DE19954164A1 - Sensor zur Zustandsbestimmung von Kenngrößen an mechanischen Komponenten unter Verwendung von amorphen Kohlenstoffschichten mit piezoresistiven Eigenschaften - Google Patents
Sensor zur Zustandsbestimmung von Kenngrößen an mechanischen Komponenten unter Verwendung von amorphen Kohlenstoffschichten mit piezoresistiven EigenschaftenInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von aktuellen Belastungen, die auf eine Oberfläche einer mechanischen Komponente einwirken, wobei als Sensor eine vorzugsweise mit mindestens einem metallischen und/oder nichtmetallischen Element dotierte amorphe Kohlenwasserstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften eingesetzt wird, die über Kontakte mit einem Messgerät in Verbindung steht; weiter betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von vorzugsweise mit metallischen und/oder nichtmetallischen Elementen dotierten Kohlenstoffschichten mit piezoresistiven Eigenschaften als Sensor für Belastungsmessungen sowie ein Verfahren zur Messung aktueller Belastungen an beanspruchten Oberflächen von mechanischen Komponenten, wobei als Messsensor eine vorzugsweise mit metallischen und/oder nichtmetallischen Elementen dotierte amorphe Kohlenstoffschicht eingesetzt wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein eine Messmethodik zur Be
stimmung von Zustandsgrößen wie Druck, Kraft und mechanische Belastung von
mechanischen Komponenten wie z. B. Maschinenbauteilen und Werkzeugen,
unter Verwendung von amorphen Kohlenstoffschichten mit piezoresistiven
Eigenschaften.
Die Kenntnis und Beobachtung des aktuellen Zustandes von beanspruchten oder
belasteten Oberflächen von Bauteilen oder Werkzeugen ist für die Steuerung
und Optimierung von Verarbeitungsprozessen von maßgeblicher Bedeutung.
Es besteht daher ein Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren mit denen wirt
schaftlich auf einfache Art und Weise die interessierenden Kenngrößen (Druck,
Krafteinwirkung etc.) möglichst direkt am Ort der Entstehung/Einwirkung und im
Fall von Maschinen möglichst im Betrieb zuverlässig und reproduzierbar
gemessen werden können.
Um den starken Kräften widerstehen zu können, die an den Arbeitsflächen von
Werkzeugen oder an den belasteten Oberflächen von Maschinenbauteilen
auftreten Können, müssen derartige Messvorrichtungen zur Bestimmung der
aktuellen Zustandsgrößen ausreichend verschleißfest sein. Je nach Anwendung
z. B. in Reibpaarungen sollten sie gleichzeitig zu den elektrischen Funktionen
einen geringen Reibungswiderstand aufweisen.
In der EP 0 685 297 und WO 87/04236 werden Sensoren zur Bestimmung von
Zustandsgrößen direkt an der Verschleißfläche von Werkzeugen für die Umform-
und Zerspantechnik, d. h. an der Schneidkante bzw. Spanfläche, und an den
Arbeitsflächen von den unterschiedlichsten Maschinenbauteilen beschrieben,
wobei mit Dünnschichttechniken und mittels lithographischer Methoden an den
interessierenden Stellen der Bauteile Leiterbahnen und Schaltkreise zur
Bestimmung der je nach Bauteiltyp interessierenden Größen, hier insbesondere
Verschleiß und Temperatur, aufgebracht sind. Die dort beschriebenen Sensoren
ermöglichen zwar die direkte Messung der Zustandsgrößen am Ort der
Entstehung bzw. auch im Betrieb des betreffenden Maschinenbauteils, jedoch
erfordert die Herstellung der Leiterbahnen und Schaltkreise einen mehrstufigen
Arbeitsvorgang. Darüber hinaus müssen sie durch Schutzschichten vor
Verschleiß und den auftretenden starken Kräften geschützt werden. Dies gilt
insbesondere für Anwendungen, bei denen die abrasiven oder adhäsiven
Belastungen des Materials hoch sind, wie z. B. an den Arbeitsflächen von
Werkzeugen.
Ein weiteres Beispiel für mechanische Komponenten, für die die Bestimmungen
von Zustandsgrößen für die Arbeitsvereinfachung von Bedeutung ist, sind Ver
bindungselemente, wie Schrauben, Nieten, Muttern, oder Unterlegscheiben etc.
Interessierende Zustandsgrößen sind hier z. B. die Vorspannkraft zum Einstellen
der richtigen Schraubenvorspannung oder die Anpresskraft zur Feststellung, ob
das Verbindungselement ausreichend fest sitzt bzw. ob es sich gelockert hat.
So wird in der DE 44 19 009 eine Messeinrichtung zum Messen der Vorspann
kraft einer Verschraubung beschrieben, wobei eine Unterlegscheibe derart aus
gestaltet ist, dass sie neben dem zentralen Schraubenloch eine radiale oder se
kanten ähnliche Bohrung aufweist, wobei die lastabhängige Verformung dieser
zweiten Bohrung kapazitiv gemessen wird. Für eine korrekte Messung kommt es
hierbei entscheidend auf eine exakt vorgegebene zweite Bohrung an.
In der Vorrichtung gemäß der DE 69 31 1479 erfolgt die Messung der Anpress
kraft über die Biegung eines auf dem Verbindungselement befestigten Kraftauf
nehmers, der sich bei einem Anziehvorgang reproduzierbar in Abhängigkeit der
ausgeübten Kraft verformt.
Es bestand ein Bedürfnis nach einer Messmethodik zur Bestimmung von Zu
standsgrößen, insbesondere der Krafteinwirkung und dem Druck, mit der aktuell
der jeweilige Zustand der interessierenden Fläche einer beliebigen
mechanischen Komponente gemessen werden kann, die zudem
verschleißbeständig ist, geringe Gleitreibungskoeffizienten aufweist sowie uni
versal ohne große Abänderungen für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle
angepasst und eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Messmethodik gelöst, die als
Sensor amorphe Kohlenstoffschichten mit piezoresistiven Eigenschaften
einsetzt.
Im Sinne der Erfindung können "amorphe Kohlenstoffschichten" Kohlenstoff
schichten ohne Wasserstoff sein, sogenannte i-Carbon (i-C)-Schichten, oder
auch Kohlenwasserstoffschichten, sogenannte a-C:H-Schichten bzw.
DLC-Schichten (Diamant-like-Carbon), mit oder ohne weiteren metallischen
und/oder nichtmetallischen Dotierungselementen.
Sogenannte Hartstoffschichten aus amorphen Kohlenwasserstoff, abgekürzt
a-C:H-Schichten oder auch DLC-Schichten (Diamant-Like-Carbon) bezeichnet,
sind an sich bekannt und vielfältig in der Literatur beschrieben (z. B. R. E.
Clausing et. al. "Diamant and Diamant-Like Films and coatings", Plenum Press,
New York, 1991). Sie zeichnen sich insbesondere durch hohe Härte, Verschleiß
beständigkeit und niedrige Reibwerte aus und werden daher vielfach als
Verschleißschutzschichten eingesetzt.
Es ist weiter bekannt, dass sich die Eigenschaften dieser Schichten, wie das
Abnutzungs- bzw. Adhäsionsverhalten oder auch die Reibwerte durch Zusatz
von weiteren Elementen beeinflussen lassen und definiert für den jeweiligen
Anwendungsfall eingestellt werden können.
So wird in der EP-0-A 087 836 vorgeschlagen, diesen Schichten metallische
Elemente zuzusetzen, um den nachteiligen Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit
auf die Reibwerte zu vermindern.
Vollkommen überraschend und unerwartet wurde gefunden, dass sich amorphe
diamantähnliche Kohlenstoffschichten, insbesondere wenn sie zusätzlich
metallische und/oder nichtmetallische Elemente enthalten, ähnlich verhalten wie
piezoresistive Materialien und bei Belastung, z. B. durch Druck, eine messbare
Änderung des elektrischen Widerstandes zeigen. Obwohl derartige Kohlen
stoffschichten vielfach Anwendung finden als Verschleißschutzschichten, ist die
Beobachtung der piezoresistiven Eigenschaften vollkommen neu und noch
nirgends vorbeschrieben. Mit den piezoresistiven Eigenschaften eröffnen sich für
derartige Kohlenstoffschichten vielfältige weitere Anwendungsgebiete, insbe
sondere auf dem Gebiet der Sensorik.
Mit Hilfe der piezoresistiven Eigenschaften können diese Kohlenstoffschichten
unmittelbar als Sensor zur Bestimmung von aktuellen Zustandsgrößen, wie
Druck oder Krafteinwirkung, von mit diesen Schichten beschichteten mecha
nischen Komponenten, wie z. B. den vorstehend beschriebenen Maschinenbau
teilen, Werkzeugen oder Verbindungselementen, dienen, ohne dass weitere
Maßnahmen erforderlich sind.
Da diese Schichten auch auf Oberflächen mit den unterschiedlichsten Geo
metrien aufgebracht werden können, können sie universal für die unterschied
lichsten mechanischen Komponenten und insbesondere auch mit komplizierten
Oberflächenstrukturen, wie Ecken oder Kanten, eingesetzt werden.
Durch den Einsatz von Kohlenstoffschichten mit piezoresistiven Eigenschaften
können Sensoren zur Bestimmung von aktuellen Zustandsgrößen von bean
spruchten Oberflächen geschaffen werden, die ohne besondere Herstellungs-
oder Anpassungsmaßnahmen universal einsetzbar sind. Mit derartigen Sensoren
ist die direkte Messung auch an punktuell begrenzten Flächen selbst bei groß
flächigen Anwendungen möglich, und es können lokale Aussagen über den
aktuellen Zustand - auch von lokal begrenzten - Messflächen erhalten werden.
Durch die Ausnutzung der piezoresistiven Eigenschaften dieser Schichten kann
eine vollkommen neuartige integrale Sensorik geschaffen werden.
Anders als bei den bekannten piezoresistiven Materialien können bei diesen
Kohlenstoffschichten das Widerstandsniveau und die Druck-Widerstands
kennlinien in Abhängigkeit von der Art und der Menge an eingebauten
Dotierungselementen, vorzugsweise Metallatomen, definiert eingestellt werden.
So weisen beispielsweise metallfreie DLC-Schichten spezifische Widerstände
von mehr als 1012 Ω × cm auf, durch den Einbau von zum Beispiel metallischen
Zusatzelementen lässt sich der Widerstand jedoch erniedrigen und kann einen
Wert in der Größenordnung von etwa 10-4 Ω × cm annehmen.
Die erfindungsgemäß als Sensor eingesetzten Kohlenstoffschichten können
mittels der bekannten Chemical- oder Physical-Vapor-Deposition-Techniken
erhalten werden, wie sie vielfach in der Literatur beschrieben werden (beispiels
weise ist in der EP-B-0 087 836 ein derartiges Verfahren zur Herstellung von
metallhaltigen amorphen Kohlenwasserstoffschichten im Detail erläutert).
Typische Schichtdicken für die als Sensor einzusetzenden Kohlenstoffschichten
liegen in einem Bereich von 10 n-500 µm, vorzugsweise von 10 nm bis
20 µm. Es versteht sich, dass die Schichtdicke je nach dem konkreten Anwen
dungsfall frei wählbar ist.
Prinzipiell können alle metallischen oder nichtmetallischen Elemente des Peri
odensystems für den Einbau in die Kohlenstoffschichten eingesetzt werden, das
heißt als Dotierungselemente, solange die erhaltenen Schichten piezoresistives
Verhalten aufweisen. Besonders geeignete Beispiele sind Si, Ti, W, Cr, Ta, Nb,
V, Zr, Hf, Mo, Pd, Ni, Co, Pb, Cu, Al sowie Edelmetalle wie Au, Ag, Pt, Ru, wobei
Si, Ti, W und Cr besonders bevorzugt sind. Für die vorliegende Erfindung
umfasst der Begriff "metallisches Element" auch Elemente, die den Halbmetallen
zuzurechnen sind.
Beispiele für nichtmetallische Dotierungselemente sind Sauerstoff, Stickstoff,
Argon, Fluor und Wasserstoff. Die Elemente können in die Schicht als Einzel
atome, Cluster oder aber auch Dotierungs Carbide eingebaut werden.
Durch die Wahl der Art der eingebauten Elemente und deren Konzentration lässt
sich der spezifische Widerstand der damit erhaltenen Schicht in weiten Grenzen
frei einstellen, so dass je nach gewünschter Anwendung das Widerstandsniveau
und die Druck-Widerstandskennlinie definiert eingestellt werden kann. Es lassen
sich somit piezoresistive Schichten mit einstellbaren elektrischen Eigenschaften
erhalten.
Hierbei wird das metallische Dotierungselement im Allgemeinen in Form von
sogenannten Nanopartikeln, die in der Regel eine Größe von 5 bis 500 nm
aufweisen, in die amorphe Kohlenstoffmatrix eingelagert, wobei die Abstände
zwischen den Nanopartikeln in etwa die gleiche Größenordnung aufweisen. Es
wird angenommen, dass die Stromführung über diese eingelagerten Partikel
erfolgt. Überraschenderweise wurde nunmehr erfindungsgemäß gefunden, dass
der Widerstand dieser Schichten von der äußeren Belastung wie Druckbelastung
oder Deformation durch Dehnung abhängig ist.
Diese Eigenschaft beschränkt sich nicht auf die dotierungselementhaltigen
metallhaltigen Kohlenstoffschichten sondern tritt auch in reinen amorphen
Kohlenstoffschichten ohne Dotierungselemente auf. Es wird angenommen, dass
in diesem Fall die piezoresistiven Eigenschaften auf die Ausbildung von Inseln
mit überwiegenden sp2-Charakter, d. h. mit graphitähnlichen Bindungsverhält
nissen, in einer Kohlenstoffmatrix mit sp3-Charakter, d. h. diamantähnlichen
Bindungsverhältnissen, bewirkt wird.
Beispielsweise kann die erfindungsgemäß eingesetzte Kohlenstoffschicht
Kohlenstoff in einem Anteil von 20-99,9 at-%, vorzugsweise 20-95 at-%,
Wasserstoff in einem Anteil von 0,1-35 at-%, vorzugsweise 5-35 at-% und
Dotierungselemente zum Beispiel in einem Anteil von 0,01-35 at-%,
vorzugsweise 1-45 at-% enthalten.
Selbstverständlich können die vorstehend genannten Anteile je nach den
speziellen Anforderungen des konkreten Anwendungsfalles nach oben oder
unten variiert werden.
Erfindungsgemäß kann die Kohlenstoffschicht ein Mehrschichtsystem mit unter
schiedlicher Zusammensetzung hinsichtlich der Art und/oder Konzentration der
Komponenten sein. Sie kann als Gradientenschicht ausgebildet sein, deren
Aufbau über die Schichtdicke variiert.
Die konkrete Ausgestaltung der erfindungsgemäß eingesetzten Kohlenstoff
schicht unterliegt keinen besonderen Beschränkungen und kann entsprechend
den Erfordernissen des konkreten Anwendungsfalls erfolgen.
Falls erforderlich, können zusätzlich weitere Schichten, wie z. B. elektrisch iso
lierende Schutzschichten, Schichten zur Haftverbesserung oder Schichten zur
elektrischen Kontaktierung vorgesehen werden.
Als isolierende Schicht eigenen sich zum Beispiel auch nichtleitende
a:C-H-Schichten, die zur Erhöhung des Widerstandes mit Sauerstoff und Silizium
dotiert sind.
Ein Beispiel dafür ist eine a:C-H-Schicht, die zusätzlich Silizium und ggf. Sauer
stoff enthält. Zur Herstellung dieser Schichten können dem Prozessgas ge
eignete Vorläufermaterialien wie z. B. Hexamethyldisiloxan zugesetzt werden.
Schichten zur elektrischen Kontaktierung können aus dafür üblichen Metallen
oder Hartstoffen bestehen.
Je nach gewünschtem Anwendungsfall können diese zusätzlichen Schichten im
gleichen Prozess vor oder im Anschluss an die Ausbildung der Kohlenstoff
schicht mit piezoresistiven Eigenschaften auf das jeweilige Substrat aufgebracht
werden.
Die einzelnen Schichten können als diskrete Schichten ausgebildet sein, wobei
jede Schicht für sich eine homogene Zusammensetzung über die jeweilige
Schichtdicke aufweisen und verschiedene Schichten eine unterschiedliche Zu
sammensetzung im Hinblick auf die Art der Komponenten und die Kompo
nentenmenge besitzen können.
Die Schichten können auch als Gradientenschichten ausgebildet sein, wobei
innerhalb einer Schicht die Art der Komponenten und/oder deren Anteil über die
Schichtdicke variiert. Je nach Anwendungsfall lässt sich die Ausgestaltung der
Schicht/Schichten bzw. des Schichtsystems frei gestalten. Beispiele für mögliche
weitere Schichten und die Ausgestaltung von Schichtsystemen finden sich in der
vorstehend benannten EP-A-0 685 297, auf die hierfür voll Bezug genommen
wird.
In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausgestaltung besteht das auf das je
weilige Substrat aufgebrachte Schichtsystem aus sandwichartigen Mehrfach
schichten zur gezielten Einstellung elektrischer und mechanischer Eigen
schaften. Dabei können in vorteilhafter Weise Schichten mit unterschiedlichen
Dotierstoffen und Konzentrationen verwendet werden.
Wie bereits vorstehend erwähnt, können die erfindungsgemäß eingesetzten
Kohlenstoffschichten (i-C:H, a-C:H, Me-C:H) mittels der herkömmlichen
PVD-oder CVD-Verfahren oder auch durch Kombination beider Verfahren
erhalten werden. Hierbei wird für die Herstellung der entsprechenden Schichten
das Dotierungselement oder die jeweiligen Elemente über Verdampfung oder
Zerstäubung eines Festkörpers oder über elementhaltige Gase zugeführt.
Die Herstellung der Schichten bzw. Mehrschichtsysteme kann z. B. in einer
handelsüblichen Mehrtagessputteranlage erfolgen oder in sogenannten Durch
laufanlagen.
Anwendungen für die Erfindung ergeben sich überall dort, wo eine Messung der
Bauteilbelastung von Interesse ist und hohe Anforderungen an die Verschleiß
beständigkeit, Anti-Haft-Eigenschaft und an den geringen Reibwert der Oberfläche
gestellt werden. Beispiele hierfür sind Umform- und Zerspanwerkzeuge,
Schneid- und Stanzwerkzeuge, Form- und Presswerkzeuge, Gleit- und Kugel
lagerungen, Rollenlager sowie Führungen.
Von Vorteil für den Einsatz als Sensor ist zudem, dass die Größe des Wider
stands vom Messstrom abhängig ist. Durch diesen Effekt ist eine gezielte dy
namische Anpassung der Sensorempfindlichkeit in einem großen Bereich durch
entsprechende Nachführung der Stromdichte möglich.
Durch Laserbehandlung lassen sich zudem die Druck-/Spannungskennlinien der
Sensorschicht punktuell gezielt einstellen, so dass lokal verschiedene Leitfähig
keiten erhalten werden können.
Für den Einsatz als Sensor werden die Kohlenwasserstoffschichten mit piezo
resistiven Eigenschaften auf in der Sensorik übliche Weise mit elektrischen
Kontakten versehen und mit entsprechenden Signalverarbeitungs- bzw. Aus
wertungsschaltungen versehen.
In Kombination mit der erfindungsgemäß als Sensor eingesetzten Kohlen
wasserstoffschicht können selbstverständlich weitere Sensoren in die betreffen
den mechanischen Bauteile integriert sein, die direkt als Schicht ausgebildet sind
oder auf andere Weise an dem mechanischen Bauteil vorgesehen werden, so
dass eine Vielzahl von Zustandsgrößen erfasst werden kann.
So können Temperatursensoren vorgesehen werden, die eine thermische Stabi
lisierung ermöglichen. Der Einsatz von Temperatursensoren ist auch sinnvoll, um
den Temperatureinfluss auf die erhaltenen Messwerte berücksichtigen und ent
sprechend herausrechnen zu können.
Beispielsweise kann der der erfindungsgemäßen Schicht inhärente Temperatur
gang für die Temperaturmessung herangezogen werden. Hierbei erfolgt die
Temperaturmessung an Stellen, die von Kraft- und Druckeinwirkungen unbe
lastet sind.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand von Figuren
näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 die Widerstandsänderung von mit verschiedenen metal
lischen Elementen dotierten Kohlenwasserstoffschichten in
Abhängigkeit von der einwirkenden Kraft,
Fig. 4 die Widerstandsänderung von harten amorphen Kohlen
wasserstoffschichten ohne Dotierung,
Fig. 5 bis 14 verschiedene konkrete Anwendungen für den erfindungs
gemäßen Sensor.
Die Diagramme in den Fig. 1 bis 4 zeigen deutlich die Änderung des Wider
stands von verschieden dotierten bzw. undotierten Kohlenwasserstoffschichten
in Abhängigkeit von der Kraft, die auf diese Schichten einwirkt.
In den Fig. 1 bis 4 wurden die Messungen mit einem zylindrischen
Kontaktstempel mit einer ebenen Kontaktfläche durchgeführt, der einen Durch
messer von 1 nm besaß.
Fig. 1 bis 2 zeigen die Widerstandsänderung bei Krafteinwirkung von harten
amorphen Kohlenwasserstoffschichten mit Au-Nanokristallen, wobei in
Fig. 1: Au 43 at-%, C 54 at-% sowie weitere Dotierungselemente 3 at-%, und in
Fig. 2: Au 30 at-%, C 68 at-% sowie weitere Dotierungselemente 2 at-%. Je
nach Herstellungsverfahren enthalten diese Schichten bis zu 30 at-% Wasser
stoff, der bei den vorstehenden Angaben über die Schichtzusammensetzung
nicht berücksichtigt worden ist. Als Substrat wurde 100Cr6 eingesetzt.
Die Herstellung der Schichten erfolgte in einer Diodensputteranlage mit 150 mm
Durchmesser belegt mit einem Au-Target (Gas: Ar 46 sccm/min;
C2H2 4 sccm/min; Targetleistung 500 W, 13,5 Mhz).
In Fig. 3 ist die Widerstandsänderung bei Krafteinwirkung von harten amor
phen Kohlenwasserstoffschichten mit W bzw. WC-Nanokristallen gezeigt mit
W 10 at-%, C 88 at-%, andere Dotierungselemente 2 at-%. Die Schichten
enthalten je nach Herstellungsverfahren bis zu 30 at-% Wasserstoff, der bei den
vorstehenden Angaben über die Schichtzusammensetzung nicht berücksichtigt
worden ist. Als Substrat wurde 100Cr6 eingesetzt, die Schichtdicke ist 2,2 µm.
Die Herstellung erfolgte in einer Magnetron-Sputteranlage mit 2 W-Targets von
je 800 × 190 mm2 (Gas: Ar 390 sccm/min. C2H2 250 sccm/min; Targetleistung
2 × 6000 W, DC-Betrieb, Substratbias 100 V).
In Fig. 4 ist die Widerstandsänderung von harten amorphen Kohlenwasser
stoffschichten ohne Metalldotierung gezeigt. Die Schichtdicke beträgt 2 µm. Als
Substrat wurde 100Cr6 verwendet. Die Herstellungsbedingungen waren wie
folgt: CVD-Sputteranlage mit Vertikalelektrode 200 × 150 mm2;
Gas: Ar 70 sccm/min, C2H2 20 sccm/min. Leistung: 500 W, 13,5 Mhz.
In den Fig. 5 bis 14 sind konkrete Anwendungsformen der erfindungsgemäß
eingesetzten Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften zur Messung
von aktuellen Zustandsgrößen gezeigt.
In Fig. 5 ist die Anwendung der erfindungsgemäß als Sensor eingesetzten
Schicht in einem Presswerkzeug dargestellt, das aus einem unteren Press
stempel 3 besteht, der mit der erfindungsgemäßen Messschicht 2 beschichtet ist,
und einem Gegenkörper 4. Der zu pressende Werkstoff, zum Beispiel ein Blech,
wird zwischen den Gegenkörper 4 und dem Stempel 3 eingeführt. Diese Anord
nung erlaubt die Messung der aktuellen Kraft, die im Bereich der Kontaktfläche
auf den Werkstoff einwirkt.
Fig. 6 zeigt eine ähnliche Anwendungsform wie Fig. 5, jedoch mit verän
dertem Schichtaufbau auf dem Presswerkzeug, wodurch definierte lokale
Messungen in gewünschten Zonen des Werkzeugs durchführbar sind.
Das Werkzeug wird hierbei zunächst mit einer dünnen und vorzugsweise
mechanisch belastbaren isolierenden Schicht 6 beschichtet, wobei durch
Aufbringung einer mechanischen Maske oder durch eine nachfolgend durchge
führte Strukturierung eine definierte Öffnung als Beobachtungsfenster 7 in der
isolierenden Schicht 6 erzeugt wird. Die piezoresistivartige Messschicht 2 wird
dann über die isolierende Schicht 6 gelegt. Das Beobachtungsfenster 7 erlaubt
lokale Messungen in definierten Zonen.
Fig. 7 zeigt wie Fig. 6 und 5 ein Presswerkzeug, wobei jedoch aus dem
Pressstempel 3 isoliert Kontakte 8 herausgeführt sind. Auch hier erfolgt zunächst
der Aufbau einer isolierenden Schicht 6 mit Beobachtungsfenstern 7 und dann
Beschichtung mit der erfindungsgemäß eingesetzten Messschicht 2. Die
Kontakte 8 sind ebenfalls von einer Isolationsschicht 9 umgeben. Diese Ausfüh
rungsform erlaubt die Anwendung einer Messmatrix mit Beobachtungsfenstern 7
als lokal definierten Messpunkten. Die Richtung der Krafteinwirkung ist durch die
Pfeile K angedeutet.
Fig. 8 zeigt ein Rollenlaufwerk, wie es zum Beispiel in der Druckindustrie
angewendet wird, mit einer Hauptrolle 10 und mehreren Andruckrollen 11. Die
Messung der Andruckkraft wird realisiert, indem zumindest eine der Rollen mit
der erfindungsgemäßen Schicht 2 versehen wird, hier die Hauptrolle 10, und der
Widerstand entsprechend der eingezeichneten Schaltung bestimmt wird. Wie in
der Figur angedeutet, können auch die Andruckrollen 11 (hier die Andruck
rolle 11 links oben) bei Bedarf zugleich mit der Hauptrolle 10 oder für sich mit
einer erfindungsgemäß eingesetzten Messschicht 2 versehen sein.
In Fig. 9 ist schematisch ein Zahnrad 12 dargestellt, das mit der erfindungs
gemäß eingesetzten Messschicht 2 versehen ist. Hier erfüllt die Messschicht 2
neben den tribologischen Funktionen auch die Bestimmung von Kräften im
Zahnflankenbereich, die mit anderen Techniken bisher nicht zugänglich sind.
In Fig. 10 ist eine Welle 13 gezeigt, die mit einem Schichtsystem als erfin
dungsgemäß eingesetzter Messschicht 2 versehen ist. Dabei soll die von einzel
nen Kugeln oder Rollen 14 eines Lagers ausgeübte Kraft mit Hilfe der Mess
schicht 2 während des Betriebs kontinuierlich gemessen werden.
Anhand dieses konkreten Beispiels soll eine weitere Anwendungsform der erfin
dungsgemäß als Messschicht 2 eingesetzten Kohlenstoffschicht als Sensor zur
lokalen Messung von Kraft oder anderen Zustandsgrößen an ansonsten nicht
zugänglichen Stellen veranschaulicht werden.
Die kontinuierliche Messung in den nicht zugänglichen Lagern wird ermöglicht,
indem die Welle 13 zunächst mit einer hochohmigen DLC-Schicht beschichtet
wird.
Dabei wird ein CVD-Sputterprozess so geführt, dass zunächst nur die Substrat
elektrode - an der die Welle 13 befestigt ist - mit einem HF-Plasma bedient wird.
Dabei wird neben Argon auch C2H2 und HMDSO (Hexamethyldisiloxan) in die
Prozesskammer eingeleitet. Nach der Abscheidung von einer 2 µm dicken
DLC-Schicht wird der Prozess modifiziert, indem neben der Substratelektrode
auch die Targetelektrode mit einem HF-Plasma beaufschlagt wird. Die Target
elektrode kann zum Beispiel aus Wolfram bestehen. In einer bevorzugten
Ausführung des Prozesses wird in einem ersten Schritt nur Argon eingeleitet und
das Wolframtarget gegen einen Shutter von Kontaminationen gereinigt.
In dieser Phase liegt am Substrat ein Biaspotential an, das zu einem geringen
Ätzvorgang führt.
In einer zweiten Phase wird der Shutter geöffnet und eine Zwischenschicht aus
Wolfram mit einer Dicke von ca. 50 nm abgeschieden. Eine weitere Phase dient
der Erzeugung einer Gradientenschicht aus Me:CH. Hierzu wird ein kontinuierlich
steigender Anteil von C2H2 zu dem Argon-Sputtergas hinzugegeben. Diese
Zwischenschicht hat eine Dicke von ca. 300 nm. Nach Erreichen des Enddruckes
wird der C2H2-Fluss konstant gehalten und eine ca. 1 µm dicke W:CH-Schicht
abgeschieden, die ca. 30 at-% W enthält.
Diese Schicht wird, wie in Fig. 10 durch das Bezugszeichen 15 angedeutet,
strukturiert. Dabei können bekannte photolithographische oder laserbasierende
Strukturierungsverfahren zum Einsatz kommen. Dabei werden definierte
Messzonen als Beobachtungsfenster 7 und Leiterbahnen einschließlich geeig
neter Kontaktflächen 8 für zum Beispiel eine vom Messort entfernt angeordnete
Schleifkontaktanordnung hergestellt.
Der nächste Schritt dient dem Aufbau einer isolierenden Schicht 6 auf der struk
turierten Unterlage. Hierzu wird zum Beispiel eine mechanische Stencilmaske
verwendet, die die Oberfläche der Welle 13 mit Ausnahme der Messzonen und
der Schleifkontaktflächen abdeckt. Es wird dann eine hochohmige Schicht von
ca. 1,5 µm Dicke nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren aufgebracht.
Anschließend wird die mechanische Maske entfernt.
Der weitere Schichtaufbau erfolgt, indem die Welle 13 erneut zum Beispiel in die
CVD-Sputteranlage eingebaut wird. Nun erfolgt die Abscheidung einer
DLC-Schicht nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren. Die Dicke dieser
Schicht beträgt ca. 2 µm. Anstelle der DLC-Schicht kann auch eine
Me:CH-Schicht auf die strukturierte W:CH-Schicht aufgebracht werden. Dabei
muss der spezifische Widerstand der Schicht, der über den Me-Anteil gesteuert
wird, höher sein, als der der strukturierten Unterlage. Vorteilhafterweise wird hier
dann eine W:CH-Schicht mit einem W-Anteil von etwa 5 at-% eingesetzt.
Anstelle von Wolfram können auch andere Elemente Me für die Me:CH-Schicht
verwendet werden, zum Beispiel Ti:CH, Ta:CH, Nb:CH etc..
Wie vorstehend bereits erwähnt, zeigt diese Ausführungsform die lokale
Messung von Zustandsgrößen, hier der Kraft, in nicht zugänglichen Lagern.
In Fig. 11 zeigt die obere Abbildung den Aufbau des Schichtsystems gemäß
Fig. 10 und die untere Abbildung eine schematische Gesamtansicht des in
Fig. 10 dargestellten Lagers mit Welle 13, Kugeln/Rollen 14 sowie der Struktu
rierung 15 für zum Beispiel Kontakte 8 und Leiterbahnen.
Der Ausschnitt gemäß der oberen Abbildung in Fig. 11 zeigt hierbei die
Welle 13, auf der eine hochohmige Schicht 16 nach dem vorstehend
beschriebenen Verfahren abgeschieden ist. Darauf befindet sich eine struktu
rierte niederohmige Me:CH-Schicht 17 mit Strukturen für zum Beispiel Kontakte
und Leiterbahnen sowie eine hochohmige Schicht 18 analog der hochohmigen
Schicht 17 und als Messschicht 2 eine DLC- oder Me:CH-Schicht.
In Fig. 12 ist als weitere Anwendungsmöglichkeit der vorliegenden Erfindung
eine Unterlegscheibe 19 gezeigt, die mit der erfindungsgemäß als Sensor einge
setzten Messschicht 2 versehen wurde, und die zur Messung und Kontrolle von
kraftschlüssigen Verbindungen eingesetzt werden kann. Die hier gezeigte isolie
rende Schicht 6 kann zum Beispiel eine Si-O-DLC- oder Al2O3-Schicht sein. Als
Messschicht 2 kann wiederum eine DLC- oder Me:CH-Schicht eingesetzt
werden.
Fig. 13 zeigt als weitere Anwendungsform einen Schraubenkopf 20, der mit der
erfindungsgemäß eingesetzten Messschicht 2 sowie einer isolierenden Schicht 6
versehen ist.
In Fig. 14 ist die Anwendung der erfindungsgemäß als Messschicht 2 einge
setzten amorphen Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften in einem
Drehmeisel zur Messung der Zerspankraft gezeigt. Hier wird eine Unterleg
platte 22 (Unterlage) mit der Messschicht 2 beschichtet. Die Messschicht 2 kann
ganzflächig oder in einer vorteilhaften Ausführung auch nur in einem oder meh
reren separat kontaktierbaren Bereichen aufgebracht werden.
Der Drehmeisel ist mit einer Wenderschneidplatte 21, einer isolierenden kera
mischen Platte 23 sowie einer isolierenden Schicht 6 ausgestattet.
Wie vorstehend anhand zahlreicher Beispiele gezeigt, kann die erfindungs
gemäß als Sensor zur Bestimmung von Zustandsgrößen wie Kraft oder Druck
eingesetzte amorphe Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften varia
bel eingesetzt werden und auf einfache Art und Weise an die jeweiligen Anforderungen
der jeweiligen Ausführungsformen angepasst werden. Dabei kann die
Schicht als einzelne Schicht oder auch als beliebig ausgestaltetes Schichtsystem
zum Einsatz kommen. Über die Art und Anzahl der Dotierungselemente können
die jeweiligen Eigenschaften der Schicht bzw. des Schichtsystems beliebig
variiert werden.
1
mechanische Komponente
2
Messschicht (Sensor)
3
Stempel
4
Gegenkörper
5
Schaltkreis
6
isolierende Schicht
7
Beobachtungsfenster
8
Kontakt
9
Isolationsschicht für Kontakt
10
Hauptrolle
11
Andruckrolle
12
Ausschnitt eines Zahnrades
13
Welle
14
Kugel/Rolle
15
Strukturierung
16
hochohmige Schicht
17
niederohmige Schicht mit Strukturierung für zum Beispiel Kontakte und
Leiterbahnen
18
hochohmige Schicht
19
Unterlegscheibe
20
Schraubenkopf
21
Wenderschneidplatte
22
Unterlage (hier Unterlegplatte)
23
Isolierte keramische Platte
Claims (17)
1. Verwendung einer amorphen Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven
Eigenschaften als Sensor (2) zur Messung von aktuellen Zustandsgrößen an
beanspruchten Oberflächen von mechanischen Komponenten (1).
2. Verwendung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Zustandsgrößen die Kraft, die auf die Oberfläche einwirkt, und/oder
der Druck gemessen werden.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die amorphe Kohlenstoffschicht graphitische Strukturen mit
sp2-Hybridisierung in Kombination mit diamantähnlichen Strukturen mit
sp3-Hybridisierung aufweist.
4. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die amorphe Kohlenrstoffschicht mit mindestens einem metallischen
und/oder nicht metallischen Element dotiert ist.
5. Verwendung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das mindestens eine Element ausgewählt ist unter Si, Ti, W, Cr, Ta,
Nb, V, Zr, Hf, Mo, Pb, Cu, Al, Au, Ag, Pt, Ru, Pd, Ni, Co, Sauerstoff,
Stickstoff, Ar, F, Wasserstoff oder Kombinationen davon, insbesondere unter
Si, Ti, W und Cr.
6. Verwendung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das mindestens eine Element in der amorphen Kohlenstoffschicht in
einer Menge von 0,01 bis 47 at-%, vorzugsweise 1 bis 45 at-%, enthalten ist.
7. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die amorphe Kohlenstoffschicht als verschleißfester Drucksensor auf
Werkzeugen und tribologisch beanspruchten Bauteilen aufgebracht ist.
8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die amorphe Kohlenstoffschicht als anti-adhäsiver Drucksensor auf
Werkzeugen und Bauteilen aufgebracht ist.
9. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die amorphe Kohlenstoffschicht in Verbindung mit weiteren Funk
tionsschichten eingesetzt wird.
10. Verwendung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die amorphe Kohlenstoffschicht integraler Schichtbestandteil in einem
Mehrschichtsystem ist.
11. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zusammensetzung einer oder mehrerer Schichten in Bezug auf die
schichtaufbauenden Komponenten und/oder die Konzentration einzelner
schichtaufbauender Komponenten über die Schichtdicke variiert.
12. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die amorphe Kohlenstoffschicht als Mehrlagenschichtsystem aufgebaut
ist.
13. Verfahren zur Messung von aktuellen Zustandsgrößen an beanspruchten
Oberflächen von mechanischen Komponenten,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Sensor eine Messschicht (2) aus amorphen Kohlenstoff mit
piezoresistiven Eigenschaften gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 einge
setzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druck/Widerstandskennlinie und/oder das Widerstandsniveau der
amorphen Kohlenstoffschicht in Abhängigkeit von dem Gehalt und der Art
des mindestens einen metallischen undoder nicht metallischen Elements
eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch zusätzliche thermoresistive Messung mit einem Thermosensor
eine thermische Stabilisierung erfolgt.
16. Sensoranordnung zur Messung von aktuellen Zustandsgrößen von bean
spruchten Oberflächen von mechanischen Komponenten (1),
dadurch gekennzeichnet,
dass als Sensor (2) eine amorphe Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven
Eigenschaften gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 eingesetzt wird, wobei
die amorphe Kohlenstoffschicht über elektrische Kontakte (8) mit einer
Messeinrichtung verbunden ist.
17. Sensoranordnung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der amorphen Kohlenstoffschicht als Messschicht (2) und der
Oberfläche der mechanischen Komponente (1)eine isolierende Schicht (6)
angeordnet ist, die mindestens an einer Stelle unterbrochen ist, zur Messung
der lokalen Beanspruchung der mechanischen Komponente (1) an dieser
Stelle.
Priority Applications (3)
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