Hochtemperatur-Drucksensoren für den Einsatz in Turbinen und Triebwerken

Thema

© Fraunhofer IKTS
Hochtemperatur-Drucksensor mit integrierter Elektronik und Sensorgehäuse für die Zustandsüberwachung von Turbinen und Triebwerken bis 500 °C.
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Keramisches Sensorelement widersteht den harschen Umgebungsbedingungen. Die LTCC-Mehrlagentechnologie ermöglicht die Integration zahlreicher sensorischer Elemente.

Robuste und zuverlässige Sensoren sind essenziell für die Zustandsüberwachung von Triebwerken und Turbinen. Sie ermöglichen die Optimierung der Prozessführung, die Erhöhung der Energieeffizienz, die Verminderung des Abgasausstoßes und die Verlängerung von Serviceintervallen.

Im Rahmen des Fraunhofer Leitprojekts »eHarsh« wurde ein Hochtemperatur-Drucksensor mit integrierter Elektronik für den Temperaturbereich bis 500 °C entwickelt. Die Integration der Elektronik ermöglicht es, Potenziale hinsichtlich Miniaturisierung und Zuverlässigkeit zu heben. Weiterhin erschließt der modulare Ansatz in Kombination mit den nutzenbasierten keramischen Fertigungstechnologien Kostenvorteile.

Der Sensor wurde dabei speziell für eine Anwendung im Kompressionsbereich von Turbinen und Triebwerken konzipiert. Aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen ergeben sich besondere Anforderungen. Dazu gehören hohe Umgebungstemperaturen (bis 300 °C, an Sensorspitze bis zu 500 °C), starke Vibrationsbelastungen (50 g, 50–2000 Hz), hohe statische Drücke (50 bar) und dynamische Druckänderungen (1 bar, 1 kHz).

Der Sensor besteht aus zwei modularen Gehäusekomponenten. Die erste Gehäusekomponente fasst das stäbchenförmige Sensorelement. Die zweite Gehäusekomponente trägt die Platine mit der Auswerteelektronik. Das Sensorelement basiert auf keramischer LTCC-Mehrlagentechnologie (Low Temperature Cofired Ceramics). Vorteilhaft hierbei ist, dass LTCC-Keramiken den harschen Umgebungsbedingungen widerstehen und sich aufgrund ihrer komplexen Bauweise eine hohe Integrationsdichte erreichen lässt.

An der Elementspitze sind die piezoresistiven Widerstandselemente in Form einer Wheatstoneschen Messbrücke platziert und erfassen in Kombination mit dem membranbasierten Verformungskörper und einem Referenzdruckkompartiment den Absolutdruck. Die keramikintegrierte Pt100-Widerstandsstruktur ermöglicht die parallele Erfassung der Temperatur an der Elementspitze. Die Umverdrahtung der sensorischen Strukturen erfolgt keramikintegriert in Richtung der rückseitigen Kontaktpads. Die stäbchenförmige Geometrie gestattet u. a. die hermetische Fügung in das Sensorgehäuse und die Reduktion der Temperatur im Kontaktbereich. Gleichzeitig stellt die Keramikintegration der sensorischen Strukturen eine im Vergleich zu halbleiterbasierten Chiplösungen hochzuverlässige Technologie dar.

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Charakterisierung des Sensors im Hochtemperatur-Druckprüfstand bei einem statischen Druck bis 50 bar und einer Umgebungstemperatur bis 500 °C
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Charakterisierung des Hochtemperatur-Drucksensors hinsichtlich dynamischer Druckänderungen (f > 1 kHz) im Stoßrohr.

Im Rahmen des Vorhabens wurde der entwickelte Hochtemperatur-Sensor umfassend bzgl. sensorischer Performanz und anwendungsspezifischer Zuverlässigkeitsanforderungen untersucht. Die sensorische Charakterisierung (Abb. 2) umfasste die Bestimmung der temperaturabhängigen sensorischen Kenndaten im statischen Druckbereich (Sensitivität, Linearität, Hysterese, Wiederholbarkeit) auf eigens entwickelten Hochtemperatur-Druckprüfständen. Die Charakterisierung im dynamischen Druckbereich erfolgte durch hydraulische Druckimpuls-Generatoren (f < 1 kHz) bzw. durch Stoßrohrprüfstände (f > 1 kHz). Die Zuverlässigkeitsuntersuchungen beinhalteten statische/transiente Beanspruchungen in drei Domänen (thermisch, mechanisch und korrosiv).  Alle definierten Anforderungen konnten erfüllt werden.

Um den Transfer in die Industrie zu erleichtern, stehen vereinfachte Demo-Boards zur Kundenevaluation zur Verfügung.

 

Technische Kenndaten

 

  • Atmosphäre: Luft
  • Medientemperatur: bis 500 °C
  • Statischer Druckbereich: 1–50 bar
  • Dynamischer Druckbereich: 1–5 bar, < 5 kHz
  • Vibrationen: < 50 g, 50–2000 Hz

Leistungsangebot

 

  • Bereitstellung von Demo-Boards für die Evaluation der Sensoren in kundenspezifischen Anwendungen
  • Anforderungsspezifische Entwicklung hybrider keramischer Hochtemperatur-Sensoren (z. B. Druck)
  • Musterherstellung (Kleinserien)
  • Technologietransfer