ISBN 9783843905534

978-3-8439-0553-4, Reihe Elektrotechnik

Jacqueline Rausch
Entwicklung und Anwendung miniaturisierter piezoresistiver Dehnungsmesselemente

243 Seiten, Dissertation Technische Universität Darmstadt (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden miniaturisierte piezoresistive Messelemente zur Erfassung der Messgröße Dehnung entwickelt und charakterisiert. Die Anforderungen werden von 2 Anwendungsfällen, miniaturisierte Mehrkomponenten-Kraftsensoren und Strukturüberwachung adaptronischer Systeme, abgeleitet. Anhand einer Literaturrecherche sowie experimentellen Untersuchungen wird der Stand der Technik analysiert. Inhomogen dotierte Siliziumelemente und gedruckte dehnungssensitive Schichten werden ausgewählt und hinsichtlich ihrer Eignung zur strukturintegrierten Dehnungsmessung analysiert.

Der 1. Teil der Arbeit behandelt den Entwurf inhomogen dotierter Siliziumelemente. Messelementtopologie wie auch Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) werden hinsichtlich des Einflusses auf die Dehnungsübertragung untersucht. Ein analytisches Modell zur Dehnungsübertragung vom Messobjekt in das Messelement wird bestimmt und durch Struktursimulationen und Experimente bestätigt.

4 Varianten werden präpariert und hinsichtlich ihres statischen Übertragungsverhaltens, der Eigenstörungen und des Temperaturverhaltens untersucht. Zur Analyse des Übertragungsverhaltens dient ein im Rahmen der Arbeit entwickelter 4-Punkt-Biegeversuch. Es kann gezeigt werden, dass durch die Wahl von AVT und Messelementgeometrie die Empfindlichkeit um bis zu Faktor 60 in Vergleich zu herkömmlichen DMS gesteigert werden kann.

Im 2. Teil der Arbeit wird das Drucken funktionaler Druckfluide, die niedrige Prozesstemperaturen benötigen, zur Realisierung piezoresistiver DMS untersucht. Ihre Wirtschaftlichkeit prädestiniert diese Sensortechnologie für die Applikation in der Strukturüberwachung. Der Schwerpunkt liegt auf der experimentellen Untersuchung der gedruckten Schichten, um die Eignung der Technologie für die strukturintegrierte Dehnungsmessung bewerten zu können. Zur Realisierung der Schichten werden die Verfahren Sieb- und Inkjetdruck eingesetzt. In Vorversuchen werden el. und mechan. Eigenschaften 4 funktionaler Druckfluide abhängig vom Herstellungsprozess untersucht. Hierauf basierend werden 2 Sensortopologien entworfen und realisiert. Die statischen Übertragungseigenschaften und die Eigenstörung werden experimentell bestimmt. Es zeigt sich, dass die untersuchten Druckfluide im Vergleich zu Folien-DMS eine um Faktor 2 reduzierte Empfindlichkeit aufweisen, aufgrund ihrer Überlastfestigkeit und geringen Eigenstörungen jedoch gut für die Dehnungsmessung in Faserverbundwerkstoffen geeignet sind.