Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6906
Siebdruck von elektrisch leitfähigen Keramiken zur Entwicklung heizbarer keramischer Mikrokomponenten
S. Stolz
Zusammenfassung
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden
siebgedruckte, elektrisch leitfähige Keramikschichten im Hinblick auf ihren
Einsatz als Hochtemperaturheizelemente vorzugsweise in der Mikrotechnik,
untersucht. Die in dieser Arbeit entwickelten Siebdruckpasten decken den
Einsatzbereich bis zu Temperaturen von ca. 1000 °C ab, was bisher mit
entsprechenden kommerziellen Siebdruckpasten nicht möglich ist.
Es wurden Siebdruckpasten auf Basis von Al2O3/TiN,
Si3N4/TiN und Indium-Zinn-Oxid entwickelt. Das Ziel der
Entwicklung war, die Voraussetzungen für ein möglichst dichtes Gefüge und damit
reproduzierbare elektrische Eigenschaften der Schichten nach dem Sintern zu
schaffen. Gleichzeitig wurden die rheologischen Eigenschaften der Pasten für
ein möglichst optimales Druckergebnis eingestellt. Dichte, elektrisch
leitfähige Schichten ließen sich herstellen, indem für die Pastenherstellung
geeignete keramische Pulverqualitäten ausgewählt und in Kombination mit einem
geeigneten Siebdruckmedium eingesetzt wurden. Das Siebdruckmedium, bestehend
aus Lösungsmittel, Dispergiermittel und polymerem Bindemittel bzw.
rheologischem Additiv, wurde zu diesem Zweck eigens entwickelt.
Von
den untersuchten Materialien eignen sich Al2O3/TiN und
Indium-Zinn-Oxid zur Herstellung von mikrostrukturierten, siebgedruckten
Widerstandsheizelementen auf Aluminiumoxidträgern, Si3N4/TiN
hingegen nicht. Verschiedene Heizelementkonfigurationen wurden entwickelt und
bezüglich ihres Heizverhaltens charakterisiert. Die Elemente können bis zu
Temperaturen um 1000 °C betrieben werden. Die Anwendungspotentiale liegen in
der Zündtechnik, bei der Beheizung von Sensorelementen, in der
Temperaturmesstechnik und in der Mikroverfahrenstechnik. Als Anwendungsbeispiel
wurde ein Heizkonzept auf Basis der siebgedruckten Keramikschichten entwickelt,
bei welchem die Reaktionszone eines keramischen Mikroreaktors lokal auf
Temperaturen von bis zu 1000 °C induktiv beheizt werden kann.
Screen printing of
electro – conductive ceramics for the development of microheater devices
Abstract
The objective of the current work was the development
of electro-conductive ceramic screen printing pastes. By screen printing these
pastes on ceramic substrates microstructured ceramic heating elements were
developed, covering the temperature range from room temperature up to about
1000 °C. Until now, no commercial pastes are available for this high
temperature region.
The scope of the work comprises the development
of screen printing pastes of three different materials: Al2O3/TiN,
Si3N4/TiN and Indium-Tin-Oxide (In2-xSnxO3).
The paste optimisation was conducted to accomplish the prerequisites for a
dense sintered microstructure of the layers leading to reproducible electrical
properties. Furthermore the rheological properties of the pastes were adjusted
in order to yield an optimised printing result. Dense, electro-conducting
layers were obtained by selecting suitable powder qualities and by combining
them with a suitable organic vehicle. Special organic vehicles consisting of a
solvent, a dispersant and a polymeric binder or rheological modifier had to be
developed for this purpose.
Microstructured ceramic resistance heating
elements, screen printed onto alumina substrates could be realized for the
material combination Al2O3/TiN and for In2-xSnxO3,
whereas Si3N4/TiN showed severe deficiencies. Different types of heating
elements were developed and examined with respect to their heating
characteristics. It could be shown that the heaters can be operated up to
temperatures of 1000 °C. Potential applications for these devices are igniters,
heating elements for sensors or for micro reaction technology components. Due
to the linear temperature versus electrical resistance correlation they can
also be used as temperature monitoring units.
As a first application a heating concept for a
ceramic microreactor was developed and built. The objective was a localized
inductive heating of the reaction zone. It was possible to reach a temperature
of 1000 °C at the reaction zone, whereas the gas in- and outlet parts showed a
temperature below 500 °C.