchung aus, als auch Temperaturen bis 600 Grad Celsius. Da sie so klein sind, lassen sie sich sehr gut in andere elektronische Komponenten integrieren.

Fest verbunden: Der Keramik-Träger (links) mit elektronischen Bauelementen auf der Oberseite und das Silizium-Mikrosystem auf der Unterseite (rechts) ist in die Keramik eingebrannt.

Michael Fischer, TU Ilmenau

Technologische Bibliothek

Ziel des HIPS-Bündnisses ist es nun, eine SiCer-Technologieplattform aufzubauen. Sie besteht aus einer Art Bibliothek von getesteten Technologien und Funktionselementen, die Bausteine zur Entwicklung komplexer Sensorsysteme sind. Entsprechend der geplanten Anwendungen sollen die Sensoren sieben verschiedene Größen messen: Temperatur, Druck, CO2-Konzentration, Feuchte, Widerstand und Intensität. Eine solche Plattform ermöglicht die Herstellung von Sensoren mit höchster Leistungsfähigkeit, auf kleinstem Bauraum und bei maximaler Zuverlässigkeit. Die Strategie der Thüringer Forscher und Unternehmer ist erfolgversprechend, denn Sensorsysteme werden künftig eine zentrale Rolle bei der Digitalisierung der Industrie und in der Überwachung von Produktionsprozessen spielen. Immer strengere gesetzliche Vorschriften – auch zur Einsparung von Rohstoffen und der Reduktion von Treibhausgas-Emissionen – machen das notwendig.

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