Patentanmeldun : Verwendung einer Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff
Anmelderin: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Die Erfindung betrifft die neuartige Verwendung einer Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff als Temperatursensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Sensor lässt sich gleichfalls zur gleichzeitigen Kontrolle bzw. Messung von Temperatur und einwirkender Kraft an oder in Maschinen und Maschinenkompo- nenten sowie Werkzeugen anwenden. Hierbei eignet sich die Erfindung insbesondere für Messungen an schlecht zugänglichen Stellen, so an Kontaktflächen zwischen zwei flächig aufliegenden Gegenständen.
Die DE 44 19 393 AI lehrt den Einsatz eines Werkzeugs für Um- form- und Zerspanungsvorrichtungen, auf deren Oberfläche oder als Zwischenschicht mindestens ein Sensor in Dünnschichttechnik aufgebracht ist der die Temperatur erfasst. Auf diesen Dünnschichtsensor wird eine Verschleißschutzschicht aufgebracht um den tribologisch beanspruchten Bereich vor Ver- schleiß zu schützen.
Die EP 1 058 106 AI offenbart eine Wälzpaarung mit zwei gegeneinander laufenden druckbelasteten Wälzelementen, wobei auf der Oberfläche mindestens eines der Wälzelemente mindestens ein Dünnschichtsensor angeordnet ist, und wobei der Dünnschichtsensor mit einer tribologischen Funktionsschicht abschließt.
Die Gemeinsamkeit der oben genannten technischen Lehren besteht in dem Einsatz eines aus mehreren Schichten aufgebauten Dünnschichtsensors zur Temperaturmessung.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde einen Temperatursensor bereitzustellen, der insbesondere in tribologisch beanspruchten Bereichen von Maschinen aller Art, z.B. Werkzeugmaschinen, sowie Maschinenteilen und Werkzeugen, ein- setzbar ist. Hierzu soll er möglichst dünn ausführbar, hart, verschleißfest, und reibungsarm sein.
Der Erfindung liegt das zusätzliche technische Problem zugrunde einen Temperatursensor bereitzustellen der eine gleichzeitige Messung von einwirkender bzw. beaufschlagender Kraft und Temperatur ermöglicht.
Das oben genannte technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein neuer Sensor dadurch bereitgestellt werden kann, dass eine Schicht aus diamantartigen Kohlenstoff zur Messung der Temperatur verwendet wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Schicht aus diamantartigen Kohlenstoff der elektrische Widerstand in charakteristischer Weise von der Temperatur abhängt. Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Widerstandes R in Abhängigkeit von der Temperatur T. Man erkennt einen mit zunehmender Temperatur monoton abnehmenden elektrischen Widerstand. Die Ausnützung dieser charakteristischen, und völlig unerwarteten Eigenschaft der Schicht aus diamantartigen Kohlenstoff erlaubt es die Schicht selbst als Temperatursensor einzusetzen. Hierbei kann unter Zuhilfenahme einer Eichkurve, bei der insbesondere der auf der Schicht lastende Druck als. ein konstanter Parameter einfließt, zu einem vorgegebenen Widerstandswert ein absoluter Temperaturwert angege- ben werden.
Mit der Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff können zudem gleichzeitig oder zeitlich hintereinander die Temperatur und die auf die Schicht einwirkende Kraft gemessen werden. Dies
deshalb, weil das Schichtmaterial eine charakteristische Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der beaufschlagenden Kraft zeigt, vgl. hierzu die DE 199 54 164 AI. Dieses zu piezoresitiven Materialien ähnliche Verhalten ermöglicht es, mit der Schicht zeitlich hintereinander am gleichen Ort die Temperatur und Kraft zu messen, oder aber zeitgleich in unterschiedlichen Ortsbereichen der Schicht Kraft und Temperatur zu messen.
Bei der erfindungsgemäßen Schicht handelt es sich um eine Schicht aus diamantartigen Kohlenstoff. Bevorzugt sind hierbei amorphe Kohlenwasserstoffschichten (a-C:H-Schichten) , Wasserstofffreie amorphe Wasserstoffschichten (a:C-Schich- ten) , Kohlenwasserstoffschichten mit einem Element X der 3. oder 4. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente (X:C-H- Schichten) , oder metallhaltige Kohlenwasserstoffschichten (Me-C:H-Schichten) . Die Schichten können auch Anteile von Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor enthalten.
Das für den Sensor eingesetzte Schichtmaterial ist als solches bekannt, und wird zum Beispiel in der EP 0 022 285 Bl oder der EP 0 087 836 Bl beschrieben. Dieses Schichtmaterial zeichnet sich insbesondere durch hohe Härte und Elastizität, hohe Verschleißbeständigkeit und extrem niedrige Reibwerte aus, und wird daher vielfach als Verschleißschutzschicht eingesetzt.
Insbesondere die makroskopisch hohe Härte hat bei diesem Schichtmaterial dazu geführt, die daraus bestehenden Schichten als diamantähnliche Kohlenstoffschichten, bzw. englischsprachig als DLC-Schichten zu bezeichnen, wobei DLC für dia- ant like carbon steht. Im engeren Sinne sind unter DLC- Schichten die vorstehend genannten a-C:H-Schichten zu verstehen.
Gemäß Rontgenstrukturunte suchungen sind diese Schichten im Gegensatz zu kristallinem Diamant sämtlich amorph. Es wird
angenommen, dass diese Schichtmaterialien auf mikroskopischer Längenskala aus Bereichen mit sp2-Hybridisierung, d.h. mit grafitischer Kristallstruktur, und Bereichen mit sp3- Hybridisierung, d.h. mit DiamantStruktur, zusammengesetzt sind. Das bereichsweise Vorhandensein von s 3 -hybridisierten Kohlenstoffato en in diesem Materialien hat auch manche Autoren dazu veranlasst, die sp3 -hybridisierten Bereiche als Na- nokristalle aufzufassen, und demgemäß von nanokristallinem Kohlenstoff zu sprechen. So ist beispielsweise bei Me:C-H- Schichten das jeweilige Metall Me in nanokristalliner Form in eine amorphe Kohlenwasserstoffmatrix eingebaut.
Mitunter wird bei a:C-Schichten und a:C-H-Schichten auch von nanostrukturiertem Kohlenstoff gesprochen.
Die makroskopischen Eigenschaften der genannten Schichtmate- rialien lassen sich durch Zugabe weiterer chemischer Elemente in weitem Umfang einstellen. So lässt sich durch Einbau zusätzlicher Elemente in Abhängigkeit von polarem bzw. dispersem Anteil der Oberflächenenergie der Gase, Flüssigkeiten und/oder Festkörper, mit denen diese Schichten kontaktiert werden, und dem gewünschten Adhäsionsverhalten die Stärke des polaren bzw. dispersen Anteils dieser Schichten definiert einstellen, vgl. hierzu die DE 44 17 235 AI.
Auch . das Reibverhalten, die elektrische Leitfähigkeit oder der Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit auf das Reibver- halten kann durch Zugabe weiterer chemischer Elemente im weitem Umfang eingestellt werden.
Die genannten Möglichkeiten, die makroskopischen Eigenschaften des Schichtmaterials definiert einstellen zu können, erlaubt einen universellen Einsatz des erfindungsgemäßen Tempe- ratursensors .
Die genannten Schichten lassen sich durch Gasphasenabschei- dung, und insbesondere mittels PVD- oder des CVD-Verfahrens leicht und kostengünstig abscheiden. Dadurch ist die Abschei-
dung auch auf gekrümmten Oberflächen mit komplizierter Oberflächengeometrie, wie auch Ecken oder Kanten, möglich.
Die für den Sensor verwendete Schicht aus dia antähnliehern Kohlenstoff ist mittels bekannter Schichtabscheideverfahren sehr dünn ausführbar bzw. herstellbar. Typische Schichtdicken für die als Sensor einzusetzenden Schichten aus diamantartigen Kohlenstoff liegen in einem Bereich von 10 n bis 500 um, vorzugsweise von 100 nm bis 10 um. Es versteht sich, dass die Schichtdicke je nach konkretem Anwendungsfall frei wählbar ist.
Bei der Schicht kann es um eine Gleitschicht zwischen sich gegeneinander oder aufeinander bewegenden Flächen handeln. Bei derartigen Reibpaarungen, wie sie beispielsweise bei Gleitlagern, Kolben-Zylinder-Paarungen, Wälzlagern, Spann- und Haltevorrichtungen, Umformwerkzeugen, Presswerkzeugen o- der Prägewalzen auftreten, lassen sich im Regelfall die Temperaturen und wirkenden Kräfte in der Wirkzone nicht ermitteln, insbesondere bei schwerer Zugänglichkeit und großen Kontaktkräften, da im letztgenannten Fall herkömmliche Senso- ren ihre Stabilitätsgrenze erreichen bzw. verschleißen.
Wird die Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff als Gleitschicht eingesetzt, so ist die erfindungsgemäße Verwendung eine ganz besonders einfache Möglichkeit um zum einen das Gleiten relativ zueinander bewegter Flächen zu erleichtern bzw. den dynamischen Gleitreibungskoeffizienten zu mindern, andererseits aber gleichzeitig die Temperatur und die einwirkende Kraft im Wechselwirkungsbereich zu überwachen.
Der erfindungsgemäße Sensor lässt sich mit Vorteil als Schicht zwischen im Druckkontakt zueinander stehenden Flächen einsetzen. Die Schicht ist auch hier unmittelbar in der Kontaktfläche bzw. in der Wirkzone, wobei auch bei hoher Druckbeaufschlagung gute Messergebnisse erzielt werden können, ohne dass die mechanische Stabilität des Sensors leidet.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass mit der Verwendung einer Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff zur gleichzeitigen Messung von Kraft und Temperatur eine Messung unmittelbar in der Wirkzone erfolgt. Diese örtliche Nähe zum Wechselwirkung- sort bedingt eine besonders genaue Messung die zudem verzögerungsfrei erfolgt.
In einer weiteren Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mit der Schicht zeitgleich oder zeitlich hintereinander in örtlich unterschiedlichen Schichtbereichen Druck und Temperatur gemessen werden.
Es ist nämlich bekannt, dass die Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff piezoresitivähnliche Eigenschaften aufweist, vgl. hierzu die DE 199 54 164 AI. So zeigt die Fig. 2 bei jeweils konstanter Temperatur der Schicht die Abhängigkeit des elekt- rischen Widerstandes R gegenüber der Kraft F, mit der diese Schicht beaufschlagt ist. Man erkennt, dass der Widerstand R mit wachsender Kraft F monoton abnimmt.
Wegen der gleichzeitigen Abhängigkeit des Widerstandswerts R(T, F) von Temperatur T und beaufschlagender Kraft F, kann für diejenigen Fallgestaltungen, bei der nicht entweder die Temperatur oder die Kraft konstant bleiben, nicht ohne weiteres unterschieden werden, ob eine Änderung des elektrischen Widerstands durch eine Temperaturänderung oder durch eine Änderung der einwirkenden Kraft hervorgerufen werden. Insofern ist es zur eindeutigen Temperaturbestimmung hilfreich, diese beiden Beiträge zu separieren.
Die Separation der beiden Beiträge kann dadurch erfolgen, dass zur gleichzeitigen Erfassung von Druck und Temperatur in örtlich unterschiedlichen Schichtbereichen gemessen wird.
Gemäß Fig. 3 kann dies dadurch erfolgen, dass die Schicht und/oder der sie tragende Grundkörper strukturiert ist. Durch Ausprägung eines Höhenprofils wird erreicht, dass nur in Bereichen 1 bzw. l die Schicht 2 im Druckkontakt zum Gegenkör-
per 3 steht, so dass nur in den Bereichen 1 bzw. l der Druck gemessen wird. In diesen Bereichen wird somit R (T= const ,F) gemessen.
Der Bereich 4 wird nicht druckbeaufschlagt, so dass eine Ver- änderung des elektrischen Widerstandes in diesem Schichtbereich ausschließlich durch die Temperaturabhängigkeit des Schichtmaterials hervorgerufen wird. Es wird also R(T, Ε = const ) gemesse .
Alternativ zur vorstehend genannten Möglichkeit der Schicht einer Höhenstruktur aufzuprägen besteht auch die Möglichkeit, im zu vermessenden Schichtbereich mindestens ein Elektrodenpaar in Dünnschichttechnik vorzusehen. Unter Zuhilfenahme der Dünnschichtelektrode kann dann eine lokale, nur im Bereich der Elektrode wirksame Messung erfolgen. Hierzu ist es güns- tig, wenn die Sensorbeschichtung relativ hochohmig ist. Abhängig davon, ob der Elektrodenbereich druckbeaufschlagt ist oder nicht erfolgt dann dort eine Druck- oder eine Temperaturmessung.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich ferner, dass mit den genann- ten Vorgehensweisen zur zeitgleichen Erfassung von Druck und Temperatur auch ortsaufgelöst gemessen bzw. kontrolliert werden kann, wobei die Auflösung je nach erforderlicher^-Auflösung mikrometergenau erfolgen kann.
Die erfindungsgemäße Verwendung erfolgt bevorzugt bei Tempe- raturen unterhalb von 500°C, bevorzugt unterhalb 400°C, besonders bevorzugt zwischen Raumtemperatur und 500°C bzw. 400 °C, da sich nach eigenen Untersuchungen die o.g. Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Temperatur in diesem Temperaturintervall gezeigt hat .
Die zeitgleiche Messung von Druck und Temperatur mit dem erfindungsgemäßen Sensor kann bei Systemen mit hoher tribologi- scher Beanspruchung mit Vorteil eingesetzt werden, so insbesondere bei einem Gleitlager, bei dem bei hoher Belastung
möglicherweise der Schmierfilm zerstört wird, was sich in einem schnellen Anstieg der Temperatur an der Oberfläche der Gleitpaarung bemerkbar macht.
Da bei reibungsbeanspruchten Komponenten häufig erhebliche lokale Unterschiede vorliegen, beispielsweise hervorgerufen durch Unwucht oder einseitige Lasteinwirkung, kann mit der ortsaufgelösten Messung auch der genaue Ort ermittelt werden an dem die Reibung zu hoch bzw. die Temperatur unzulässig erhöht ist. Insofern dient die Temperaturkontrolle bereits der Fehlerdiagnose bzw. erlaubt es, besonders schnell Abhilfe für verschlissene Komponenten zu schaffen.
Ein Beispiel einer mikrostrukturierten Kraft- und Temperaturmessfigur, die bevorzugter Weise auch in einer Brückenschaltung verwandt werden kann, zeigt Fig. 4. Bei dieser Schaltung korreliert das abgegriffene Brückensignal nur mit der jeweiligen applizierten Kraft, wenn der lokale unbelastete Messwiderstand T, auf den dieselbe Temperatur einwirkt wie auf den druckbelasteten Messwiderstand K, in der Brückenschaltung als Referenz zu dem druckbelasteten Widerstand geschaltet wird.
In analoger Weise können zwei Messwiderstände, die mit der gleichen flächenspezifischen Kraft belastet werden, aber eine unterschiedliche Temperatur aufweisen, zur kraftkompensierten Messung der Temperatur eingesetzt werden.
Eine weitere Möglichkeit gleichzeitig Druck und Temperatur in örtlich unterschiedlichen Schichtbereichen zu messen zeigt Fig. 5. Es wird mit dem linken Teil der Anordnung, d.h. über den Anschluss A, der Widerstandswert im Bereich zwischen dem Stempel und Gegenkörper gemessen. In diesem Bereich sind Kraft und Temperatur variabel, d.h. es wird R(T,F) gemessen.
Im rechten Teil der Messanordnung, d.h. über den Anschluss B, erfolgt eine Widerstandsmessung unmittelbar benachbart im nicht druckbeaufschlagten Bereich. In diesem Bereich ist der Widerstandswert nur von der Temperatur abhängig, d.h. es wird
R {T≠ const , F = const ) gemessen. Dies erlaubt es, die Temperatur über eine Eichkurve zu ermitteln.
Durch Differenzbildung der beiden Widerstandswerte kann dann auch die Kraft im druckbeaufschlagten Bereich bestimmt wer- den. Die jeweiligen Messwerte können hierbei durch einen Mikroprozessor ausgewertet werden um eine schnelle Kompensation der Messwerte zu ermöglichen.
Fig. 6a und Fig. 6b zeigen ein kraftsensorisches Array, bei dem mit lokal messenden Elektroden benachbart die Kraft F und die Temperatur T in benachbarten Bereichen vermessen werden kann. Die Messstellen bzw. Elektroden befinden sich in unterschiedlicher Tiefe innerhalb der Schicht. Die Temperaturmess- stellen sind gegenüber den Messstellen für die Kraftmessung etwas tiefer angeordnet, so dass bei den Temperatur essstel- len keine Krafteinwirkung erfolgt.
Ein derartiges Array ist auch mit geringsten Dicken herstellbar, da die Elektroden und die elektrischen Zuführungen für die Elektroden wegen der nur sehr geringen Messströme von weniger als 1 μA nur wenige Nanometer dick ausgeführt werden müssen. Die Vertiefungen können auch durch Plasmaätzung der Multifunktionsschicht erzeugt werden.