Der piezoelektrische Mikro-Sensor misst die Dichte und Viskosität von Flüssigkeiten. Die Auslesung des Messwertes erfolgt - abhängig von der umgebenden Flüssigkeit - durch eine Leitfähigkeitsänderung des schwingenden Piezoelementes (Bild: TU Wien)
Um die Qualität von Maschinenöl zu messen, werden heute oft aufwändig Proben gezogen und im Labor untersucht. Wenn zum Beispiel große Spezialhydraulikmaschinen aus diesem Grund tagelang nicht verwendet werden können, kostet das viel Geld. „Wir haben uns daher das Ziel gesetzt, einen Mikro-Sensor zu entwickeln, der direkt in der Maschine Dichte und Viskosität des Öls messen kann und somit jederzeit Auskunft über den Alterungszustand des Öls gibt“, sagt Prof. Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme. Sein Team arbeitete bei dem Projekt mit dem Exzellenzzentrum für Tribologie AC2T in Wiener Neustadt zusammen.
Das Herzstück des neuen Sensors ist ein winziger Balken aus Silizium, mit einer Oberfläche aus piezoelektrischem Aluminiumnitrid und einer Größe von etwa 2.500 x 1.300 µm. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung wird er zum Schwingen angeregt. Seine Schwingungseigenschaften hängen stark von der umgebenden Flüssigkeit ab und können sehr präzise gemessen werden. „Wenn der Balken schwingt und sich verformt, dann entstehen an der Oberfläche freie elektrische Ladungsträger und die Leitfähigkeit ändert sich“, erklärt Martin Kucera, Dissertant von Prof. Schmid. Die Schwingung kann also sowohl elektronisch angeregt als auch elektronisch ausgelesen werden.
Entscheidend war die Entwicklung einer speziellen elektronischen Schaltung: Das Messsignal wird auf das Eingangssignal zurückgeführt, diese Rückkoppelungsschleife ermöglicht eine sehr genaue Messung der Resonanzeigenschaften des Balkens. Dabei war eine effiziente Rauschfilterung nötig, damit nur das gewünschte Signal verstärkt wird, nicht aber ein störendes Zufallsrauschen.
Ein großer Vorteil der neuen Messmethode ist, dass sie sich gut in bereits verwendete Systeme einbauen lässt. Aluminiumnitrid ist ein Standardmaterial, das heute in jeder Halbleiterfabrik sehr einfach eingesetzt werden kann. Die verwendete Elektronik lässt sich problemlos miniaturisieren, zum Anregen der Schwingung braucht es keine aufwändigen technischen Vorrichtungen. Man kann deshalb das Messsystem kompakt ohne Schwierigkeiten in einen Multifunktions-Chip einbauen, der auch noch andere wichtige Daten in der Maschine misst. Eine bereits zum Patent angemeldete, spezielle Ausführungsform dieser Forschungsergebnisse kann besonders vorteilhaft bei großen und teuren Maschinen angewendet werden.
Weblink zum Thema
Die Originalpublikation mit dem Titel „Design-dependent performance of self-actuated and self-sensing piezoelectric-AlN cantilevers in liquid media oscillating in the fundamental in-plane bending mode“ können Sie kostenpflichtig bei www.sciencedirerect.com beziehungsweise mit diesem Link aufrufen.
(dw)
