ISBN 978-3-8439-1667-7

978-3-8439-1667-7, Reihe Mikrosystemtechnik

Michaela Grosser
Robuste Dünnschichtsysteme für Hochtemperaturdrucksensoren

203 Seiten, Dissertation Technische Universität Wien (2014), Softcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

In dieser Arbeit werden Technologien und Materialien zur Herstellung eines Hochtemperatur-Hochdrucksensors vorgestellt, der z.B. in Gasturbinen eingesetzt werden soll. Das Anforderungsprofil des Sensorelementes sieht einen Einsatz bei Temperaturen bis zu 650°C und Systemdrücken von 250 bar vor. Der vorgestellte Drucksensor nutzt die Dehnungsempfindlichkeit von hochtemperaturstabilen Metallisierungssystemen zur Signalerzeugung aus. Membran und Sensorkörper bestehen aus einem robusten, glaskeramischen Material, welches mit Hilfe der Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) Technologie hergestellt wird.

In der Arbeit werden Metallisierungssysteme mit und ohne Passivierungsschicht für den Einsatz bis 650°C in Normalatmosphäre detailliert untersucht. Im ersten Ansatz werden als sensorische Schichten Tantalnitride vermessen. Als Verfahren zur Herstellung der Dünnfilme wurde das reaktive DCMagnetronsputtern eingesetzt. Durch eine maßgeschneiderte Phasenzusammensetzung ist ein Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes nahe 0 möglich. Jedoch wird eine ausreichende Hochtemperaturfestigkeit in Normalatmosphäre nur durch Applizierung einer zusätzlichen Passivierungsschicht, wie z.B. aus Aluminiumnitrid, sichergestellt oder der Einsatzbereich des Sensors muss auf Temperaturen bis ca. 350°C begrenzt werden. Der zweite Ansatz bedient sich einer Platin- Metallisierung, welche nicht zwingend durch eine zusätzliche Passivierungsschicht geschützt werden muss. Dies führt zu einer vereinfachten Herstellung des Sensorelementes, wobei ein hoher Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes eine sehr präzise Temperaturmessungen auf dem Sensorchip voraussetzt, um die druckabhängigen Ausgangskennlinien des Sensorelementes korrekt zu interpretieren.

Der Hauptteil der Arbeit zeigt detaillierte Studien zum Einfluss verschiedener Substrate, wie Silizium und LTCC, auf die Morphologie und Phasenbildung in Tantal- und Platin- basierten Dünnschichten, sowie zur Oxidationskinetik und zur Variation der elektrischen und mechanischen Schichteigenschaften in Abhängigkeit der Abscheideparameter und von „Post deposition annealing“- Schritten. Ferner widmet sich vorliegende Arbeit ausführlich der Bestimmung der Dehnungsempfindlichkeit der Dünnschichten unter Hochtemperaturbedingungen. Abschließend werden Herstellung und erfolgreiche Charakterisierung von Hochtemperaturhochdrucksensorelementen vorgestellt und diskutiert.