Integrierte Piezokapazitive Dünnschichtsensoren für mechanisch hochbelastete Bauteile

Die Erfassung von Kräften und Drücken an tribologisch belasteten Bauteiloberflächen stellt eine große Herausforderung dar. Hierzu werden Dünnschichtsysteme als Oberflächenbeschichtung aufgebracht, welche eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Reibungsminimierung mit sensorischen Eigenschaften vereinen. Über die Kontraktion elastischer Dünnschichten werden auf die Oberfläche wirkende Normalkräfte als Funktion der Schichtdicke indirekt erfasst. Das Schichtsystem hierfür besteht aus einer Abfolge mit Silizium und Sauerstoff modifizierter, amorpher Kohlenwasserstoffschichten (a-C:H:Si:O) und elekrisch leitfähigen Metallschichten aus Chrom. Die aus dem Bereich der DLC-Schichten (Diamond Like Carbon) stammende modifizierte Kohlenwasserstoffschicht, wird mittels PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) auf die polierte Oberfläche eines Stahlsubstrats abgeschieden. Sie dient zum einen als elektrische Isolations- und Verschließschutzschicht, zum anderen als elastisch deformierbares Dielektrikum. Zwischen einer fotolithographisch strukturierten, flächigen Dünnschichtelektrode und dem Grundsubstrat wird die geringe belastungsabhängige Schichtdickenänderung des Dielektrikums kapazitiv ermittelt. Somit besitzt das System optimale Eigenschaften, um als integrierter Kraft- oder Druckmessfühler in mechanisch hochbeanspruchten Kontaktflächen eingesetzt zu werden.