Mit NanoNi@C 10 mal genauer messen

Der mit 25.000 Euro dotierte SaarLB Wissenschaftspreis geht an HTW und INM – gemeinsam haben die Forscher ein neues Material entwickelt, das Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen 10 mal genauer messen lässt


Zur Messung von hydraulischen Drücken, von Gewichten und von Kräften benutzt man Sensoren, die mechanische Größen in ein elektrisches Signal umwandeln. Dazu dienen Dehnungsmessstreifen (DMS), die bei Materialdehnung ihren elektrischen Widerstand leicht ändern und somit eine elektrische Messung ermöglichen. Mit dem SaarLB-Wissenschaftspreis 2009 wurde die Entwicklung eines Materials prämiert, das auf solche Materialdehnungen zehnmal empfindlicher reagiert als die heute verfügbaren DMS-Materialien. Das neue Nanomaterial aus dem Labor für Dünnschichttechnologie, Rasterelektronenmikroskopie und Sensorentwicklung der HTW, besteht aus den Elementen Nickel, einem gut leitenden Metall, sowie Kohlenstoff, das in vielfältigen Modifikationen vorkommt. Zwiebelschalenartig vom Kohlenstoff ummantelt bilden die sphärischen Nickelpartikel mit Durchmessern zwischen 10 und 20 Nanometern einen elektrischen Leiter. Bei der kleinsten Dehnung wird der Abstand zwischen den Nickelteilchen größer – die Leitfähigkeit sinkt und der Widerstand steigt. Das kann man messen und so Druck, Kraft und Gewicht messen. Höchst interessant wird das neue Material für Dünnschichtdehnungsmess-Streifen durch seine Temperaturunabhängigkeit. Zwar reagieren beide Elemente auf Temperaturschwankungen, allerdings tun sie das gegensätzlich und neutralisieren somit den Einfluss der Temperatur. Nickel und Kohlenstoff, das Dreamteam der nanoskaligen Sensorschichtentwicklung!

Entdeckt, oder genauer, geschaffen wurde das neue Material, das die Forscher NanoNi@C getauft haben, von Prof. Dr. Günter Schultes und seiner Arbeitsgruppe. Ziel der Forschung war es, genauere Dehnungsmess-Streifen zu entwickeln. Die besonderen Eigenschaften von Nickel in Kombination mit dem Effekt von Nickel auf Kohlenstoff erlauben beim Einsatz in einem Dehnungsmess-Streifen 10 mal genauere Messungen als bisherige Materialien. Wenn die Forscher das Material zur Serienproduktion gebracht haben, können regionale wie überregionale Hersteller von Druck-, Kraft- und Gewichtssensoren neue Anwendungen erschließen und so über innovative Produkte ihre Wettbewerbsfähigkeit behaupten.

Der Effekt im Detail (Text: Leibniz-Institut für neue Materialien):
Sogenannte Dehnungsstreifen sind im Prinzip nichts Neues. Man kann sie zum Beispiel für Drucksensoren verwenden. Dabei wird der Messstreifen auf ein Stück Metall aufgebracht, das sich bei erhöhtem Druck im zu messenden Gefäß leicht wölbt. Dadurch wird der Sensor etwas gedehnt und sein elektrischer Widerstand verändert, was als Maß für den zu messenden Druck dient. Zum Einsatz können viele Metalle und Legierungen kommen. Ein Problem besteht jedoch in der Temperaturabhängigkeit des Messergebnisses. Nur mit wenigen Materialien kann eine gleichbleibend gute Dehnungs- oder Druckmessung über einen großen Temperaturbereich erreicht werden. In der Regel sind gerade diese Materialien aber nicht besonders empfindlich gegenüber der Dehnung. Auf der anderen Seite ändern die für Dehnung besonders empfindlichen Materialien ihren Widerstand sehr stark mit der Temperatur.

Das neue Material, das jetzt von Schultes und seiner Arbeitsgruppe entwickelt wurde, kombiniert in der Sensorschicht metallische Nanopartikel mit Kohlenstoff. Zwar ändern beide Komponenten ihren jeweiligen elektrischen Widerstand mit der Temperatur, jedoch in entgegengesetzter Richtung, so dass die Druckmessung über einen Bereich von mehreren hundert Grad von der Temperatur unbeeinflusst bleibt. Die Nanopartikel umhüllen sich mit mehreren Lagen aus Kohlenstoff. Die Kohlenstoffatome bilden dabei Schichten, die jeweils nur ein Atom dick sind. Für Elektronen ist es auf klassischem Weg kaum möglich von einer Schicht in die nächste zu gelangen. Nur der sogenannte Tunneleffekt macht den Übergang von einzelnen Elektronen möglich – ein äußerst kleiner Strom fließt von einer Lage zur nächsten. Dieser Effekt ist extrem abhängig vom Abstand, den es zu überbrücken gilt. Und das macht die neuen Schichten so interessant für die Dehnungssensoren. Bei einer Streckung der Schicht verändern sich die Abstände der Kohlenstoffschichten zwar nur minimal, sie resultiert aber in einer deutlichen Änderung des Stromflusses. Im Ergebnis sind diese Sensoren um den Faktor zehn empfindlicher als herkömmliche Sensoren.

Hochschule für
Technik und Wirtschaft
des Saarlandes

University of
Applied Sciences

Kontakt

Hochschule für Technik und Wirtschaft
des Saarlandes
Goebenstraße 40
66117 Saarbrücken

Telefon: (0681) 58 67 - 0
Telefax: (0681) 58 67 - 122
E-Mail: info@htwsaar.de

Aufsichtsbehörde:
Staatskanzlei des Saarlandes

Folge uns