Thin film sensors on 3D freeforms suitable for mechatronic systems - 3DSense

• Applicants: Professor Dr. Günter Bräuer; Professor Dr. Andreas Dietzel
• Subject Area: Microsystems ; Coating and Surface Technology
• Term: from 2016 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 283737812

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Im Projekt „3DSense“ wurde ein folienbasiertes taktiles Sensorsystem entwickelt. Mittels eines Arrays aus 3D-Blistern (Kantenlänge 1x1 mm), die in ein Polyimid-Foliensubstrat geprägt sind, können Kontaktkräfte ortsaufgelöst gemessen werden. Als Sensorelemente dienen dabei miniaturisierte, mittels Laserablation gefertigte Dehnungssensoren die, im Falle des letzten Prototyps, auf die Flanken der Blister geschrieben sind. Dabei wurde die zeiteffiziente Konturschnitt-Methode für die Sensorfertigung eingesetzt. Das Projekt gliederte sich in vier größere Arbeitspakete. Im ersten Arbeitspaket wurde ein auf Spin Coating basierendes Herstellungsverfahren für flexible Folien mit verformbaren 3D Konverterstrukturen auf Waferlevel entwickelt. Polyimid wurde aufgrund seiner guten dielektrischen und mechanischen Eigenschaften sowie der Verfügbarkeit eines flüssig aufschleuderbaren Präkursors als Substratmaterial gewählt. Im zweiten Arbeitspaket wurden unterschiedliche (Metall-dotierte und undotierte) DLC Dünnschichten im Hinblick auf die Eignung als dehnungsempfindliche Sensorbeschichtung untersucht (Schichtspannung, K-Faktor, TCR, etc.). Ebenfalls wurde die 3D Konformität (auch für klassische NiCr Beschichtungen) analysiert. Parallel dazu erfolgten in Arbeitspaket drei Ablationsversuche von mit DLC und NiCr beschichteten Polyimidsubstraten. Ziel dabei war die Ultrakurzpulslaser gestützte Strukturierung von Messgittern. Die Machbarkeit des Direktschreibens auf dem empfindlichen Foliensubstrat und für nicht planare Topologien konnte sowohl für Beschichtungen aus DLC (mit Einschränkungen) als auch NiCr gezeigt werden. Im letzten Arbeitspaket wurden die Erkenntnisse der vorangegangenen Arbeitspakete genutzt um mehrere Evolutionsstufen von Prototypen zu entwickeln. Am Ende konnte eine flexible taktile Sensorfolie gefertigt und die ortsaufgelöste Messung von Kontaktkräften erfolgreich gezeigt werden. Für die mit Sensoren ausgestatteten dreidimensionalen Konverterstrukturen (Blister) konnte bereits ein kleinerer Prototyp gefertigt werden.

Publications

• Niobium-doped DLC layers prepared by reactive HIPIMS, Conference on Reactive Sputter Deposition, Pilsen, Tschechien, 2017
  M. Grein, R. Bandorf, G. Bräuer
  
• Femtosecond laser-contoured micro-strain gages, 44th International Conference on Micro & Nano Engineering, Kopenhagen, Denmark, 2018
  C. von der Heide
  
• Accumulated fluence methodology for selective metallic thin-film ablation from susceptible polymer substrate using femtosecond laser pulses, 45th International Conference on Micro & Nano Engineering, Rhodes, Greece, 2019
  C. von der Heide
  
• Femtosecond laser-contoured micro-strain gages, Microelectronic Engineering (2019)
  C. von der Heide, M. Grein, A. Dietzel
  
• Material structure and piezoresistive properties of niobium containing diamond-like-carbon films, Surface and Coatings Technology 357 (2019) 273–279
  M. Grein, R. Bandorf, K. Schiffmann, G. Bräuer
  
• Niobium-containing DLC coatings on various substrates for strain gauges, Coatings 2019, 9, 417
  M. Grein, J. Gerstenberg, C. von der Heide, R. Bandorf, G. Bräuer, A. Dietzel
  
• Methodology of selective metallic thin film ablation from susceptible polymer substrate using pulsed femtosecond laser, arXiv.org (2020)
  C. von der Heide, M. Grein, A. Dietzel