DE19954164A1

DE19954164A1 - Sensor zur Zustandsbestimmung von Kenngrößen an mechanischen Komponenten unter Verwendung von amorphen Kohlenstoffschichten mit piezoresistiven Eigenschaften

Info

Publication number: DE19954164A1
Application number: DE19954164A
Authority: DE
Inventors: Holger Luethje; Jochen Brand
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: DE19954164B4; US7073390B2; US20030089177A1; WO2002054031A1

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.

Bezugszeichenliste

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

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.