DFG SFB/Transregio 39 PT-PIESA
TP A03

Dünnschichttechnologien für metallbasierte piezoelektrische Module

S. Peter, V. Wittstock
  1. Ziele
  2. Ergebnisse
  3. Methoden
  4. Publikationen
  5. Kontakt

Ziele

Großserienfähige Technologie zur Herstellung mikrostrukturierter Piezokeramikfaser-Sensor-Aktor-Module

 
  • Modulvarianten für spezifische Strukturfunktionen (Sensor, Aktor, Generator)
  • Vereinfachung und Verkürzung der Prozessfolgen
  • Verringerung der Anforderungen an Maß-, Form- und Lagetoleranzen
  • Erhöhung der Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit der Fertigung
  • Verbesserung der Zuverlässigkeit nach der Integration ins Bauteil
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Ergebnisse

Magnetronsputtern von Elektrodenschichten

  • auf Piezofaserkompositen („PFK“, TP A01) und poliertem Blei-Zirkonat-Titanat („PZT“)
  • Kupferlegierung CuCr1Zr (2.1293) u.a. hinsichtlich Leitfähigkeit, Lötbarkeit, Verfügbarkeit, E-Modul und Preis als geeignet
  • eine 2 μm dicke CuCr1Zr-Schicht steigert die Bruchfestigkeit um fast 30% gegenüber unbeschichteten PZT-Substraten (im Vergleich: Wolfram +5,1%, Aluminium +18,4%)
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Weibull-Diagramm der Bruchfestigkeit von PZT mit verschiedenen Elektrodenschichten

Bauteilüberwachung während des Fügeprozesses

 

  • Untersuchung des elektromechanischen Verhaltens von PZT-Fasern während des umformtechnischen Fügens
  • Impedanzmessung und -analyse während des Umformprozesses
  • Erfassung des Klemmvorgangs
  • stetiger Anstieg der Impedanz mit zunehmender Druckkraft ermöglicht eine geregelte Integration ohne Überlastung der Piezofasern
     



Prinzip der Direktmontage von Piezofasern und Kontaktierung zur Bauteilüberwachung

  



Impedanzverlauf einer Piezofaser in Abhängigkeit der Klemmkraft

Mikromechanische Untersuchung von Piezoelementen

  • Mikromechanische Biegeversuche mit Nanoindenter bei hochgenauer Vermessung der Biegebalken
  • Ziel: quantitative Erfassung elektromechanischer Parameter einzelner Piezostäbchen bzw. ganzer PSV nach sukzessiven Fertigungsschritten bzw. Belastungen
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Erhöhung des E-Moduls eines Piezo-stäbchens (5 x 0,23 x 12 mm3) durch Polung und anschließendes Anlegen elektrischer Spannungen

Plasma CVD von Isolatorschichten

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  • Harte a-C:H Schichten (bei drei Drücken in Mittelfrequenzentladung aus C2H2 abgeschieden) behalten ihre mechanischen Kennwerte bis 500 °C und darüber
 
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  • Bei Umwandlung der sp3 gebundenen Kohlenstoffmatrix in sp2 gebundene Cluster wird vor allem H2 freigesetzt und die Schichtdicke steigt um bis zu 14 %

Aufbau Haftfestigkeits-Messeinrichtung (pull-Test)

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Gesputterte CuCr1Zr Schichten auf PZT-Substraten unterschiedlicher Vorbehandlung:

  • Abzugskräfte größer für unbehandelte und geläppte (von TP A2) PZT-Substrate: Einfluss der Oberflächentopographie
  • Chemisch-mechanisch poliertes PZT (von TP A2): Medianwert für Haftfestigkeit vergleichbar mit dem für unbehandeltes PZT; geringe Streuung der Einzelwerte

 

 

Methoden

Prozessketten-Modellierung
  • Statistisches Toleranzmodell
  • Parameteridentifikation durch Experimente in A01, A02, A03, A04, A06
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Geom. Modellparameter bei der PSV-Integration
Abscheidung von Dünnschichten
  • Elektrodenschichten: Vakuumbogenverdampfung
  • Isolatorschichten: Gradientenschichten (a-SiCN:H, a-C:H)
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Querschnitt einer a-SiCN:H Isolatorschicht

 

Mikrobearbeitung und Mikromontage
  • Trennen: Läppen, Feinschleifen, CMP, Trennschleifen, Drahtsägen
  • Montage: Kleben, Stapeln mit Spacern und Vorrichtung, Laserstrahllöten (A04)
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Trennschleifen von Piezo-Platten-Stapel zu PSV

 

Charakterisierung von Eigenschaften
  • PSV: Profilometrie, Lichtmikroskopie, AFM, REM, Mikro-Prüfmaschine, 4-Kugel-Versuch
  • Schichten: pull-test, EDX, FTIR, ERDA, XPS (Röntgen-Photoelektronenspektroskopie)
    - Quantitative Schichtanalysen nun in Arbeitsgruppe möglich
    - XPS-Analyse basierend auf gemessener Transmissionsfunktion des Spektrometers und Literaturdaten (z.B. für Wirkungsquerschnitte der Photoionisation und mittlere inelastische freien Weglängen der Elektronen)
    - Sehr gute Übereinstimmung mit Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA)
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CuCr1Zr Elektrode auf polierter PZT-Keramik


Experimentell bestimmte Transmissionsfunktionen des
Photoelektronenspektrometers PHOIBOS 150
(Fa. SPECS) für die Passenergien 20 eV und 50eV

 
Vergleich von Schichtanalysen mittels XPS und ERDA anhand zweier Serien von a-SiCN:H Schichten

 

In-Prozess Messtechnik
  • Elektromechanik: Impedanzspektroskopie, Amplituden- und Frequenzgang
  • Geometrie: Bildverarbeitung, konfokal chromat. Abtastung
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Frequenzgang-Änderung durch Vorspannung

 


 

Publikationen

Arbeiten mit wissenschaftlicher Qualitätssicherung

[Pet17] Peter S, Speck F, Lindner M, Seyller T (2017) Analysis of a-SiCN:H films by X-Ray photoelectron spectroscopy. Vacuum 138 (2017) S. 191-198, DOI 10.1016/j.vacuum.2016.09.016
[Pet14] Peter S, Günther M, Gordan O, Berg S, Zahn D R T, Seyller Th (2014) Experimental analysis of the thermal annealing of hard a-C:H films Diamond and Related Materials 45 (2014), 43-57:
[Pet13a] Peter S, Bernütz S, Berg S, Richter F (2013) FTIR analysis of a-SiCN:H films deposited by PECVD Vacuum 98 (2013) 81-87. DOI: 10.1016/j.vacuum.2013.04.014
[Pet13b] Peter S, Bernütz S, Berg S, Richter F (2013) FTIR analysis of a-SiCN:H films deposited by PECVD. Vacuum 98:81-87
[Pet13c] Peter S, Günther M, Berg S, Clausner A, Richter F (2013) Mid-frequency PECVD of a SiCN:H films and their structural mechanical and electrical properties. Vacuum 90:155-159
[Sch13d] Schubert A, Wittstock V, Koriath H-J, Jahn SF, Peter S, Müller B, Müller M (2013) Smart metal sheets by direct functional integration of piezoceramic fibers. Microsys Technol DOI:10.1007/s00542-013-1836-6
[Neu10] Neugebauer R, Pagel K, Bucht A, Wittstock V, Pappe A (2010) Control concept for piezo-based actuator-sensor-units for uniaxial vibration damping in machine tools. Prod Eng 4(4):413-419
[Pet10a] Peter S, Günther M, Hauschild D, Richter F (2010) Low temperature PECVD of thin films combining mechanical stiffness, electrical insulation and homogeneity in microcavities. J Appl Phys 108(4):043303.
[Pet10b] Peter S, Günther M, Hauschild D, Grambole D, Richter F (2010) Mid-frequency deposition of a- C:H films using five different precursors. Vacuum 84:958–961
[Dro08] Drossel W-G, Wittstock V, Neugebauer R (2008) Adaptive spindle support for improving machining operations. CIRP Annals Manuf Technol 57(1):395-398
[Pet07] Peter S, Graupner K, Grambole D, Richter F (2007) Comparative experimental analysis of the a- C:H deposition processes using CH4 and C2H2 as precursors. J Appl Physl 102(5):053304 Peter, Wittstock Teilprojekt A03

 

Andere Veröffentlichungen

 
[Pet17] Peter S, Vasin Y, Speck F, Mammadov S, Seyller T (2017) "ECR Plasma deposited a-SiCN:H as insulating layer in piezoceramic modules" European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes Euromat 2017, Oral Presentation C1-O-WEDPM1, Thessaloniki, Greece, 17-22 September, 2017
[Mue13b] Flössel M, Gebhardt S, Schönecker A, Michaelis A (2010) Novel Packaged LTCC/PZT Modules for Actuator and Sensor Applications. In: Proc ACTUATOR 10. Bremen, Germany, pp 586-589
[Flö12] Müller M, Read S, Matope S, Van der Merwe A, Wittstock V, Neugebauer R (2013) Handling robots for high-volume microassembly - an economic and technological comparison of different kinematic principles. Proc Int Conf Compet Manuf. pp 257-262
[Pet12b] Peter S, Günther M, Gordan O, Berg S, Zahn DRT, Richter, F (2012) Experimental analysis of the thermal annealing of hard a-C:H fims. In: Int Conf Diam and Carbon Mater, Vortrag O100, Granada, Spain, 2012-09-05


Kontakt

Leiter:

Dr. rer. nat. Siegfried Peter
Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Naturwissenschaften
Institut für Physik
Professur Technische Physik
09107 Chemnitz

Telephon: +49 371 531-38258

E-Mail:

Dr.-Ing. Volker Wittstock
Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Maschinenbau
Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse
Professur für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
09107 Chemnitz

Telephon: +49 371 531-37822

E-Mail:

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