DE102013007644B4 - Arrangement for measuring an elongation, a pressure or a force with a resistance layer - Google Patents

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Abstract

Anordnung zur Messung einer Dehnung, eines Druckes oder einer Kraft mit einer Widerstandsschicht, wobei die Widerstandsschicht umfasst: – eine amorphe Isolationsmatrix (3) aus einem elektrisch nicht leitenden Basismaterial; und – Cluster (4) aus einem in der Isolationsmatrix (3) gegenüber dem Basismaterial oxidationsfesten, elektrisch leitenden Clustermaterial, die in der Isolationsmatrix (3) eingebettet sind und voneinander durch das Basismaterial isoliert sind, wobei das Basismaterial SiO2 und das Clustermaterial Pt ist, wobei die Widerstandsschicht durch gleichzeitiges Besputtern in einem Co-Sputter-Prozess mit dem Basismaterial und dem Clustermaterial hergestellt ist, wobei die Cluster (4) kristallin ausgebiidet sind.An arrangement for measuring strain, pressure or force with a resistive layer, said resistive layer comprising: - an amorphous insulation matrix (3) of electrically non-conductive base material; and clusters (4) of an electrically conductive cluster material which is oxidation-resistant in the insulation matrix (3) and embedded in the insulation matrix (3) and insulated from each other by the base material, the base material being SiO 2 and the cluster material Pt being wherein the resistive layer is made by simultaneous sputtering in a co-sputtering process with the base material and the cluster material, the clusters (4) being crystalline.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft druck- und dehnungsempfindliche Widerstandsschichten zur Verwendung in Drucksensoren.The present invention relates to pressure and strain sensitive resistor layers for use in pressure sensors.

Stand der TechnikState of the art

Dehnungsmessstreifen mit Sensorschichten zur Messung von Drücken sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Weise bekannt. Die Sensorschichten sind üblicherweise als Widerstandsschichten ausgebildet, deren ohmschen Widerstände sich bei einer Biegung bzw. Druckbeaufschlagung ändern.Strain gauges with sensor layers for measuring pressures are known from the prior art in many ways. The sensor layers are usually designed as resistance layers whose ohmic resistances change during a bending or pressurization.

Widerstandsschichten zum Einsatz in Drucksensoren werden derzeit beinahe ausschließlich aus CrNi-basierten Legierungen, meist CrNiSi oder CrNiAl, ausgebildet. Derartige Widerstandsschichten weisen jedoch eine sehr geringe Dehnungsempfindlichkeit mit k-Faktoren um 2 auf. Weiterhin beeinträchtigen erhöhte Temperaturen aufgrund einer Nachoxidation bzw. der Anlagerung von Sauerstoff an den Korngrenzen die Langzeitstabilität der CrNi-Schichten.Resistive layers for use in pressure sensors are currently almost exclusively made of CrNi-based alloys, usually CrNiSi or CrNiAl. However, such resistance layers have a very low strain sensitivity with k-factors around 2. Furthermore, increased temperatures due to post-oxidation or the addition of oxygen at the grain boundaries affect the long-term stability of the CrNi layers.

Ein weiterer häufiger Nachteil derartiger druckempfindlicher Widerstandsschichten ist die mangelnde Temperaturbeständigkeit, die diese für einen Einsatz in Hochtemperaturanwendungen untauglich macht. Beispielsweise erfordert eine Zylinderdruckmessung in einem Brennraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors eine Temperaturbeständigkeit des betreffenden Sensors bis zu 600°C.Another common disadvantage of such pressure sensitive resistive layers is the lack of temperature resistance that renders them unsuitable for use in high temperature applications. For example, a cylinder pressure measurement in a combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine requires a temperature resistance of the relevant sensor up to 600 ° C.

Für Hochtemperaturanwendungen ist aus dem Dokument US 2009/014 5235 A1 ein Dehnungsmesssensor mit einer Funktionsfähigkeit bei Temperaturen über 1.400°C bekannt. Der Sensor umfasst ein Substrat, auf dem eine Schicht aus einem Oxidhalbleiter, wie beispielsweise aus einer Indium-Zinnoxid-Legierung, aluminiumdotiertem Zinkoxid oder dergleichen, sowie ein bei hoher Temperatur schmelzendes Metall aus der Gruppe Pt, Pd, Rh, Ni, W, Ir, NiCrAlY und NiCoCrAlY auf dem Substrat aufgebracht sind, um ein druckempfindliches Element auszubilden. Diese Schicht ist durch den hohen Metallanteil von z. B. 88 at% Pt, sehr niederohmig, was für Sensoranwendungen nachteilig ist.For high temperature applications is out of the document US 2009/014 5235 A1 a strain gauge with a functionality at temperatures above 1,400 ° C known. The sensor comprises a substrate having thereon a layer of an oxide semiconductor such as an indium-tin oxide alloy, aluminum-doped zinc oxide or the like, and a high-temperature melting metal of Pt, Pd, Rh, Ni, W, Ir , NiCrAlY and NiCoCrAlY are deposited on the substrate to form a pressure-sensitive element. This layer is characterized by the high metal content of z. B. 88 at% Pt, very low impedance, which is disadvantageous for sensor applications.

In der Druckschrift S. E. Dyer et al., „Improved Passivating Cr2O3 Scales for Thin Film High Temperature PdCr Strain Gages”, Thin Solid Films, 312, 1998, Seiten 331–340 werden Dehnungsmessstreifen mit einer PdCr-Legierung vorgeschlagen. Diese sind für Hochtemperatur-Anwendungen geeignet, weisen aber einen relativ geringen k-Faktor von 1,3 auf. Zudem muss Cr in dieser Legierung wirksam gegen eine Oxidation geschützt werden, da ansonsten ebenfalls eine Beeinträchtigung der Langzeitstabilität auftritt.In the publication S.E. Dyer et al., "Improved Passivating Cr2O3 Scales for Thin Film High Temperature PdCr Strain Gages", Thin Solid Films, 312, 1998, pages 331-340, strain gages with a PdCr alloy are proposed. These are suitable for high temperature applications, but have a relatively low k-factor of 1.3. In addition, Cr must be effectively protected in this alloy against oxidation, since otherwise also a deterioration of long-term stability occurs.

Wie aus den Druckschriften WO 2009/129930 A1 und US 8,198,978 B2 bekannt, können druck- und dehnungsempfindliche Widerstandsschichten auch durch das Einbringen von metallischen Clustern, wie z. B. Nickel, in kohlenstoffhaltige Schichten hergestellt werden. Diese Widerstandsschichten erreichen eine hohe Dehnungsempfindlichkeit mit k-Faktoren zwischen 20 und 30. Bei Temperaturen von über 250°C tritt jedoch eine Oxidation auf, da das Material der metallischen Cluster in der Regel oxidieren kann. Weiterhin wird die Morphologie der kohlenstoffhaltigen Schicht ab etwa 500°C irreversibel modifiziert, so dass die Dehnungsempfindlichkeit degradiert wird.As from the pamphlets WO 2009/129930 A1 and US 8,198,978 B2 known, pressure and strain-sensitive resistive layers can also by the introduction of metallic clusters, such as. As nickel, are prepared in carbonaceous layers. These resistive layers achieve high strain sensitivity with k-factors between 20 and 30. However, at temperatures above 250 ° C, oxidation occurs because the material of the metallic clusters can usually oxidize. Furthermore, the morphology of the carbonaceous layer is irreversibly modified above about 500 ° C, so that the strain sensitivity is degraded.

Weiterhin offenbart beispielsweise die Druckschrift US 2007/010 7494 A1 eine Widerstandsschicht, bei der Einschlüsse aus leitendem Material in ein Basismaterial aus TaN eingebracht sind, wobei die Gesamtdicke der Schicht zwischen dem Drei- und Zehnfachen der durchschnittlichen Größe der Einschlüsse beträgt. Der erreichbare k-Faktor kann bis zu 10 betragen.Furthermore, for example, the document discloses US 2007/010 7494 A1 a resistive layer in which inclusions of conductive material are introduced into a base material of TaN, the total thickness of the layer being between three and ten times the average size of the inclusions. The achievable k-factor can be up to 10.

Aus der Druckschrift EP 0 526 290 A1 ist ebenfalls eine dehnungsempfindliche Schicht bekannt, die aus Ta2N und TaN gebildet ist.From the publication EP 0 526 290 A1 Also, a strain-sensitive layer formed of Ta 2 N and TaN is known.

Aus der Druckschrift US 4 591 417 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Cermets bekannt. Dabei wird ein metallisches Material und ein Isolierungsmaterial wechselweise auf einem Substrat bis zum Erreichen einer gewünschten Schichtdicke abgeschieden. Mindestens eines der beiden Materialien wird für jeden Abscheidungsschritt so abgeschieden, dass die gebildete Schicht nicht durchgehend deckend ist. Die Zusammensetzung der so gebildeten Abscheidung kann durch die relativen Abscheideraten des Isolationsmaterials und die Größe der abgeschiedenen Metallpartikel durch die Dauer jeder Metallabscheidung bestimmt werden. Als Material für die Abscheidung wird das Isolationsmaterial SiO2 und das metallische Material Au vorgeschlagen.From the publication US 4 591 417 A For example, a method and apparatus for depositing cermets are known. In this case, a metallic material and an insulating material is deposited alternately on a substrate until a desired layer thickness is reached. At least one of the two materials is deposited for each deposition step so that the formed layer is not consistently opaque. The composition of the deposit thus formed may be determined by the relative deposition rates of the insulating material and the size of the deposited metal particles by the duration of each Metal deposition can be determined. As the material for the deposition, the insulating material SiO 2 and the metallic material Au are proposed.

Aus der Druckschrift US 5 510 895 A ist die Verwendung von Pt und Ni als Cluster-Materialien bekannt.From the publication US 5 510 895 A is the use of Pt and Ni known as cluster materials.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schichtstruktur zur Herstellung eines druck- und dehnungsempfindlichen Widerstandssensors zur Verfügung zu stellen, der insbesondere über eine hohe Temperaturstabilität, einen hohen k-Faktor und eine Funktionsfähigkeit bzw. Beständigkeit bei Temperaturen von mehreren 100°C verfügt.It is an object of the present invention to provide a layer structure for producing a pressure and strain-sensitive resistance sensor which has, in particular, a high temperature stability, a high k-factor and a durability at temperatures of several 100 ° C.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch die Anordnung zur Messung einer Dehnung, eines Druckes oder einer Kraft mit einer Widerstandsschicht gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the arrangement for measuring an elongation, a pressure or a force with a resistive layer according to claim 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the present invention are specified in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Widerstandsschicht zur Verwendung in einer Anordnung zur Messung einer Dehnung, eines Druckes oder einer Kraft vorgesehen, umfassend:

  • – eine amorphe Isolationsmatrix aus einem elektrisch nicht leitenden Basismaterial; und
  • – Cluster aus einem in der Isolationsmatrix gegenüber dem Basismaterial oxidationsfesten, elektrisch leitenden Clustermaterial, die in der Isolationsmatrix eingebettet sind und voneinander durch das Basismaterial isoliert sind,
wobei das Basismaterial SiO2 und das Clustermaterial Pt ist, wobei die Widerstandsschicht durch gleichzeitiges Besputtern in einem Co-Sputter-Prozess mit dem Basismaterial und dem Clustermaterial hergestellt ist, wobei die Isolationsmatrix amorph und die Cluster kristallin ausgebildet werden.According to a first aspect, there is provided a resistance layer for use in an arrangement for measuring strain, pressure or force, comprising:
  • - An amorphous insulation matrix of an electrically non-conductive base material; and
  • Clusters of an electrically conductive cluster material which is oxidation-resistant to the base material in the insulation matrix and which are embedded in the insulation matrix and are insulated from one another by the base material,
wherein the base material is SiO 2 and the cluster material is Pt, wherein the resistance layer is made by simultaneous sputtering in a co-sputtering process with the base material and the cluster material, the insulation matrix being amorphous and the clusters being formed crystalline.

Eine Idee der obigen Anordnung mit der Widerstandsschicht besteht darin, diese mit einem keramischen, elektrisch nicht leitenden Basismaterial auszubilden. In dem keramischen Basismaterial sind Cluster aus einem oxidationsträgen bzw. inerten Material, wie beispielsweise einem Edelmetall in einer kristallinen Form, eingebettet. Insbesondere bilden die Matrix aus keramischem Material und die darin eingebetteten Cluster ein so genanntes Cermet-Material, das über eine überraschend hohe Dehnungsempfindlichkeit, eine hohe Temperaturstabilität sowie einen hohen Einsatztemperaturbereich verfügt.An idea of the above arrangement with the resistive layer is to form it with a ceramic, electrically non-conductive base material. Clusters of an oxidation-resistant or inert material, such as a noble metal in a crystalline form, are embedded in the ceramic base material. In particular, the matrix of ceramic material and the clusters embedded therein form a so-called cermet material which has a surprisingly high strain sensitivity, a high temperature stability and a high operating temperature range.

Das Basismaterial ist amorph oder quasiamorph vorgesehen. Als amorph wird hierin ein Material bezeichnet, bei dem die Atome keine geordneten Strukturen, sondern ein unregelmäßiges Muster bilden und lediglich über Nahordnung, nicht aber Fernordnung verfügen.The base material is provided amorphous or quasi-amorphous. As amorphous here a material is referred to, in which the atoms do not form ordered structures, but an irregular pattern and have only short-range, but not long-range order.

Das Basismaterial kann SiO2 und das Clustermaterial kann Pt sein bzw. enthalten, mit der folgenden Zusammensetzung:

  • – 15–55 at% Pt, und
  • – die verbleibenden at% Si und O.
The base material may be SiO 2 and the cluster material may be Pt, having the following composition:
  • - 15-55 at% Pt, and
  • - the remaining at% Si and O.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Verfahren zur Herstellung einer Widerstandsschicht vorgesehen sein. Dabei wird ein elektrisch nicht leitendes Substrat in einem Co-Sputter-Prozess gleichzeitig mit einem Basismaterial und einem Clustermaterial besputtert, wobei das Basismaterial so ausgewählt ist, dass es im Sputterprozess eine elektrisch nicht leitende, amorphe Isolationsmatrix ausbildet, und wobei das Clustermaterial gegenüber dem Basismaterial oxidationsfest und elektrisch leitend ausgewählt ist.According to a further aspect, a method for producing a resistance layer may be provided. In this case, an electrically non-conductive substrate is sputtered simultaneously in a co-sputtering process with a base material and a cluster material, wherein the base material is selected such that it forms an electrically non-conductive, amorphous insulation matrix in the sputtering process, and wherein the cluster material with respect to the base material oxidation-resistant and electrically conductive is selected.

Weiterhin kann das Basismaterial unter Verwendung eines Targets aus SiO2 ohne Zusetzen von reaktiven Gasen gesputtert werden.Furthermore, the base material can be sputtered using a target of SiO 2 without adding reactive gases.

Gemäß einer weiteren Alternative kann das Basismaterial unter Verwendung eines Targets aus Si durch Zusetzen von O2 in einer Schutzgasatmosphäre gesputtert werden, so dass SiO2 amorph auf die Oberfläche des Substrats abgeschieden wird.According to another alternative, the base material may be sputtered using a target of Si by adding O 2 in an inert gas atmosphere so that SiO 2 is deposited amorphously on the surface of the substrate.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Widerstandsschicht; 1 a schematic representation of a cross section through a resistive layer;

2 eine schematische Darstellung einer Sputteranlage zur Herstellung der Widerstandsschicht; 2 a schematic representation of a sputtering apparatus for producing the resistance layer;

3 einen XRD-Scan einer Sensorschicht aus Pt/SiO2; 3 an XRD scan of a sensor layer of Pt / SiO 2 ;

4 eine TEM-Aufnahme einer Draufsicht auf eine Pt/SiO2 Schicht mit einer Schichtdicke von ca. 50 nm. 4 a TEM image of a top view of a Pt / SiO 2 layer with a layer thickness of about 50 nm.

5a und 5b Diagramme zur Darstellung der Widerstandsänderung bei mehreren Belastungszyklen bei einer Messtemperatur von 250°C an Luft und nach einer Temperung im Vakuum bei 600°C bei einer Messtemperatur von 30°C an Luft; und 5a and 5b Diagrams showing the change in resistance for several load cycles at a measurement temperature of 250 ° C in air and after a heat treatment in vacuum at 600 ° C at a measurement temperature of 30 ° C in air; and

6 ein Diagramm zur Darstellung einer Widerstandsänderung einer Pt/SiO2-Sensorschicht bei einer hydrostatischen Druckbelastung. 6 a diagram showing a change in resistance of a Pt / SiO 2 sensor layer under a hydrostatic pressure load.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

In 1 ist schematisch der grundsätzliche Aufbau einer dehnungsempfindlichen Widerstandsschicht im Querschnitt dargestellt. Die Anordnung 1 umfasst ein Substrat 2, das beispielsweise als Saphirsubstrat oder als ein Substrat aus einem vergleichbaren, nicht leitenden Material ausgebildet sein kann.In 1 schematically the basic structure of a strain-sensitive resistor layer is shown in cross section. The order 1 includes a substrate 2 , which may be formed, for example, as a sapphire substrate or as a substrate of a comparable, non-conductive material.

Auf einer Oberfläche des Substrats 2 ist die Widerstandsschicht aufgebracht. Die Widerstandsschicht umfasst eine Isolationsmatrix 3 als Schicht aus einem keramischem bzw. keramikartigen Basismaterial, wie beispielsweise SiO2, Al2O3, Si3N4, AlN oder Mischformen davon, wie z. B. SiOxNy, oder dergleichen. Das Basismaterial 3 ist dabei vorzugsweise so auszuwählen, dass es elektrisch nicht leitend und als eine amorphe Schicht bereitstellbar ist. Die Isolationsmatrix 3 kann vorzugsweise eine Dicke zwischen 10 nm und 400 nm, vorzugsweise zwischen 20 nm und 200 nm aufweisen. Je nach Anwendungsfall kann die Schichtdicke auch größer als 400 nm oder kleiner als 10 nm sein.On a surface of the substrate 2 the resistance layer is applied. The resistance layer comprises an isolation matrix 3 as a layer of a ceramic or ceramic base material such as SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , AlN or mixed forms thereof, such. As SiO x N y , or the like. The base material 3 is preferably to be selected so that it is electrically non-conductive and can be provided as an amorphous layer. The isolation matrix 3 may preferably have a thickness between 10 nm and 400 nm, preferably between 20 nm and 200 nm. Depending on the application, the layer thickness can also be greater than 400 nm or less than 10 nm.

In die Isolationsmatrix 3 sind Cluster 4 aus einem metallischen Material eingebettet. Das Clustermaterial der Cluster 4 ist vorzugsweise ein hochschmelzendes Metall oder eine hochschmelzende Metalllegierung und weist weiterhin eine überdurchschnittliche Oxidationsbeständigkeit in dem Material der Isolationsmatrix 3 auf. Beispielhafte Materialien können Pt, Pd, Rh, Ni, Ir und Ru sein oder enthalten. Vorzugsweise bestehen die Cluster 4 aus einem Edelmetall, wie beispielsweise Pt, oder einem sonstigen inerten, elektrisch leitfähigen Material. Die Größe der Cluster 4 kann beispielsweise zwischen 3 nm–10 nm liegen.Into the isolation matrix 3 are clusters 4 embedded in a metallic material. The cluster material of the clusters 4 is preferably a refractory metal or a refractory metal alloy, and further has above-average oxidation resistance in the material of the insulation matrix 3 on. Exemplary materials may be or include Pt, Pd, Rh, Ni, Ir and Ru. Preferably, the clusters exist 4 from a noble metal, such as Pt, or other inert, electrically conductive material. The size of the clusters 4 may for example be between 3 nm-10 nm.

Alternativ kann auch das Übergangsmaterial Ni verwendet werden, dessen Oxidationsbeständigkeit in Luft zwar nicht hoch ist, jedoch im amorphen Material der Isolationsmatrix 3 sehr hoch ist und insbesondere bei Temperaturen von mehreren 100°C hoch ist.Alternatively, the transition material Ni may be used, the oxidation resistance in air is not high, but in the amorphous material of the insulation matrix 3 is very high and especially at temperatures of several 100 ° C is high.

Die Cluster 4 sind kristallin ausgebildet und in der amorphen Isolationsmatrix 3 des Basismaterials eingebettet, wobei die Cluster 4 nicht zusammenhängen, d. h. voneinander durch das Basismaterial getrennt bzw. isoliert sind. Ein beispielhaftes Materialsystem für die Widerstandsschicht ist SiO2 als Basismaterial und Pt als Clustermaterial.The clusters 4 are crystalline and in the amorphous isolation matrix 3 embedded in the base material, with the clusters 4 are not related, ie separated from each other by the base material or isolated. An exemplary material system for the resistive layer is SiO 2 as a base material and Pt as a cluster material.

2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung einer derartigen Widerstandsschicht. Die Vorrichtung entspricht einer herkömmlichen Co-Sputter-Anlage 10 mit einer Vakuumkammer 11. In der Vakuumkammer 11 befindet sich ein beheizbarer Halter 13. Die Vakuumkammer 11 ist mithilfe einer nicht gezeigten Pumpe evakuierbar. 2 shows schematically an apparatus for producing such a resistive layer. The device corresponds to a conventional co-sputtering system 10 with a vacuum chamber 11 , In the vacuum chamber 11 there is a heatable holder 13 , The vacuum chamber 11 is evacuated by means of a pump, not shown.

Auf den Halter 13 ist ein Substrat 12 aufgelegt. Auf das Substrat 12 kann mithilfe eines üblichen Magnetrons von einem Basismaterial-Target 14 mittels Hochfrequenz RF das keramische Basismaterial auf das Substrat 12 aufgebracht bzw. gesputtert werden. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist als Basismaterial SiO2 gewählt.On the holder 13 is a substrate 12 hung up. On the substrate 12 can use a standard magnetron from a base material target 14 by means of high frequency RF the ceramic base material on the substrate 12 be applied or sputtered. In the described embodiment, SiO 2 is selected as the base material.

Weiterhin kann von einem Clustermaterial-Target 15 gleichzeitig das Clustermaterial, in diesem Ausführungsbeispiel das Edelmetall Pt, per DC-Magnetron oder RF-Dioden-Verfahren aufgebracht bzw. gesputtert werden. Furthermore, from a cluster material target 15 at the same time the cluster material, in this embodiment, the noble metal Pt, are applied or sputtered by DC magnetron or RF diode method.

Das Basismaterial-Target 14 und das Clustermaterial-Target 15 sind, in diesem Beispiel, in einem rechten Winkel zueinander angeordnet. Weiterhin ist die Oberfläche des Halters 13, auf der das Substrat 12 aufgelegt ist, in einem Winkel von z. B. zwischen 35° und 55°, vorzugsweise von 45°, zu dem Basismaterial-Target 14 und dem Clustermaterial-Target 15 geneigt.The base material target 14 and the cluster material target 15 are, in this example, arranged at a right angle to each other. Furthermore, the surface of the holder 13 on which the substrate 12 is hung up, at an angle of z. B. between 35 ° and 55 °, preferably of 45 °, to the base material target 14 and the cluster material target 15 inclined.

Durch eine Zuleitung können Gase, wie beispielsweise das Prozessgas Argon und zusätzliche Gase wie O2 oder N2, in die Vakuumkammer eingebracht werden. Insbesondere durch das Zusetzen von O2 oder N2 können Veränderungen der Stöchiometrie des keramischen Basismaterials bewirkt werden.Through a supply line gases, such as the process gas argon and additional gases such as O 2 or N 2 , are introduced into the vacuum chamber. In particular, by adding O 2 or N 2 , changes in the stoichiometry of the ceramic base material can be effected.

Alternativ zu SiO2 als Basismaterial-Target 14 kann auch ein Aluminium-Target vorgesehen werden und gemeinsam mit einem zugegebenen Prozessgas O2 kann reaktiv Al2O3 auf das Substrat 12 abgeschieden werden. Durch den Zusatz von N2 kann bei Verwendung eines Aluminium-Targets AlN aufgesputtert werden.Alternative to SiO 2 as base material target 14 It is also possible to provide an aluminum target and together with an added process gas O 2 it is possible to react Al 2 O 3 on the substrate in a reactive manner 12 be deposited. The addition of N 2 can sputter AlN when using an aluminum target.

Auch kann Si3N4 oder allgemein SiOxNy als resultierende Isolationsmatrix 3 aus einem Reaktiv-Sputterprozess durch den Zusatz von N2 und Verwendung eines SiO2-Targets als Basismaterial-Targets 14 abgeschieden werden, so dass sich die Isolationsmatrix 3 amorph ausbildet.Also, Si 3 N 4 or generally SiO x N y as the resulting isolation matrix 3 from a reactive sputtering process by the addition of N 2 and use of a SiO 2 target as base material targets 14 be deposited, so that the isolation matrix 3 amorphous forms.

Im vorliegenden Beispiel werden zur Herstellung einer Pt/SiO2-Widerstandsschicht die folgenden Prozessparameter angewandt: Sputteranordnung Co-Sputtern im rechten Winkel Beschichtungstemperatur bis 400°C Sputterzeit 15 Minuten Leistung SiO2(5''-Target) 350 Watt Leistung Pt(2''-Target) 60 Watt Druck in Vakuumkammer 5·10–3 mbar Argonfluss 20 sccm Frequenz Basismaterial-Target 13,56 MHz In the present example, the following process parameters are used to produce a Pt / SiO 2 resistance layer: sputtering arrangement Co-sputtering at right angles coating temperature up to 400 ° C sputtering 15 minutes Performance SiO 2 (5 '' target) 350 watts Power Pt (2 '' - target) 60 watts Pressure in vacuum chamber 5 × 10 -3 mbar argon flow 20 sccm Frequency base material target 13.56 MHz

Die Zusammensetzung der hergestellten Widerstandsschicht ist zu etwa 40 at% Pt, zu 20 at% Si und zu 40 at% O2 und der gemessene k-Faktor, d. h. das Verhältnis zwischen einer relativen Widerstandsänderung zu einer relativen Längenänderung, bei dieser Zusammensetzung liegt bei 16 auf einem Silizium-Substrat.The composition of the resistance layer produced is about 40 at% Pt, 20 at% Si and 40 at% O 2 and the measured k-factor, ie the ratio between a relative change in resistance and a relative change in length, is 16 in this composition on a silicon substrate.

Man erhält eine granulare Widerstandsschicht aus einer amorphen SiO2-Matrix mit eingebetteten kristallinen Pt-Clustern. Die kristallinen Pt-Cluster weisen im vorliegenden Beispiel eine Größe von 3 bis 12 nm auf und sind allseitig umgeben von SiO2. Die Pt-Cluster berühren sich gegenseitig nicht, was sich insbesondere in einem hohen spezifischen Widerstand der Schicht auswirkt.A granular resistance layer of an amorphous SiO 2 matrix with embedded crystalline Pt clusters is obtained. The crystalline Pt clusters have a size of 3 to 12 nm in the present example and are surrounded on all sides by SiO 2 . The Pt clusters do not touch each other, which has a particular effect on the high resistivity of the layer.

Man erhält eine granulare Widerstandsschicht aus einer amorphen SiO2-Matrix mit eingebetteten kristallinen Pt-Clustern.A granular resistance layer of an amorphous SiO 2 matrix with embedded crystalline Pt clusters is obtained.

3 zeigt ein Röntgendiffraktogramm einer solchen Probe. Es sind ausschließlich Peaks an Streuwinkeln, d. h. Vorzugsrichtungen für die Streuungen der Röntgenstrahlung, zu erkennen, die der fcc-Phase von metallischem Platin zuzuordnen sind. Anhand der Breiten der Peaks konnte ein Clusterdurchmesser von etwa 10 nm abgeschätzt werden. 3 shows an X-ray diffractogram of such a sample. Only peaks at scattering angles, ie preferential directions for the scattering of the X-radiation, which are to be assigned to the fcc phase of metallic platinum, are to be recognized. Based on the widths of the peaks, a cluster diameter of about 10 nm could be estimated.

In 4 ist eine transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Aufnahme einer dünnen Schicht der wie vorstehend hergestellten Widerstandsschicht zu erkennen. Man erkennt, dass die Pt-Cluster (dunkle Bereiche) voneinander isoliert vorliegen und kristalline Objekte in der Größenordnung von etwa 3 bis 10 nm ausgebildet sind. Die hellen Bereiche entsprechen der SiO2 Matrix.In 4 is a transmission electron micrograph (TEM) recording of a thin layer of the resistance layer as prepared above to recognize. It can be seen that the Pt clusters (dark areas) are isolated from each other and crystalline objects in the order of about 3 to 10 nm are formed. The bright areas correspond to the SiO 2 matrix.

Die hergestellte Widerstandsschicht weist eine hohe Temperaturbeständigkeit auf, wie anhand der 5a und 5b zu erkennen ist. 5a veranschaulicht eine Widerstandsänderung einer mit dem obigen Sputterprozess hergestellten Pt/SiO2-Widerstandsschicht, die bei 300°C für insgesamt 6 Stunden an Luft vorgealtert wurde. Das Diagramm wurde bei zyklischer gleichartiger Be- und Entlastung bei einer Messtemperatur von 250°C an Luft aufgezeichnet. Der ermittelte k-Faktor beträgt 17. Man erkennt, dass der Widerstand sich wiederholbar dehnungsabhängig ändert.The resistance layer produced has a high temperature resistance, as shown by the 5a and 5b can be seen. 5a FIG. 10 illustrates a change in resistance of a Pt / SiO 2 resist layer made by the above sputtering process, which has been pre-aged at 300 ° C. for a total of 6 hours in air. The diagram was recorded with cyclic equal loading and unloading at a measuring temperature of 250 ° C in air. The determined k-factor is 17. It can be seen that the resistance changes repeatably in a strain-dependent manner.

In 5b ist ein vergleichbares Diagramm dargestellt. Das Diagramm zeigt die Widerstandsänderungen einer mit dem obigen Sputterprozess hergestellten Ft/SiO2-Widerstandsschicht bei zyklischer gleichartiger Be- und Entlastung bei einer Messtemperatur von 30°C, nachdem die Probe im Vakuum bei 600°C für 1,5 Stunden getempert wurde. Der k-Faktor beträgt bei dieser Probe 16 und man erkennt auch hier, dass der Widerstand sich wiederholbar dehnungsabhängig ändert.In 5b a comparable diagram is shown. The graph shows the resistance changes of an Ft / SiO 2 resistor layer prepared by the above sputtering process with cyclic equal loading and unloading at a measurement temperature of 30 ° C after the sample was vacuum annealed at 600 ° C for 1.5 hours. The k-factor is at this sample 16 and you can see here too that the resistance changes repeatably in a strain-dependent manner.

In 6 ist ein Diagramm dargestellt, das die Abhängigkeit einer nach dem obigen Verfahren hergestellten Widerstandsschicht von einem hydrostatischen Druck darstellt. Dazu wird die Widerstandsschicht in einer Ölkammer unter einem Öldruck von bis zu 900 bar einer allseitigen Kompression ausgesetzt. Die Kurve stellt den Verlauf einer relativen Änderung des ohmschen Widerstands ΔR/R über dem Druck dar. Man erkennt eine lineare Druckabhängigkeit des ohmschen Widerstands der Widerstandsschicht.In 6 Fig. 12 is a diagram showing the dependence of a resistance layer produced by the above method on a hydrostatic pressure. For this purpose, the resistance layer is exposed to an all-round compression in an oil chamber under an oil pressure of up to 900 bar. The curve represents the course of a relative change in the ohmic resistance .DELTA.R / R over the pressure. It can be seen a linear pressure dependence of the ohmic resistance of the resistance layer.

Weiterhin kann als Basismaterial SiO2 und als das Clustermaterial Ni vorgesehen sein. Die Widerstandsschicht wird vorzugsweise mit 50–60 at% Ni ausgebildet.Furthermore, SiO 2 may be provided as the base material and Ni may be provided as the cluster material. The resistance layer is preferably formed with 50-60 at% Ni.

Claims (2)

Anordnung zur Messung einer Dehnung, eines Druckes oder einer Kraft mit einer Widerstandsschicht, wobei die Widerstandsschicht umfasst: – eine amorphe Isolationsmatrix (3) aus einem elektrisch nicht leitenden Basismaterial; und – Cluster (4) aus einem in der Isolationsmatrix (3) gegenüber dem Basismaterial oxidationsfesten, elektrisch leitenden Clustermaterial, die in der Isolationsmatrix (3) eingebettet sind und voneinander durch das Basismaterial isoliert sind, wobei das Basismaterial SiO2 und das Clustermaterial Pt ist, wobei die Widerstandsschicht durch gleichzeitiges Besputtern in einem Co-Sputter-Prozess mit dem Basismaterial und dem Clustermaterial hergestellt ist, wobei die Cluster (4) kristallin ausgebiidet sind.Arrangement for measuring an elongation, a pressure or a force with a resistance layer, wherein the resistance layer comprises: an amorphous insulation matrix ( 3 ) of an electrically non-conductive base material; and - clusters ( 4 ) from one in the isolation matrix ( 3 ) with respect to the base material oxidation-resistant, electrically conductive cluster material in the isolation matrix ( 3 ) and are isolated from each other by the base material, wherein the base material is SiO 2 and the cluster material Pt, wherein the resistance layer is produced by simultaneous sputtering in a co-sputtering process with the base material and the cluster material, the clusters ( 4 ) are crystalline. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Widerstandsschicht die folgende Zusammensetzung aufweist: – 15–45 at% Pt, und – die verbleibenden at% O und Si.Arrangement according to claim 1, wherein the resistance layer has the following composition: - 15-45 at% Pt, and - the remaining at% O and Si.
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