Dünne Schichten: Wenn Messtechnik und Produkt verschmelzen

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Die Prozesse zur Herstellung dünnster Schichten aus Nickel, Chrom, Kupfer, SiO2, TiON, NiCr und anderen Materialien kommen bereits seit Jahrzehnten unter anderem in der Halbleiterfertigung zum Einsatz.
Dass aber auch in der Sensorik viele weitere Anwendungen der DST zu finden sind, ist auf die unübertroffene Haftung der Dünnschichten zurückzuführen: Bei geeigneter Prozessierung gehen die Schichten eine unlösbare, atomare Verbindung mit dem beschichteten Objekt (dem sogenannten Substrat) ein. Dünnschicht-Sensoren zeigen daher auch über lange Zeit außerordentlich konstante Eigenschaften.
Dünnschichten reagieren beispielsweise empfindlich und reproduzierbar auf Kräfte, Verformung, Temperatur, Licht und chemische Substanzen. Bei geeignetem Design ist aber auch die Erfassung von Magnetfeldern, Leitfähigkeiten oder Kapazitätsschwankungen mit einer räumlichen Auflösung von wenigen Mikrometern möglich.
Trotz der Vorteile ist das Potenzial der Dünnschichttechnik bei weitem noch nicht ausgenutzt. Gründe dafür sind neben dem fehlenden Wissen über die weiteren Einsatzmöglichkeiten auch der hohe Entwicklungsaufwand und die hohen Investitionen in Produktionsanlagen.

Druckmesssensor

Die häufigste und bekannteste Anwendung ist die Herstellung von Drucksensoren auf einer Stahl-membran. Diese Mess­umformer wandeln den Druck in Gasen oder Flüssigkeiten nach dem Prinzip von Dehnmessstreifen in ein elektrisches Signal um. Bild 2 zeigt solche Druckmesszellen, die in Durchmessern von 4 bis 25 Millimetern und Nenndrücken zwischen 1,5 und 3.000 bar erhältlich sind.
Magnetfeldsensor
Eine weitere Standardanwendung sind Sensoren für magnetische Felder: Spulen können geometrisch angepasst werden – beispielsweise an besondere Geometrien von Polschuhen. Ein Array von Spulen kann zweidimensionale Informationen über Stärke und Ort von Magnetflüssen liefern – mit einer Auflösung von wenigen Mikrometern.

Mehrdimensionaler Kraftsensor

Ebenfalls eine Standardanwendung sind Dünnschichten auf planaren Stahlsubstraten. Interessant ist hier allerdings die Möglichkeit, die Messmäander (und damit die Messflächen) so anzuordnen, dass nur Kräfte/Verformungen in definierten Raumrichtungen erfasst werden. So sind Messelemente denkbar, die nur auf Torsion oder auch nur auf Biegung in einer Richtung reagieren.

Sensoren und Vorverstärker

Je näher die erste Verstärkerstufe am Mess­element angeordnet ist, desto vorteilhafter ist es. Um diesem Optimum nahe zu kommen, können mit Dünnschichten Leiterbahnen für Stecker oder elektronische Bauteile realisiert werden.
Bei entsprechendem Design sind Abstände von wenigen zehntel Millimetern zwischen Messstruktur und Eingang der signalverarbeitenden Bausteine möglich. Dadurch ergibt sich eine hohe Störfestigkeit und wegen des optimalen Störabstandes auch eine Voraussetzung für die optimale Genauigkeit. Bild 3 zeigt einen Vorverstärker direkt über den Dünnschichten auf einem Stahlsubstrat.
Sensoren ins Bauteil integrieren
Dünnschichten zeichnen sich auch durch eine sehr geringe „Bauhöhe“ aus – sie tragen gegenüber der Oberfläche nur wenige Mikrometer auf. So lässt sich die sensorische Schicht beispielsweise direkt in ein mediumführendes Rohr integrieren. Dabei sind auch zwei oder mehr Elektroden kammartig strukturierbar. Ein Materialfluss über derart gestaltete Schichten hinweg führt zu keiner messbaren Verwirbelung – trotzdem verändert sich je nach Zusammensetzung des fließenden Mediums der Widerstand und/oder die Dielektrizitätskonstante zwischen den Elektroden.
Solche Dünnschichten auf der Rohrinnenwand erfassen anhand von Kapazitätsschwankung Ablagerungen und/oder geringste Veränderungen des vorbeifließenden Mediums. So ist beispielsweise eine vorausschauende Reinigung und Reinigungskontrolle möglich.

Form und Funktion

Dünnschichten können auch auf Substrate aufgebracht werden, die sich auch nach der Prozessierung sehr vielfältig weiterverarbeiten lassen. Träger aus Metall können geschnitten, gebogen, geätzt oder auch verschweißt werden. Bild 4 zeigt Dünnschichtstrukturen auf einem Stahlträger, der mit einem Laser strukturiert wurde.
Durch die Laserschnitte entsteht ein Kraftmesselement, das auf beliebig große Maschinenteile aufgeschweißt wird und die dort entstehenden Kräfte misst. Auch hier gilt, dass das Element die Kräfte in allen drei Raumrichtungen messen kann – abhängig von der Gestaltung der Strukturen und der Substratschnitte. Im Gegensatz zu geklebten Dehnmessstreifen sind diese Konstrukte langzeitstabil und hochtemperaturfest.

Kräfte in allen Richtungen

Die bekannten Anwendungen zur Kraftmessung beanspruchen die Widerstandsschichten in Längs-richtung. Stauchungen und Dehnungen in der Breite oder Höhe galten als unerwünscht. Im Gegensatz dazu hat die Firma STW nun Kraftsensoren entwickelt, bei denen die Dünnschichten senkrecht zur Beschichtungsebene belastet werden.
Da Dünnschichten nur wenige Mikrometer auftragen, ergeben sich dadurch Kraftsensoren mit Bauhöhen von wenigen Millimetern bei extremer Belastbarkeit (Bild 5). Die maximal zu messende Kraft wird nicht durch das Messelement begrenzt, sondern durch das Material und die Fläche, in die das Messelement eingebettet ist. Die geringe Bauhöhe und die durch das Design definierbare Messzone ermöglichen eine „Reihenschaltung“ mehrerer Messelemente: Zwei oder auch mehr Kraftsensoren können übereinander angeordnet werden. Mit einer Bauhöhe von nur 4 Millimetern lassen sich so große Kräfte redundant und damit auch in sicherheitsrelevanten Anwendungen erfassen. Oder es können zwei Aufnehmer mit verschiedenen Messbereichen übereinander angeordnet werden, um so beispielsweise bei geringen Kräften eine höhere Genauigkeit zu erzielen.

Der Blick in den Motor

Eine weitere Anwendung ist die Messung des Druckes im Zylinder eines Verbrennungsmotors. Hier spielt die extreme Robustheit gegenüber Temperatur und Vibration eine entscheidende Rolle. Sowohl der Träger der Messelemente also auch die Dünnschichten bestehen aus temperaturfesten Materialien wie Metall, Metalloxiden und Glas. Die geringe Masse der Schichten und die intensive Verbindung mit dem Substrat resultieren in extremer Robustheit.

Materialeigenschaften messen

Durch geeignete Auswahl des Decklackes sind Dünnschichten auch in der Lage, chemische Zusammensetzungen zu messen: Verändert der Lack seine elektrischen Eigenschaften wie Widerstand und/oder Dielektrizitätskonstante, können Dünnschichten diese Änderung erfassen.
Erfolgreiche Anwendungen sind Raumklimasensoren, bei denen der Lack durch Aufnahme und Abgabe von Luftfeuchtigkeit die Leitfähigkeit verändert. Gibt es also eine Substanz, die durch die zu messende Größe Widerstand und/oder ihre Kapazität ändert, dann kann diese Größe mit Dünnschichten gemessen werden.
Aufgrund der geringen Größe der Schichten ist auch die Integration von Referenz-Strukturen zur Kompensation unerwünschter Einflüsse meist problemlos durchführbar.

Fazit

Dünnschichttechnik bietet für die Zukunft zahlreiche noch unerschlossene Anwendungsfelder. Zu Beginn eines Projekts mit dünnen Schichten ist jedoch eine kompetente Betrachtung notwendig. Das Unternehmen Sensor-Technik-Wiedemann (STW) hat bereits mehrfach die Rolle eines Partners für die Entwicklung und Fertigung technischer Dünnschichten übernommen. Im Unterschied zu Forschungseinrichtungen kann STW die Entwicklung auch in Serie produzieren.jbi |

Dipl.-Ing. (FH) Walter Felber ist Projektmanager Messtechnik bei Sensor-Technik Wiedemann (STW) in Kaufbeuren.

  • Druckmesszellen.
  • Vorverstärker auf einem Stahlsubstrat direkt über den Dünnschichten.
  • Dünnschichtstrukturen auf Stahlträger.
  • Kraftsensor mit Bauhöhe von 2 Millimetern.
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