Analyse und Design von Oberflächenwellen-Dehnungssensoren in industriellen Zug-, Spannungsmessverfahren

Akustische Oberflächenwellen (OFW)-Bauteile weisen als passiv funkabfragbare Sensorelemente besondere Potentiale zur Erfassung von mechanischen Spannungszuständen unter rauen Umgebungseinflüssen und an schwer zugänglichen Messstellen auf. In der industriellen Zug-/ Spannungsmesstechnik sind diese aufgrund von Effekten aus der funktionalen Zwischenschicht, die das Messelement mit dem Messobjekt verbindet, nur eingeschränkt nutzbar. Diese Arbeit stellt ein neues Verbindungskonzept zur Integration industriell gefertigter OFW-Dehnungssensoren auf metallischen Substraten unter der Verwendung niedrig schmelzender technischer Glaslote vor. Das Verfahren zur direkten Platzierung der OFW-Sensoren in der flüssigen Glaslotschmelze erlaubt erstmals die gezielte Nutzung der Materialeigenschaften technischer Lotgläser zur Montage mikroakustischer Dehnungssensoren auf metallischen Substraten. Basierend auf den Materialmodellen der Glaslote, zeigt die Simulation der Dehnungsübertragung zwischen dem uniaxial belasteten metallischen Träger und den aufgeglasten Sensoren eine gleichbleibend hohe Dehnungskopplung im Temperaturbereich zwischen 20 °C und 300 °C. Übereinstimmend kann in Validierungsmessungen eine stetige Zunahme der Dehnungssensitivität bis zum oberen Temperaturpunkt der Versuchsreihe bei 250 °C an den aufgelasten Sensoren gemessen werden. Der Vergleich des Chip- und Package-Level Temperaturgangs zeigt weiterhin die Potentiale der Glaslotverbindung zur Teilkompensation der für mechanische OFW-Sensoren charakteristischen thermischen Quersensitivität durch die gezielte Einbringung thermomechanischer Spannungen in der Chipbaugruppe. Das hier vorgestellte ganzheitliche Verbindungskonzept erweitert als Plattform für zukünftige Montageprozesse den Einsatztemperaturbereich mikroakustischer Dehnungssensoren in der industriellen Zug-/ Spannungsmesstechnik.