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Organisationseinheit der BAM
Das Ziel des Gesamtvorhabens bestand darin, einen neuartigen kapazitiven Sensortyp zur hochauflösenden Bestimmung von Masse- und Gravitationskraftänderungen zu entwickeln. Bisherige Technologien nutzten dafür Federn oder Biegebalken aus gehärteten metallischen Werkstoffen, deren Alterungsverhalten die Präzision der Kräftemessung begrenzen. Grundprinzip des neuen Sensortyps ist es, eine auf die keramische Feder einwirkenden Änderung der Gewichts- oder Gravitationskraft durch eine Erfassung der Kapazitätsänderung am Sensor zu bestimmen. Dazu muss die durch Stauchung oder Dehnung der Feder entstehende Kapazitätsänderung mit hoher Auflösung reproduzierbar gemessen werden. Neben einem geeigneten Sensordesign waren Lösungen für Messsignalerfassung und -auswertung (Elektronik/Software) und die Systemintegration zu entwickeln.
Die wichtigsten im Rahmen des BAM-Teilvorhabens erzielten Ergebnisse sind:
- Ausgehend von kommerziellen High-end Keramikpulvern wurden durch Optimierung der keramischen Technologie nahezu porenfreie Al2O3, ZrO2 und Si3N4-Werkstoffe hergestellt und bezüglich Gefüge und Phasenbestand sowie mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bewertet. Insbesondere die defektfreie Herstellung von nanostrukturierten Werkstoffen erforderte umfangreiche Variationen der Prozessparameter. Geeignete Werkstoffvarianten wurden für die Federherstellung ausgewählt.
- Gemeinsam mit den Projektpartnern wurden Layoutvarianten für Schraubendruckfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt und für die Federeinbindung in das Sensorsystem erarbeitet.
- 4 Federvarianten wurden an der BAM durch Hartbearbeitung von gesinterten Hohlzylindern umgesetzt. Fertigungstoleranzen von < ±10 µm für Windungsbreite, Windungshöhe und Windungsabstand und dünnfilm-kompatible innere Windungsflächen (Ra < 0,2 µm) wurden erreicht. Al2O3- und ZrO2-Federn können rissfrei und mit sehr guter Kantenqualität gefertigt werden, bei Si3N4-Federn konnten Kantenschädigungen nicht vollständig verhindert werden.
- Mit der entwickelten Herstellungstechnologie können sowohl „harte“ als auch sehr „weiche“ Federn produziert werden. Federkonstanten zwischen 0,02 N/mm und 10 N/mm wurden realisiert. Die Reproduzierbarkeit der Federfertigung ist gegeben, innerhalb einer Charge unterschieden sich die Federkonstanten der gefertigten Federn nur um etwa +/- 1%.
- An einem speziell entwickelten Versuchsstand wurden die Federn unter zyklischer Druckbelastung im Temperaturbereich von -20 bis +80 °C untersucht. An den Al2O3- und ZrO2-Federn wurden keine Schädigungen beobachtet, die Federkonstante wird durch die zyklische Langzeitbelastung nicht verändert.
- Die Eignung der keramischen Federn für den Applikationsfall wurde mit zahlreichen Spannungs-Dehnungs-Experimenten, teilweise an speziell aufgebauten Versuchsapparaturen, untersucht. An Al2O3- und Si3N4-Federn wurde – wie erwartet – gefunden, dass die Federkonstante unabhängig von der Belastungsgeschwindigkeit ist und unter konstanter Last auch über lange Zeiträume keine Verformung auftritt. Überraschenderweise zeigten ZrO2 (TZP)-Federn ein zeitabhängiges Verhalten unter Last. Dieses ist besonders stark bei Y-stabilisierten Werkstoffvarianten ausgebildet, wurde aber mit Hochpräzisionsmessungen auch bei Ce-stabilsierten Werkstoffen nachgewiesen. Die Deformation ist reversibel, eine vollständige Relaxation wird erst nach Tagen erreicht. Aufgrund der zeitabhängigen Verformung können ZrO2 (TZP)-Federn, trotz ihrer hervorragenden Festigkeit und Bruchzähigkeit, nicht für die konzipierten Sensorfedern eingesetzt werden.
- Das durch die Fa. Siegert TFT entwickelte Metallisierungs-Schichtsystem, bestehend aus aufgesputterten Ti-, Pt- und Au-Schichten verstärkt durch eine galvanisch aufgebrachte Au-Schicht, wurde an der BAM umfassend bewertet. Die Schichten sind untereinander und mit der Keramik weitgehend defektfrei verbunden, die lokale Schichtdicke schwankt jedoch bedingt durch Abschattungseffekte während der Beschichtungsvorgang. Es wurden Schichtwiderstände zwischen 50 und 90 Ohm und damit die Zielvorgabe des Projektes (< 100 Ohm) erreicht. In statischen und dynamischen Belastungstests wurden keine Veränderungen der Leitungswiderstände festgestellt.
- Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators kann der Raum zwischen den Federwindungen statt mit Luft mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt werden. Als geeignete Flüssigkeit wurde Propylencarbonat mit einer Dielektrizitätskonstante von 65, einem hohen Siedepunkt und einer geringen Viskosität identifiziert. Um eine noch höhere Dielektrizitätskonstante zwischen den Federwindungen zu erreichen. wurden Suspensionen aus Silikonöl und nanokristallinem Bariumtitanat hergestellt und bezüglich ihrer Langzeitstabiltät charakterisiert.
- Gemäß den Anforderungen des Projektpartners KOMPASS wurden maßgeschneiderte Al2O3-Federn mit einer Federkonstante < 0,1 N/mm hergestellt und für den Aufbau des finalen Demonstrator eingesetzt.
Die prinzipielle Funktionsfähigkeit des neuen Sensorkonzeptes auf Basis keramischer Federn wurde mit dem im Projekt aufgebauten Demonstrator nachgewiesen. Die Umsetzung der F+E-ergebnisse in eine industrielle Nutzung zur Herstellung von Gravimetern wird vom Projektpartner KOMPASS angestrebt und ist bereits mit detaillierten Zeitplänen untersetzt.
Continuously tuneable liquid crystal based stripline phase shifter realised in LTCC technology
(2015)
This work presents the design, fabrication and measurements of a low temperature cofired ceramic (LTCC) integrated liquid crystal (LC) phase shifter. The effective permittivity of the phase shifter and therefore its differential phase shift can be tuned continuously by orienting the LC directors with electric fields. The phase-shift demonstrator is designed for Ka-band frequencies around 30 GHz and represents a stripline filled with LC, embedded inside an LTCC multilayer structure, which provides a space-qualified and hermetically-sealed LC cavity within an RF-capable material system. The total length of the device is 37 mm while the phase shifting LC section has a length of 14.6 mm. At 30 GHz it exhibits a differential phase shift of 60° with an insertion loss around 6 dB, resulting in a figure of merit around 10°/dB. An advantage is that the insertion loss is nearly independent of the tuning state of the LC. The response time of the phase shifter, depending on the desired LC orientation, is between 62 ms and 37 s.
Metallic springs undergo oxidation and creep at elevated temperatures and their use is limited to temperature of about 650°C. Therefore, there is a need for stable materials which can easily withstand temperatures up to 1000°C for long periods in different atmospheres. Ceramic materials have been drawing attention due to their excellent properties. This work aimed at investigating the high-temperature stability of zirconia and alumina ceramic springs at elevated temperatures under different atmospheres (air, N2 and H2) in order to determine the limitation of use of these ceramic springs.
New applications of ceramic multilayers, for example, in biotechnology, sensor technology, and chemical micro-reaction technique, call for cavities with complex geometries. Hot embossing offers a promising, cost-effective way to generate these structures on the surfaces of green tapes or laminates. Cavities inside low-temperature co-fired ceramic multilayer were manufactured by a combination of hot embossing, lamination by a special adhesive technique, and zero shrinkage sintering. The edge and surface quality in the green state as well as the sintered multilayers with surface structures and cavities were extensively characterized by laser surface scanning, optical and ultrasound microscopy. Sintering shrinkage of hot-embossed laminates could be reduced in the x and y directions to less than 0.5%.
Implementation of Ba0.6Sr0.4TiO3-ZnO-B2O3 based tunable microwave phase shifters in LTCC technology
(2017)
Tunable dielectric Ba0.6Sr0.4TiO3-ZnO-B2O3 thick-films were analyzed regarding their integration potential into the LTCC technology. Therefore, tunable loaded line phase shifters based on metal-insulator-metal varactors with single- and double- printed BST thick-films were fabricated and co-sintered inside a four layer LTCC module. Microstructural and chemical investigations showed a sufficient compatibility and adhesion between the silver, BST composite and LTCC layers and a resulting morphology depending on the processing route. The microwave characterization of the LTCC-embedded phase shifters revealed comparable results to phase shifters with the same design on alumina substrates.