-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Hochtemperatur-Drucksensors in einem
Triebwerkselement, gemäß dem Oberbegriff von
Patentanspruch 1.
-
Drucksensoren
werden in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt, um Drücke von Gasen
oder Flüssigkeiten
zu messen. Dabei sind die Drucksensoren in vielen Fällen besonders
hohen Belastungen ausgesetzt, die von dem Zustand des Mediums abhängen, in
dem die Druckmessung durchgeführt
wird. Oftmals unterscheiden sich die auf den Drucksensor wirkenden
Drücke
erheblich. Ein Drucksensor muss daher einerseits hohen Belastungen standhalten
und soll andererseits genaue Messergebnisse liefern.
-
Insbesondere
bei Messungen innerhalb von Triebwerken, beispielsweise Strahltriebwerken
von Flugzeugen oder Raketentriebwerken, muss der Drucksensor den
dort herrschenden sehr hohen Temperaturen standhalten und trotz
extremer Umgebungsbedingungen, die hohen Schwankungen unterliegen,
geringe Fehler bzw. Messungenauigkeiten aufweisen. Dies trifft auch
für andere
Anwendungsfälle
zu, wie beispielsweise innerhalb von Motoren und sonstigen Verbrennungskraftmaschinen,
usw.
-
Bekannte
Drucksensoren haben eine Membran, die sich bei einer Druckdifferenz
auf beiden Seiten der Membran verformt. Beispielsweise durch piezoresistive
oder piezoelektrische Elemente, die auf einer Seite der Membran
angeordnet sind, wird die Verformung der Membran gemessen.
-
Besonders
bei großen
Temperaturbelastungen besteht das Problem, dass sich die Membran des
Drucksensors verspannt oder sich in ihrem Rahmen oder ihrer Aufhängung verzieht.
Die Folge sind ungenaue Messungen oder verfälschte Messergebnisse, die
insbesondere bei großen
Temperaturschwankungen auftreten. Bei klassischen mikromechanischen
Siliziummembranen besteht überdies das
Problem der plastischen Verformung bei hohen Temperaturen.
-
Die
Druckschrift
DE 36
16 308 C2 beschreibt einen Sensor zur Druckmessung im Brennraum
einer Brennkraftmaschine. Der Sensor umfasst ein Saphirelement,
in dem eine Ausnehmung ausgestaltet ist, so dass ein Teil des Saphirelements
eine dünne
Platte bildet, die als Druckmembran dient. Auf dem Saphirelement
sind Dehnungsmesswiderstände
angeordnet, um eine Verformung der Membran bei einer Änderung
des anliegenden Druckes zu messen.
-
Die
Druckschrift
DE 196
44 830 C1 zeigt einen Drucksensor mit einem Gehäuse, dessen
Innenraum durch eine Membran verschlossen wird, und piezoelektrischen
Elementen, die bei einer Verformung der Membran ein entsprechendes
Signal erzeugen. Durch ein zusätzliches
flexibles Messelement, das an die Membran gekoppelt ist und dessen
Verformung gemessen wird, wird erreicht, dass die Messergebnisse
nicht durch auftretende Verspannungen der Membran verfälscht werden
und z.B. auch bei stark wechselnden Temperaturen genaue und zuverlässige Messungen
durchgeführt
werden können.
Derartige Lösungen
haben jedoch den Nachteil eines relativ hohen konstruktiven Aufwandes.
-
Zur
Messung von Verspannungen bei hohen Temperaturen eignen sich beispielsweise
Indium-Zinnoxide, wie es in dem Artikel „High temperature stability
of indium tin oxide thin films",
Otto J. Gregory et al., Thin Solid Films 406 (2002) 286 – 293, und
in „A
self-compensated ceramic strain gage for use at elevated temperatures", Otto J. Gregory,
Q. Luo, Sensors and Actuators A 88 (2001) 234 – 240 beschrieben wird.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochtemperatur-Drucksensor bereitzustellen,
der zur Messung von Drücken
bei Temperaturen bis weit über
400°C geeignet
ist, wie sie z.B. in Triebwerken von Luftfahrzeugen vorherrschen,
und dabei genaue Messergebnisse bei einer verlängerten Lebensdauer liefert.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Verwendung
eines Hochtemperatur-Drucksensors in einem Triebwerkselement umfasst
der Hochtemperatur-Drucksensor ein aus Saphir gefertigtes Substrat,
in dem eine Ausnehmung zur Bildung eines Innenraums ausgestaltet
ist, eine verformbare Membran, die aus demselben Substrat gebildet
ist und im Betrieb den Innenraum vom Außenraum trennt, um sich bei
einer Änderung
des anliegenden Druckes zu verformen, und ein Dehnungsmesselement,
das auf der Membran angeordnet ist, zur Messung der Verformung der Membran,
wobei das Dehnungsmesselement aus Metalloxid gefertigt ist und das
Substrat ohne ein umgebendes Gehäuse
in dem Triebwerkselement integriert ist.
-
Durch
die Erfindung können
Messungen von Drücken
bei Temperaturen bis weit über
400°C, beispielsweise
bei ca. 1000°C,
erfolgen. Weiterhin ergibt sich insbesondere bei geringeren Temperaturen
eine Verlängerung
der Lebensdauer im Vergleich zu den bisher bekannten Drucksensoren.
Der erfindungsgemäße Drucksensor
eignet sich daher insbesondere auch zum Einsatz in Raketentriebwerken.
Durch die Verwendung von Saphir als Substratmaterial wird darüber hinaus
eine hohe chemische Resistenz erreicht. Durch das auf der Saphirmembran
angeordnete Dehnungsmesselement aus Metalloxid ergibt sich eine
besonders hohe Temperaturstabilität, da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten
beider Materialien sehr ähnlich
sind. Dadurch wird z.B. vermieden, dass sich das Dehnungsmesselement
allein schon aufgrund einer Temperaturänderung der sensitiven Schicht
anders ausdehnt als das Substrat bzw. der Träger und somit Verspannungen
verursacht.
-
Vorteilhafterweise
ist das Dehnungsmesselement aus SnO2 gefertigt,
wobei es insbesondere als Dehnungsmessstreifen in Form einer Dünnschicht-Leiterbahn ausgestaltet
sein kann. Dadurch ergibt sich eine vereinfachte, schnelle und kostengünstige Fertigung.
-
Insbesondere
ist die verformbare Membran einstückig mit dem Substrat ausgebildet.
Dadurch ergibt sich eine noch verbesserte Hochtemperaturstabilität und es
ergeben sich geringere Verspannungen. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass
der Hochtemperatur-Drucksensor mit Techniken der Mikromechanik hergestellt
werden kann.
-
Vorteilhafterweise
ist der Hochtemperatur-Drucksensor zur Integration in einem Turbinenelement,
beispielsweise einer Turbinenschaufel, ausgestaltet. Dies ergibt
sich dadurch, dass der Hochtemperatur-Drucksensor in extrem kleiner
Bauweise gefertigt werden kann und auch ohne Gehäuse einsetzbar ist. Beispielsweise
kann der Innenraum des Substrats erst aufgrund der Integration in
der Turbinenschaufel bzw. durch eine Teilfläche der Turbinenschaufel vollständig verschlossen
werden.
-
Es
ist aber auch möglich,
den Innenraum durch eine Versiegelung hermetisch abzuschließen, die
insbesondere ebenfalls aus Saphir gefertigt ist und z.B. durch Waferbonden
mit dem Saphirsubstrat verbunden ist. Dadurch kann ein Referenzdruck
hinter der Membran bzw. im Innenraum des Substrats erzeugt werden,
wobei der Innenraum beispielsweise evakuiert ist.
-
Vorteilhafterweise
enthält
das Metalloxid bzw. SnO2 eine Dotierung,
wie z.B. Antimon bzw. Sb, wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit
erhöht.
Dadurch wird erreicht, dass die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit
des Metalloxids von der Temperatur abnimmt, wobei mit steigender
Dotierung eine geringere Abhängigkeit
vorliegt. Auf diese Weise können
Messfehler aufgrund von Temperaturänderungen noch besser reduziert
werden. Ein weiterer Vorteil der Dotierung liegt darin, dass die
Gassensitivität bzw. Änderung
der elektrischen Leitfähigkeit
des Metalloxids in Abhängigkeit
von dem jeweils vorhandenen Gas verringert wird und mit zunehmender
Dotierung weiter abnimmt. D.h., es werden Messfehler vermieden,
die dadurch entstehen, dass sich die Zusammensetzung des zu messenden
Gases unerwartet ändert,
was eine Änderung
des elektrischen Widerstandes der gassensitiven Metalloxidschicht
und damit verbundene Messfehler zur Folge hätte.
-
Vorteilhaft
ist auf dem Metalloxid noch zusätzlich
eine Passivierung ausgebildet. Die Passivierung, beispielsweise
Al2O3, kann z.B. über dem
SnO2 abgeschieden werden, um die Gassensitivität weiter zu
verringern. Alternativ kann als Isolator z.B. undotiertes SnO2 verwendet werden, das nach dem Aufbringen
noch oxidiert werden kann, oder SiO2.
-
Bevorzugt
ist das Metalloxid durch Aufdampfen einer Legierung auf dem Substrat
gebildet mit anschließendem
Annealing. Dadurch wird eine Verringerung der Körnigkeit der Oberfläche erreicht,
was zur Folge hat, dass die Gassensitivität des Metalloxids noch weiter
abnimmt, da dessen Oberfläche
geringer ist. Insbesondere kann ein Aufdampfen bzw. Sputtern eines
Gemisches bzw. einer Legierung anstatt einer Oxidation von metallischem
Sn erfolgen.
-
Bevorzugt
umfasst der Hochtemperatur-Drucksensor einen Temperatursensor, der
ein Signal zur Temperaturkompensation des elektrischen Widerstands
des Metalloxids erzeugt. Dadurch werden mögliche Messfehler bei sehr
hohen Temperaturen noch besser reduziert bzw. vermieden. Obwohl der
Widerstand von SnO2 nur gering von der Temperatur
abhängig
ist, wird das Messergebnis durch die Messung der Temperatur und
eine nachfolgende Temperaturkompensation des Signals des Dehnungsmesselements
noch weiterhin verbessert.
-
Vorteilhafterweise
ist der Temperatursensor mäanderförmig ausgestaltet
und aus Platin gefertigt. Zu diesem Zweck wird z.B. abseits der
Membran, d.h. außerhalb
des Bereiches, in dem sich das Dehnungsmesselement bzw. die Dehnungsmesselemente
befinden, ein Platin-Mäander
abgeschieden und strukturiert, der über seinen elektrischen Widerstand als
Temperatursensor dient. Es kann also eine Temperaturkompensation
erfolgen, die beispielsweise über
eine direkte Auswertung des SnO2-Widerstands schwierig
wäre, da
dieser nur eine relativ geringe Temperaturabhängigkeit besitzt.
-
Es
ist z.B. auch möglich,
das Prinzip des Hochtemperatur-Drucksensors – ein Metalloxid-Dehnungsmesstreifen
auf einer Saphirmembran bzw. Saphirbrücke – für andere Messzwecke anzuwenden, insbesondere
zur Kraftmessung.
-
Es
wird zusätzlich
ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Drucksensors angegeben,
mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats aus Saphir; Aufbringen
eines Metalloxids als Dehnungsmesselement auf einen Teilbereich
des Substrats; und Herstellen einer verformbaren Membran aus dem
Teilbereich des Substrats, so dass anschließend das Metalloxid auf der
Membran angeordnet ist, um eine Verformung der Membran zu messen.
-
Insbesondere
wird dabei SnO2 auf Saphir aufgedampft,
um das Dehnungsmesselement zu bilden. Das Metalloxid kann auch durch
Sputtern, MBE oder andere Verfahren aufgebracht werden.
-
Vorteilhafterweise
wird die verformbare Membran aus dem Substrat von dessen Rückseite her
herausgearbeitet, so dass in dem Substrat eine Ausnehmung gebildet
wird.
-
Beispielsweise
wird das Substrat derart geformt, dass auf der Rückseite der Membran ein Innenraum
ausgestaltet ist, der im Messbetrieb hermetisch abgeschlossen ist.
-
Vorteilhafterweise
wird eine Versiegelung aus Saphir durch Waferbonden mit dem Substrat
derart verbunden, dass der Innenraum hermetisch verschlossen wird.
-
Insbesondere
kann das Metalloxid durch dotiertes SnO2 gebildet
werden.
-
Bevorzugt
wird auf dem Substrat ein mäandertörmiges Platinelement
als Temperatursensor ausgestaltet.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben,
in denen
-
1 einen
erfindungsgemäß verwendeten Hochtemperatur-Drucksensor
gemäß einem
ersten bevorzugten Beispiel zeigt;
-
2 einen
erfindungsgemäß verwendeten Hochtemperatur-Drucksensor
gemäß einem
anderen bevorzugten Beispiel zeigt, der durch eine Versiegelung
verschlossen ist;
-
3 ein
Beispiel für
ein Dehnungsmesselement zeigt, das auf einer Membran angeordnet
ist bzw. wird; und
-
4 einen
weiteren erfindungsgemäß verwendeten
Hochtemperatur-Drucksensor
gemäß einem
weiteren bevorzugten Beispiel zeigt.
-
1 zeigt
einen erfindungsgemäß verwendeten
Hochtemperatur-Drucksensor 10 zur Messung von Drücken oberhalb
von 400°C.
Der Hochtemperatur-Drucksensor
bzw. Drucksensor 10 besteht aus einem Substrat 11 aus
Saphir, in dem ein Innenraum 12 ausgestaltet ist. Weiterhin
ist eine verformbare Membran 13 vorgesehen, die im Betrieb
den Innenraum 12 vom Außenraum trennt und sich bei
einer Änderung
des äußeren Druckes
gegenüber
dem Druck im Innenraum 12 verformt. Dabei ist der Innenraum 12 beim
Betrieb des Sensors vollständig
abgeschlossen. Auf der verformbaren Membran 13 ist eine
Anordnung bzw. Struktur von Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c angeordnet,
die aus Metalloxid gefertigt sind und ein Dehnungsmesselement zur Messung
der Verformung der Membran 13 bilden. Dabei ist die Membran 13 ebenfalls
aus Saphir gefertigt.
-
Das
Substrat 11 und die Membran 13 sind einstückig ausgebildet.
D.h., die Membran 13 wird durch einen Teilbereich des Saphir-Substrats 11 gebildet,
das entsprechend geformt ist, um den Innenraum 12 mittels
der Membran 13 nach außen
hin abzugrenzen.
-
Das
Dehnungsmesselement 14a, 14b, 14c ist
im vorliegenden Fall aus SnO2 gefertigt
und als Dehnungsmessstreifen in Form einer Dünnschicht-Leiterbahn ausgestaltet.
Bei einer Verformung der Membran 13 liefert das Dehnungsmesselement 14a, 14b, 14c aufgrund
einer Änderung
seines elektrischen Widerstands ein Signal an eine Auswerteeinheit,
das dem den außen
anliegenden Druck entspricht.
-
Der
Drucksensor 10 gemäß dieser
ersten bevorzugten Ausführungsform
ist zur Integration in ein Turbinenelement, beispielsweise einer
Turbinenschaufel, ausgestaltet. Es kann aber allgemein in Bauteile
jeglicher Art integriert werden, in deren Umgebung der Druck gemessen
werden soll. Dabei wird der Innenraum 12 erst durch die
Integration in das Turbinenelement verschlossen bzw. hermetisch
abgeriegelt, so dass nur noch die Vorderseite 16 des Drucksensors 10 an
den Außenraum
angrenzt, in dem der Druck gemessen wird. Zu diesem Zweck ist die
Rückseite
des Innenraums 12 offen und durch das Substrat 11 umgrenzt,
d.h. der Innenraum 12 bildet eine Ausnehmung in dem Substrat 11.
Aufgrund der besonderen Gestaltung des Drucksensors 10 durch
ein einziges Saphir-Substrat 11, das sowohl die Membran 13 bildet
als auch die Bereitstellung bzw.
-
Umgrenzung
des Innenraums 12 in der Art eines Gehäuses, ergibt sich eine so kleine
Bauweise, dass der Drucksensor in Bauteile mit relativ geringer Dicke,
wie beispielsweise in eine Turbinenschaufel, vollständig integriert
werden kann. Der Drucksensor 10 dieser ersten bevorzugten
Ausführungsform
kann aber auch in ein Drucksensor-Gehäuse eingebaut und dabei kontaktiert
werden. Dabei wird durch entsprechende Gestaltung des Gehäuses der
Innenraum 12 verriegelt bzw. hermetisch abgeschlossen.
-
Bei
der Druckmessung besteht im Innenraum 12 ein Referenzdruck
auf der Rückseite 17 der Membran 13,
so dass die Membran 13 bei einer Änderung des von außen anliegenden
Drucks verformt wird.
-
2 zeigt
einen anderen Hochtemperatur-Drucksensor 20 gemäß einem
zweiten Beispiel. Der Drucksensor 20 entspricht im Aufbau
dem oben beschriebenen Drucksensor 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
wobei jedoch zusätzlich
eine Versiegelung 18 vorgesehen ist, die auf der Rückseite
des Saphir-Substrats 11 derart angeordnet ist, dass sie
den Innenraum 12 verschließt bzw. hermetisch abriegelt.
Dabei ist die Versiegelung 18 ebenfalls aus Saphir gefertigt
und durch Waferbonden mit dem Saphir-Substrat 11 fest verbunden.
Auf diese Weise kann bei der Herstellung ein definierter Referenzdruck,
insbesondere Vakuum, im Innenraum vorgesehen werden. Dadurch entsteht
eine voll funktionsfähige
Drucksensor-Kapsel, bei der alle Elemente sehr ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen.
-
3 zeigt
ein Beispiel für
eine Dehnungsmessstreifen-Struktur, die als Dehnungsmesselement
auf der Membran 13 des erfindungsgemäßen Drucksensors 10, 20 angeordnet
ist. Die Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c sind
mäanderförmig ausgestaltet
und als Dünnschicht-Leiterbahnen
aus SnO2 auf der Membran 13 (s. 1 und 2)
angeordnet. Die Form der Dehnungsmessstreifen-Struktur und ihre äußere Begrenzung
entspricht im Wesentlichen der Membranfläche 13, d.h., die rund
ausgestaltete äußere Begrenzung
bzw. die äußeren Dehnungsmessstreifen 14a, 14c sind
im Randbereich der Membran 13 auf deren Oberseite angeordnet,
während
sich im Zentrum der Membran 13 der Dehnungsmessstreifen 14b befindet.
-
Das
Metalloxid bzw. SnO2 des Dehnungsmesselements 14a, 14b, 14c ist
beispielsweise mit Antimon dotiert, um die elektrische Leitfähigkeit
zu erhöhen
und die Abhängigkeit
der elektrischen Leitfähigkeit
von der Temperatur und darüber
hinaus auch die Gassensitivität
des Metalloxids zu verringern, so dass Messfehler aufgrund einer
sich ändernden
Temperatur oder Zusammensetzung des zu messenden Gases noch besser
reduziert werden.
-
Zur
Herstellung des erfindungsgemäß verwendeten
Hochtemperatur-Drucksensors
wird zunächst
ein Substrat aus Saphir bereitgestellt. Anschließend wird ein Metalloxid, insbesondere
SnO2 auf das Saphir-Substrat aufgebracht,
beispielsweise durch Aufdampfen. Das Metalloxid bildet das spätere Dehnungsmesselement 14a, 14b, 14c.
Nun erfolgt das Herstellen der Membran 13 in dem Saphir-Substrat,
beispielsweise durch Schleifen, Ultraschall-Erodieren, Laserbearbeitung
oder Elektronenstrahl-Dampfverfahren. Dabei wird die Membran aus dem
Teilbereich des Substrats gefertigt, auf dem das Metalloxid bzw.
SnO2 als Dünnschicht-Leiterbahn aufgebracht
ist. Alternativ kann auch zuerst die Membran gefertigt und anschließend das
Metalloxid aufgebracht werden.
-
Da
Saphir auch bei hohen Temperaturen elektrisch isoliert, ist keine
elektrische Isolationsschicht notwendig. Das Metalloxid wird vorzugsweise als
Dünnschicht
auf das Saphir-Substrat aufgebracht. Es kann aber auch als Dickschicht
aufgebracht werden.
-
Das
SnO2 wird z.B. mit Antimon dotiert, um die
Messgenauigkeit des hergestellten Drucksensors noch weiter zu verbessern. Über dem
SnO2 bzw. Metalloxid kann eine Passivierung,
beispielsweise aus Al2O3 abgeschieden
werden, wodurch die Gassensitivität weiter verringert und die
Messgenauigkeit des hergestellten Drucksensors weiter erhöht wird.
-
Optional
wird auf dem Saphirsubstrat noch zusätzlich ein Platinmäander abgeschieden
und strukturiert, der einen Temperatursensor bildet. Das Abscheiden
und Strukturieren des Platinmäanders erfolgt
abseits der Membran, d.h. außerhalb
des Bereichs, in dem sich die Dehnungsmessstreifenstruktur aus SnO2 befindet. Der Temperatursensor ermöglicht eine
Temperaturkompensation, die insbesondere bei sehr hohen Temperaturen
das Messergebnis noch weiter verbessert, wobei der elektrische Widerstand
von SnO2 ohnehin nur eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit
aufweist.
-
Es
besteht weiterhin noch die Möglichkeit, eine
nichtleitende Schicht, insbesondere eine amorphe Schicht, vorzugsweise
SiO2, zwischen Saphir und Metalloxid aufzubringen.
Dadurch werden das Wachstum bzw. die Eigenschaften des Metalloxids positiv
beeinflusst, was sich insbesondere in einer erhöhten Temperaturstabilität äußert.
-
Eine
weitere Möglichkeit
ist in 4 dargestellt. Im Gegensatz zu 2 wirkt
der Druck – und damit
die aggressive Atmosphäre – nicht
von unten auf die Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c,
sondern von oben auf die Membran 13 aus Saphir: Dadurch
lässt sich
der Sensor 30 bzw. die Sensorkapsel selbst in extrem korrosiver
Umgebung einsetzen. Die Membran 13 wird hier in die andere
Richtung durchgedrückt
als bei 2.
-
Wie
bei 2 wird eine Versiegelung 38 aus Saphir
durch Waferbonden aufgebracht. Eine Kavität 39 ist ausgespart,
damit sich die Membran 13 bei Anliegen von Druck nach unten
durchbiegen kann. In der entstehenden Kavität 39 herrscht Referenzdruck, z.B.
Vakuum. Die Herstellung dieser hermetischen Versiegelung ist schwierig,
da die Oberfläche
des Substrates 11 nicht vollständig eben ist. Es müssen nämlich die
elektrischen Anschlüsse
für die
Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c nach
außen
geführt
werden. Zu diesem Zweck ist eine Kontaktierung 35 vorgesehen.
Diese Kontaktierung 35 kann auch durch Metalloxid erfolgen
oder z.B. durch Platin.
-
Als
Alternative zum Waferbonden von zwei Saphiroberflächen lässt sich
eine Zwischenschicht aus Al2O3 aufbringen,
vorzugsweise durch ein SolGel-Verfahren. Substrat und Versiegelung
werden dann aufeinander gedrückt
und durch ein thermisches Verfahren die dazwischenliegende Al2O3-Schicht ausgehärtet. Diese
Al2O3-Schicht und das
Saphir haben sehr ähnliche
thermische Ausdehnunskoeffizienten.