DE102010036586A1

DE102010036586A1 - Dehnungsmessstreifen

Info

Publication number: DE102010036586A1
Application number: DE201010036586
Authority: DE
Inventors: Jörg Müller; Dr. Relling Volker; Svenja Riekeberg
Original assignee: Sartorius Weighing Technology GmbH
Current assignee: Sartorius Weighing Technology GmbH
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-01-26
Also published as: WO2012010301A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen mit einer Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen auf einem Träger, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen eine über den Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat. Die Aufgabe, einen verbesserten Dehnungsmessstreifen zur Verfügung zu stellen, der eine besonders hohe Messungenauigkeit ermöglicht, wird für einen gattungsgemäßen Dehnungsmessstreifen dadurch gelöst, dass ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Präzisionsaufnehmer mit einem entsprechenden Dehnungsmessstreifen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Dehnungsmessstreifens.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen mit einer Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen auf einem Träger, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen eine über den Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Präzisionsaufnehmer, insbesondere Wägezelle, mit einem entsprechenden Dehnungsmessstreifen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens, bei dem auf einen Träger eine Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen, die eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, aufgebracht wird, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen eine über den Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat.
Grundlegende Arbeitsweise von Dehnungsmessstreifen ist, dass eine Deformation des Dehnungsmessstreifens insgesamt zu einer Deformation einer elektrisch leitfähigen Komponente des Dehnungsmessstreifens führt. Dadurch verändert sich die elektrische Leitfähigkeit bzw. der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Komponente. Über die Messung dieses Widerstands kann auf die Deformation der elektrisch leitfähigen Komponente und damit auf die Deformation des Dehnungsmessstreifens insgesamt geschlossen werden. Dehnungsmessstreifen lassen sich im Rahmen einer Vielzahl von Anwendungen einsetzen. Dazu gehört unter anderem der Einsatz als Drucksensor, der beispielsweise eine unmittelbare Krafteinwirkung durch eine Person erfassen soll, oder auch der Einsatz zur mittelbaren Erfassung einer Krafteinwirkung auf einen Körper, auf den der Dehnungsmessstreifen aufgebracht, d. h. in der Regel geklebt ist. Im letzteren Fall bewirkt die Deformation des Körpers eine Deformation des Dehnungsmessstreifen, so dass die Deformation des Körpers über die Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens indirekt bestimmt werden kann.
Eine besonders genaue Erfassung der Deformation eines Dehnungsmessstreifens wird erzielbar, wenn die Deformation sich möglichst deutlich auf den elektrischen Widerstand des Dehnungsmessstreifens auswirkt. Dann liegt eine hohe Messempfindlichkeit vor. Beschrieben wird die Messempfindlichkeit mit dem sogenannten K-Faktor, der die Proportionalität zwischen relativer Widerstandsänderung und der zu messenden Dehnung angibt und für die meisten Anwendungen möglichst hoch sein sollte.
Die Messgenauigkeit von Dehnungsmessstreifen wird dadurch gemindert, dass auch Temperaturänderungen sich in einer Widerstandsänderung niederschlagen.
Dehnungsmessstreifen mit einer Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNTs) auf einem Träger, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen eine über den Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat, sind beispielsweise aus dem Artikel „Development of a 3D Distributed Carbon Nanotubes an Flexible Polymer for Normal and Shear Forces Measurement" aus dem Tagungsband zur IEEE 23rd International Conference an Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Seiten 615 bis 618 bekannt. Derartige Dehnungsmessstreifen erlauben genaue Messungen, da sie wegen der Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen gegenüber Dehnungsmessstreifen, die die Verformung von Metallleitern zur Dehnungsmessung nutzen, einen vergleichsweise hohen K-Faktor aufweisen. Zudem besitzen Kohlenstoffnanoröhrchen einen hohen Elastizitätsmodul, hohe Zugfestigkeit und eine ebenfalls hohe Temperaturstabilität. Trotz geringer spezifischer Dichte weisen Kohlenstoffnanoröhrchen eine hohe Steifigkeit auf.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Dehnungsmessstreifen zur Verfügung zu stellen, der eine besonders hohe Messgenauigkeit ermöglicht. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Dehnungsmessstreifens sowie einen vorteilhaften Präzisionsaufnehmer anzugeben.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe bei einem Dehnungsmessstreifen mit einer Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen auf einem Träger, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen eine über den Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat, dadurch gelöst, dass ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen vorgesehen ist.
Das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen kann einer lediglich temperaturbedingten positiven oder negativen Widerstandsänderung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen entgegenwirken, so dass der verfälschende Einfluss der jeweiligen Temperaturbedingungen, unter denen eine Messung stattfindet, gemindert wird. Im Ergebnis stellt sich daher ein verbessertes Messergebnis ein.
Der Träger kann prinzipiell aus jedem geeigneten Material gefertigt sein. Für ein besonders einfaches Aufbringen der Dehnungsmessstreifens auf einen gekrümmten oder unebenen Körper kann es sich bei dem Träger um eine flexible Folie handeln. Unter einem Träger wird im Sinne der Erfindung auch ein mit einer Beschichtung versehener Träger verstanden, was im Folgenden noch näher erläutert werden wird.
Darunter, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung eine einheitliche Ausrichtung haben, kann verstanden werden, dass die Richtung, in der sich die Kohlenstoffnanoröhrchen erstrecken, für alle Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung abgesehen von fertigungstechnisch bedingten Toleranzen identisch ist. Die Kohlenstoffnanoröhrchen können strukturiert auf dem Träger angeordnet sein.
Eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens sieht vor, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in den Träger eingebettet sind. Zwar ist erfindungsgemäß auch nur eine oberseitige, das heißt stirnseitige, Abdeckung der Kohlenstoffnanoröhrchen mit dem Träger bzw. Trägermaterial denkbar, das heißt die stirnseitigen Enden der Kohlenstoffnanoröhrchen berühren den Träger, dringen aber (mit Ausnahme fertigungstechnisch bedingter Abweichungen) nicht in den Träger ein. Bei der Fertigung gattungsgemäßer Dehnungsmessstreifen hat es sich aber häufig als schwierig erwiesen, eine ausreichende Haftung der Kohlenstoffnanoröhrchen auf dem Träger zu erreichen. Mit der Einbettung der Kohlenstoffnanoröhrchen in den Träger kann diesem Problem begegnet werden.
Dabei ist auch denkbar, dass der Träger mit einer Beschichtung versehen ist, wobei bevorzugt der die Beschichtung bildende Teil des Trägers, im Folgenden als Zwischenschicht bezeichnet, ein Einbetten der Kohlenstoffnanoröhrchen in den Trägerteil, der von der Zwischenschicht abgedeckt ist, verhindert. Die Kohlenstoffnanoröhrchen sind in diesem Fall, zumindest teilweise und/oder oberseitig, in die Zwischenschicht eingebettet. Die Zwischenschicht kann beispielsweise als Passivierschicht, etwa aus einem Plasmapolymer, ausgestaltet sein. Das unterhalb der Zwischenschicht liegende Trägermaterial kann ein Polymer sein. Die Zwischenschicht kann auf die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht werden. Die Eindringtiefe des Zwischenschichtmaterials, zum Beispiel des Plasmapolymers, in die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen ist von den Prozessparametern abhängig. Der Träger kann mit der Zwischenschicht verbunden werden, nachdem die Verbindung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen mit der Zwischenschicht bereits erfolgt ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das Trägermaterial, zum Beispiel im Falle eines Polymerträgers ein Polymer, beim Aufschleudern in der flüssigen Phase auf die Zwischenschicht in die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen eindringt. Da die Zwischenschicht, nachdem sie auf den darunter liegenden Trägerteil aufgebracht wurde, einen Bestandteil des Trägers bildet, sind – auch wenn die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in die Zwischenschicht und nicht in den darunter liegenden Trägerteil eingebettet sind – die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in den Träger eingebettet.
Einbettung kann dabei bedeuten, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen sich ein Stück weit, insbesondere über höchstens 10% ihrer Länge, bevorzugt über höchstens 5% ihrer Länge, besonders bevorzugt über höchstens 1% ihrer Länge, in das Trägermaterial bzw., wenn eine Zwischenschicht vorgesehen ist, in das Zwischenschichtmaterial hinein erstrecken, so dass sie dort gehalten werden. Anders ausgedrückt kann dies bedeuten, dass sich der Träger bzw. die Zwischenschicht in Zwischenräume zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen erstreckt.
Im Rahmen der obigen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen vollständig in den Träger eingebettet sind. In diesem Fall erstreckt sich der Träger in Zwischenräume zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen und füllt sie vollständig aus. Bei dem Teil des Trägers, der sich in die Zwischenräume erstreckt, kann es sich um eine Zwischenschicht handeln, falls eine solche vorhanden ist. Die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen können auch vom Träger vollständig umschlossen sein, d. h. sie können vom Träger eingekapselt sein. Neben einer weiter verbesserten Verbindung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen mit dem Träger kann hierdurch eine Abschirmung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen von schädlichen äußeren Einflüssen erreicht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens ist die Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen derart gewählt, dass die Haupterstreckungsrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen senkrecht zu der Ebene, in der sich der Träger erstreckt, verläuft. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung parallel zu der Ebene, in der sich der Träger erstreckt, sich möglichst ausschließlich und vollständig auf die elektrische Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (Querleitfähigkeit) auswirkt, weil die Dehnung vektoriell ausgedrückt keine Komponente parallel zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen hat. Dies kann eine erhöhte Messempfindlichkeit bedeuten. Die Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen entsprechend der hier diskutierten Ausgestaltung kann als vertikale Ausrichtung bezeichnet werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen einen Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit aufweist, der gegenüber dem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen ein entgegengesetztes Vorzeichen hat. Bei einer positiven Temperaturänderung beispielsweise würde die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen allein eine positive Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in der besagten Richtung, d. h. eine negative Widerstandsänderung, erfahren, während das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit für sich allein eine negative Änderung der elektrischen Leitfähigkeit, d. h. eine positive Widerstandsänderung aufweisen würde. Bei entsprechender Abstimmung des Mittels zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen auf das temperaturabhängige Verhalten der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen heben sich die beiden Effekte weitgehend auf. Dazu können die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen und das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen galvanisch miteinander verbunden sein, so dass bei einer Messung des elektrischen Widerstands an zu diesem Zweck vorgesehenen Anschlüssen des Dehnungsmessstreifens der elektrische Widerstand der Schaltung, die durch die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen und dem Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen gebildet wird, gemessen wird. Die angestrebte Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen kann so mit einfachen Mitteln erreicht werden. Ist das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen galvanisch mit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen verbunden, kann es nicht nur der Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit dienen, sondern zusätzlich auch noch zur Kontaktierung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet werden. Dedizierte Kontakte zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen müssen dann nicht mehr vorgesehen werden, wodurch zumindest ein Fertigungsschritt wegfallen kann. Aus einer anderen Perspektive betrachtet kann die galvanische Verbindung des Mittels zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen mit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen auch so verstanden werden, dass ohnehin vorgesehene Kontakte zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen derart modifiziert werden, dass sie darüber hinaus auch die Aufgabe der Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen erfüllen. Beispielsweise kann dies durch eine Anpassung der Geometrie der Kontakte erfolgen.
Die Kontakte zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen können – unabhängig davon, ob sie gleichzeitig ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen darstellen oder nicht – zur Verschaltung mehrerer Dehnungsmessstreifen, etwa zu einer Messbrückenschaltung, genutzt werden.
Entsprechend einer Ausführungsform ist das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt. Als verwendetes Metall kommen unter anderem Edelmetalle in Frage, zum Beispiel Platin oder Gold, als Metalllegierungen beispielsweise NiCr. Meist begründen die physikalischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhrchen einen positiven Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen, d. h. einen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen. Metalle und Metalllegierungen zeichnen sich dagegen durch einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aus. Sie sind daher als Werkstoffe für ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen für gattungsgemäße Dehnungsmessstreifen, bei denen die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen einen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist, gut geeignet.
Im Rahmen eines Ausführungsbeispiels ist das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen, welches einen Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit aufweist, der gegenüber dem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen ein entgegengesetztes Vorzeichen hat, in Reihe zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen geschaltet.
Das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen kann in Form von Metallleiterbahnen gestaltet sein. Über die Geometrie von Breite, Länge und Höhe der Leiterbahnen kann die Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen herbeigeführt werden. Dabei können die Metallleiterbahnen im Wesentlichen neben der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen angeordnet sein, insbesondere können die Metallleiterbahnen lediglich zur Kontaktierung in einem Teilbereich der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen mit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen überlappen. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Metallleiterbahnen entlang der Richtung der Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen angeordnet sind. Diese Variante kann den Vorteil haben, dass der Bedarf an zusätzlicher Fläche für die Metallleiterbahnen reduziert wird und stattdessen entlang der Richtung der Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen die Abmessungen des Dehnungsmessstreifens zunehmen, zum Beispiel bei vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhrchen in vertikaler Richtung.
Dies kann die Herstellungen von Kohlenstoffnanoröhrchen enthaltenden Dehnungsmessstreifen mit geringerer Fläche, d. h. kompakterem Aufbau, erlauben. Weiterhin unterliegen in diesem Fall die Metallleiterbahnen und die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in mehrfacher Hinsicht den gleichen physikalisch Bedingungen, zum Beispiel Druck und Dehnung. Damit eine Reihenschaltung und nicht etwa eine Parallelschaltung der Metallleiterbahnen und der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen entsteht, muss sich zwischen den Metallleiterbahnen und der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen eine Isolationsschicht bzw. eine Passivierschicht befinden. Diese kann auch durch den Träger gebildet werden. Zur Kontaktierung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen durch die Metallleiterbahnen wird ein Bereich ohne eine trennende Isolationsschicht bzw. Passivierschicht benötigt.
Entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiels ist das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen, welches einen Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit aufweist, der gegenüber dem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen ein entgegengesetztes Vorzeichen hat, parallel zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen geschaltet. Beispielsweise kann das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen als Deckschicht unmittelbar auf die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht sein. Die Deckschicht kann neben der Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit zusammen mit dem Träger eine Abschirmung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen von äußeren Störeinflüssen, beispielsweise Feuchtigkeit, bewirken.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens erstreckt sich das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen in Zwischenräume zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen. Fällt das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen nicht mit dem Träger zusammen, kann hierdurch eine zusätzliche Befestigung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen erzielt werden, da auch das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen zur Befestigung der Anordnung beiträgt. Erstreckt sich das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in die anderenfalls ungenutzten Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen, kann der zusätzliche Platzbedarf, der aus dem Vorsehen des Mittels zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen resultieren kann, vermindert werden. Besonders kompakte Dehnungsmessstreifen können somit bereitgestellt werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Träger als das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen ausgestaltet ist. Bei dieser Ausgestaltung kann das Vorsehen eines dedizierten Mittels zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen überflüssig sein. Die Ausgestaltung des Trägers als das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen kann beispielsweise durch eine geeignete Materialwahl des Trägers hinsichtlich des Temperaturkoeffizienten geschehen. So kann der Träger aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt sein. Der Träger kann eine Isolationsschicht aufweisen, die den Träger gegenüber einem metallischen Körper, dessen Dehnung gemessen werden soll, elektrisch isoliert, so dass der Dehnungsmessstreifen unmittelbar auf den Körper aufgebracht werden kann. Alternativ kann es sich unter anderem um einen Polymerträger handeln, in den Elemente aus Metall bzw. aus Metalllegierungen integriert sind, die parallel oder in Reihe zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen geschaltet sind.
Alternativ zur Ausgestaltung des Trägers als das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen ist bei einer beispielhaften Ausführungsform das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zusätzlich zu dem Träger vorgesehen. Hier kann unter anderem das Material des Trägers elektrisch isolierend gewählt werden, zum Beispiel ein isolierendes Polymer, so dass der Träger unmittelbar auf einen Körper, dessen Deformation mittels des Dehnungsmessstreifens gemessen werden soll, aufgebracht werden kann, ohne dass der Träger über eine zusätzliche spezielle Isolationsschicht verfügen muss. Dagegen kann das Material des Mittels zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen elektrisch leitfähig sein, zum Beispiel aus Metall oder einer Metalllegierung gefertigt sein.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete Aufgabe durch einen Präzisionsaufnehmer, insbesondere eine Wägezelle, mit einem Dehnungsmessstreifen, wie er zuvor beschrieben wurde, gelöst.
Der erfindungsgemäße Dehnungsmessstreifen kann dabei insbesondere auf einem Federkörper des Präzisionsaufnehmers derart angeordnet sein, dass eine Verformung des Federkörpers beim Wiegevorgang eine Verformung des Dehnungsmessstreifens in der Richtung quer zu der Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat. Bevorzugt werden Dehnungsmessstreifen zu einer Wheatstonschen Brücke verschaltet aufgebracht. In diesem Fall kann es sich bei vier, bzw. zwei Dehnungsmessstreifen um erfindungsgemäße Dehnungsmessstreifen handeln oder lediglich einer der Dehnungsmessstreifen kann erfindungsgemäß ausgestaltet sein. Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Präzisionsaufnehmers wird auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen verwiesen.
Gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens, bei dem auf einen Träger eine Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen, die eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, aufgebracht wird, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen eine über den Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat, dadurch gelöst, dass ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen vorgesehen wird.
Die Herstellung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen kann mit Verfahren der Mikrosystemtechnik erfolgen, wobei die Geometrie der Anordnung beliebig einstellbar und eine hohe Reproduzierbarkeit des gewünschten Herstellungsergebnisses erreichbar sein kann.
Im Rahmen des Herstellungsverfahrens können die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen direkt auf dem Träger abgeschieden werden. Alternativ kann zunächst eine Abscheidung der Kohlenstoffnanoröhrchen auf einem Zwischenträger erfolgen, an die sich ein Transfer der Kohlenstoffnanoröhrchen auf den (endgültigen) Träger anschließt. Zur vereinfachten sprachlichen Unterscheidung von Zwischenträger und endgültigem Träger, wird im Folgenden für den Zwischenträger stets der Begriff Zwischensubstrat benutzt. Aufgrund der Verwendung eines Zwischensubstrats kann trotz einer hohen Abscheidetemperatur der Kohlenstoffnanoröhrchen, die bei bestimmten Trägermaterialien zu Beschädigung führen könnte, letztendlich die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen auf einem Träger aus einem solchen Material erreicht werden, da vor dem Transfer auf den Träger ein Abkühlen der Kohlenstoffnanoröhrchen auf dem Zwischensubstrat erfolgen kann.
Um zu der gewünschten einheitlichen Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen und der gewünschten Strukturierung der Kohlenstoffnanoröhrchen zu gelangen, können bereits vor der Abscheidung auf dem Träger bzw. auf einem möglichen Zwischensubstrat entsprechend strukturierte Katalysatormaterialien aufgebracht sein. Werden die Kohlenstoffnanoröhrchen zunächst auf einem Zwischensubstrat abgeschieden, können gegebenenfalls das Zwischensubstrat und – sofern sie nach dem Delaminieren der Kohlenstoffnanoröhrchen auf dem Zwischensubstrat haften bleiben – auch die darauf befindlichen Katalysatormaterialien erneut verwendet werden. Hierdurch kann der Kosten- und Zeitaufwand bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens vermindert werden. Eine weitere Variante der Strukturierung der Kohlenstoffnanoröhrchen besteht darin, die Kohlenstoffnanoröhrchen selektiv abzuscheiden. Schließlich ist auch die nachträgliche Strukturierung der Kohlenstoffnanoröhrchen auf dem Träger oder auch dem Zwischensubstrat möglich. Dabei können zum Beispiel photolithographische Verfahren der Abhebe- bzw. der Ätztechnik Anwendung finden.
Das Vorsehen eines Mittels zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen kann vor oder nach einem Transfer von einem Zwischensubstrat auf den Träger erfolgen. Gleiches gilt für die Kontakte zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen, sofern nicht das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen selbst bereits zur Kontaktierung dient. Dabei können entsprechende Kontakte bereits vor oder auch nach der Abscheidung der Kohlenstoffnanoröhrchen auf das Zwischensubstrat aufgebracht werden.
Um ein einfaches Ablösen der auf einem Zwischensubstrat befindlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens vom Zwischensubstrat zu ermöglichen, kann auf dem Zwischensubstrat eine Opferschicht aufgebracht sein, die sich somit zwischen dem Zwischensubstrat und den Komponenten des Dehnungsmessstreifens, die vom Zwischensubstrat zu transferieren sind, befindet. Durch ein Entfernen der Opferschicht, zum Beispiel durch nasschemisches Ätzen, kann somit die Trennung dieser Komponenten vom Dehnungsmessstreifens erfolgen.
Soll das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen als Deckschicht unmittelbar auf die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht werden, kann das Material, welches die Deckschicht bilden soll, wie beispielsweise Metall oder eine Metalllegierung, durch ein Sputter- oder Aufdampfverfahren oder auch durch eine Laminierung unmittelbar auf die Kohlenstoffnanoröhrchen appliziert werden. Anschließend kann das Material der Deckschicht strukturiert werden. Dazu kann zum Beispiel Photoätztechnik verwendet werden. Aufgrund des unmittelbaren Aufbringens der Deckschicht auf die Kohlenstoffnanoröhrchen kann sich das Material der Deckschicht in Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen setzten, die Deckschicht als Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen sich also in Zwischenräume zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen erstrecken. Je nach der aufgebrachten Materialmenge kann die Deckschicht die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung an zumindest einer Seite der Anordnung nach außen hin abschließen oder lediglich Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung ausfüllen.
Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens beinhalten, dass eine Passivierung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen durchgeführt wird, um die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen vor äußeren Störfaktoren, wie beispielsweise mechanischer Belastung oder Feuchtigkeitseinwirkung, zu schützen. Die Passivierung kann unter anderem durch Plasma oder durch aus der Flüssigphase ausgeschiedene Polymere erfolgen.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen, den erfindungsgemäßen Präzisionsaufnehmer sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von sieben Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
1a eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens,
1b eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer ersten Fertigungsstufe des Dehnungsmessstreifens aus 1a,
1c eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer zweiten Fertigungsstufe des Dehnungsmessstreifens aus 1a,
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens,
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens,
4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens,
5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens,
6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens und
7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Präzisionsaufnehmers.
1a zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens 10. Der Dehnungsmessstreifen 10 ist mit einer Anordnung 11 aus Kohlenstoffnanoröhrchen 12 auf einem Träger 13 versehen. An der Oberseite des Trägers 13 sind Metallkontakte aufgebracht, die die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 kontaktieren und als Metallleiterbahnen 15 ausgestaltet sind.
In 1a erstreckt sich der Träger 13 in einer Ebene, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 weisen eine einheitliche Ausrichtung auf. Die Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 ist derart gewählt, dass ihre Haupterstreckungsrichtung senkrecht zu der Ebene, in der sich der Träger 13 erstreckt, verläuft. In 1a verläuft die Haupterstreckungsrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 vertikal. Eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens 10 in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 hat eine über den Dehnungsmessstreifen 10 messbare Veränderung der Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 zur Folge.
Entsprechend dem in 1 illustrierten Ausführungsbeispiel ist der Träger 13 eine isolierende Polymerfolie. Er erstreckt sich in Zwischenräume 14 zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 und füllt sie vollständig aus. Außerdem umschließt er die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 vollständig. Die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 sind somit in den Träger 13 eingebettet. So wird eine ausreichende Haftung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 auf dem Träger 13 sichergestellt. Zudem wird sichergestellt, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 ihre einheitliche Ausrichtung beibehalten. Durch die Einbettung in den Träger 13 sind die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 von der Umgebung abgeschirmt. Da der Träger 13 aus einem isolierenden Polymer besteht, kann er unmittelbar auf einen Körper, dessen Deformation mittels des Dehnungsmessstreifens 10 gemessen werden soll, aufgebracht werden, auch wenn dieser Körper selbst elektrisch leitfähig ist.
Die Metallleiterbahnen 15 dienen nicht nur zur Kontaktierung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen 15, sondern sie stellen gleichzeitig ein Mittel zu Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 dar. Zu diesem Zweck ist die Geometrie der Metallleiterbahnen 15 entsprechend ausgestaltet. Die Metallleiterbahnen sind im Wesentlichen neben der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 angeordnet. Lediglich zur Kontaktierung überlappen die Metallleiterbahnen 15 in einem Teilbereich mit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12. Ansonsten sind sie durch den Träger 13 gegenüber der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 elektrisch isoliert. Die Metallleiterbahnen sind also in Reihe zur der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 geschaltet.
Die elektrische Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 weist in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, d. h. der elektrische Widerstand der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 weist in dieser Richtung einen negativen Temperaturkoeffizienten auf. Die Metallleiterbahnen 15 verfügen dagegen über einen negativen Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit, d. h. der elektrische Widerstand der Metallleiterbahnen 15 weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Die Temperaturkoeffizienten der Anordnung 11 und der Metallleiterbahnen 15 haben somit entgegengesetzte Vorzeichen. Geometrie und Material der Metallleiterbahnen 15 sind so gewählt, dass, zumindest bei Temperaturbedingungen, unter denen der Dehnungsmessstreifen 10 üblicherweise eingesetzt wird, eine Temperaturänderung, die bei alleiniger Betrachtung der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 zu einer negativen elektrischen Widerstandsänderung der Anordnung 11 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 führen würde, bei alleiniger Betrachtung der Metallleiterbahnen 15 zu einer positiven elektrischen Widerstandsänderung der Metallleiterbahnen 15 führen würde, die betragsmäßig zumindest beinah ebenso groß ist, wie der Betrag der positiven Widerstandsänderung der Anordnung 11. Sind die Metallleiterbahnen 15 und die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 galvanisch miteinander verbunden wie in 1 gezeigt, kompensieren sich die temperaturbedingten elektrischen Widerstandsänderungen der Anordnung 11 und der Metallleiterbahnen 15 weitgehend. Die Metallleiterbahnen 15 sind also als Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 ausgestaltet.
Dadurch, dass mit den Metallleiterbahnen 15 ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 vorgesehen ist, wirkt sich die Umgebungstemperatur beim Einsatz des Dehnungsmessstreifens 10 nur in geringem Umfang auf das Messergebnis einer mittels des Dehnungsmessstreifens 10 durchgeführten Dehnungsmessung aus. Da die Metallleiterbahnen 15, die ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen darstellen, ebenfalls zur Kontaktierung der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 dienen, bzw. anders herum ausgedrückt die Kontakte als Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten ausgestaltet sind, müssen dedizierte Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten nicht vorgesehen werden.
1b zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer ersten Fertigungsstufe des Dehnungsmessstreifens 10 aus 1a. Die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 sind in 1b nach ihrer Abscheidung auf ein Zwischensubstrat 16 dargestellt. Vor oder auch nach der Abscheidung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 auf das Zwischensubstrat 16 werden die Metallkontakte 15 auf das Zwischensubstrat 16 aufgebracht.
Bereits vor der Abscheidung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 auf das Zwischensubstrat 16 wurden auf das Zwischensubstrat 16 strukturierte Katalysatormaterialien (nicht gezeigt) aufgebracht, die bewirken, dass sich die angestrebte Strukturierung und einheitliche Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 einstellen. Alternativ zur Strukturierung durch Katalysatormaterialien können die Kohlenstoffnanoröhrchen auch selektiv abgeschieden werden. Weiterhin können sie überhaupt erst nach der Abscheidung, beispielsweise mittels photolithographischer Verfahren, strukturiert werden.
1c zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer zweiten Fertigungsstufe des Dehnungsmessstreifens 10 aus 1a. In 1c ist das verwendete Polymermaterial in flüssigem Zustand auf die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 und die Metallkontakte 15 aufgebracht worden, während sich diese auf dem Zwischensubstrat 16 befinden. Das flüssige Polymermaterial fließt in die Zwischenräume 14 zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12. Durch Erkalten bildet das Polymermaterial den Träger 13 aus, der sich in die Zwischenräume 14 zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 erstreckt. Die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 werden so in ihrer Strukturierung und einheitlichen Ausrichtung fixiert.
Anschließend werden die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12, die Metallkontakte 15 und der Träger 13 vom Zwischensubstrat 16 gelöst (Delaminieren), um so den in 1a dargestellten Dehnungsmessstreifen 10 zu erhalten. Das Zwischensubstrat 16 und – sofern sie nach dem Delaminieren auf dem Zwischensubstrat 16 haften bleiben – auch die darauf befindlichen Katalysatormaterialien können nach dem Delaminieren erneut verwendet werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens 20. In 2 sind, wie auch in den nachfolgenden Figuren, Komponenten des Dehnungsmessstreifens 20, die identisch zu den entsprechenden Komponente des Dehnungsmessstreifens 10 sind, mit identischen Bezugszeichen versehen. Der Übersichtlichkeit halber wird im Folgenden stets ausschließlich auf Unterschiede zwischen dem jeweils erläuterten Dehnungsmessstreifen und den zuvor erläuterten Dehnungsmessstreifen eingegangen.
Der Dehnungsmessstreifen 20 verfügt über eine isolierende Polymerfolie als Träger 23. Die Kontaktierung der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 erfolgt über Metallleiterbahnen 15, die gleichzeitig als Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 ausgestaltet sind. Im Unterschied zum Dehnungsmessstreifen 10 aus 1a erstreckt sich der Träger 23 des Dehnungsmessstreifens 20 nicht in die Zwischenräume 14 zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 hinein.
Die Herstellung des Dehnungsmessstreifens 20 kann ähnlich wie die des Dehnungsmessstreifens 10 aus 1a ablaufen. Das Aufbringen der Trägers 23 auf die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 geschieht dabei zweckmäßigerweise erst nachdem die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 auf dem Zwischensubstrat 16 abgekühlt sind, so dass eine thermische Beschädigung des Trägers 23 verhindert wird. Als zusätzlicher Schritt kann anschließend eine Passivierung der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 durchgeführt werden, um die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 vor äußeren Störfaktoren, wie beispielsweise mechanischer Belastung oder Feuchtigkeitseinwirkung, zu schützen. Die Passivierung kann unter anderem durch Plasma oder durch aus der Flüssigphase ausgeschiedene Polymere erfolgen.
Herstellungsprozesse ähnlich den vorstehend beschriebenen können auch bei der Produktion der nachstehend beschriebenen Dehnungsmessstreifen zum Einsatz kommen.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens 30. Der Dehnungsmessstreifen 30 ähnelt dem Dehnungsmessstreifen 20 aus 2, wobei jedoch die Metallleiterbahnen 35 verglichen mit den Metallleiterbahnen 25 in 2 an der gegenüberliegenden Seite des Trägers 23 angeordnet und durch den Träger 23 hindurchgeführt sind, z. B. durch Strukturierung des Trägers mittels Fotolithographie und Ätzprozessen. Dadurch können die Metallleiterbahnen 35 entlang der Richtung der Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 zur Anordnung 11 der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 angeordnet werden anstatt, wie die Metallleiterbahnen 25 in 2, im Wesentlichen neben der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 angeordnet zu sein. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus 2 ist der Bedarf an zusätzlicher Fläche für die Metallleiterbahnen 35 reduziert, so dass der Dehnungsmessstreifen 30 einen kompakteren Aufbau besitzt. Weiterhin unterlieg die Metallleiterbahnen 32 und die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in mehrfacher Hinsicht den gleichen physikalisch Bedingungen, zum Beispiel Druck und Dehnung. Der Träger 23 dient als Isolationsschicht zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 und den Metallleiterbahnen 35, so dass die Metallleiterbahnen 35 in Serie zu den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 geschaltet sind.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens 40, der dem Dehnungsmessstreifen 10 aus 1a ähnelt jedoch anders gestaltete Metallkontakte 45 aufweist, die denen aus 3 ähneln.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens 50. Zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 besitzt der Dehnungsmessstreifen 50 eine Deckschicht 56, die unmittelbar auf die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 aufgebracht ist. Die Deckschicht 56 besteht aus Metall und wurde durch Aufdampfen direkt auf die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 und anschließendes Strukturieren mittels Photoätztechnik erzeugt. Aufgrund des unmittelbaren Aufbringens der Deckschicht 56 auf die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 kann sich das Material der Deckschicht 56 in Zwischenräume 14 zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 setzten, die Deckschicht 56 als Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 sich also in die Zwischenräume 14 zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 erstrecken. Zusammen mit dem Träger 53 trägt sie also dazu bei, die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in ihrer Position und die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in ihrer Ausrichtung zu fixieren. Die Metallmenge der Deckschicht 56 wurde so gewählt, dass die Deckschicht 56 die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 in 5 an ihrer Oberseite nach außen hin abschließt. Da die Deckschicht 56 unmittelbar, d. h. auch ohne isolierende Trennschicht, auf die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 aufgebracht ist, ist die Deckschicht 56 – und damit das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 – parallel zur der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 geschaltet.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens 60. Der Träger 63 des Dehnungsmessstreifens 60 umfasst eine Metallschicht 61 und eine elektrisch isolierende Schicht 62.
Die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 sind in die Metallschicht 61 des Trägers 63 eingebettet, d. h. sie erstrecken sich ein Stück weit in das Trägermaterial hinein (nicht dargestellt). Die Metallschicht 61 dient als Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12. Die Metallschicht 61 und die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 sind parallel geschaltet. Die elektrisch isolierende Schicht 62 erlaubt, den Dehnungsmessstreifen 60 direkt auf einen metallischen Körper, dessen Dehnung mittels des Dehnungsmessstreifens 60 bestimmt werden soll, aufzubringen. Die Ausgestaltung des Trägers 63 als Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 macht das Vorsehen eines dedizierten Mittels zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten überflüssig. Zudem dient die Metallschicht 61 des Trägers 63 zur elektrischen Kontaktierung der Anordnung 11, so dass keine zusätzlichen Kontakte vorgesehen werden müssen. Alternativ zur Fertigung der Schicht 61 aus Metall kann auch eine Metalllegierung verwendet werden. Es ist möglich, vorzusehen, dass die Metallschicht 61 sich in die Zwischenräume 14 zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 erstreckt oder gar vorzusehen, dass Kohlenstoffnanoröhrchen 12 vollständig in die Metallschicht 61 eingebettet sind.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Präzisionsaufnehmers 70. Der Präzisionsaufnehmer 70 umfasst einen Federkörper 71 der bei mechanischer Belastung deformiert wird und wird als Wägezelle verwendet. Auf dem Federkörper 71 sind mit den Dehnungsmessstreifen 72 und 73 zwei erfindungsgemäße Dehnungsmessstreifen rechtwinklig zueinander angeordnet. Eine Verformung des Federkörpers 71 beim Wiegevorgang hat jeweils eine Verformung der Dehnungsmessstreifen 72 und 73 einer Richtung quer zu der Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen der Dehnungsmessstreifen 72 und 73 zur Folge. Darüber wird die Deformation des Federkörpers 71 erfassbar. So kann auf das Gewicht eines mittels des Präzisionsaufnehmers 70 zu wiegenden Objekts geschlossen werden.
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 Nicht-Patentliteratur

Artikel „Development of a 3D Distributed Carbon Nanotubes an Flexible Polymer for Normal and Shear Forces Measurement” aus dem Tagungsband zur IEEE 23rd International Conference an Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Seiten 615 bis 618 [0005]

Claims

Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73) mit einer Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) auf einem Träger (13; 23; 53; 63), wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen (12) eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens (10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73) in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) eine über den Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73) messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) zur Folge hat, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (15; 25; 35; 45; 56; 61) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) vorgesehen ist.
Dehnungsmessstreifen (10; 40; 60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen (12) der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in den Träger (13; 63) eingebettet sind.
Dehnungsmessstreifen (10; 40; 60) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (13; 63) mit einer Beschichtung versehen ist.
Dehnungsmessstreifen (10; 40) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen (12) der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) vollständig in den Träger (13) eingebettet sind.
Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) derart gewählt ist, dass die Haupterstreckungsrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) senkrecht zu der Ebene, in der sich der Träger (13; 23; 53; 63) erstreckt, verläuft.
Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15; 25; 35; 45; 56; 61) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) einen Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit aufweist, der gegenüber dem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) ein entgegengesetztes Vorzeichen hat.
Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15; 25; 35; 45; 56; 61) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt ist.
Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15; 25; 35; 45;) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in Reihe zu der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) geschaltet ist.
Dehnungsmessstreifen (50; 60) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (56; 61) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) parallel zu der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) geschaltet ist.
Dehnungsmessstreifen (50) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) als Deckschicht (56) unmittelbar auf die Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) aufgebracht ist.
Dehnungsmessstreifen (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (56) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) sich in Zwischenräume (14) zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen (12) der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) erstreckt.
Dehnungsmessstreifen (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (63) als das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) ausgestaltet ist.
Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15; 25; 35; 45; 56) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) zusätzlich zu dem Träger (13; 23; 53) vorgesehen ist.
Präzisionsaufnehmer (70), insbesondere Wägezelle, mit einem Dehnungsmessstreifen (72, 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei insbesondere der Dehnungsmessstreifen (72, 73) auf einem Federkörper (71) des Präzisionsaufnehmers (70) derart angeordnet ist, dass eine Verformung des Federkörpers (70) beim Wiegevorgang eine Verformung des Dehnungsmessstreifens (72, 73) in der Richtung quer zu der Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) zur Folge hat.
Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens (10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73), insbesondere eines Dehnungsmessstreifens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem auf einen Träger (13; 23; 53; 63) eine Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) aufgebracht wird, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen (12) eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens (10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73) in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) eine über den Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73) messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) zur Folge hat, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (15; 25; 35; 45; 56; 61) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) vorgesehen wird.