Moin,
für eine Tiefsee Anwendung haben wir eine Kundenanfrage die Neigung,
einer im Sediment verankerten Sonde, mittels MEMS Sensor zu messen.
An sich keine große Sache, aber in diesem Fall soll ein druckneutraler
Verguss verwendet werden.
Es gibt also kein festes Gehäuse, das im Inneren unter Normaldruck
arbeitet, sondern die gesammte Schaltung wird auf eine Art vergossen,
die den Umgebungsdruck gleichmässig verteilt. (1000 Bar)
Funktioniert das mit MEMS Sensoren, oder haben die eine Luft /
Gasfüllung die komprimierbar ist?
Alternative Vorschläge das ohne Druckrohr zu lösen?
Ohne es genau zu wissen, aber MEMS Sensoren sind ja elektromechnanische
Sensoren. Also wird sich darin was bewegen. Und ich schätze, dass es das
in einem Hohlraum tun wird. Und der wird bei 1000 Bar vermutlich flach
wie eine Flunder werden.
Daher tippe ich: Funktioniert nicht!
Ein MEMS Sensor enthält eine minimale Menge Gas.
So wie du das beschreibst wird das Gerät in flexibles Silikon
eingegossen, so dass der Umgebungsdruck ins Innere weitergegeben wird.
Hier wirst du um einen Versuch nicht herum kommen. Ggf. muss der MEMS
Sensor in armiertes Epoxyd eingegossen werden.
Was fuer eine seltsame Idee. Ohne Druchentlastung wird's auf keinen Fall
gehen. Die sich bewegenden Teile gehen von einer niedrigen
(Gas-)Viskositaet aus. Es gibt tolle druckfeste Durchfuehrungen. zB bei
Schott. Irgend eine Keramik, oder Glas, mit Stiften eingeschmolzen. Mit
O-Ringen abgedichtet.
Zitronen F. schrieb:> Ohne Druchentlastung wird's auf keinen Fall> gehen.
Wieso nicht?
Wenn die Umhüllung so stabil ist, dass sie einer Druckdifferenz von 1000
Bar (ok, 999Bar) stand hält, ohne sich zu deformieren oder zu brechen,
dann kann doch innen ein Druck von 1 Bar herrschen und außen ein Druck
von 1000.
Funktioniert doch bei jedem U-Boot auch
Schlumpf schrieb:> Wieso nicht?> Wenn die Umhüllung so stabil ist, dass sie einer Druckdifferenz von 1000> Bar (ok, 999Bar) stand hält, ohne sich zu deformieren oder zu brechen,> dann kann doch innen ein Druck von 1 Bar herrschen und außen ein Druck> von 1000.>> Funktioniert doch bei jedem U-Boot auch
Nur schreibt der TE:
> Es gibt also kein festes Gehäuse, das im Inneren unter Normaldruck> arbeitet
Cyblord -. schrieb:> Nur schreibt der TE:>>> Es gibt also kein festes Gehäuse, das im Inneren unter Normaldruck>> arbeitet
Da hast recht...
Dann wird der Sensor vermutlich matsch sein.
Aber eigentlich stellt sich die Frage:
Warum kann es nicht fest umschlossen werden?
Kostengründe?
Wenn jemand etwas auf dem Marianengraben versenkt, dann kann ich mir
kaum vorstellen, dass es dann auf ein paar Euro hin oder her ankommt.
Schlumpf schrieb:> Da hast recht...> Dann wird der Sensor vermutlich matsch sein.
Ja, aber ich verstehe die Ausführungen auch ehrlich gesagt nicht. Was
ist denn bitte bei 1000 Bar NICHT Matsch? Wenn man etwas so tief
versenkt, braucht es doch einfach einen Druckkörper.
Schlumpf schrieb:> Dann wird der Sensor vermutlich matsch sein.
Nicht nur der. Auch andere Nauteile, wie etwa keramische Kondensatoren,
-Elkos und Batterien sowieso-, auch Operationsverstärker können unter
solchen Bedingungen ihr Verhalten ändern. Das Gehäuse eines Quarzes wird
auch zerquetscht werden. Flüssige Schmierstoffe können fest werden.
Es wird also nötig sein das Meiste bei Normaldruck in einem druckfesten
Rohr aua Metall oder Glas zu verstauen und möglichst wenige druckdichte
Signaldurchführungen zu verwenden.
Michael K. schrieb:> sondern die gesammte Schaltung wird auf eine Art vergossen,> die den Umgebungsdruck gleichmässig verteilt. (1000 Bar)
Dann werdet ihr jedes Bauteil einzeln auf seine Eignung testen müssen.
Zitronen F. schrieb:> Ohne Druchentlastung wird's auf keinen Fall> gehen. Die sich bewegenden Teile gehen von einer niedrigen> (Gas-)Viskositaet aus.
Die Viskosität ist gerade nicht vom Druck abhängig, solange es sich um
ein weitgehend ideales Gas, wie z.B. Helium, handelt.
Angneommen so ein Sensor ist 4x4mm groß, dann hat er eine Angriffsfläche
von 16mm². 1000 Bar = 100N/mm² also lasten auf dem Teil etwa 1,6kN. Mit
anderen Worten, etwa 160kg. Hmmh.
nachtmix schrieb:> Das Gehäuse eines Quarzes wird> auch zerquetscht werden.
Korrekt. Solche ein Experiment haben wir bei 430bar bereits begleitet.
Unsere Elektronik sollte ausserhalb des Druckkörpers arbeiten. Diese
werden bei zunehmender Tiefe überproportional teuer.
Einzige Schwachstelle war bei dem Druck der Quarz. Dieser wurde
versuchsweise gegen einen MEMS Oszillator ausgetauscht. Drucktest mit
430bar: bestanden.
Bei diesen Drücken wirst du jedenfalls keine Aussage eines Herstellers
bekommen. Testen ist da wohl die einzig zielführende Option.
Ich kann immerhin sagen: unsere Elektronik hält einem 2 wöchigem
Druckparcour stand :) Tauchen, auftauchen und von vorne...
Viel Erfolg und bitte Berichte!
Um die Frage des Themenstellers wieder aufzugreifen. Ein Mems Sensor
besteht in der Regel aus zwei Teilen. Der asic der die
Signalverarbeitung übernimmt und dem eigentlichen Mems Element. Im Falle
eines Beschleunigungssensors hat das Mems Element einen oder mehrere
frei bewegliche Massen unterschiedlicher Bauart für die bis zu 3
Raumachsen. In z Richtung wird gerne eine Art Wippe benutzt, während x
und y Achse über Federelememte verfügen. Damit diese Massen sich frei
bewegen können sind sie in einem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum
untergebracht. Der asic kontaktiert dann zum Beispiel über so genannte
trough Silicon vias das Mems Element. Der Hohlraum kann dabei mit
Schutzgas gefüllt werden oder für Low G Anwendungen vakuumiert werden.
Alles für die genannte Anwendung sicherlich nicht hilfreich. Genaue
Auskunft geben einem die Hersteller aber sicher gerne.
Schlumpf schrieb:> Aber eigentlich stellt sich die Frage:
Warum bei einer klaren technischen Beschreibung die Sinnfrage gestellt
wird?
Ja, die Frage habe ich mir auch schon oft gestellt ;-)
Wir bauen Sonden bis 12KM Tiefe und kennen uns ganz gut aus damit.
Nein, es gibt sehr gute und nachvollziehbare Gründe einen druckneutralen
Verguss zu bevorzugen, die aber hier überhaupt nicht das Thema sind.
Besten Dank an Chris K. für die Klärung des Innenaufbaues eines MEMS
Sensors.
@Dirk K.
Das ein MEMS Oszillator bei 430 Bar noch läuft, ist schon mal eine gute
Nachricht.
>Zitronen F. schrieb:>> Ohne Druchentlastung wird's auf keinen Fall>> gehen. Die sich bewegenden Teile gehen von einer niedrigen>> (Gas-)Viskositaet aus.>Die Viskosität ist gerade nicht vom Druck abhängig,>solange es sich um ein weitgehend ideales Gas, wie z.B.>Helium, handelt.
Ja, nur wird auch Helium unter 100 Bar auch 100 mal dichter. Der
Stroemungswiderstand, ich sag jetzt nicht Luftwiderstand, hier cw hat
die Dichte im Nenner. Die Reynoldszahl hat die Dichte im Zaehler.
Dann kann Helium auch diffundieren, zB ins Chipgehaeuse. Und wenn du
dann auftauchst explodiert's.
Ich sitze Ende nächster Woche mit ein paar MEMS Entwicklern zusammen.
Geht zwar um eine völlig andere Anwendung, aber ich kann ja mal fragen,
ob die eine Idee haben was mit dem MEMS in 1km Tiefe passiert.
Michael K. schrieb:> Wir bauen Sonden bis 12KM Tiefe und kennen uns ganz gut aus damit.
Da hast Du uns hier im Forum wohl einiges an Kenntnissen voraus ;-)
Frag doch mal die Hersteller oder Distributoren, was da so geht.
Michael K. schrieb:> Wir bauen Sonden bis 12KM Tiefe und kennen uns ganz gut aus damit.
Na das ist doch prima, wenn ihr euch damit gut auskennt.
Erstaunlich, dass ihr es dann aber nicht aus eingener Kraft schafft, den
MEMS-Hersteller direkt zu kontaktieren und mit ihm die Tauglichkeit
eures Sensors für den gewählten Einsatz abzuklären.
Ich würde davon ausgehen, dass etwas, was in so einer Tiefe versenkt
wird, extrem zuverlässig arbeiten soll. Denn das Teure ist ja nicht der
Sensor, sondern das Anbringen und ggf "Austauschen" eines nicht
funktionierenden Sensors.
Daher würde ich mich bei so einem Projekt nieemals auf irgendwelche
Experimente verlassen, die mit einem Exemplar eines Sensors irgendwo mal
durchgeführt werden.
Aber gut, ihr seid die Spezialisten, und wisst, was ihr tut.
Baggert ihr eigentlich den Marianengraben noch nen Kilometer tiefer,
oder warum bis 12km?
Chris K. schrieb:> ich kann ja mal fragen,> ob die eine Idee haben was mit dem MEMS in 1km Tiefe passiert.
Sehr gerne!
Schlumpf schrieb:> Na das ist doch prima, wenn ihr euch damit gut auskennt.> Erstaunlich, dass ihr es dann aber nicht aus eingener Kraft schafft, den> MEMS-Hersteller direkt zu kontaktieren und mit ihm die Tauglichkeit> eures Sensors für den gewählten Einsatz abzuklären.
Bei Dir finde ich erstaunlich das Du trotz völliger Ahnungslosigkeit
hier meine Zeit verschwendest indem Du dämliche Spitzen verteilst ohne
inhaltlich was beitragen zu können.
Kein Hersteller auf diesem Planeten wird uns irgendeine verbindliche
Aussage darüber geben was mit seinen MEMS Kram bei 1000Bar geschieht.
Zudem sind die Stückzahlen für große Hersteller vollkommen
uninteressant.
In unserem Bereich müssen wir ohnehin alles selber Testen, aber es ist
immer gut zu Fragen wer sowas schon probiert hat oder fachlich fundiert
raten kann. Aber all diese Dinge wüsstest Du wenn Du selbst in der
Entwicklung tätig wärst. Halt also einfach mal den Schnabel wenn sich
die Erwachsenen unterhalten.
Mir wurde hier schon weitergeholfen, nur halt nicht von Dir.
Pete K. schrieb:> Da hast Du uns hier im Forum wohl einiges an Kenntnissen voraus ;-)
Ja, in einigen Bereichen.
In anderen greife ich immer wieder gerne auf das geballte Fachwissen
zurück das hier zum Glück doch noch vertreten ist.
Michael K. schrieb:> ohne> inhaltlich was beitragen zu können.
Ich habe als erster geschrieben, dass ein MEMS einen Hohlraum enthält..
Also deine Frage beantwortet.
Michael K. schrieb:> Aber all diese Dinge wüsstest Du wenn Du selbst in der> Entwicklung tätig wärst
Bin ich.... und nicht erst seit gestern...
Michael K. schrieb:> Halt also einfach mal den Schnabel wenn sich> die Erwachsenen unterhalten.
Ich frage mich eher, wie ein "Erwachsener", der "vom Fach" ist, und "so
viel Erfahrung" hat und "so professionell" arbeitet, in einem (Hobby-)
Forum so fragt, ob ein MEMS innen hohl ist..
Ein echter Entwickler hätte das binnen 5 min durch Internetrecherche
selbst in Erfahrung gebracht.
Sorry, ich kann dich einfach nicht ernst nehmen. Aber ich werde deiner
Bitte folgen...
hatte eine drehsensor in einer solchen Konstellation verbaut.
lief anfangs gut, da das Gehäuse des IC dem druck standhalten konnte.
das Problem war der verguss. diese hatte an allen flächen innerhalb
eines Jahres einen schmierigen film erzeugt. dieser wurde dann langsam
durch 100 bar in das Gehäuse gedrückt und hat die dort enthaltene luft
verdrängt.
daher unter Vakuum in Epoxid tauchen und dann vergießen
Quarze konnte ich durch eine 2. Haube (das ist die Schwachstelle. der
boden ist extrem stabil) soweit stabilisieren, dass sie bis 300bar
sicher laufen.
sg
> daher unter Vakuum in Epoxid tauchen und dann vergießen
Epoxy nimmt eine gewisse Menge Wasser auf, was auch gleichzeitig
bedeutet, es ist nicht ultimativ dicht gegen Wasser. Zudem gibt es
Schrumpfprozesse.
"Full Ocean Depth" hört sich immer gut an, aber in dem Fall würde ich
doch erstmal abklären, ob 5000m nicht auch ausreichen, bzw. wo das
Einsatzgebiet wirklich liegt. Verrätst du, von welchem Institut die
Anfrage kommt?
Frag doch mal bei KUM in Kiel, ich würde wetten, dass die das schon
ausprobiert haben. Der Drucktank am MARUM in Bremen ist leider bei
weiten nicht "tief" genug.
Es wäre allerdings fein, wenn du das Ergebnis mal hier kundtun
würdest...
Clemens S. schrieb:> Quarze konnte ich durch eine 2. Haube (das ist die Schwachstelle. der> boden ist extrem stabil) soweit stabilisieren, dass sie bis 300bar> sicher laufen.
Bald kommt einer mit Kugelquarzen an...
Zitronen F. schrieb:>> daher unter Vakuum in Epoxid tauchen und dann vergießen>> Epoxy nimmt eine gewisse Menge Wasser auf, was auch gleichzeitig> bedeutet, es ist nicht ultimativ dicht gegen Wasser. Zudem gibt es> Schrumpfprozesse.
Wer lesen kann, ist klar im Vorteil...
Die MEMS Entwickler bewundern dein Problem, haben aber auch keine
Lösung.
Getestet haben Sie die MEMS Sensoren bislang nicht unter Druck. Daher
können Sie auch nicht sagen, wie Sie sich verhalten werden. Die
allgemeine Ansicht war aber, dass die Durchbiegung des Gehäuse ein
Problem darstellen wird. Entweder gibt es dann elektrische Probleme mit
dem ASIC durch den Stack Aufbau und die damit notwendigen Bond
Verbindungen oder aber halt die Kavität vom MEMS Element wird gestaucht.
Wodurch die Bewegung behindert werden könnte oder im schlimmsten Fall
wird die Kavität undicht. Sie haben aber den gleichen Vorschlag gemacht,
wie Clemens früher in der Diskussion. Der MEMS könnte unter eine
Halbkugel montiert werden, ähnlich einem RF Shielding nur halt für hohe
Drücke optimiert in Form einer Kugel. Bei einer MEMS Größe von 2x2 mm
währe eine Halbkugel auch nicht wirklich groß.
@Chris K.
Danke das Du gefragt hast.
Ist ungefähr das Ergebniss das ich erwartet habe.
Interessantes Problem, aber niemand hat es je getestet ;-)
Wenn ich neue Erkenntnisse habe, werde ich die hier kundtun.
Wie groß wäre denn die zu testende Platine, oder gibt es ein
Breakoutbord mit dem Sensor? Einen Drucktest mit 1000bar für eine sehr
kleine Platine ließe sich ja machen... umso kleiner desto besser
natürlich. Am besten natürlich online, ist klar.
1000bar schrieb:> Einen Drucktest mit 1000bar für eine sehr> kleine Platine ließe sich ja machen...
Alles lässt sich machen.
Ich gehe aber nicht mir einem Gerät zum Test das erwartbar die Grätsche
macht.
1000bar schrieb:> oder gibt es ein Breakoutbord mit dem Sensor?
Das würde das Risiko doch deutlich mindern.
Michael K. schrieb:> Interessantes Problem, aber niemand hat es je getestet ;-)
Du könntest also der erste sein.
Wie groß ist denn der Sensor tatsächlich?
... schrieb:> Angneommen so ein Sensor ist 4x4mm groß, dann hat er eine Angriffsfläche> von 16mm². 1000 Bar = 100N/mm² also lasten auf dem Teil etwa 1,6kN. Mit> anderen Worten, etwa 160kg. Hmmh.
Maßgeblich sind aber die Abmessungen der Kavität im inneren, die dürfte
deutlich kleiner sein, somit auch das Problem!
Es ist absolut üblich, Elektronik in Öl bzw. Fluorinert und unter
Umgebungsdruck zu betreiben. Problematisch sind wie schon erwähnt im
wesentlichen Quarze.
Test und Breakout Boards gibt es von jedem Hersteller. Muss man nur
direkt bei denen Anfragen. Wobei die Boards meistens wesentlich größer
sind, als der eigentliche MEMS. Bei einigen ist noch ein Haufen für den
Test unnötiges Zeug mit drauf. Co-Prozessor für die Auswertung, USB
Anschlüsse, usw.
