Wärmestromsensoren mit Gold/Platin-Thermopaaren in LTCC-Technologie

Thema

Wärmestromsensoren dienen der quantitativen Erfassung des Wärmestroms, also der Wärmeübertragung, in verschiedenen Anwendungen. Sie sind von entscheidender Bedeutung für die Energieüberwachung, da sie den Energieverbrauch in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen präzise messen und Erkenntnisse über die thermische Effizienz industrieller Prozesse liefern. In der Forschung und Entwicklung ermöglichen sie die Untersuchung von Wärmeübertragungsmechanismen (Wärmeleitung) und deren Charakterisierung in verschiedenen Materialien und Systemen. Ein Beispiel ist die Optimierung des Thermomanagement von Batterien.

Für diese Anwendung hat das Fraunhofer IKTS in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner ein Wärmestromsensor mit Gold-Platin-Thermopaaren in keramischer Mehrlagentechnologie entwickelt. Die einheitliche Messzelle besteht aus einem Au-Pt-Thermopaar, das in ein keramisches Trägermaterial eingebettet ist und durch Vervielfachung zu einem größeren monolithischen Sensor aufgebaut wird (Thermokette). Zur Erfassung der Umgebungstemperatur wurde ein Referenz­widerstandsthermometer integriert. 

Dediziert für das Thermopaar Au-Pt wurde am IKTS eine Pt-Durchkontaktierungspaste (Viafill) entwickelt, die den Mehrlagenaufbau dieses Wärmestromsensors ermöglicht. Dabei standen die Anpassung des Schwindungsverhaltens der Durchkontaktierungspaste auf die Schwindung des LTCC-Materials sowie die Ausbildung eines defektfreien Gefüges während des Cofirings im Fokus. 

© Fraunhofer IKTS
Experimentelle Schwindungskurven verschiedener Pastenzusammensetzungen im Vergleich zur LTCC-Schwindungskurve.
© Fraunhofer IKTS
FESEM-Aufnahme eines in der LTCC integrierten Pt-Vias.

Durch die mehrlagenkeramischen Fertigungstechnologien ist der gleichzeitige Aufbau von mehreren Elementen auf einem Substrat möglich. Für den gezeigten Wärmestromsensor wurden sechs Sensoren auf einem Substrat (Abmessungen ungesintert 4“ x 4“) gefertigt. Durch Optimierung der einzelnen Fertigungsschritte konnten sowohl die Pt-Vias (Durchmesser ungesintert 300 µm) als auch die Au-Vias (Durchmesser ungesintert 100 µm) über mehrere keramische Lagen nahezu versatzfrei gestapelt werden. 

© Fraunhofer IKTS
Röntgenbild, Ausschnitt eines Wärmestromsensor mit Darstellung der Messzellen und des Kontaktbereichs.
© Fraunhofer IKTS
Mit Flachbandkabel kontaktierten Wärmestromsensor.

Technische Kenndaten

  • Abmessungen: 21 x 20 x 1 mm³
  • Sensitivität: ~ 0,45 µV/(W/m2)
  • Gemessener Temperaturbereich: -25 °C bis 60 °C (höher möglich)

Leistungsangebot