Diplomarbeit

Grundlegende Technologieschritte zur Entwicklung eines thermischen
Massenflusssensors bei Common-Rail-Einspritzsystemen

Bearbeiter: 

Christoph Schinke

Einreichung: 31.03.2000

Fachhochschule München:
Fachbereich 06: Physikalische Technik
Schwerpunkt: Mikrosystemtechnik

DaimlerChrysler AG:
Forschung und Technologie
Ottobrunn, Abteilung FT2/M

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ... 5

1 Einleitung  ... 7
1.1 Anforderungen an zukünftige Einspritzsysteme  ... 7
1.2 Common-Rail-Einspritzsystem  ... 8
1.3 Motivation  ... 9

2 Grundlagen der Flusssensorik  ... 10
2.1 Physikalischer Hintergrund  ... 10
2.2 Sensorprinzip und Sensorschaltung  ... 11

3 Sensorlayout und Anforderungsspektrum ... 13
3.1 Aufbau des Sensorelementes  ... 13
3.2 Layout der Heizwiderstände  ... 13
3.3 Anforderungsspektrum  ... 14

4 Technologie und Prozessschritte ...  15
4.1 Substratmaterial  ... 15
4.2 Oberflächenvergütung des Substrates  ... 17
4.2.1 Läppen der Rückseite  ... 17
4.2.2 Polieren der Vorderseite  ... 20
4.3 Temperaturbehandlung des Substratmaterials  ... 24
4.3.1 Auswirkungen auf die Materialkombination Keramik - Glas  ... 24
4.3.2 Ergebnis  ... 26
4.4 Strukturierung des Sinterglases  ... 27
4.4.1 Auswahl des Ätzverfahrens ...  27
4.4.2 Ionenstrahlätzen  ... 28
4.4.3 Ätzmaske aus Aluminium mittels Lift-Off  ... 31
4.5 Realisierung der Heizwiderstände  ... 33
4.5.1 Materialauswahl und Schichtabscheidung  ... 33
4.5.2 Eigenschaften der Aufdampfschicht und Modifikation durch Tempern  ... 34
4.5.3 Strukturierung der Widerstände ... 35
4.5.3.1 Ätzen in HCl/H2O2  ... 36
4.5.3.2 Ätzen in Salpetersäure  ... 36
4.5.3.3 Ätzen in Königswasser  ... 37
4.5.3.4 Besonderheiten im Prozessablauf  ... 38
4.6 Passivierung der Heizwiderstände  ... 39
4.6.1 Materialauswahl und Schichtabscheidung  ... 39
4.6.1.1 Passivierung aus Diamant ...  40
4.6.1.2 Passivierung aus Siliziumkarbid 41
4.6.2 Strukturierung der Passivierung  ... 42
4.7 Zusammenfassung des Prozessablaufes als Flow-Chart  ... 44

5 Charakterisierung der Sensorelemente  ... 46
5.1 Elektrische Charakterisierung der Molybdän-Dünnschicht  ... 46
5.2 Chemische Analyse der Molybdän-Dünnschicht  ... 51
5.3 Charakterisierung der Heizwiderstände mit der Thermokamera  ... 52
5.3.1 Messaufbau  ... 53
5.3.2 Ergebnisse  ... 54

6 Zusammenfassung und Ausblick  ... 57

7 Literaturverzeichnis ...  59

Anhang A: Layout der Heizwiderstände  ... 62

Abbildungsverzeichnis
Bild 1.1: Common-Rail-Einspritzsystem 8
Bild 1.2: Beabsichtigte Integration des Flusssensors in die Einspritzdüse 9
Bild 2.1: Wheatstone-Brückenschaltung mit einem variablen Element 11
Bild 2.2: Funktionsprinzip eines thermischen Massenflusssensors mit zwei Heizwiderständen 12
Bild 3.1: Aufbau des Sensorelementes im Querschnitt 13
Bild 3.2: Kritische Bruchzähigkeit von Silizium und Al2O3-Keramik 14
Bild 4.1: Schematischer Aufbau der Multilayer-Keramik mit Leiterbahndurchführungen 16
Bild 4.2a: Interface Keramik – Sinterglas 16
Bild 4.2b: Oberfläche der Keramik 16
Bild 4.3: Leiterbahndurchführung auf der Substrat-Rückseite nach dem Sintern 18
Bild 4.4a: Läppmaschine 18
Bild 4.4b: Auf Stempel aufgeklebte Probe nach der Ring-Methode 18
Bild 4.5: Einflussparameter beim Planläppen 19
Bild 4.6: Geläppte Oberfläche 20
Bild 4.7: Zusammenstellung verschiedener Prozessparameter beim Polieren 21
Bild 4.8a: Leiterbahndurchführung vor dem Polieren 22
Bild 4.8b: Leiterbahndurchführung nach dem Polieren 22
Bild 4.9: Topografie einer polierten Durchführung 23
Bild 4.10: Probenrand nach einer Temperaturbehandlung 25
Bild 4.11: Aufgeplatzte Luftblase an der Glasoberfläche 25
Bild 4.12: Abnahme der Dichte von Keramik in Abhängigkeit der Ätzzeit 27
Bild 4.13a: Ionenstrahlätzreaktor der Firma TePla 28
Bild 4.13b: Prinzipieller Aufbau des Ionenstrahlätzreaktors 28
Bild 4.14: Ätzrate von Sinterglas beim Ionenstrahlätzen 29
Bild 4.15: Qualitativer Verlauf der Ätzrate in Abhängigkeit des Auftreffwinkels der Ionen 30
Bild 4.16: Winkelabhängigkeit der Ätzrate von Sinterglas und Aluminium 30
Bild 4.17a: Relative Zunahme der Rauhigkeit, abhängig vom Winkel 31
Bild 4.17b: Relative Zunahme der Rauhigkeit, abhängig von der Ätzzeit
Bild 4.18a: Schematische Darstellung des Lift-Off-Prozesses 32
Bild 4.18b: Aluminium-Ätzmaske, realisiert mit Lift-Off-Technik 32
Bild 4.19a: Aufdampfanlage der Fa. Balzers zur Molybdän-Schichtabscheidung 34
Bild 4.19b: Innenansicht der Aufdampfanlage 34
Bild 4.20: Ätzrate von Molybdän in Königswasser bei Raumtemperatur in Abhängigkeit der Verdünnung 37
Bild 4.21a: Ein mit Königswasser strukturierter Dünnfilmwiderstand aus Molybdän 38
Bild 4.21b: Ein mit Königswasser strukturierter Dünnfilmwiderstand aus Molybdän 38
Bild 4.22: Überblick über gängige Passivierungsschichten, nach thermischen Eigenschaften geordnet 40
Bild 4.23: Diamantschicht, auf Keramik/Sinterglas abgeschieden 41
Bild 4.24a: Unerwünscht hoher Wärmefluss über die Passivierung 42
Bild 4.24b: Minimaler Wärmefluss durch Strukturierung der Passivierung 42
Bild 4.25a: Plasmareaktor zum Ätzen von SiC 43
Bild 4.25b: Schematischer Aufbau des Plasmareaktors 43
Bild 5.1: Widerstand einer Molybdän-Teststruktur bei RT in Abhängigkeit von deren L/B-Verhältnis 46
Bild 5.2: Aufgedampfte Molybdän-Dünnschicht mit typisch nadelförmigem Kristallitgefüge 47
Bild 5.3: Zunahme des spezifischen Widerstandes von Molybdän nach Temperung, gemessen bei RT 48
Bild 5.4a: Aufbau des Hochtemperaturmessplatzes 49
Bild 5.4b: Blockschaltbild des Hochtemperaturmessplatzes 49
Bild 5.5: Temperaturabhängigkeit einer 35 nm bzw. 110 nm dicken Molybdän-Dünnschicht 50
Bild 5.6a: Unbehandelte Molybdänschicht („as deposited“) 52
Bild 5.6b: Molybdänschicht, getempert bei 600° C/30 min. 52
Bild 5.7: Gebondete Heizwiderstände aus Molybdän mit Bondpads 53
Bild 5.8: Messaufbau für die Aufnahme von Thermobildern 53
Bild 5.9: Thermobild eines u-förmigen Heizwiderstandes bei kleiner Heizleistung 54
Bild 5.10: Thermobild eines u-förmigen Heizwiderstandes bei hoher Heizleistung 55
Bild 5.11: Temperaturprofil längs eines Heizwiderstandes 55
Bild 5.12: Abhängigkeit der Sensortemperatur von der elektrischen Heizleistung 56
Bild A.1 62
Bild A.2 62
Bild A.3 63

1 Einleitung

1.1 Anforderungen an zukünftige Einspritzsysteme

Aufgrund immer höherer Anforderungen seitens des Gesetzgebers, aber auch des Autofahrers, im Hinblick auf ökologische (niedrige Abgaswerte) und ökonomische (geringer Spritverbrauch) Aspekte sowie Fahrkomfort (Geräuschreduzierung), wurde nach einer Einspritztechnik im Kfz-Bereich gesucht, die alle drei Punkte bestmöglich erfüllt. So will im Zuge der Reduzierung der Emissionen die Europäische Kommission die Abgasgrenzwerte für Pkws und Nutzfahrzeuge deutlich senken: Laut Norm Euro III (die im Jahr 2000 eingeführt werden soll) darf z.B. der Ausstoß von Partikeln bei Diesel-Pkws nur noch 0,05 g/km betragen [1], da hier die erheblichen Umweltwirkungen der Verbrennungsprodukte nicht zu übersehen sind [2]. Ebenso ist eine drastische Reduzierung des NOx- und des HC-Ausstoßes geplant [1]. Im Jahr 2005 soll diese Norm dann von der Euro IV abgelöst werden, in der ungefähr eine nochmalige Halbierung dieser Grenzwerte vorgesehen ist [1].

Diese Auflagen können in Summe mit anderen Einspritzsystemen (Pumpe-Düse, magnetventilgesteuerte Verteilerpumpe) nur schwer oder überhaupt nicht erfüllt werden. Als Alternative zu den eben genannten Systemen bietet sich die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum an. Um jedoch das gesamte Potenzial dieses Konzeptes ausschöpfen und einen optimalen Verbrennungsablauf realisieren zu können, ist eine über den gesamten Drehzahlbereich sehr genau dosierte Piloteinspritzung erforderlich. Man versteht darunter die Einspritzung einer sehr kleinen Kraftstoffmenge in den Brennraum vor der Haupteinspritzung [3]. Die Piloteinspritzung ist hauptsächlich für die Senkung der NOx- u. HC-Emission verantwortlich. Es wird dadurch aber nicht nur der Schadstoffausstoß minimiert, sondern auch die Geräuschemission während des Verbrennungsablaufes und dadurch die mechanische Belastung der Motorbauteile [3], was besonders bei Dieselmotoren aufgrund des höheren Verbrennungsdruckes von Vorteil ist.

Allgemein gesprochen kann durch eine geeignete Gestaltung des Einspritzverlaufes, d.h. konkret durch die zeitliche Trennung von Pilot- und Haupteinspritzung, die Einhaltung der gesetzlich geforderten Grenzwerte realisiert werden, wie ein Vergleich mit Messergebnissen zeigt [4]. Da hier das meiste Entwicklungspotenzial vorhanden ist, basieren die neuen Motorgenerationen fast nur noch auf der Direkteinspritztechnologie. So liegt im Jahr 2000 der Anteil der direkt einspritzenden Dieselmotoren gemessen an der gesamten Dieselmotorenproduktion in Westeuropa bei schätzungsweise 85% [5]. Es gibt verschiedene Lösungsansätze und Verfahren der Direkteinspritzung (z.B. das System „Pumpe-Düse“ oder „Common-Rail“), von denen einige schon in Serie überführt worden sind. Da meine Arbeit auf die Weiterentwicklung des bestehenden Common-Rail-Systems ausgelegt ist, soll nachfolgend kurz darauf eingegangen werden.

1.2 Common-Rail-Einspritzsystem

Aufgrund einer von der Daimler-Benz AG im Jahre 1993 durchgeführten Studie, in der verschiedene Diesel-Direkteinspritzsysteme verglichen wurden, erkannte man die enormen Vorteile des Common-Rail-Systems (CR-Systems) hinsichtlich Geräuschoptimierung und Schadstoffreduzierung. In einem Verbundprojekt u.a. mit der Robert Bosch GmbH wurde dieses System zur Serienreife entwickelt und in die Serienproduktion überführt [6]. Bild 1.1 verdeutlicht schematisch den grundsätzlichen Aufbau dieses Systems.

Bild 1.1: Common-Rail-Einspritzsystem, nach [3], S. 165
[in Downloaddatei enthalten]

Über eine Hochdruckpumpe wird der angesaugte und gefilterte Kraftstoff in die Verteilerleiste, die so genannte Common Rail, befördert und „gespeichert“. Typische Systemdrücke in der Rail betragen 1350 bar [3]. Das „Herzstück“ des CR-Systems bilden die magnetventilgesteuerten Injektoren, über deren jeweilige Einspritzdüse, welche in Bild 1.2 dargestellt ist, der Kraftstoff in den Brennraum gelangt.

Bei schnell laufenden Dieselmotoren ist es notwendig, kleinste Pilotmengen von ca. 1,5 mm3/Hub stabil über den gesamten Drehzahlbereich einspritzen zu können [6]. Im Gegensatz dazu ist beim „Pumpe-Düse-System“ eine stabile Piloteinspritzung nur bis zu einer Drehzahl von maximal 3000/min möglich [6]. Der Vorteil, Pilot- und Haupteinspritzung frei wählen zu können, ist der Hauptgrund für die Bevorzugung des CR-Systems. Die Steuerung des gesamten Einspritzverlaufes während eines Arbeitsspieles stellt jedoch ein noch zu optimierendes Problem dar.

1.3 Motivation

Ein Lösungsansatz besteht darin, eine zuverlässige Methode zu entwickeln, mit der die Einspritzmengen genau bestimmt werden können. Das Ziel der derzeitigen Forschungsarbeit auf diesem Gebiet bei der DaimlerChrysler AG ist die Entwicklung eines Systems zur integrierten Durchflussmessung. Das Kernstück dieses Systems bildet, wie in Bild 1.2 dargestellt ist, ein Flusssensor, der im Bereich der Düsenspitze in die Einspritzdüse integriert werden soll.

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