24.07.2007
Die ideal elastischen Materialeigenschaften von einkristallinem Silizium machen dieses Material interessant für den Einsatz in Präzisionswaagen. Ein erster Wägezellen-Federkörper aus einkristallinem Silizium mit einer Nennlast von 6 kg wurde in der PTB entwickelt und gefertigt. Hierbei stellen das spröde Materialverhalten von Silizium und die zu realisierenden, 1 mm dicken Dünnstellen eine besondere fertigungstechnische Herausforderung dar. In nachfolgenden Entwicklungsschritten wurden mit dem Dünnschichtverfahren der Sputterdeposition Dehnungsmessstreifen an ausgewählten Positionen auf dem Federkörper appliziert und erste experimentelle Untersuchungen durchgeführt.
Die Verwendung von Silizium als Federkörpermaterial für Wägezellen mit aufgesputterten Dehnungsmessstreifen (DMS) lässt eine im Verhältnis zu konventionellen Wägezellen geringe Zeitabhängigkeit und eine hohe Reproduzierbarkeit der Messsignale des Sensors erwarten. Neben den ideal elastischen Materialeigenschaften von Silizium im Temperaturbereich bis 500 °C, die zu deutlich geringeren mechanischen Nachwirkungen als bei den konventionell eingesetzten metallischen Materialien führen, werden durch die Anwendung von Dünnschichttechnologien Kriecheffekte bei der Dehnungsübertragung vom Federkörper auf den DMS im Vergleich zu aufgeklebten Folien-DMS deutlich reduziert.
Anhand umfangreicher Simulationen zum Dehnungsverhalten unterschiedlicher Federkörpergeometrien erfolgten die Optimierung der Geometrieparameter und die Auswahl der optimalen Orientierung des Siliziums im Federkörper. Bild 1 zeigt das Modell eines Federkörpers in Doppelbiegebalkenausführung. Die Abhängigkeit des Dehnungsverlaufes auf der Oberseite von der Orientierung des Siliziums im Federkörper aufgrund der anisotropen Materialeigenschaften ist in Bild 2 dargestellt. Der Unterschied der maximalen Dehnung zwischen den untersuchten Orientierungen des Siliziums beträgt im Dünnstellenbereich bis zu 30 %.
Bild 1: Modell eines Silizium-Federkörpers in Doppelbiegebalkenausführung zur Untersuchung der Einflüsse von Geometrie und Anisotropie auf das Dehnungsverhalten (FEM-Simulation).
Bild 2: Dehnung ex auf der Oberfläche des Federkörpers im Bereich der ersten Dünnstelle als Funktion der Position x (siehe Bild 1) für drei ausgewählte Orientierungen des Siliziums im Federkörper.
Basierend auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wurde ein erster, in Bild 3 dargestellter, Federkörper aus einkristallinem Silizium in der PTB gefertigt. Das spröde Materialverhalten von Silizium erfordert neben der mechanischen Bearbeitung mit Spezialwerkzeugen ein anschließendes Ätzen der Oberflächen, um Oberflächenschäden und Mikrorisse zu entfernen. Aufgrund der unterschiedlichen, von der Orientierung des Siliziums abhängigen Ätzraten entstehen unebene Oberflächen, die den Anforderungen der Sputterdeposition nicht genügen. Daher ist es erforderlich, die zu beschichtende Oberfläche vor der DMS-Applikation zu polieren.
Bild 3: Erster in der PTB gefertigter Wägezellen-Federkörper mit einer Länge von 115 mm aus einkristallinem Silizium.
In nachfolgenden Entwicklungsschritten wurden die DMS bei der Fa. Sartorius in Hamburg appliziert. Aktuell erfolgen experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung der messtechnischen Eigenschaften der Silizium-Wägezelle im Temperaturbereich von -10 °C bis 40 °C.
Ansprechpartner:
Sascha Mäuselein, FB 1.1, AG 1.12, sascha.maeuselein@ptb.de