Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Polovodičové snímače tlaku pro vysoké teploty

Je málo známé, že snímače tlaku mají důležitou úlohu i při geologickém průzkumu, např. při hledání nových ložisek ropy. Při hlubinných vrtech, kdy vrtací hlavice vrtné soupravy pomalu proniká horninou, je desítkami snímačů měřen mj. tlak a je zjišťována poréznost horniny. Pracovní podmínky jsou přitom mimořádně obtížné, protože snímače musí vedle rázů a vibrací odolávat i velkým tlakům a teplotám. Snímače vysílají naměřené údaje průběžně na povrch k dalšímu zpracování.
 
Donedávna však existoval velký technický problém. Běžně používané mikroelektronické čipy pro měření tlaku jsou velmi choulostivé a mohou spolehlivě pracovat při maximální teplotě v rozmezí od asi 80 do 125 °C. Ve velkých hloubkách pod povrchem země je však často teplota podstatně vyšší. Problém nedávno vyřešili odborníci z Fraunhoferova ústavu IMS (Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme) v Duisburgu, kteří vyvinuli zcela nové uspořádání snímačů tlaku, které je díky nové výrobní technologii mnohem robustnější a plně funkční ještě při teplotách okolo 250 °C.
 
Nové snímače tlaku se skládají ze dvou komponent umístěných na společném křemíkovém čipu. První komponentou je vlastní senzor tlaku a druhou paměť typu EEPROM, do které se ukládají všechny naměřené hodnoty a data pro kalibraci. Aby senzor tlaku správně fungoval i při vysoké teplotě, modifikovali vývojáři křemíkovou podložku (čip), na níž jsou následně vytvořeny potřebné struktury. Běžně podložku tvoří kotoučky nařezané z monokrystalického křemíku. V daném případě si však odborníci vzali na pomoc ještě oxid křemičitý. Přídavná vrstva SiO2 totiž zajišťuje větší izolační odpor a zabraňuje vzniku svodových proudů, které se objevují při vysokých teplotách a jsou příčinou toho, že běžné senzory přestávají od určité teploty pracovat. Použitím vrstvy SiO2 se podařilo zlepšit izolaci senzoru a paměti na čipu o tři až čtyři řády. Nové snímače tlaku by teoreticky mohly spolehlivě pracovat při teplotě až 350 °C. Zatím je však ověřena jejich použitelnost do teploty 250 °C a vývoj dále pokračuje. Současně probíhají dlouhodobé prototypové zkoušky s perspektivou sériové výroby.
 
Oblast možného využití nových snímačů tlaku použitelných při vysokých teplotách je velmi široká. Plánuje se jejich využití nejenom při hledání a těžbě ropy, ale také např. při analýze pracovních podmínek uvnitř spalovacích motorů a turbín, geotermických měřeních apod.
[Drucksensoren, die nicht schwitzen. Presseinformation FhG, Januar 2010.]
Kab.
 
Obr. 1. Nové polovodičové snímače tlaku pracují při teplotě až 250 °C i vyšší (foto: Fraunhofer IMS)