EP1537392A1 - Verwendung einer schicht aus diamantartigem kohlenstoff - Google Patents

Verwendung einer schicht aus diamantartigem kohlenstoff

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Publication number
EP1537392A1
EP1537392A1 EP03794861A EP03794861A EP1537392A1 EP 1537392 A1 EP1537392 A1 EP 1537392A1 EP 03794861 A EP03794861 A EP 03794861A EP 03794861 A EP03794861 A EP 03794861A EP 1537392 A1 EP1537392 A1 EP 1537392A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
temperature
diamond
carbon
sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03794861A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Lüthje
Saskia Biehl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10253178A external-priority patent/DE10253178B4/de
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1537392A1 publication Critical patent/EP1537392A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
    • G01K7/223—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor characterised by the shape of the resistive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2268—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects
    • G01L1/2281—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects for temperature variations

Definitions

  • Patent application use of a layer of diamond-like carbon
  • the invention relates to the novel use of a layer of diamond-like carbon as a temperature sensor with the features of claim 1.
  • the sensor can also be used for the simultaneous control or measurement of temperature and acting force on or in machines and machine components as well as tools.
  • the invention is particularly suitable for measurements in poorly accessible places, such as on contact surfaces between two flat objects.
  • EP 1 058 106 AI discloses a roller pairing with two pressure-loaded roller elements running against each other, at least one thin-film sensor being arranged on the surface of at least one of the roller elements, and the thin-film sensor terminating with a tribological functional layer.
  • the common feature of the above-mentioned technical teachings is the use of a thin-film sensor made of several layers for temperature measurement.
  • the invention is based on the technical problem of providing a temperature sensor which can be used in particular in tribologically stressed areas of all types of machines, for example machine tools, and machine parts and tools. For this purpose, it should be as thin as possible, hard, wear-resistant and low-friction.
  • the invention is based on the additional technical problem of providing a temperature sensor which enables a simultaneous measurement of the force and temperature acting or acting.
  • a new sensor can be provided by using a layer of diamond-like carbon to measure the temperature.
  • the invention is based on the knowledge that, in the case of a layer of diamond-like carbon, the electrical resistance depends in a characteristic manner on the temperature. 1 shows the dependency of the electrical resistance R as a function of the temperature T. An electrical resistance which decreases monotonically with increasing temperature can be seen.
  • the use of this characteristic and completely unexpected property of the layer of diamond-like carbon allows the layer itself to be used as a temperature sensor.
  • a calibration curve in which in particular the pressure on the layer acts as. a constant parameter flows in, an absolute temperature value is given for a given resistance value.
  • the temperature and the force acting on the layer can also be measured simultaneously or in succession.
  • the layer material shows a characteristic dependence of the electrical resistance on the applied force, cf. see DE 199 54 164 AI.
  • This behavior similar to piezoresistive materials, makes it possible to measure the temperature and force with the layer in succession at the same location, or to measure force and temperature simultaneously in different local areas of the layer.
  • the layer according to the invention is a layer made of diamond-like carbon.
  • Amorphous hydrocarbon layers (aC: H layers), hydrogen-free amorphous hydrogen layers (a: C layers), hydrocarbon layers with an element X of the 3rd or 4th main group of the periodic table of the elements (X: CH layers) are preferred, or metal-containing hydrocarbon layers (Me-C: H layers).
  • the layers can also contain proportions of oxygen, nitrogen or fluorine.
  • the layer material used for the sensor is known as such and is described for example in EP 0 022 285 B1 or EP 0 087 836 B1.
  • This layer material is characterized in particular by its high hardness and elasticity, high wear resistance and extremely low coefficients of friction, and is therefore often used as a wear protection layer.
  • this layer material has led to the layers consisting of it being called diamond-like carbon layers or, in English, DLC layers, where DLC stands for diamond-like carbon.
  • DLC layers are to be understood as the a-C: H layers mentioned above.
  • these layers are all amorphous in contrast to crystalline diamond. It will assumed that these layer materials on the microscopic length scale are composed of areas with sp 2 hybridization, ie with a graphitic crystal structure, and areas with sp 3 hybridization, ie with a diamond structure. The presence in some areas of s 3 -hybridized carbon atoms in this material has also prompted some authors to view the sp 3 -hybridized areas as nanocrystals, and accordingly to speak of nanocrystalline carbon. For example, with Me: CH layers, the respective metal Me is built into an amorphous hydrocarbon matrix in nanocrystalline form.
  • C layers and a: C-H layers are also referred to as nanostructured carbon.
  • the macroscopic properties of the layer materials mentioned can be adjusted to a large extent by adding further chemical elements.
  • additional elements depending on the polar or disperse portion of the surface energy of the gases, liquids and / or solids with which these layers are contacted and the desired adhesive behavior the strength of the polar or disperse portion of these layers can be set in a defined manner, see. see DE 44 17 235 AI.
  • the friction behavior, the electrical conductivity or the influence of the relative air humidity on the friction behavior can be adjusted to a large extent by adding further chemical elements.
  • the layers mentioned can be deposited easily and inexpensively by gas phase deposition, and in particular by means of PVD or the CVD method. This means the separation can also be used on curved surfaces with complicated surface geometry, such as corners or edges.
  • the layer of carbon-like carbon used for the sensor can be made or produced very thinly using known layer deposition methods.
  • Typical layer thicknesses for the layers of diamond-like carbon to be used as sensors are in a range from 10 n to 500 ⁇ m, preferably from 100 nm to 10 ⁇ m. It goes without saying that the layer thickness can be freely selected depending on the specific application.
  • the layer can be a sliding layer between surfaces moving against or against one another.
  • friction pairings as they occur, for example, in plain bearings, piston-cylinder pairings, roller bearings, clamping and holding devices, forming tools, pressing tools or embossing rollers, the temperatures and acting forces in the active zone cannot be determined as a rule, especially in the case of heavier ones Accessibility and large contact forces, since in the latter case conventional sensors reach or wear out their stability limit.
  • the use according to the invention is a very particularly simple possibility, on the one hand to facilitate the sliding of surfaces that are moved relative to one another or to reduce the dynamic sliding friction coefficient, but on the other hand the temperature and the acting force in the interaction area to monitor.
  • the sensor according to the invention can advantageously be used as a layer between surfaces in pressure contact with one another.
  • the layer is directly in the contact area or in the effective zone, and good measurement results can be achieved even under high pressure, without the mechanical stability of the sensor suffering. It follows from the above that with the use of a layer of diamond-like carbon for the simultaneous measurement of force and temperature, a measurement is carried out directly in the active zone. This local proximity to the interaction site requires a particularly precise measurement which is also carried out without delay.
  • pressure and temperature are measured with the layer simultaneously or in succession in locally different layer areas.
  • the layer of diamond-like carbon has properties similar to piezoresitives, cf. see DE 199 54 164 AI. 2 shows the dependence of the electrical resistance R on the force F with which this layer is applied, in each case at a constant temperature of the layer. It can be seen that the resistance R decreases monotonically with increasing force F.
  • the two contributions can be separated by measuring in locally different layer areas for the simultaneous recording of pressure and temperature.
  • layer 2 is only in pressure contact with the counter body in areas 1 and 1. stands for 3, so that the pressure is only measured in areas 1 and 1.
  • the use according to the invention is preferably carried out at temperatures below 500 ° C., preferably below 400 ° C., particularly preferably between room temperature and 500 ° C. or 400 ° C., since according to our own studies the above-mentioned. Dependence of the electrical resistance on the temperature in this temperature interval has shown.
  • the simultaneous measurement of pressure and temperature with the sensor according to the invention can advantageously be used in systems with high tribological stress, in particular in the case of a plain bearing in which the load is high the lubricating film may be destroyed, which is reflected in a rapid rise in the temperature on the surface of the mating pair.
  • the spatially resolved measurement can also be used to determine the exact location at which the friction is too high or the temperature is impermissibly increased.
  • temperature control is already used to diagnose faults, and it can be used to quickly remedy worn components.
  • FIG. 4 An example of a microstructured force and temperature measuring figure, which can preferably also be used in a bridge circuit, is shown in FIG. 4.
  • the tapped bridge signal only correlates with the respective applied force when the local unloaded measuring resistor T reaches the same temperature acts as on the pressure-loaded measuring resistor K, is switched in the bridge circuit as a reference to the pressure-loaded resistor.
  • two measuring resistors which are loaded with the same surface-specific force, but have a different temperature, can be used for force-compensated measurement of the temperature.
  • FIG. 5 A further possibility for simultaneously measuring pressure and temperature in locally different layer regions is shown in FIG. 5.
  • the left part of the arrangement i.e. Via the connection A, the resistance value in the area between the stamp and counter body is measured. In this area, force and temperature are variable, i.e. R (T, F) is measured.
  • connection B a resistance measurement is carried out immediately adjacent in the area not under pressure.
  • the force in the pressurized area can then be determined by forming the difference between the two resistance values.
  • the respective measured values can be evaluated by a microprocessor to enable quick compensation of the measured values.
  • 6a and 6b show a force sensor array in which the force F and the temperature T can be measured in adjacent areas with locally measuring electrodes.
  • the measuring points or electrodes are located at different depths within the layer.
  • the temperature measuring points are arranged somewhat lower than the measuring points for force measurement, so that no force is exerted at the temperature measuring points.
  • Such an array can also be produced with the smallest thicknesses, since the electrodes and the electrical feeds for the electrodes have to be made only a few nanometers thick because of the very low measuring currents of less than 1 ⁇ A.
  • the depressions can also be produced by plasma etching of the multifunctional layer.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff als Temperatursensor. Dieser wird bevorzugt in tribologisch beanspruchten Bereichen von Maschinen aller Art eingesetzt, z.B. Werkzeugmaschinen, sowie Maschinenteilen und Werkzeugen.

Description

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.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung einer Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff als Temperatursensor
2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass so- wohl die auf den Sensor einwirkende Kraft als auch die Temperatur gemessen werden.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichne , dass die Schicht aus a-C, a-C:H, Me-C:H oder X-C:H besteht, wobei Me für ein Metall und X für ein Element der 3. oder 4. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente steht
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Schicht um eine Gleitschicht zwischen sich gegeneinander oder aufeinander bewegenden Flächen handelt .
5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Schicht zwischen im Druckkontakt zueinander stehenden Flächen handelt.
6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich in örtlich unterschiedlichen Schichtbereichen Druck und Temperatur gemessen werden.
7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht und/oder der sie tragende Grundkörper strukturiert ist
8. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht mindestens ein Elektrodenpaar in Dünnschichttechnik vorgesehen ist 11
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor bei Temperaturen unterhalb 500° eingesetzt wird
10. Sensoranordnung zur Messung der Temperatur von beanspruchten Oberflächen mechanischer Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor eine diamantartige Kohlenstoffschicht eingesetzt wird, wobei die diamantartige Kohlenstoffschicht über elektrische Kontakte mit einer Messeinheit verbindbar ist.
11. Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die diamantartige Kohlenstoffschicht die Bestimmbarkeit von Temperatur und einwirkender Kraft gestattet.
12. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diamantartige Kohlenstoff- schicht eine Gleitschicht zwischen sich gegeneinander oder aufeinander bewegenden Flächen oder eine Schicht zwischen im Druckkontakt zueinander stehenden Flächen darstellt.
13. älz- oder Gleitlager mit einem Sensor zur Bestimmung der Beanspruchung des Lagers und einer Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff zwischen sich gegeneinander oder aufeinander be- wegenden Flächen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff als Sensor zur Bestimmung der Temperatur und/oder der einwirkenden Kraft verwendbar ist.
14. Press- oder Umformwerkzeug mit einer Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff zwischen sich gegeneinander oder aufeinander bewegenden Flächen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff als Sensor zur Bestimmung der Temperatur und/oder der einwirkenden Kraft verwendbar ist.
EP03794861A 2002-09-10 2003-08-08 Verwendung einer schicht aus diamantartigem kohlenstoff Withdrawn EP1537392A1 (de)

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