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Transferprojekt T14

T14 - Entwicklung und Herstellung von direktabgeschiedener Sensorik auf Baugruppen einer Bohrlochgarnitur

 Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 653 „Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus“ ist dieses Transferprojekt in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner entstanden. Ziel des Projekts war die dünnfilmtechnische Herstellung sensibler Dehnungsmessstreifen (DMS), die die mechanischen Belastungen von Bohrgarnituren detektieren können und den Umgebungsbedingungen unter Tage standhalten. Hierzu kam eine neuartige, zum Patent angemeldete Beschichtungsanlage zum Einsatz, die es erlaubt, Sensoren direkt auf Bauteiloberflächen beliebiger Größe abzuscheiden. Das Projekt adressierte neben der Entwicklung temperaturkompensierter DMS auch den Aspekt der Abscheidung auf gewölbten Oberflächen. Hierzu wurde zunächst eine geeignete Isolationsschicht aus Aluminiumoxid entwickelt, die sowohl auf planaren als auch gewölbten polierten Stahloberflächen eine ausreichende Isolation für die DMS bei entsprechender Rauheit und Temperatur gewährleistet. Thermische Untersuchungen haben gezeigt, dass sich von ausgewählten potenziellen Sensormaterialien Konstantan am ehesten für die Anwendung eignet. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands liegt hier bei ‑51,5 ppm/°C und der k‑Faktor bei 2,05 über den gesamten Temperaturbereich von 20 °C bis 200 °C. Die Strukturierung der Sensoren geschah dabei zur ausführlichen Sensorcharakterisierung auf planaren Substraten zunächst mithilfe geätzter, siliziumbasierter Schattenmasken. Direktabgeschiedene Wheatstone’sche Halbbrückenschaltungen zeigten maximale Messabweichungen von 46 µm/m über den Temperaturbereich bis 200 °C, was sich mithilfe eines Temperaturpolynoms auf 10 µm/m reduzieren ließ. Zur Abscheidung von DMS auf metallischen Zylindern wurden zur Strukturierung gelaserte, metallische Schattenmasken eingesetzt, die sich der Wölbung der Oberfläche anpassen konnten. Durch die gezielte Geometrieoptimierung der Masken konnten Strukturabweichungen von 178 µm auf lediglich 15 µm reduziert werden. Die Halbbrücken mit einem k‑Faktor von 1,98 zeigten eine annähernd lineare Dehnung- und Temperaturabhängigkeit. Abschließend sind die Sensoren auf einem Teil eines Bohrlochgestänges abgeschieden worden, sodass ein Demonstrator hergestellt werden konnte.

Abbildung: Direktabgeschiedene DMS auf einer gewölbten Metalloberfläche

TRANSFERPROJEKTLEITER

M. Sc. Rico Ottermann
Institut für Mikroproduktionstechnik
M. Sc. Rico Ottermann
Institut für Mikroproduktionstechnik