Sputter-Dehnungsmessstreifen

Am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST werden leistungsfähige Sputter-Dehnungsmessstreifen entwickelt, die vielfältige neue Anwendungsfelder eröffnen, z. B. im Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt, der Wäge- oder Medizintechnik.

Das Prinzip

Dehnungsmessstreifen (DMS) ändern ihren elektrischen Widerstand bei Dehnung. Dadurch erlauben sie die Messung von Kraft, Dehnung, Momenten oder Druck. Klassische DMS bestehen aus einem Konstantanmäander auf einer Polymerträgerfolie und werden manuell auf das Bauteil aufgeklebt. Dieses Klebeverfahren wird heute bereits in verschiedenen Produkten durch gesputterte Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen ersetzt. Ein Beispiel sind Drucksensoren. Um die Einsatzmöglichkeiten von Sputter-DMS weiter auszuweiten, besteht noch ein erheblicher Entwicklungsbedarf hinsichtlich Messempfindlichkeit und Anwendbarkeit auf dreidimensionalen technischen Oberflächen. Hier bietet das Fraunhofer IST Lösungen mit großem Potenzial.

Vorteile von Sputter-DMS

Sputter-DMS messen mit hoher Genauigkeit, da weder Klebstoff noch Folie verwendet werden und das Quellen oder Kriechen in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit vermieden wird. Durch den nur wenige Mikrometer dicken Schichtaufbau von Sputter-DMS bleiben die Toleranzen eines Bauteils meist unverändert. Darüber hinaus führen die exakte Positionierbarkeit und die direkte Anbindung der Sensorschicht an die Bauteiloberfläche zu einer erhöhten Messgenauigkeit des Systems.

Sputter-DMS auf komplexen Bauteilen

Metallische Bauteiloberflächen müssen vor dem Aufbringen der Sputter-DMS mit einer elektrischen Isolationsschicht versehen werden. Um eine defektfreie Isolation zu realisieren, ist eine sehr glatte Oberfläche erforderlich, auf die z. B. eine nur wenige Mikrometer dicke Al2O3-Schicht aufgebracht wird. Als sensorisch funktionelle Schicht wird beispielsweise eine NiCr-Dünnschicht abgeschieden. Die Sensorschicht ist meist nur wenige hundert Nanometer dick. Um die Löt- bzw. Bondfähigkeit der Oberfläche herzustellen, werden die Kontaktbereiche vergoldet. Für die Realisierung eines definierten Widerstandes wird die sensorische Schicht des Dehnungsmessstreifens üblicherweise mäanderförmig strukturiert. Das kann sowohl photolithographisch als auch mit dem Laser realisiert werden. Das Fraunhofer IST bietet die gesamte Prozesskette zur Herstellung von Sputter-DMS auf dreidimensionalen technischen Oberflächen.

Neue Materialien für Sputter-DMS

Neue Materialkombinationen für gesputterte DMS ermöglichen eine Steigerung der Dehnungsempfindlichkeit der Sensorschicht (k-Faktor) und erhöhen so die Messgenauigkeit. Ziel der Materialentwicklung ist eine möglichst geringe Drift des Messsignals unter rauen Umgebungsbedingungen (Temperatur- und Feuchteschwankungen). Das Fraunhofer IST forscht an Materialkombinationen für Hochtemperaturanwendungen, z. B. für Messungen am Abgasstrang oder in Triebwerken (bis oberhalb 1000 °C). Darüber hinaus wird seit einigen Jahren DLC (Diamond-like Carbon) erfolgreich in Drucksensoren eingesetzt. Durch den Einsatz metallhaltiger DLC-Schichten (Me-DLC) wird eine von der Umgebungstemperatur weitgehend unabhängige Dehnungsmessung ermöglicht. Während die meisten Metalle typischerweise einen k-Faktor von 2 haben, lassen sich mit Ni-DLC deutlich höhere Dehnungsempfindlichkeiten (k‑Faktoren > 10) erreichen.

Bei der Optimierung der Materialeigenschaften werden industrienahe Herstellungsverfahren und Testmethoden für die DMS-Schichten angewandt. Wichtige Entwicklungsziele sind kurze Prozesszeiten und eine hohe Stabilität der sensorischen Eigenschaften für eine schnelle industrielle Umsetzung.