Mikrosensoren für tribologische Systeme

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1 Competence in Silicon Mikrosensoren für tribologische Systeme CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik Thomas Frank 1

2 Inhalt CiS Forschungsinstitut Tastspitze für Rauheitsmessungen 3D-Mikrokraftsensor Härte Messung mit CIS-Technologie Halbleiter-Dehnungssensoren zur Kraftsensoren 2

3 Fakten Gemeinnützige privatrechtliche Forschungseinrichtung (GmbH) Gründung 1993 Gesamtleistung ,0 Mio. Öffentliche Forschungsprojekte 50 % Industrielle Auftragsforschung und Fertigung 50 % Keine Grundfinanzierung Mitarbeiter F&E 91 Facharbeiter, Assistenten 29 Flächen Reinraum Klasse m² Reinraum Klasse m² Reinraum Klasse m² Klimatisierte Labore m² 3

4 Unsere technologischen Kompetenzen Simulation und Design Wafer-Technologie Aufbau- und Verbindungstechnik Messtechnik und Analytik 4

5 Tastspitze für Rauheitsmessungen 5

6 3D-Mikrokraftsensor Integration in Windkanal-Modelle Strömungsmessung und Turbulenzen mit Tasthaaren zur Objektverfolgung in Fluiden Haptik, Tribologische Untersuchungen Messungen in der Sportmedizin und Biomechanik, Messung der Druckverteilung im Schuh, auf Sätteln und Stühlen Statische oder dynamische Reifenabdruckmessungen. 6

7 3D-Mikrokraftsensor 7

8 3D-Mikrokraftsensor Mechanische Spannungen infolge von Fz Verformung ist übertrieben dargestellt Fy Fx 8

9 Härte Messung mit CIS-Technologie Die Härte ist eine wichtige Materialkenngröße und wird nach Martens allgemein als der Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen eines Körpers aus einem härteren Werkstoff definiert Der Elastizitätsmodul weist keinen klar definierbaren Bezug zur Materialhärte, Streckgrenze und Zugfestigkeit Härte ist eine Eigenschaft der Kristallstruktur, bzw. der Gitterstruktur Materialhärte, Bezug zu Streckgrenze und Zugfestigkeit vorhanden 9

10 Härte Messung mit CIS-Technologie Härteprüfung nach Brinell (DIN EN ISO ) Härteprüfung nach Vickers (DIN EN ISO ) Härteprüfung nach Rockwell (DIN EN ISO ) [2] Härteprüfung nach Martens 10

11 Härte Messung mit CIS-Technologie Härtemessung über die Eindringtiefe lässt sich miniaturisieren Als Grenze zwischen Mikro- und Nanomessbereich sind nach DIN EN ISO eine Eindringtiefe von 200 nm festgelegt[1]. 11

12 Härte Messung mit CIS-Technologie 12

13 Halbleiter-Dehnungssensoren zur Kraftsensoren Hoher K-Faktor: größer 80 (Metallfolien-DMS ca. 2-5) Miniatutisierungspotential (200 µm * 200 µm aktive Fläche) Bondpad Elektrische Zuleitung (p ++) Longitudinal Widerstand R L L(100) = Pa -1 Lötpad Richtung der Belastung Typ 1 Aus homogen dotiertem Bulksilizium, Einzelwiderstand Typ 2 Aus n dotiertem Bulksilizium, p-dotierte Leitungsgebiete, Messbrücke Transversal Widerstand R T T(100) = Pa -1 Typ 3 Wie Typ 2, aber nur minimale Querdehnungsempfindlichkeit Typ 4 Wie Typ 2 oder 3, nur auf Basis von SOI, höhere Einsatztemperatur 13

14 Halbleiter-Dehnungssensoren zur Kraftsensoren Coefficient of thermal expansion 10-6 K -1 U offset 30 C mv/v U offset 30 C Minimal mv/v Silizium DMS Temperature gradient of the offset µv/vk Temperature gradient of the offset minimal µv/vk (V2A ) Titan Aluminium Sensitivität Si-DMS Vergleich: Metallfolien DMS TKN(NiCr-DMS) auf Aluminium 0.40mV/(V MPa) 0.05mV/(V MPa) 0,1 µv/(vk) 14

15 Halbleiter-Dehnungssensoren zur Kraftsensoren 15

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