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Funksensor durchbricht 1000-Grad-Celsius-Marke

Das Forschungsteam der CTR hat sich auf die Entwicklung besonderer RFID Sensoren spezialisiert: Auf passive Sensor Systeme, die selbst bei 1000° Celsius Informationen liefern.

<i>Die SAW Funksensoren übermitteln selbst bei extremen Temperaturen - wie in der Stahlindustrie - noch wichtige Informationen</i>

Kompakt, kühl und eher sperrig wirkt der Hochtemperaturofen im Labor des Sensorik Forschungszentrums CTR. Alfred Binder, leitender Forscher bei der CTR blickt dennoch stolz auf die Anzeige des Röhrenofens: 1.140° Celsius. Binder „Das ist ein besonderer Augenblick – trotz der hohen Temperaturen im Ofen können wir mit unserem Messaufbau die elektrischen Signale unseres SAW-Chips, der sich zum Test im Inneren des Ofens befindet, auslesen, und das stabil über Stunden hinweg“.

Wellenreiter

Die CTR Forscher im Bereich der Funksensorik haben sich auf die Entwicklung von passiven Transponder basierend auf sogenannten Oberflächenwellen (engl. Surface Acoustic Wave – SAW) spezialisiert. Da bei der SAW Technologie mit einem piezoelektrischen Kristall gearbeitet wird, liegt die Einsatztemperatur höher als bei Sensoren, die auf dem Halbleitereffekt und Silizium aufbauen. Die SAW Sensoren machen sich einen Piezoeffekt zunutze, indem mittels einer Wandlerstruktur auf der Oberfläche des Sensors so genannte Oberflächenwellen erzeugt werden. Je nach Temperatur oder mechanischer Verspannung des Sensors werden die Oberflächenwellen beeinflusst. Diese Änderung der Oberflächenwellengeschwindigkeit wird für den Sensoreffekt genutzt. Durch Anbringung weiterer Oberflächenwellenreflektoren sind die Sensoren eindeutig unterscheidbar. Dies führt zur Anwendung als Hochtemperatur-Identifikationssystem (RFID – radio frequency identification). Über eine Antenne steht der SAW-Sensor mit dem Sende- und Lesegerät in Funkverbindung und kann sowohl physikalische Größen (Druck, Kraft, Temperatur, Drehmoment) messen oder Objekte identifizieren.

RFID & Temperatursensorik bis + 400°Celsius

„Mit unseren Forschungsarbeiten haben wir schon vor 10 Jahren begonnen. Da ging es darum, die SAW Sensoren für Anwendungen von 150 ° bis 400 °Celsius fit zu machen. Mit unserem Systemwissen waren wir so ziemlich die einzigen, die diese Technologie vom Labor in die in die Praxis vorangetrieben haben.“, so Binder. Die erfolgreichen Forschungsarbeiten begannen in der Automobilindustrie, wo es um die ID von sogenannten Drucksensoren im Motorentwicklungsbereich ging. Einsatztemperaturen von 300 ° Celsius überstanden die SAW-Sensoren ohne Probleme. Mit diesen erfolgreichen Ergebnissen beschritt man gleich weitere Anwendungsfelder. So entwickelte man SAW Sensoren für den Einsatz in Autolackierstraßen, SAW Sensoren zur Temperaturüberwachung an Hochspannungsleitungen oder Transponder zur Identifizierung von Bohrgestängen. Selbst für die NASA belegte man durch eine Machbarkeitsstudie die Einsatzfähigkeit von SAW Sensoren in der Weltraumforschung. Die Stahlindustrie nutzt die Vorteile der SAW Sensoren um die Logistik von Stahl- und Schlacketiegeln zu regeln. Neben den hohen Dauereinsatztemperaturen waren hier auch Reichweiten von vier Metern gefragt. Für die Produktion von Kekswaffelanlagen wurde ein SAW-Sensor entwickelt, der in-line die Backtemperatur, den Backdruck sowie die ID der Backplatte erfasst. Durch die hohe Gammastrahlenresistenz eignen sich die SAW-Sensoren auch für Anwendungen in der Medizin (beispielsweise ID im Sterilisationsprozess) oder in Anlagen mit hoher Strahlenbelastung.

Einsatz von 600 °C bis 1000 ° Celsius

Gemeinsam mit einem Konsortium aus Wissenschaft und Wirtschaft führt die CTR Forschungen durch, um die Temperaturresistenz der SAW-Sensoren nach oben zu treiben. Dazu mussten die Forscher alle Komponenten wie Substratmaterialien, , Elektroden Metallisierungen und Designs, sowie das Packaging neu konzipieren. Im Rahmen von Dissertationen arbeiten die CTR Forscher mit der TU Wien und der Universität Nancy (Insititut Jean Lamour) zusammen. Das CTR Forscherteam verfolgt dabei gleich zwei Entwicklungen im Hochtemperaturbereich von 600°C bis 1000 °C. „Erstens testeten wir basierend auf Langasit verschiedene neue hochtemperature Elektrodenschichten. Eine zweite Entwicklung läuft mit Aluminiumnitrid als piezokeramische Schicht auf dem Trägermaterial Saphir.“, berichtet Binder. Die besondere Herausforderung bei diesen Temperaturen liegt neben der Elektrodenstabilisierung im Packaging also der Fixierung des Chips, der elektronischen Kontaktierung und des hermetisch dichten Verschlusses. Binder: „Unsere Forschungsarbeiten belegten eine Generierung von Oberflächenwellen bei über 1000 ° Celsius über mehrere Stunden hinweg. Während Langasit für Funkfrequenzen von weniger als ein Gigahertz geeignet ist, möchten wir mit der Alu-Nitrit Schicht eine Anregungsfrequenz von 2- 3 GHz erreichen. Diese hohe Frequenz macht die Nutzung eines breitbandigen ISM Bandes möglich und erwirkt, dass man künftig auch RFID Systeme für diesen Temperaturbereich entwickeln kann.“ Auf Anwender- und Herstellerseite kooperiert man mit der Firma Vectron International in Deutschland. Im Rahmen des COMET Programmes soll ein anwendungsorientiertes System für Hochtemperaturmessungen (>600°C) entwickelt werden. Ein erstes Demosystem für Anwender wird für 2013 erwartet.

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<i>Durch die automatisierte Stahlpfannenverfolgung wird u.a. die Pfannenlogistik optimiert, die Prozesssicherheit erhöht und eine bessere Rückverfolgbarkeit erreicht.</i>

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