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Entwicklung und Anwendung miniaturisierter piezoresistiver Dehnungsmesselemente

Rausch, Jacqueline Franziska Katharina:
Entwicklung und Anwendung miniaturisierter piezoresistiver Dehnungsmesselemente.
EMK-Dissertationsreihe Bd. 25 . TU Darmstadt, Inst. für Elektromechan. Konstruktionen , Darmstadt .
[Book], (2012)

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Item Type: Book
Title: Entwicklung und Anwendung miniaturisierter piezoresistiver Dehnungsmesselemente
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit werden miniaturisierte piezoresistive Messelemente zur Erfassung der Messgröße Dehnung entwickelt und charakterisiert. Die Anforderungen an die Messelemente werden von den zwei Applikationen miniaturisierte Kraftsensoren für die minimal-invasive Chirurgie sowie Strukturüberwachung adaptronischer Systeme abgeleitet. Anhand einer Literaturrecherche sowie experimentellen Untersuchungen wird der Stand der Technik analysiert. Inhomogen dotierte Siliziumelemente und gedruckte dehnungssensitive Schichten werden ausgewählt und hinsichtlich ihrer Eignung zur strukturintegrierten Dehnungsmessung analysiert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Entwurf inhomogen dotierter Siliziumelemente, mit dem Ziel, den Einfluss der Integration auf die Übertragungseigenschaften des Messelements zu quantifizieren. Sowohl die Messelementtopologie als auch die Aufbau- und Verbindungstechnik werden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Dehnungsübertragung untersucht. Ein analytisches Modell zur Dehnungsübertragung vom Messobjekt in das Messelement wird für einen uniaxialen Dehnungszustand bestimmt und durch Struktursimulationen sowie experimentelle Untersuchungen bestätigt. Insgesamt werden vier Messelementvarianten präpariert und hinsichtlich ihres statischen Übertragungsverhaltens, der Eigenstörungen sowie des Temperaturverhaltens untersucht. Zur Analyse des Übertragungsverhaltens dient ein im Rahmen der Arbeit entwickelter Vier-Punkt-Biegeversuch, der einen uniaxialen Spannungszustand im Messelement hervorruft. Es kann gezeigt werden, dass durch die Wahl der Aufbau- und Verbindungstechnik sowie durch die Variation der Messelementgeometrie selbst die Empfindlichkeit beeinflusst wird. Sie kann um einen Faktor von bis zu 60 im Vergleich zu herkömmlichen Folien-Dehnungsmesselementen (DMS) gesteigert werden. Die Anwendung der Siliziumelemente erfolgt am Beispiel eines miniaturisierten Kraftsensors für die minimal-invasive Chirurgie. Das Drucken funktionaler Druckfluide mit niedrigen Finishing-Temperaturen wird als zweite Technologie zur Realisierung piezoresistiver Dehnungssensoren analysiert. Der Schwerpunkt dieses Themenkomplexes liegt auf der experimentellen Untersuchung der gedruckten Schichten, um die Eignung der Technologie für die strukturintegrierte Dehnungsmessung bewerten zu können. Zur Realisierung der Schichten werden die Verfahren Sieb- und Inkjetdruck eingesetzt. In Vorversuchen werden die (di-)elektrischen und mechanischen Eigenschaften von vier funktionalen Druckfluiden in Abhängigkeit vom Herstellungsprozess untersucht (Sensorschicht: Silber- bzw. PEDOT:PSS-Suspension, Isolationsschicht: Polyesterlack bzw. Acrylharz). Neben dem spezifischen Widerstand, der Isolationsimpedanz und der Durchschlagfeldstärke sowie der Schichtdicken, die für die Auslegung des Sensors relevant sind, werden auch fertigungstechnische Aspekte berücksichtigt. Im Hinblick auf die Funktionalisierung von Halb¬zeugen für flächige Strukturen wird die Umformbarkeit der gedruckten Schichten untersucht. Zur Ermittlung des zulässigen Umformgrades werden im Zugversuch gedruckte Schichten umgeformt und anhand der elektrischen Größen bewertet. Basierend auf den Ergebnissen der Vor¬versuche werden zwei Sensortopologien entworfen und realisiert. Die statischen Übertragungseigenschaften sowie die Eigenstörungen der gedruckten Sensoren werden experimentell bestimmt und ein Konzept zur strukturintegrierten Dehnungsmessung in einem adaptiven Schwingungstilger umgesetzt. Es zeigt sich, dass die untersuchten Druckfluide im Vergleich zu DMS eine um Faktor zwei reduzierte Empfindlichkeit aufweisen, aufgrund ihrer Überlastfestigkeit und geringen Eigenstörungen jedoch gut für die Dehnungsmessung in Faserverbundwerkstoffen geeignet sind.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This work presents the development and application of miniaturized piezoresistive strain sensing elements. The requirements for the elements are derived from two applications: “miniaturized force sensors for minimally invasive surgery” and “structural monitoring of adaptronic systems”. Based on a literature review and experimental studies the state-of-the-art is analyzed. Inhomogeneously doped silicon strain gauges as well as printed strain sensitive layers are selected. Their suitability for integrated structural strain measurement is analyzed. The work focuses on the design of inhomogeneously doped silicon elements, with the aim of quantifying the impact of integration on its transmission characteristics. The impact of both measuring element topology and packaging on strain transmission is examined. An analytical model for the strain transmission into the measuring element is being determined for uniaxial strain and confirmed via numerical simulations and experimental investigations. Four different chip layouts are being manufactured and their static transducer characteristics, noise power density as well as thermal behavior are being measured. A four-point bending set-up is being been developed to analyze the transducer characteristics. The set-up causes an uniaxial stress condition in the test item. It can be shown that the sensitivity depends on both chip topology and packaging. The resulting Gauge factor is up to 60 times higher compared to conventional foil-strain gauges. The capability of the developed silicon strain gauges is demonstrated by the utilization in miniaturized force sensors for minimally invasive surgery. Printing of functional inks with low finishing temperature is being analyzed as a second sensing technology for piezoresistive strain gauges. In order to assess the suitability for integrated strain measurement, the experimental analysis of printed strain sensitive layers is focused. Using screen and inkjet printing, the sensing layers are applied. In preliminary tests, electrical and mechanical properties of four functional inks are investigated according to the chosen manufacturing process (sensor layer: silver or PEDOT: PSS suspension, insulation layer: polyester lacquer or acrylic resin). In addition to resistivity, electrical impedance and breakdown field strength of the insulation layer also the layer thicknesses, which are relevant for the sensor design, are being measured. Regarding the functionalization of semi-finished products, formability of printed layers is investigated too. To determine the maximum deformation degree, printed layers are strained in a tensile test. Based on the results of the preliminary tests two sensing topologies are designed and manufactured. Static characteristics as well as noise power density of printed sensors are being experimentally determined. Based on this, a concept for structure-integrated strain measurement in an adaptive vibration absorber is being developed. It turns out that the investigated inks in comparison to conventional strain gauges have a reduced sensitivity by a factor of two. However, due to their overload capacity and low inherent noise printed strain sensors are well suited for strain measurements in fiber reinforced composites.English
Series Name: EMK-Dissertationsreihe Bd. 25
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Darmstadt, Inst. für Elektromechan. Konstruktionen
Uncontrolled Keywords: piezoresistiv, Dehnungsmessung, Siliziumtechnologie, funktionales Drucken
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Date Deposited: 31 Jul 2012 11:24
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30038
Additional Information:

[Darmstadt, TU, Dissertation, 2012] Druckausg.: München: Verl. Dr. Hut, 2012, ISBN 978-3-8439-0553-4

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

[Darmstadt, TU, Dissertation, 2012] Druckausg.: München: Verl. Dr. Hut, 2012, ISBN 978-3-8439-0553-4

Referees: Werthschützky, Prof. Dr.- Roland and Bein, Prof. Dr.- Thilo
Refereed: 11 May 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3003
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