Entwicklung und Aufbau von piezoresistiven Sensoren zur direkten Einbettung in Bauteilen aus Aluminium während des Gussprozesses

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, dem Aufbau und der Charakterisierung von piezoresistiven Sensoren zur direkten Einbettung in Bauteilen aus Aluminium während des Gussprozesses. Ziel ist die Entwicklung eines piezoresistiven Sensors auf einem Substrat aus Aluminium. Der Sensor soll zwischen Temperatur und Dehnung unterscheiden. Zunächst wurden reine Dickschichtsensoren auf Substraten aus Aluminium hergestellt und untersucht. Die Sensoren sind im Versuch in der Lage, das Versagen der Gussmatrix frühzeitig zu messen. Die Widerstände und Temperaturkoeffizienten der eingebetteten Dickschichtsensoren sind jedoch nicht reproduzierbar und weisen eine große Streuung auf. Aus den Ergebnissen der untersuchten Dickschichtsensoren im Druck- und Kokillenguss wurde abgeleitet, dass ein höherschmelzendes Sensorelement für die Sensoren benötigt wird. Die hierfür entwickelte Technologiekombination aus Dünn- und Dickschicht vereint die robusten thermo-mechanisch stabilen Dickschichten mit den reproduzierbaren hochtemperaturfesten Dünnschichten für das piezoresistive Sensorelement. Dazu wurden die bereits etablierten Prozesse für die Isolation und Leiterbahn des Sensors aus Dickschicht als Basis für einen Sensor genutzt. Anschließend wurde auf der Dickschicht-Basis aus Isolation und Leiterbahn auf einem Substrat aus Aluminium ein Lift-off-Verfahren zur Strukturierung von PVD-Metallisierungen entwickelt. Die Dünnschicht wird abschließend durch eine weitere Dickschicht-Isolation vor der Schmelze geschützt. Mit der entwickelten Technologiekombination weisen Sensoren im Anschluss an den Gussprozess eine geringe Streuung auf und sind reproduzierbar. Um eine Trennung zwischen Temperatur und Dehnung zu erreichen, wurde das Konzept eines 2 Metall Sensors genutzt. Mit zwei Sensorelementen aus unterschiedlichen Materialien in unmittelbarer Nähe zueinander, können Dehnung und Temperatur aus den Widerständen errechnet werden. Hierzu wurde Gold als weiteres Element neben dem erprobten Platin verwendet; beide mit einer Haftschicht aus Titan. Die Sensoren sind vor der Einbettung in der Lage Temperatur und Dehnung zu trennen. Eine Einbettung dieser Sensoren erfolgte nicht mehr, da die Druckgussmaschine nicht zur Verfügung stand. In Zusammenarbeit mit der Forschergruppe um Eric McDonald wurden piezoresistive Dickschichtsensoren auf Substraten aus Stahl hergestellt und im Verfahren des Laserauftragsschweißens in Stahl eingebettet. Sowohl das Bauteil in Form einer Zugprobe als auch das Substrat sind dabei im Laserauftragsschweißen generiert worden. Mit den eingebetteten Sensoren kann Dehnung gemessen werden.