-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor für die mechanische Druckmessung an Oberflächen. Sie betrifft insbesondere einen Sensor mit Nanoröhrchen, die üblicherweise als CNT (carbon nano tubes) ausgebildet sind.
-
Die prinzipielle Drucksensibilität von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) konnte in der Vergangenheit in einer Reihe von grundlegenden Arbeiten gezeigt werden. Dabei wurden indes jeweils einzelne Röhren mechanischen Deformationen unterworfen, um hierbei eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit sowie eventuelle piezoresistive Effekte zu erfassen.
-
Dabei hat sich gezeigt, dass CNTs für sich als Sensoren für die mechanische Druckmessung in Frage kommen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Sensor anzugeben, der sich zur taktilen Druckmessung eignet. Der Sensor soll eine leichte Anpassbarkeit an zwei- bzw. dreidimensional gekrümmte Flächen haben, d. h. soll auf in solcher Weise ausgebildete Flächen aufgebracht werden können. Der Sensor soll sich kostengünstig und mit verhältnismäßig einfachen Mitteln fertigen lassen. Dabei soll der erfindungsgemäße Sensor eine sehr empfindliche Ortsauflösung haben.
-
Im Hinblick auf die obigen Aufgaben wird mit der vorliegenden Erfindung ein Sensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Dieser Sensor hat eine monolithische Struktur mit im Wesentlichen sich parallel erstreckenden Nanoröhren mit einem Durchmesser in einem Bereich von zwischen 1 und 1000 nm. Eine entsprechende monolithische Struktur und deren Herstellung ist in der
DE 10 2007 035 693 A1 beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Inbezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Wenngleich es sich bei der
DE 10 2007 035 693 A1 beschriebenen monolithischen Struktur um eine Nanostruktur handelt, die als Reaktor bzw. chemischer Sensor zum Einsatz kommt, kann insbesondere die Struktur mit sich im Wesentlichen parallel erstreckenden Nanoröhren auch zur Verwirklichung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Sensor ist auf gegenüberliegenden Seiten der monolithischen Struktur eine Metallisierungsschicht aufgebracht. Diese Metallisierungsschicht befindet sich jeweils an den Endseiten der Nanoröhren. Die Metallisierungsschicht erstreckt sich dementsprechend rechtwinklig zur axialen Erstreckung der Nanoröhren. Die Metallisierungsschicht ist üblicherweise auf einer Kohlenstoffdeckschicht aufgebracht, welche sich ebenfalls quer zur Längserstreckung der Nanoröhren erstreckt und üblicherweise beim Ausbilden der Nanoröhren ausgeformt ist. Durch diese Kohlenstoffdeckschicht werden sämtliche Nanoröhren zunächst miteinander verbunden, vorzugsweise beidseitig mit Bezug auf das jeweils axiale Ende der Nanoröhren. Eine der Metallisierungsschichten, vorzugsweise diejenige Metallisierungsschicht im Bereich der Kontaktfläche des Sensors, ist in Form von Kontaktpunkten vorgesehen. Diese Kontaktpunkte haben eine Erstreckung von zwischen 1 und 100 μm, vorzugsweise von zwischen 10 und 40 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 20 μm. Nach idealisierten Vorstellungen sind die Kontaktpunkte rund, d. h. die zuvor genannte Erstreckung kann als Durchmesser der Kontaktpunkte angesehen werden. Diese Kontaktpunkte sind über Elektrodenbahnen, die sich im Wesentlichen parallel zu den Oberflächen der Nanoröhren erstrecken, an eine Auswertelogik angeschlossen. Diese Auswertelogik ist derart vorbereitet, dass eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der monolithischen Struktur als Maß für den jeweils im Bereich eines Kontaktpunktes wirkenden mechanischen Drucks ausgewertet wird, der mit seiner räumlichen Ausdehnung über den Sensor von der Auswertelogik ausgegeben wird.
-
Die monolithische Struktur wird zunächst als im Wesentlichen flächiges Gebilde hergestellt, wie dies in der
DE 10 2007 035 693 A1 beschrieben ist. Dabei wird poröses Aluminiumoxid über eine anodische Oxidation von Aluminium hergestellt. Durch die Verwendung einer konstanten Spannung unter Einfluss einer sauren, wässrigen Elektrolytlösung während der Oxidation erfolgt die Ausbildung von porösen Aluminiumoxidschichten auf einer Aluminiumelektrode. Nach Beendigung der Anodisierung wird die poröse Schicht von der Elektrode abgelöst und die zwischen Elektrode und poröser Oxidschicht typischerweise erzeugte durchgängige Oxidschicht durch Säurebehandlung in einem Chromsäure/Phosphorsäuregemisch entfernt. Nach dieser Behandlung liegt das oxidische Material mit durchgängigen, parallel verlaufenden und zylindrischen Poren mit in etwa kreisrunder Querschnittsfläche vor. Durch die Wahl der Elektrolytlösung sowie der Anodisierungsbedingungen kann poröses Aluminiumoxid mit Porendurchmessern von zwischen 5 nm und 200 nm mit einer engen Durchmesserverteilung hergestellt werden.
-
Das poröse Aluminiumoxid dient in den weiteren Arbeiten als formgebendes Material (sog. Templat) zur Herstellung eines Negativ-Abdrucks mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Wird eine Gasphasenabscheidung von Kohlenstoff gewählt, so werden Kohlenwasserstoffe als Kohlenstoffvorläufer verwendet. Außerdem kann wahlweise die zusätzliche Verwendung von Katalysatorpartikeln oder Vorläufern, die zu einer Dotierung des Materials führen, erfolgen. Neben der Verwendung von Kohlenwasserstoffen zur Ausbildung von Kohlenstoffschichten ist aber ebenso der Einsatz anderer Vorläufer möglich, die zu einer von Kohlenstoff verschiedenen Abscheidung führen (z. B. Bornitrid).
-
Der für die Abscheidung verwendete CVD-Reaktor besteht aus einem Zuführungsrohr aus Metall, das wiederum in einen Reaktorkopf aus Kohlenstoff übergeht. Der Reaktorkopf selbst ist in einem Glasmantel untergebracht und wird über eine Induktionsheizung auf die Abscheidungstemperatur (für Kohlenstoffabscheidung 650–1500°C) gebracht. Weiterhin dient der Reaktorkopf als Halterung für das poröse Aluminiumoxid und fixiert dieses orthogonal zur Strömungsrichtung des zugeführten Kohlenstoff-Vorläufers. Durch die verwendeten Temperaturen finden Gasphasen- und Oberflächenreaktionen statt, die zu einer Fragmentierung des Kohlenstoffwasserstoffs führen und somit in einer Ausbildung von Kohlenstoffschichten auf den Porenwänden resultieren. Des Weiteren wird aber auch definiert auf der oberen und unteren Endseite des Aluminiumoxids eine Deckschicht aus Kohlenstoff ausgeformt. Nach Entnahme der beschichteten Probe aus dem CVD-Reaktor wird somit ein Aluminiumoxid/Kohlenstoff-Komposit erzeugt.
-
In einem nächsten Schritt findet das Auflösen des Aluminiumoxids mit Hilfe säure-basierter Ätzprozesse statt, um den Negativabdruck des Aluminiumoxids in Form von Kohlenstoffröhren freizulegen. Hierzu wird die das Aluminiumoxid umhüllende Kohlenstoffschicht stellenweise entfernt, um einen Zugang der Säure zum Aluminiumoxid zu schaffen. Mit diesem Vorgehen kann eine Negativ-Kopie des Aluminiumoxids mit einer Größe von mehreren Quadratzentimetern erhalten werden. Bei diesem ist die Kohlenstoff-Deckschicht an den beiden oberen und unteren Deckseiten der Aluminiumoxid-Stirnfläche gezielt beibehalten worden, um eine makroskopische, monolithische Struktur zu erhalten. Diese besteht aus parallel angeordneten Kohlenstoffnanoröhren, die mit der oberen und unteren Kohlenstoffdeckschicht an den Endseiten der Röhren miteinander verbunden sind. Die monolithische Struktur ist mechanisch stabil und flexibel. Die obere und untere Kohlenstoffdeckschicht dient hierbei als Basis für die elektrische Kontaktierung der Röhren.
-
Diese elektrische Kontaktierung wird üblicherweise vor dem säure-basierten Entfernen des Aluminiumoxids durchgeführt, da das Komposit aus Aluminiumoxid und Kohlenstoff eine höhere mechanische Stabilität für die üblicherweise fotolithografischen Prozesse aufweist, denen die Nanoröhren unterworfen werden, um eine elektrische Kontaktierung zu verwirklichen. Bei dieser fotolithografischen Behandlung wird zunächst eine Kontaktmetallisierung, beispielsweise mit einer Stärke von 100 nm aus Gold auf die beiden Kohlenstoff-Deckschichten aufgesputtert. Die Stärke ist unkritisch. Die Kontaktmetallisierung kann somit von wenigen Nanometern (z. B. > 10 nm) bis mehrere Mikrometer (z. B. 10 μm) dick sein. Gold als Kontaktmetallisierung hat eine gute Haftung und ist beständig gegen folgende Ätzprozesse. Jedoch können auch andere oder weitere Metalle durch eine Modifizierung der Folgeprozesse verwendet werden. Bei der Kontaktmetallisierung wird auf einer Endseite der Nanoröhrchen üblicherweise mit flächiger Erstreckung beibehalten. Diese, im Folgenden als untere Seite bezeichnete Seite dient üblicherweise der Befestigung der Nanoröhrchen an einen Sensorträger. Dieser Sensorträger kann beispielsweise ein Messfinger sein, der den Finger einer natürlichen Person simuliert und sich für haptische Messuntersuchungen mit dem erfindungsgemäßen Sensor eignet.
-
An der unteren Seite ist vorzugsweise zur elektrischen und mechanischen Kontaktierung sowie Stabilisierung der Nanoröhrchen eine beidseitig klebende Kunststoffschicht vorgesehen. Auf der Innenseite dieser Kunststoffschicht kann eine Gitterstruktur aus Gold aufgesputtert sein. Der Kleber ist vorzugsweise ein elektrisch leitender Kleber. Die mit der Unterseite zusammenwirkende Kohlenstoffschicht ist vorzugsweise auf der Außenseite mit einer abziehbaren Folie versehen, die bis zur Montage an einem Sensorträger die Klebeschicht schützt. Die Folie selbst ist vorzugsweise eine elektrisch leitende Folie und vorzugsweise auf der Innenseite, wo die Nanoröhrchen von der Folie abstehen, ebenfalls mit einer vorab auf der Folie aufgebrachten elektrisch leitenden Klebeschicht versehen.
-
Auf der oberen Seite wird die Kontaktmetallisierung teilweise entfernt, um die zuvor erwähnten Kontaktpunkte als isolierte Inseln auf der Endseite der Nanoröhrchen, üblicherweise unter Zwischenlage der Kohlenstoffdeckschicht auszuformen. Hierzu wird beispielsweise die Kontaktmetallisierung mit Fotolack beschichtet und dieser in einer optischen Lithografieanlage bereichsweise belichtet, um idealisiert kreisförmige Kontaktpunkte an der Oberfläche durch Ätzen auszubilden. Anschließend wird die zwischen den Kontaktpunkten verbleibende Kohlenstoffschicht mit Sauerstoffplasma geätzt, um eine elektrische Entkopplung benachbarter Kontaktpunkte zu erreichen. Diese Kontaktpunkte sind über mehrere Nanoröhrchen voneinander beabstandet, die auf der oberen Seite nicht mit einer Goldschicht kontaktiert sind.
-
Um jeden einzelnen Kontaktpunkt kann eine Sensorzelle definiert werden, die mehrere, beidseitig mit einer Metallisierung versehene Nanoröhrchen sowie benachbart hierzu und diese umgehende weiteren Nanoröhrchen umfasst, die nicht mit einer Metallisierung versehen sind. Die Kontaktpunkte benachbarter Sensorzellen haben vorzugsweise einen Abstand von zwischen 50 μm und 800 μm, bevorzugt von zwischen 200 μm und 800 μm, besonders bevorzugt von zwischen 300 μm und 600 μm. Entsprechend ergibt sich die Größe der Sensorzellen. Für haptische Messungen, die eine räumliche Auflösung in etwa entsprechend der sensitiven Auflösung des menschlichen Fingers haben, wird eine Sensorzelle mit einer Größe von etwa 500 × 500 μm als angemessen angesehen. Innerhalb einer solchen Sensorzelle hat der Kontaktpunkt üblicherweise eine Größe von etwa 20 μm. Bei einem größeren Kontaktpunkt würde eine zu große Anzahl von Nanoröhrchen miteinander kontaktiert, so dass der elektrische Gesamtwiderstand der einzelnen Sensorzelle klein wird, so dass Widerstandsänderungen zur Ableitung von mechanischen Druckbeaufschlagungen auf den Sensor nur erschwert durchgeführt werden können.
-
Die relativ kleinen Kontaktpunkte werden durch die nachfolgend näher beschriebenen Prozessschritte mit den zugeordneten Elektrodenbahnen elektrisch verbunden.
-
Danach wird zunächst eine Passivierungsschicht mit einer Dicke < 2 μm, vorzugsweise von etwa 1 μm auf die strukturierte Seite aufgebracht, beispielsweise aufgeschleudert. Diese Passivierungsschicht sollte gute Haftungseigenschaften zu Kohlenstoff haben und eine Resistenz gegenüber den nachfolgend noch zu beschreibenden Ätzschritten. Die Passivierungsschicht kann aus einem Polymer bestehen, beispielsweise PS oder Parylene. Denkbar ist auch eine Passivierungsschicht aus einem Oxid, Borid oder Nitrid, wie beispielsweise Si3N4 oder Al2O3. Bei der Auswahl des Materials für die Passivierungsschicht sollte darauf geachtet werden, dass dieses eine gute Haftung auf Gold bzw. Al2O3 zeigt. Weiterhin sollte das Material der Passivierungsschicht nach ihrem Auftrag jedenfalls so transparent sein, dass die darunter liegenden Stellen der Kontaktmetallisierung (Kontaktpunkte) noch zu erkennen sind. Auch sollte die Passivierungsschicht eine hinreichende Stabilität gegenüber Folgeprozessen aufweisen. Die Schicht sollte des weiteren geschlossen sein und keine Öffnungen für Leckströme aufweisen. Hieraus folgt regelmäßig die Anforderung, die Schicht mit einer Schichtdicke von mindestens 100 nm vorzusehen. Bevorzugt beträgt die Schichtdicke der Passivierungsschicht zwischen 500 nm und 2 μm, besonders bevorzugt zwischen 0,7 μm und 1,5 μm. Höhere Dickten als 2 μm beeinflussen üblicherweise nachteilig die Flexibilität und damit die Sensorempfindlichkeit und erschweren die anschließende Kontaktierung mit größeren Bondflächen.
-
Auf diese Passivierungsschicht wird eine Schutzmetallisierung aufgebracht, üblicherweise durch Sputtern. Diese Schutzmetallisierung ist relativ dünn, üblicherweise mit einer Schichtdicke von unter 50 nm, vorzugsweise mit etwa 30 nm ausgebildet. Auch die Schutzmetallisierung sollte hinreichend durchsichtig sein, so dass die Kontaktpunkte durch die Schutzmetallisierung hindurch erkennbar sind. Als bevorzugtes Material kommt Gold zum Einsatz. Durch die geringe Schichtdicke können durch die Schutzmetallisierung die darunter liegenden Strukturen optisch erkannt werden. Hierdurch ist es möglich, die einzelnen Kontaktpunkte für die Kontaktierung unterhalb der Schutzmetallisierung optisch zu lokalisieren. Die so identifizierten Stellen der Schutzmetallisierung werden in einem weiteren Lithografie-Prozess behandelt, so dass die Kontaktpunkte in der Passivierungsschicht freigelegt werden. Die so identifizierten Stellen der Schutzmetallisierung werden in einem weiteren Lithografie-Prozess behandelt, so dass die Kontaktpunkte in der Passivierung freigelegt werden. Der elektrische Anschluss an die einzelnen Kontaktpunkte erfolgt wiederum über eine weitere Schicht (Bondmetallisierung), vorzugsweise eine Goldschicht mit einer Schichtdicke von nicht mehr als 200 nm, vorzugsweise von etwa 100 nm, welche die Elektrodenbahnen ausbildet, die sich parallel zu der Oberfläche der Nanoröhrchen erstreckt und die dem elektrischen Anschluss der einzelnen Kontaktpunkte an die Auswerteelektronik dient. Hierzu werden zu der Auswerteelektronik führende Leiterbahnen am Rand des Flächensensors mittels Bonden angeschlossen. Üblicherweise wird die Bondmetallisierung zur Vergrößerung der einzelnen Kontaktpunkte auf diesen vorgesehen. Die Dicke für die Bondmetallisierung unterliegt im Grunde keinen Beschränkungen. Gleichwohl wird die Flexibilität und somit die Sensorempfindlichkeit bei höheren Schichtdicken nachhaltig beeinflusst. Es können auch verhältnismäßig dicke Schichten mit einer Schichtdicke von beispielsweise 2 μm zum Einsatz kommen. Ein weiterer Lithografie-Prozess ist notwendig, um durch die weitere Schicht voneinander getrennte Leiterbahnen zu verwirklichen. Bei diesem Lithografie-Prozess können innerhalb der oberen Metallisierung (besteht aus Bondmetallisierung und Schutzmetallisierung) Durchbrechungen ausgebildet werden, so dass einzelne Bereiche der oberen Metallisierung als elektrisch voneinander isolierte Elektrodenbahnen auf der Oberseite ausgeformt sind, die vorzugsweise jeweils einem Kontaktpunkt zugeordnet sind. Bei dem Lithografie-Prozess wird üblicherweise die Oberfläche der oberen Metallisierung mit einer Maske aus Fotolack versehen, aufgrund derer sich beim nachfolgenden nasschemischen Ätzen die Ausbildung der gewünschten Leiterstrukturen innerhalb der oberen Metallisierung und zwischen den Kontaktpunkten und der oberen Metallisierung ergibt.
-
Am Ende der verschiedenen Lithografie-Prozesse zur Ausbildung einer Kontaktstruktur auf der oberen Endseite der Nanoröhren wird das Templat durch Behandlung mit Säure, beispielsweise Flusssäure, freigeätzt. Die Nanoröhren können gegebenenfalls zur Aufprägung von Halbleitereigenschaften bzw. zur Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstands behandelt werden.
-
Die derart hergestellte Sensorstruktur ist relativ dünn, so dass die Sensorstruktur als flexibler Drucksensor über zwei- bzw. dreidimensionale Raumstrukturen ausgelegt werden kann. Durch einen sehr engen Abstand benachbarter Kontaktpunkte kann eine hohe räumliche Auflösung erreicht werden. Die Herstellung der Sensorstruktur mittels Lithografie-Prozessen ist verhältnismäßig leicht zu beherrschen.
-
Eine Aussage über die tatsächlichen Druckkräfte auf der Oberfläche der Sensorstruktur kann dadurch erhalten werden, dass die Krümmung der Nanoröhrchen und die damit einhergehende Änderung des elektrischen Widerstands erfasst wird. Grundsätzlich kann jede durch den mechanischen Druck bewirkte Geometrie-Änderung der Nanoröhrchen, so beispielsweise eine Längenänderung und/oder eine Dickenänderung zu einer Widerstandsänderung führen, die als Messsignal genutzt werden kann. Hierzu wird der elektrische Widerstand zwischen den mit Metallisierung versehenen Nanoröhrchen respektive die Änderung des Widerstands bei mechanischer Druckbeaufschlagung gemessen. Auch ist es denkbar einen echten Piezo-Widerstandseffekt zu erzielen, d. h. eine Änderung des Widerstandes durch mechanisch wirkenden Druck, etwa über Bandstrukturänderungen und für Messzwecke auszunutzen. Eine Änderung des Widerstandes ergibt sich auch wenn parallele Nanoröhrchen von außen berührt werden.
-
Die vorliegende Erfindung macht sich aber auch vorzugsweise den Umstand zunutze, dass benachbart zu diesem beidseitig mit einer Metallisierungsschicht versehenen Nanoröhrchen weitere Nanoröhrchen vorgesehen sind, die lediglich dann als Leiterstrecke zwischen den beiden Metallisierungsschichten zum Einsatz kommen, wenn aufgrund einer mechanischen Verformung die Nanoröhrchen von ihrer zunächst parallelen Ausrichtung ausgelenkt und an die beidseitig mit einer Metallisierungsschicht versehenen Nanoröhrchen angelegt werden, wie dies die Zeichnung verdeutlicht.
-
Dabei zeigt die 1 eine eben solche Auslenkung. Die Nanoröhrchen 2 erstrecken sich parallel zu den Metallisierungsschichten 4, 6. Benachbart zu den mit Metallisierung 4, 6 versehenen Nanoröhrchen 2 befindet sich ein Nanoröhrchen 2a, welches lediglich einseitig mit der Metallisierungsschicht 4 verbunden ist. Bei mechanischer Beanspruchung der Sensorstruktur wird dieses Nanoröhrchen 2a seitlich ausgelenkt und legt sich an die Außenumfangsfläche der anderen Nanoröhrchen 2 an (vgl. gestrichelte Linie in 1). Durch diese Einkopplung des Nanoröhrchens 2a verändert sich der elektrische Widerstand zwischen den beiden Kontaktmetallisierungen 4, 6.
-
2 verdeutlicht die Krümmung der Nanoröhrchen aufgrund von Druckbeaufschlagung, die ebenfalls zu einer Veränderung des Kontaktwiderstands zwischen den Metallisierungsschichten 4, 6 führt. Diese Widerstandsänderung resultiert allein aus der Verformung der Nanoröhrchen 2 in die in gestrichelter Darstellung schematisch wiedergegebene ausgelenkte Lage.
-
Die Auswertelogik der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Veränderung der Leitfähigkeit sowohl aufgrund der Deformation von mit einzelnen Kontaktpunkten 6 versehenen Nanoröhrchen 2 wie auch die Kontaktierung dieser Nanoröhrchen 2 mit solchen, die nicht mit einem Kontaktpunkt verbunden sind, als Maß für den wirkenden mechanischen Druck ermittelt wird. Beide in den 1 und 2 gezeigten Verformungen werden danach für die Berechnung des tatsächlichen wirkenden mechanischen Druckes berücksichtigt, was zu einem aussagefähigen, relativ exakten Messwert für den tatsächlich wirkenden mechanischen Druck über einen relativ breiten Messbereich führt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Nanoröhrchen
- 2a
- Nanoröhrchen ohne Kontaktierung zu einem Kontaktpunkt
- 4
- Kontaktmetallisierung (durchgehend)
- 6
- Kontaktmetallisierung/Kontaktpunkt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007035693 A1 [0005, 0005, 0007]
