Entwicklung und Untersuchung neuer Mikrostrukturen zur Messung statischer und dynamischer Kräfte
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des DFG-Projektes „Entwicklung und Untersuchung neuer Mikrostrukturen zur Messung statischer und dynamischer Kräfte“ sind in der Projektlaufzeit von zwei Jahren erfolgreich Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen auf selbst gefertigten Dehnungskörpern appliziert und in Vergleichsmessungen mit konventionellen Dehnungsmessstreifen (DMS) charakterisiert worden. Die Arbeit wurde in enger Kooperation zwischen den Fachbereichen (FB) 5.5 Wissenschaftlicher Gerätebau und 1.2 Festkörpermechanik der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig durchgeführt. Hierbei war es die Aufgabe des Wissenschaftlichen Gerätebaus, sowohl die Dehnungskörper aus einer geeigneten, vorgegebenen, extrem kriecharmen Al-Legierung (AlCuMgMn, 2024-T351) mit größtmöglicher Präzision zu fertigen, wie auch die zur photolithographischen Herstellung von Dünnfilm-DMS notwendige Technologie zu entwickeln (Hardware und Prozess) und die Dünnfilm-DMS herzustellen. Es war die Aufgabe des FB Festkörpermechanik die Dünnfilm-DMS in Versuchsreihen mit konventionellen, aufzuklebenden DMS zu vergleichen und die Ergebnisse darzustellen. Die für die ersten zwei Projektjahre vorgesehenen Arbeiten wurden erfolgreich durchgeführt. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer Dünnschichtsensoren sowie auf dem Ausbau bzw. der Anpassung der erforderlichen Normalmesseinrichtungen. Es wurden für die jeweiligen Kraftbereiche geeignete Verformungskörper ausgelegt und mit Hilfe von FEM Analysen dimensioniert. Gleichzeitig erfolgte die Entwicklung geeigneter Herstellverfahren und die Optimierung der Abläufe. Von besonderer Herausforderung war dabei die Erzielung einer hohen Formgenauigkeit und Oberflächengüte. So wurden Verformungskörper für den Kraftbereich bis 10 kN mit einer Rundheitsabweichung von nur 2 µm und mit Rauheiten von Ra = 27 nm und Rz = 128 nm hergestellt. Die maximale Rauheit wurde zu Rmax = 185 nm bestimmt. Die für kleine Kräfte geeigneten Verformungskörper konnten sogar mit einer Ebenheit von Ptlängs = 12,2, bzw Ptquer = 6,2 µm und Ra = 15 nm hergestellt werden. Im Rahmen der Sensorentwicklung zeigte sich, dass die vorhandenen Herstellverfahren zur Erzielung der geforderten Präzision nicht ausreichend waren. So wurden Verfahren und Abläufe entwickelt, um in hoher Reinheit und Genauigkeit Sensoren herzustellen. Dabei wurde auch dem Aspekt der Isolierschicht, die vollständig auf der Zylinderfläche des Verformungskörper abgeschieden werden musste, eine besondere systematische Untersuchung gewidmet. Im Rahmen der Projektbearbeitung war es schließlich möglich, Sensoren mit hoher Präzision reproduzierbar herzustellen. Die von üblichen Sensorwerkstoffen und –Substraten (wie Si-Wafern) abweichenden Werkstoffe und Geometrien, wie sie für die Kraftsensoren vorgegeben wurden, stellten sich als die besonderen Herausforderungen bei der Projektbearbeitung heraus. Für den Vergleich der entwickelten Sensoren mit handelsüblichen Folien DMS mussten die Messsysteme teilweise angepasst werden. Die Untersuchungen zeigten im Kraftbereich bis 10 kN eine ähnlich gute Eignung der Dünnschichtsensoren, wie bei den Folien DMS, was gemessen an den vielen Jahrzehnten Entwicklungsarbeiten, die bei den Folien DMS bereits durchgeführt wurden, ein ausgezeichnetes Ergebnis für die Dünnschichtsensoren darstellt. Die weiteren Untersuchungen unter dynamischer Belastung und bei kleinen Kräften zeigen bessere Ergebnisse als bei den Folien DMS auf. Trotz dieser sehr viel versprechenden ersten Ergebnisse, konnte das zu erwartende große Potential der Sensoren noch nicht erschlossen werden. Hierzu wäre ein weiteres Projektjahr, wie es beantragt war, notwendig. Gerade bei dynamischen Belastungen, auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen oder kleinen Kräften sowie bei miniaturisierten oder in Mikrostrukturen integrierte Kraftaufnehmer ließe sich das Potential der entwickelten Dünnschichtsensoren sehr gut nutzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Entwicklung und Untersuchung eines Kraft-Weg-Transfer-Aufnehmers für dynamische Anwendungen". Dissertation
Andre Buß
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The achievable uncertainty for balance-based force standard machines in the range from micronewton to newton. Proc. of the Joint Int. Conf. IMEKO TC3/TC16/TC22, Merida, Mexico, 2007
Jens Illemann
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„Fabrication of Sputtered Resistance Strain Gauges on Curved Surfaces“. EUSPEN Conference O 7.5, Bremen, 2007
Daniel Hagedorn, Rudolf Meeß, Frank Löffler
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„Fabrication of Sputtered Resistance Strain Gauges on Curved Surfaces“. Proceedings of the 7th Euspen International Conference Vol. II, ISBN10:0-9553082-2-4, 453-456, May 2007
Daniel Hagedorn, Rudolf Meeß, Frank Löffler
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Aufbau einer neuartigen Kraft-Normalmesseinrichtung für den Bereich 1 mN bis 2 N. Forschungsnachrichten der Abteilung 1
Jens Illemann
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PTB-Mitteilungen 118 (2008), Heft 3, S. 143-151
Jens Illemann, Rolf Kumme, Vladimir Nesterov und Uwe Brand
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“Development and investigation of new force transducers for dynamic measurements”. Analysis of Dynamic Measurements Meeting, NPL, Teddington, November 2008
Andre Buß
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„Advanced Fabrication Process and Measurments of Thin-Film Sensors“. ICMC/TF San Diego, 2008
Daniel Hagedorn, Rudolf Meeß, Frank Löffler, Andre Buß, Jens Illemann, and Rolf Kumme
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„Entwicklung und Untersuchung von Kraftaufnehmern zur hochgenauen Messung statischer und dynamischer Kräfte“. Sensoren und Messsysteme 2008, Ludwigsburg, 2008
Andre Buß, Jens Illemann, Rolf Kumme, Daniel Hagedorn, Rudolf Meeß, und Frank Löffler
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„Manufacturing Test Masses for the Evaluation of the Equivalence Principle“. Stanford University, Mai 2008
Daniel Hagedorn, Frank Löffler
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„Sensorentwicklung bei der PTB am Beispiel gesputterter DMS-Sensoren“. DKD-Fachausschuss „Mechanische Größen“ im Kalibrierdienst, 51. FA-Sitzung, Oberaula, Juni 2008
Rolf Kumme
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„Entwicklung und Untersuchung von Kraftaufnehmern zur hochgenauen Messung statischer und dynamischer Kräfte“. VDI-Berichte 2011, ISBN 978-3-18-092011-5, 2008
Andre Buß, Jens Illemann, Rolf Kumme, Daniel Hagedorn, Rudolf Meeß, und Frank Löffler
