Entwicklung von dreidimensionalen taktilen Sensoren aus SU-8-Fotoresist

Oerke, Alexa GND

Die dimensionelle Messung von Mikrosystemen mit taktilen Sensoren erfordert hochpräzise Messsysteme mit hoher Empfindlichkeit bei gleichzeitig geringen Antastkräften. Bestehende taktil-elektrische dreidimensionale Tastsensoren werden bislang vorwiegend aus Metallen oder Halbleitern als Basismaterialien aufgebaut. Der Einsatz polymerer Werkstoffe mit niedrigem Elastizitätsmodul bietet an dieser Stelle die Möglichkeit, das Verhalten derartiger Sensoren positiv zu beeinflussen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung piezoresistiver dreidimensionaler Tastsensoren auf der Basis von SU-8-Fotoresist. In Anlehnung an ein bestehendes Grundkonzept Silizium-basierter Sensoren werden Designs, bestehend aus einer versteiften Membrankonstruktion, entworfen. Parallel wird ein geeigneter mikrotechnischer Herstellungsprozess für die frei tragenden SU-8-Strukturen entwickelt. Dieser beinhaltet eine doppelseitige Strukturierung durch die Replikation von Primärstrukturen auf einem Master. Zusätzlich wird der Fotoresist bezüglich der mechanischen Eigenschaften, der herstellungsbedingten Einflüsse auf die Eigenspannungen des Materials sowie anhand von Alterungserscheinungen beurteilt. Für eine integrierte piezoresistive Sensorik werden insbesondere Dünnschichtmaterialien betrachtet und anhand der Dehnungsempfindlichkeit sowie des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes beschrieben. Grundlage für die Bewertung der Materialien bildet eine differenzierte Betrachtung des piezoresistiven Effekts für Metalle, Halbleiter, Verbundwerkstoffe und amorphe Kohlenstoffschichten (DLC). Abschließend werden Versuche zur Charakterisierung der SU-8-Tastsensoren durchgeführt und ein Vergleich mit Silizium-Tastsensoren ähnlicher Abmessungen hinsichtlich der Steifigkeiten, Antastkräfte, Bruchgrenzen und maximaler Auslenkung der Antastelemente gezogen. Im Ergebnis lassen sich die Antastkräfte bei der taktilen Antastung aufgrund der reduzierten Steifigkeiten der Sensoren deutlich reduzieren.

The dimensional measurement of microsystems with tactile sensors requires high precision measuring systems with high sensitivity along with low probing forces. Existing tactile-electric three-dimensional sensors have so far been built mainly from metals or semiconductors as base materials. The use of polymeric materials with a comparably low Young´s modulus provides the ability to influence the behavior of such sensors in a positive way at this point. The present work deals with the development of three-dimensional piezoresistive tactile sensors based on the photoresist SU-8. Two main designs consisting of a stiffened membrane structure were realized, following the existing concept of siliconbased sensors. In parallel, a suitable micro-scale production process for self-supporting SU-8 structures was developed. This process includes a double-sided patterning by replication of a negative master (primary structure). In addition, the photoresist was evaluated with respect to the mechanical properties, the production-related influences on the residual stress of the material and its aging. Different thin film materials were considered in combination with a determination of the strain sensitivity and the temperature coefficient of electrical resistance. A detailed description of the piezoresistive effect for metals, semiconductors, composites, and amorphous carbon films (diamond-like carbon, DLC) forms the basis for the evaluation of these materials. Finally, the SU-8 tactile sensors were tested and characterized in terms of stiffness, contact forces, breaking points and maximum deflection of the probing element in comparison with silicon tactile sensors of similar dimensions. As a result, the contact forces during the tactile probing due to the decreased stiffness of the sensors will be significantly reduced.

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Oerke, Alexa: Entwicklung von dreidimensionalen taktilen Sensoren aus SU-8-Fotoresist. Aachen 2015. Shaker. ISSN: 1433-1438.

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