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Zuverlässige Kfz-Sensoren

Ob im Getriebe, in der Klimaanlage oder für die Steuerung von Airbags – Sensoren sind aus modernen Fahrzeugen nicht mehr wegzudenken. Die Zuverlässigkeit von Kfz-Sensoren steht und fällt mit ihrer Verkapselung. Sie soll den Sensor vor Umwelteinflüssen schützen, kann jedoch ihrerseits eine erhebliche mechanische Belastung erzeugen, die den Sensor funktionsuntüchtig machen kann. Mit einem speziell entwickelten Röntgendiffraktometer gelang eine ortsaufgelöste Messung des mechanischen Spannungszustands von verkapselten Sensoren aus Silicium. Diese Prüfeinrichtung steht ab sofort auch Kunden aus der Industrie zur Verfügung.

Raddrehzahlsensor im Spritzgussgehäuse, Anwendung: ABS, ASR, ESP

Schon in Kompaktklasse-Fahrzeugen sind heutzutage mehr als 40 Sensoren integriert, die Sicherheitssysteme, Komfortfunktionen und den Energiehaushalt steuern. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen wird das empfindliche Sensorelement eng mit einem Spritzgussgehäuse aus Kunststoff umhüllt. Infolge dieser Verkapselung kann der Sensor jedoch Schaden nehmen, da das Silicium des Sensors und der Kunststoff der Verkapselung sich bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich stark ausdehnen. Die dadurch entstehenden mechanischen Spannungen im Sensor können zu einem vorzeitigen Ausfall der Elektronik führen. Für eine zuverlässige und damit sichere Automobilelektronik muss der Verkapselungsprozess mithilfe von genauen Spannungsmessungen verbessert werden.

Zu diesem Zweck wurde in der PTB ein Röntgendiffraktometer entwickelt, das die Spannungen in einem Siliciumsensor zerstörungsfrei messen kann. Mit hochenergetischer Röntgenstrahlung von mehr als 15 keV gelingt es, die Spritzgussverpackung der Sensoren zu durchdringen. Auf diese Weise wurden Spannungswerte von bis zu – 200 MPa am verkapselten Chip ermittelt, die von einer enormen Druckbelastung durch die Verkapselung zeugen. Eine besondere messtechnische Herausforderung war dabei die Verstärkung des schwachen Messsignals. Dies gelang durch die Kombination einer Molybdän-Feinfokusquelle und einer speziell adaptierten Glaskapillaroptik.

Eine Parallelentwicklung der Firma Bosch, bei der anstelle eines Kfz-Sensors ein Kraftmesschip den Verkapselungsprozess durchläuft und die mechanischen Spannungen innerhalb der Verkapselung über eine elektrische Messung ermittelt, konnte mithilfe des PTB-Röntgendiffraktometers validiert werden.

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