Komplett aus Saphir bestehendes Hochtemperatur-Drucksensornetzwerk mit in situ-Temperaturkompensation: innovatives Hohlraumdesign, Fertigung und APSC-FFT-Algorithmus

Druck messen, wo nur wenige Sensoren überleben

In Kernreaktoren und Gasturbinen steigen die Temperaturen so weit an, dass Metalle weich werden und Elektronik ausfällt, dennoch müssen Ingenieure den Druck genau kennen, um diese Maschinen sicher und effizient zu betreiben. Diese Arbeit stellt einen neuen Sensortyp vor, der nahezu vollständig aus Saphirkristall besteht und in solchen harschen Bedingungen zuverlässig arbeitet, Temperatur und Druck gleichzeitig misst und nach einem Erhitzen auf 1500 °C stabil bleibt.

Warum extreme Maschinen bessere Sinne brauchen

Moderne Energie- und Luftfahrtsysteme treiben Materialien an ihre Grenzen. In gasgekühlten Reaktoren kann das Kühlgas rund 800 °C bei Drücken nahe 1 Megapascal erreichen, während in Brennräumen von Strahltriebwerken Temperaturen über 1300 °C auftreten. Konventionelle elektrische Drucksensoren haben hier Probleme: Ihre elektrischen Eigenschaften driften, und elektromagnetische Störungen können die Messungen verfälschen. Selbst Temperatursensoren wie Thermoelemente oder Infrarotverfahren verlieren über den gesamten Bereich an Genauigkeit. Die in dieser Arbeit beschriebene Lösung geht das Problem optisch an, was von Natur aus unempfindlich gegen elektrische Störungen ist und sich besser für heiße, korrosive und sonstwie extreme Umgebungen eignet.

Ein Saphirchip, der Licht statt Spannung liest

Das Herzstück des Geräts ist ein winziger Chip, aus einem Stück Saphir gefräst und mit einer saphirnen Membran verbunden, die sich bei Druckänderung biegt. Licht aus einer Breitbandquelle gelangt über eine Glasfaser durch eine kleine Linse in diesen Chip. Im Inneren prallt es zwischen sorgfältig gegeneinander positionierten, spiegelähnlichen Saphirflächen und bildet Fabry-Pérot-Hohlräume – gewissermaßen mikroskopische optische Echos, deren Abstand steuert, welche Lichtfarben konstruktiv interferieren. Durch Analyse des reflektierten Spektrums kann das System die genauen Abstände zwischen den Flächen im Chip bestimmen, woraus sich Temperatur und Druck ableiten lassen.

Um diese beiden Größen zu entkoppeln, entwarfen die Forschenden eine zusammengesetzte Hohlraumstruktur. Ein Hohlraum liegt vollständig in einer starren Saphirschicht und reagiert kaum auf Druck, dehnt sich aber mit der Temperatur aus und fungiert so als in situ-Thermometer. Ein zweiter Hohlraum überspannt einen Luftspalt zwischen der starren Saphirschicht und der flexiblen Membran, sodass seine Länge sowohl durch Druck als auch durch Temperatur verändert wird. Durch Kalibrierung, wie sich jeder Hohlraum unter bekannten Bedingungen verhält, kann das System die beiden Einflüsse trennen und die Druckmessung automatisch für Temperaturänderungen kompensieren.

Eine intelligente Membran für sauberere optische Signale

Eine wichtige mechanische Neuerung ist die Form der druckempfindlichen Membran. Viele Drucksensoren verwenden eine flache Membran, die bei Belastung stark durchbukt. Das erhöht zwar die Empfindlichkeit, führt aber zu ungleichmäßiger Verformung über den beleuchteten Bereich, was das Interferenzmuster verschwimmen lässt und die Messgenauigkeit verschlechtert. Das Team führte hier einen zentralen Sockel – eine kleine erhabene Plattform – auf der Membran ein, auf den das Licht fokussiert wird. Die Membran bleibt ausreichend flexibel, um druckempfindlich zu sein, während sich der Sockel selbst kaum verformt. Simulationen zeigen, dass dieses Design die Variationen des Luftspalts über dem Lichtfleck gering hält, den Kontrast im Spektrum bewahrt und die Präzision verbessert, mit der Hohlraumlängen ermittelt werden können.

Präzises Strukturieren und Verbinden bei extremen Temperaturen

Eine solche Struktur in Saphir herzustellen ist alles andere als trivial. Die Forschenden verfeinerten einen nasschemischen Ätzprozess, mit dem Hohlräume und der Sockel in den Kristall geformt werden konnten, wobei die Oberfläche extrem glatt blieb; eine Rauheit von nur etwa 13 Nanometern hilft den Innenflächen, als gute optische Spiegel zu wirken. Sie Ätzten den Saphir in drei kontrollierten Schritten, um den druckempfindlichen Bereich, den Referenzhohlraum und den Sockel zu definieren. Anschließend verbanden sie die geätzte Membran direkt mit einem Saphirsubstrat bei sehr hohen Temperaturen und Drucken, zunächst durch temporäre Wasserstoffbindungen bei 200 °C und dann durch starke kovalente Bindungen oberhalb von 1000 °C. Tests zeigten, dass die resultierenden Chips nach einem Tag bei 1500 °C und anschließender Abkühlung intakt und optisch stabil blieben.

Intelligentere Signalverarbeitung für feinere Details

Selbst mit einem exzellenten Chip erfordert das Extrahieren winziger Änderungen der Hohlraumlänge aus dem reflektierten Spektrum sorgfältige Mathematik. Die Autorinnen und Autoren entwickelten einen adaptiven Peak-Shift-Korrekturalgorithmus auf Basis der schnellen Fourier-Transformation (FFT), einem Standardwerkzeug, das das Spektrum in eine Darstellung überführt, in der Hohlraumlängen als Peaks erscheinen. Da reale Messungen endlich und diskret abgetastet sind, neigen diese Peaks dazu, zu verbreitern und zu verzerren, was die geschätzte Hohlraumlänge um viele Nanometer verschieben kann. Der neue Algorithmus verfeinert wiederholt die Resampling-Prozedur im Wellenzahlspektrum, sodass die Fourier-Peaks symmetrisch werden. Dieser Selbstkorrekturschritt bringt die abgeleiteten Hohlraumlängen in nahezu perfekte Übereinstimmung mit ihren wahren Werten und reduziert typische Fehler um etwa zwei Größenordnungen, während die Verarbeitung noch schnell genug für Echtzeitmessungen bleibt.

Nachweis der Leistungsfähigkeit unter harten Bedingungen

Der fertige Sensor, verpackt in einem Metallgehäuse mit einer goldbeschichteten Faser und Quarzlinse, wurde bei Temperaturen von 28 bis 800 °C und Drücken von 0 bis 1,2 MPa getestet. Nach Kalibrierung erreichte das System Temperaturmessfehler unter 0,13 % des Messbereichs und Druckfehler unter 0,18 % der Skala, mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität über 120-Stunden-Tests bei niedrigen und hohen Temperaturen. Wichtig ist, dass selbst nach einer Hochtemperatur-Annealing bei 1500 °C die Hohlraumlängen und optischen Signale im Wesentlichen wieder die gleichen Werte annahmen, was zeigt, dass der Saphirchip Temperaturen verträgt, die deutlich über denen in typischen Reaktoren oder Triebwerken liegen.

Was das für zukünftige Triebwerke und Reaktoren bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Kernbotschaft: Die Autorinnen und Autoren haben ein winziges, kristallbasiertes „Auge“ geschaffen, das Druck und Temperatur tief in einigen der heißesten Teile von Energie- und Luftfahrtsystemen beobachten kann, ohne zu versagen oder an Genauigkeit zu verlieren. Durch die Kombination robuster Saphirmaterialien, cleverem Hohlraumdesign und einem verfeinerten Datenverarbeitungsalgorithmus liefert der Sensor präzise Messwerte dort, wo herkömmliche Geräte versagen. Sobald Gehäuse- und Faserwerkstoffe mit der inhärenten Hitzebeständigkeit des Chips Schritt halten, könnte diese Technologie zu einem Schlüsselwerkzeug werden, um die nächste Generation von Reaktoren und Strahltriebwerken sicherer, effizienter und in Echtzeit überwachbar zu machen.

Zitation: Tan, J., Qin, F., Wang, N. et al. All-sapphire-based high-temperature pressure sensor system with in situ temperature compensation: innovative cavity design, fabrication, and APSC-FFT algorithm. Microsyst Nanoeng 12, 159 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01290-5

Schlüsselwörter: Hochtemperatur-Drucksensor, Saphir-Optiksensor, Fabry-Pérot-Hohlraum, Überwach ung extremer Umgebungen, MEMS Nassätzen