Dirk Göttel

NanoNi@C: Hochempfindliche Funktionsschicht für Druck- und Kraftsensoren

Zusammenfassung Die Arbeit beschreibt die Entwicklung eines neuen Materials, das auf eine mechanische Belastung zehnmal empfindlicher reagiert als die heute genutzten metallischen DMS-Materialen. In diesem Kompositmaterial liegen mit Kohlenstoff umhüllte Nickelcluster mit einem Durchmesser zwischen 10 nm und 20 nm vor. Die Umhüllungen bestehen aus einigen gebogen Graphenlagen, die die Nickelcluster wie Zwiebelschalen umgeben. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die Metallcluster isoliert voneinander vorliegen, sich also nicht berühren, so dass der Stromtransport durch die Hüllen aus Kohlenstoff beeinträchtigt ist. Wird nun eine Dehnung oder Verzerrung dieses komplexen Materials zB durch einen äußeren Druck hervorgerufen, so beeinflusst dies den Stromtransport durch das Material, also seinen elektrischen Widerstand, sehr stark. Dies ermöglicht eine sehr empfindliche elektrische Messung des Drucks oder der Kraft. Neben einer um den Faktor elf erhöhten Dehnungsempfindlichkeit (k-Faktor bis zu 22) im Gegensatz zu herkömmlichen DMS-Materialen weisen diese Dünnschichten einen auf null einstellbaren Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands auf (TKR kleiner als ±25 ppm/K). Erste Prototypen in Form von Stahlmembran-Drucksensoren zeigen eindrucksvoll das Potenzial dieser Dünnschichten für Sensoranwendungen auf. Die hohe Dehnungsempfindlichkeit konnte bestätigt werden, auch viele weitere Sensorparameter wie zB das Kriechen, die Linearität der Kennlinie und das Signalrauschen konnten untersucht werden und liegen in für diese Sensoren typischen Bereichen. Abstract A new material with a strain sensitivity enhanced by a factor of eleven compared to common strain gauges is presented. Nickel clusters with a diameter of 10 nm to 20 nm are encapsulated by shells of carbon in a hexagonal structure like graphite or graphene. Transmission electron microscopy studies reveal separated metal clusters, indicating that the electron transport is impeded. By applying strain onto this complex material the carrier transport mechanism may be influenced strongly. Hence the electrical measurement of pressure or force is possible with high sensitivity. These functional layers show high strain sensitivity (gauge factor up to 22) in combination with a low temperature coefficient of resistance (TCR, approximately ±25 ppm/K). The TCR can be adjusted to zero by controlling the nickel composition of the thin film. First pressure sensors with these nanoNi@C functional layers are produced to demonstrate the high potential of this material. The high strain sensitivity could be confirmed, linearity and hysteresis measurements, current noise and creep errors exhibit typical values for these sensor devices.

Drucksensoren aus Zirkonoxid-Keramik mit hochempfindlichen Sensorschichten

Zusammenfassung In diesem Beitrag stellen wir ein neues Konzept zum Aufbau von resistiv arbeitenden Drucksensoren vor. Durch die Entwicklung von hochempfindlichen Funktionsschichten im Verbund mit Sensorkörpern aus der Hochleistungskeramik ZrO2 (stabilisiert mit Y2O3) entsteht ein leistungsfähiges, ausfallsicheres und kostengünstiges Sensorkonzept. Bedingt durch die naturgemäßen guten Isolationseigenschaften des keramischen Werkstoffs, in Verbindung mit einer fortschrittlichen Dünnfilmtechnologie ist ein stark vereinfachter Aufbau möglich. Die Membran benötigt keine Isolationsschicht, sie trägt lediglich eine hochempfindliche Sensorschicht, welche mit wenigen Laserschnitten zu einer Wheatstoneschen Brücke strukturiert wird. Eine sichere elektrische Verbindung wird durch Ultraschall-Bonden direkt auf der Dünnschicht realisiert, sodass keine weiteren Kontaktschichten benötigt werden. Es wird eine Aufbautechnik demonstriert, die eine Stahl-Keramik Klemmverbindung sowie die Kapselung des Drucksensors einschließt. Erste Ergebnisse von Labormustern der Drucksensoren mit einem Nenndruck von 100 bar werden präsentiert und diskutiert.

Hochempfindliche Folien-Dehnungsmessstreifen auf dem Weg zur technologischen Reife

Zusammenfassung Es wird über den Stand der Forschung an hochempfindlichen Folien-Dehnungsmessstreifen berichtet. Die Folien-DMS bestehen aus einer Polyimidfolie, auf welche eine granulare Dünnschicht auf der Basis von Nickel und Kohlenstoff mit einer Schichtdicke von etwa 150 nm aufgesputtert wird. Die k-Faktoren erreichen 20 für die Nickel-Kohlenstoff Version und 10 für eine modifizierte Version aus Nickel-Chrom-Kohlenstoff. Die Strukturierung erfolgt mit einem Ultrakurzzeitlaser, wobei die Laserstrahlung die Schicht lokal abträgt, ohne wesentliche Beeinflussung der Polyimidfolie. Keine photolithographischen Prozesse und Ätzlösungen werden benötigt. In Abhängigkeit der gewählten Geometrie können hohe elektrische Widerstände von bis zu 50 kΩ erzeugt werden. Als einer der letzten Schritte wird eine gegenüber mechanischer und Umwelt-Einflüsse schützende dielektrische Schicht auf die DMS aufgetragen. Der gesamte Herstellungsprozess wird vorgestellt. Muster der neuen Folien-DMS werden auf Kraftsensoren bekannter Geometrie aufgeklebt und charakterisiert. Vorläufige Ergebnisse des Up-scaling-Prozesses mit Messungen der Empfindlichkeiten, der Linearitäts- und Hysteresefehler, der Kriechfehler und der Stabilität bei unterschiedlichen Temperaturen werden präsentiert. Ein Vergleich der hochempfindlichen Folien-DMS mit Metallfolien-DMS rundet die Arbeit ab und weist auf mögliche Anwendungen hin.