DE102015006057A1

DE102015006057A1 - Schichtwiderstand mit einem kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015006057A1
Application number: DE102015006057.0A
Authority: DE
Inventors: Mario Cerino; Dirk Göttel; Anne-Catherine Probst; Günter Schultes
Original assignee: Zema Zentrum fur Mechatronik und Atomatisierungstechnik Gemeinnuetzige GmbH; Hochschule fuer Technik und Wirtschaft des Saarlandes
Current assignee: Celago Sensors De GmbH
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2016-11-17

Abstract

Es wird ein Schichtwiderstand (10) mit einem kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial (14) auf einem Trägersubstrat (12) vorgeschlagen, wobei in einer kohlenstoffhaltigen Schicht elektrisch leitfähige Cluster eingebettet sind. Dabei umfasst das kohlenstoffhaltige Widerstandsmaterial (14) ein Dotiermaterial, wobei das Dotiermaterial eine Mischung aus Chrom und einem Metall ausgewählt aus Kobalt, Nickel, Vanadium, Wolfram, Palladium, Eisen, Platin, Kupfer, Silber und Gold umfasst, wobei die elektrisch leitfähigen Cluster zumindest aus Teilen des Dotiermaterials gebildet sind. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtwiderstands (10) sowie ein Sensorelement umfassend mindestens einen solchen Schichtwiderstand (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Schichtwiderstand mit einem kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial auf einem Trägersubstrat, wobei in dem kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial elektrisch leitfähige Cluster eingebettet sind. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtwiderstands sowie ein Sensorelement umfassend mindestens einen solchen Schichtwiderstand.
Schichtwiderstände werden beispielsweise als Bestandteil von Sensoren zur Erfassung mechanischer Messgrößen wie z. B. Drucksensoren oder Kraftsensoren eingesetzt. Derartige Sensoren umfassen ein elastisches Element wie einen Kraftaufnehmer oder eine Membran, wobei sich das elastische Element unter Einwirkung der zu messenden Größe verformt. Auf das elastische Element ist dabei eine Sensorschicht angeordnet, die zusammen mit diesem verformt wird. Die Verformung der Sensorschicht kann elektrisch erfasst werden. Ist die Sensorschicht als Schichtwiderstand ausgeführt, so kann eine Verformung der Sensorschicht über eine Änderung des elektrischen Widerstands erfasst werden. Für eine hohe Messgenauigkeit der Sensoren müssen die verwendeten Schichtwiderstände bei der Verformung eine hohe Linearität, hohe Empfindlichkeit, geringe Hysterese und geringe intrinsische Fehler zeigen. Des Weiteren sollte der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands klein sein. Als intrinsische Fehler werden im Rahmen dieser Beschreibung Fehler verstanden, die auf den Schichtwiderstand zurückzuführen sind. Diese intrinsischen Fehler umfassen insbesondere ein intrinsisches Kriechen und eine intrinsische Drift. Beiträge zum Messfehler des Sensors, die nicht dem Schichtwiderstand zuzuordnen sind, werden als extrinsische Fehler bezeichnet.
Als intrinsische Drift wird eine Veränderung des elektrischen Widerstands mit der Zeit bezeichnet, die aufgrund von Alterung des Materials auftritt. Der intrinsische Driftwert eines Widerstands ist stark abhängig von der Vorbehandlung des Widerstands und den Umgebungsbedingungen. So kann der intrinsische Driftwert durch eine Temperaturbehandlung, die zu einer Voralterung führt, reduziert werden.
Als Kriechen wird eine kontinuierliche Veränderung des vom Sensor ermittelten Werts bezeichnet. Von dem Kriechen sind sowohl die elastischen Elemente als auch die Schichtwiderstände betroffen. Hierbei wird als intrinsisches Kriechen das auf den Schichtwiderstand zurückzuführende Kriechen bezeichnet. Das Kriechen der elastischen Elemente wird zur Unterscheidung als extrinsisches Kriechen bezeichnet. Das intrinsische Kriechen des Schichtwiderstands äußert sich als eine kontinuierliche Veränderung des elektrischen Widerstands bei gleichbleibender Einwirkung der Messgröße wie Druck oder Kraft und gleichbleibenden Umgebungsbedingungen, insbesondere bei gleichbleibender Temperatur. Das intrinsische Kriechen ist dabei in der Regel temperaturabhängig, wobei das intrinsische Kriechen besonders stark bei höheren Temperaturen auftritt. Bei den elastischen Elementen ist das extrinsische Kriechen auf eine elastische Nachwirkung zurückzuführen. Die elastischen Elemente weisen in der Regel ein positives Kriechverhalten auf, das heißt der über den auf dem elastischen Element angeordneten Schichtwiderstand gemessene elektrische Widerstand steigt mit der Zeit langsam an. Um diesen Effekt zumindest teilweise auszugleichen werden bevorzugt solche Schichtwiderstände verwendet, die ein negatives intrinsisches Kriechverhalten zeigen, also deren elektrischer Widerstand bei gleichbleibender Einwirkung der Messgröße mit der Zeit abfällt.
Eine weitere extrinsische Fehlerquelle ist unter anderem die thermische Ausdehnung des elastischen Elements. Diese wirkt wie eine scheinbare Dehnung des elastischen Elements und verursacht eine messbare Widerstandsänderung eines mit dem elastischen Element verbundenen Schichtwiderstands. Weitere extrinsische Fehlerquellen können sich beispielsweise bei aufgeklebten Schichtwiderständen aus dem verwendeten Klebstoff sowie aus den elektrischen Kontakten, insbesondere bei Verwendung von Lötzinn, ergeben.
Die Stärke der Änderung des elektrischen Widerstands des Schichtwiderstands mit der Verformung wird durch den k-Faktor ausgedrückt, wobei ein großer k-Faktor für starke Veränderung und somit hohe Empfindlichkeit steht. Konventionelle Schichtwiderstände wie Dünnfilmwiderstände mit einer dünnen Metallschicht aus NiCr oder Konstantan weisen einen k-Faktor von 2 auf.
Aus WO2009/129930 A1 ist ein Schichtwiderstand mit einer Schicht aus kohlenstoffhaltigem Material, in die leitfähiges Material eingebracht ist, bekannt. Das leitfähige Material, beispielsweise Nickel, bildet dabei in der Schicht Cluster aus, die voneinander durch Kohlenstoff getrennt sind. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands wird durch den Anteil des Clustermaterials in der kohlenstoffhaltigen Schicht eingestellt. Der k-Faktor eines solchen Schichtwiderstands beträgt typischerweise mehr als 20.
Extrinsische Fehler wirken auf den Schichtwiderstand ein und werden von diesem als scheinbare Dehnung erkannt. Dabei werden die extrinsischen Fehler bei Widerstandsmaterialien mit hohem k-Faktor verstärkt wahrgenommen.
Der Kriechwert für das intrinsische Kriechen bekannter Schichtwiderstände mit k-Faktoren von mehr als 2 beträgt nach Belastung typischerweise mindestens –100 ppm (parts per million) in 30 Minuten bei einer Temperatur von 85°C. Der Betrag des intrinsischen Kriechwerts liegt deutlich über dem Betrag des extrinsischen Kriechwerts der elastischen Elemente, so dass das negative Kriechen der Schichtwiderstände das positive Kriechen üblicher elastischer Elemente überkompensiert. Somit würde ein Sensorelement, welches ein elastisches Element und einen Schichtwiderstand umfasst, einen Kriechfehler aufweisen, bei dem sich die vom Sensorelement gemessene Größe scheinbar mit der Zeit verändert.
Aus der Veröffentlichung Grange et al., Sens. Actuators, A, 46–47, (1995) 213–217 ist ein Dehnungsmesstreifen bekannt, bei dem ein Schichtwiderstand mit zwei Schichten aus verschiedenen Widerstandsmaterialien auf ein Substrat aus temperaturfestem Polyimid abgeschieden wird. Die beiden Widerstandsmaterialien weisen ein unterschiedlich stark ausgeprägtes Kriechen auf. Durch gezielte Wahl des Schichtdickenverhältnisses der Schichten kann das Kriechverhalten des Schichtwiderstands eingestellt werden.
Nachteilig an den bekannten Schichtwiderständen ist, dass ein gleichzeitiges gezieltes Vorgeben des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands und des intrinsischen Kriechverhaltens des Widerstands nicht möglich ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, einen Schichtwiderstand mit einem Widerstandsmaterial bereitzustellen, dessen intrinsisches Kriechverhalten gezielt vorgegeben werden kann, wodurch insbesondere eine verbesserte Kompensation des Kriechverhaltens eines Sensors umfassend einen solchen Schichtwiderstand erreicht werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, einen Schichtwiderstand mit einem Widerstandsmaterial bereitzustellen, welches geringen Alterungseffekten unterliegt und einen kleinen Driftwert des elektrischen Widerstands aufweist. Des Weiteren kann eine Aufgabe der Erfindung darin gesehen werden, einen Sensor mit einem elastischen Element und einem Schichtwiderstand bereitzustellen, bei dem extrinsische Fehler des elastischen Elements durch den Schichtwiderstand kompensiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Schichtwiderstand mit einem kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial auf einem Trägersubstrat vorgeschlagen, wobei in dem kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial elektrisch leitfähige Cluster eingebettet sind. Dabei umfasst das kohlenstoffhaltige Widerstandsmaterial ein Dotiermaterial, wobei das Dotiermaterial eine Mischung aus Chrom und einem Metall ausgewählt aus Kobalt, Nickel, Vanadium, Wolfram, Palladium, Eisen, Platin, Kupfer, Silber und Gold umfasst. Bevorzugt besteht das Dotiermaterial aus einer Mischung aus Chrom und einem Metall ausgewählt aus Kobalt, Nickel, Vanadium, Wolfram, Palladium, Eisen, Platin Kupfer, Silber und Gold.
Bevorzugt weist der vorgeschlagene Schichtwiderstand genau eine Widerstandsmaterialschicht auf dem Trägersubstrat auf. Die Stärke bzw. Dicke des kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterials beträgt bevorzugt von 10 bis 500 nm, besonders bevorzugt von 30 bis 250 nm.
Der Kohlenstoff in der kohlenstoffhaltigen Schicht liegt bevorzugt in Form von amorphem Kohlenstoff (a-C), wasserstoffhaltigem amorphen Kohlenstoff (a-C:H) oder graphitartigem Kohlenstoff vor. Amorpher Kohlenstoff wird auch als DLC (Diamond-like Carbon, diamantähnlicher Kohlenstoff) bezeichnet. Der Kohlenstoff in der kohlenstoffhaltigen Schicht dient hierbei als eine Kohlenstoffmatrix, in die die Cluster eingebettet sind. Im Folgenden werden Kohlenstoffmaterialien mit eingebetteten Clustern aus dem Clustermaterial X kurz als X:a-C im Fall von amorphem Kohlenstoff und als X:a-C:H im Fall von wasserstoffhaltigem amorphen Kohlenstoff bezeichnet. Des Weiteren werden im Folgenden unter dem Begriff Kohlenstoffmatrix sowohl Schichten aus a-C als auch aus a-C:H, in die Cluster eingebettet werden, verstanden.
Das kohlenstoffhaltige Widerstandsmaterial kann in Form einer kohlenstoffhaltigen Schicht mit den darin eingebetteten Clustern beispielsweise mit einem reaktiven Sputter-Verfahren hergestellt werden, wobei Kohlenstoff und das Dotiermaterial auf das Trägersubstrat abgeschieden werden.
Die elektrisch leitfähigen Cluster stellen Inseln aus Clustermaterial in der Kohlenstoffmatrix dar, wobei die Cluster zumindest Teile bzw. Bestandteile des Dotiermaterials als Clustermaterial umfassen.
In einer Ausführungsvariante ist das Dotiermaterial vollständig oder nahezu vollständig in den Clustern aufgegangen, so dass in der Kohlenstoffmatrix selbst kein oder nur noch ein geringer Rest des Dotiermaterials vorhanden ist. In dieser Ausführungsform sind das Clustermaterial und das Dotiermaterial identisch.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist ein Teil des Dotiermaterials in der Kohlenstoffmatrix enthalten und ein weiterer Teil des Dotiermaterials ist in den Clustern aufgegangen. Dabei ist in einer Untervariante vorgesehen, dass die Cluster im Wesentlichen von dem ausgewählten Metall gebildet werden, so dass das Chrom des Dotiermaterials ganz oder teilweise in der Kohlenstoffmatrix verteilt vorliegt und die Cluster einen entsprechend reduzierten Anteil an Chrom aufweisen. In einer anderen Untervariante ist das Verhältnis von Chrom zum ausgewählten Metall im Clustermaterial identisch oder im Wesentlichen identisch zu dem Verhältnis im Dotiermaterial, wobei ein Teil des Dotiermaterials in der Kohlenstoffmatrix enthalten ist und der übrige Teil des Dotiermaterials in Form der eingebetteten Cluster vorliegt.
Der Anteil des Dotiermaterials in dem Widerstandsmaterial ist so gewählt, dass dieser unterhalb der Perkolationsschwelle liegt. Das heißt, dass die Cluster, die zumindest aus Teilen des Dotiermaterials ausgebildet sind, jeweils von Kohlenstoff umgeben sind und sich keine durchgehenden Pfade aus dem Dotiermaterial bzw. Teilen des Dotiermaterials in dem Schichtwiderstand bzw. in dem Widerstandsmaterial ausbilden. Dabei werden die einzelnen Cluster von einer Hülle aus Kohlenstoffatomen umschlossen, wobei der Kohlenstoff in der Umgebung der Cluster bevorzugt in Form von graphitartigem Kohlenstoff vorliegt. Dabei bilden sich etwa 1 bis 10 Lagen des graphitartigen Kohlenstoffs um die Cluster herum aus. Die Cluster liegen ferner in einer thermodynamisch stabilen Form vor, das heißt die Cluster lösen sich nicht in der Kohlenstoffmatrix auf oder verändern wesentlich ihre Größe oder Struktur. Die Form und Größe der Cluster sind abhängig von den Bedingungen während des Aufbringens des Widerstandsmaterials. Die Cluster weisen bevorzugt eine Größe im Bereich von 10 bis 500 nm, besonders bevorzugt von 30 bis 250 nm auf. Dabei wird als Größe eines Clusters die größte Länge zwischen zwei Punkten auf der kleinsten Projektionsfläche eines Clusters bezeichnet. Die Form der Cluster kann beispielsweise näherungsweise sphärisch, elliptisch oder länglich sein, wobei auch unregelmäßige Formen möglich sind. Beispielsweise können die Cluster in Form von Stäbchen vorliegen, wobei die Stäbchen in Wachstumsrichtung der Widerstandsschicht ausgerichtet sind, die Höhe der Stäbchen im Bereich der Schichtdicke der Widerstandsschicht liegt und die größte Ausdehnung in der Schichtebene im Bereich von 5 bis 100 nm, bevorzugt von 10 bis 50 nm beträgt.
Die in das kohlenstoffhaltige Widerstandsmaterial eingebetteten Cluster umfassen oder bestehen bevorzugt aus dem Dotiermaterial bzw. aus Teilen des Dotiermaterials. Das Dotiermaterial umfasst bevorzugt eine Mischung aus Chrom und einem weiteren ausgewählten Metall oder besteht aus einer Mischung aus Chrom und einem weiteren ausgewählten Metall. Das Metall ist ausgewählt aus Kobalt, Nickel, Vanadium, Wolfram, Palladium, Eisen, Platin, Kupfer, Silber und Gold. Bevorzugt umfasst das Dotiermaterial ≥ 95% nach Gewicht, besonders bevorzugt ≥ 98% nach Gewicht und besonders bevorzugt ≥ 99% nach Gewicht eine Mischung aus Chrom und dem ausgewählten Metall. Dementsprechend sind bevorzugt weniger als 5%, besonders bevorzugt weniger als 2% und ganz besonders bevorzugt weniger als 1% an Verunreinigungen enthalten.
Das Dotiermaterial zeigt eine gute elektrische Leitfähigkeit von mehr als 10⁶ A/(V·m). Dabei weist der elektrische Widerstand von der Mischung aus Chrom und dem ausgewählten Metall einen Temperaturkoeffizienten auf, der von dem Temperaturkoeffizienten der Kohlenstoffmatrix abweicht. Die Kohlenstoffmatrix weist im Vergleich zu dem Dotiermaterial eine vergleichsweise schlechte elektrische Leitfähigkeit auf, wobei diese stark von der Form des Kohlenstoffs und im Fall von a-C:H auch vom Wasserstoffgehalt abhängig ist. Wird die Widerstandsschicht durch Krafteinwirkung verformt, ändert sich der Abstand der in der Schicht eingebetteten Cluster zueinander, wodurch sich der elektrische Widerstand des Materials stark ändert. Die Stärke der Änderung des elektrischen Widerstands mit der Verformung wird durch den k-Faktor ausgedrückt, wobei ein großer k-Faktor für starke Veränderung und somit hohe Empfindlichkeit steht. Das kohlenstoffhaltige Widerstandsmaterial mit den eingebetteten Clustern weist k-Faktoren von bis zu etwa 30 auf, während metallische Dünnfilmwiderstände, beispielsweise eine CrNi Schicht, lediglich einen k-Faktor von etwa 2 aufweisen.
Der intrinsische Kriechwert des vorgeschlagenen Schichtwiderstands lässt sich durch die Wahl des Dotiermaterials einstellen. Wird eine Mischung umfassend oder bestehend aus Chrom und dem ausgewählten Metall als Dotiermaterial verwendet, so wird das Mischungsverhältnis von Chrom zu dem ausgewählten Metall bevorzugt zwischen 0.1:99,9 und 50:50 nach Gewicht gewählt. Besonders bevorzugt wird ein Mischungsverhältnis von 2:98 und 25:80 nach Gewicht gewählt und ganz besonders bevorzugt wird das Mischungsverhältnis von Chrom zu dem ausgewählten Metall im Bereich von 5:95 bis 20:80 nach Gewicht gewählt.
Durch die Verwendung eines Chrom enthaltenden Dotiermaterials wird eine Stabilisierung des kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterials erreicht. Die Stabilisierung äußert sich unter anderem dadurch, dass die von dem Widerstandsmaterial gebildete Schicht nur einen geringen intrinsischen Driftwert aufweist, der typischerweise unterhalb von 10 ppm/h bei einer Umgebungstemperatur von 85°C liegt. Vergleichbare Schichten mit Nickel ohne Beimischung von Chrom als Dotiermaterial weisen intrinsische Driftwerte von mehr als 10 ppm/h bei einer Umgebungstemperatur von 85°C auf. Durch eine Temperaturbehandlung kann der intrinsische Driftwert der erfindungsgemäßen Schichtwiderstände weiter verbessert werden, so dass Driftwerte von unterhalb 1 ppm/h erreicht werden.
Bevorzugt weist der Schichtwiderstand bei einer Temperatur von 85°C einen intrinsischen Driftwert im Bereich von 0 bis 2 ppm/h und besonders bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 1 ppm/h auf.
Bevorzugt ist das Chrom des kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterials zumindest teilweise mit der kohlenstoffhaltigen Schicht zu einem Carbid verbunden. Es wird angenommen, dass eine Verbindung zwischen Chrom und dem Kohlenstoff der Kohlenstoffmatrix zu einem Carbid die Cluster in der Kohlenstoffmatrix stabilisiert. Die Cluster weisen dabei einen Chromanteil auf, der entsprechend dem in der Kohlenstoffmatrix enthaltenen Chromanteil reduziert ist. Bevorzugt umfasst das Dotiermaterial eine Mischung aus Chrom und Nickel oder besteht aus einer Mischung aus Chrom und Nickel, wobei durch das Mischungsverhältnis von Chrom zu Nickel das intrinsische Kriechverhalten der Widerstandsschicht eingestellt wird. Vorteilhafterweise bleibt auch bei einem Anteil von etwa 50% Chrom nach Gewicht an der Mischung die für Nickel bekannte hohe Empfindlichkeit der Widerstandsschicht erhalten. Für eine Widerstandsschicht mit in einer kohlenstoffhaltigen Schicht eingebetteten Clustern aus Nickel ohne Beimischung von Chrom ist aus WO 2009/129930 ein hoher k-Faktor im Bereich von etwa 20 bekannt. Durch das vorgeschlagene Zugeben von Chrom, so dass als Dotiermaterial eine Mischung aus Chrom und Nickel vorliegt, bleibt von einem Mischungsverhältnis Chrom zu Nickel von etwa 0,01:99,99 nach Gewicht bis etwa 50:50 nach Gewicht der hohe k-Faktor und damit die hohe Empfindlichkeit erhalten. Wird der Anteil von Chrom an der Mischung weiter erhöht, so nähert sich der k-Faktor dem vom reinen Chrom an, wobei der k-Faktor eines Schichtwiderstands mit nur Chrom als Dotiermaterial ungefähr 3 ist.
Der intrinsische Kriechwert einer Widerstandsschicht mit nur Chrom als Dotiermaterial ist vom Betrag so gering, dass dieser nicht nachweisbar ist. Für die vorgeschlagenen Widerstandsschichten mit einer Mischung aus Chrom und Nickel ist der intrinsische Kriechwert abhängig vom Mischungsverhältnis, wobei bereits bei einem Chromanteil von etwa 10% nach Gewicht der Betrag des intrinsischen Kriechwerts gegenüber einem vergleichbaren Schichtwiderstand ohne Zugabe von Chrom deutlich reduziert wird, wobei vorteilhafterweise der hohe k-Faktor erhalten bleibt.
Bevorzugt wird der Schichtwiderstand so ausgeführt, dass das Mischungsverhältnis von Chrom zu dem ausgewählten Metall, insbesondere Nickel, so gewählt ist, das ein intrinsisches Kriechen des elektrischen Widerstands der Widerstandsschicht unter einer mechanischen Last auf einen vorgegebenen negativen Wert eingestellt ist. Der Betrag des vorgegebenen negativen Wertes ist bevorzugt gleich dem Betrag des positiven extrinsischen Kriechens eines elastischen Elements, welches zusammen mit dem Schichtwiderstand zu einem Sensorelement kombiniert wird.
Die Mischung aus Chrom und einem weiteren ausgewählten Metall ist elektrisch leitfähig, wobei der elektrische Widerstand des Dotiermaterials einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der von dem der Kohlenstoffmatrix abweicht. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands des Widerstandsmaterials ist durch das Vorgeben des Verhältnisses von Kohlenstoff zum Dotiermaterial im Widerstandsmaterial einstellbar. Dabei weist der elektrische Widerstand des Schichtwiderstands für Temperaturen im Bereich von etwa 100 K bis etwa 700 K eine näherungsweise lineare Temperaturabhängigkeit auf.
Bevorzugt liegt das Verhältnis von Kohlenstoff zum Dotiermaterial im kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial im Bereich von 20:80 bis 80:20 Atom%.
Bevorzugt wird der Anteil des Dotiermaterials in der Widerstandsschicht bzw. im kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial so gewählt, dass der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands des Widerstandsmaterials einen vorgegebenen Wert annimmt.
In einer Ausführungsvariante wird der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands des Schichtwiderstands bzw. des Widerstandsmaterials auf einen Wert von 0 eingestellt.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands des Schichtwiderstands so eingestellt, dass temperaturabhängige extrinsische Fehler kompensiert werden. Insbesondere wird der Temperaturkoeffizient so eingestellt, dass eine Widerstandsänderung aufgrund einer Dehnung verursacht durch eine thermische Ausdehnung eines elastischen Elements, mit dem der Schichtwiderstand verbunden werden soll, kompensiert wird.
Bevorzugt wird der Schichtwiderstand so ausgestaltet, dass sowohl das intrinsische Kriechverhalten als auch der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands vorgegebenen Werten entsprechen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtwiderstands bereitzustellen, wobei kohlenstoffhaltiges Widerstandsmaterial auf ein Trägersubstrat aufgebracht wird und wobei das Aufbringen in einem reaktiven Sputter-Prozess mit einem Sputtermaterial unter einer reaktiven Atmosphäre eines kohlenstoffhaltigen Gases durchgeführt wird, so dass das kohlenstoffhaltige Gas dissoziiert wird und eine kohlenstoffhaltige Schicht umfassend Sputtermaterial als Dotiermaterial auf dem Trägersubstrat abgeschieden wird, wobei das Trägersubstrat während des Durchführens des reaktiven Sputter-Prozesses auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, bei der sich elektrisch leitfähige Cluster ausbilden, die zumindest Teile des Dotiermaterials umfassen, wobei das Sputtermaterial eine Mischung aus Chrom und einem Metall ausgewählt aus Kobalt, Nickel, Vanadium, Wolfram, Palladium, Eisen, Platin, Kupfer, Silber und Gold ist.
Da das Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Schichtwiderstands eingerichtet ist gelten die im Rahmen des Schichtwiderstands beschriebenen Merkmale entsprechend für das Verfahren und umgekehrt gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebene Merkmale entsprechend für den Schichtwiederstand.
Zur Herstellung der kohlenstoffhaltigen Schicht wird bevorzugt ein PVD-Prozess (physical vapor deposition, Physikalische Gasphasenabscheidung), besonders bevorzugt ein Sputterprozess, in Kombination mit einer CVD (chemical vapor deposition, chemische Gasphasenabscheidung) verwendet. Dabei werden das Dotiermaterial über den PVD-Prozess und der Kohlenstoff über die CVD abgeschieden. Das Aufbringen des kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterials erfolgt in einer Vakuumkammer in die das Trägersubstrat eingebracht wird. Das Trägersubstrat wird von einem Target gesputtert, wodurch sich Atome aus dem Target auf dem Trägersubstrat abscheiden. Bevorzugt wird reaktives HF-Sputtern eingesetzt, bei dem das Target mit einer Hochfrequenzquelle verbunden ist. Je nach Ausführungsvariante kann das Substrat hierbei geerdet werden oder mit einer Vorspannung (Bias-Spannung) beaufschlagt werden. Des Weiteren kann reaktives DC-Sputtern als Sputterprozess eingesetzt werden, bei dem zwischen Target und Substrat eine Gleichspannung angelegt wird. Das DC-Sputtern kann auch gepulst durchgeführt werden.
Bei dem reaktiven Sputterprozess bildet sich zwischen dem Trägersubstrat und dem Target ein Plasma, durch das Atome des Targetmaterials in Richtung des Trägersubstrats bewegt werden. Der reaktive Sputterprozess erfolgt in einer Schutzgasatmosphäre mit einem Inertgas, z. B. mit Argon, wobei weiterhin ein kohlenstoffhaltiges Reaktivgas, wie z. B. Ethan, Ethen oder Ethin in einer vorgegebenen Konzentration eingebracht wird, so dass bei Ausbilden des Plasmas durch Dissoziierung Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff gebildet wird, das sich auf dem Trägersubstrat gemeinsam mit dem Targetmaterial ablagert. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Sputtermaterial als Dotiermaterial verteilt in der kohlenstoffhaltigen Schicht vorliegt.
Die Reinheit der verwendeten Sputtertargets ist typischerweise > 99,5%.
Das Substrat wird während des reaktiven Sputterprozesses auf einer erhöhten Temperatur gehalten, so dass die Bildung thermodynamisch stabiler Cluster ermöglicht wird. Die erhöhte Temperatur des Trägersubstrats stellt dabei einen Energieeintrag dar, der es dem Dotiermaterial ermöglicht sich zu stabilen Clustern zusammenzufinden. Auf diese Weise kann der Schichtwiderstand in einem einzigen Arbeitsschritt hergestellt werden. Bevorzugt beträgt die Temperatur des Trägersubstrats während des reaktiven Sputter-Prozesses zwischen 100°C und 600°C, insbesondere zwischen 150°C und 400°C.
Bevorzugt schließt sich an das Aufbringen des Widerstandsmaterials ein Tempern des Schichtwiderstands an. Dies kann beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 180°C in einem Konvektionsofen in Luft für eine Dauer von etwa 3 Stunden erfolgen.
Für den Fall, dass das Sputtermaterial eine Mischung aus Chrom und einem Metall umfasst oder aus der Mischung besteht, ist es bevorzugt wenn

i) das Sputtermaterial in Form eines Targets aus einer Legierung aus dem ausgewählten Metall und Chrom vorliegt, oder
ii) das Sputtermaterial in Form von zwei Targets vorliegt, wobei je ein Target für Chrom und eins für das ausgewählte Metall verwendet werden und bei dem reaktiven Sputter-Prozess aus beiden Targets gleichzeitig Sputtermaterial abgeschieden wird, oder
iii) das Sputtermaterial in Form von zwei Targets vorliegt, wobei je ein Target für Chrom und eins für das ausgewählte Metall verwendet werden und bei dem reaktiven Sputter-Prozess abwechselnd aus dem ersten und dem zweiten Target Sputtermaterial abgeschieden wird, wobei sich bei einer nachfolgenden Temperaturbehandlung in Vakuum Cluster aus zumindest Teilen des als Dotiermaterial eingebrachten Clustermaterials ausbilden.

Bei Variante i) wird der reaktive Sputter-Prozess wie zuvor beschrieben durchlaufen, wobei das Target bereits das Dotiermaterial als Mischung im gewünschten Verhältnis enthält.
Bei Variante ii) werden in die Vakuumkammer zwei Targets eingebracht, wobei je ein Target für Chrom und eins für das ausgewählte Metall verwendet werden. Das Mischungsverhältnis von Chrom zu dem ausgewählten Metall wird bevorzugt durch ein getrenntes Einstellen der für das Sputtern verwendeten Parameter für jedes Target eingestellt. Beispielsweise wird im Fall von HF-Sputtern jedes Target mit einer eigenen Hochfrequenzquelle verbunden, so dass die Menge des aus jedem Target abgeschiedenen Materials leicht eingestellt werden kann.
Bei Variante iii) werden ebenfalls zwei Targets in die Vakuumkammer eingebracht, wobei jeweils nur aus einem Target zur gleichen Zeit Material abgeschieden wird. Dabei kann sowohl über die Zeitdauer, mit der aus dem jeweiligen Target Material gesputtert wird, als auch über die jeweils für das Sputtern verwendeten Parameter für jedes Target die Menge an abgeschiedenem Material eingestellt werden. Damit sich beide Dotiermaterialien miteinander zu gemeinsamen Clustern verbinden können ist eine nachfolgende Temperaturbehandlung vorgesehen. Durch die erhöhte Temperatur wird die Beweglichkeit der Atome des Dotiermaterials gesteigert, so dass diese Cluster mit einem Clustermaterial aus einer Mischung aus Chrom und dem ausgewählten Metall ausbilden.
Um die kohlenstoffhaltige Schicht auszubilden, muss Kohlenstoff in den reaktiven Sputter-Prozess eingebracht werden. Dies erfolgt bevorzugt über die Zugabe eines kohlenstoffhaltigen Gases, welches bevorzugt Ethan, Ethen oder Ethin aufweist.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren das Verhältnis von Kohlenstoff zu Dotiermaterial über die Konzentration des kohlenstoffhaltigen Gases eingestellt, wobei die Konzentration des kohlenstoffhaltigen Gases bevorzugt so eingestellt wird, dass die Cluster, die zumindest Teile bzw. Bestandteile des Dotiermaterials als Clustermaterial umfassen, in dem Widerstandsmaterial voneinander durch eine Kohlenstoffschicht getrennt sind.
Besonders bevorzugt wird der Anteil des Dotiermaterials in der Widerstandsschicht so gewählt, dass sich ein vorgegebener Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands für den Schichtwiderstand einstellt.
In einer Ausführungsvariante wird der Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands bevorzugt auf 0 eingestellt.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von den Eigenschaften des verwendeten Trägersubstrats und/oder des elastischen Elements, auf den der Schichtwiderstand aufgebracht wird, so eingestellt, dass unter Berücksichtigung des Einflusses des Trägersubstrats und/oder des elastischen Elements auf den Schichtwiderstand der elektrische Widerstand des Schichtwiderstands keine Temperaturabhängigkeit aufweist. Insbesondere wird der Temperaturkoeffizient so eingestellt, dass dieser temperaturabhängige extrinsische Fehler kompensiert. Beispielsweise wird dabei der Temperaturkoeffizient so eingestellt, dass dieser die Widerstandsänderung aufgrund einer durch die thermische Ausdehnung des Trägersubstrats und/oder des elastischen Elements verursachte Dehnung kompensiert.
Bevorzugt ist das Trägersubstrat ausgewählt aus Edelstahl, einer Aluminiumlegierung, einer Titanlegierung, Glas, Keramik, insbesondere Al₂O₃ und ZrO₂, und Polyimid.
Wird ein elektrisch leitfähiges Trägersubstrat verwendet so ist es bevorzugt, wenn vor dem Aufbringen des Widerstandsmaterials das Trägersubstrat mit einer isolierenden Beschichtung versehen wird. Beispielsweise eignen sich Isolationsschichten aus SiO₂, Si₃N₄ oder Al₂O₃. Die isolierende Beschichtung kann beispielsweise mit einem Aufdampfverfahren auf das Trägersubstrat aufgebracht werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es ein Sensorelement zur Messung einer Kraft oder eines Drucks bereitzustellen, wobei das Sensorelement ein elastisches Element und mindestens einen mit dem elastischen Element verbundenen Schichtwiderstand wie hierin beschrieben umfasst.
Das elastische Element ist bevorzugt ein Kraftaufnehmer, eine Druckmesszelle oder ein Dehnungsaufnehmer. Dabei ist das elastische Element so ausgestaltet, dass es sich bei Einwirkung einer Kraft verformt. Die Verformung überträgt sich auf den verbunden Schichtwiderstand, dessen elektrischer Widerstand sich abhängig von der einwirkenden Kraft verändert.
Bevorzugt ist dabei der Schichtwiderstand derart ausgestaltet, dass die kohlenstoffhaltige Widerstandsschicht ein Dotiermaterial umfasst, wobei das Dotiermaterial eine Mischung aus Chrom und einem Metall ausgewählt aus Kobalt, Nickel, Vanadium, Wolfram, Palladium, Eisen, Platin, Kupfer, Silber und Gold umfasst, oder bevorzugt aus dieser Mischung besteht, wobei das Mischungsverhältnis des ausgewählten Metalls zu Chrom so gewählt ist, dass das intrinsische Kriechen des mindestens einen Schichtwiderstands bei einer vorgegebenen Last, bevorzugt innerhalb eines vorgegebenen Lastbereichs, dem extrinsischen Kriechen des elastischen Elements betragsmäßig entspricht und dem extrinsischen Kriechen des elastischen Elements entgegengesetzt ist. Hierdurch gleichen sich die Einflüsse aus intrinsischem und extrinsischem Kriechen aus.
Des Weiteren ist der Schichtwiderstand bevorzugt derart ausgebildet, dass durch Einstellen des Verhältnisses von Dotiermaterial zu Kohlenstoff der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands des Widerstandsmaterials temperaturabhängige extrinsische Fehler kompensiert. Insbesondere wird der Temperaturkoeffizient so eingestellt, dass eine Widerstandsänderung aufgrund einer Dehnung verursacht durch eine thermische Ausdehnung des elastischen Elements kompensiert wird.
Besonders bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Schichtwiderstand sowohl der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands als auch das intrinsische Kriechen so eingestellt, dass bei dem aus elastischem Element und dem Schichtwiderstand gebildeten Sensor extrinsische und intrinsische Fehler möglichst genau kompensiert werden, so dass der Sensor keine durch Kriechen verursachten Fehler aufweist und auch keine Temperaturabhängigkeit zeigt.
Beispiele
Vergleichsbeispiel 1:
Es wurde ein Schichtwiderstand mit Ni:a-C:H als Widerstandsmaterial ohne Beimischung von Chrom durch einen reaktiven Sputter-Prozess hergestellt. Als Sputter-Target wurde ein Nickel-Target eingesetzt und als Trägersubstrat wurde Glas eingesetzt. Als reaktives Gas und Kohlenstoffquelle wurde Ethen (C₂H₄) verwendet. Bei dem reaktiven Sputter-Prozess unter der reaktiven Atmosphäre des kohlenstoffhaltigen Gases wird das kohlenstoffhaltige Gas dissoziiert und eine kohlenstoffhaltige Schicht umfassend Sputtermaterial (Nickel) als Dotiermaterial auf das Trägersubstrat abgeschieden. Dabei bilden sich aus dem Dotiermaterial Nickel-Cluster aus. Das Herstellungsverfahren und geeignete Parameter für den reaktiven Sputter-Prozess sind beispielsweise in der Veröffentlichung S. Ulig et al. Sensors and Actuators A 193 (2013) 129–135 beschrieben und ein entsprechender Schichtwiderstand ist aus WO 2009/129930 A1 bekannt. Nach dem Aufbringen des Widerstandsmaterials wurde der Schichtwiderstand bei einer Temperatur von 180°C für 3 Stunden getempert.
Vergleichsbeispiel 2:
Es wurde eine Cr:a-C:H Probe durch einen reaktiven Sputter-Prozess hergestellt, bei dem das Dotiermaterial Chrom aus einem Chromtarget auf ein Trägersubstrat abgeschieden wurde. Die Herstellung erfolgte wie zum Vergleichsbeispiel 1 beschrieben. Nach dem Aufbringen des Widerstandsmaterials wurde der Schichtwiderstand getempert.
Beispiel 1
Es wurden Schichtwiderstände mit NiCr:a-C:H als Widerstandsmaterial mit verschieden Verhältnissen von Chrom zu Nickel hergestellt. Die Herstellung erfolgte mit einem reaktiven Co-Sputter-Prozess, bei dem gleichzeitig ein Nickel-Target und ein Chrom-Target als Quellen für das Dotiermaterial verwendet wurden. Als reaktives Gas und Kohlenstoffquelle wurde Ethen (C₂H₄) verwendet. Die beim Sputter-Prozess verwendeten Parameter sind mit denen des Vergleichsbeispiels 1 vergleichbar, wobei je nach gewünschtem Verhältnis von Chrom zu Nickel die Sputterleistung der jeweiligen Targets angepasst wurde. Auf dem Substrat wurde in dem Prozess eine kohlenstoffhaltige Schicht umfassend Sputtermaterial als Dotiermaterial abgeschieden, wobei sich in der kohlenstoffhaltigen Schicht Cluster ausbilden, die zumindest Teile des Dotiermaterials enthalten. Das über das Dotiermaterial in die kohlenstoffhaltige Schicht eingebrachte Nickel geht dabei im Wesentlichen als Bestandteil in die Cluster ein, während zumindest ein Teil des Chroms mit dem Kohlenstoff der kohlenstoffhaltigen Schicht ein Carbid ausbildet. Nach dem Aufbringen des Widerstandsmaterials wurde der Schichtwiderstand getempert.
Als Trägersubstrat wurde Glas verwendet. Die Eigenschaften der Widerstandsschicht sind nicht vom Trägersubstrat abhängig, so dass auch andere Trägersubstrate wie beispielsweise Edelstahl, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Keramik und Polyimid verwendet werden können.
Beispiel 2:
Untersucht wurden NiCr:a-C:H Proben die durch einen reaktiven Sputter-Prozess hergestellt wurden, bei dem das Dotiermaterial aus einem Legierungstarget mit Nickel und Chrom abgeschieden wurde. Die Parameter für den verwendeten reaktiven Sputterprozess sind mit denen des Vergleichsbeispiels 1 vergleichbar. Nach dem Aufbringen des Widerstandsmaterials wurde der Schichtwiderstand getempert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 Messanordnung zum Bestimmen des intrinsischen Kriechwerts,
2 relative Widerstandsänderung bei konstanter Last,
3 Kriechwert bei konstanter Last,
4 relative Widerstandsänderung mit der Zeit ohne Last, und
5 Driftwert bei konstanter Temperatur ohne Last.
In 1 ist eine Messanordnung zum Bestimmen des intrinsischen Kriechwerts eines Schichtwiderstands 10 dargestellt. Der Schichtwiderstand 10 umfasst ein Trägersubstrat 12, auf dem Widerstandsmaterial 14 abgeschieden wurde. Für die Vornahme von Messungen ist das Widerstandsmaterial 14 des Schichtwiderstands 10 durch teilweises Entfernen des Widerstandsmaterials 14 vom Trägersubstrat 12 strukturiert. Das Widerstandsmaterial 14 ist dabei so strukturiert, dass der Schichtwiderstand 10 einen aktiven Bereich 20 und einen Kontaktbereich 22 aufweist. Der Kontaktbereich 22 umfasst vier elektrische Kontakte 16, über die eine Vierleitermessung des elektrischen Widerstands erfolgt.
Der Schichtwiderstand 10 ist auf einer Unterlage 24 angeordnet, die eine Kante 26 aufweist. An die Kante 26 schließt sich ein Bereich der Unterlage 24 an, der mit dem Krümmungsradius r gekrümmt ist. Der Schichtwiderstand 10 wird so auf einem ebenen Bereich der Unterlage 24 eingespannt, dass ein eingespannter Bereich 22 auf der Unterlage 24 aufliegt und der aktive Bereich 20 über die Kante 26 hinausragt.
Zur Messung des intrinsischen Kriechwerts des Schichtwiderstands 10 wirkt am dem eingespannten Bereich 22 entgegengesetzten Ende des Schichtwiderstands 10 eine konstante Kraft F auf den Schichtwiderstand 10 ein, so dass sich der Schichtwiderstand 10 und insbesondere der aktive Bereich 20 verformt. Aufgrund der Verformung kommt es zu einer unmittelbaren Änderung des elektrischen Widerstands des Schichtwiderstands 10, die über eine Vierleitermessung ermittelt wird. Anschließend wird die einwirkende Kraft F weiter konstant gehalten und die weitere zeitliche Änderung des elektrischen Widerstands gemessen.
Für die im Folgenden gezeigten Messungen des intrinsischen Kriechwerts wurde eine Unterlage 24 mit einem Krümmungsradius r von 1000 mm verwendet. Die Messungen wurden bei einer Umgebungstemperatur von 85°C ausgeführt. Die für die Messungen verwendete Kraft F wurde so gewählt, dass der vorher überstehende Teil des Schichtwiderstands 10 auf dem gekrümmten Abschnitt der Unterlage 24 anliegt. Der Kriechwert (KW) in ppm kann aus der zeitlichen Widerstandsänderungen nach der erfolgten Krümmung des Schichtwiderstands 10 über die Beziehung
erhalten werden. Hierbei ist R_i der Widerstandswert direkt nach der erfolgten Krümmung durch die Einwirkung der Kraft F und ΔR(t) ist die Abweichung des Widerstandswerts von R_i. zur Zeit t.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf des intrinsischen Kriechwerts KW(t) als relative Widerstandsänderung ΔR(t)/R_i bei konstanter Last in ppm für ausgewählte Schichtwiderstände. Der intrinsische Kriechwert wurde mit der zur 1 beschriebenen Anordnung ermittelt. Dabei wurde ausschließlich das intrinsische Kriechen des Schichtwiderstands gebildet aus Trägersubstrat und einer Widerstandsschicht gemessen, der Schichtwiderstand war nicht mit einem elastischen Element verbunden.
In dem Diagramm der 2 sind die Vergleichsbeispiele 1 und 2 als gepunktete Linien eingezeichnet, wobei für das Vergleichsbeispiel 1 mit Nickel als Dotiermaterial der betragsmäßig größte intrinsische Kriechwert erreicht wird. Das intrinsische Kriechen für das zweite Vergleichsbeispiel mit Chrom als Dotiermaterial ist hingegen so gering, dass es nicht messbar ist.
Die Messergebnisse für Schichtwiderstände gemäß dem ersten Beispiel sind als durchgezogene Linien und die Messergebnisse für Schichtwiderstände gemäß dem zweiten Beispiel sind als gestrichelte Linien eingezeichnet. Der Anteil an Chrom in der Mischung aus Chrom und Nickel ist jeweils neben den Kurven angegeben.
Wie dem Diagramm der 2 entnommen werden kann, verlangsamt sich die durch das intrinsische Kriechen verursachte Widerstandsänderung mit der Zeit.
3 zeigt ein Diagramm, in dem der intrinsische Kriechwert KW(t) für verschiedene Schichtwiderstände mit variierendem Anteil von Chrom und Nickel im kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial dargestellt ist. Der intrinsische Kriechwert KW(t) ist auf der Y-Achse aufgetragen und ist dabei für eine Zeitspanne t von 30 Minuten nach dem Aufbringen der Last angegeben. Der intrinsische Kriechwert (KW) wird in ppm nach 30 min angegeben. Auf der X-Achse ist der Chromanteil im Dotiermaterial aufgetragen.
Die erfindungsgemäßen Schichtwiderstände sind als Quadrate und Rauten angegeben, dass Vergleichsbeispiel 1 mit ausschließlich Nickel als Clustermaterial ist als gefüllter Kreis eingetragen und das Vergleichsbeispiel 2 mit ausschließlich Chrom als Dotiermaterial ist als offener Kreis eingezeichnet. Der 3 ist zu entnehmen, dass das Vergleichsbeispiel 1 den betragsmäßig stärksten Kriechwert aufweist. Ebenfalls zu erkennen ist, dass ein Schichtwiderstand mit ausschließlich Chrom als Dotiermaterial gemäß Vergleichsbeispiel 2 einen intrinsischen Kriechwert aufweist, der von dem Wert 0 nicht zu unterscheiden ist. Erfindungsgemäße Schichtwiderstände mit einem Dotiermaterial, welches eine Mischung aus Chrom und Nickel umfasst, weisen einen intrinsischen Kriechwert auf, der vom Betrag her geringer als der des Vergleichsbeispiels 1 ist und sich mit zunehmenden Chromgehalt dem Wert 0 annähert. Durch gezieltes Variieren des Verhältnisses von Chrom zu Nickel kann der intrinsische Kriechwert des Schichtwiderstands zwischen den durch reines Chrom bzw. reines Nickel als Dotiermaterial vorgegebenen Grenzen frei eingestellt werden.
In dem Diagramm der 3 sind für NiCr:a-c:H, zwei Messpunkte nicht als Quadrate, sondern als Rauten eingetragen. Diese Beispiele kennzeichnen Schichtwiderstände mit einem Chromanteil von 10% und 50% nach Gewicht, wobei die Schichtwiderstände gemäß Beispiel 2 hergestellt wurden. Die als Quadrate eingetragenen Schichtwiderstände wurden gemäß Beispiel 1 erhalten.
4 zeigt den zeitlichen Verlauf des intrinsischen Driftwerts als relative Widerstandsänderung ΔR/R_o ohne Last in ppm für ausgewählte Schichtwiderstände. Der Driftwert verhält sich näherungsweise linear mit der Zeit und dessen Veränderung schwächte sich auch nach einer Zeitspanne von etwa 100 Stunden noch nicht wesentlich ab.
Der intrinsische Driftwert DW gibt die Veränderung des elektrischen Widerstands mit der Zeit bei unveränderten Umgebungsbedingungen an und ist hierbei durch die Beziehung
in ppm/h angegeben, wobei R₀ der elektrische Widerstand zur Zeit t = 0, ΔR die Änderung des elektrischen Widerstands und h die vergangene Zeit in Stunden ist. Die Messungen wurden bei einer Temperatur von 85°C durchgeführt.
5 zeigt ein Diagramm, in dem für ausgewählte Schichtwiderstände der intrinsische Driftwert des elektrischen Widerstands ohne Last aufgetragen ist.
In dem Diagramm der 5 ist auf der Y-Achse der intrinsische Driftwert in ppm/h und auf der X-Achse der Anteil an Chrom in Gewichts-% angegeben. Deutlich zu erkennen ist, dass das als gefüllter Kreis eingetragene Vergleichsbeispiel 1, welches kein Chrom im Dotiermaterial umfasst, mit etwa 10 ppm/h den größten Driftwert aufweist. Der Schichtwiderstand weist somit nur eine geringe Stabilität auf und unterliegt bei Alterung großen Veränderungen. Sowohl das Vergleichsbeispiel 2 mit Chrom als auch die erfindungsgemäßen Schichtwiderstände mit einer Mischung aus Chrom und Nickel als Dotiermaterial weisen wesentlich geringere intrinsische Driftwerte auf, wobei für Chrom als Dotiermaterial ein Driftwert von unter 0,1 ppm/h und für die Mischung aus Chrom und Nickel ein Driftwert um 1 ppm/h ermittelt wurde. Bereits eine geringe Zugabe von Chrom führt zu einer deutlichen Reduktion des intrinsischen Driftwerts der erfindungsgemäßen Schichtwiderstände gegenüber dem Schichtwiderstand ohne Chrom gemäß Vergleichsbeispiel 1.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/129930 A1 [0007, 0058]
WO 2009/129930 [0026]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Grange et al., Sens. Actuators, A, 46–47, (1995) 213–217 [0010]
S. Ulig et al. Sensors and Actuators A 193 (2013) 129–135 [0058]

Claims

Schichtwiderstand (10) mit einem kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial (14) auf einem Trägersubstrat (12), wobei in dem kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial (14) elektrisch leitfähige Cluster eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Widerstandsmaterial (14) ein Dotiermaterial umfasst, wobei das Dotiermaterial eine Mischung aus Chrom und einem Metall ausgewählt aus Kobalt, Nickel, Vanadium, Wolfram, Palladium, Eisen, Platin, Kupfer, Silber und Gold umfasst und wobei die elektrisch leitfähigen Cluster zumindest aus Teilen des Dotiermaterials gebildet sind.
Schichtwiderstand (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis von Chrom zu dem ausgewählten Metall zwischen 0.1:99,9 und 50:50 nach Gewicht liegt.
Schichtwiderstand (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis von Chrom zu dem ausgewählten Metall so gewählt ist, das ein Kriechen des elektrischen Widerstands des Schichtwiderstands (10) unter einer mechanischen Last auf einen vorgegebenen negativen Wert eingestellt ist.
Schichtwiderstand (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Chrom des Dotiermaterials zumindest teilweise mit Kohlenstoff aus dem kohlenstoffhaltigem Widerstandsmaterial (14) zu einem Carbid verbunden ist.
Schichtwiderstand (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Kohlenstoff zum Dotiermaterial in dem kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial (14) so gewählt ist, dass der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands des Schichtwiderstands (10) einen vorgegebenen Wert annimmt.
Schichtwiderstand (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Kohlenstoff zum Dotiermaterial im kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial (14) im Bereich von 20:80 bis 80:20 Atom% liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Schichtwiderstands (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei kohlenstoffhaltiges Widerstandsmaterial (14) auf ein Trägersubstrat (12) aufgebracht wird, wobei das Aufbringen in einem reaktiven Sputter-Prozesses mit einem Sputtermaterial unter einer reaktiven Atmosphäre eines kohlenstoffhaltigen Gases durchgeführt wird, so dass das kohlenstoffhaltige Gas dissoziiert wird und eine kohlenstoffhaltige Schicht umfassend das Sputtermaterial als Dotiermaterial auf dem Trägersubstrat (12) abgeschieden wird und wobei das Trägersubstrat (12) während des Durchführens des reaktiven Sputter-Prozesses auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, bei der sich elektrisch leitfähige Cluster ausbilden, die zumindest Teile des Dotiermaterials umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtermaterial eine Mischung aus Chrom und einem Metall ausgewählt aus Kobalt, Nickel, Vanadium, Wolfram, Palladium, Eisen, Platin, Kupfer, Silber und Gold ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Chrom zu dem ausgewählten Metall im Dotiermaterial so eingestellt wird, dass das Verhältnis von Chrom zu dem ausgewählten Metall in dem Widerstandsmaterial (14) zwischen 0,1:99,9 und 50:50 nach Gewicht liegt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass i) das Sputtermaterial in Form eines Targets aus einer Legierung aus dem ausgewählten Metall und Chrom vorliegt, oder ii) das Sputtermaterial in Form von zwei Targets vorliegt, wobei je ein Target für Chrom und eins für das ausgewählte Metall verwendet werden und bei dem reaktiven Sputter-Prozess aus beiden Targets gleichzeitig Sputtermaterial abgeschieden wird, oder iii) das Sputtermaterial in Form von zwei Targets vorliegt, wobei je ein Target für Chrom und eins für das ausgewählte Metall verwendet werden und bei dem reaktiven Sputter-Prozess abwechselnd aus dem ersten und dem zweiten Target Sputtermaterial abgeschieden wird, wobei sich bei einem nachfolgenden Temperaturbehandlung in Vakuum die elektrisch leitfähigen Cluster aus zumindest Teilen des als Dotiermaterial eingebrachten Sputtermaterials ausbilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Trägersubstrats (12) während des reaktiven Sputter-Prozesses zwischen 100°C und 600°C, insbesondere zwischen 150°C und 400°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Gas Ethan, Ethen oder Ethin aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des kohlenstoffhaltigen Gases den Anteil des Dotiermaterials in dem Widerstandsmaterial (14) bestimmt, wobei die Konzentration des kohlenstoffhaltigen Gases so eingestellt wird, dass die Cluster in dem Widerstandsmaterial (14) voneinander durch eine Kohlenstoffschicht getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Dotiermaterials in dem Widerstandsmaterial (14) so gewählt wird, dass sich ein vorgegebener Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands für das Widerstandsmaterial (14) einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (12) ausgewählt ist aus Edelstahl, einer Aluminiumlegierung, einer Titanlegierung, Glas, Keramik, insbesondere Al₂O₃ und ZrO₂ und Polyimid.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines elektrisch leitfähigen Trägersubstrats (12) vor dem Aufbringen des Widerstandsmaterials (14) eine Isolationsschicht auf das Trägersubstrat aufgebracht wird.
Sensorelement umfassend ein elastisches Element und einen mit dem elastischen Element verbundenen Schichtwiderstand (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Sensorelement gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis des ausgewählten Metalls zu Chrom so gewählt ist, dass das Kriechen des mindestens einen Schichtwiderstands (10) bei einer vorgegebenen Last dem Kriechen des elastischen Elements betragsmäßig entspricht und dem Kriechen des elastischen Elements entgegengesetzt ist.
Sensorelement gemäß Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Dotiermaterial zu Kohlenstoff so gewählt ist, dass der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands des Widerstandsmaterials (14) temperaturabhängige extrinsische Fehler des elastischen Elements kompensiert.