DE102014018878B3

DE102014018878B3 - Federsensorelement

Info

Publication number: DE102014018878B3
Application number: DE102014018878.7A
Authority: DE
Inventors: Sandeep Yadav; Deniz Cicek; Jörg Schneider; Oktay Yilmazoglu
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-12-18
Also published as: US20190368949A1; US20160178459A1; US10444084B2; DE102014018878B8

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Federsensorelement 1 umfassend Kohlenstoffnanoröhrchen 6 auf einem Träger 2. Dabei sind die Kohlenstoffnanoröhrchen 6 in CNT-Blöcken 10, 20, 30, 40 angeordnet und weisen innerhalb eines CNT-Bockes 10, 20, 30, 40 jeweils vorzugsweise die gleiche Länge und die gleiche Ausrichtung bezüglich des Trägers 2 auf. Weiterhin ist wenigstens der höchste der CNT-Blöcke 10, 20, 30, 40 zu wenigstens zwei elektrischen Kontakten 60, 61, 62 benachbart angeordnet. Das Federsensorelement 1 umfasst neben einem ersten CNT-Block 10 der Höhe H1 wenigstens einem weiteren benachbarten CNT-Block 20, 30, 40 der Höhe H2, wobei sich die Höhen H1 und H2 wenigstens um den Faktor 2 unterscheiden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Federsensorelement zur Messung von Kräften- und/oder Beschleunigungen. Sie betrifft insbesondere ein Federsensorelement mit Kohlenstoffnanoröhrchen (auch als CNTs (carbon nanotubes) bezeichnet).
Stand der Technik
Üblicherweise umfassen Federsensorelemente ein Federelement und ein mechanisch daran gekoppeltes Sensorelement. Das Federelement ist hierbei beispielsweise als separater Biegebalken oder Membran ausgebildet und befindet sich normalerweise auf dem Sensorelement. Das Sensorelement stellt eine elektrisch leitfähige Komponente da.
Grundlegende Arbeitsweise von Federsensorelementen ist, dass eine Bewegung des Federelementes zu einer Deformation des Sensorelements führt. Dadurch verändert sich die elektrische Leitfähigkeit bzw. der elektrische Widerstand dieses Sensorelements. Über die Messung dieses Widerstands kann auf die Deformation des Sensorelements und damit auf die Deformation des Federsensorelements insgesamt geschlossen werden.
Man setzt Federsensorelemente in einem weiten Gebiet von messtechnischen Anwendungen ein. Dazu gehört unter anderem der Einsatz als Kraft- oder Beschleunigungssensor oder auch der Einsatz zur mittelbaren Erfassung einer Krafteinwirkung auf einen Körper, auf dem das Federsensorelement aufgebracht ist. Im letzteren Fall bewirkt die Deformation des Körpers eine Deformation des Federelements, so dass die Deformation des Körpers über die Widerstandsänderung des Sensorelements indirekt bestimmt werden kann.
Eine besonders genaue Erfassung der Deformation eines Sensorelements wird erzielt, wenn die Deformation sich möglichst deutlich auf dessen elektrischen Widerstand 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 üblicherweise möglichst hoch sein sollte. Es ist z. B. aus der Schrift US 6 286 226 B1 bekannt, dass als Sensorelement eines Federsensorelements Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet werden können. Diese sind dabei typischerweise blockweise auf einem Träger angeordnet. Diese Anordnungen werden auch als CNT-Blöcke bezeichnet. Bei diesen bisher bekannten Sensoren basierend auf CNT-Blöcken wird oben auf die Blöcke gedrückt oder seitlich von oben ausgelenkt und deren Widerstandsänderung in der Folge vertikal oder lateral gemessen. Alle Blöcke haben dabei eine identische Länge, was die maximale Auslenkung einschränkt. Die Kontaktierung und der Einsatz sind durch die Forderung der identischen Länge schwierig.
In jedem dieser CNT-Blöcke weisen die Kohlenstoffnanoröhrchen üblicherweise eine einheitliche Ausrichtung auf. Eine Dehnung/Stauchung (vertikal) oder Auslenkung (lateral) des Sensorelements in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen hat eine über das Sensorelement messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge. Dabei werden indes jeweils einzelne Kohlenstoffnanoröhrchen mechanischen Deformationen unterworfen, um hierbei eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit sowie piezoresistive Effekte, welche auch auf Druck/Zugbelastung beruhen, zu erfassen.
Sensorelemente mit Kohlenstoffnanoröhrchen erlauben genauere Messungen, da sie wegen der Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen gegenüber Sensorelementen aus Metall üblicherweise einen vergleichsweise hohen K-Faktor aufweisen. Zudem besitzen einzelne Kohlenstoffnanoröhrchen einen hohen Elastizitätsmodul, hohe Zugfestigkeit sowie eine hohe Temperaturstabilität. CNT-Blöcke mit geringer spezifischer Dichte (z. B. 0,06–0,12g/cm³) weisen einen kleinen Elastizitätsmodul und geringe Steifigkeit auf. Die bestehenden Sensoren (wie z. B. in DE 10 2010 036 586 A1 beschrieben) verwenden vertikale CNT-Blöcke mit Kohlenstoffnanoröhrchen mit gleicher Länge. Hierbei bewirkt eine Druckeinwirkung auf die oberen Enden nur eine geringe Widerstandsänderung. Sie sind somit für viele Anwendungen immer noch nicht empfindlich genug. Außerdem benötigt diese Anordnung streng vertikale CNT-Blöcke, was ihre Herstellung erschwert. Die Druckeinwirkung von oben kann zu dauerhaften Kontakten der Nachbarblöcke mit gleicher Höhe führen. Dies ist nachteilig für reproduzierbare Messungen.
In der Schrift DE 10 2011 051 705 A1 wird ein oberer Kohlenstoffnanoröhrchen-Kontakt zur Überwindung dieser Nachteile vorgeschlagen. Dies ist aber wesentlich aufwendiger in der Herstellung, da ein weiteres Element implementiert werden muss.
Weitere Schriften welche zum Stand der Technik gehören, sind die Schriften US 2012/0126449 A1 und US 2008/0129278 A1 , sowie die Veröffentlichung von J. Lee et al; ”Vertical Carbon Nanofiber Arrays and Nanomechanical Resonators with Potential for Resonant Sensing”; Transducers 2013, Barcelona, Spain, 2013, S. 1887–1890.
Aufgabe
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes einfach herzustellendes Federsensorelement zur Verfügung zu stellen, das eine Messung mit besonders hoher Genauigkeit ermöglicht und die genannten Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein einfaches Federsensorelement bereitzustellen, welches auch besonders kleine Kräfte und Beschleunigungen erfassen kann.
Lösung der Aufgabe
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Federsensorelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Federsensorelement 1 umfasst Kohlenstoffnanoröhrchen 6 auf einem Träger 2. Dabei sind die Kohlenstoffnanoröhrchen 6 in CNT(Kohlenstoffnanoröhrchen)-Blöcken 10, 20, 30, 40 angeordnet. Die Kohlenstoffnanoröhrchen 6 jedes CNT-Bockes 10, 20, 30, 40 weisen jeweils die gleiche Länge und die gleiche Ausrichtung bezüglich des Trägers 2 auf. Weiterhin ist wenigstens der höchste der CNT-Blöcke 10, 20, 30, 40 zu wenigstens zwei elektrischen Kontakten 60, 61, 62 benachbart angeordnet
Das Federsensorelement 1 umfasst neben einem ersten CNT-Block 10 der Höhe H1 wenigstens einem weiteren benachbarten CNT-Block 20, 30, 40 der Höhe H2 umfasst, wobei sich die Höhen H1 und H2 wenigstens um den Faktor 2 bevorzugt 4 besonders bevorzugt 8 unterscheiden.
Die unterschiedliche Länge ermöglicht eine höhere Empfindlichkeit des Federsensorelements 1, weil die CNT-Blöcke nicht nur als Sensorelemente sondern auch als Federelemente wirken. Es wird somit kein separates Federelement z. B. ein Biegebalken benötigt.
Die Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 6 ist bevorzugt aber nicht zwingendermaßen senkrecht zur Oberfläche des Trägers 2. Dies ermöglicht einen großen Durchbiegungsbereich. Dies ist in Abbildung 1a gezeigt.
Eine einheitliche Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 6 jedes CNT-Blockes 10, 20, 30, 40 bewirkt, dass eine horizontale Verformung des Federsensorelements 1 eine eindeutig messbare Veränderung des elektrischen Widerstandes des CNT-Blocks 10, 20, 30, 40 in Richtung waagerecht aber auch senkrecht zur Oberfläche des Trägers 2 zur Folge hat.
Die Höhe H eines CNT-Blocks 10, 20, 30, 40 ergibt sich aus der Länge L der Kohlenstoffnanoröhrchen 6 und ihrem Ausrichtungswinkel α (s. 1b). Hierbei gilt H = L·sin(α). Der Ausrichtungswinkel α beschreibt den Winkel zwischen der Oberfläche zum Trägersubstrat 2 und den Kohlenstoffnanoröhrchen 6 eines CNT-Blocks 10, 20, 30, 40. Der Ausrichtungswinkel α ist stets größer 0°, da sonst keine Messung der vertikalen Kraftkomponente möglich ist. Stehen die Kohlenstoffnanoröhrchen 6 eines CNT-Blocks 10, 20, 30, 40 senkrecht auf der Trägersubstrat 2 beträgt der Ausrichtungswinkel α = 90° und die Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen 6 entspricht der Höhe eines CNT-Blocks 10, 20, 30, 40.
Der längere CNT-Block 10 wird im Folgenden aus Gründen der besseren Nachvollziehbarkeit als Hauptblock bezeichnet werden, da seine Bewegung zum Hauptteil der gemessenen Widerstandsänderung beiträgt. Der oder die kürzeren CNT-Blöcke 20, 30, 40 werden dementsprechend als den/die Nebenblock/Nebenblöcke bezeichnet.
Der Faktor des Höhenunterschieds zwischen dem Hauptblock 10 und dem Nebenblock/den Nebenblöcken 20, 30, 40 kann für bestimmte Konfigurationen bis zu 50 in Einzelfällen sogar bis zu 100 betragen. Der Höhenunterschied von H1 und H2 zwischen Hauptblock und Nebenblock/Nebenblöcken ist maßgeblich für die Empfindlichkeit des Federsensorelements 1 für Kräfte die nicht nur eine vertikale Komponente 100, sondern auch wenigstens eine oder ausschließlich eine horizontale Komponente 200, 300 aufweisen. Weiter bewirkt der Höhenunterschied, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen 6 benachbarter CNT-Blöcke 10, 20, 30, 40, unter Krafteinwirkung nicht aneinander haften, so dass das Federsensorelement 1 bei häufiger Belastung und auch bei stärkerer Deformation des längeren CNT-Blocks zuverlässig funktioniert. Die Ausrichtung ist vorzugsweise reversibel. Bei Sensorelementen für Sensoren, die nur einmal funktionieren sollen z. B. Notfallsysteme wie bspw. Airbags ist dies nicht erforderlich.
Benachbart heißt, dass der Abstand von Bestandteilen des Federsensorelements 1 z. B. zweier CNT-Blöcke 10, 20, 30, 40 oder einen CNT-Block und einem elektrischen Kontakt kleiner ist als die Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen 6 des längeren der beiden CNT-Blöcke 10, 20, 30, 40. Im Grenzfall kann der Abstand auch 0 sein, das heißt, dass zwei CNT-Blöcke 10, 20, 30, 40 bzw. ein CNT-Block 10, 20, 30, 40 und ein elektrischer Kontakt 60, 61, 62 direkt aneinander grenzen. Hierbei ist es auch möglich, dass sich ein elektrischer Kontakt 60, 61, 62 unterhalb eines CNT-Blocks 10, 20, 30, 40 befindet. Dies ist beispielsweise in Abbildung 1a) bei CNT-Block 20 und dem Kontakt 60 der Fall.
Die Widerstandsänderung ist von der Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen abhängig und nimmt mit zunehmender Kohlenstoffnanoröhrchen-Länge zu. Da der Hauptblock 10 am längsten ist, wird dieser am stärksten verformt bzw. ausgelenkt. Hier ändert sich die elektrische Leitfähigkeit am meisten. Der Hauptanteil der Widerstandsänderung, resultiert aber im Gegensatz zu den bekannten Lösungen aus neuen lateralen Verbindungen zwischen den CNTs im Hauptblock 10 und in einem Nebenblock 20, 30, 40.
Die Kohlenstoffnanoröhrchen 6 eines CNT-Blocks 10, 20, 30, 40 des Federsensorelements 1 haben vorzugsweise eine einheitliche Ausrichtung. Das bedeutet die Richtung in der sich die Kohlenstoffnanoröhrchen 6 erstrecken, für alle Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung abgesehen von fertigungstechnisch bedingten Toleranzen identisch ist. Das bedeutet, dass auch der Ausrichtungswinkel α für alle Kohlenstoffnanoröhrchen 6 im Wesentlichen gleich ist.
Eine wirkende Kraft bzw. eine Beschleunigung (z. B. durch einen einwirkenden Druck, taktile Berührung, Vibration, oder Strömung von Gasen und Flüssigkeiten) bewirkt eine Deformation der einzelnen Kohlenstoffnanoröhrchen 6. Das Messprinzip beruht nun darauf, die hieraus resultierende Änderung der elektrischen Leitfähigkeit sowie piezoresistive Effekte zu erfassen. Die Leitfähigkeit kann über Messung des Widerstandes zwischen wenigstens zwei elektrischen Kontakten 60, 61, 62 bestimmt werden.
Wenn eine Kraft auf den Federsensorelement 1 wirkt, ist der erste Effekt die Modifikation des Widerstandes der CNT-Blöcke 10, 20, 30, 40. Die Auslenkung der CNT-Blöcke unter Druckbelastung erhöht den Strom in der Nähe der Kontakte der Kohlenstoffnanoröhrchen mit dem Träger 2. Dieser ist proportional zur ausgeübten Verformung und weißt eine annähert lineare Beziehung auf. Dies ermöglicht die Messung von Drücken, Auslenkungen und Beschleunigungen mit hoher räumlicher Auflösung. Dabei wird die Querleitfähigkeit der einzelnen Kohlenstoffnanoröhrchen ausgenutzt. Die Druckspannung bewirkt eine mechanische Deformation der CNT-Blöcke und eine Widerstandsänderung.
Der elektrische Widerstand zwischen den Kontakten 60 und 61 ist ohne Krafteinwirkung hoch, weil keine lateralen Querverbindungen zwischen dem Hauptblock 10 und dem/den Nebenblock/Nebenblöcken 20, 30, 40 existieren, über die Strom fließen kann. (Siehe 2).
Ein zweiten Effekt, der den Widerstand stark ändert, tritt auf, wenn die Kraft so groß ist, dass deformierte Kohlenstoffnanoröhrchen des Hauptblockes 10 benachbarte Kohlenstoffnanoröchen der Nebenblöcke 20, 30, 40 oder einen optional vorhandenen elektrisch leitfähigen Zwischenblock 8 berühren. In diesem Fall entstehen lateralen Querverbindungen. Diese lateralen Querverbindungen stellen zusätzliche Strompfade zwischen dem Hauptblock (10) und dem/den benachbarten Nebenblock/Nebenblöcken 20, 30, 40 da, wodurch der Widerstand stark sinkt. Besonders groß ist die laterale Widerstandänderung, wenn die lateralen Querverbindungen zwischen den CNT-Blöcken 10, 20, 30, 40 nahe zum Trägersubstrat 2 entstehen. Durch die geringe Steifigkeit besonders des Hauptblocks 10 kann sich dieser ohne eine zusätzliche Masse ausreichend auslenken, um eine Sensorantwort zu erhalten. Durch die geringe Masse der Kohlenstoffnanoröhren ist ein Federsensorelement mit kleiner Eigenmasse ohne zusätzlichen Biegebalken möglich.
Jeder CNT-Block 10, 20, 30, 40 weist eine Dichte von 10 Milliarden bis 100 Milliarden Kohlenstoffnanoröhrchen pro mm² auf. Der Kohlenstoffnanoröhrchen-Durchmesser beträgt dabei von 2 bis 6 nm, bevorzugt 3 nm bis 5 nm und die Kohlenstoffnanoröhrchen-Länge 100 bis 1500 μm. Die Kohlenstoffnanoröhrchen befinden sich hierbei bevorzugt vertikal auf einem Trägersubstrat. Sie sind ein oder mehrwandig ausgebildet. Das Sensorprinzip wurde mit diesen gegebenen Werten experimentell geprüft, sie stellen allerdings nur eine beispielhafte Ausführung da. Das Federsensorelement 1 funktioniert aber auch für andere CNT-Dichten, CNT-Durchmessern sowie CNT-Längen.
Die Messung des elektrischen Widerstandes eines CNT-Bockes 10, 20, 30, 40 mittelt über die elektrischen Eigenschaften der in ihm vorhandenen individuellen Kohlenstoffnanoröhrchen. Die große Anzahl der Kohlenstoffnanoröhrchen führt zu einem verlässlichen Mittelwert. Dadurch wird insbesondere die Fabrikation von Sensoren mit ähnlichen Eigenschaften aus dem erfindungsgemäßen Federsensorelement 1 deutlich erleichtert. Die sehr dicht angeordneten Kohlenstoffnanoröhrchen 6 haben eine verstärkte Interaktion mit ihnen benachbarten Kohlenstoffnanoröhrchen. Die elektromechanischen Eigenschaften hängen stark von mechanischer Belastung der Kohlenstoffnanoröhrchen-Anordnungen ab. Die CNT-Geometrie (L, B, T und Elastizitätsmodul) definieren die maximale Auslenkung bei einer gegebenen Kraft. So wurden beispielsweise laterale Widerstandsabnahmen bis zu 10% bei 50 μm Auslenkung des CNT-Hauptblockes 10 gemessen.
Die elektrischen Kontakte 60, 61, 62 zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen 6 können zur Verschaltung mehrerer Federsensorelemente 1, etwa zu einer Messbrückenschaltung, genutzt werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Messung der Kapazität erfolgen.
Der Träger 2 kann prinzipiell aus jedem geeignetem Material wie z. B. Si, SiO₂, Al₂O₃, Indiumzinnoxid (englisch indium tin Oxide, ITO), SiC, TiN, MgO, CaCO₃, Mica, Mo, W, Cu, Au, Pt, INCONEL, Quarz, Graphen, Zeolite, MoS₂, MoSe₂, WS, WSe₂, Bornitrit, Phosphorene oder Edelstahl aufgebaut sein.
Die Biegeeigenschaften (wie Elastizitäts-Modul und Biegeelastizität) können durch die Wahl des Trägers 2 und gegebenenfalls des Unterlage 3 (siehe fünfte Ausführungsform) sowie der Zwischenschicht 7 (siehe sechste Ausführungsform) nach gewünschter Anwendung eingestellt werden. Diese Substrate können je nach Material auch als flexible Schicht ausgebildet sein.
Wenn mehrere CNT-Blöcke zusammen betrachtet werden, spricht man von einer Gruppe von CNT-Blöcken. CNT-Blöcke 10, 20, 30, 40 oder Gruppen von CNT-Blöcken eines Federsensorelementes 1 können verschieden zueinander angeordnet sein. Wenn die CNT-Blöcke bzw. die Gruppen von CNT-Blöcken in einer Linie angeordnet sind, stellt dies eine einreihige Anordnung da. Dies ist bespielhaft in Abbildung 2 gezeigt. Wenn die CNT-Blöcke bzw. die Gruppen von CNT-Blöcken versetzt angeordnet sind, stellt dies eine mehrreihige Anordnung da. Dies ist bespielhaft in Abbildung 3 gezeigt.
In einer zweiten Ausführungsform befindet sich ein CNT-Block 10 der Höhe H1 zwischen einem zweitem benachbarten CNT-Block 20 der Höhe H2 und einen dritten CNT-Block 30 der Höhe H3. Dabei sind die drei CNT-Blöcke 10, 20, 30 einreihig angeordnet. Weiterhin unterscheiden sich die Höhen H1 und H2 sowie H1 und H3 jeweils wenigstens um den Faktor 2 bevorzugt 4 besonders bevorzugt 8 bis 50. Dabei ist der CNT-Block 10 der jeweils Höhere. Der Faktor kann bis zu 100 betragen wenn eine entsprechende Empfindlichkeit erforderlich ist. Die Höhen H2 und H3 sind dabei bevorzugt gleich groß.
In einer dritten Ausführungsform ist das Federsensorelement 1 so ausgebildet, dass eine Messung einer ersten horizontalen Kraftkomponente 200 und einer zweiten horizontalen Kraftkomponente 300 möglich ist. Hierzu weist das Federsensorelement 1 zusätzlich zum ersten CNT-Block 10 und einem benachbarten zweiten CNT-Block 20 und eventuell einem dritten CNT-Block 30, welcher gemäß der zweiten Ausführungsform zu den ersten beiden einreihig angeordnet ist, noch wenigstens einen weiteren CNT-Block 40 auf, wobei die CNT-Blöcke 10, 20, 30, 40 mehrreihig angeordnet sind.
Eine Krafteinwirkung auf den Hauptblockes 10 verursacht, wie oben beschrieben neue laterale Verbindungen zwischen den CNTs im Hauptblock 10 und im/in den Nebenblock/Nebenblöcken 20, 30, 40.
In einer vierten Ausführungsform des Federsensorelements 1 umfasst dieses zusätzlich wenigstens einen Zwischenblock 8 zwischen dem Hauptblock 10 und wenigstens einem Nebenblock 20, 30, 40 auf. Dadurch hat Nebenblock 20, 30, 40 einen definierten Abstand zum Hauptblock (z. B. 1/20 bis ½ von H1). Der Zwischenblock 8 (mit vertikaler oder lateraler Ausrichtung) (siehe Abbildung 4) besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Hierbei ist hauptsächlich relevant dass der Zwischenblock zumindest abschnittsweise eine laterale Verbindung zwischen den Blöcken CNT-10, 20, 30, 40 bildet. Er kann auch brückenförmig ausgebildet sein.
Bei Krafteinwirkungen entstehen besonders viele lateralen Querverbindungen zwischen dem Hauptblock 10 und dem Zwischenblock 8 dadurch erhöht sich die laterale Widerstandsänderung. Jedoch sind auch Federsensorelemente 1 ohne Zwischenblock 8 anwendungsabhängig einsetzbar, sie sind jedoch weniger empfindlich.
In einer fünften Ausführungsform befindet sich der Träger 2 auf einer Unterlage 3, welche den CNT-Blöcken 10, 20, 30, 40 abgewandt ist. Diese erhöht die mechanische Stabilität des Federsensorelements 1 und dient zur Festlegung von dessen elastischen Eigenschaften. Für ein besonders einfaches Aufbringen des Federsensorelements 1 auf einen gekrümmten oder unebenen Körper handelt es sich bei der Unterlage 3 beispielsweise um eine flexible Folie aus z. B. einen Kunststoff wie z. B. Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyamid. Unter einem Träger 2 kann im Sinne der Erfindung auch eine Beschichtung einer Unterlage 3 verstanden werden. Dabei kann die Unterlage 3 auch aus dem gleichen Material wie der Träger 2 bestehen.
Weiterhin können die Abmessungen (Länge L, Breite B, Tiefe T) der CNT-Blöcke und insbesondere das Verhältnis der Höhen der CNT-Blöcke (z. B. H1 zu H2) je nach Anwendungsgebiet variiert werden.
In einer sechsten Ausführungsform weist das Federsensorelement 1 zwischen den CNT-Blöcken 10, 20, 30, 40 und dem Trägersubstrat 2 noch eine Zwischenschicht 7 auf, welche den CNT-Blöcken 10, 20, 30, 40 zugewandt ist. Die Schichtdicke dieses Zwischensubstrats 7 beträgt bevorzugt weniger als 10 nm. Idealerweise ist es sogar nur eine Lage Atome/oder Moleküle (Monolage) dick. Die Zwischenschicht 7 besteht aus einem elektrisch leitenden Material mit vorzugsweise einem piezoresistiven Effekt. In so dünnen Schichten kommen dafür z. B. Graphen, MoS₂, MoSe₂, WS₂, WSe₂, Bornitit, Phosphorene in Frage. Es kann sich aber auch um eine Schicht aus einem durch Bedampfen aufgebrachtes Metall handeln.
Diese Zwischenschicht 7 verbessert die elektrische Kontaktierung der Kohlenstoffnanoröhrchen 6 und bewirkt dadurch, dass sie einen definierten elektrischen Widerstand aufweist und erhöht die Empfindlichkeit sowie die Messgenauigkeit des Federsensorelement 1. Die Auslenkung oder Deformation von CNT-Block 10 kann Spannungen auf diese Zwischenschicht 7 ausüben und die effektive laterale Widerstandsänderung noch zusätzlich verändern.
In einer siebten Ausführungsform weist das Federsensorelement 1 zwischen wenigstens zwei CNT-Blöcken (10, 20, 30, 40), noch wenigstens einen elektrisch leitfähigen Zwischenblock 8 mit vertikaler oder lateraler Ausrichtung auf. Dies erhöht die Messempfindlichkeit bei horizontal wirkenden Kräften (horizontale Kraftkomponenten 200 und 300), da in Abhängigkeit von deren Ausmaß mehr oder weniger viele Kohlenstoffnanoröhrchen 6 der CNT-Blöcke 10, 20, 30, 40 mit dem Zwischenblock 8 in Kontakt sind. Als Material kommt hier jedes hinreichend gut elektrisch leitfähige Material in Frage (z. B. CNT). Es sollte keinen höheren elektrischen Widerstand als die Kohlenstoffnanoröhrchen aufweisen.
In einer achten Ausführungsform weist das Federsensorelement 1 noch wenigstens einen Magneten 50 auf. Der Magnete 50 befindet sich auf der dem Träger 2 abgewandten Seite wenigstens eines CNT-Blocks 10, 20, 30, 40. Vorteilhafterweise befindet sich der Magnet auf der dem Träger 2 abgewandten Seite des Hauptblocks 10. Die Bewegung des Magneten 50 auf dem CNT-Block 10, 20, 30, 40 kann vorzugsweise über einen üblichen Magnetfeldsensor 51 ausgewertet werden. Über diese zusätzliche Information können kleine Block-Auslenkungen detektiert werden und das Federsensorelement 1 kann hohe Empfindlichkeiten mit guten Auflösungen zeigen. Grundsätzlich ist dabei auch möglich, dass des Federsensorelement 1 gemäß dieser ausführungsform auch eine Zwischenschicht 7, wenigstens einen Zwischenblock 8 und/oder eine Unterlage 3 aufweist. Um den Magneten 50 stabil zu positionieren, wird vorteilhafterweise ein Befestigungsmittel z. B. ein Kleber zwischen dem Magneten und dem CNT-Block 10, 20, 30, 40 verwendet.
Das erfindungsgemäße Federsensorelement wird bevorzugt in einem Sensor zur Messung wenigstens einer Kraftkomponente und/oder einer Beschleunigungskomponente verwendet.
Insgesamt liegen die Vorteile des erfindungsgemäßen Federsensorelements 1 in seinem kleinen Elastizitätsmodul (kleiner 200 kPa). Das ermöglicht einfache Auslenkung und somit eine hohe Empfindlichkeit. Weiterhin liegen seine Vorteile in der stabilen Auslenkung. So sind Verbiegungen bis fast 90° möglich. Weiterhin benötigen die CNT-Blöcke 10, 20, 30, 40 keine exakt definierte Orientierung. Dadurch können einfache Lithographie-Prozesse und CNT-Wachstum zur Herstellung benutzt werden.
Der Einsatzbereich des Federsensorelements 1 liegt darin, dieses in Sensoren für die Messung von Drücken, taktiler Berührung, Vibration, oder der Strömung von Gasen und/oder Flüssigkeiten einzusetzen. Es ermöglicht dabei besonders kleine Sensorabmessungen (Kantenlänge unter 100 μm) und eine hohe Messauflösung im μm-Bereich.
Eine Sensorklasse wo die erfindungsgemäßen Sensorelemente gut eingesetzt werden können sind sogenannte MEMS-Sensoren (MEMS = microelectromechanical systems). Diese sind insbesondere auch für integrierte System-on-a-Chip (SoC, dt. Ein-Chip-System) Anwendungen relevant.
Verfahren zur Herstellung der Federsensorelement:
Als erstes werden die elektrischen Kontakte 60, 61, 62 z. B. aus Ni auf dem Träger 2 (z. B. SiO₂ auf einem 300 nm Wafer aus Silizium) aufgebracht. Dazu wird mittels photolithographischer Verfahren eine Photolackmaske definiert und die Metallisierung (z. B. aus Ni) aufgedampft. Nach dem Lift-off-Prozess sind die elektrischen Kontakte 60, 61, 62 definiert. Jedoch kann auch vorher der Träger 2 komplett metallisiert werden und mittels photolithographischem Verfahren und anschließendem Ätzen strukturiert werden. Bevorzugt wird jedoch der erste Prozess mit Liftoff.
Um zu der gewünschten einheitlichen Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 6) und der gewünschten Strukturierung der Kohlenstoffnanoröhrchen 6 zu gelangen, werden in einem bevorzugten Verfahren zu Herstellung des erfindungsgemäßen Federsensorelements 1 in einem optionalen vorgelagerten Schritt auf dem Träger 2 bzw. auf einer möglichen Zwischenschicht 7 entsprechend strukturierte Katalysatormaterialien aufgebracht. Diese Katalysatormaterialien bestehen aus einer dünnen Eisen-Katalysatorschicht (1.0–1.4 nm) auf einer dünnen Aluminiumschicht (10–12 nm), die mittels eines Elektronenstrahls auf den Wafer aufgedampft wurden.
Weitere Katalysatoren sind beispielsweise Fe, Co, Ni, Au, Ag, Pt, Pd. Cu, Mn, Mo, Cr, Sn, Mg, Ge oder SiO₂.
Alternativ dazu erfolgt die Strukturierung der Katalysatoren erst nach der Abscheidung, beispielsweise mittels photolithographischer Verfahren und anschließendem Ätzen.
Danach erfolgt das selektive Aufbringen der Kohlenstoffnanoröhrchen 6 auf den Katalysatorbereichen auf dem Träger 2 bzw. auf einem möglichen Zwischenschicht 7. Die überwiegend doppelwandigen und vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren 6 werden mittels eines chemischen Abscheidungsverfahrens(CVD) synthetisiert. Vor dem Wachstum der CNT-Blöcke wird die photolithographisch strukturierte Photolackmaske mittels Aceton entfernt. Die katalytisch unterstütze Synthese der Kohlenstoffnanoröhrchen wird in einem Quarzrohr-Ofen (mit 29 mm Innendurchmesser, 31 mm Außendurchmesser und 80 mm Länge) bei Atmosphärendruck durchgeführt.
Typischerweise erfolgt das Wachstum bei 780°C unter einer Atmosphäre aus Argon (Ar), Wasserstoff (H2), Ethylen (C₂H₄) und Wasserdampf für 3–10 Minuten. Ar durchströmt das System kontinuierlich während aller Prozessstufen (Erwärmungs, Wachstums- und Abkühlphase). Die Argondurchflussrate beträgt dabei 600 Standard-Kubikzentimeter pro Minute (sccm) und die von Wasserstoff 200 sccm. Nach dem Aufheizen werden 75 sccm Ethylen und Wasserdampf (mit ca. 150 bis 200 ppm als Katalysatorstabilisator) in den Ofen durch Durchblasen kleiner Mengen vom Trägergas durch einen Wasserbehälter eingeleitet.
Die Nebenblöcke 20, 30, 40 entstehen auf den vorher erstellten flächenhaften elektrischen Kontakten 60, 61, 62 (z. B. aus Ni). Der Hauptblock 10 entsteht dagegen zwischen flächenhaften elektrischen Kontakten 60, 61, 62. Die CNT-Wachstumsrate auf den flächenhaften Kontakten ist viel geringer und kann z. B. mit der Metalldicke oder Struktur eingestellt werden.
Durch dieses Verfahren ist je ein Hauptblock 10 zwischen zwei Nebenblöcken 20, 30, 40 angeordnet. Die Blöcke liegen auf einer Geraden, entlang der eine horizontale Kraftkomponente bemessen werden kann. Die Nebenblöcke 20, 30 entstehen bei der Herstellung auf den vorher aufgebrachten flächenhaften elektrischen Kontakten 60, 61 (z. B. aus Ni). Der Hauptblock liegt dagegen zwischen diesen elektrischen Kontakten. Die CNT-Wachstumsrate auf den flächenhaften Kontakten ist viel geringer und kann z. B. mit der Metalldicke oder Struktur eingestellt werden.
Auch die nachträgliche Strukturierung der Kohlenstoffnanoröhrchen 6 auf dem Träger 2 ist möglich. Dabei können zum Beispiel photolithographische Verfahren der Abhebe- bzw. der Ätztechnik Anwendung finden.
Hierbei wird eine Methode zur Mikro-Nanointegration von flexiblen, vertikal ausgerichteten ein- oder mehrwandig strukturierten Kohlenstoffnanoröhrchen 6 in CNT-Blöcken verwendet. Je ein CNT-Hauptblock 10 liegt zwischen den vor dem Kohlenstoffnanoröhrchen-Wachstum strukturierten elektrischen Kontakten 60, 61, 62 (z. B. aus Ni) wobei die Nebenblöcke 20, 30, 40 ganz oder teilweise auf elektrischen Kontakten 60, 61, 62 liegen.
Eine einfache Streifenmaske definiert hier die Tiefe T der CNT-Blöcke. Die Breite B der CNT-Blöcke wird bevorzugt über die Abstände der elektrischen Kontakte 60, 61, 62 realisiert. Die Höhe H der CNT-Blöcke wird durch Anpassung der Wachstumszeit im Herstellungsprozess eingestellt.
In einem optionalen Verfahrensschritt des Herstellungsverfahrens wird zusätzlich, eine Passivierung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen durchgeführt, um die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen 6 vor äußeren Störfaktoren, wie beispielsweise mechanischer Belastung oder Feuchtigkeitseinwirkung, zu schützen. Hierbei werden die Kohlenstoffnanoröhrchen mit einer sehr dünnen, elektrisch nicht leitfähigen und chemisch inerten Beschichtung versehen. Die Passivierung kann unter anderem durch aus einem Plasma oder aus der Flüssigphase abgeschiedenen Polymere erfolgen.
Abbildungsbeschreibung
In der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart. Zudem wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Diese Offenbarung der Erfindung soll die Merkmale oder Hauptelemente der Erfindung nicht auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel beschränken. Vielmehr können die verschiedenen Elemente, Aspekte und Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen offenbart sind, durch einen Fachmann auf dem Gebiet auf verschiedene Arten kombiniert werden, um einen oder mehrere Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
1 zeigt in der Teilabbildung 1a das erfindungsgemäße Federsensorelement 1 in seitlicher Ansicht (schematisch). Dieses umfasst einen ersten CNT Block 10 und einen zweiten CNT-Block 20. Diese sind auf einem Träger 2 angeordnet. Dieser Träger 2 kann beispielsweise ein Si-wafer sein. Die Höhe H vom zweiten CNT Block 20 ist dabei wesentlich kleiner (wenigstens Faktor 2) als vom ersten CNT-Block 10. Messgröße ist der Widerstand zwischen den elektrischen Kontakten 60 und 61. Das Messgerät ist nicht abgebildet, aber die Messung des Widerstandes über einen Spannungsabfall entlang einer Messtrecke ist ein übliches Verfahren. Wirkt nun eine 100 vertikale Kraftkomponente senkrecht zur Oberfläche des Trägers 2 kommt es zu einer Widerstandsänderung durch die Stauchung der Kohlenstoffnanoröhrchen 6. Durch eine horizontalen Kraftkomponente 200, 300 kommt es zu einer Neigung der Kohlenstoffnanoröhrchen 6. Wobei sich der Ausrichtungswinkel α der Kohlenstoffnanoröhrchen 6 im wesentlich längerem ersten CNT-Block 10 stärker ändert als der Ausrichtungswinkel α der Kohlenstoffnanoröhrchen 6 im zweiten CNT-Block 20. Dies bewirkt ebenfalls eine messbare Widerstandsänderung.
Eine Verbiegung des Hauptblockes 10 verursacht neue laterale Verbindungen zwischen den CNTs im Hauptblock 10 und im Nebenblock 20.
Weiterhin zeigt 1 in der Teilabbildung 1b) einen einzelnen CNT-Block 10. Der CNT-Block 10 umfasst eine Vielzahl einzelner Kohlenstoffnanoröhrchen 6. Diese sind gleich ausgerichtet und weisen so alle im Wesentlichen den gleichen Ausrichtungswinkel α gegenüber der Oberfläche des Trägers 2 auf. Üblicherweise aber nicht zwangsläufig beträgt dieser ungefähr 90°. Weiterhin sind die einzelnen Kohlenstoffnanoröhrchen 6 gleich lang, sodass der CNT-Block 10 eine einheitliche Höhe H aufweist.
2 zeigt das Federsensorelement 1 mit einem weiteren dritten CNT-Block 30 in einer einreihigen Ausführungsvariante. Die Teilabbildung 2a) zeigt dabei eine seitliche Ansicht. Bei dieser Ausführungsform befindet sich erste CNT Block 10 zwischen einen zweitem CNT-Block 20 und einem dritten CNT-Block 30. Die Höhe H1 von CNT-Block 10 dabei wesentlich größer (wenigstens Faktor 2) als die Höhe H2 des benachbaren CNT-Block 20 und die Höhe H3 des benachbaren CNT-Block 30. Dadurch verformt sich der CNT-Block 10 unter Kraft/Beschleunigung stärker. Kommt es nun zu einem Kontakt zwischen CNT Block 10 und CNT Block 20 oder CNT Block 30, ändert sich der Widerstand zwischen den elektrischen Kontakten 60 und 61 sehr stark, wodurch eine sehr genaue Messung möglich ist. In der Teilabbildung 2b) ist das erfindungsgemäße Federsensorelement 1 in der Draufsicht abgebildet. Hier ist zu erkennen, dass die CNT-Blöcke 10, 20, 30 in einer Linie d. h. einreihig ausgebildet sind.
3 zeigt das Federsensorelement 1 mit einem weiteren dritten CNT-Block 40 in einer mehrreihigen Ausführungsvariante in der Draufsicht. Hierzu umfasst das Federsensorelement 1 zusätzlich zum ersten CNT-Block 10 und einem benachbarten zweiten CNT-Block 20 noch einen weiteren CNT-Block 40 auf. Die drei CNT-Blöcke sind nicht in einer Linie ausgebildet. Sie sind also mehrreihig ausgebildet.
Durch den zusätzlichen elektrischen Kontakt 62 am CNT-Block 40, ist damit neben der Messung einer ersten horizontalen Kraftkomponente 200 auch die Messung einer zweiten horizontalen Kraftkomponente 300 möglich.
4 zeigt eine Ausführungsform des Federsensorelement 1 mit mehreren optionalen Komponenten. Diese möglichen zusätzlichen Komponenten sind eine Unterlage 3, eine Zwischenschicht 7 und einen Zwischenblock 8. Diese sind aber unabhängig voneinander. Es ist auch möglich sie einzeln einzusetzen. Das gezeigte Federsensorelement 1 umfasst zusätzlich eine Unterlage 3 auf der den CNT-Blöcken 10, 20 abgewandten Seite des Trägers 2. Die Unterlage 3 dient der Stabilisierung des Federsensorelements 1 und der Festlegung seiner Elastizität. Die Unterlage 3 besteht bevorzugt aus einem flexiblen Material z. B. einem Kunststoff wie PET, PVC oder Polyamid, damit sich das Federsensorelement 1 verformen kann. Es kann aber je nach Anwendungsgebiet auch ein anderes Material verwendet werden.
Weiter umfasst das Federsensorelement 1 eine dünne Zwischenschicht 7 auf der den CNT-Blöcken 10, 20 zugewandten Seite des Trägers 2. Diese ist üblicherweise dünner als 10 nm, bevorzugt sogar dünner als 5 nm bei einem Material wie Graphen oder MoS₂ ist sie auch als Monolage ausführbar. Wenn auf den Federsensorelement 1 eine Kraft wirkt, kommt es in der Zwischenschicht 7 zu Verzerrungen im atomaren Gitter des Materials der Zwischenschicht 7. Besonders wenn diese sehr dünn ist, führt dies zu einer starken Veränderung ihres Widerstandes. Somit erhöht sich die Empfindlichkeit des Federsensorelements 1.
Außerdem umfasst das Federsensorelement 1 zwischen dem ersten CNT-Block 10 und dem zweiten CNT-Block 20 einen elektrisch leitfähigen Zwischenblock 8. Deren Einfluss auf den Widerstand ist stark davon abhängig, wie viele der Kohlenstoffnanoröhrchen der angrenzenden CNT-Blöcke (10, 20) mit dem elektrisch leitfähigen Zwischenblock 8 in Kontakt kommen. Bei einer großen horizontalen Kraftkomponente 200, kommt es durch Neigung der Kohlenstoffnanoröhrchen zu vielen Kontakten und zu einer starken Widerstandsänderung. Der Zwischenblock 8 erhöht so die Empfindlichkeit bei der Erfassung von horizontal aber auch vertikal wirkenden Kräften.
5 zeigt eine Ausführungsform des Federsensorelements 1 zusätzlich umfassend einen Magneten 50. Dieser befindet sich hier auf den Hauptblock 10. Bei einer wirkenden Kraft oder Beschleunigung, wird zusätzlich zur Information aus der Widerstandsänderung noch die Bewegung dieses Magneten 50 mittels des Magnetfeldsensors 51 ausgewertet.
6 zeigt verschiedene mikroskopische Aufnahmen von CNT-Blockstrukturen In Teilabbildung 5a) sind vertikal angeordnete CNT-Blöcke in einer massiv angeordneten Blockstruktur zu sehen. Die Teilabbildung 5b) zeigt vertikal angeordnete CNT-Blöcke mit einer Kantenlänge von 200 μm und die Teilabbildung 5c) zeigt hintereinander, vereinzelt angeordnete CNT-Blöcke in einer geätzten Si-Grubenstruktur.
7 zeigt die Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls (in kPa) von der Höhe des CNT-Blocks (in μm). Hier wird deutlich, dass die Steifigkeit gut über die Höhe der CNT-Blöcke steuerbar ist und mit zunehmender Länge des CNT-Blocks stark abfällt.
Bezugszeichenliste

1: Federsensorelement
2: Träger
3: Unterlage
6: Kohlenstoffnanoröhrchen
7: Zwischenschicht
8: Zwischenblock
10: Hauptblock
20, 30, 40: Nebenblock
50: Magnet
51: Magnetfeldsensor
60, 61, 62: elektrische Kontakte
100: vertikale Kraftkomponente
200: erste horizontale Kraftkomponente
300: zweite horizontale Kraftkomponente
α: Ausrichtungswinkel
H: Höhe
B: Breite
T: Tiefe

Claims

Federsensorelement (1) umfassend Kohlenstoffnanoröhrchen (6) auf einem Träger (2), wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen (6) in CNT(Kohlenstoffnanoröhrchen)-Blöcken (10, 20, 30, 40) angeordnet sind, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen (6) jedes CNT-Bockes (10, 20, 30, 40) jeweils die gleiche Länge und die gleiche Ausrichtung bezüglich des Trägers (2) aufweisen, wobei wenigstens der höchste der CNT-Blöcke (10, 20, 30, 40) zu wenigstens zwei elektrischen Kontakten (60, 61, 62) benachbart angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass das Federsensorelement (1) neben einem ersten CNT-Block (10) der Höhe H1 wenigstens einen weiteren benachbarten CNT-Block (20, 30, 40) der Höhe H2 umfasst, wobei sich die Höhen H1 und H2 wenigstens um den Faktor 2 unterscheiden.
Federsensorelement (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass sich der Kohlenstoffnanoröhrchen-Block (10) der Höhe H1 zwischen dem benachbarten CNT-Block (20) der Höhe H2 und einem dritten CNT-Block (30) der Höhe H3 befindet, wobei die drei CNT-Blöcke (10, 20, 30) einreihig angeordnet sind und sich die Höhen H1 und H2 sowie Höhen H1 und H3 sich jeweils wenigstens um den Faktor 2 unterscheiden, wobei jeweils der CNT-Block (10) der höhere ist.
Federsensorelement (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich einen weiteren CNT-Block (40) aufweist, wobei die CNT-Blöcke (10, 20, 30, 40) zur Messung einer ersten horizontalen Kraftkomponente (200) und einer zweiten horizontalen Kraftkomponente (300) mehrreihig angeordnet sind.
Federsensorelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es eine Unterlage (3), aufweist, wobei sich der Träger (2) auf dieser Unterlage (3), welche den CNT-Blöcken (10, 20, 30, 40) abgewandt ist, befindet.
Federsensorelement (1) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage (3) als eine flexible Folie insbesondere aus einen Kunststoff wie beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyamid ausgeführt ist.
Federsensorelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es auf dem Träger (2) eine Zwischenschicht (7), welche den CNT-Blöcken (10, 20, 30, 40) zugewandt ist, aufweist.
Federsensorelement nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (7) eine Schichtdicke von unter 10 nm aufweist.
Federsensorelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen wenigstens zwei CNT-Blöcken (10, 20, 30, 40) einen elektrisch leitfähige Zwischenblock (8) aufweist.
Federsensorelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen Magneten (50) auf der dem Träger (2) abgewandten Seite wenigstens eines CNT-Blocks (10, 20, 30, 40) umfasst.
Verwendung eines Federsensorelements (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, in einem Sensor zum Messen wenigstens einer Kraftkomponente und/oder einer Beschleunigungskomponente.