Neuartige Drucksensoren vertragen auch sehr hohe Temperaturen

Drucksensoren halten im Schnitt nur Temperaturen von 80 bis 125 °C aus. Doch in großen Tiefen – etwa beim Bohren nach Erdöl – ist es oft wesentlich heißer. Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg schafft Abhilfe. Die Forscher haben ein Drucksensorsystem entwickelt, das auch bei 250 °C noch voll funktionsfähig ist.

„Die Drucksensoren bestehen aus zwei Komponenten, die sich auf einem mikroelektronischen Chip oder Wafer befinden“, erklärt Dr. Hoc Khiem Trieu, Abteilungsleiter am IMS. „Die erste Komponente ist der Sensor selbst, die zweite das EEPROM.“ Dieser Baustein speichert alle gemessenen Werte sowie Daten für die Kalibrierung. Damit der Drucksensor auch unter extrem hohen Temperaturen funktioniert, haben die Entwickler den Wafer modifiziert.

Sensor-Entwickler setzen auf Siliziumoxid

Normalerweise sind Wafer Scheiben aus monokristallinem Silizium. Doch in diesem Fall setzten die Wissenschaftler auf Siliziumoxid. „Die zusätzliche Oxidschicht sorgt für eine bessere Isolation“, sagt Trieu. „Sie verhindert Leckströme, die bei besonders hohen Temperaturen auftreten und dafür sorgen, dass herkömmliche Sensoren ab einer gewissen Temperatur versagen.“

Durch die Oxidschicht konnten die Forscher die Isolation der Speicher um drei bis vier Größenordnungen verbessern. Theoretisch könnten die Drucksensoren auf diese Weise bis zu 350 °C Celsius ertragen. Praktisch nachgewiesen haben die Experten eine Stabilität bis zu 250 °C. Weitere Untersuchungen bei höheren Temperaturen sollen nun folgen. Zudem analysieren die Forscher die Prototypen der Drucksensoren in Langzeittests.

Anwendungen werden auch im Automotive-Bereich gesehen

Das Anwendungsspektrum der neuen Sensoren ist breit: Die Ingenieure wollen die Hochtemperatur-Drucksensoren nicht nur in der Petrochemie, sondern auch in Automotoren einsetzen oder für die Geothermie nutzen.