WO2012010301A1 - Dehnungsmessstreifen - Google Patents

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WO2012010301A1
WO2012010301A1 PCT/EP2011/003631 EP2011003631W WO2012010301A1 WO 2012010301 A1 WO2012010301 A1 WO 2012010301A1 EP 2011003631 W EP2011003631 W EP 2011003631W WO 2012010301 A1 WO2012010301 A1 WO 2012010301A1
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WO
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carbon nanotubes
orientation
carbon nanotube
direction transverse
arrangement
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/003631
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg Müller
Volker Relling
Svenja Riekeberg
Original Assignee
Sartorius Weighing Technology Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Sartorius Weighing Technology Gmbh filed Critical Sartorius Weighing Technology Gmbh
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a strain gage with an array of carbon nanotubes on a support, wherein the carbon nanotubes have a uniform orientation, so that an expansion of the strain gauge in a direction transverse to the orientation of the
  • Carbon nanotube a measurable via the strain gauge change in the electrical conductivity of the
  • the invention relates to a precision sensor, in particular load cell, with a corresponding
  • the invention relates to a method for producing a strain gauge, in which an array of carbon nanotubes, which have a uniform orientation, is applied to a support, so that an expansion of the strain gauge in a
  • Carbon nanotube in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes result.
  • strain gages The basic mode of operation of strain gages is that deformation of the strain gauge results in an overall deformation of an electrically conductive component of the strain gauge
  • CONFIRMATION COPY Resistance can be due to the deformation of the electric
  • Strain gages can be used in a variety of applications. This includes, among other things, the use as a pressure sensor, for example, an immediate
  • Strain gauges so that the deformation of the body can be determined indirectly via the change in resistance of the strain gauge.
  • Strain gauge can be achieved if the deformation has the greatest possible effect on the electrical resistance of the strain gauge. Then there is a high
  • strain gauges The measuring accuracy of strain gauges is reduced by the fact that also temperature changes in one
  • Carbon nanotubes on a support, wherein the carbon nanotubes a
  • Strain gages which use the deformation of metal conductors for strain measurement, have a comparatively high K-factor.
  • carbon nanotubes have a high modulus of elasticity, high tensile strength and also high temperature stability. Despite low specific gravity, carbon nanotubes have a high rigidity.
  • the invention has for its object to provide an improved strain gauges available, which allows a particularly high accuracy.
  • the present invention has the object, a method for producing a corresponding strain gauge and an advantageous
  • the above object is achieved in a strain gauge with an array of carbon nanotubes on a support, wherein the carbon nanotubes a uniform
  • Temperature coefficient of electrical conductivity of the array of carbon nanotubes is provided in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes.
  • Carbon nanotube in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotube can only one
  • the carrier can in principle be made of any suitable material.
  • Body may be the carrier to a flexible film.
  • a carrier is also understood as meaning a carrier provided with a coating, which will be explained in more detail below.
  • the carbon nanotubes of the assembly have a uniform orientation
  • the direction in which the carbon nanotubes extend is identical for all carbon nanotubes of the arrangement except for manufacturing tolerances.
  • the carbon nanotubes may be structured on the support.
  • Carbon nanotubes are embedded in the carrier. Although according to the invention, only a top side, that is frontal, covering the carbon nanotube with the carrier or support material conceivable, that is the
  • the front ends of the carbon nanotubes touch the carrier, but penetrate (with the exception of manufacturing technology
  • the carrier is provided with a coating, wherein preferably the coating forming part of the carrier, hereinafter referred to as the intermediate layer, prevents embedding of the carbon nanotubes in the carrier part, which is covered by the intermediate layer prevented.
  • the carbon nanotubes are, in this case, at least
  • the intermediate layer can be used, for example, as
  • Support material may be a polymer.
  • the intermediate layer can be applied to the array of carbon nanotubes.
  • Carbon nanotube is of the process parameters
  • the carrier may be connected to the intermediate layer after the connection of the assembly of
  • Carbon nanotube with the intermediate layer has already occurred.
  • the carrier material for example in the case of a polymer carrier, from being a polymer, when being spin-coated in the liquid phase onto the intermediate layer into the interspaces between the particles
  • Carbon nanotubes are embedded in the intermediate layer and not in the underlying support part - the
  • Carbon nanotube embedded in the carrier Carbon nanotube embedded in the carrier.
  • Embedding can mean that the
  • Carbon nanotubes a piece far, in particular over at most 10% of their length, preferably over more than 5% of their length, more preferably over 1% of their length, in the carrier material or, if an intermediate layer is provided, extend into the interlayer material, so that they are kept there. In other words, this can be
  • the carrier or the intermediate layer extends into interspaces between carbon nanotubes of the arrangement of carbon nanotubes.
  • Carbon nanotubes are completely embedded in the carrier.
  • the carrier extends in
  • the part of the carrier which extends into the interspaces may be an intermediate layer, if one exists.
  • Arrangement of carbon nanotubes may also be completely enclosed by the carrier, i. they can be encapsulated by the carrier. In addition to a further improved connection of the arrangement of carbon nanotubes with the carrier, this can be a shield of the arrangement of
  • Carbon nanotubes can be achieved from harmful external influences.
  • Strain gauge is the alignment of the
  • strain of the strain gauge in a direction parallel to the plane in which the beam extends is as exclusive and complete as possible to the electrical conductivity of the array of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes ), because the strain vectorially expressed has no component parallel to the orientation of the carbon nanotubes. This can be an increased
  • Carbon nanotubes according to those discussed here Design can be referred to as vertical alignment.
  • Temperature coefficient of electrical conductivity compared to the temperature coefficient of electrical conductivity of the arrangement of
  • Carbon nanotube in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotube has an opposite sign.
  • the arrangement of carbon nanotubes alone would produce a positive change in electrical conductivity in said direction, i. a negative resistance change, while the means for compensating the
  • the arrangement of carbon nanotubes and the means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the arrangement of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes can be galvanically connected to each other, so that in a measurement of the electrical resistance at provided for this purpose terminals of the strain gauge of the electrical Resistance of the circuit, which is formed by the arrangement of carbon nanotubes and the means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the arrangement of carbon nanotubes is measured.
  • Alignment of the carbon nanotubes can be achieved with simple means.
  • the means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the array of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes is galvanically connected to the array of carbon nanotubes, it can not only compensate for the temperature coefficient of the carbon nanotubes
  • Carbon nanotubes are used. Dedicated contacts to the assembly of carbon nanotubes then no longer have to be provided, whereby at least one
  • Production step can be omitted.
  • Temperature coefficients of electrical conductivity of the arrangement of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes with the arrangement of carbon nanotubes are also understood to mean that already provided contacts to the arrangement of
  • Carbon nanotubes are modified so that they also have the task of compensation of the
  • the contacts to the array of carbon nanotubes may be used to interconnect a plurality of carbon nanotubes
  • Strain gauges about to a measuring bridge circuit, can be used.
  • used metals include precious metals, for example platinum or gold, as metal alloys
  • metal alloys are characterized by a positive temperature coefficient of electrical resistance. They are therefore as materials for a means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the arrangement of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes for generic strain gauges in which the arrangement of
  • Carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes a negative
  • the means for compensating the temperature coefficient of the array of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotube which is a
  • Temperature coefficient of electrical conductivity compared to the temperature coefficient of electrical conductivity of the arrangement of
  • Carbon nanotube in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes has an opposite sign, connected in series with the arrangement of carbon nanotubes.
  • the means for compensating the temperature coefficient of the arrangement of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes may be in the form of
  • the geometry of the width, length and height of the interconnects can be used to compensate for the temperature coefficient of electrical conductivity of the array of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes.
  • the metal conductor tracks can be arranged substantially next to the arrangement of carbon nanotubes,
  • the metal interconnects can only for
  • the metal conductor tracks are arranged along the direction of the orientation of the carbon nanotubes to the arrangement of carbon nanotubes. This variant can have the advantage that the need for
  • Carbon nanotubes the dimensions of
  • Strain gauge increase, for example, in vertically oriented carbon nanotubes in the vertical direction. This may allow the fabrications of smaller area carbon nanotube strain gauges, ie more compact design. Furthermore, in this case, the metal interconnects and the arrangement of
  • Carbon nanotube an insulating layer or passivation layer are located. This can also be formed by the carrier. For contacting the arrangement of
  • Carbon nanotube through the metal interconnects is an area without a separating insulating layer or
  • the means for compensating the temperature coefficient of the arrangement of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotube which is a
  • Carbon nanotube in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes has an opposite sign, connected in parallel with the arrangement of carbon nanotubes.
  • Carbon nanotubes are applied in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes as a cover layer directly on the assembly of carbon nanotubes.
  • the topcoat may be in addition to the compensation of
  • Strain gauge extends the means for
  • Temperature coefficient of electrical conductivity of the arrangement of carbon nanotubes can be reduced. Particularly compact strain gauges can thus be provided.
  • the carrier is designed as the means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the arrangement of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes.
  • the design of the carrier as the means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the arrangement of carbon nanotubes can be done for example by a suitable choice of material of the carrier with respect to the temperature coefficient.
  • the carrier may be made of a metal or a metal alloy.
  • the carrier may comprise an insulating layer which electrically isolates the carrier from a metallic body whose elongation is to be measured, so that the
  • Strain gauges can be applied directly to the body.
  • it may be, inter alia, a polymeric carrier incorporating elements of metal or metal alloys connected in parallel or in series with the array of carbon nanotubes.
  • the means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the array of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes in one exemplary embodiment the means for
  • the material of the carrier can be selected to be electrically insulating, for example an insulating polymer, so that the carrier can be applied directly to a body whose deformation is to be measured by means of the strain gauge, without the carrier having an additional special insulation layer must have.
  • the material of the means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the arrangement of Carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes be electrically conductive, for example made of metal or a metal alloy.
  • the above-described object is achieved by a precision sensor, in particular a load cell, with a strain gauge, as described above.
  • strain gauge according to the invention can thereby be thereby.
  • strain gauges may be in accordance with the invention.
  • Strain gages act or just one of
  • Strain gauge can be configured according to the invention. With regard to the advantages of the invention
  • the above object is achieved in a method of manufacturing a strain gauge in which an array of carbon nanotubes having a uniform orientation is applied to a support such that strain of the strain gauge in a direction transverse to
  • Strain gauge results measurable change in the conductivity of the array of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes, achieved by a means for compensating for the Temperature coefficient of electrical conductivity of the array of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes is provided.
  • the preparation of the arrangement of carbon nanotubes can be carried out by microsystem techniques, wherein the
  • Geometry of the arrangement can be set as desired and a high reproducibility of the desired production result can be achieved.
  • the manufacturing process As part of the manufacturing process, the
  • Carbon nanotubes are deposited directly on the support. Alternatively, first a deposition of the
  • Carbon nanotubes take place on an intermediate carrier, which is followed by a transfer of the carbon nanotubes on the (final) carrier.
  • intermediate substrate is always used below for the subcarrier. Due to the use of an intermediate substrate, despite a high
  • Carbon nanotube can be done on the intermediate substrate.
  • Catalyst materials be applied. Will the Carbon nanotubes are first deposited on an intermediate substrate, optionally the intermediate substrate and - if they adhere to the delamination of the carbon nanotubes on the intermediate substrate - also the catalyst materials thereon can be used again. As a result, the cost and time required in the manufacture of a strain gauge according to the invention can be reduced. Another variant of structuring the
  • Carbon nanotube is the
  • Photolithographic process of the Abhebe- or the etching technology find application.
  • Temperature coefficients of electrical conductivity of the array of carbon nanotubes in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes may be before or after transfer from an intermediate substrate to the support. The same applies to the contacts to the arrangement of carbon nanotubes, unless the means for
  • a sacrificial layer may be applied to the intermediate substrate be that between the intermediate substrate and the components of the strain gauge, the
  • Substrate are to be transferred is located.
  • Carbon nanotubes are applied in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes as a cover layer directly on the assembly of carbon nanotubes, the material which is to form the cover layer, such as metal or a metal alloy, by a sputtering or vapor deposition method or by a
  • Cover layer are structured. This can be, for example
  • Photoetching be used. Due to the direct application of the cover layer on the carbon nanotubes, the material of the cover layer can be placed in spaces between the carbon nanotubes, the cover layer as a means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the arrangement of
  • the cover layer may seal the carbon nanotubes of the assembly outwardly on at least one side of the assembly or may merely fill gaps between the carbon nanotubes of the assembly.
  • Embodiments of a manufacturing method according to the invention include that a passivation of the arrangement of Carbon nanotube is performed to the arrangement of carbon nanotubes from external disturbing factors, such as mechanical stress or
  • the passivation can take place, inter alia, by plasma or by polymers precipitated out of the liquid phase.
  • inventive strain gauges the precision sensor according to the invention and the inventive method for producing a strain gauge and further develop.
  • the drawing shows in
  • Fig. La is a schematic representation of a cross section of a first embodiment of a
  • Fig. Lb is a schematic representation of a cross section of a first manufacturing stage of
  • Fig. Lc is a schematic representation of a cross section of a second manufacturing stage of
  • FIG. 2 is a schematic representation of a cross section of a second embodiment of a strain gauge according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of a cross section of a third embodiment of a strain gauge according to the invention
  • 4 shows a schematic representation of a cross section of a fourth exemplary embodiment of a strain gauge according to the invention
  • FIG. 5 is a schematic representation of a cross section of a fifth embodiment of a strain gauge according to the invention.
  • Fig. 6 is a schematic representation of a cross section of a sixth embodiment of a strain gauge according to the invention
  • Fig. 7 is a schematic representation of a
  • Fig. La shows a schematic representation of a cross section of an embodiment of an inventive
  • Strain gage 10 is provided with an assembly 11 of carbon nanotube 12 on a support 13. At the top of the carrier 13 are
  • Metal interconnects 15 are configured.
  • the carrier 13 extends in a plane which is perpendicular to the plane of the drawing.
  • Carbon nanotubes 12 have a uniform
  • the orientation of the carbon nanotubes 12 is chosen such that their main extension direction is perpendicular to the plane in which the carrier 13 extends. In Fig la, the main extension direction of the carbon nanotube 12 is vertical. An elongation of the Strain gage 10 in a direction transverse to
  • Alignment of the carbon nanotube 12 has a measurable via the strain gauge 10 change in the conductivity of the assembly 11 of carbon nanotube 12 in the
  • the carrier 13 is an insulating polymer film. It extends into spaces 14 between carbon nanotube 12 of the assembly 11 of carbon nanotube 12 and fills it completely. He also encloses the
  • Carbon nanotube 12 complete.
  • Carbon nanotubes 12 are thus in the carrier 13th
  • Carbon nanotube 12 on the support 13 ensured. In addition, it is ensured that the carbon nanotubes 12 maintain their uniform orientation.
  • the carbon nanotube 12 are shielded from the environment. Since the carrier 13 is made of an insulating polymer, it can be directly applied to a body whose deformation is to be measured by means of the strain gauge 10, even if this body itself is electrically conductive.
  • the metal interconnects 15 not only serve to contact the arrangement of carbon nanotubes 15, but they also provide a means for compensation of the
  • the geometry of the metal interconnects 15 is designed accordingly.
  • the metal interconnects are substantially adjacent to the assembly 11 of FIG Carbon nanotube 12 arranged.
  • the metal interconnects 15 overlap in a partial area with the arrangement 11 of carbon nanotubes 12. Otherwise, they are electrically insulated by the carrier 13 from the arrangement 11 of carbon nanotubes 12. The metal interconnects are thus connected in series with the arrangement 11 of carbon nanotubes 12.
  • Carbon nanotube 12 has a positive temperature coefficient in the direction transverse to the orientation of carbon nanotubes 12, i. the electrical resistance of the assembly 11 of carbon nanotube 12 has a negative temperature coefficient in this direction.
  • the metal interconnects 15, however, have a
  • Metal interconnects 15 has a positive
  • Metal interconnects 15 are selected so that, at least at temperature conditions under which the strain gauges 10 is usually used, a temperature change, the sole consideration of the assembly 11 of
  • Carbon nanotube 12 would lead to a negative electrical resistance change of the assembly 11 in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotube 12, when viewing the metal interconnects 15 alone to a positive electrical resistance change of
  • Metal conductor tracks 15 would lead, the amount is at least almost as large as the amount of positive
  • the metal interconnects 15 are thus as means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the assembly 11 of carbon nanotubes 12 in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotube 12th
  • Carbon nanotube 12 is provided, the ambient temperature affects when using the strain gauge 10 only to a small extent on the measurement result of a strain measurement carried out by means of the strain gauge 10. Since the metal interconnects 15, which provide a means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the assembly 11 of carbon nanotubes 12 in the direction transverse to the orientation of the carbon nanotubes, also for contacting the assembly 11 of
  • Carbon nanotubes 12 serve, and vice versa
  • Temperature coefficients are designed, dedicated means for compensation of the temperature coefficient need not be provided.
  • Fig. Lb shows a schematic representation of a cross section of a first manufacturing stage of the strain gauge 10 of Fig. La.
  • the carbon nanotubes 12 are shown in FIG. 1b after their deposition on an intermediate substrate 16. Before or after the deposition of the carbon nanotube 12 On the intermediate substrate 16, the metal contacts 15 are applied to the intermediate substrate 16.
  • Structuring by catalyst materials may be the
  • Carbon nanotubes are also selectively deposited. Furthermore, they can be structured only after the deposition, for example by means of photolithographic processes.
  • FIG. 1 c shows a schematic representation of a cross section of a second manufacturing stage of the strain gauge 10 from FIG. 1 a.
  • Fig. Lc the polymer material used in the liquid state on the assembly 11 of
  • Carbon nanotube 12 By cooling forms the
  • Gaps 14 between the carbon nanotube 12 of the assembly 11 extends.
  • the carbon nanotubes 12 are thus fixed in their structuring and uniform orientation.
  • Carbon nanotube 12 the metal contacts 15 and the carrier 13 from the intermediate substrate 16 dissolved (delamination), so as to obtain the strain gauges 10 shown in Fig. La.
  • the intermediate substrate 16 and - if they after the Delamination on the intermediate substrate 16 sticking - even the catalyst materials thereon can be reused after delamination.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a cross section of a second exemplary embodiment of a strain gauge 20 according to the invention.
  • components of the strain gauge 20 which are identical to the corresponding component of FIG. 2
  • Strain gauge strip 10 are provided with identical reference numerals. For the sake of clarity, the following always refers exclusively to differences between the respective
  • the strain gauge 20 has an insulating polymer film as a carrier 23. The contacting of the assembly 11 of carbon nanotube 12 via metal interconnects 15, which also serves as a means for compensating the
  • the preparation of the strain gauge 20 can be similar to that of the strain gauge 10 of Fig. La proceed.
  • Carbon nanotube 12 is expediently only after the carbon nanotube 12 on the
  • Intermediate substrate 16 are cooled so that thermal damage of the carrier 23 is prevented.
  • a passivation of the arrangement 11 be carried out by carbon nanotube 12 to the assembly 11 of carbon nanotube 12 before outer
  • the passivation can take place, inter alia, by plasma or by polymers precipitated out of the liquid phase.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a cross section of a third embodiment of a strain gauge according to the invention 30.
  • the strain gauge 30 is similar to the strain gauge 20 of FIG. 2, but the
  • Metal interconnects 35 are arranged on the opposite side of the carrier 23 and passed through the carrier 23 as compared to the metal interconnects 25 in Fig. 2, e.g. by structuring the carrier by means of photolithography and etching processes. Thereby, the metal traces 35 may be arranged along the direction of alignment of the carbon nanotubes 12 with the array 11 of the carbon nanotubes 12, rather than, like the metal traces 25 in FIG. 2, substantially adjacent the assembly 11 of FIG.
  • Carbon nanotube 12 to be arranged. Compared to the embodiment of Fig. 2, the need for additional surface for the metal interconnects 35 is reduced, so that the strain gauge 30 has a more compact structure.
  • the carrier 23 serves as an insulating layer between the carbon nanotube 12 and the
  • Metal interconnects 35 so that the metal interconnects 35 are connected in series with the carbon nanotube 12.
  • 4 shows a schematic illustration of a cross section of a fourth exemplary embodiment of a strain gauge 40 according to the invention, which resembles the strain gauge 10 of FIG. 1a but has differently shaped metal contacts 45 which are similar to those of FIG.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a cross section of a fifth exemplary embodiment of a strain gauge 50 according to the invention
  • the strain gauge 50 has a cover layer 56
  • the cover layer 56 is made of metal and was produced by vapor deposition directly on the carbon nanotubes 12 and subsequent patterning by means of photoetching. Due to the immediate application of the
  • Cover layer 56 on the carbon nanotube 12 the material of the cover layer 56 can put into spaces 14 between the carbon nanotube 12, the cover layer 56 as a means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the assembly 11 of
  • the amount of metal of the cover layer 56 was chosen so that the cover layer 56 the
  • Carbon nanotube 12 of the assembly 11 in Fig. 5 terminates at its upper side to the outside. Since the cover layer 56 is applied directly to the carbon nanotubes 12, ie even without an insulating separation layer, the Cover layer 56 - and thus the means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the assembly 11 - parallel to the assembly 11 of
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a cross section of a sixth exemplary embodiment of a strain gauge 60 according to the invention.
  • the carrier 63 of FIG. 6 shows a schematic representation of a cross section of a sixth exemplary embodiment of a strain gauge 60 according to the invention.
  • Strain gauge 60 includes a metal layer 61 and an electrically insulating layer 62.
  • Carbon nanotubes 12 are embedded in the metal layer 61 of the carrier 63, i. they extend a little way into the carrier material (not shown).
  • the metal layer 61 serves as a means for compensating the
  • Carbon nanotubes 12 are connected in parallel.
  • the electrically insulating layer 62 allows the
  • Strain gauge 60 directly on a metallic body whose elongation is to be determined by means of the strain gauge 60 to apply.
  • the design of the carrier 63 as a means for compensating the temperature coefficient of electrical conductivity of the assembly 11 of
  • Carbon nanotube 12 makes the provision of a
  • metal layer 61 Alternatively to the production of the metal layer 61, a metal alloy may also be used. It is possible to provide that the metal layer 61 in the interstices 14 extend between the carbon nanotubes 12 of the array 11 of carbon nanotubes 12 or even provide that carbon nanotubes 12 are completely embedded in the metal layer 61.
  • Fig. 7 shows a schematic representation of a
  • the precision receiver 70 comprises a spring body 71 which is deformed under mechanical load and is used as a load cell. On the spring body 71 are with the strain gauges 72 and 73 two
  • Strain gauges according to the invention arranged at right angles to each other. A deformation of the spring body 71 during
  • Strain gages 72 and 73 result.
  • the deformation of the spring body 71 can be detected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen mit einer Anordnung von Kohlenstoffnanorohrchen auf einem Träger, wobei die Kohlenstoffnanorohrchen eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanorohrchen eine über den Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanorohrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanorohrchen zur Folge hat. Die Aufgabe, einen verbesserten Dehnungsmessstreifen zur Verfügung zu stellen, der eine besonders hohe Messgenauigkeit ermöglicht, wird für einen gattungsgemäßen Dehnungsmessstreifen dadurch gelöst, dass ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanorohrchen in der der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanorohrchen vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Präzisionsaufnehmer mit einem entsprechenden Dehnungsmessstreifen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Dehnungsmessstreifens.

Description

Dehnungsmessstreifen
Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen mit einer Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen auf einem Träger, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung quer zur Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen eine über den Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der
Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Präzisionsaufnehmer, insbesondere Wägezelle, mit einem entsprechenden
Dehnungsmessstreifen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens, bei dem auf einen Träger eine Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen, die eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, aufgebracht wird, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer
Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen eine über den Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der
elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat.
Grundlegende Arbeitsweise von Dehnungsmessstreifen ist, dass eine Deformation des Dehnungsmessstreifens insgesamt zu einer Deformation einer elektrisch leitfähigen Komponente des
Dehnungsmessstreifens führt. Dadurch verändert sich die elektrische Leitfähigkeit bzw. der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Komponente. Über die Messung dieses
BESTÄTIGUNGSKOPIE Widerstands kann auf die Deformation der elektrisch
leitfähigen Komponente und damit auf die Deformation des Dehnungsmessstreifens insgesamt geschlossen werden.
Dehnungsmessstreifen lassen sich im Rahmen einer Vielzahl von Anwendungen einsetzen. Dazu gehört unter anderem der Einsatz als Drucksensor, der beispielsweise eine unmittelbare
Krafteinwirkung durch eine Person erfassen soll, oder auch der Einsatz zur mittelbaren Erfassung einer Krafteinwirkung auf einen Körper, auf den der Dehnungsmessstreifen aufgebracht, d.h. in der Regel geklebt ist. Im letzteren Fall bewirkt die Deformation des Körpers eine Deformation des
Dehnungsmessstreifen, so dass die Deformation des Körpers über die Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens indirekt bestimmt werden kann.
Eine besonders genaue Erfassung der Deformation eines
Dehnungsmessstreifens wird erzielbar, wenn die Deformation sich möglichst deutlich auf den elektrischen Widerstand des Dehnungsmessstreifens auswirkt. Dann liegt eine hohe
Messempfindlichkeit vor. Beschrieben wird die
Messempfindlichkeit mit dem sogenannten K-Faktor, der die Proportionalität zwischen relativer Widerstandsänderung und der zu messenden Dehnung angibt und für die meisten
Anwendungen möglichst hoch sein sollte.
Die Messgenauigkeit von Dehnungsmessstreifen wird dadurch gemindert, dass auch Temperaturänderungen sich in einer
Widerstandsänderung niederschlagen .
Dehnungsmessstreifen mit einer Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen (engl, carbon nanotubes, CNTs) auf einem Träger, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen eine
einheitliche Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen eine über den Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der
Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat, sind beispielsweise aus dem Artikel „Development of a 3D
Distributed Carbon Nanotubes on Flexible Polymer for Normal and Shear Forces Measurement" aus dem Tagungsband zur IEEE 23rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) , Seiten 615 bis 618 bekannt. Derartige
Dehnungsmessstreifen erlauben genaue Messungen, da sie wegen der Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen gegenüber
Dehnungsmessstreifen, die die Verformung von Metallleitern zur Dehnungsmessung nutzen, einen vergleichsweise hohen K-Faktor aufweisen. Zudem besitzen Kohlenstoffnanoröhrchen einen hohen Elastizitätsmodul, hohe Zugfestigkeit und eine ebenfalls hohe Temperaturstabilität. Trotz geringer spezifischer Dichte weisen Kohlenstoffnanoröhrchen eine hohe Steifigkeit auf.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Dehnungsmessstreifen zur Verfügung zu stellen, der eine besonders hohe Messgenauigkeit ermöglicht. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Dehnungsmessstreifens sowie einen vorteilhaften
Präzisionsaufnehmer anzugeben.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe bei einem Dehnungsmessstreifen mit einer Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen auf einem Träger, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen eine einheitliche
Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen eine über den Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der
Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat, dadurch gelöst, dass ein Mittel zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen vorgesehen ist.
Das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen kann einer lediglich
temperaturbedingten positiven oder negativen
Widerstandsänderung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen entgegenwirken, so dass der verfälschende Einfluss der
jeweiligen Temperaturbedingungen, unter denen eine Messung stattfindet, gemindert wird. Im Ergebnis stellt sich daher ein verbessertes Messergebnis ein.
Der Träger kann prinzipiell aus jedem geeigneten Material gefertigt sein. Für ein besonders einfaches Aufbringen der Dehnungsmessstreifens auf einen gekrümmten oder unebenen
Körper kann es sich bei dem Träger um eine flexible Folie handeln. Unter einem Träger wird im Sinne der Erfindung auch ein mit einer Beschichtung versehener Träger verstanden, was im Folgenden noch näher erläutert werden wird.
Darunter, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung eine einheitliche Ausrichtung haben, kann verstanden werden, dass die Richtung, in der sich die Kohlenstoffnanoröhrchen erstrecken, für alle Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung abgesehen von fertigungstechnisch bedingten Toleranzen identisch ist. Die Kohlenstoffnanoröhrchen können strukturiert auf dem Träger angeordnet sein.
Eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Dehnungsmessstreifens sieht vor, dass die
Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in den Träger eingebettet sind. Zwar ist erfindungsgemäß auch nur eine oberseitige, das heißt stirnseitige, Abdeckung der Kohlenstoffnanoröhrchen mit dem Träger bzw. Trägermaterial denkbar, das heißt die
stirnseitigen Enden der Kohlenstoffnanoröhrchen berühren den Träger, dringen aber (mit Ausnahme fertigungstechnisch
bedingter Abweichungen) nicht in den Träger ein.
Bei der Fertigung gattungsgemäßer Dehnungsmessstreifen hat es sich aber häufig als schwierig erwiesen, eine ausreichende Haftung der Kohlenstoffnanoröhrchen auf dem Träger zu
erreichen. Mit der Einbettung der Kohlenstoffnanoröhrchen in den Träger kann diesem Problem begegnet werden.
Dabei ist auch denkbar, dass der Träger mit einer Beschichtung versehen ist, wobei bevorzugt der die Beschichtung bildende Teil des Trägers, im Folgenden als Zwischenschicht bezeichnet, ein Einbetten der Kohlenstoffnanoröhrchen in den Trägerteil, der von der Zwischenschicht abgedeckt ist, verhindert. Die Kohlenstoffnanoröhrchen sind in diesem Fall, zumindest
teilweise und/oder oberseitig, in die Zwischenschicht
eingebettet. Die Zwischenschicht kann beispielsweise als
Passivierschicht, etwa aus einem Plasmapolymer, ausgestaltet sein. Das unterhalb der Zwischenschicht liegende
Trägermaterial kann ein Polymer sein. Die Zwischenschicht kann auf die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht werden. Die Eindringtiefe des Zwischenschichtmaterials, zum Beispiel des Plasmapolymers, in die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen ist von den Prozessparametern
abhängig. Der Träger kann mit der Zwischenschicht verbunden werden, nachdem die Verbindung der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen mit der Zwischenschicht bereits erfolgt ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das Trägermaterial, zum Beispiel im Falle eines Polymerträgers ein Polymer, beim Aufschleudern in der flüssigen Phase auf die Zwischenschicht in die Zwischenräume zwischen den
Kohlenstoffnanoröhrchen eindringt. Da die Zwischenschicht, nachdem sie auf den darunter liegenden Trägerteil aufgebracht wurde, einen Bestandteil des Trägers bildet, sind - auch wenn die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in die Zwischenschicht und nicht in den darunter liegenden Trägerteil eingebettet sind - die
Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in den Träger eingebettet.
Einbettung kann dabei bedeuten, dass die
Kohlenstoffnanoröhrchen sich ein Stück weit, insbesondere über höchstens 10 % ihrer Länge, bevorzugt über höchstens 5 % ihrer Länge, besonders bevorzugt über höchstens 1 % ihrer Länge, in das Trägermaterial bzw., wenn eine Zwischenschicht vorgesehen ist, in das Zwischenschichtmaterial hinein erstrecken, so dass sie dort gehalten werden. Anders ausgedrückt kann dies
bedeuten, dass sich der Träger bzw. die Zwischenschicht in Zwischenräume zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen erstreckt. Im Rahmen der obigen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen vollständig in den Träger eingebettet sind. In diesem Fall erstreckt sich der Träger in
Zwischenräume zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen und füllt sie vollständig aus. Bei dem Teil des Trägers, der sich in die Zwischenräume erstreckt, kann es sich um eine Zwischenschicht handeln, falls eine solche vorhanden ist. Die Kohlenstoffnanoröhrchen der
Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen können auch vom Träger vollständig umschlossen sein, d.h. sie können vom Träger eingekapselt sein. Neben einer weiter verbesserten Verbindung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen mit dem Träger kann hierdurch eine Abschirmung der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen von schädlichen äußeren Einflüssen erreicht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Dehnungsmessstreifens ist die Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen derart gewählt, dass die
Haupterstreckungsrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen
senkrecht zu der Ebene, in der sich der Träger erstreckt, verläuft. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung parallel zu der Ebene, in der sich der Träger erstreckt, sich möglichst ausschließlich und vollständig auf die elektrische Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen {Querleitfähigkeit) auswirkt, weil die Dehnung vektoriell ausgedrückt keine Komponente parallel zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen hat. Dies kann eine erhöhte
essempfindlichkeit bedeuten. Die Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen entsprechend der hier diskutierten Ausgestaltung kann als vertikale Ausrichtung bezeichnet werden .
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen einen
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit aufweist, der gegenüber dem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen ein entgegengesetztes Vorzeichen hat. Bei einer positiven Temperaturänderung beispielsweise würde die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen allein eine positive Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in der besagten Richtung, d.h. eine negative Widerstandsänderung, erfahren, während das Mittel zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit für sich allein eine negative Änderung der elektrischen
Leitfähigkeit, d.h. eine positive Widerstandsänderung
aufweisen würde. Bei entsprechender Abstimmung des Mittels zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit in der Richtung quer zur Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen auf das temperaturabhängige Verhalten der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen heben sich die beiden Effekte weitgehend auf. Dazu können die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen und das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen galvanisch miteinander verbunden sein, so dass bei einer Messung des elektrischen Widerstands an zu diesem Zweck vorgesehenen Anschlüssen des Dehnungsmessstreifens der elektrische Widerstand der Schaltung, die durch die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen und dem Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen gebildet wird, gemessen wird. Die angestrebte Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit in der Richtung quer zur
Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen kann so mit einfachen Mitteln erreicht werden. Ist das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen galvanisch mit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen verbunden, kann es nicht nur der Kompensation des Temperaturkoeffizienten der
elektrischen Leitfähigkeit dienen, sondern zusätzlich auch noch zur Kontaktierung der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet werden. Dedizierte Kontakte zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen müssen dann nicht mehr vorgesehen werden, wodurch zumindest ein
Fertigungsschritt wegfallen kann.
Aus einer anderen Perspektive betrachtet kann die galvanische Verbindung des Mittels zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen mit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen auch so verstanden werden, dass ohnehin vorgesehene Kontakte zu der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen derart modifiziert werden, dass sie darüber hinaus auch die Aufgabe der Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen erfüllen.
Beispielsweise kann dies durch eine Anpassung der Geometrie der Kontakte erfolgen. Die Kontakte zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen können - unabhängig davon, ob sie gleichzeitig ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen darstellen oder nicht - zur Verschaltung mehrerer
Dehnungsmessstreifen, etwa zu einer Messbrückenschaltung, genutzt werden.
Entsprechend einer Ausführungsform ist das Mittel zur
Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt. Als
verwendetes Metall kommen unter anderem Edelmetalle in Frage, zum Beispiel Platin oder Gold, als Metalllegierungen
beispielsweise NiCr. Meist begründen die physikalischen
Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhrchen einen positiven Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen, d.h. einen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands der
Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen. Metalle und
Metalllegierungen zeichnen sich dagegen durch einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aus. Sie sind daher als Werkstoffe für ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen für gattungsgemäße Dehnungsmessstreifen, bei denen die Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen einen negativen
Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist, gut geeignet. Im Rahmen eines Ausführungsbeispiels ist das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen, welches einen
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit aufweist, der gegenüber dem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen ein entgegengesetztes Vorzeichen hat, in Reihe zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen geschaltet .
Das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen kann in Form von
Metallleiterbahnen gestaltet sein. Über die Geometrie von Breite, Länge und Höhe der Leiterbahnen kann die Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen herbeigeführt werden. Dabei können die Metallleiterbahnen im Wesentlichen neben der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen angeordnet sein,
insbesondere können die Metallleiterbahnen lediglich zur
Kontaktierung in einem Teilbereich der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen mit der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen überlappen. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Metallleiterbahnen entlang der Richtung der Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen angeordnet sind. Diese Variante kann den Vorteil haben, dass der Bedarf an
zusätzlicher Fläche für die Metallleiterbahnen reduziert wird und stattdessen entlang der Richtung der Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen die Abmessungen des
Dehnungsmessstreifens zunehmen, zum Beispiel bei vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhrchen in vertikaler Richtung. Dies kann die Herstellungen von Kohlenstoffnanoröhrchen enthaltenden Dehnungsmessstreifen mit geringerer Fläche, d.h. kompakterem Aufbau, erlauben. Weiterhin unterliegen in diesem Fall die Metallleiterbahnen und die Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in mehrfacher Hinsicht den gleichen physikalisch Bedingungen, zum Beispiel Druck und Dehnung.
Damit eine Reihenschaltung und nicht etwa eine
Parallelschaltung der Metallleiterbahnen und der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen entsteht, muss sich zwischen den Metallleiterbahnen und der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen eine Isolationsschicht bzw. eine Passivierschicht befinden. Diese kann auch durch den Träger gebildet werden. Zur Kontaktierung der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen durch die Metallleiterbahnen wird ein Bereich ohne eine trennende Isolationsschicht bzw.
Passivierschicht benötigt.
Entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiels ist das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen, welches einen
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit
aufweist, der gegenüber dem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen ein entgegengesetztes Vorzeichen hat, parallel zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen geschaltet. Beispielsweise kann das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen als Deckschicht unmittelbar auf die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht sein. Die Deckschicht kann neben der Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit
zusammen mit dem Träger eine Abschirmung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen von äußeren Störeinflüssen,
beispielsweise Feuchtigkeit, bewirken.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Dehnungsmessstreifens erstreckt sich das Mittel zur
Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen in Zwischenräume zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen . Fällt das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen nicht mit dem Träger zusammen, kann hierdurch eine zusätzliche Befestigung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen erzielt werden, da auch das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen zur Befestigung der Anordnung
beiträgt. Erstreckt sich das Mittel zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in die anderenfalls ungenutzten Zwischenräume zwischen den
Kohlenstoffnanoröhrchen, kann der zusätzliche Platzbedarf, der aus dem Vorsehen des Mittels zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen resultieren kann, vermindert werden. Besonders kompakte Dehnungsmessstreifen können somit bereitgestellt werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Träger als das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoff anoröhrchen ausgestaltet ist. Bei dieser Ausgestaltung kann das Vorsehen eines dedizierten Mittels zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen überflüssig sein. Die Ausgestaltung des Trägers als das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen kann beispielsweise durch eine geeignete Materialwahl des Trägers hinsichtlich des Temperaturkoeffizienten geschehen. So kann der Träger aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt sein. Der Träger kann eine Isolationsschicht aufweisen, die den Träger gegenüber einem metallischen Körper, dessen Dehnung gemessen werden soll, elektrisch isoliert, so dass der
Dehnungsmessstreifen unmittelbar auf den Körper aufgebracht werden kann. Alternativ kann es sich unter anderem um einen Polymerträger handeln, in den Elemente aus Metall bzw. aus Metalllegierungen integriert sind, die parallel oder in Reihe zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen geschaltet sind.
Alternativ zur Ausgestaltung des Trägers als das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen ist bei einer beispielhaften Ausführungsform das Mittel zur
Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zusätzlich zu dem Träger vorgesehen. Hier kann unter anderem das Material des Trägers elektrisch isolierend gewählt werden, zum Beispiel ein isolierendes Polymer, so dass der Träger unmittelbar auf einen Körper, dessen Deformation mittels des Dehnungsmessstreifens gemessen werden soll, aufgebracht werden kann, ohne dass der Träger über eine zusätzliche spezielle Isolationsschicht verfügen muss. Dagegen kann das Material des Mittels zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen elektrisch leitfähig sein, zum Beispiel aus Metall oder einer Metalllegierung gefertigt sein.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete Aufgabe durch einen Präzisionsaufnehmer, insbesondere eine Wägezelle, mit einem Dehnungsmessstreifen, wie er zuvor beschrieben wurde, gelöst.
Der erfindungsgemäße Dehnungsmessstreifen kann dabei
insbesondere auf einem Federkörper des Präzisionsaufnehmers derart angeordnet sein, dass eine Verformung des Federkörpers beim Wiegevorgang eine Verformung des Dehnungsmessstreifens in der Richtung quer zu der Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat. Bevorzugt werden
Dehnungsmessstreifen zu einer Wheatstonschen Brücke
verschaltet aufgebracht. In diesem Fall kann es sich bei vier, bzw. zwei Dehnungsmessstreifen um erfindungsgemäße
Dehnungsmessstreifen handeln oder lediglich einer der
Dehnungsmessstreifen kann erfindungsgemäß ausgestaltet sein. Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen
Präzisionsaufnehmers wird auf die Ausführungen zum
erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen verwiesen.
Gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens, bei dem auf einen Träger eine Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen, die eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, aufgebracht wird, so dass eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens in einer Richtung quer zur
Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen eine über den
Dehnungsmessstreifen messbare Veränderung der Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen zur Folge hat, dadurch gelöst, dass ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen vorgesehen wird.
Die Herstellung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen kann mit Verfahren der Mikrosystemtechnik erfolgen, wobei die
Geometrie der Anordnung beliebig einstellbar und eine hohe Reproduzierbarkeit des gewünschten Herstellungsergebnisses erreichbar sein kann.
Im Rahmen des Herstellungsverfahrens können die
Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen direkt auf dem Träger abgeschieden werden. Alternativ kann zunächst eine Abscheidung der
Kohlenstoffnanoröhrchen auf einem Zwischenträger erfolgen, an die sich ein Transfer der Kohlenstoffnanoröhrchen auf den (endgültigen) Träger anschließt. Zur vereinfachten
sprachlichen Unterscheidung von Zwischenträger und endgültigem Träger, wird im Folgenden für den Zwischenträger stets der Begriff Zwischensubstrat benutzt. Aufgrund der Verwendung eines Zwischensubstrats kann trotz einer hohen
Abscheidetemperatur der Kohlenstoffnanoröhrchen, die bei bestimmten Trägermaterialien zu Beschädigung führen könnte, letztendlich die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen auf einem Träger aus einem solchen Material erreicht werden, da vor dem Transfer auf den Träger ein Abkühlen der
Kohlenstoffnanoröhrchen auf dem Zwischensubstrat erfolgen kann.
Um zu der gewünschten einheitlichen Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen und der gewünschten Strukturierung der Kohlenstoffnanoröhrchen zu gelangen, können bereits vor der Abscheidung auf dem Träger bzw. auf einem möglichen
Zwischensubstrat entsprechend strukturierte
Katalysatormaterialien aufgebracht sein. Werden die Kohlenstoffnanoröhrchen zunächst auf einem Zwischensubstrat abgeschieden, können gegebenenfalls das Zwischensubstrat und - sofern sie nach dem Delaminieren der Kohlenstoffnanoröhrchen auf dem Zwischensubstrat haften bleiben - auch die darauf befindlichen Katalysatormaterialien erneut verwendet werden. Hierdurch kann der Kosten- und Zeitaufwand bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens vermindert werden. Eine weitere Variante der Strukturierung der
Kohlenstoffnanoröhrchen besteht darin, die
Kohlenstoffnanoröhrchen selektiv abzuscheiden. Schließlich ist auch die nachträgliche Strukturierung der
Kohlenstoffnanoröhrchen auf dem Träger oder auch dem
Zwischensubstrat möglich. Dabei können zum Beispiel
photolithographische Verfahren der Abhebe- bzw. der Ätztechnik Anwendung finden.
Das Vorsehen eines Mittels zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen kann vor oder nach einem Transfer von einem Zwischensubstrat auf den Träger erfolgen. Gleiches gilt für die Kontakte zu der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen, sofern nicht das Mittel zur
Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen selbst bereits zur Kontaktierung dient. Dabei können
entsprechende Kontakte bereits vor oder auch nach der
Abscheidung der Kohlenstoffnanoröhrchen auf das
Zwischensubstrat aufgebracht werden.
Um ein einfaches Ablösen der auf einem Zwischensubstrat befindlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen
Dehnungsmessstreifens vom Zwischensubstrat zu ermöglichen, kann auf dem Zwischensubstrat eine Opferschicht aufgebracht sein, die sich somit zwischen dem Zwischensubstrat und den Komponenten des Dehnungsmessstreifens, die vom
Zwischensubstrat zu transferieren sind, befindet. Durch ein Entfernen der Opferschicht, zum Beispiel durch nasschemisches Ätzen, kann somit die Trennung dieser Komponenten vom
Dehnungsmessstreifens erfolgen.
Soll das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen als Deckschicht unmittelbar auf die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht werden, kann das Material, welches die Deckschicht bilden soll, wie beispielsweise Metall oder eine Metalllegierung, durch ein Sputter- oder Aufdampfverfahren oder auch durch eine
Laminierung unmittelbar auf die Kohlenstoffnanoröhrchen appliziert werden. Anschließend kann das Material der
Deckschicht strukturiert werden. Dazu kann zum Beispiel
Photoätztechnik verwendet werden. Aufgrund des unmittelbaren Aufbringens der Deckschicht auf die Kohlenstoffnanoröhrchen kann sich das Material der Deckschicht in Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen setzten, die Deckschicht als Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen sich also in Zwischenräume zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung von
Kohlenstoffnanoröhrchen erstrecken. Je nach der aufgebrachten Materialmenge kann die Deckschicht die Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung an zumindest einer Seite der Anordnung nach außen hin abschließen oder lediglich Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen der Anordnung ausfüllen.
Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens beinhalten, dass eine Passivierung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen durchgeführt wird, um die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen vor äußeren Störfaktoren, wie beispielsweise mechanischer Belastung oder
Feuchtigkeitseinwirkung, zu schützen. Die Passivierung kann unter anderem durch Plasma oder durch aus der Flüssigphase ausgeschiedene Polymere erfolgen.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den
erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen, den erfindungsgemäßen Präzisionsaufnehmer sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von sieben Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
Fig. la eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens,
Fig. lb eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer ersten Fertigungsstufe des
Dehnungsmessstreifens aus Fig. la,
Fig. lc eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer zweiten Fertigungsstufe des
Dehnungsmessstreifens aus Fig. la,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens , Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens ,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens
und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Präzisionsaufnehmers .
Fig. la zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Dehnungsmessstreifens 10. Der Dehnungsmessstreifen 10 ist mit einer Anordnung 11 aus Kohlenstoffnanoröhrchen 12 auf einem Träger 13 versehen. An der Oberseite des Trägers 13 sind
Metallkontakte aufgebracht, die die Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 kontaktieren und als
Metallleiterbahnen 15 ausgestaltet sind.
In Fig. la erstreckt sich der Träger 13 in einer Ebene, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Die
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 weisen eine einheitliche
Ausrichtung auf. Die Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 ist derart gewählt, dass ihre Haupterstreckungsrichtung senkrecht zu der Ebene, in der sich der Träger 13 erstreckt, verläuft. In Fig. la verläuft die Haupterstreckungsrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 vertikal. Eine Dehnung des Dehnungsmessstreifens 10 in einer Richtung quer zur
Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 hat eine über den Dehnungsmessstreifen 10 messbare Veränderung der Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der
Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 zur Folge.
Entsprechend dem in Fig. 1 illustrierten Ausführungsbeispiel ist der Träger 13 eine isolierende Polymerfolie. Er erstreckt sich in Zwischenräume 14 zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 und füllt sie vollständig aus. Außerdem umschließt er die
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 vollständig. Die
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 sind somit in den Träger 13
eingebettet. So wird eine ausreichende Haftung der
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 auf dem Träger 13 sichergestellt. Zudem wird sichergestellt, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 ihre einheitliche Ausrichtung beibehalten. Durch die
Einbettung in den Träger 13 sind die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 von der Umgebung abgeschirmt. Da der Träger 13 aus einem isolierenden Polymer besteht, kann er unmittelbar auf einen Körper, dessen Deformation mittels des Dehnungsmessstreifens 10 gemessen werden soll, aufgebracht werden, auch wenn dieser Körper selbst elektrisch leitfähig ist.
Die Metallleiterbahnen 15 dienen nicht nur zur Kontaktierung der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen 15, sondern sie stellen gleichzeitig ein Mittel zu Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 dar. Zu diesem Zweck ist die Geometrie der Metallleiterbahnen 15 entsprechend ausgestaltet. Die Metallleiterbahnen sind im Wesentlichen neben der Anordnung 11 von Kohlensto fnanoröhrchen 12 angeordnet. Lediglich zur Kontaktierung überlappen die Metallleiterbahnen 15 in einem Teilbereich mit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12. Ansonsten sind sie durch den Träger 13 gegenüber der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 elektrisch isoliert. Die Metallleiterbahnen sind also in Reihe zur der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 geschaltet.
Die elektrische Leitfähigkeit der Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 weist in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, d.h. der elektrische Widerstand der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 weist in dieser Richtung einen negativen Temperaturkoeffizienten auf. Die Metallleiterbahnen 15 verfügen dagegen über einen
negativen Temperaturkoeffizienten der elektrischen
Leitfähigkeit, d.h. der elektrische Widerstand der
Metallleiterbahnen 15 weist einen positiven
Temperaturkoeffizienten auf. Die Temperaturkoeffizienten der Anordnung 11 und der Metallleiterbahnen 15 haben somit entgegengesetzte Vorzeichen. Geometrie und Material der
Metallleiterbahnen 15 sind so gewählt, dass, zumindest bei Temperaturbedingungen, unter denen der Dehnungsmessstreifen 10 üblicherweise eingesetzt wird, eine Temperaturänderung, die bei alleiniger Betrachtung der Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 zu einer negativen elektrischen Widerstandsänderung der Anordnung 11 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 führen würde, bei alleiniger Betrachtung der Metallleiterbahnen 15 zu einer positiven elektrischen Widerstandsänderung der
Metallleiterbahnen 15 führen würde, die betragsmäßig zumindest beinah ebenso groß ist, wie der Betrag der positiven
Widerstandsänderung der Anordnung 11. Sind die
Metallleiterbahnen 15 und die Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 galvanisch miteinander verbunden wie in Fig. 1 gezeigt, kompensieren sich die
temperaturbedingten elektrischen Widerstandsänderungen der Anordnung 11 und der Metallleiterbahnen 15 weitgehend. Die Metallleiterbahnen 15 sind also als Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12
ausgestaltet .
Dadurch, dass mit den Metallleiterbahnen 15 ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 vorgesehen ist, wirkt sich die Umgebungstemperatur beim Einsatz des Dehnungsmessstreifens 10 nur in geringem Umfang auf das Messergebnis einer mittels des Dehnungsmessstreifens 10 durchgeführten Dehnungsmessung aus. Da die Metallleiterbahnen 15, die ein Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoff anoröhrchen darstellen, ebenfalls zur Kontaktierung der Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 dienen, bzw. anders herum
ausgedrückt die Kontakte als Mittel zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten ausgestaltet sind, müssen dedizierte Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten nicht vorgesehen werden.
Fig. lb zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer ersten Fertigungsstufe des Dehnungsmessstreifens 10 aus Fig. la. Die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 sind in Fig. lb nach ihrer Abscheidung auf ein Zwischensubstrat 16 dargestellt. Vor oder auch nach der Abscheidung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 auf das Zwischensubstrat 16 werden die Metallkontakte 15 auf das Zwischensubstrat 16 aufgebracht.
Bereits vor der Abscheidung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 auf das Zwischensubstrat 16 wurden auf das Zwischensubstrat 16 strukturierte Katalysatormaterialien (nicht gezeigt)
aufgebracht, die bewirken, dass sich die angestrebte
Strukturierung und einheitliche Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 einstellen. Alternativ zur
Strukturierung durch Katalysatormaterialien können die
Kohlenstoffnanoröhrchen auch selektiv abgeschieden werden. Weiterhin können sie überhaupt erst nach der Abscheidung, beispielsweise mittels photolithographischer Verfahren, strukturiert werden.
Fig. lc zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer zweiten Fertigungsstufe des Dehnungsmessstreifens 10 aus Fig. la. In Fig. lc ist das verwendete Polymermaterial in flüssigem Zustand auf die Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 und die Metallkontakte 15
aufgebracht worden, während sich diese auf dem
Zwischensubstrat 16 befinden. Das flüssige Polymermaterial fließt in die Zwischenräume 14 zwischen den
Kohlenstoffnanoröhrchen 12. Durch Erkalten bildet das
Polymermaterial den Träger 13 aus, der sich in die
Zwischenräume 14 zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 erstreckt. Die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 werden so in ihrer Strukturierung und einheitlichen Ausrichtung fixiert .
Anschließend werden die Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12, die Metallkontakte 15 und der Träger 13 vom Zwischensubstrat 16 gelöst ( Delaminieren) , um so den in Fig. la dargestellten Dehnungsmessstreifen 10 zu erhalten. Das Zwischensubstrat 16 und - sofern sie nach dem Delaminieren auf dem Zwischensubstrat 16 haften bleiben - auch die darauf befindlichen Katalysatormaterialien können nach dem Delaminieren erneut verwendet werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens 20. In Fig. 2 sind, wie auch in den nachfolgenden Figuren, Komponenten des Dehnungsmessstreifens 20, die identisch zu den entsprechenden Komponente des
Dehnungsmessstreifens 10 sind, mit identischen Bezugszeichen versehen. Der Übersichtlichkeit halber wird im Folgenden stets ausschließlich auf Unterschiede zwischen dem jeweils
erläuterten Dehnungsmessstreifen und den zuvor erläuterten Dehnungsmessstreifen eingegangen .
Der Dehnungsmessstreifen 20 verfügt über eine isolierende Polymerfolie als Träger 23. Die Kontaktierung der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 erfolgt über Metallleiterbahnen 15, die gleichzeitig als Mittel zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12
ausgestaltet sind. Im Unterschied zum Dehnungsmessstreifen 10 aus Fig. la erstreckt sich der Träger 23 des
Dehnungsmessstreifens 20 nicht in die Zwischenräume 14
zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 hinein.
Die Herstellung des Dehnungsmessstreifens 20 kann ähnlich wie die des Dehnungsmessstreifens 10 aus Fig. la ablaufen. Das Aufbringen der Trägers 23 auf die Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 geschieht dabei zweckmäßigerweise erst nachdem die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 auf dem
Zwischensubstrat 16 abgekühlt sind, so dass eine thermische Beschädigung des Trägers 23 verhindert wird. Als zusätzlicher Schritt kann anschließend eine Passivierung der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 durchgeführt werden, um die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 vor äußeren
Störfaktoren, wie beispielsweise mechanischer Belastung oder Feuchtigkeitseinwirkung, zu schützen. Die Passivierung kann unter anderem durch Plasma oder durch aus der Flüssigphase ausgeschiedene Polymere erfolgen.
Herstellungsprozesse ähnlich den vorstehend beschriebenen können auch bei der Produktion der nachstehend beschriebenen Dehnungsmessstreifen zum Einsatz kommen.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens 30. Der Dehnungsmessstreifen 30 ähnelt dem Dehnungsmessstreifen 20 aus Fig. 2, wobei jedoch die
Metallleiterbahnen 35 verglichen mit den Metallleiterbahnen 25 in Fig. 2 an der gegenüberliegenden Seite des Trägers 23 angeordnet und durch den Träger 23 hindurchgeführt sind, z.B. durch Strukturierung des Trägers mittels Fotolithographie und Ätzprozessen. Dadurch können die Metallleiterbahnen 35 entlang der Richtung der Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 zur Anordnung 11 der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 angeordnet werden anstatt, wie die Metallleiterbahnen 25 in Fig. 2, im Wesentlichen neben der Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 angeordnet zu sein. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 ist der Bedarf an zusätzlicher Fläche für die Metallleiterbahnen 35 reduziert, so dass der Dehnungsmessstreifen 30 einen kompakteren Aufbau besitzt.
Weiterhin unterlieg die Metallleiterbahnen 32 und die
Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in mehrfacher Hinsicht den gleichen physikalisch Bedingungen, zum Beispiel Druck und Dehnung. Der Träger 23 dient als Isolationsschicht zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 und den
Metallleiterbahnen 35, so dass die Metallleiterbahnen 35 in Serie zu den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 geschaltet sind. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens 40, der dem Dehnungsmessstreifen 10 aus Fig. la ähnelt jedoch anders gestaltete Metallkontakte 45 aufweist, die denen aus Fig. 3 ähneln.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens 50. Zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 besitzt der Dehnungsmessstreifen 50 eine Deckschicht 56, die
unmittelbar auf die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 aufgebracht ist. Die Deckschicht 56 besteht aus Metall und wurde durch Aufdampfen direkt auf die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 und anschließendes Strukturieren mittels Photoätztechnik erzeugt. Aufgrund des unmittelbaren Aufbringens der
Deckschicht 56 auf die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 kann sich das Material der Deckschicht 56 in Zwischenräume 14 zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 setzten, die Deckschicht 56 als Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur
Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12 sich also in die Zwischenräume 14 zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 erstrecken. Zusammen mit dem Träger 53 trägt sie also dazu bei, die Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in ihrer Position und die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in ihrer
Ausrichtung zu fixieren. Die Metallmenge der Deckschicht 56 wurde so gewählt, dass die Deckschicht 56 die
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 in Fig. 5 an ihrer Oberseite nach außen hin abschließt. Da die Deckschicht 56 unmittelbar, d.h. auch ohne isolierende Trennschicht, auf die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 aufgebracht ist, ist die Deckschicht 56 - und damit das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 - parallel zur der Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 geschaltet.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens 60. Der Träger 63 des
Dehnungsmessstreifens 60 umfasst eine Metallschicht 61 und eine elektrisch isolierende Schicht 62.
Die Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 sind in die Metallschicht 61 des Trägers 63 eingebettet, d.h. sie erstrecken sich ein Stück weit in das Trägermaterial hinein (nicht dargestellt) . Die Metallschicht 61 dient als Mittel zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen 12. Die Metallschicht 61 und die Anordnung 11 von
Kohlenstoff anoröhrchen 12 sind parallel geschaltet. Die elektrisch isolierende Schicht 62 erlaubt, den
Dehnungsmessstreifen 60 direkt auf einen metallischen Körper, dessen Dehnung mittels des Dehnungsmessstreifens 60 bestimmt werden soll, aufzubringen. Die Ausgestaltung des Trägers 63 als Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung 11 von
Kohlenstoffnanoröhrchen 12 macht das Vorsehen eines
dedizierten Mittels zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten überflüssig. Zudem dient die
Metallschicht 61 des Trägers 63 zur elektrischen Kontaktierung der Anordnung 11, so dass keine zusätzlichen Kontakte
vorgesehen werden müssen. Alternativ zur Fertigung der Schicht 61 aus Metall kann auch eine Metalllegierung verwendet werden. Es ist möglich, vorzusehen, dass die Metallschicht 61 sich in die Zwischenräume 14 zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen 12 der Anordnung 11 von Kohlenstoffnanoröhrchen 12 erstreckt oder gar vorzusehen, dass Kohlenstoffnanoröhrchen 12 vollständig in die Metallschicht 61 eingebettet sind.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Präzisionsaufnehmers 70. Der Präzisionsaufnehmer 70 umfasst einen Federkörper 71 der bei mechanischer Belastung deformiert wird und wird als Wägezelle verwendet. Auf dem Federkörper 71 sind mit den Dehnungsmessstreifen 72 und 73 zwei
erfindungsgemäße Dehnungsmessstreifen rechtwinklig zueinander angeordnet. Eine Verformung des Federkörpers 71 beim
Wiegevorgang hat jeweils eine Verformung der
Dehnungsmessstreifen 72 und 73 einer Richtung quer zu der Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen der
Dehnungsmessstreifen 72 und 73 zur Folge. Darüber wird die Deformation des Federkörpers 71 erfassbar. So kann auf das Gewicht eines mittels des Präzisionsaufnehmers 70 zu wiegenden Objekts geschlossen werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73) mit einer Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) auf einem Träger (13; 23; 53; 63), wobei die
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) eine einheitliche
Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des
Dehnungsmessstreifens (10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73) in einer Richtung quer zur Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) eine über den
Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73) messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) zur Folge hat, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (15; 25; 35; 45; 56; 61) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) vorgesehen ist.
2. Dehnungsmessstreifen (10; 40; 60) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen
(12) der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in den Träger (13; 63) eingebettet sind.
3. Dehnungsmessstreifen (10; 40; 60) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (13; 63) mit einer Beschichtung versehen ist.
4. Dehnungsmessstreifen (10; 40) nach Anspruch 2 oder
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) der Anordnung (11) von
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) vollständig in den Träger
(13) eingebettet sind. Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) derart gewählt ist, dass die Haupterstreckungsrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) senkrecht zu der Ebene, in der sich der Träger (13; 23; 53; 63) erstreckt, verläuft.
Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Mittel (15; 25; 35; 45; 56; 61) zur Kompensation des Temperaturkoeffizie ten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) einen
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit aufweist, der gegenüber dem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) ein
entgegengesetztes Vorzeichen hat.
Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach
Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15; 25; 35; 45; 56; 61) zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt ist.
Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15; 25; 35; 45;) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in Reihe zu der Anordnung (11) von
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) geschaltet ist.
Dehnungsmessstreifen (50; 60) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (56; 61) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) parallel zu der Anordnung (11) von
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) geschaltet ist.
Dehnungsmessstreifen (50) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) als Deckschicht (56)
unmittelbar auf die Anordnung (11) von
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) aufgebracht ist.
Dehnungsmessstreifen (50) nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (56) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12)^ sich in Zwischenräume (14) zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen (12) der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) erstreckt .
Dehnungsmessstreifen (60) nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (63) als das Mittel zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) ausgestaltet ist .
Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das
Mittel (15; 25; 35; 45; 56) zur Kompensation des
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) zusätzlich zu dem Träger (13; 23; 53) vorgesehen ist.
14. Präzisionsaufnehmer (70), insbesondere Wägezelle, mit
einem Dehnungsmessstreifen (72, 73) nach einem der
Ansprüche 1 bis 13, wobei insbesondere der
Dehnungsmessstreifen (72, 73) auf einem Federkörper (71) des Präzisionsaufnehmers (70) derart angeordnet ist, dass eine Verformung des Federkörpers (70) beim Wiegevorgang eine Verformung des Dehnungsmessstreifens (72, 73) in der Richtung quer zu der Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) zur Folge hat.
15. Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens
(10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73), insbesondere eines Dehnungsmessstreifens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem auf einen Träger (13; 23; 53; 63) eine Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) aufgebracht wird, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen (12) eine einheitliche Ausrichtung aufweisen, so dass eine Dehnung des
Dehnungsmessstreifens (10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73) in einer Richtung quer zur Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) eine über den
Dehnungsmessstreifen (10; 20; 30; 40; 50; 60; 72, 73) messbare Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der Richtung quer zur Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhrchen (12) zur Folge hat, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (15; 25; 35; 45; 56; 61) zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit der Anordnung (11) von Kohlenstoffnanoröhrchen (12) in der der Richtung quer zur Ausrichtung der
Kohlenstoffnanoröhrchen (12) vorgesehen wird.
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