Miniaturisierte piezoresistive Dehnmesselemente

Der Leitgedanke der Adaptronik, Struktursysteme mit Intelligenz auszustatten, um aktiv auf verändernde Umgebungsbedingungen zu reagieren, macht die Entwicklung strukturintegrierbarer Sensor-Aktor-Systeme notwendig. Typische Applikationen sind das Überwachen der Stabilität (Stichwort: Structural Health Monitoring) und des Schwingungszustandes von (Leichtbau-) Konstruktionen wie Brücken oder Karosserien bzw. die aktive Schwingungsreduktion. Hierzu werden innerhalb der Konstruktionselemente die mechanischen Größen Beschleunigung, Kraft oder Dehnung messtechnisch erfasst und die elektrische Ausgangsgröße der jeweiligen Signalverarbeitungseinheit zugeführt. Auch in der minimalinvasiven bzw. robotergestützten Chirurgie findet sich dieser Gedanke wieder. So sind miniaturisierte Sensoren (Durchmesser << 10 mm), die in die Instrumentenspitze integriert werden können, von zentraler Bedeutung für die Regelung des Systems. Langfristiges Ziel ist es, Sensoren möglichst schon im Herstellungsprozess in die Struktur zu integrieren bzw. die Struktur aus intelligenten z.B. dehnungssensitiven Materialien zu fertigen. In Zusammen­arbeit mit dem LOEWE-Zentrum AdRIA wird diese Thematik untersucht.

Neben faseroptischen Dehnungssensoren (k ≈ 0,78), die im Falle hoher Dehnungen eingesetzt werden, sind derzeit überwiegend Metallfilm-Dehn­mess­streifen (DMS, k ≈ 2) in Leichtbaustrukturen integriert. Zur Anwendung in miniaturisierten Systemen sind auf dem Markt auch hochempfindliche, homogen dotierte Halbleiter-DMS als Einzelwiderstände bzw. als auf einem organischen Substrat kombinierte Halbbrücken verfügbar (k ≤ 255). Um die Vorteile einer Wheatstone-Vollbrücke wie erhöhte Empfindlichkeit, Kompensation von Nichtlinearitäten und des Temperatureinflusses erster Ordnung zu nutzen, müssen vier DMS am Messort integriert werden. Neben dem erhöhten Installationsaufwand führt dies bei konventionellen DMS zu einem größeren Platzbedarf und kann somit in miniaturisierten Systemen nicht eingesetzt werden. Inhomogen dotierte Silizium-Elemente, wie sie beispielsweise zur Druckmessung verwendet werden, kombinieren den großen Messeffekt in Halbleitern mit den Vorteilen einer integrierten Brückenanordnung.

Das obige Bild ordnet die gängigen Sensorprinzipien zur Dehnungsmessung hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit und ihres Einsatzbereiches ein. Der oben schon verwendete k-Faktor (relative Widerstandsänderung bezogen auf die relative Längenänderung) kennzeichnet die Höhe des Messeffekts.

Im Rahmen des Forschungsprojektes werden verschiedene Sensortechnologien zur Dehnungsmessung analysiert und untereinander sowie mit dem Stand der Technik verglichen. Schwerpunkt liegt auf Entwurf und Charakterisierung miniaturisierter piezoresisitver, inhomogen dotierter Si-Dehnmesselemente, deren Fertigung bei einem Kooperations­partner erfolgte. Die Messelemente können sowohl zur Erfassung von Dehnungen im Aufnehmerbau als auch zur punktuellen Dehnungsmessung in beliebigen Struktursystemen verwendet werden.

Untersucht werden derzeit:

  • Gedruckte Sensoren in Zusammenarbeit mit dem Institut IDD an der TU Darmstadt

  • Inhomogen dotierte Si-Elemente und der Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik auf das Übertragungsverhalten

  • Homogen dotierte Sensoren (Stand der Technik)

  • Faseroptische Sensoren (Faser Bragg Gitter), die in Leichtbaustrukturen direkt integriert werden können

Contact

Technische Universität Darmstadt

Institute of Electromechanical Design

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