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Piezoelektrische Sensoren Mikro-Sensoren überwachen Flüssigkeitseigenschaften

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Winzige Mikro-Sensoren könnten künftig große hydraulische Maschinen schützen. An der TU Wien wurden piezoelektrische Sensoren entwickelt, mit denen sich die Eigenschaften von Flüssigkeiten wie beispielsweise Öl messen lassen.

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Der neue Flüssigkeitssensor, entwickelt an der TU Wien
Der neue Flüssigkeitssensor, entwickelt an der TU Wien
(Bild: TU Wien)

Wien/Österreich – Wenn Öl altert und seine Eigenschaften verändert, ist das für viele Maschinen ein Problem. An der TU Wien wurden nun Sensoren entwickelt, mit denen man jederzeit den Zustand des Öls messen kann. Sie funktionieren mit Hilfe eines winzigen Aluminiumnitrid-Balkens in Mikrometergröße, der zum Schwingen angeregt wird. Aus dem Widerstand, den das Öl dieser Schwingung entgegensetzt, kann der Zustand des Öls ermittelt werden.

Teure Wartungsarbeiten verhindern

Um die Qualität von Maschinenöl zu messen, werden heute oft aufwändig Proben gezogen und im Labor untersucht. Wenn 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 der TU Wien. Sein Team arbeitete bei dem Projekt mit dem Exzellenzzentrum für Tribologie AC2T in Wiener Neustadt zusammen.

Schwingende Mikro-Balken

Das Herzstück des neuen Sensors ist ein winziger Balken aus Silizium, mit einer Oberfläche aus Aluminiumnitrid und einer Größe von ca. 2500x1300 µm. Seine Schwingungseigenschaften hängen stark von der umgebenden Flüssigkeit ab und können sehr präzise gemessen werden.

Auch bei Rasterkraftmikroskopen macht man sich Schwingungen ähnlicher Balken zu Nutze: Dort muss die Schwingung allerdings mit einem Laserstrahl ausgelesen werden. Das wäre für einen Öl-Test-Chip jedoch viel zu aufwändig.

Das Team der TU Wien entwickelte eine rein elektronische Lösung. Die verwendete Aluminiumnitrid-Schicht ist piezoelektrisch. Es kann durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zum Schwingen angeregt 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.

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