Entwicklung eines Vergusses des piezoresistiven Verbundelementes als Packaging des Hochdruck-Sensors

Zusammenfassung: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion und Herstellung eines Polymervergusses des am Institut EMK entwickelten piezoresistiven Verbundelements als Packaging des Hochdruck-Sensors für einen Nenndruckbereich bis 1000 bar. Aktuell werden Silizium-Drucksensoren aufgrund ihrer starken Korrosionsneigung durch Passivierungsschichten und einem Packaging bestehend aus Edelstahlgehäuse und Metallmembran mit Ölfüllung geschützt. Diese Form des Packagings ist sehr aufwendig und teuer. Eine günstige und unkomplizierte Alternative stellt der Verguss des Messelements dar und wird als Einfach-Packaging bezeichnet. Dies wird bislang bis maximal 10 bar eingesetzt. Die in dieser Arbeit entwickelten Polymervergüsse realisieren eine Medientrennung und bieten einen mechanischen Schutz für Messelement und Bonddrähte im Hochdruckbereich bis 1000 bar. Durch theoretische Überlegungen werden wichtige Materialeigenschaften für einen Polymerverguss herausgearbeitet. Bei Druckbelastung darf sich das Material nur minimal komprimieren, da es sonst zum Abreißen der Bonddrähte kommt. Für ein reproduzierbares Sensorverhalten muss diese Komprimierung rein elastisch sein. Darüber hinaus darf keine Materialbewegung wärend der Härtung des Polymers, in der Literatur Schrumpfung genannt, auftreten. Diese Anforderungen wird nur durch additionsvernetztende Silikone des Shore-A Härtebereichs erfüllt, da keine Abspaltprodukte bei der Vernetzung entstehen. Alle ausgewählten Silikone besitzen eine hohe Adhäsion auf Metallen um ein Einkriechen von Stoffen am Materialübergang zu vermeiden. Der Vergleich verschiedener Vergussgeometrien zeigt den Kegelstumpfverguss als Optimierung des Zylindervergusses hinsichtlich einer verbesserten Adhäsion auf der Randeinfassung. Der Vergussvorgang wird hinsichtlich einer homogenen Vergussform optimiert. Dies wird durch wiederholtes, stoßweises Entgasen der Vergussmasse sowie einem Zwei-Phasen-Verguss realisiert. Dieser beinhaltet das Ausgießen der Kontaktstifte zur Vermeidung von Lufteinschlüssen und das anschließende Befüllen der restlichen Vergussform. Bei der abschließenden messtechnischen Charakterisierung weisst der mit QLE1102 der Firma ACCSilicones vergossene Sensor die besten Ergebnisse auf. Dieser Sensor liefert einen maximaler Übertragungsfaktor von B0 = 5,62 µV/Vbar bei einem Nenndruckbereich bis 1000 bar. Dies entspricht einer Empfindlichkeit von 98,33% im Vergleich zu einem unvergossenen Sensor. Die Forderung eines Linearitäts-, sowie Hysteresefehlers von jeweils < 5% wird mit F(Lin)=1,64% und F(Hys)=1,02% deutlich unterschritten. Im Hinblick auf die Erweiterung des Nenndruckbereichs konnte das Material bereits erfolgreich bis 5000 bar getestet werden

Silicone encapsulation of the piezoresistive composite element as a low-cost packaging for measuring high-pressure

AbstractThis paper presents various silicone encapsulations of the novel high-pressure composite element. Measurements at 100MPa (1 000bar or 14 500 psi) for different setups have been carried out successfully. The sensitivity of the softest truncated-cone-like encapsulated setup is nearly not reduced at 100MPa, while the sensitivity of the harder encapsulations is reduced by 2% respectively 4% compared to the bare composite element