Entwicklung und Anwendung miniaturisierter piezoresistiver Dehnungsmesselemente

In der vorliegenden Arbeit werden miniaturisierte piezoresistive Messelemente zur Erfassung der Messgrose Dehnung entwickelt und charakterisiert. Die Anforderungen an die Messelemente werden von den zwei Applikationen miniaturisierte Kraftsensoren fur die minimal-invasive Chirurgie sowie Strukturuberwachung adaptronischer Systeme abgeleitet. Anhand einer Literaturrecherche sowie experimentellen Untersuchungen wird der Stand der Technik analysiert. Inhomogen dotierte Siliziumelemente und gedruckte dehnungssensitive Schichten werden ausgewahlt und hinsichtlich ihrer Eignung zur strukturintegrierten Dehnungsmessung analysiert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Entwurf inhomogen dotierter Siliziumelemente, mit dem Ziel, den Einfluss der Integration auf die Ubertragungseigenschaften des Messelements zu quantifizieren. Sowohl die Messelementtopologie als auch die Aufbau- und Verbindungstechnik werden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Dehnungsubertragung untersucht. Ein analytisches Modell zur Dehnungsubertragung vom Messobjekt in das Messelement wird fur einen uniaxialen Dehnungszustand bestimmt und durch Struktursimulationen sowie experimentelle Untersuchungen bestatigt. Insgesamt werden vier Messelementvarianten prapariert und hinsichtlich ihres statischen Ubertragungsverhaltens, der Eigenstorungen sowie des Temperaturverhaltens untersucht. Zur Analyse des Ubertragungsverhaltens dient ein im Rahmen der Arbeit entwickelter Vier-Punkt-Biegeversuch, der einen uniaxialen Spannungszustand im Messelement hervorruft. Es kann gezeigt werden, dass durch die Wahl der Aufbau- und Verbindungstechnik sowie durch die Variation der Messelementgeometrie selbst die Empfindlichkeit beeinflusst wird. Sie kann um einen Faktor von bis zu 60 im Vergleich zu herkommlichen Folien-Dehnungsmesselementen (DMS) gesteigert werden. Die Anwendung der Siliziumelemente erfolgt am Beispiel eines miniaturisierten Kraftsensors fur die minimal-invasive Chirurgie. Das Drucken funktionaler Druckfluide mit niedrigen Finishing-Temperaturen wird als zweite Technologie zur Realisierung piezoresistiver Dehnungssensoren analysiert. Der Schwerpunkt dieses Themenkomplexes liegt auf der experimentellen Untersuchung der gedruckten Schichten, um die Eignung der Technologie fur die strukturintegrierte Dehnungsmessung bewerten zu konnen. Zur Realisierung der Schichten werden die Verfahren Sieb- und Inkjetdruck eingesetzt. In Vorversuchen werden die (di-)elektrischen und mechanischen Eigenschaften von vier funktionalen Druckfluiden in Abhangigkeit vom Herstellungsprozess untersucht (Sensorschicht: Silber- bzw. PEDOT:PSS-Suspension, Isolationsschicht: Polyesterlack bzw. Acrylharz). Neben dem spezifischen Widerstand, der Isolationsimpedanz und der Durchschlagfeldstarke sowie der Schichtdicken, die fur die Auslegung des Sensors relevant sind, werden auch fertigungstechnische Aspekte berucksichtigt. Im Hinblick auf die Funktionalisierung von Halb¬zeugen fur flachige Strukturen wird die Umformbarkeit der gedruckten Schichten untersucht. Zur Ermittlung des zulassigen Umformgrades werden im Zugversuch gedruckte Schichten umgeformt und anhand der elektrischen Grosen bewertet. Basierend auf den Ergebnissen der Vor¬versuche werden zwei Sensortopologien entworfen und realisiert. Die statischen Ubertragungseigenschaften sowie die Eigenstorungen der gedruckten Sensoren werden experimentell bestimmt und ein Konzept zur strukturintegrierten Dehnungsmessung in einem adaptiven Schwingungstilger umgesetzt. Es zeigt sich, dass die untersuchten Druckfluide im Vergleich zu DMS eine um Faktor zwei reduzierte Empfindlichkeit aufweisen, aufgrund ihrer Uberlastfestigkeit und geringen Eigenstorungen jedoch gut fur die Dehnungsmessung in Faserverbundwerkstoffen geeignet sind.