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Messen mit (hauch)dünnen Schichten

Besonders interessant für:
  • Metrologieinstitute
  • Sensorik (mechanische und thermische Messgrößen)

Dünnschichtsensoren haben ein vielfältiges Potenzial in der Messtechnik. In der PTB lassen sich nun solche präzisen, mikrometerdicken Sensorschichten selbst auf unebenen, rauen Bauteilen herstellen.

Direkter Vergleich von gesputterten (rot markierten) und geklebten DMS (rechts davon) auf einem Testkörper für Kraftmessungen bis 10 kN. Die Teilbilder auf der linken Seite zeigen Nahaufnahmen der gesputterten Dehnungsmessstreifen-Struktur in unterschiedlichen Vergrößerungen.

Dünnschichtsysteme mit Dicken von wenigen 10 Nanometern bis zu mehreren Mikrometern werden bereits seit mehreren Jahren in der PTB erfolgreich als Sensoren verwendet. Nach erfolgreichem Einsatz derartiger Schichten z. B. als Sensoren zur Messung des elektrischen Widerstands bzw. Leitwertes von wässrigen Lösungen konzentrierten sich die Entwicklungen in der PTB auf Dünnschichtsensoren, die auch auf Bauteilen mit nicht-ebenen, rauen Flächen und unterschiedlichsten Bauteilwerkstoffen abgeschieden werden können.

Aufgebracht werden die Schichten im Vakuum mittels Sputtern, indem Ionen aus einem geeigneten Elektrodenmaterial (Target) Atome herausschlagen, die sich dann als dünne Schicht auf einem Substrat abscheiden. Dabei entsteht eine starke Anbindung an das Substrat, was für die Sensoren Vorteile gegenüber einer Klebung bietet. Weitere Vorteile liegen – angesichts des steigenden Bedarfs an genauen Sensoren – in der Möglichkeit, mit hoher Ortsauflösung und vor allem direkt am Wirkpunkt sowie auch unter schwierigen Umwelteinflüssen messen zu können. Neben der Entwicklung von 3D-fähigen Isolationsschichten mussten dazu auch die Strukturierungsverfahren angepasst werden. Nach einigen Entwicklungsschritten ist es nun möglich, durch Belichtung eines Fotolacks mit einem UV-Laser und einer 4-Achs- Präzisionsrobotik auf solchen nicht-ebenen, rauen Flächen mikrometergenaue Strukturen herzustellen. So konnten z. B. für die Kraftsensorik Dehnungsmessstreifen (DMS) direkt auf einem zylinderförmigen Testkörper zur Kraftmessung bis 10 kN aufgebracht werden. Bei einem Vergleich mit aufgeklebten DMS zeigten sich deutliche Vorteile in der Empfindlichkeit sowie im Sprungantwortverhalten des Sensors, die das große Potenzial dieser Art der Aufbringung unterstreichen.

In Zukunft soll die Technik zur Abscheidung einer dichten, fehlerfreien, gut haftenden Isolationsschicht auf unterschiedlichen Grundwerkstoffen mit wechselnden Geometrien noch weiter verfeinert werden. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf eine sichere Isolationsschicht zwischen elektrisch leitendem Grund- und dem Sensormaterial gelegt.

Hier liegt der Schlüssel zu einer universellen Verwendbarkeit der Technologie, da für viele Anwendungen ein metallischer und damit elektrisch leitender, nicht-ebener, rauer Grundkörper vorgegeben ist.

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Schmaljohann, F.; Hagedorn, D.; Buß, A.; Kumme, R.; Löffler, F.: Thin-film sensors with small structure size on flat and curved surfaces. Meas. Sci. Technol. 23 (2012) 074019