Kapazitive Dünnschichtsensorik

Zur Erfassung der Spalthöhe in Abhängigkeit von Prozessparametern in Gleitringdichtungen der EagleBurgmann Germany GmbH & Co. KG wurde am Fraunhofer IST ein sensorisches Dünnschichtsystem entwickelt, welches direkt auf die Gleitringoberfläche appliziert wird. Diese Kenngrößen erstmalig im Betrieb zu erfassen, ist ein wichtiger Schritt zur Optimierung und Verifizierung von Simulationen und Betriebszuständen.

Das kapazitive Schichtsystem

Auf keramische Dichtungsringe der EagleBurgmann Germany GmbH & Co. KG werden im ersten Beschichtungsprozess homogen eine elektrische Isolationsschicht aus einer mit Silizium und Sauerstoff modifizierten Kohlenwasserstoff-Schicht, die auch als SiCON®-Schicht bekannt ist, abgeschieden. Mit einem Lasersystem werden einzelne einseitig adhäsive Konturmaskierungen gefertigt und manuell auf die beschichtete Oberfläche in definierten Abständen aufgebracht. Auf die maskierte Ringoberfläche wird homogen Chrom in einer Dicke von nur 200 nm im PVD-Prozess beschichtet. Nach Abschluss dieses Lift-Off-Prozesses werden die Maskierungen entfernt und die Strukturen verbleiben auf der Oberfläche. Jede einzelne Struktur kann als eine Kondensatorplatte angesehen werden. Das Besondere: Die Kontaktierungsbereiche befinden sich nicht auf der Oberseite, sondern auf den schrägen Seiteninnenflächen − nur in diesem Bereich können die Lötverbindungen realisiert werden. Als Deckschicht wird abschließend wieder SiCON® abgeschieden.

Das kapazitive Messprinzip

Eine Kondensatorplatte wird in der Gleitfläche des stationären Gleitrings mit Hilfe von oberflächenintegrierter Dünnschichtsensorik ausgebildet. Auf dem Gleitring befinden sich mehrere Kondensatorplatten. Die andere Kondensatorplatte stellt der rotierende Gegenring dar. Die Messung der Kapazität eines Kondensators ist eine direkte Messgröße für den Plattenabstand. Dieser steht wiederum im direkten Zusammenhang mit der sich im Betrieb der Dichtung einstellenden Spalthöhe. Damit wird es möglich, die sich in Abhängigkeit der Betriebsparameter wie Drehzahl und Betriebsdruck resultierende Spaltweite experimentell zu bestimmen. Es wurde eine sehr gute Korrelation zwischen Experiment und Numerik erzielt.

Die Kooperation

Die Entwicklung der kapazitiven Dünnschichtsensorik für Gleitringdichtungen von EagleBurgmann Germany GmbH & Co. KG ist ein Ziel des vom BMBF geförderten Projekts »INTELLA« (Intelligente, leichte Lagerungen und Dichtungen für den Automobil- und Maschinenbau), welches vom Projektträger Jülich betreut wurde. Die weiteren Projektpartner sind Schaeffler AG, Cerobear GmbH, KSB AG, ScienLab electronic systems GmbH und das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM.