Combination of SU8 and Diamond-like Carbon for New Generation of Highly Sensitive Piezoresistive Sensors
Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
Final Report Abstract
Das Projektziel ist die Entwicklung eines hochempfindlichen Kraftsensors, bestehend aus dreidimensionalen Sensorstrukturen aus dem Fotoresist SU-8 sowie integrierten piezoresistiven Widerständen aus diamantähnlichen Kohlenwasserstoffschichten (diamondlike carbon - DLC). Für die piezo-resistiven Widerstände des Kraftsensors wurden verschiedene DLC-Schichten untersucht. Diese können dabei in wasserstofffreie DLC-Schichten (a-C), die aus amorphem Kohlenstoff bestehen, und wasserstoffhaltige DLC-Schichten (a-C:H), die zusätzlich auch typischerweise bis zu 10 % Wasserstoff enthalten, unterteilt werden. Die Schichten werden mit Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition - PVD), z. B. mittels Gleichstrom-Gasentladung (DC-Magnetronsputtern), oder der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (plasma assisted chemical vapour deposition - PACVD) hergestellt. In diesem Projekt wurden erstmals die Einflüsse von Prozessdruck und Gasfluss auf die Schichteigenschaften von DLC-Schichten getrennt voneinander untersucht. Es wurden a-C-Schichten mittels gepulstem Magnetronsputtern hergestellt. Diese Schichten zeigten eine stärkere Abhängigkeit der elektrischen Widerstände von der Dehnung (beschrieben durch den k-Faktor). Mit a-C:H-Schichten konnten bisher die höchsten k-Faktoren erreicht werden. Darüber hinaus wurden Nanokomposit-Schichten, bestehend aus einer DLC-Matrix (a-C:H) mit eingebetteten Metall- oder Metallcarbid-Nanopartikeln, hergestellt und untersucht. Es zeigte sich, dass mit Nickel, Eisen und Kupfer die Temperaturabhängigkeit des Widerstands gesenkt werden kann. Es wurde ein Messplatz aufgebaut, mit dem der k-Faktor von besonders hochohmigen a-C:H-Schichten gemessen werden kann. Die besondere Herausforderung lag dabei in der Abschirmung und Verwendung von z. B. Guard-Potenzialen, um verlässliche und reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten. Nach der Optimierung ist der aktuelle Messplatz nun unempfindlich gegenüber den im Labor auftretenden elektrischen und magnetischen Störfeldern. Weitere Einflussgrößen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit müssen noch konstant gehalten werden. Für a-C:H-Schichten konnten extrem hohe k-Faktoren von über 1000 realisiert werden, wobei grundsätzlich eine vom Wert her kleine Substratbiasspannung, ein hoher Gasfluss sowie ein hoher Druck zu einem höheren k-Faktor geführt haben. Es wurden erste Versuche unternommen, den k-Faktor der a-C:H-Schichten in Korrelation zur Struktur der Schichten (z.B. sp3-Gehalt, Bandlücke) zu setzen. Dies ist jedoch bisher nicht gelungen, so dass an dieser Stelle weiterer Forschungsbedarf besteht. Zudem haben erste Messungen den Verdacht aufkommen lassen, dass der k-Faktor und Widerstand der a-C:H-Schichten von der Temperatur und/oder der relativen Luftfeuchtigkeit während der Messung abhängt. In Ermangelung einer geeigneten Klimakammer konnte dieses Phänomen nicht untersucht werden, da dafür Temperatur und relative Feuchte getrennt voneinander variierbar sein müssten. Eine geeignete Klimakammer muss zudem die Anforderung erfüllen, dass der vorhandene Messplatz integrierbar sein muss.
Publications
- DLC-Beschichtung auf SU-8-Fotoresist für piezoresistive Anwendungen in der Kraftsensorik. In: H.F. Schlaak et al. (eds.): MikroSystemTechnik Kongress 2011: 10.-12. Oktober 2011, Darmstadt, Berlin: VDE-Verlag, 2011, S.567-570
A. Jordan, M. Petersen, R. Bandorf, S. Büttgenbach, C.-P. Klages
- Me-DLC films as material for highly sensitive temperature compensated strain gauges. In: Diamond & Related Materials 20 (2011), S. 814-818
M. Petersen, U. Heckmann, R. Bandorf, V. Gwozdz, S. Schnabel, G. Bräuer, C.-P. Klages
- Diamond-like carbon films as piezoresistors in highly sensitive force sensors. In: Diamond & Related Materials 26 (2012), S. 50-54
M. Petersen, R. Bandorf, G. Bräuer, C.-P. Klages
(See online at https://doi.org/10.1016/j.diamond.2012.04.004)
