Mikro-Sensoren überwachen Flüssigkeitseigenschaften

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. 2500×1300 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.

Resonanzeffekte für Präzisions-Messungen

Resonanzphänomene kennt man aus vielen technischen Bereichen – etwa das Rütteln der Waschmaschine, bei einer bestimmten Umdrehungszahl. Die Resonanzfrequenz der Waschmaschine hängt davon ab, mit wie viel Wäsche sie beladen ist, das Resonanzverhalten des Aluminiumnitrid-Balkens wird von der Temperatur, der Dichte und der Viskosität der umgebenden Flüssigkeit beeinflusst.

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.

(Technische Universität Wien, 08.07.2014 – AKR)