Einfluss der Herstellungsparameter auf die Eigenschaften gedruckter Dickschicht-Thermoelemente und -Dehnungsmessstreifen aus pulvergefüllten Pasten

Sensoren finden sich im alltäglichen Leben in unterschiedlichen Umgebungen und Einsatzgebieten. So werden z.B. Temperatursensoren in Backöfen, mikromechanische Sensoren in Spielkonsolen (z.B. Bewegungssensoren), aber auch Abstandssensoren in Automobilen (Einparkhilfe) verwendet. Die Aufgabe eines Sensors ist die Ermittlung einer Zustandsgröße eines Bauteils oder Systems zur Steuerung, Kontrolle und/oder Wartung.

Die Herstellung der Sensoren, speziell der Dehnungsmessstreifen, erfolgt häufig über Ätzungen. Das Aufbringen erfolgt per Klebung oder Schweißen [Mahnken].

Des Weiteren kommen dünne Widerstandsdrähte zum Einsatz. Für die Herstellung von Thermoelementen werden zwei unterschiedliche Drähte per Punktschweißung verbunden und anschließend in Systeme eingebracht [Niebuhr].

Durch diese herkömmlichen Herstellungsverfahren ist der Anwendungsbereich der Sensoren, z.B. durch ihre niedrige Temperaturresistenz, beschränkt. Abhilfe kann hierbei das direkte Applizieren von Sensoren auf Bauteiloberflächen schaffen. So können Komponenten eingespart und mögliche Einflüsse der Sensoren auf das System minimiert werden [Kayser].

Die direkte Applikation von Sensoren oder funktionellen Strukturen kann per Dünn- und Dickschichtverfahren erfolgen. In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung des Dickschichtverfahrens (Siebdruck) auf die Herstellung gedruckter Thermoelemente und Dehnungsmessstreifen mittels pulvergefüllter Pasten untersucht. Die Funktionalisierung der Thermoelementund Dehnungsmessstreifenpasten erfolgte während der dem Druckvorgang folgenden Sinterung. Hierbei wurde der Einfluss der Sinterparameter, im Einzelnen der Sintertemperatur (700 - 850 ? C), der Haltezeit (30 - 180 Minuten) und des Prozessgases (Ar, N2, H2), auf die Funktionalität der Sensoren untersucht.

Die gängigen Thermoelementpaare Typ T (Cu-CuNi), J (Fe-CuNi) und K (Ni-CrNi) wurden auf teilisolierte Edelstahlbleche gedruckt. Alle Thermoelementpaare, unabhängig ihrer Sinterparameter, liefern Seebeck- Koeffizienten nahe der Literaturwerte von Draht-Thermoelementen. Die Mikrostruktur bzw. Restporosität der gesinterten Pasten hat Auswirkungen auf die Reproduzierbarkeit der Eichungen bzw. die Abweichung der Seebeck- Koeffizienten. Dicht versinterte Gefüge sind hierbei von Vorteil. Längere Sinterzeiten und höhere -temperaturen bewirken eine bessere Verdichtung und Homogenisierung der Schicht. Zudem hat das Prozessgas Auswirkungen auf die Restporosität der gesinterten Paste. Die höchstmöglichen Dichten werden bei Sinterungen unter Wasserstoffatmosphäre erreicht, allerdings liefern z.B. unter Stickstoff gesinterte Kupfer-Pasten bessere Leitfähigkeiten (88,3 % des massiven Kupfers) sowie bessere Reaktionszeiten der Thermoelemente.

Die Diffusionszone der beiden Thermoelementpasten wurde simuliert (DICTRA) und anschließend mit den experimentell erhaltenen Ergebnissen (EDX-Linescan) verglichen.

Das Einsatzgebiet von Dickschicht-Dehnungsmessstreifen, bezogen auf die Biegefestigkeit, ist von der Isolationsschicht abhängig. Eine Anwendung der Dehnungsmessstreifen ist sowohl im elastischen als auch im plastischen Bereich gegeben. Hier können Überbelastungen detektiert und Rückschlüsse auf die maximal aufgebrachte Kraft/Dehnung gezogen werden. Die gesinterten Pasten sollten für Dehnungsmessstreifen eine möglichst hohe Restporosität aufweisen. Dadurch entstehen hohe Schichtwiderstände, welche größere Änderungen des Widerstands in Abhängigkeit der angelegten Kraft/Spannung erzeugen, jedoch geringere Streuungen aufweisen. Eine Reproduzierbarkeit der Schichtwiderstände in Abhängigkeit der Sinterparameter ist nur bedingt gegeben, da die verdruckten Dehnungsmessstreifenmäander starke Querschnittsänderungen besitzen.