Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung, umfassend eine auf einem Festkörperaktor angeordnete Schicht mit piezoelektrischen Eigenschaften und zumindest eine Verschleissschutzschicht mit Gleiteigenschaften, wobei die piezoelektrische Schicht aus kristallinem Aluminiumnitrid besteht, das eine hexagonale Kristallstruktur mit ausgeprägter Kristallorientierung (002) aufweist. Kristallin ist hier als nicht röntgenamorph zu sehen. Der Begriff „kristallin" kann insbesondere bedeuten nanokristallin und/oder mikrokristallin und/oder polykristallin und/oder monokristallin.

Stand der Technik

Sensorik bezeichnet in der Technik die Wissenschaft und die Anwendung von Sensoren zur Messung und Kontrolle von Veränderungen in Systemen.

Der Bereich der technischen „Sensorik" wird im deutschsprachigen Raum unterschiedlich abgegrenzt, teilweise werden ausschließlich Sensorelemente der Messtechnik betrachtet, an anderer Stelle ausschließlich binäre, also schaltende Systeme (z. B. Lichtschranken), wieder andere beziehen auch Labor- und Industrie- Messsysteme zur Automatisierung mit ein. Gemeinsam ist der technischen Sensorik, dass sie technische Produkte behandelt, die in der Regel nichtelektrische Messgrößen in elektrische Signale wandeln.

Die Messtechnik befasst sich mit Geräten und Methoden zur Bestimmung (Messung) physikalischer Grössen wie beispielsweise Länge, Masse, Kraft, Druck, elektrischer Strom, Temperatur oder Zeit. Die kontinuierliche Messung von solchen physikalischen Grössen kann zur Kenntnis und Überwachung des Zustandes von beanspruchten oder belasteten Oberflächen dienen, welches für die Steuerung und Optimierung von Verarbeitungsprozessen von massgeblicher Bedeutung ist. Sollten solche physikalischen Grösse an der Oberfläche von Maschinenbauteilen gemessen werden, müssen derartige Messvorrichtungen zur Bestimmung der aktuellen Zustandsgrössen ausreichend verschleissfest sein, um den starken Kräften widerstehen zu können, die an den Arbeitsflächen von Maschinenbauteilen auftreten können. Je nach Anwendung z.B. in Reibpaarungen sollten sie gleichzeitig zu den elektrischen Funktionen einen geringen Reibungswiderstand aufweisen.

Aus der Patentschrift EP 1058106 ist bekannt, mindestens ein Dünnschichtsensor auf der Oberfläche mindestens eines der Wälzelemente einer Wälzpaarung mit zwei gegeneinander laufenden, druckbelasteten Wälzelementen, anzuordnen. Der Dünnschichtsensor gemäss EP1058106 weist eine tribologische Funktionsschicht auf, die den Sensor nach aussen abschliesst, sowie eine sensorische Schicht, die zwischen der Oberfläche des Wälzelementes und der tribologischen Funktionsschicht angeordnet ist. Wenn die Oberfläche des Wälzelements nicht elektrisch isolierend ist muss eine isolierende Schicht zwischen der Oberfläche des Wälzelements und der sensorische Schicht aufgebracht werden. Es wird angemerkt, dass in. der sensorischen Schicht dabei mehrere Sensoren für verschiedene Parameter (beispielweise Temperatur, Verschleiss, auf die Oberfläche applizierte Kraft oder Druck) eingebracht werden können. Auch wird es angemerkt, dass mittels laserlithographischer Verfahren die sensorische Schicht auch dreidimensional strukturiert werden kann und mittels photolithographischer Verfahren die einzelnen Schichten erzeugt werden können. Vorteilhaftweise können die einzelnen Sensoren als Multifunktionssensor ausgebildet sein, bei dem aus einem Schichtmaterial der sensorischen Schicht durch angepasste Formgebung der Sensor und der Leiterstrukturen verschiedene Sensoren erzeugt werden. In diesem Zusammenhang, eignen sich als Sensoren u.a. (gemäss EP 1058106) piezoresistive oder auch piezoelektrische Dünnschichtsensoren. Zwischen der sensorischen Schicht und der tribologischen Funktionsschicht kann auch eine weitere Isolationsschicht eingebracht werden, so dass die sensorische Schicht auch gegenüber der Oberfläche des Elementes der Wälzpaarung isoliert ist. Die tribologische Funktionsschicht kann vorteilhafterweise aus diamantähnlichen, auf kohlenstoffbasierenden amorphen Schichtsystemen, beispielweise DLC oder Me:DI_C, aus Titannitrid oder Chromnitrid, bestehen. Es wird angewiesen, dass zur Erzeugung der einzelnen Schichten CVD- oder PVD-Beschichtungsverfahren angewandt werden, wobei die Schichtdicken typischerweise zwischen 1 pm und 10 pm betragen.

Ein Hinweis auf die Art der Beschaffenheit und Zusammensetzung derartiger piezoresistiver oder piezoelektrischer Schichten wird in ΈΡ1058 06 jedoch nicht gegeben.

In der Patentschrift EP2013598 wird eine Kraftmessvorrichtung offenbart, die eine auf einem Träger angeordnete amorphe Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften umfasst, wobei der Träger aus der Gruppe bestehend aus Festkörperaktoren, Piezostapelaktoren elektromagnetischen, hydraulischen und/oder pneumatischen Aktoren ausgewählt ist. Ein Nachteil der in EP2013598 offenbarten Kraftmessvorrichtung ist die Temperaturempfindlichkeit der Kohlenstoffschichten, die einerseits solche Sensoren aufgrund ihrer begrenzten thermischen Belastbarkeit auf die Anwendung bei Temperaturen nicht hoher als 150 °C oder nicht höher als 200 °C beschränkt, und andererseits die Verwendung einen zusätzlichen Temperatursensor für die Messungen von sich zeitlich schnell ändernden Kräften erfordern, um den Einfluss der Temperatur auf den elektrischen Widerstand der amorphen Kohlenstoffschicht berücksichtigt zu können. Ein weiterer Nachteil solcher piezoresistiven Kohlenstoffschichtsensoren ist die Notwendigkeit einen Stromfluss zu verwenden, um den Widerstand der piezoresistiven Schicht messen zu können. Als aktive Sensormaterialien werden zunehmend auch piezoelektrische Dünnschichten eingesetzt. Mit Hilfe von Halbleitertechnologien ist es möglich, diese aktiven piezoelektrischen Dünnschichten auf Silizium abzuscheiden. Hierbei handelt es sich meist um Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AIN). Beispielweise wurde in letzter Zeit veröffentlicht, dass das ISIT sich im Bereich der Mikrosystemtechnik intensiv mit der Abscheidung und der Integration von Dünnfilmen der beiden piezoelektrischen Materialien Aluminiumnitrid und Bleizirkonattitant (PZT) befasst. Gemäss ISIT ist es möglich, AIN mit Schichtdicken bis zu 2 pm mittels reaktivem Magnetronsputterns abzuscheiden. Ausserdem berichtet das ISIT über einen piezoelektrischen Modul von e31 ,f: -1 ,3 C/m ² von der abgeschiedenen AIN-Schichten (mit typ. Schichtdicken von 500 nm bis 2000 nm). Nach Angaben des ISIT wurde das piezoelektrische Modul e31 ,f unter Verwendung eines 4-Punkt-Biegemesssytems gemessen. Zusätzlich weist das ISIT darauf hin, dass gesputtertes Molybdän und/oder gedämpftes Platin als unteres Elektrodenmaterial verwendet wurde.

Jedoch haben die Erfinder festgestellt, dass solche auf Molybdän und/oder Platin abgeschiedene AIN-Schichten, die in Mikrosystemen angewendet werden für tribologische Anwendungen eine unzureichende Haftfestigkeit aufweisen und infolgedessen für tribologische Beanspruchungen nicht geeignet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kraftmessvorrichtung anzubieten, die die Messung der auf eine bestimmte Oberfläche eines tribologisch-beanspruchten Bauteils angebrachte ^' Kraft mittels Verwendung des piezoelektrischen Prinzips ermöglicht und gleichzeitig der Oberfläche des Bauteils ausreichenden Verschleissschutz und gute Gleiteigenschaften verleiht.

Beschreibung der vorliegenden Erfindung

Die Aufgabe wird durch eine Kraftmessvorrichtung gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst.

Die Kraftmessvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst eine auf zumindest einem Teil einer Oberfläche eines Festkörperaktors (bzw. Träger) angeordnete kristalline Schicht mit piezoelektrischen Eigenschaften und zumindest eine Verschleissschutzschicht mit Gleiteigenschaften, wobei die piezoelektrische Schicht aus kristallinem Aluminiumnitrid besteht, das eine hexagonaie Kristallstruktur aufweist mit ausgeprägter Kristallorientierung (002), wobei zwischen der Oberfläche des Festkörperaktors und der kristallinen Aluminiumnitrid-Schicht zumindest eine elektrisch-leitende Schicht angebracht wird, die bevorzugt eine metallische Schicht aus zumindest einem Metall ist, welches wenn xidiert ein elektrisch-isolierendes Oxid bildet, das mechanisch und thermisch stabiler als Molybdän(VI)-oxid (MoO ₃ ) ist.

Eine piezoelektrische Keramik, wie in diesem Fall die Aluminiumnitrid-Schicht ist, wandelt direkt mechanische Energie in elektrische Energie um. Zur Messung des generierten elektrischen Signals ist es notwendig elektrische Kontakte einzubauen, die üblicherweise als metallischen Schichten bzw. Elektrodenschichten abgeschieden werden. Solche Elektrodenschichten werden gemäss des Stands der Technik aus Molybdän und/oder Platin erzeugt werden. Jedoch, haben die Erfinder festgestellt, dass die Verwendung von Molybdän und/oder Platin zur Erzeugung der Elektrodenschichten (unter und auf der Aluminiumnitrid-Schicht) trotz der Verwendung einer Verschleissschutz aus DLC (DLC ist die Abkürzung des englischen Begriffs Diamond Like Carbon) in einem unzureichenden Verschleissschutz der tribologisch-beanspruchten Oberflächen (an der die Kraft gemessen wird) resultiert. Diese unzureichende Verschleissfestigkeit könnte zumindest teilweise auf eine unzureichende Haftfestigkeit bzw. unzureichende Kohäsion innerhalb des Sensorschichtsystems zurück zu führen sein. Die Erfinder haben daher andere Materialien zur Erzeugung der Elektrodenschichten ausprobiert. Auf ihrer Suche nach einer diesbezüglichen Lösung haben die Erfinder Überraschenderweise festgestellt, dass durch die Verwendung von Titan zur Erzeugung der Elektrodenschichten eine erheblich bessere Verschleissfestigkeit des Sensorschichtsystems erreicht- wird, und trotz der viel geringeren elektrischen Leitfähigkeit von Titan im Vergleich zu Molybdän und Platin, es sich als Elektrodenschicht für piezoelektrische Aluminiumnitrid-Schichten hervorragend eignet.

Auch Aluminium und Aluminium-Chrom-Legierungen haben sich in diesem Zusammenhang als sehr gut geeignete Materialien für die Erzeugung von Elektrodenschichten erwiesen.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Titan, Aluminium und/oder Aluminium- Chrom zur Erzeugung der Elektrodenschichten ist, dass sowohl Titan als auch Aluminium elektrisch isolierende Oxide bilden, die im Vergleich mit den Oxiden, die aus Molybdän und Platin gebildet werden, nicht nur mechanisch besser an der Unterlage haften sondern auch thermisch stabiler sind. Dadurch wird einerseits, eine verbesserte Haftfestigkeit des Sensorschichtsystems gewährleistet, die in eine erhöhte Verschleissfestigkeit resultiert. Andererseits, ist es möglich, dass wenn die Oberfläche einer Elektrodenschicht (z.B. die Oberfläche der Elektrodenschicht, die näher zur Oberfläche der Kraftmessvorrichtung bzw. näher zur tribologischen Schicht liegt) durch einen Kratzer oder während der Anwendung freigelegt wird, selber oxidiert und ein festes elektrisch isolierendes Oxid (beispielweise T1O2 oder AI ₂ O ₃ ) bildet, das auf die Oberfläche bleibt und somit selbstheilend wirkt.

Eine bevorzugte Variante der vorliegenden Erfindung ist in Figur 1 dargestellt. In der Figur 1 wird ein elektrisch-leitender Träger 1 gezeichnet, aus dem ein Sensorschichtsystem 20 gemäss der vorliegenden Erfindung abgeschieden wird. Das Sensorschichtsystem 20 umfasst:

• eine isolierende Schicht 3, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Träger und der Kraftmessvorrichtung zu vermeiden,

• eine elektrisch leitende Schicht 5, die bevorzugt eine metallische Schicht aus zumindest einem Metall ist, welches wenn oxidiert ein elektrisch-isolierendes Oxid bildet, das mechanisch und thermisch stabiler als Molybdän(VI)-oxid (M0O ₃ ) ist, vorzugsweise aus Titan und/oder Aluminium und/oder Aluminium- Chrom ist.

• eine piezoelektrische Schicht 10 aus kristallinem Aluminiumnitrid, das eine hexagonale Kristallstruktur mit ausgeprägter Kristallorientierung (002) aufweist.

• eine elektrisch leitende Schicht 7, die bevorzugt eine metallische Schicht aus zumindest einem Metall ist, welches wenn oxidiert ein elektrisch-isolierendes Oxid bildet, das mechanisch und thermisch stabiler als Molybdän(VI)-oxid (M0O3) ist, vorzugsweise aus Titan und/oder Aluminium und/oder Aluminium- Chrom.

• eine isolierende Schicht 9, die gleich wie die Schicht 3 hergestellt sein könnte.

• eine tribologische Schicht, die Verschleissschutz- und gute Gleiteigenschaften aufweist, vorzugsweise aus DLC oder Me:DLC (Me:DLC ist die Abkürzung des englischen Begriffs Metel containing Diamond Like Carbon). In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die isolierenden Schichten 3 und 9 aus einem aluminiumoxid-haltigen Material, bevorzugt aus Aluminiumoxid (AI2O3) erzeugt. Vorzugsweise, werden diese Schichten mit einer Schichtdicke nicht grösser als 1 ,5 pm abgeschieden, noch bevorzugt zwischen 0.4 und 0.6 μηη.

Um die Haftfestigkeit innerhalb des Sensorschichtsystems 20 (gebildet durch alle auf dem Träger abgeschiedene Schichten) weiter zu verbessern, können gradierte Schichten zwischen der - Elektrodenschichten und der isolierenden Schichten abgeschieden werden, bei denen beispielsweise dem Metallgehalt graduell variiert wird. Insbesondere, wenn zum Beispiel die Schichten 3 und 9 aus AI2O3 sind oder grösstenteils Al ₂ 0 ₃ beinhalten und die Schichten 5 und 7 aus AI sind oder grösstenteils AI beinhalten.

Beispielsweise kann zunächst AI2O3 auf das Substrat beispielsweise durch reaktives Sputtern aufgebracht werden. Dabei wird von einem Aluminiumtarget zerstäubt und zwar unter Beigabe von Sauerstoff als Reaktivgas. Dann wird der Sauerstofffluss graduell zurückgefahren bis gar kein Reaktivgas mehr zur Verfügung steht und metallisches Aluminium abgeschieden wird. Anschliessend wird Stickstoff als Reaktivgas graduell und mit zunehmendem Fluss als Reaktivgas eingelassen wodurch das piezoelektrische AIN abgeschieden wird. Anschliessend wird der Sticksotfffluss wiederum graduell auf Null zurückgefahren so das widerum metallisches Aluminum abgeschieden wird. Anschliessend wird wiederum graduell ansteigend ein Sauerstofffluss etabliert, so dass AI203 abgeschieden wird. Es folgt letzlich noch die Abscheidung der tribologischen Schicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Elektrodenschichten 5 und 7 aus Titan erzeugt. Bevorzugt weisen diese Schichten eine Schichtdicke nicht grosser als 1 pm auf, vorzugsweise zwischen 0.2 und 0.6 pm.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die piezoelektrische Schicht 10 und die tribologische Schicht 15 eine Schichtdicke nicht grosser als 5 gm auf, bevorzugt zwischen 1 pm und 3 pm, vorzugsweise zwischen 2 pm und 3 pm. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die tribologische Schicht 15 eine DLC Schicht oder eine wolframkarbid-haltige Kohlenstoffschicht (WC/C Schicht) oder eine Kombination davon.

Bevorzugt werden alle Schichten, die das Sensorschichtsystem gemäss der vorliegenden Erfindung bilden, mittels PVD- und/oder PACVD-Techniken hergestellt (PVD und PACVD sind die entsprechenden Abkürzungen der englischen Begriffen Physical Vapor Deposition und Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition). Vorzugsweise wird zumindest eine der Schichten 3, 5, 10, 7 oder 9 mittels MS- und/oder HIPIMS-Techniken abgeschieden (MS und HIPIMS sind die entsprechenden Abkürzungen der englischen Begriffen Magnetron Sputtering und High Power Impuls Magnetron Sputtering).

Insbesondere kann eine Kraftmessvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung für die Fernüberwachung von Bauteilen, wie zum Beispiel Kugellager, die u.a. in Windmühlengetrieben, Flugzeugbau und Sicherheitsausrüstungen verwendet werden, angewendet.

Die Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektrodenschichten kann unproblematisch unter Verwendung eines Spannungsmessgeräts kontinuierlich gemessen werden. Das Spannungsmessgerät kann beispielweise an einem mit einem Sensorschichtsystem gemäss der vorliegenden Erfindung beschichteten Innenlagerring angeschlossen werden.

Die Figur 2 zeigt das aufgenommene elektrische Signal einer Kraftmessvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung, das bei der Durchführung eines Dreipunkt- Biegetests gemessen wurde. Bei diesem Test wurde die Deformationsbereich zwischen 10 und 1000 ppm (ppm = 1 mm / 1000000 mm) variiert.