Feedback

Struktur und Eigenschaften von gesputterten a-C:H:Nb-Schichten für piezoresistive Sensoren

ORCID
0000-0003-4383-0736
Affiliation/Institute
Institut für Oberflächentechnik
Grein, Maria

Zur Entwicklung einer Dünnschicht für piezoresistive Sensoren wurden in unterschiedlichem Ausmaß drei Materialsysteme untersucht: a-C, a-C:H:Nb und NiCr als Referenzmaterial, wobei der Hauptfokus auf a-C:H:Nb lag. Die Schichten wurden in einem Magnetronsputterprozess hergestellt, wobei DCMS- und HIPIMS-Prozesse miteinander verglichen wurden. Für die Herstellung der a-C:H:Nb-Schichten wurde zusätzlich Acetylen als Precursorgas eingelassen, das im Plasma aufgespalten wird und so die a-C:H-Phase der Schicht bildet. 
Für die amorphen, undotierten Kohlenstoffschichten konnten k-Faktoren bis 16 und bei einem TCR von -6360 ppm/K entwickelt werden, die eine ausreichende Leitfähigkeit und Schichthaftung auf den Polymersubstraten aufwiesen. Aufgrund ihrer hohen Schichtspannung und verhältnismäßig hohem TCRs kamen sie jedoch nicht für die Entwicklung von 3D-strukturierten Sensorfolien in Frage. 
Für das Metall-Kohlenstoff-Komposit a-C:H:Nb erfolgte eine umfassende Analyse der  Materialstruktur und der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Dünnschichten. Die Analyseergebnisse wurden in einem Strukturzonenmodell zusammengefasst, das Aufschluss über Art und Zusammensetzung des Kompositmaterials in Abhängigkeit vom Nb-Gehalt gibt. Es liefert die grundlegenden Erkenntnisse zur folgenden Interpretation der elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Materials. Mit a-C:H:Nb konnten k-Faktoren bis 59 in Kombination mit TCRs zwischen -10 und -400 ppm/K erzielt werden, die allerdings aufgrund einer Rissbildung in der Dünnschicht entstehen. Rissfreie Schichten erzeugten niedrige k-Faktoren von 2 bis 3 in Kombination mit TCRs zwischen -200 und -400 ppm/K, die dennoch durch ihre biokompatiblen Eigenschaften als Ersatzmaterial für NiCr von Interesse sind. 
Die Untersuchung der 3D-Konformität der a-C:H:Nb-Schichten ergab, dass es möglich ist, mittels HIPIMS-Prozess mit hohem Spitzenstrom, auch auf geneigt zum Target ausgerichteten Flanken ein Schichtwachstum senkrecht zur Substratoberfläche zu erzielen. Es konnte gezeigt werden, dass die k-Faktoren und TCRs winkelunabhängig sind und die Beschichtung somit – bezogen auf die elektrischen Eigenschaften - als ausreichend 3D-konform angesehen werden kann. Die 3D-Konformitätstests der NiCr-Beschichtungen zeigten ähnliche Ergebnisse. Die NiCr-Beschichtungen bildeten allerdings auch unter bestimmten Bedingungen Risse, was einerseits zu sehr hohen k-Faktoren (>300) aber zugleich zu instabilen Messkurven führte. Generell ist bei der Beschichtung von Polymerfolien mit Dünnschichten, die deutlich unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen, auf die Vermeidung von Rissbildungen zu achten. 

For the development of thin films for piezoresistive sensors, three material systems were investigated to different extent: a-C, a-C:H:Nb and NiCr as reference material, with the main focus on a-C:H:Nb. The layers were produced in a magnetron sputtering process comparing DCMS and HIPIMS processes. For the production of the a-C:H:Nb coatings, acetylene was added as precursor gas, which is split up in the plasma and thus forms the a-C:H phase of the layer. For the amorphous, undoped carbon layers, gauge factors up to 16 combined with a TCR of -6360 ppm/K could be developed, which showed sufficient conductivity and layer adhesion on the polymer substrates. Due to their high film tension and relatively high TCRs, however, they were not suitable for the development of 3D-structured sensor films. For the metal-carbon composite a-C:H:Nb, a comprehensive analysis of the material structure and the electrical and mechanical properties of the thin films was performed. The results of the analysis were summarized in a structure zone model, which provides information on the type and composition of the composite material as a function of the Nb content. It provides the basic knowledge for the following interpretation of the electrical and mechanical properties of the material. With a-C:H:Nb, gauge factors up to 59 combined with TCRs between -10 and -400 ppm/K could be achieved, which, however, are caused by crack formation in the thin film. Crack-free layers produced low gauge factors of 2 to 3 in combination with TCRs between -200 and -400 ppm/K, which are nevertheless of interest as NiCr substitutes due to their biocompatible properties. The investigation of the 3D conformity of the a-C:H:Nb layers showed that it is possible to achieve layer growth perpendicular to the substrate surface by means of a HIPIMS process with high peak current, even on surfaces inclined to the target. It could be shown that the gauge factors and TCRs are angle-independent and the coating can therefore be regarded as sufficiently 3D-conform with respect to the electrical properties. The 3D conformity tests of the NiCr coatings showed similar results. However, the NiCr coatings also formed cracks under certain conditions, which led to very high gauge factors (>300) but also to unstable measurement curves. In general, when coating polymer films with thin layers that have clearly different mechanical properties, care must be taken to avoid cracking. 

Cite

Citation style:
Could not load citation form.

Access Statistic

Total:
Downloads:
Abtractviews:
Last 12 Month:
Downloads:
Abtractviews:

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export