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. [...]
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Anforderungen an zukünftige Einspritzsysteme
1.2 Common-Rail-Einspritzsystem
1.3 Motivation
2 Grundlagen der Flusssensorik
2.1 Physikalischer Hintergrund
2.2 Sensorprinzip und Sensorschaltung
3 Sensorlayout und Anforderungsspektrum
3.1 Aufbau des Sensorelementes
3.2 Layout der Heizwiderstände
3.3 Anforderungsspektrum
4 Technologie und Prozessschritte
4.1 Substratmaterial
4.2 Oberflächenvergütung des Substrates
4.2.1 Läppen der Rückseite
4.2.2 Polieren der Vorderseite
4.3 Temperaturbehandlung des Substratmaterials
4.3.1 Auswirkungen auf die Materialkombination Keramik - Glas
4.3.2 Ergebnis
4.4 Strukturierung des Sinterglases
4.4.1 Auswahl des Ätzverfahrens
4.4.2 Ionenstrahlätzen
4.4.3 Ätzmaske aus Aluminium mittels Lift-Off
4.5 Realisierung der Heizwiderstände
4.5.1 Materialauswahl und Schichtabscheidung
4.5.2 Eigenschaften der Aufdampfschicht und Modifikation durch Tempern
4.5.3 Strukturierung der Widerstände
4.5.3.1 Ätzen in HCl/H2O2
4.5.3.2 Ätzen in Salpetersäure
4.5.3.3 Ätzen in Königswasser
4.5.3.4 Besonderheiten im Prozessablauf
4.6 Passivierung der Heizwiderstände
4.6.1 Materialauswahl und Schichtabscheidung
4.6.1.1 Passivierung aus Diamant
4.6.1.2 Passivierung aus Siliziumkarbid
4.6.2 Strukturierung der Passivierung
4.7 Zusammenfassung des Prozessablaufes als Flow-Chart
5 Charakterisierung der Sensorelemente
5.1 Elektrische Charakterisierung der Molybdän-Dünnschicht
5.2 Chemische Analyse der Molybdän-Dünnschicht
5.3 Charakterisierung der Heizwiderstände mit der Thermokamera
5.3.1 Messaufbau
5.3.2 Ergebnisse
6 Zusammenfassung und Ausblick
7 Literaturverzeichnis
Anhang A: Layout der Heizwiderstände
Zielsetzung und Themen
Die Diplomarbeit hat das primäre Ziel, einen technologischen Herstellungsprozess für einen thermischen Massenflusssensor zu entwickeln, der speziell für die Integration in die Einspritzdüse eines Common-Rail-Systems bei Dieselmotoren konzipiert ist. Die Forschungsfrage konzentriert sich auf die Realisierung eines robusten, mikromechanischen Sensors, der trotz der rauen Umgebungsbedingungen im Motor präzise Durchflussmessungen ermöglicht.
- Entwicklung eines mikromechanischen Fertigungsprozesses für Sensoren auf Keramiksubstraten.
- Untersuchung der thermischen und elektrischen Materialeigenschaften zur Optimierung der Sensorleistung.
- Anwendung verschiedener Strukturierungsverfahren wie Ionenstrahlätzen, Plasmaätzen und nasschemisches Ätzen.
- Charakterisierung erster Prototypen mittels elektrischer Messungen und Thermografie zur Validierung der Funktionalität.
Auszug aus dem Buch
4.4.1 Auswahl des Ätzverfahrens
Die Wahl des Ätzverfahrens fiel auf die Methode des Ionenstrahlätzens. Dafür waren folgende Gründe verantwortlich:
Bei einer nasschemischen Strukturierung mit Flusssäure tritt die Problematik auf, dass die Glasanteile des Keramiksubstrates ebenfalls durch die Säure angegriffen werden. Dies zeigten Ätzversuche in 10%-iger HF, bei denen eine Abnahme der Dichte der Keramik festgestellt wurde. Bild 4.12 zeigt diese Abnahme in Abhängigkeit der Ätzzeit. Die rote Kurve ist eine vom Software-Programm numerisch berechnete Ausgleichsgerade, basierend auf dem Prinzip des kleinsten Abstandsquadrates nach Gauß.
Die Leiterbahndurchführungen ätzen aufgrund ihrer Porösität sehr viel schneller als das Glas, so dass ein gleichmäßiger Abtrag nicht möglich ist. Dies führt zu indiskutablen Stufenhöhen zwischen Durchführung und Grubenboden, die eine elektrische Kontaktierung der Heizwiderstände unmöglich machen.
Die inhomogene chemische Zusammensetzung des Glases läßt eine hohe Rauhigkeit der geätzten Oberflächen erwarten, welche bekanntlich unerwünscht ist.
Während das erste Problem technisch durch eine Passivierung der Rückseite mit Schutzlack gering gehalten werden kann, ist das zweite Problem rein physikalisch/chemischer Natur. Das Ionenstrahlätzen bietet dafür eine Lösungsmöglichkeit.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Anforderungen an moderne Dieseleinspritzsysteme und motiviert die Entwicklung eines integrierten Flusssensors.
2 Grundlagen der Flusssensorik: Erläutert das physikalische Prinzip der Hitzfilmanemometrie und die Wheatstone'sche Brückenschaltung zur Durchflussmessung.
3 Sensorlayout und Anforderungsspektrum: Definiert den Aufbau des Sensorelements auf Keramikbasis sowie die spezifischen Anforderungen an die chemische und mechanische Stabilität.
4 Technologie und Prozessschritte: Detaillierte Darstellung der Fertigungsschritte inklusive Substratvorbereitung, Strukturierung der Sinterglasschicht und Passivierung der Heizwiderstände.
5 Charakterisierung der Sensorelemente: Präsentiert die elektrischen und thermischen Untersuchungsergebnisse der hergestellten Molybdän-Dünnschicht-Sensoren.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Resümiert die technologische Machbarkeit und skizziert künftige Schritte zur weiteren Systemoptimierung.
7 Literaturverzeichnis: Auflistung der verwendeten Quellen und Fachpublikationen.
Anhang A: Layout der Heizwiderstände: Dokumentiert verschiedene Geometrieentwürfe der verwendeten Heizelemente.
Schlüsselwörter
Common-Rail, Massenflusssensor, Hitzfilmanemometrie, Keramiksubstrat, Molybdän, Dünnschichttechnik, Ionenstrahlätzen, Sinterglas, Mikrosystemtechnik, Passivierung, Siliziumkarbid, Prototypenentwicklung, Durchflussmessung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es grundsätzlich in dieser Diplomarbeit?
Es geht um die technologische Entwicklung eines speziellen thermischen Massenflusssensors für den Einsatz in Common-Rail-Einspritzsystemen bei Dieselmotoren.
Welche zentralen Themenfelder deckt die Arbeit ab?
Die Arbeit fokussiert sich auf die Mikrosystemtechnik, Materialwissenschaften, Ätztechnologien und die elektrische Charakterisierung von Dünnschichtstrukturen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Hauptziel ist die Entwicklung eines fertigungstechnischen Prozesses zur Herstellung von Sensoren, die klein genug sind, um direkt in die Düsenspitze von Einspritzsystemen integriert zu werden.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zur Anwendung?
Die Arbeit nutzt experimentelle Methoden wie verschiedene nass- und trockenchemische Ätzverfahren, Materialanalysen mittels ESCA und thermografische Aufnahmen zur Prototypenprüfung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil befasst sich detailliert mit den technologischen Prozessschritten, insbesondere der Oberflächenvergütung des Keramiksubstrats, der Strukturierung der Widerstände und der Passivierung gegen verkokende Kraftstoffe.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Common-Rail-Einspritzung, Molybdän-Dünnschicht, Ionenstrahlätzen, Sinterglas-Strukturierung und thermische Hitzfilmanemometrie.
Warum ist die Wahl von Molybdän für die Heizwiderstände von Bedeutung?
Molybdän wurde aufgrund seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten gewählt, der gut an das verwendete Keramiksubstrat angepasst ist, sowie wegen seiner hohen Schmelztemperatur.
Welche Rolle spielt die Passivierung mit Siliziumkarbid?
Die SiC-Passivierung ist essenziell, um die Heizwiderstände vor Verkokung durch heißen Dieselkraftstoff zu schützen und einen elektrischen Wärmekurzschluss zwischen den beiden Widerständen zu vermeiden.
- Quote paper
- Christoph Schinke (Author), 2000, Grundlegende Technologieschritte zur Entwicklung eines thermischen Massenflusssensors bei Common-Rail-Einspritzssystemen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/24943
