4.1.3 Hochempfindliche Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen auf technischen Bauteilen

Event

16. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2012
2012-05-22 - 2012-05-23
Nürnberg, Germany

Chapter

4.1 Mechanische Sensoren: Dehnungssensoren

Author(s)

R. Bandorf, H. Gerdes, U. Heckmann, G. Bräuer - Fraunhofer-Institut - IST -, Braunschweig, M. Petersen - Technische Universität Braunschweig

Pages

423 - 434

DOI

10.5162/sensoren2012/4.1.3

ISBN

978-3-9813484-0-8

Price

free

Abstract

Gesputterte Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen (DMS) besitzen eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber konventionellen Folien-DMS. Sie können z. B. mit einem sehr hohen Automatisierungsgrad und hoher Positionsgenauigkeit aufgebracht werden. Zudem befindet sich zwischen Dünnschichtsensor und Bauteil nur eine wenige Mikrometer dicke keramische Isolationsschicht, anstatt einer aufgeklebten elastischen Trägerfolie, woraus eine erhöhte Messgenauigkeit resultiert. Aus den genannten Gründen werden gesputterte Dehnungsmessstreifen bereits heute in kommerziellen Drucksensoren in einer Vielzahl von Produkten zur Messung von statischen oder dynamischen Drücken eingesetzt.
Allerdings ist die maximale Empfindlichkeit der Sensoren, neben der eingesetzten Elektronik, durch die verfügbaren dehnungsempfindlichen Materialienbegrenzt. Die üblicherweise eingesetzten Legierungen, wie z. B. Nickel-Chrom, besitzen eine metalltypische Dehnungsempfindlichkeit mit einem k-Faktor von ca. 2. Sie werden insbesondere aufgrund ihres weitgehend temperaturunabhängigen Widerstands (mit einem Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands TKRnahe 0 ppm/K) eingesetzt, wodurch eine temperaturkompensierte Dehnungsmessung ermöglicht wird.
Neuartige piezoresistive Schichten erlauben eine deutliche Steigerung der Dehnungsempfindlichkeit im Vergleich zu konventionellen Materialen. Die piezoresistiven Materialien für die Sensorschicht bestehen idealerweise aus einer halbleitenden Matrix mit eingelagerten metallischen Nanopartikeln. Interessante Nanokomposit-Schichten sind z. B. nickelhaltige diamantähnliche Kohlenwasserstoffschichten (Ni-DLC).
Der elektrischeWiderstand der DLC-Matrix hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, die metallischen Partikel dagegen einen positiven Temperaturkoeffizienten. Das unterschiedliche Temperaturverhalten führt bei geeignetem Materialverhältnis zu einem temperaturunabhängigen elektrischen Widerstand.
Darüber hinaus ist der Widerstand der Schichten abhängig vom Abstand der elektrisch leitfähigen Partikel untereinander und ändert sich somit deutlich stärker unter Dehnung als bei reinen Metallschichten.Mit Ni-DLC, welches auch unter weiteren Bezeichnungen, wieNi:a-C:H, a-C:H:Ni oder NanoNi@C, bekannt ist, können k-Faktoren mit Werten um die 20 bei gleichzeitig sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands (TKR< ±100 ppm/K) [Ban09, Pet11, Kop9, Kop10] erzielt werden.
Die sensorische Nutzung des piezoresistiven Verhaltens von metallhaltigen und reinen DLC-Schichten ist seit längerem bekannt und geschützt [Lue99]. Reine DLC-Schichten weisen mit k-Faktoren bis über 1000 noch weit höhere Dehnungsempfindlichkeiten auf als metallhaltige DLC-Schichten [Tib06, Bie06, Pet12].

In Abhängigkeit von den Beschichtungsparametern sind die DLC-Schichten sowohl als Drucksensoren im direkten Kraftschluss (Diaforce®) sowie auch als Dehnungsmessstreifen einsetzbar. Auf Grund der hohen Temperaturabhängigkeit ist jedoch eine hochempfindliche Temperaturkompensation zu berücksichtigen.
Einfacher ist die mikrotechnologische Anwendung von reinen DLC-Sensoren, wenn durch entsprechende Randbedingungen eine weitgehende Temperaturhomogenität im Sensorbereich gewährleistet wird.
Eine wichtige Voraussetzung für funktionsfähige Dünnschicht-DMS auf metallischen Bauteilen ist eine zuverlässige Isolationsschicht zwischen Bauteil und derSensorschicht. Hierfür stehen verschiedene Verfahren und Materialkombinationen zur Verfügung. Etabliert haben sich unter anderem Al2O3- und
SiO2-Schichten [Fru05]. Während SiO2-Schichten, die mittels thermischer CVD-Verfahren abgeschieden werden, Prozesstemperaturen von über 500 °C benötigen [Mar91], bietet das HF-Sputtern von Al2O3 vom keramischen Target zuverlässige Isolation bei Temperaturen unterhalb von 300 °C. Noch weiter reduziert wird die Prozesstemperatur bei der plasmaunterstützten CVD-Abscheidung (PACVD) von SiO2.
Die Strukturierung der Leiterbahnen, auch auf komplexen Oberflächen, sowie das Trimmen der Widerstände ist mittels moderner Lasertechnik möglich [Due11]. Alternativ kann die Strukturierung auch mittels klassischen Verfahren aus der Mikrotechnologie (photolithographisch und nasschemisch) oder mit Hilfe von Plasmaätzen erfolgen.

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