Oberflächenintegrierte Dünnschichtsensoren

Zwei Innnenlagerringe mit piezoresistivem Diaforce-Schichtsystem in der Laufbahn der Wälzkörper.
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Für eine vernetzte Kommunikation innerhalb von Produkten, Prozessketten und Fabriken bieten Dünnschichtsensoren vielfältige Möglichkeiten zur Integration von sensorischen Funktionen wie Kraft-, Druck-, Dehnungs- und Temperaturmessung in bestehende Bauteile. Sogenannte "Smart Tools", intelligente Werkzeuge mit erweiterten Funktionen, ermöglichen hochgenaue Messungen von Belastungen in vielfältigen industriellen Einsatzgebieten. Durch die geeignete Kombination von Beschichtungstechnologie und Strukturierung ist hier eine flexible Positionierung möglich, so dass die Sensoren auch in Hauptbelastungszonen beziehungsweise Bereiche integriert werden können, die üblicherweise nicht zugänglich sind. Darüber hinaus lassen sich die Prozesse zu einem großen Teil automatisieren, so dass eine wirtschaftliche Fertigung möglich ist.

Piezoresistive Schichten erfassen Verformungen und Druck

Piezoresistive Schichten lassen sich beispielsweise als Dehnungsmesstreifen (DMS) einsetzen um Verformungen in Längsrichtung der Lagen zu erfassen. Darüber hinaus ist es möglich, senkrecht zur Schicht Belastungen zu detektieren. Speziell die Detektion von Belastungen senkrecht zur Oberfläche, das heißt Druck direkt auf die Oberfläche kann mit piezoresistiven Dünnschichten erfasst werden. Am Fraunhofer IST wird seit vielen Jahren an einem Schichtsystem geforscht, das unter extrem hoher Belastung ortsaufgelöst die Kraft, die jeder einzelne Wälzkörper ausübt, detektiert. Die sensorische Kohlenstoffwasserstoffschicht Diaforce ist unter Normalkrafteinwirkung piezoresistiv und zeigt sehr gute tribologische Eigenschaften. Diese High-Tech-Schicht wird direkt auf den Lagerring im PACVD-Prozess aufgetragen. Auf diese Sensorschicht (d=6 µm) werden dann Chrom-Elektroden (d=200 nm) im Lift-off-Prozess abgeschieden. Zum Abschluss wird eine elektrische Isolations- und Verschleißschutzschicht SiCon (d=3–4 µm) abgeschieden.

Positionsmessung und Temperaturerfassung

Für die Positionsmessung und die Erfassung kleinster Modifikation des Abstandes von Bauteilen lassen sich magnetische und kapazitive Dünnschichtsysteme einsetzen. Bei den magnetischen Schichtsystemen wird eine hartmagnetische Schicht aus CoSm auf das Bauteil abgeschieden und anschließend codiert. Durch die Codierung kann beispielsweise eine Längenmessung erfolgen. Die Erfassung von Temperaturen kann ebenfalls durch Dünnschichtsysteme realisiert werden. Hierbei kommen Schichten zum Einsatz die einen möglichst hohen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes haben. Im Allgemeinen wird auf die Bauteiloberfläche ein Mäander aufgebracht. Die Messstelle wird dadurch definiert, so dass auch eine lokale Messung möglich ist. Natürlich ist auch die Kombination verschiedener Funktionen möglich.
Am Fraunhofer IST werden gemeinsam mit Kunden aus Industrie und Forschung maßgeschneiderte und nachhaltige Lösungen entwickelt – vom Prototyp über wirtschaftliche Produktionsszenarien bis hin zur Skalierung auf industrielle Maßstäbe – und dies auch unter der Maßgabe geschlossener Material- und Stoffkreisläufe. Für die oberflächenintegrierten Dünnschichtsensoren heißt das, dass über die Entwicklung der Funktionsschichten und dem Aufbau von Sensorsystemen auch ganzheitliche Aspekte der Produktionstechnik berücksichtigt werden. Hierbei geht es darum, eine Pilotfabrik für smarte Schichten aufzubauen. Dabei werden einerseits die einzelnen Prozessschritte und die Schicht- und Prozessentwicklung und andererseits die gesamte Umgebung und Infrastruktur berücksichtigt.

Autor(en): Dr. Ralf Bandorf, Dr. Saskia Biehl, Dr. Jochen Brand

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