Leitprojekt »eHarsh«

Sensorsysteme für extrem raue Umgebungen

Sensoren stellen Schlüsselelemente für die Überwachung technischer Prozesse in Echtzeit dar und bilden damit die Grundlage für eine umfassende intelligente Steuerung industrieller Wertschöpfungsketten. Während in vielen technischen Bereichen, z. B. in Smartphones und Wearables  hochintegrierte Sensorsysteme bereits Stand der Technik und aus der heutigen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken sind, ist die Situation im industriellen Umfeld deutlich anders. Häufig ist der Einsatz von Sensorsystemen bisher unmöglich, da die extreme Umgebung industrieller Prozesse, gekennzeichnet durch hohe Betriebstemperaturen, mechanische Belastungen in Form von Druck oder Vibration oder durch ein feuchtes bzw. chemisch aggressives Umfeld, einen zuverlässigen Betrieb empfindlicher Elektronikkomponenten nicht erlaubt. Dabei besteht gerade in diesem Bereich ein enormer Bedarf an Sensorsystemen, um Anlagen und Prozesse besser überwachen und gezielt regeln zu können. Nur so lassen sich die ehrgeizigen Ziele »Industrie 4.0«, wie die Individualisierung von Produkten unter den Bedingungen der (Großserien-) Produktion, ein verbessertes Monitoring sowie die Optimierung und Echtzeitsteuerung ganzer Wertschöpfungsnetzwerke, umfänglich erreichen.

Ziel des Leitprojekts »eHarsh« ist die Entwicklung und Bereitstellung einer Technologieplattform, auf deren Basis Sensorsysteme, bestehend aus Sensorik und Elektronik, für den Einsatz in extrem rauer Umgebung, »extreme harsh environment«, entwickelt und hergestellt werden können. Die Realisierung solcher Systeme erfordert interdisziplinäre Kompetenzen, angefangen bei der Auswahl entsprechender Werkstoffe und Technologien über verschiedene Entwicklungskompetenzen, die Systemintegration für die Applikation bis hin zur Bewertung und Vorhersage von Zuverlässigkeit und Einsatzverhalten.

Hierzu hat sich ein Konsortium aus Fraunhofer-Instituten unter der Führung des Fraunhofer IMS zusammengeschlossen, um seine exzellenten Kompetenzen zu bündeln. Bereits heute sind die beteiligten Institute für ihre spezifischen Themen, wie keramische Werkstoffe, Aufbau- und Verbindungstechnik, hochtemperaturstabile integrierte Schaltungen, Sensoren, Materialdiagnostik, Testverfahren, Zuverlässigkeitsanalysen und Modellierung innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft bekannt. Während dabei im wissenschaftlichen Umfeld häufig nur Teilaspekte betrachtet werden, besteht innerhalb des Leitprojekts durch gezielte Weiterentwicklung und interdisziplinäre Kooperation die entsprechende wissenschaftliche Exzellenz für umfassende Lösungen bis zur Systemebene.

Im Rahmen des Leitprojekts sollen folgende Technologien und Kompetenzen entwickelt und bereitgestellt werden:

  • robuste Sensoren, z. B. Druck- und Temperatursensoren für den Einsatz bis 500 °C sowie MEMS-Sensoren für den Einsatz bis 300 °C
  • integrierte Schaltungen und Systemkomponenten für den Einsatz bis 300 °C
  • hermetisch dichte Verkapselungen unter Ermöglichung des zeitgleichen Medienzugangs zu den Sensoren
  • 3D-Integration und Verkapselung auf Systemebene als »System Scaled Package«
  • Analytik und Testverfahren für die verschiedenen Belastungen, auch in deren Kombination
  • Verständnis des Material-Einsatzverhaltens bzgl. Defektrisiken und Degradationsmechanismen
  • erweiterte Zuverlässigkeitsanalysen und Modelle

Die Technologien und Kompetenzen sollen exemplarisch an Hand von zwei charakteristischen und äußerst anspruchsvollen Demonstratoren aus den Bereichen Triebwerks-/Turbinenüberwachung und Geothermie entwickelt und evaluiert werden. Das Leitprojekt bietet mit den Technologien und Demonstratoren die Chance auf eine gezielte Markterschließung und -erweiterung im Außenraum sowie den Aufbau von Alleinstellungsmerkmalen und einer Fraunhofer-Technologieführerschaft im Bereich »Sensorsysteme in extrem rauen Umgebungen«.