Nemzov, Julius (Breslauer Strasse 33 Esslingen, 73730, DE)
Mueller, Ulrich (Haselweg 2 Herrliberg, CH-8704, CH)
Meyer, Klaus (Waldstrasse 18 Ditzingen, 71254, DE)
Nemzov, Julius (Breslauer Strasse 33 Esslingen, 73730, DE)
Mueller, Ulrich (Haselweg 2 Herrliberg, CH-8704, CH)
| 1. | Sensorelement zur Erfassung einer physikalischen Messgröße wie eines Druckes, einer Temperatur, einer Kapazi tät oder einer Spaltweite zwischen zwei sich bei Betrieb re lativ zueinander bewegenden, tribologisch hoch beanspruchten Körpern (10,20), wobei bereichsweise zwischen den sich re lativ zueinander bewegenden Oberflächen der Körper (10, 20) in einem Oberflächenbereich von mindestens einem der Körper (10) eine sensitive Schicht (13,30) vorgesehen ist, die von dem Körper (10) über eine Isolationsschicht (12) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (13, 30) mit einer Deckschicht (14) versehen ist. |
| 2. | Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Deckschicht (14) gegenüber der sensitiven Schicht (13,30) abriebbeständig und elektrisch schlecht leitend oder isolierend ist. |
| 3. | Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Deckschicht (14) eine Dicke von weniger als 500 nm, insbesondere weniger als 200 nm, aufweist. |
| 4. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (14) Kohlen stoff, insbesondere diamantartigen Kohlenstoff oder amor phen, diamantähnlichen Kohlenstoff, enthält oder zumindest im Wesentlichen daraus besteht, oder dass sie Kohlenstoff, insbesondere diamantartigen Kohlenstoff oder amorphen, dia mantähnlichen Kohlenstoff, und Sauerstoff und Silizium ent hält. |
| 5. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die insbesondere in Form eines Sensiersteges (13) ausgebildete sensitive Schicht (13,30) aus einem Metall, insbesondere Chrom, Platin, Titan oder ei ner NiCroder einer NiCuMnLegierung, besteht, und einen e lektrischen Widerstand von 500 Q bis 3 kQ aufweist. |
| 6. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (13,30) über an zwei Enden vorgesehene, von dem Körper (10) über die Isolationsschicht (12) getrennte Kontaktflächen (11) sowie gegebenenfalls weiteren Leiterbahnen als Teil einer elektri schen Messbrücke mit externen elektronischen Bauteilen ver bunden ist. |
| 7. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (13,30) gegenüber den Kontaktflächen (11) eine unterschiedliche Di cke, insbesondere eine erheblich kleinere Dicke, aufweist. |
| 8. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die insbesondere als Sen siersteg (13) ausgebildete sensitive Schicht (13,30) eine Länge von 10 Fm bis 5 mm, eine Breite von 50 nm bis 50 jum, insbesondere von 50 nm bis 5 jum, und eine Dicke von weniger als 200 nm, insbesondere weniger als 10 nm, aufweist. |
| 9. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Isolationsschicht (12) und dem Körper (10) und/oder zwischen der sensitiven Schicht (13,30) und der Deckschicht (14) eine Haftschicht (33) vorgesehen ist. |
| 10. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (33) zwischen der Isolationsschicht (12) und dem Körper (10) eine Dicke von 20 nm bis 1 um aufweist und/oder dass die Haftschicht (33) zwischen der sensitiven Schicht (13,30) und der Deck schicht (14) eine Dicke von 20 nm bis 1 um aufweist. |
| 11. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (33) Kohlen stoff, insbesondere diamantartigen Kohlenstoff oder amorphen diamantähnlichen Kohlenstoff, und Silizium enthält, dass die Haftschicht (33) aus einem Metall wie Titan oder Chrom, ei ner Legierung oder einem Halbleiter wie Silizium besteht, o der dass die Haftschicht (33) mindestens zwei übereinander angeordnete Teilschichten verschiedener Zusammensetzung auf weist. |
| 12. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (12) min destens zwei Teilschichten (31,32) aufweist, wobei eine Teilschicht (31) eine gegenüber der sensitiven Schicht (13, 30) elektrisch zumindest schlecht leitende Schicht (31) ist, und wobei eine Teilschicht (32) eine gegenüber der ver gleichsweise schlecht leitenden Schicht (31) tribologisch höher belastbare Schicht ist, oder dass die Isolations schicht eine Schicht ist, die zumindest im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht oder Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizi um enthält. |
| 13. | Sensorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, dass, dass die tribologisch höher belastbare Schicht eine gegenüber der schlecht leitenden Schicht (31) elekt risch vergleichsweise gut leitende Schicht (32) mit einer dieser gegenüber hohen Härte und/oder einem niedrigen Reib wert ist. |
| 14. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologisch höher belast bare Schicht (32) zumindest im Wesentlichen aus Kohlenstoff, insbesondere aus diamantartigem Kohlenstoff oder amorphem, diamantähnlichem Kohlenstoff, besteht, und dass die elekt risch vergleichsweise schlecht leitende Schicht (31) Kohlen stoff, insbesondere diamantartigen Kohlenstoff oder amorphen diamantähnlichen Kohlenstoff, und Sauerstoff und Silizium enthält. |
| 15. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (12) eine Mehrzahl von übereinander angeordneten, wiederkehrenden Teilschichtpaaren aufweist, wobei unmittelbar unter der sen sitiven Schicht (13,30) zunächst die tribologisch höher be lastbare Schicht (32) und darunter dann die gegenüber der sensitiven Schicht (13,30) elektrisch zumindest schlecht leitende Schicht (32) vorgesehen ist, und wobei diese beiden Schichten (31,32) das Teilschichtpaar bilden. |
| 16. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die sensitive Schicht (13, 30) unter dem Einfluss der physikalischen Messgröße, insbe sondere einem sich ändernden Druck und/oder einer sich ver ändernden Temperatur, in mindestens einer messbaren physika lischen Eigenschaft, insbesondere ihrem elektrischen Wider stand, verändert. |
| 17. | Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden sich relativ zuein ander bewegenden Körper (10,20) durch einen Spalt (21) von einander getrennt sind, in dem sich ein Schmiermittel (22) befindet. |
| 18. | Sensorelement zur Erfassung einer physikalischen Messgröße wie eines Druckes, einer Temperatur, einer Spalt weite oder einer Kapazität zwischen zwei sich bei Betrieb relativ zueinander bewegenden, tribologisch hoch beanspruch ten Körpern (10, 20), insbesondere nach einem der vorange henden Ansprüche, wobei bereichsweise zwischen den sich re lativ zueinander bewegenden Oberflächen der Körper (10,20) in einem Oberflächenbereich von mindestens einem der Körper (10) eine sensitive Schicht (13,30) vorgesehen ist, die von dem Körper (10) über eine Isolationsschicht (12) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (13, 30) eine Länge von 10 pm bis 5 mm, eine Breite von weniger als 5 jum und eine Dicke von weniger als 200 nm aufweist. |
| 19. | Sensorelement zur Erfassung einer physikalischen Messgröße wie eines Druckes, einer Temperatur, einer Spalt weite oder einer Kapazität zwischen zwei sich bei Betrieb relativ zueinander bewegenden, tribologisch hoch beanspruch ten Körpern (10,20), insbesondere nach einem der vorange henden Ansprüche, wobei bereichsweise zwischen den sich re lativ zueinander bewegenden Oberflächen der Körper (10,20) in einem Oberflächenbereich von mindestens einem der Körper (10) eine sensitive Schicht (13,30) vorgesehen ist, die von dem Körper (10) über eine Isolationsschicht (12) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass mindestens einer der beiden Körper (10) in einem Oberflächenbereich eine Ausneh mung (23) aufweist, in der die Sensierfläche (13) auf der I solationsschicht (12) angeordnet ist. |
| 20. | Sensorelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich net, dass die Oberkante der sensitiven Schicht (13,30) oder der mit einer Deckschicht (14) versehenen sensitiven Schicht (13,30) zumindest nahezu bündig mit der Oberfläche des Kör pers (10) abschließt, diese um maximal 500 nm, insbesondere weniger als 100 nm, überragt, oder gegenüber dieser um maxi mal 500 nm, insbesondere weniger als 100 nm, zurückgesetzt ist. |
| 21. | Sensorelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich net, dass in der Ausnehmung (23) an zwei Enden der sensiti ven Schicht (13,30) Kontaktflächen (11) angeordnet sind, wobei die Kontaktflächen (11) und die sensitive Schicht (13, 30) über die insbesondere lediglich am Grund der Ausnehmung (23) vorgesehene Isolationsschicht (12) von dem Körper (10) getrennt sind. |
| 22. | Sensorelement nach einem der Ansprüche 19 bis 21, da durch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (23) in der Isola tionsschicht (12) erzeugt ist, wobei sich die sensitive Schicht (13,30) in der Ausnehmung (23) auf der Isolations schicht (12) befindet. |
| 23. | Sensorelement nach einem der Ansprüche 19 bis 22, da durch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (12) weite re Ausnehmungen aufweist, wobei die Kontaktflächen (11) auf der Isolationsschicht (12) im Bereich oder innerhalb der weiteren Ausnehmungen angeordnet und mit der sensitiven Schicht (13,30) verbunden sind. |
| 24. | Verwendung eines Sensorelementes nach einem der vo rangehenden Ansprüche zur Erfassung eines Kontaktdruckes und/oder einer Kontakttemperatur und/oder einer Spaltweite zwischen tribologisch hoch belasteten, geschmierten Bautei len im Kontaktbereich. |
Stand der Technik Geschmierte Kontakte oder elastohydrodynamische Kontakte, wie sie beispielsweise bei Lagern (Kugellager, Rollenlager oder Gleitlager) oder anderen, miteinander in Verbindung stehenden Elementen wie Zahnradkontakten, Nocken-Stößel- Kontakten usw. vorkommen, unterliegen sehr hohen tribologi- schen Belastungen. Unter solchen Betriebsbedingungen kann es vorkommen, dass der Schmierfilm zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Körpern lokal unzureichend ist oder unterbrochen wird, d. h. es kommt zu einer sogenannten "Mischreibung", wodurch sehr rasch die Grenzen der Belast- barkeit der eingesetzten Werkstoffe erreicht oder sogar ü- berschritten werden, was Schäden an den entsprechenden Bau- teilen verursacht. Insofern ist es wichtig, die Kontakttem- peraturen, Kontaktdrücke und/oder Kontaktspannungen in sol- chen hochbelasteten, geschmierten Bauteilkontakten bei Be- trieb zu überwachen, um darüber das Auftreten kritischer Be- beispielsweise in Folge hoher Reibungsener- giedichten, bei deren Überschreitung es zum Ausfall bei- spielsweise von Komponenten eines Einspritzsystems durch Ad-
häsion ("Fressen") in der Kraftfahrzeugtechnik kommt, zumin- dest zu erfassen, beispielsweise zur Untersuchung der Scha- densmechanismen, idealerweise aber zu vermeiden.
Aus H. Peeken und A. Köhler, Konstruktion 32 (6/1980), Sei- ten 241-246"Moderne Messtechnik mittels aufgedampfter Geber in Gleit-und Wälzlagern"ist ein Sensorelement zur Erfas- sung von Temperatur oder Druck zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden, tribologisch hoch beanspruchten Kör- pern bekannt. Dieses nutzt aus, dass bei vielen Materialien der elektrische Widerstand sowohl von der Temperatur als auch vom Druck abhängig ist, so dass nach einer Kalibrier- messung über eine einfache Widerstandsmessung Druck und/oder Temperatur bestimmbar sind.
Im Einzelnen werden in der genannten Veröffentlichung auf den zu untersuchenden Bauteilen geeignet positionierte und geformte Metallschichten aufgebracht, die das gewünschte Messsignal aufnehmen. Daneben ist dort vorgesehen, dass der eigentliche Sensiersteg und die damit in Verbindung stehen- den Kontaktflächen bzw. Leiterbahnen gegenüber dem darunter befindlichen, normalerweise metallischen Bauteil durch eine Zwischenschicht, insbesondere eine Glasschicht oder eine Ke- ramikschicht wie eine Siliziumoxidschicht oder Aluminium- oxidschicht, elektrisch isoliert sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines Sensorelementes zur Erfassung einer physikalischen Messgröße wie Druck oder Temperatur zwischen zwei sich bei Betrieb relativ zueinander bewegenden, tribologisch hoch be- anspruchten Körpern, wobei der eigentliche Sensiersteg oder allgemeiner die eigentliche sensitive Schicht von dem darun- ter liegenden Körper über eine Isolationsschicht getrennt ist, die sowohl sehr hohen tribologischen Beanspruchungen, insbesondere hinsichtlich Abriebbeständigkeit und im Fall von kritischen Betriebszuständen wie Mischreibung, gewachsen
ist, als auch derart ausgestaltet ist, dass insbesondere die sensitive Schicht im Bereich der Kontaktstelle die zu erfas- sende physikalische Messgröße bzw. die dort vorliegenden Reibungsbedingungen möglichst wenig beeinflusst bzw. ver- fälscht.
Vorteile der Erfindung Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorele- mentes mit einer Deckschicht über der sensitiven Schicht, die bevorzugt als Sensiersteg ausgebildet ist, wobei unter einem Sensiersteg auch ein mäanderförmig strukturierter Steg zu verstehen ist, hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass damit die Abriebbeständigkeit und mechanische Belastbarkeit des Sensorelementes erheblich verbessert wird, so dass dieses insbesondere im Fall von Mischreibung eine deutlich höhere Lebensdauer besitzt. Da zudem die Deck- schicht nur sehr dünn ist, beeinflusst sie die Erfassung der physikalischen Messgröße bzw. die im Kontaktbereich vorlie- genden Reibungsbedingungen kaum.
In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sen- sorelementes wird durch die gegenüber dem Stand der Technik besonders kleine Bauform der eigentlichen sensitiven Schicht erreicht, dass diese im Bereich der Kontaktstelle die zu er- fassende physikalische Messgröße nur vernachlässigbar beein- flusst und gleichzeitig eine sehr hohe laterale Auflösung gewährleistet. Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn die sensitive Schicht als Sensiersteg mit einer Länge von 10 um bis 5 mm, insbesondere von 100 um bis 2 mm, einer Breite von weniger als 5 J. m, insbesondere weniger als 2 um, und einer Dicke von weniger als 200 nm, insbesondere weniger als 10 nm, ausgeführt ist.
Gleichzeitig ist eine derart verkleinerte sensitive Schicht einer erheblich verminderten mechanischen Belastung ausge-
setzt, und es kommt weniger zu Ablösungen, insbesondere bei Temperaturwechseln.
In einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sen- sorelementes wird schließlich die eigentliche sensitive Schicht vor allem in kritischen Betriebszuständen vor einem schnellen Verschleiß dadurch geschützt bzw. ihre tribologi- sche Belastung bei Betrieb dadurch gemindert, dass sie auf der Isolationsschicht innerhalb einer Ausnehmung angeordnet ist, die in einem Oberflächenbereich des entsprechenden Kör- pers bzw. Substrates oder in der Isolationsschicht erzeugt oder herausstrukturiert ist.
Im Übrigen lassen sich die genannten Maßnahmen zur Verbesse- rung der tribologischen Beständigkeit unter gleichzeitig verminderter Störung oder Verfälschung der zu erfassenden physikalische Messgröße bzw. der zu erfassenden Reibungsbe- dingungen vorteilhaft auch miteinander kombinieren.
Unter einer tribologisch hoch belasteten oder belastbaren Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung generell eine Schicht zu verstehen, die Kontaktdrücken von mindestens 1 MPa, insbesondere 10 MPa bis 20 GPa, ausgesetzt ist und diesen insbesondere auch auf Dauer standhält, während unter einer Isolationsschicht eine Schicht zu verstehen ist, deren elektrische Leitfähigkeit nicht notwendigerweise Null sein muss, die aber eine gegenüber der elektrischen Leitfähigkeit der sensitiven Schicht erheblich niedriger, vorzugsweise vernachlässigbar klein ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist es vorteilhaft, wenn die sensitive Schicht als Sen- siersteg mit einer dieser gegenüber abriebbeständigen und e- lektrisch schlecht leitenden oder isolierenden Deckschicht
mit einer Dicke von vorzugsweise weniger als 500 nm, insbe- sondere weniger als 200 nm, versehen ist. Diese Deckschicht ist vorteilhaft weiter eine Schicht aus Kohlenstoff, insbe- sondere diamantartigem oder amorphem diamantähnlichem Koh- lenstoff, die zur Verringerung der elektrischen Leitfähig- keit neben Kohlenstoff auch Sauerstoff und Silizium enthal- ten kann. Darüber hinaus ist vorteilhaft, wenn die Deck- schicht ähnlich der Isolationsschicht oder einer Teilschicht der Isolationsschicht aufgebaut ist, so dass sie sich über ein entsprechend ähnliches Herstellungsverfahren aufbringen lässt.
Vorteilhaft ist weiter, wenn die Isolationsschicht mindes- tens zwei Teilschichten aufweist, nämlich eine tribologisch hoch belastbare Teilschicht, die eine vergleichsweise hohe Härte, d. h. eine Härte von mindestens 1000 HV, vorzugsweise mehr als 3000 HV, und einen vergleichsweise niedrigen Reib- wert aufweist, und eine weitere Teilschicht, die gegenüber der tribologisch hoch belastbaren Schicht eine deutlich ver- ringerte elektrische Leitfähigkeit besitzt. Auf diese Weise lassen sich die Funktionen"elektrische Isolation"und"tri- bologische Belastbarkeit", die die Isolationsschicht gleich- zeitig erfüllen soll, auf diese beiden Teilschichten auftei- len.
Zudem ist vorteilhaft, wenn die tribologisch hoch belastbare Teilschicht der Isolationsschicht zumindest im Wesentlichen aus Kohlenstoff, insbesondere aus diamantartigem oder amor- phem, diamantähnlichem Kohlenstoff besteht, und wenn die e- lektrisch vergleichsweise schlecht leitende Teilschicht ne- ben Kohlenstoff, vorzugsweise als Hauptbestandteil, der be- vorzugt in Form von diamantartigem oder amorphem, diamant- ähnlichem Kohlenstoff vorliegt, zusätzlich Sauerstoff und Silizium, vorzugsweise als Nebenbestandteile, enthält, was eine Herabsetzung der elektrischen Leitfähigkeit des ansons-
ten elektrisch relativ gut leitenden amorphen, diamantähnli- chen Kohlenstoffes bewirkt.
Insbesondere hat es sich hinsichtlich einer Verbesserung der Haftung und der tribologischen Beständigkeit als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Isolationsschicht eine Mehrzahl von übereinander geordneten, wiederkehrenden Teilschichtpaaren aufweist, wobei sich unter dem Sensiersteg oder der sensiti- ven Schicht zunächst die tribologisch höher belastbare Teil- schicht und darunter dann erst die gegenüber der sensitiven Schicht elektrisch schlecht leitende oder isolierende Teil- schicht vorgesehen ist.
Alternativ zur Verwendung einer Isolationsschicht aus min- destens zwei Teilschichten ist es jedoch in einigen Anwen- dungsfällen vorteilhaft auch ausreichend, wenn die Isolati- onsschicht nicht mehrere Teilschichten unterschiedlicher Zu- sammensetzung aufweist, sondern wenn sie zumindest im We- sentlichen aus Kohlenstoff besteht oder neben Kohlenstoff insbesondere Sauerstoff und Silizium enthält. In diesem Fall werden die Anforderungen"tribologisch hoch belastbar"und "elektrisch isolierend"durch diese eine Schicht realisiert, die dazu senkrecht zur Schichtebene entweder eine homogene Zusammensetzung oder auch eine gradierte Zusammensetzung aufweisen kann, wodurch der Übergang zu einer Isolations- schicht mit mehreren Teilschichten fließend wird.
Insgesamt führt die erläuterte Zusammensetzung und Struktur der Isolationsschicht auf dem damit versehenen Körper auch bei höchsten mechanischen Beanspruchungen zu einer sehr gu- ten Haftung, so dass diese sich auch bei Temperaturwechseln und vorübergehenden Temperaturerhöhungen nicht ablöst. Zudem ist sie gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten I- solationsschichten deutlich weniger spröde und neigt weniger zu Verschleiß.
Als Material für die eigentliche sensitive Schicht eignen sich nur wenige, speziell ausgewählte Metalle wie Chrom, Platin, Titan, eine Nickel-Chrom-Legierung oder eine Nickel- Kupfer-Mangan-Legierung. Weiter weist die sensitive Schicht, die bevorzugt als Sensiersteg ausgebildet ist, hinsichtlich einer möglichst zuverlässigen und einfachen Signalauswertung und eines möglichst großen Messignals mit wenig Rauschen be- vorzugt einen elektrischen Widerstand von 500 bis 3 kQ auf.
Damit eine möglichst präzise Erfassung der gewünschten phy- sikalischen Messgröße erfolgen kann, sollte schließlich die Oberkante der sensitiven Schicht oder der mit der Deck- schicht versehenen sensitiven Schicht möglichst bündig mit der Oberfläche des in diesem Bereich mit der Ausnehmung ver- sehenen Körpers abschließen oder diese um maximal 500 nm, insbesondere 200 nm, überragen bzw. gegenüber dieser um ma- ximal 500 nm, insbesondere 200 nm, zurückgesetzt sein. Be- sonders vorteilhaft ist, wenn die Höhe, um die die sensitive Schicht die Oberfläche des Körpers überragt oder gegenüber dieser zurückgesetzt ist, kleiner als dessen Oberflächenrau- higkeit ist.
Zeichnungen Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach- folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 ei- ne Draufsicht auf einen Körper mit einem darauf aufgebrach- ten Sensorelement, Figur 2 einen Schnitt durch Figur 1 ent- lang der eingezeichneten Schnittlinie, wobei zusätzlich ein zweiter Körper dargestellt ist, der von dem ersten Körper beabstandet ist. und sich relativ zu diesem bewegt, Figur 3 eine alternative Ausführungsform zu Figur 2, die sich eben- falls als Schnitt durch Figur 1 entlang der eingezeichneten Schnittlinie ergibt, und Figur 4 eine Detaildarstellung des
Schichtaufbaus des Sensorelementes auf dem Körper gemäß Fi- gur 2 oder auch Figur 3 mit einer zusätzlichen Deckschicht im Schnitt.
Ausführungsbeispiele Die Figur 1 zeigt ein metallisches Substrat 10, beispiels- weise eine metallische Verteilerwelle in einem Hochdruckein- spritzsystem eines Kraftfahrzeuges oder eine sonstige tech- nische Oberfläche mit einer Rauheit, die bis zu einige um betragen kann, auf dem bereichsweise eine Isolationsschicht 12 abgeschieden ist, auf der sich zwei Kontaktflächen 11 be- finden, die über eine als Sensiersteg 13 ausgebildete sensi- tive Schicht 30 miteinander verbunden sind, so dass die Kon- taktflächen 11 und der Sensiersteg 13 eine Doppel-T-Struktur bilden, die als Sensorelement 5 zusammen mit nicht darge- stellten Leiterbahnen als Teil einer elektronischen Messbrü- cke mit externen elektronischen Bauteilen verbunden ist. Der Sensiersteg 13 verändert sich weiter unter dem Einfluss ei- ner zu erfassenden physikalischen Messgröße, insbesondere einem sich ändernden Druck, einer sich ändernden mechani- schen Spannung, oder einer sich ändernden Temperatur, in mindestens einer messbaren physikalischen Eigenschaft, ins- besondere seinem elektrischen Widerstand. Neben Temperatur und/oder Druck im Kontaktbereich zwischen den Kontaktflächen 11 ist so, beispielsweise über die Kapazität, auch die Weite eines Spaltes 21 zwischen den Kontaktflächen 11 insbesondere als Funktion der Zeit erfassbar, wobei das Medium bzw.
Schmiermittel zwischen den Kontaktflächen 11 das Dielektri- kum und die Kontaktflächen 11 die Platten eines Kondensators bilden bzw. entsprechend verschaltet sind.
Die Figur 2 zeigt neben dem Substrat 10 einen diesem gegen- über angeordneten metallischen Gegenkörper 20, beispielswei- se eine Buchse einer Verteilerwelle. Das Substrat 10 und der Gegenkörper 20 sind zudem über einen Spalt 21 voneinander
getrennt, in dem sich ein Schmiermittel 22, beispielsweise Öl oder ein Kraftstoff, befindet. Weiter zeigt Figur 2, dass beispielsweise zur Erfassung eines Kontaktdruckes und/oder einer Kontakttemperatur zwischen den sich relativ zueinander bewegenden, tribologisch hoch beanspruchten Körpern 10,20 das Sensorelement 5 angeordnet ist. Dabei ist erkennbar, dass sich die Kontaktflächen 11 und der Sensiersteg 13 auf der Isolationsschicht 12 befinden, und dass der Sensiersteg 13 mit einer zusätzlichen Deckschicht 14 versehen ist, d. h. der auf der Isolationsschicht 12 befindliche Sensiersteg 13 besteht aus der Deckschicht 14 und der hinsichtlich der zu erfassenden physikalischen Messgröße sensitiven Schicht 30.
Die Deckschicht 14 ist im erläuterten Beispiel eine abrieb- beständige, elektrisch schlecht leitende oder isolierende Deckschicht mit einer Dicke von weniger als 500 nm, die a- morphen, diamantähnlichen Kohlenstoff vorzugsweise als Hauptbestandteil und Sauerstoff und Silizium vorzugsweise als Nebenbestandteil enthält. Alternativ kann die Deck- schicht 14 auch im Wesentlichen nur aus Kohlenstoff, insbe- sondere aus amorphem diamantähnlichem Kohlenstoff bestehen, da sie dann immer noch eine gegenüber der sensitiven Schicht 30 deutliche niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Die den Sensiersteg 13 bildende sensitive Schicht 30 besteht im erläuterten Beispiel aus Chrom, Titan, Platin, einer NiCr-Legierung mit 80 Gew. % Ni und 20 Gew. % Cr oder einer Nickel-Kupfer-Mangan-Legierung mit 86 Gew. % Cu, 12 Gew. % Mn und 2 Gew. % Ni (Manganin), und hat einen elektrischen Wider- stand von 500 Q bis 3 kf2.
Insgesamt hat der Sensiersteg 13 im erläuterten Beispiel je nach konkreter Anwendung eine Länge von 10 um bis 5 mm, eine Breite von weniger als 5 p. m, insbesondere weniger als 2 u. m, und eine Dicke von weniger als 200 nm, bevorzugt weniger als 10 nm. Schließlich ist in Figur 2 erkennbar, dass der Sen-
siersteg 13 gegenüber den Kontaktflächen 11 eine unter- schiedliche Dicke, insbesondere eine erheblich kleinere Di- cke aufweist.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 dadurch, dass eine entspre- chend den Dimensionen der Kontaktflächen 11 bzw. des Sensierste- ges 13 dimensionierte Ausnehmung 23 im Bereich der Oberfläche des Substrates 10 vorgesehen ist, wobei der Sensiersteg 13 und die Kontaktflächen 11 sich auf der Isolationsschicht 12 befin- den, die den Boden der Ausnehmung 23 bedeckt. Dabei schließt die Oberkante des Sensiersteges 13, der gegebenenfalls mit der opti- onal vorhandenen Deckschicht 14 versehen ist, möglichst bündig mit der Oberfläche des Körpers 10 ab. Die Ausnehmung 23 wurde dazu zunächst über eine entsprechend ausgestaltete Maske in das Substrat 10 eingeätzt, und danach wurde die Isolationsschicht 12 genau im Bereich der Ausnehmung 23 so aufgebracht, dass die Aus- nehmung 23 danach wieder insbesondere vollständig gefüllt ist.
Die Größe der Ausnehmung 23 sollte dazu so bemessen sein, dass sowohl die Kontaktflächen 11 und zugehörige Leiterbahnen als auch der Sensiersteg 13 auf der Isolationsschicht 12 vollständig Platz finden können. Anschließend wurde über eine weitere, ent- sprechend ausgestaltete Maske eine zweite Ausnehmung für die Kontaktflächen 11 und zugehörige Leiterbahnen in die Isolations- schicht 12 eingeätzt. In diese werden dann die Kontaktflächen 11 und die zugehörigen Leiterbahnen aufgebracht, so dass die zweite Ausnehmung bevorzugt erneut vollständig gefüllt ist. Danach wird, falls erforderlich, für den Sensiersteg 13 mit einer ent- sprechenden Maske eine dritte Ausnehmung in die Isolations- schicht 12 eingeätzt, in die dann der Sensiersteg 13 bzw. die sensitive Schicht 30 abgeschieden wird. Sofern nachfolgend eine zusätzliche Deckschicht 14 und/oder Haftschicht 33 aufgebracht werden, ist dies beim Ätzen insbesondere der ersten Ausnehmung entsprechend zu berücksichtigen. Die Deckschicht 14 erstreckt sich dabei bevorzugt auch über die Kontaktflächen 11 und gegebe-
nenfalls zugehörige Leiterbahnen, soweit in diesem Bereich bei Betrieb ein Kontakt mit dem Gegenkörper 20 gegeben ist. Die Di- mensionen des Sensiersteges 13 sind in Figur 3 analog zu Figur 2 gewählt.
Alternativ kann die Oberkante des Sensiersteges 13 bzw. die Oberkante der in Figur 3 optional ebenfalls vorgesehenen Deckschicht 14 die Oberfläche des Substrates 10 auch um ma- ximal 500 nm überragen bzw. gegenüber dieser zurückgesetzt sein. Bevorzugt liegt die Größenordnung, um die der Sen- siersteg 13 bzw. die Deckschicht 14 die Oberfläche des Sub- strates 10 überragt bzw. gegenüber dieser zurückgesetzt ist, in der gleichen Größenordnung wie die Oberflächenrauhigkeit des Substrates 10.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann auf dem Substrat 10 auch zunächst die Isolationsschicht 12 abgeschieden werden, und danach die Ausnehmung 23 in der I- solationsschicht 12 erzeugt worden sein. Anschließend er- folgt dann die Abscheidung bzw. Erzeugung des Sensiersteges 13 oder allgemeiner der sensitiven Schicht 30 und der Kon- taktflächen 11 sowie der optional vorgesehenen Deckschicht 14 in der so in der Isolationsschicht 12 erzeugten Ausneh- mung 23. Daneben können in einer Weiterführung dieser Aus- führungsform in der Isolationsschicht 12 auch weitere Aus- nehmungen vorgesehen bzw. herausstrukturiert sein, wobei dann die Kontaktflächen 11 auf der Isolationsschicht 12 im Bereich oder innerhalb dieser weiteren Ausnehmungen angeord- net und gleichzeitig elektrisch mit der sensitiven Schicht 30 verbunden sind. Diese Ausführungsform erlaubt eine beson- ders einfache und sichere Kontaktierung der sensitiven Schicht 30, wobei die Kontaktflächen 11 ebenfalls vor Ver- schleiß geschützt und gleichzeitig gegenüber dem Substrat 10 isoliert sind.
Vor dem Hintergrund, dass der Einfluss des Sensorelementes 5 auf das Messergebnis bei der Erfassung der physikalischen Messgröße möglichst gering sein sollte, wird gemäß den Figu- ren 2 und 3 die Fläche des Sensorelementes 5 in Draufsicht und die Fläche der Isolationsschicht 12 stets möglichst klein und vor allem dünn gehalten, so dass der auftretende geschmierte Kontakt möglichst weitgehend nur zwischen den ursprünglichen Oberflächen stattfindet. Diesem Ziel dient auch das Eingraben des Sensorelementes 5 in die Oberfläche des zu untersuchenden Substrates 10 bzw. die Forderung, dass sich die Oberfläche des Sensiersteges 13 bzw. der Deck- schicht 14 möglichst auf gleicher Höhe wie die Oberkante des Substrates 10 befindet. Schließlich führt auch die dünne Ausführung der Deckschicht 14 zur einer verringerten Verfäl- schung des Messsignals des Sensorelementes 5.
Die Figur 4 zeigt detailliert den Aufbau der Isolations- schicht 12 auf dem Substrat 10, wobei zwischen dem Substrat 10 und der Isolationsschicht 12 zusätzlich eine Haftschicht 33 und auf der Isolationsschicht 12 neben der sensitiven Schicht 30 die gemäß Figur 2 oder 3 optionale Deckschicht 14 vorgesehen ist. Der spezifische elektrische Widerstand der Isolationsschicht 12 liegt insgesamt bei ca. 3*107 Qm.
Die Haftschicht 33 gemäß Figur 4 hat eine Dicke von 20 nm bis 1 pm und kann im Übrigen optional auch zwischen dem Sen- siersteg 13, d. h. der sensitiven Schicht 30 und der Deck- schicht 14, mit einer Dicke von 20 nm bis 1 ßm vorgesehen sein. Im erläuterten Ausführungsbeispiel war eine zusätzli- che Haftschicht zwischen sensitiver Schicht 30 und Deck- schicht 14 nicht erforderlich.
Die Haftschicht 33 besteht bevorzugt aus Kohlenstoff, insbe- sondere diamantartigem Kohlenstoff bzw. amorphem diamantähn- lichem Kohlenstoff, und Silizium, oder sie enthält diese E- lemente als wesentliche Bestandteile. Alternativ. kann sie
auch aus einem Metall wie Chrom oder Titan, einer Metallle- gierung oder einem Halbleiter wie Silizium ausgebildet sein, oder die Haftschicht 33 weist mehrere, übereinander angeord- nete Teilschichten unterschiedlicher Zusammensetzung auf.
Dabei ist eine dieser Teilschichten beispielsweise eine Schicht, die aus Kohlenstoff, insbesondere diamantartigem Kohlenstoff bzw. amorphem diamantähnlichem Kohlenstoff, und Silizium, besteht, oder die diese Elemente als wesentliche Bestandteile enthält, und eine andere dieser Teilschichten beispielsweise eine Schicht, die aus einem Metall wie Chrom oder Titan oder einer Metalllegierung besteht. Es kommen je- doch auch andere Materialkombinationen, auch der weiteren, oben genannten Materialien für die Haftschicht 33, für die Teilschichten in Frage.
Die Isolationsschicht 12 gemäß Figur 4 besteht aus insgesamt sechs Teilschichten, wobei diese sich zu drei Teilschicht- paaren zusammenfassen lassen. Jede dieser sechs Teilschich- ten hat im erläuterten Beispiel eine Dicke von ca. 660 nm.
Die die Isolationsschicht 12 bildenden Teilschichten teilen sich dabei in gegenüber dem Sensiersteg 13 elektrisch zumin- dest schlecht leitende Teilschichten 31 und gegenüber den vergleichsweise schlecht leitenden Teilschichten 31 tribolo- gisch höher belastbare Teilschichten 32 auf, wobei die tri- bologisch höher belastbaren Teilschichten 32 gleichzeitig eine gegenüber den vergleichsweise schlecht leitenden Schichten 31 höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen bzw. diesen gegenüber elektrisch gut leitend sind. Insbesondere besitzt die tribologisch höher belastbare Teilschicht 32 ei- ne gegenüber der vergleichsweise schlecht leitenden Schicht 31 möglichst hohe Härte, vorzugsweise eine Härte größer 1000 HV, besonders bevorzugt größer 3000 HV, und einen mög- lichst niedrigen Reibwert, vorzugsweise einen Reibwert klei- ner 0,01.
Die tribologisch höher belastbare Schicht 32 besteht bevor- zugt zumindest im Wesentlichen aus Kohlenstoff, insbesondere aus amorphem diamantähnlichem Kohlenstoff. Die elektrisch vergleichsweise schlecht leitende Schicht 31 besteht bevor- zugt aus Kohlenstoff, insbesondere amorphem diamantähnlichem Kohlenstoff, und enthält daneben vor allem zur Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit zudem Sauerstoff und Silizi- um.
Im Übrigen ist wichtig, dass sich unmittelbar unter dem Sen- siersteg 13 bzw. der sensitiven Schicht 30 zunächst eine tribologisch höher belastbare Schicht, d. h. die Teilschicht 32, und darunter dann eine elektrisch gegenüber dem Sen- siersteg 13 zumindest schlecht leitende Teilschicht, d. h. die Teilschicht 31, befindet. Diese beiden Teilschichten 31, 32 bilden ein Teilschichtpaar, das, wie in Figur 4 darge- stellt, mehrmals wiederkehrt.
Generell besitzen die tribologisch höher belastbare Teil- schicht 32 und die elektrisch vergleichsweise zumindest schlecht leitende Teilschicht 31 jeweils eine Schichtdicke von 50 nm bis 5 um, insbesondere von 300 nm bis 1 um.
Zur Erzeugung von amorphen, diamantähnlichen Kohlenstoff- schichten, wie sie in den vorstehend erläuterten Beispielen zur Herstellung der Isolationsschicht 12, der Deckschicht 14 und der Haftschicht 33 benötigt werden, sind aus dem Stand der Technik vielfältige Herstellungsverfahren bekannt. Ein Überblick über die Eigenschaften von amorphen, diamantähnli- chen Kohlenstoffschichten wird beispielsweise in J. Robert- son,"Hard Amorphous (Diamond-like) Carbon", Progress in So- lid State Chemistry, 21,4, (1991), Seiten 199 bis 333, oder U. Müller, R. Hauert und M. Tobler,"Ultrahartstoff- Beschichtungen aus Kohlenstoff", Oberflächen und Werkstoffe, 38, (1997), Seiten 8 bis 15, gegeben.
Zur Funktion als abriebfeste Schutzschichten haben sich vor allem mit PACVD ("Plasma Activated Chemical Vapour Depositi- on") abgeschiedene, amorphe diamantähnliche Kohlenstoff- schichten etabliert. Dabei wird in einer Abscheidekammer un- ter niedrigem Gasdruck von weniger als 10 kPa durch Anlegen einer genügend hohen Spannung (Gleichspannung oder Wechsel- spannung von wenigen Hertz bis einigen GHz), beispielsweise einer Hochfrequenzspannung von 13,56 MHz, ein Plasma er- zeugt, dem als Reaktivgas beispielsweise Acetylen oder ein anderes Kohlenwasserstoffgas wie ein bei Standardbedingungen gasförmiges Alkan (Methan, Ethan, Propan, Butan, ...), Alken<BR> (Ethen, Propen, Buten, ...) oder Alkin oder auch eine bei Standardbedingungen flüssige Verbindung wie Benzol, Cyclohe- xan oder Toluol zugeführt wird. Bevorzugt ist Acetylen, da dieses Gas das höchste Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis aufweist und die dichtesten und härtesten Schichten ergibt.
Die so erzeugten amorphen diamantähnlichen Kohlenstoff- schichten, die besser auch als Kohlenwasserstoffschichten bezeichnet werden, weisen in der Regel einen nicht sehr ho- hen spezifischen elektrischen Widerstand in der Größenver- ordnung von 104 Dm auf. Bei einer typischen Schichtdicke von ca. 1 um und einer Kontaktfläche von ca. 0, 5 cm2 ergibt dies einen Kurzschlusswiderstand von ca. 200 Q. Dieser Wert ist zu vergleichen mit dem gewünschten elektrischen Widerstand des Sensiersteges 13, der in der Größenordnung von 1 kQ liegt. Um eine genügende elektrische Isolation des Sen- siersteges 13 gegenüber der Isolationsschicht 12 zu erzie- len, ist es jedoch wünschenswert, dass die Isolationsschicht 12 einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der mindestens drei Größenordnungen größer ist, d. h. vorzugswei- se bei ca. 107 nm liegt.
Diese Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstandes der Isolationsschicht 12 wird über die Zusammensetzung der Isolationsschicht 12 und/oder durch die erläuterte Auftei-
lung in Teilschichten 31,32 erreicht, wobei für die Isola- tionsschicht 12 als Ganzes die mechanischen Eigenschaften einer reinen, amorphen diamantähnlichen Kohlenstoffschicht weitgehend erhalten bleiben.
Die gewünschte Erhöhung des spezifischen elektrischen Wider- standes einer amorphen diamantähnlichen Kohlenstoffschicht zur Ausbildung der elektrisch zumindest schlecht leitenden Teilschicht 31 lässt sich am Einfachsten durch eine Änderung der Abscheideparameter beim Herstellungsverfahren, insbeson- dere eine Beimischung eines Reaktivgases wie eines Organosi- lanols bei der Schichtabscheidung, erreichen. Dabei nutzt man aus, dass durch den Einbau von beispielsweise Silizium- Sauerstoff-Verbindungen in die amorphe, diamantähnliche Koh- lenstoffschicht, deren elektrische Leitfähigkeit herabge- setzt wird. Diese Vorgehensweise hat ihre Grenzen aber dar- in, dass durch den Einbau dieser zusätzlichen Verbindungen bzw. Elemente zwar der spezifische elektrische Widerstand erhöht wird, gleichzeitig damit aber eine unakzeptable Ver- schlechterung der tribologischen Eigenschaften der herge- stellten Schicht einher geht. So werden amorphe, diamantähn- liche Kohlenstoffschichten durch Zugabe von Hexamethyldisi- loxan glasartig, so dass man eine sehr spröde, hohen mecha- nischen Ansprüchen nicht mehr gewachsene Schicht erhält.
Durch die vorgesehene Aufteilung der Isolationsschicht 12 in zwei Teilschichten 31,32 mit unterschiedlichen Funktionen gelingt es insgesamt sehr gut und einfach, die an die Isola- tionsschicht 12 gestellten Anforderungen sowohl hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit als auch mechanischer Beständig- keit zu erfüllen. Insbesondere erhält man durch die erläu- terte Abfolge der elektrisch zumindest schlecht leitenden Teilschicht 31 und der tribologisch höher belastbaren, e- lektrisch besser leitenden Schicht 32 insgesamt eine Isola- tionsschicht 12, die mechanisch sehr belastbar ist, eine
ausreichende Duktilität und Haftung aufweist, und die insge- samt elektrisch isolierend ist.
Aufbauend auf diesen Vorüberlegungen erfolgt die Erzeugung der Haftschicht 33 bevorzugt durch Abscheidung eines Metalls oder einer Kombination verschiedener Metalle mittels PVD ("Physical Vapour Deposition"), CVD ("Chemical Vapour Depo- sition") oder PACVD ("Plasma Activated Chemical Vapour Depo- sition") unter Einsatz eines metallhaltigen Gases, bei- spielsweise eines Metallchlorides oder eines Organometalls, als Reaktivgas. Daneben kommt als Reaktivgas zur Abscheidung der Haftschicht 33 auch Tetramethylsilan oder eines der er- wähnten Kohlenwasserstoffgase in Frage.
Die elektrisch zumindest schlecht leitende Teilschicht 31 wird mit Hilfe des erläuterten PACVD-Verfahrens unter Ein- satz einer Mischung von einem oder mehreren Gasen aus der Gruppe Sauerstoff, Silan, insbesondere Monosilan, Organosi- lan, insbesondere Tetramethylsilan, Organosilanol, insbeson- dere Hexamethyldisiloxan, und Kohlenwasserstoffgas als Reak- tivgas abgeschieden. Bevorzugt wird eine Mischung von Hexa- methyldisiloxan und Acetylen als Reaktivgas eingesetzt, die besonders bevorzugt aus 75 Vol. % Hexamethyldisiloxan und 25 Vol. Acetylen besteht. Alternativ kann jedoch auch aus- schließlich Hexamethyldisiloxan eingesetzt werden. Zur Ab- scheidung der tribologisch höher belastbaren Teilschicht 32, die gleichzeitig elektrisch besser leitend ist, wird in dem erläuterten PACVD-Verfahren bevorzugt Acetylen als Reaktiv- gas eingesetzt.
Die die Isolationsschicht 12 bildende Schichtfolge aus den Teilschichten 31,32 wird schließlich bevorzugt dadurch er- zeugt, dass mit dem erläuterten PACVD-Verfahren die gesamte Beschichtung in einem Durchgang, d. h. ohne Unterbrechung des Plasmas, hergestellt wird, wobei beim Übergang von einer Teilschicht auf die andere ein Wechsel des Reaktivgases ent-
weder abrupt, stufenweise, d. h. in einigen wenigen Schrit- ten, oder kontinuierlich oder quasikontinuierlich, d. h. in vielen kleinen Schritten erfolgt. Im Übrigen sollte die Schichtdicke der Isolationsschicht 12 insgesamt nicht mehr als 6 um betragen.
Im Übrigen sei noch erwähnt, dass das Substrat 10 und/oder der Gegenkörper 20 beispielsweise aus gehärtetem Stahl (DIN Werkstoffnummer 1.4125 oder 1.3505) besteht.
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