Hochpräzise Laserstrukturierung für kleinste Luftspaltmessungen
Technologie, Material & Anwendung
Dank innovativer Ultrakurzpuls-Lasertechnologie können Dünnfilmsubstrate hochgenau strukturiert und somit dünne und schmale Hall-Sonden zur Messung kleinster Luftspalte in Elektromotoren hergestellt werden.
Die Laserbearbeitungstechnologie hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht und ermöglicht die präzise Herstellung von Komponenten für verschiedene Anwendungen. Ein Bereich, in dem die Laserbearbeitung ihre Stärken ausspielt, ist unter anderem die Produktion von Hall-Sonden für die Luftspaltmessung in Elektromotoren. In diesem Beitrag werden wir genauer auf die präzise Laserstrukturierung von Dünnfilmsubstraten für diese Sonden eingehen und ihre Bedeutung für die hochgenaue Luftspaltmessung darlegen.
Aktuelle Herausforderungen bei der Luftspaltmessung
Die genaue Messung des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator ist von entscheidender Bedeutung für die Effizienz und Leistungsfähigkeit von Elektromotoren. Die gesamte Kraft eines Elektromotors wird über die Magnetfelder im Luftspalt übertragen. Je dünner der Luftspalt, desto effizienter wird die Kraftübertragung. Ein zu dünner Luftspalt ist allerdings mechanisch schwierig zu kontrollieren und kann zu Ausfällen oder frühzeitigem Verschleiß führen. Die genaue Magnetfeldverteilung im Luftspalt bestimmt die Kraftübertragung. Eine genaue Messung dieser Magnetfeldverteilung ist also für die Entwicklung effizienter und kompakter Elektromotoren unerlässlich.
Die Rolle der Hall-Sonden
Hall-Sonden sind eine bewährte Methode zur Messung von magnetischen Feldern und finden in vielen Anwendungen Einsatz. Neben der Charakterisierung und Qualitätskontrolle von Dauermagneten und der Erkennung von Rissen und Materialinhomogenität an magnetisierten Rohlingen werden sie auch zur Vermessung der statischen und dynamischen Magnetfelder insbesondere im Luftspalt von Elektromotoren eingesetzt. Traditionelle Hall-Sensoren sind dafür aber zu dick, es bedarf dazu spezielle Verpackungen auf der Basis von Dünnfilmsubstraten.
Laserbearbeitung von Dünnfilmsubstraten
Die Bearbeitung der Dünnfilmsubstrate für Hall-Sonden erfolgt mittels Lasertechnologie im Nutzen. Diese ermöglicht eine hochpräzise und kostengünstige Herstellung dieser Sonden. Dabei kommt das Verfahren des Laserstrukturierens zur Funktionalisierung von Bauteiloberflächen zur Anwendung. Hier werden durch den Laser feinste Strukturen in die Oberfläche des Substrats mit hoher Präzision im Mikrometerbereich eingebracht. Diese Strukturen können beispielsweise schmale Schlitze oder andere spezifische Muster umfassen, die geometrische Platzierung und die Empfindlichkeit der Sensoren verbessern.
Meist wird bei der Laserstrukturierung ein Ultrakurzpulslaser (kurz UKP-Laser) eingesetzt. Dank der sogenannten kalten Ablation wird das Material nicht aufgeschmolzen, sondern mit einem lokalen Plasma rückstandsfrei abgetragen, was eine hochwertige Strukturierung des Materials ermöglicht. Das Material wird dabei thermisch nicht belastet. Ultrakurzpulslaser erlauben folglich eine sauberere und nachbearbeitungsfreie Mikrostrukturierung von Oberflächen mit sehr hoher Präzision.
UKP-Laserstrukturierung von Dünnfilm-Substraten
Vorteile der Laserstrukturierung
Die Laserstrukturierung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber traditionellen mechanischen Bearbeitungsmethoden.
Erstens ermöglicht sie die Herstellung von wirklich dünnen, schmalen und kleinen Substraten, welches die Integration der Hall-Sonden in den engen Bauräumen von Elektromotoren erleichtert.
Zweitens ermöglicht sie die Erzeugung komplexer, maßgeschneiderter Strukturen. Die Flexibilität des Laserprozesses erlaubt es zudem, die Strukturierung in unterschiedlichen Materialien durchzuführen, die für Dünnfilmsubstrate verwendet werden, wie zum Beispiel Keramik, Silizium oder Glas.
Drittens bietet die Laserstrukturierung außerdem eine hohe Präzision und Reproduzierbarkeit, was zu einer verbesserten Qualität und Konsistenz der hergestellten Hall-Sonden führt.
Viertens ist die Laserbearbeitung eine kontaktlose Technologie, die das Risiko von Beschädigungen an den Substraten minimiert und zugleich die Effizienz des Herstellungsprozesses der Hall-Sonden erhöht.
Weitere Beispiele Lasermikrostrukturierung: Mikrofluidik
Mikroreaktor (Keramik Al2O3)
Probenträger (Keramik 99% Al2O3)
Erweiterter Bearbeitungsschritt durch das Wafer Dicing
Anschließend werden die einzelnen Sonden aus dem laserstrukturierten Nutzen mittels Wafer-Dicing gesägt. Der Vorgang beschreibt die Präzisionsbearbeitung mittels mechanischem Trennschleifen (=Sägen) von Substraten aber auch Wafern aus verschiedenen Materialien wie etwa Keramik, Silizium, Glas, Germanium, Saphir, Quarz, COB-Leiterplatten oder Metallfolien. Vorteile dieser Bearbeitung liegen in der äußerst präzisen Vereinzelung der Substrate, die exakte Kantenqualität sowie die Vielfalt der zu bearbeitenden Materialien – kurze Rüstzeiten inklusive.
Das Wafersägen erfolgt mit Sägeblättern, die entlang der Sawing- oder Grooving-Linien durch das Substrat geführt werden, um dies mittels Trennschleifen, Formatieren oder Vereinzeln in kleine Sonden zu teilen. Dieser Prozessschritt erfordert eine hohe Präzision, um Beschädigungen und Materialrückstände an den Sonden zu vermeiden und die volle Funktionalität des Endprodukts zu gewährleisten.
Fazit & Zukunftsaussichten
Die Technologie der Laserbearbeitung, hier speziell die Laserstrukturierung, bietet eine innovative Lösung für die Herstellung von Hall-Sonden zur Messung kleiner Luftspalte in Elektromotoren. Durch die Präzision und Flexibilität der Laserbearbeitung können dünnere Substrate verwendet werden, was die Integration der Sensoren in den begrenzten Bauraum von Elektromotoren erleichtert. Die Laserbearbeitung ermöglicht die Herstellung von Hall-Sonden für eine noch präzisere und zuverlässigere Messungen, die wiederum zu einer Optimierung der Motorleistung und einer verbesserten Effizienz derer führen. Die fortlaufende Weiterentwicklung der Laserbearbeitungstechnologie wird dazu beitragen noch präzisere und effizientere Hall-Sonden herzustellen, die eine noch genauere Messung des Luftspalts und anderen Anwendungen ermöglichen.
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