Nanoni@c: Hochempfindliche Funktionsschicht für Druck- und Kraftsensoren

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung eines neuen Materials, das auf eine mechanische Belastung zehnmal empfindlicher reagiert als die heute genutzten metallischen DMS-Materialen. In diesem Kompositmaterial liegen mit Kohlenstoff umhüllte Nickelcluster mit einem Durchmesser zwischen 10 nm und 20 nm vor. Die Umhüllungen bestehen aus einigen gebogen Graphenlagen, die die Nickelcluster wie Zwiebelschalen umgeben. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die Metallcluster isoliert voneinander vorliegen, sich also nicht berühren, so dass der Stromtransport durch die Hüllen aus Kohlenstoff beeinträchtigt ist. Wird nun eine Dehnung oder Verzerrung dieses komplexen Materials zB durch einen äußeren Druck hervorgerufen, so beeinflusst dies den Stromtransport durch das Material, also seinen elektrischen Widerstand, sehr stark. Dies ermöglicht eine sehr empfindliche elektrische Messung des Drucks oder der Kraft. Neben einer um den Faktor elf erhöhten Dehnungsempfindlichkeit (k-Faktor bis zu 22) im Gegensatz zu herkömmlichen DMS-Materialen weisen diese Dünnschichten einen auf null einstellbaren Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands auf (TKR kleiner als ±25 ppm/K). Erste Prototypen in Form von Stahlmembran-Drucksensoren zeigen eindrucksvoll das Potenzial dieser Dünnschichten für Sensoranwendungen auf. Die hohe Dehnungsempfindlichkeit konnte bestätigt werden, auch viele weitere Sensorparameter wie z. B. das Kriechen, die Linearität der Kennlinie und das Signalrauschen konnten untersucht werden und liegen in für diese Sensoren typischen Bereichen.