Feuer strömt aus Auspuff mit Hochtemperatursensor

Kompaktere Designs für Hochtemperatursensoren

In Zukunft müssen Hochtemperatur-Sensoren für modernes Motor-Management und Technologien zur Abgasnachbehandlung höhere Ansprüche erfüllen. Gefragt sind höchste Langlebigkeit und Zuverlässigkeit sowie deutlich kleinere und einfachere Designs für kostengünstige Integration und schnellere Reaktionszeiten. Innovative Glaskeramik-Materialien ermöglichen nun die Entwicklung von Sensoren, die extremer Hitze von mehr als 1.000 °C widerstehen und gleichzeitig äußerst kompakte und effiziente Bauformen erlauben.

In Zukunft müssen Hochtemperatur-Sensoren für modernes Motor-Management und Technologien zur Abgasnachbehandlung höhere Ansprüche erfüllen. Gefragt sind höchste Langlebigkeit und Zuverlässigkeit sowie deutlich kleinere und einfachere Designs für kostengünstige Integration und schnellere Reaktionszeiten. Innovative Glaskeramik-Materialien ermöglichen nun die Entwicklung von Sensoren, die extremer Hitze von mehr als 1.000 °C widerstehen und gleichzeitig äußerst kompakte und effiziente Bauformen erlauben.

Um den Schadstoffausstoß gemäß Abgasnormen wie EURO 6 und in Zukunft EURO 7 zu messen, kommen immer mehr Sensoren im Abgasstrang und in Motornähe zum Einsatz. Der limitierte Bauraum erfordert kleine, robuste Sensoren, die einfach und kostengünstig zu integrieren sind. Diese müssen hoch temperaturbeständig sein und unter extremen Bedingungen zuverlässig und dauerhaft funktionieren. Die Überwachung der Temperatur, der Konzentration von Stickoxiden oder Rußpartikeln findet bei größter Hitze und in korrosivem Umfeld statt. In Abgasanwendungen müssen Sensoren Temperaturen von bis zu über 1000 °C und mehreren tausend Temperaturwechselzyklen standhalten. Gleichzeitig müssen sie chemischen Einflüssen wie etwa Benzin- oder Dieseltreibstoffen samt entsprechenden Abgasen sowie der Harnstofflösung AdBlue widerstehen.

Sensoren in Abgasanwendungen müssen Temperaturen von 1000°C und mehr standhalten.
Heatan™ Sensordurchführungen von SCHOTT verfügen neben hoher Temperatur- über eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber Diesel / Benzin, Abgasen und Chemikalien wie zum Beispiel AdBlue.

Hoher Platzbedarf fordert heraus

Um diese Beständigkeit zu erreichen, setzen bisherige Sensorlösungen in den genannten Applikationen auf eine Konstruktion aus vielen Einzelkomponenten. Eine zentrale Komponente und Herausforderung ist dabei die versiegelte Sensor-Durchführung, mit deren Hilfe Strom bzw. Messdaten störungsfrei durchgeleitet werden. Bei ihrer Herstellung kommen bisher keramische Pulver oder gesinterte Keramikelemente zur elektrischen Isolierung und zum Schutz vor Hitze und Korrosion zum Einsatz. Diese werden von Metallringen oder -federn in Position gehalten. Die einzelnen Komponenten in solchen Sensor-Durchführungen benötigen Platz, wodurch das Design relativ groß und komplex wird für die Integration in einem Abgassystem. Zudem erfordert die Herstellung dieses Multi-Komponenten-Systems viele Fertigungsschritte.

Einfacher: Während konventionelle Sensorgehäuse aus einer Vielzahl von Einzelteilen und Fertigungsschritten bestehen, ermöglichen HEATAN™ Sensordurchführungen eine hohe Temperatur- und Medienbeständigkeit als Einzelkomponente.

Kompakt und einfach: Sensor-Designs mit HEATAN™

Neuartige HEATAN™ Sensordurchführungen erreichen die geforderte Robustheit als einbaufertige Einzelkomponente, die aus nur drei Teilen hergestellt wurde: Gehäuse, Metallleiter und Glaskeramik-Versiegelungsmaterial. Zu ergänzen sind nur noch Aufsatz und Verkabelung. Durch die geringere Anzahl an Einzelteilen und Produktionsschritten reduzieren sich die Kosten für Einkauf und Montage mit HEATAN™ Durchführungen. Sensorhersteller profitieren von einer einfachen und wirtschaftlichen (Ersatz-)Lösung nach dem Prinzip „Fit & Forget“. Im Vergleich zu herkömmlichen Durchführungen für Hochtemperatursensoren ermöglicht HEATAN™ ein äußerst einfaches wie auch kompaktes Sensordesign. Die Durchführungen sind individualisierbar, schnell und leicht zu integrieren. Sie lassen sich mit einem Außengewinde ausstatten, um die Komponente mit anderen Teilen oder Geräten wie etwa Auspuffrohre von Verbrennungsmotoren zu verschrauben. Die Gewindedurchmesser sind kleiner als 14 Millimeter bzw. liegen vorzugsweise zwischen den Gewindegrößen M14 und M4. Angesichts dieser Größen lässt sich die Zahl der Sensorkomponenten in einem Abgassystem erhöhen oder Sensoren auch in Engstellen platzieren.

Kleiner als konventionelle Lösungen: SCHOTT Heatan™ Durchführungen ermöglichen Hochtemperatur-Sensor-Designs der nächsten Generation.

Glaskeramik widersteht 1000 °C und mehr

Die innovativen HEATAN™ Sensor-Durchführungen entstehen in einem effizienten Produktionsprozess auf Basis einer einzigartigen Materialkombination: Glaskeramik und-Metall. Grundlage ist die bewährte Technologie der hermetischen Glas-Metall-Versiegelung, die seit Jahrzehnten in zahlreichen Automotive-Anwendungen eingesetzt wird, etwa für Airbagzünder-Durchführungen. Die stromführenden Metall-Kontakte werden absolut gasdicht in Glas eingeschmolzen. In Hochtemperatur-Anwendungen lässt sich nun statt Glas hoch temperaturbeständige Glaskeramik einsetzen – mit einem ähnlichen Prinzip, das seit langem auch für CERAN® Glaskeramik-Kochflächen eingesetzt wird.

Dabei wird das Dichtungsmaterial erhitzt und geht eine direkte Verbindung mit den Metallkomponenten ein. Dadurch entfallen Ringe oder Federn zur Fixierung des Isolationsmaterials. Im Vergleich zu konventionellen Durchführungen können Glaskeramik-Dichtungen somit eine höhere Robustheit und Verlässlichkeit erzielen. Bei der Fertigung folgt auf die Schmelz- und Glasphase in einem definierten Temperaturprozess die Keramisierungsphase. Diese schafft die geforderte mechanische Materialstabilität bei extremen Temperaturen. Die so gefertigte Glaskeramik bietet eine zuverlässige Versiegelung bei Betriebstemperaturen über 300°C und Spitzenwerten von über 1.000°C und bei extremer Beanspruchung durch aggressive Chemikalien und Abgase. Sie widersteht zugleich Temperaturwechselzyklen entsprechend einer Gesamtstrecke von – je nach Design – bis zu 300.000 Kilometern.

Das revolutionäre Glaskeramik-Material kombiniert das Beste aus zwei Welten: Während der Herstellung ermöglicht die „Glasphase“ eine direkte Verbindung mit Metall oder Keramik. Durch die „Keramisierung“ wird die hohe Temperaturbeständigkeit erreicht.

10. Februar 2020

Kontakt

Mark Stronczek
Electronic Packaging
SCHOTT AG

nach oben