Herstellung einer Messküvette als Teil eines Messsensors für Echtzeit Ölqualitätsmessungen

Abstract:
In diesem Beitrag wird die Entwicklung und Herstellung einer Messküvette dargestellt, welche zur Echtzeit-Analyse von Ölen unter hohem Druck dient. Das Messprinzip basiert dabei auf der Verwendung von infraroter Strahlung. Das IR-Transmissionsverhalten von Ölen verändert sich in Abhängigkeit vom deren Wassergehalt, Partikelgehalt und der Degeneration der Additive, sodass Rückschlüsse auf den Zustand des Öles geschlossen werden können. Der Sensor besteht aus einem IR-Emitter. Dieser sendet infrarote Wellenlängen aus, welche eine Messküvette passieren. In der Messküvette befindet sich dabei das zu messende Öl. Auf der Rückseite des Sensors wird das Signal von einem Detektor empfangen und analysiert. Die Messküvette muss dabei hohen Drücken (bis zu 400 bar) standhalten und das Material aus dem sie besteht muss eine hohe Transparenz im infraroten Wellenlängenbereich aufweisen (1-8 µm). Hierfür ist Silizium prädestiniert. Um den hohen Drücken standhalten zu können, müssen die Substrate (Wafer) mindestens eine Dicke von 2 mm aufweisen. Derartig dicke Wafer besitzen i. d. R. einen großen Waferbow und sind unflexibel, wodurch ein gesamtflächiges Bonden mit konventionellen Bondverfahren verhindert wird. Daher wurde hier auf die SiCer-Technik zurückgegriffen. Dabei werden die Wafer mit Nanostrukturen (Black Silicon) versehen. Eine LTCC-Keramik, welche speziell auf den Ausdehnungskoeffizienten von Silizium angepasst ist, wird als Zwischenschicht verwendet. Durch Zusammenlaminieren bei 55 bar und anschließendem Drucksintern entsteht eine quasimonolithische Verbindung. Mit diesem Verfahren konnten bisher Haftzugfestigkeiten von bis zu 5000 N/cm² erreicht werden [1]. Neben der hohen Festigkeit der Verbindung ist ein großer Vorteil des neuartigen Bond-Verfahrens, dass sich die LTCC-Keramik vor dem Prozessieren bearbeiten lässt. So ist es möglich, dass die für den Messraum der Küvette notwendige Kanäle integriert werden können. Weiterhin kann die Kanaldicke eingestellt werden, indem unterschiedlich viele LTCC-Lagen vor dem Prozess zusammenlaminiert werden. Der Herstellungsprozess insbesondere das sequentielle Laminieren, das optische Justieren sowie das Handling von flexiblen und unflexiblen Substraten werden erläutert. Anschließend werden die Ergebnisse der Untersuchungen zur Haftfestigkeit und zur Berstfestigkeit der Küvetten dargestellt.