DD285908A7 - Verfahren zur messung von kraeften und druecken - Google Patents

Abstract

Das Verfahren ist in der Geraetetechnik, Medizintechnik und im Maschinenbau anwendbar. Die erfindungsgemaesze Loesung besteht darin, dasz zwischen einer leitfaehigen kontaktierbaren Unterlage mit mindestens einer ebenen Begrenzungsflaeche, einer einen Ladungsuebertragungskomplex enthaltenden organischen Schicht der Dicke 100 nm bis 15 mm und einem leitfaehigen kontaktierbaren Gegenstueck mit mindestens einer ebenen Begrenzungsflaeche, welches zur Kraftuebertragung dient, eine konstante Spannung im Bereich von 10 mV bis 50 V angelegt und der Strom in Schichtnormalrichtung in Abhaengigkeit von der Kraft im Bereich von 5 N bis 50 kN bzw. dem Druck im Bereich von 10 Pa bis 200 MPa mit einer mittels der angelegten Spannung vorwaehlbaren Empfindlichkeit gemessen wird.{Messung; Kraefte; Druecke; organischer Ladungsuebertragungskomplex; Duennschichtanordnung; vertikale Strommessung; Empfindlichkeit; vorgegebene Spannung; Geraetetechnik; Medizintechnik; Maschinenbau}

Description

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Kräften und Drücken und findet vorwiegend in der Geratetechnik, der Medizintechnik und im Maschinenbau Anwendung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Wesentliche Voraussetzung für einen automatisierten Ablauf vieler Prozesse in der Be- und Verarbeitungstechnik sind kleine Sensoren, die die Meßgröße Druck bzw. Kraft in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umwandeln. Bekannt sind Druck- bzw. Kräftemessungen mittels piezokeramischer Kraftsignalgeber, Miniatur-Druckwandler und Halbleiterdrucksensoren auf Silizium-Basis, kapazitiver Meßfühler, elastischer Elektret- oder anderer Polymerfolien, die drucksensible Materialien enthalten.

So wird ein auf der Druckempfindlichkeit von Ladunysübertragungskomplexen basierendes Nachweiselement mechanischer Spannungen (JP 58-74086) beschrieben, bei dem in ein polymeres Material aus Polystyrene der Elektronendonator Tetrathiotetracen (TTT) und der Elektronenakzeptor Tetrachlorkohlenstoff (C Cl₄) eingebettet sind, das aber den Nachteil hat, daß die ohnehin nur bis maximal 70°C stabile Polymermatrix bei Druckeinwirkung leicht deformierbar ist, was den Einsatz in der automatisierten Feinbearbeitung von Werkstücken im Go.äte- und Maschinenbau unmöglich macht. Des weiteren ist bekannt (Thin Solid Films 30 (1975) 173), daß aufgedampfte Schichten des organischen Ladungsübertragungskomplexes Tetrathiafulvalen-Tetracyanochihodimethan (TTF-TCNQ) bei quasihydrostatischer Druckbelastung bis 5 · 10⁸Pa in Schichtebenenrichtung einen druckabhängigen elektrischen Widerstand aufweisen. Weitergehende Untersuchungen haben aber gezeigt, daß sich bei diesen Messun gen in der Schichtebene in keinem Druckbereich eine eindeutige für einen Kräftesensor verwertbare Abhängigkeit zwischen Strom und wirkendem Druck finden läßt. Bei Drücken bis 5MPa liegt die Widerstandsänderung unter 10%, im Bereich bis 10⁸Pa streuen die Meßwerte stark und lassen sich schlecht durch eine Meßkurve annähern und bei noch größeren Drücken ist die Widerstandsänderung so klein, daß keine eindeutige Zuordnung zu einem Druck möglich ist.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zur Messung sowohl von Kräften als auch von Drücken in einem großen Kräftebereich bei kleinen Abmessungen des Meßfühlers und einer der Meßaufgabe angepaßten Empfindlichkeit zu entwickeln, das technologisch einfach und kostengünstig realisierbar sowie universell einsetzbar und zuverlässig ist.

Darlegung de· Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur genauen Messung von statischen und dynamischen Kräften im Bereich von wenigen N bis 5OkN bzw. von Drücken bis 500 MPa mit einer einzigen Meßeinrichtung kleiner Abmessungen und einer der Meßaufyabe angepaßten Empfindlichkeit bereitzustellen, das eine vernachlässigbare Deformation des drucksensiblen Elements bei Kraftaufnahme gewährleistet und ein einfaches elektrisches Auswertesignal liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zwischen einer leitfähigen kontaktierbaren Unterlage mit mindestens einer ebenen Begrenzungsfläche, einer einen Ladungsübertragungskomplex enthaltenden organischen Schicht der Dicke 100 nm bis 15μπΊ und einem leitfähigen kontaktierbaren Gegenstück mit ebenfalls einer ebenen Begrenzungsfläche, weiches zur Kraftübertragung dient, eine konstante elektrische Spannung zwischen 10mV und 50V angelegt und der Strom in Schichtnormalenrichtung in Abhängigkeit von der Kraft bzw. dem Druck mit einer mittels der angelegten Spannung vorwählbaren Empfindlichkeit gemessen wird. Dieser Strom kann als Meßsignal registriert und weiterverarbeitet werden. Besonders geeignet sind organische Schichten im Bereich 300nm bis 5μπΊ und ein Bereich der anzulegenden Spannung zwischen 50mV bis 20V. Mit diesem Verfahren können unter Verwendung von organischen Schichten im angegebenen Dickenbereich Kräfte bis 5OkN bzw. Drücke im Bereich von 10Pa bis 200MPa gemessen werden.

Die Empfindlichkeit des Stromos von der Kraft, die von der verwendeten organischen Schicht und ihrer Dicke abhängt und zwischen einigen nA/N und einigen mA/N liegt, vergrößert sich bei Erhöhung der Spannung von 5OmV auf etw- 20 V bei ein und derselben Dünnschichtanordnung um 2 bis 3 Größenordnungen. Bei der Messung großer Kräfte liefert somit eine kleine Spannung eine leicht meß- und auswertbare Stromänderung im μΑ-mA-Bereich, während sich zur Messung sehr kleiner Kräfte eine höhere Spannung empfiehlt, um im gleichen Strombereich messen zu könnon.

Sowohl die Unterlage als auch das Gegenstück können ein Metallteil oder ein auf der ebenen Begrenzungsfläche mit einer ' leitfähigen kontaktierbaren Schicht versehenes isolierendes Teil sein. Das Gegenstück kann analog zur U;>:- -lage ebenfalls mit der den Ladungsübertragungskomplex enthaltenden organischen Schicht versehen sein, wodurch die mechanische Belastbarkeit erhöht wird.

Als Gegenstück ist auch eine Metallschicht verwendbar, die direkt auf die mit der organischen Schicht versehene Unterlage., beispielweise durch Aufdampfen, Aufsputtern oder Aufpressen aufgebracht ist. Die Schicht kann eine Ladungsübertragungskomplexschicht sein, die durch Verdampfung des pulverförmiger! Ladungsübertragungskomplexes im Hochvakuum, aus einer den Ladimgsübertregungskomplex enthaltenden Lösung oder aus seiner Schmelze auf Unterlage und Gegenstück abgeschieden wird. Die Schicht kann aber auch aus einer einfachen oder alternierenden Schichtfolge von Elektronenakzeptoren und Elektronendonatoren bestehen, die ausgehend von der Grenzfläche miteinander den Ladungsübertragungskomplex bilden. Das wird durch aufeinanderfolgende oder auch gleichzeitige Verdampfung von Elaktronendonator und Elektronenakzeptor realisiert. Eine solche Schichtfolge zeigt die gleiche Abhängigkeit des Stromes von der wirkenden Kraft, wie die einfache Ladungsübertragungskomplexschicht und verträgt eine hohe mechanische Beanspruchung. Als Elektronenakzeptor des organischen Ladungsübertragungskomplexes eignen sich Chinodimethan-Derivate, vorzugsweise Tetracyanochinodimethan (TCNQ), Tetracyanpolyene, Tetrahalogen- bzw. -cyanbenzochinone oder Halogene bzw. Halogenida. Als jElektronendonator eignen sich Tetrachalkogena-Fulvalen-Derivate, beispielsweise Tetrathiafulvalen (TTF) oder Diphenyltetrathiafulvalen (DPTTF), Polwhalkogene-Polyacen-Derivate, aromatische Kohlenwasserstoffe, Substitutionsprodukte aus der Gruppe der Heterocyclen oder auch Metalle. Bei der Anwendung des Verfahrens hat sich überraschenderweise gezeigt, daß im Gegensatz zur bisher an Schichten organischer Ladungsubertragungskomplexe durchgeführten Messung des Stromes in der Schichtebene, die Messung des Stromes in der Schichtnormalenrichtung außer dem Vorteil des geringeren Bedarfes an Ladungsübertragungskomplexmaterial, der durch die mögliche und an keine Elektrodenanordnung auf der Schicht gebundene Minimierung der Fläche bedingt ist, sowohl bei sehr kleinen Kräften als auch bis 5OkN gonaueie und empfindliche Angaben ermöglicht.

-3- 285 908 Ausführungsbeispiel Dit> Erfindung wird an fünf Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1: Abhängigkeit des Stromes von der Kraft für die in Beispiel 1 beschriebene Dünnschichtanordnung mit der Spannung als

Parameter Fig2: Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der angelegten Spnnriung für die in Beispiel 1 beschriebene

Dünnschichtanordnung ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten Strom-Kraft-Abhängigkeit Fig. 3: die Strom-Kraft-Abhängigkeit für die in Beispiel 2 beschriebene Dünnschichtanordnung bei 1V Fig.4: die Strom-Kraft-Abhängigkeit für die in Beispiel 3 beschriebene Dünnschichtanordnung bei 5OmV, 10OmV, 50OmV und Fig. 5: 'die Strom-Kraft-Abhängigkeit für die in Beispiel 4 beschriebene Dünnschichtanordnung bei 5V.

1. Auf einer Stahlplatte der Kantenlänge 10mm χ 15 mm und eina Kupferplatte der gleichen Abmessungen wird durch aufeinanderfolgende Hochvakuumverdampfung bei einer Substrattemperatur von 80K eine organische Schicht abgeschieden, die au3 einer 60nm dicken TTF-Schicht, einer 400ηm dicken TCNQ-Schicht und einer 400nm dicken TTF-Schicht besteht, beide Platten mit der beschichteten Seite aufeinandergelegt, so daß eine Gesamtschichtdicke von etwa 1,7Mm entsteht und der Strom in Abhängigkeit von der wirkenden Normalkraft bei stufenweiser Erhöhung der angelegten Spannung von 1V bis 15 V in 1 V-Schritten gemessen. Fig. 1 gibt diese Abhängigkeit im Kräftebereich zwischen 1 kN und 10 kN wieder. Die Ströme liegen zwischen. 10mA und 90OmA. Die Meßkurven lassen sich für alle Spannungen im gesamten Kräftebereich in einer Darstellung des Stromes über der Wurzel der Kraft aufgetragen durch Goraden mit spannungsabhängigem Anstieg annähern. Diese Anstiege, die den Empfindlichkeiten entsprechen, sind in Fig. 2 in Abhängigkeit von der angelegten Spannung dargestellt. Sie steigen linear mit der Spannung von 0,5mA/N"² (bei 1 V) auf 7,5mA/N^1/2(bei15V).

2. Eine 1 mm dicke,als Unterlage dienende Kupferplatte der Kantenlänge 10mm χ 15mm wird durch aufeinanderfolgende Hochvakuumverdampfung von Tetrathisfulvalen (TTF) (400nm dick) und Tetracyanochinodimethan (TCNQ) (600nm) bei einer Substrattemperatur von 220K mit einer organischen Schicht der Gesamtdicke von 1 μητι beschichtet und mit einem Strahlgegenstück der gleichen Abmessungen abgedeckt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung von 1V steigt der Strom durch die Dünnschichtanordnung beim Erhöhen einer normal auf die Anordnung wirkenden Kraft von 12 N auf 350 N linear von 1,75mA auf 3,25 mA mit einer Empfindlichkeit von 4,44 μΑ/Ν (Fig. 3) an.

3. Auf zwei Kupferplatten der gleichen Abmessungen wie im Beispiel 1, wovon eine als Unterlage und eine als Gegenstück dient, wird durch Hochvakuumverdampfung des Ladungsübertragungskomplexes TTF/TCtf Q eine 300 nm dicke TTF/TCNQ-Schicht abgeschieden und beide Platten mit der beschichteten Seite zueinander zusammengedrückt, so daß sich eine Gesamtschichtdicke von 600 nm ergibt, und eine Spannung von 1V angelegt. Der Strom erhöht sich bei einer Kraft im Bereich von 20N bis 500 N quasilinear von 110μΑ auf 150 μΑ mit einer Empfindlichkeit von 85 riA/N.

4. Auf zwei Kupferplatten der Kantenlänge 10mm x 10mm wird durch Hochvakuumverdampfung bei einer Substrattemperatur von 300K, eine Schichtfolge aus einer 150nm dicken Diphenyl-TTF-Schicht und einer 10OOnm dicken TCNQ-Schicht aufgebracht, diese analog zu Beispiel 1 mit der beschichteten Seite zueinander zusammengedrückt (Gesamtschichtdicke 2,3 μητι) und der Strom bei einer Belastung bis 500 N gemessen. In Fig.4 ist die Strom-Kraft-Abhängigkoit für Spannungen von 5OmV, 100mV, 50OmV und in Fig.0 für 5V dargestellt. Oberhalb 6ON besteht eine lineare Abhängigkeit zwischen Strom und Kraft mit einer linear mit der Spannung zunehmenden Empfindlichkeit zwischen 3,4 η A/N (bei 50mV) und 340 η A/N (bei 5 V), d. h. 68nA pro N und pro V.

5. Zwei etwa 20μιτι dicke Kunststoffolien, die mit 6 mm breiten aufgedampften Kupferstreifen versehen sind, werden durch Hochvakuumverdampfung mit einer Schichtfolge, bestehend aus TTF, TCNQ und TTF, mit einer Dicke von 850 nm beschichtet und so mit den bescjffhteten Seiten aufeinandergelegt, dats sich die Kupferstreifen Im rechten Winkel kreuzen und sich eine effektive Fläche von 36mm² ergibt. Die Kupferstreifen werden außerhalb der Kraft-Druckangriffsfläche kontaktiert. Bsi einer angelegten Spannung von 1,3 V erhöht sich der Strom durch diese Dünnschichtanordnung bei einem Druckanstieg von 13 Pa (Grobvakuum) auf 0,1 MPa (Normaldruck) von 0,4mA auf 2m A. Bei weiterer Druckerhöhung auf 0,3MPa steigt der Strom auf 25mA an.

6. Aut ain Glassubstrat dor Kantenlänge 10mm χ 15mm wird ein 3mm breiter Kupferstreifen über die gesamte Längsseite des Substrats aufgedampft, mit einer organischen Schicht aus 500 nmDPTTF/TCNQ durch Hochvakuumverdampfung abgedeckt und darüber ein 3 mm breiter Kupfers'.reifen quor zu dem ersteren aufgedampft. Die Kupferstreifen werden außerhalb eier Überlappungsfläche kontaktiert und eine Spannung von 5 V angelegt. Bei einer auf die Überlappungsfläche ausgeübten Kraft bis 250N steigt der Strom von 0,4 uA auf 20μΑ (Empfindlichkeit: 80nA/N).

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung von Kräften und Drücken mittels einer einen organischen Ladungsübertragungskomplex enthaltenden Dünnschichtanordnung, die einen druckabhängigen elektrischen Widerstand besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer leitfähigen kontaktierbaren Unterlage mit mindestens einer ebenen Bogrenzungsfläche, einer einen Ladungsübertragungskomplex enthaltenden organischen Schicht der Dicke 100nm bis 15μηι und einem leitfähigen kontaktierbaren Gegenstück mit mindestens einer ebenen Begrenzungsfläche, welches zur Kraftübertragung dient, eine konstante Spannung im Bereich von 1OmV bis 50V angelegt und der Strom in Schichtnormalenrichtung in Abhängigkeit von der Kraft im Bereich von 5 N bis 5OkN bzw. dem Druck im Bereich von 10 Pa bis 200 MPa mit einer mittels der angelegten Spannung vorwählbaren Empfindlichkeit gemessen wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der organischen Schicht 300nm bis 5μιη beträgt und eine Spannung im Bereich 5OmV bis 20 V angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als leitfähige kontaktierbare Unterlage ein Metallteil oder ein auf der ebenen Begrenzungsfläche mit einer leitfähigen kontaktierbaren Schicht versehenes isolierendes Teil verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als leitfähiges kontaktierbares Gegenstück ein Metallteil oder ein auf der ebenen Begrenzungsfläche mit einer leitfähigen kontaktierbaren Schicht versehenes isolierendes Teil verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die ebene Begrenzungsfläche der leitfähigen kontaktierbaren Unterlage oder des Gegenstückes die den Ladungsübertragungskomplex enthaltende organische Schicht aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige kontaktierbare Gegenstück aus einer Metallschicht die direkt auf die mit der organischen Schicht versehene Unterlage aufgebracht ist, besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Schicht eine Ladungsübsr+ragungskomplexschicht verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Schicht eine einfache oder alternierende Schichtfolge von Elektronendonatoren und Elektronenukzeptoren verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektronenakzeptor des organischen Ladungsübertragungskomplexes ein Chinodimethan-Derivat, vorzugsweise Tetracyanochinodimethan (TCNQ), ein Tetracyanpolyen, ein Tetrahalogenbzw, -cyanbenzochinon oder ein Halogen bzw. Halogenid verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Elaktronendonator des organischen Ladungsübertragungskomplexes ein Tetrachalkogena-Fulvalen-Derivat, beispielsweise Tetrathiafulvalen (TTF) oder Diphenyltetrahiafulvalen (DPTTF), ein Polychalkogena-Polyacen-Derivat, ein aromatischer Kohlenwasserstoff, ein Substitutionsprodukt aus der Gruppe der Heterocyclen oder ein Metall, verwendet wird.