ISBN 978-3-8439-1608-0

978-3-8439-1608-0, Reihe Mikrosystemtechnik

Svenja Riekeberg
Flexible Dehnungsmessstreifen auf Basis von vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren

173 Seiten, Dissertation Technische Universität Hamburg-Harburg (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die strukturelle und elektrische Untersuchung und Bewertung von vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren als Funktionsmaterial in Dehnungsmessstreifen (DMS) insbesondere für die Wägezellentechnik.

Für eine präzise Messung einer von außen einwirkenden Kraft sollte das Funktionsmaterial eines DMS eine hohe Änderung seines elektrischen Widerstandes auf Dehnung aufweisen, die durch den k-Faktor beschrieben wird. Gleichzeitig sollte diese Material möglichst keine Querempfindlichkeiten des elektrischen Widerstandes, z.B. auf Temperaturschwankungen zeigen.

In der Wägezellentechnik kommen häufig Foliendehnungsmesstreifen zum Einsatz, deren Sensormaterial aus Metalllegierungen bestehen, die verschwindend kleine Temperaturabhängigkeiten des Widerstandes aufweisen, aber auch eine geringe Sensitivität auf Dehnung (k-Faktoren von 2) zeigen. Alternativ werden in der Halbleitertechnologie DMS aus Silizium gefertigt, die eine hohe Sensitivität des Widerstandes auf Dehnung mit k-Faktoren von bis zu 200 besitzen, aber auch eine hohe Temperaturabhängigkeit mit sich bringen. Das fortschreitende physikalische und technologische Verständnis neuer Nanomaterialien ermöglicht eine neue Generation von DMS.

Durch die Nutzung von vertikal ausgerichteten CNT-Teppichen als Basismaterial in Dehnungsmessstreifen wurde ein vielseitiges, innovatives Funktionsmaterial gefunden, welches eine hohe Sensitivität des elektrischen Widerstands auf Dehnung mit einem k-Faktor von 8 aufweist. Eine geeignete Prozessparameterwahl ermöglicht die Reduktion der Querempfindlichkeit des Widerstandes auf Temperatur. Durch zusätzliche Pt-Leiterbahnen, die in Serie an beiden Seiten des CNT-Teppichs kontaktiert werden, konnte die Temperaturempfindlichkeit zu Null kompensiert werden. Die Veränderung des elektrischen Widerstandes aufgrund von Adsorption und Desorption von Molekülen aus der Atmosphäre an den CNTs wird durch eine Passivierungsschicht verhindert. Dadurch kann eine hohe Selektivität der Widerstandsänderung aufgrund von Dehnung und Stauchung erreicht werden.

Zudem wurde in dieser Arbeit eine Transfertechnologie entwickelt, welche die Integration der CNT-basierten DMS in Präzisionsaufnehmern ermöglicht. Dabei wird der CNT-basierte DMS von einem temperaturstabilen Zwischenträger auf eine Folie übertragen.