DE102004013305A1

DE102004013305A1 - Dehnungsempfindliche Sensorschicht durch eingebettete elektrisch leitfähige Atomcluster

Info

Publication number: DE102004013305A1
Application number: DE200410013305
Authority: DE
Inventors: Guenter Schultes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine inhomogene Sensorschicht zur Messung von mechanischen Krafteinwirkungen wie Gewicht, Druck, Drehmoment und Beschleunigung. Die Sensorschicht besteht aus eingebetteten elektrisch leitenden Atom- oder Molekülclustern oder Partikeln in Nanomentergröße, die sich in statistischer Verteilung in einer chemisch inerten, elektrisch isolierenden Matrix aus z. B. Aluminiumoxid oder Siliziumoxid befinden. Die Konzentration und der mittlere Interclusterabstand sind entscheidende Parameter, da sich durch den Tunneleffekt zwischen den elektrisch leitenden Atom- oder Molekülclustern oder Partikeln in Nanometergröße ein stark dehnungsabhängiger Widerstand ergibt. Es wird eine Methode unter simultaner Verwendung einer gewöhnlichen Kathodenzerstäubung sowie einer Clusterquelle beschrieben, mit deren Hilfe die erfindungsgemäße Sensorschicht hergestellt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft die Art und Herstellung einer sensorisch wirksamen, hoch dehnungsempfindlichen, elektrisch stabilen Dünnschicht zur Verwendung in Sensoren für mechanische Größen wie Druck, Kraft, Gewicht, Drehmoment und Beschleunigung. Erfindungsgemäß werden dazu elektrisch leitfähige Atom- oder Molekülcluster oder Partikel im Nanometerbereich in ein elektrisch isolierendes oder schlecht leitendes Material eingebracht und immobilisiert. Die durch den Tunneleffekt bestimmte elektrische Leitfähigkeit dieser Sensorschicht weist eine hohe Dehnungsempfindlichkeit auf, da die Tunnelwahrscheinlichkeit sehr empfindlich von den Clusterabständen abhängt.

Sensoren zur Messung druck- und kraftabhängiger Größen bestehen üblicherweise aus einem sich unter der Messgröße verformenden Materialbereich, welcher entweder selbst seine elektrische Leitfähigkeit ändert (z.B. piezoresistive Silizium-Drucksensoren) oder wobei die Messgröße indirekt über die Messung mit Hilfe von aufgebrachten dehnungsabhängigen Widerständen (DMS) sensorisch erfasst wird.

Üblicherweise erfolgt die mechanisch-elektrische Transformation durch dotierte Silizium-Einkristalle, durch Dickschichtwiderstände, durch aufgeklebte Dehnungsmessstreifen (DMS) oder durch direkt aufgebrachte elektrisch leitende Dünnschichtwiderstände. Dabei haben die vorliegenden Lösungen ein Reihe von Nachteilen.

Dotierte Silizium-Einkristalle weisen zwar eine sehr hohe Dehnungsempfindlichkeit (k-Faktor von bis zu einigen 100) auf, haben aber nachteiliger Weise eine ebenfalls hohe Temperaturabhängigkeit des Widerstandes, was Kompensationsmaßnahmen erforderlich macht bzw. den Einsatz für Präzisionssensoren verhindert.

Gebräuchliche Dickschichtwiderstandsmaterialien weisen hingegen häufig Dehnungsempfindlichkeiten k von etwa 3 bis 20 auf. Durch die hohen Prozesstemperaturen von etwa 850°C während des Einbrennvorgangs der Dickschichtpaste verbietet sich ihr Einsatz allerdings auf sehr vielen Substratmaterialien, sodass diese Technologie nur für keramische Trägermaterialien in Frage kommt.

Metallische DMS, als Folienmaterial oder als Dünnschicht sind zwar äußerst temperaturstabil herzustellen, weisen aber in den meisten Fällen nur eine vergleichsweise sehr geringe Dehnungsabhängigkeit von k = 2 auf und zeigen demzufolge nur kleine Ausgangssignale, wenn entsprechende Druck-, Kraft-, Gewichts- oder Drehmomentsensoren mechanisch belastet werden.

Infolge eines NASA-Forschungsprogramms wurden keramische DMS-Schichtsysteme für die Verwendung bei äußerst hohen Temperaturen dargestellt und erforscht. Den Arbeiten von Gregory und Dyer zufolge, eignen sich die Schichtmaterialien ITO (90% In2O3, 10%SnO2) sowie AIN als piezoresistive Schichten mit recht hohen k-Faktoren, die bis zu –77 bei ITO und +15 bei AIN reichen.

Aus der einschlägigen Forschungsliteratur sind auch Dünnschichten mit einer sehr viel größeren Dehnungsempfindlichkeit (bis zu k = 120) bekannt. Es handelt sich dabei um solche Systeme, bei denen es zur Ausbildung von Metallinseln auf der Unterlage kommt. Diese Inseln entstehen in einem frühen Stadium des Schichtwachstums bei äußerst dünnen Schichten (einige nm). Die Stabilität solcher Schichten ist allerdings sehr schlecht, diese Systeme sind daher für praktische Anwendungen als Sensorschichten nicht zu gebrauchen.

Bei den dargestellten Dünnschichtsystemen handelt es sich um homogene, kontinuierliche Filme, die mit Standardmethoden der Dünnfilmtechnologie erzeugt wurden.

Zur Herstellung von dünnen Schichten existieren nach dem Stand der Technik auch sogenannte Clusterquellen, also Vorrichtungen, die im Gegensatz zu üblichen Verdampfer- oder Zerstäuberquellen keine Freisetzung von einzelnen Atomen oder kleinen Atomverbänden bewirken, sondern eine im gewissen Rahmen wählbare Anzahl zusammengeballter Atome, sogenannte Cluster emittieren. Mit Hilfe dieser Technologie lassen sich neutrale und ionisierte Cluster, also Aggregate von wenigen Atomen bis ca. 10⁶ Atome pro Cluster erzeugen und mit oder ohne Beschleunigung auf ein Substrat schießen. Die experimentellen Arbeiten wurden durch entsprechende Simulationen (molecular-dynamics simulation) ergänzt und zeigen, dass keine kolumnaren Strukturen wie bei den Standardverfahren der Beschichtungstechnik aufwachsen, sondern dass abhängig von der Einfallenergie der Cluster sehr glatte, gut haftende Schichten entstehen. Bei sehr geringer Einfallenergie der Cluster, dem so genannten soft-landing, bleiben die Cluster als solche erhalten. Es wurden auch diskontinuierliche Schichten vorgeschlagen, in denen die Cluster aus einem Material in eine Matrix aus einem anderen Material inkorporiert werden, z.B. ferromagnetische Cobalt-Cluster eingebettet in eine unmagnetische Cu- oder Ag-Matrix. Eine TEM-Studie über Cluster-Cermet Schichten von Roux zeigt, dass bei bestimmten Parametern Metallcluster als Partikel in einer keramischen Umgebung erhalten bleiben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hoch dehnungsabhängige Sensorschichten zu schaffen, die für die Messung mechanischer Krafteinwirkungen durch Druck, durch Drehmomente, durch Gewichte oder durch Beschleunigungen verwendbar sind.

Dazu werden elektrisch leitfähige Atom- oder Molekülcluster oder Partikel im Nanometerbereich in eine Dünnschicht aus inertem und isolierendem oder schlecht leitendem Material eingebettet und immobilisiert.

Anstelle der bis dato für Sensoren üblichen Dünnschichten werden folglich inhomogene Sensorschichten hergestellt, die aus einem Grundmaterial mit darin eingebetteten, elektrisch leitfähigen Clustern bestehen. Wenn Cluster aus einem elektrisch gut leitenden Material in eine Dünnschicht aus isolierendem Material oder aus Material mit recht niedriger Leitfähigkeit eingebettet werden, kann sich eine hohe Dehnungsempfindlichkeit des Widerstands einstellen. Die Leitfähigkeit, die im besagten Fall durch Tunneln der Elektronen von Cluster zu Cluster zustande kommt, ändert sich durch eine Dehnung oder Stauchung sehr stark, da beim Tunneleffekt der Interclusterabstand exponentiell eingeht. Als Metalle kommen dabei sämtliche metallischen Elemente des Periodensystems sowie elektrisch leitende Verbindungen in Frage.

Auf diese Weise lassen sich empfindlichere Sensoren realisieren als die heute bekannten mit homogenen Dünnschichten arbeitenden Sensoren.

Durch die Einbettung und Immobilisierung der leitfähigen Cluster in einer chemisch inerten Umgebung ist die Langzeitstabilität der Schichten sehr günstig zu beeinflussen. Gerade durch die dreidimensionale Einbettung unterscheidet sich die Erfindung von den diskontinuierlichen zweidimensionalen Inselschichten aus Gold, die zwar eine sehr hohe Dehnungsempfindlichkeit aufweisen aber überaus instabil im Laufe der Zeit sind.

Die Erfindung verbindet also den Vorteil der hohen Dehnungsempfindlichkeit von diskontinuierlichen Inselschichten mit dem Vorteil der guten Langzeitstabilität von dichten, dickeren Schichten. Der Temperaturkoeffizient des Schichtwiderstands kann durch die Art und Konzentration der Atom- oder Molekülcluster oder Partikel im Nanometerbereich in weiten Bereichen eingestellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße einstöckige Anordnung im Querschnitt geeignet zur Messung von mechanischen Krafteinwirkungen parallel zur Oberfläche.
2 eine erfindungsgemäße mehrstöckige Anordnung im Querschnitt, ebenfalls geeignet zur Messung von mechanischen Krafteinwirkungen parallel zur Oberfläche.
3 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Messung von mechanischen Krafteinwirkungen senkrecht zur Oberfläche.
Die in 1 dargestellte Anordnung zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel der Sensorschichten, wobei die dehnungsempfindliche Schicht 2 zwischen den Kontakten 4 auf einer isolierenden Schicht 1 auf dem Substrat aufgebracht ist. Die Anordnung ist durch eine Schutzschicht 3 vor Umgebungseinflüssen geschützt. Die 2 zeigt hingegen einen mehrstöckigen Aufbau, in dem mehrere Lagen der dehnungsempfindlichen Schicht 2, jeweils durch dielektrische Zwischenschichten 5 getrennt und mit einer abschließenden isolierenden Schutzschicht 3 existieren. In beiden Fällen liegt die zu messende mechanische Krafteinwirkung parallel zur Oberfläche der Sensorschicht.
Die 3 zeigt hingegen eine andere mögliche Anwendung der Sensorschicht. In diesem Fall wird flächig oder punktförmig eine Kraft F auf die Sensorschicht 2, die sich auf einem Metallkörper 7 befindet ausgeübt. Die elektrische Messung der Kraftgröße wird durch eine Widerstandsänderung zwischen der Kontaktschicht 6 und dem Metallkörper 7 durchgeführt. Die zu messende Krafteinwirkung wirkt also senkrecht auf die Sensorschicht 2.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Sensorschichten werden zwei simultan betriebene Depositionquellen benötigt. Dabei wird mit Hilfe einer konventionellen Kathodenzerstäubung oder einer Verdampfereinrichtung das Material der Matrix z.B. Al₂O₃ oder SiO₂ als Schicht erzeugt, während zur gleichen Zeit eine Clusterquelle betrieben wird aus welcher Atomcluster emittiert werden, die ebenfalls auf die wachsende Schicht treffen.
Auf die beschriebene Weise entstehen Metallcluster in statistischer Verteilung in der isolierenden Matrix. Über die die Beschichtung steuernden Parameter, insbesondere die jeweiligen Beschichtungsraten lässt sich die Konzentration und auch die Größe der leitfähigen Cluster steuern. Die Konzentration muss nun so gewählt werden, dass sich keine Perkolationsketten, also durchgehende leitende Pfade aus den Clustern bilden.
Die erfindungsgemäße Sensorschicht lässt sich ebenfalls mit geeigneten Verfahren nasschemischer Sol-Gel-Methoden herstellen. Zu diesem Zweck werden Metallpartikel in Nanometergröße in einer geeigneten Konzentration in eine flüssige Substanz eingebracht, welche zur Beschichtung des Substrates verwendet wird. Über die Art, Größe und Konzentration der nanomeren Metallpartikel lassen sich die Schichteigenschaften steuern.

Claims

Sensorschicht auf einem Substrat bestehend aus einem elektrisch isolierenden oder schlecht leitenden Material mit darin eingebetteten, elektrisch leitfähigen Atom- oder Molekülclustern oder Partikeln im Nanometerbereich, die piezoresistive Eigenschaften besitzt zur Messung von Verformungen, die durch mechanische Krafteinwirkungen auf die Sensorschicht und Substrat entstehen.
Sensorschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht aus einer Einzelschicht oder mehreren Einzelschichten mit verschiedenen Atom- oder Molekülclustern oder Partikeln im Nanometerbereich besteht.
Sensorschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht einstöckig oder mehrstöckig mit isolierenden Zwischenschichten aufgebaut ist.
Sensorschicht nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Krafteinwirkungen durch Druck, durch Drehmomente, durch Gewichte oder durch Beschleunigungen entstehen.
Sensorschicht nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten Cluster aus Atomen des gleichen Elements bestehen.
Sensorschicht nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten Cluster aus Atomen verschiedener Elemente bestehen.
Sensorschicht nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten Cluster aus Molekülen bestehen.
Sensorschicht nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der eingebetteten, elektrisch leitfähigen Atom- oder Molekülcluster oder Partikel im Nanometerbereich unterhalb der Perkolationsgrenze liegt.
Sensorschicht nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkoeffizient des Widerstands der Schicht durch die Art und Konzentration der eingebetteten, elektrisch leitfähigen Atom- oder Molekülcluster oder Partikel im Nanometerbereich eingestellt werden kann.
Sensorschicht nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Krafteinwirkung parallel oder senkrecht auf sie einwirkt.
Sensorschicht nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht über elektrische Kontakte mit einem Messsystem verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung von Sensorschichten mit elektrisch isolierendem oder schlecht leitendem Material und darin eingebetteten, elektrisch leitfähigen Atom- oder Molekülclustern oder Partikeln im Nanometerbereich, dadurch gekennzeichnet, dass eine Clusterquelle und eine weitere Beschichtungsquelle simultan betrieben werden.