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Abstract

Heutzutage sind Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen z. B. für den Einsatz in hoch präzisen Drucksensoren weit verbreitet. Spezielle hochempfindliche piezoresistive Nanokomposit-Schichten, die aus metallischen Nanopartikeln, eingebettet in eine isolierende Matrix aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC), bestehen, können die Messgenauigkeit deutlich erhöhen. Wesentliche Parameter bei der Charakterisierung der Dünnschichten sind die Dehnungsempfindlichkeit (beschrieben durch den k-Faktor) und der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR). Der k-Faktor von herkömmlich verwendeten NiCr-Legierungen liegt bei ca. 2. Metall-DLC-NanokompositSchichten haben im Labormaßstab bereits eine 5- bis 10-mal höhere Dehnungsempfindlichkeit in Kombination mit einem TCR nahe Null erreicht. Zunächst wurden die hochempfindlichen Schichten mittels statischer Beschichtung in einem Box-Coater hergestellt, wobei sehr lange Prozesszeiten nötig waren. Durch die Verwendung eines dynamischen Prozesses in dem gleichen Beschichtungssystem konnte der Probendurchsatz leicht erhöht werden. Für den Einsatz dieser hochempfindlichen Schichten im industriellen Maßstab ist allerdings eine wesentlich höhere Effizienz erforderlich, weshalb der Prozess auf eine industrielle Kurztakt-Hochrate-Sputter-Anlage übertragen wurde. Zusammen mit einer Steigerung der Dehnungsempfindlichkeit gegenüber dem dynamischen Prozess im Box-Coater konnte in dieser neuen Sputter-Anlage ein mehr als 20-mal höherer Probendurchsatz erreicht werden.

Highest precision in short cycle time – highly sensitive thin fiim strain gauges produced in an industrial high-rate-sputtering system

Commonly, sputtered strain gauges are already used for highly precise pressure sensors. By using special highly sensitive piezoresistive nanocomposites consisting of metal nanoparticles embedded in an insulating matrix made from diamond-like carbon (DLC) the sensitivity to strain can be significantly increased. Essential parameters for the characterization of the thin films used as sensor layer are the strain sensitivity (described by the gauge factor) and the temperature coefficient of resistance (TCR). Conventionally used NiCr alloys have a gauge factor of approximately 2. By using metal-DLC nanocomposite films a factor 5 to 10 higher strain sensitivity in combination with a TCR close to zero was reached on laboratory scale. At first, the highly sensitive films were produced by static deposition using a box coater which led to quite long process times. By using a dynamic deposition process in the same machine the throughput of samples was slightly increased. But for using these highly sensitive films on industrial scale much higher cost and process efficiency is necessary. Hence, the process was transferred to a highrate sputtering system. A 20 times higher throughput of samples was reached in combination with a higher strain sensitivity compared to the dynamic process in the box coater. The used high-rate sputtering system is also commercially available with enlarged process chambers which enables for a further up-scaling for efficiently industrial production.