Entwicklung von dreidimensionalen taktilen Sensoren aus SU-8-Fotoresist

Die dimensionelle Messung von Mikrosystemen mit taktilen Sensoren erfordert hochpräzise Messsysteme mit hoher Empfindlichkeit bei gleichzeitig geringen Antastkräften. Bestehende taktil-elektrische dreidimensionale Tastsensoren werden bislang vorwiegend aus Metallen oder Halbleitern als Basismaterialien aufgebaut. Der Einsatz polymerer Werkstoffe mit niedrigem Elastizitätsmodul bietet an dieser Stelle die Möglichkeit, das Verhalten derartiger Sensoren positiv zu beeinflussen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung piezoresistiver dreidimensionaler Tastsensoren auf der Basis von SU-8-Fotoresist. In Anlehnung an ein bestehendes Grundkonzept Silizium-basierter Sensoren werden Designs, bestehend aus einer versteiften Membrankonstruktion, entworfen. Parallel wird ein geeigneter mikrotechnischer Herstellungsprozess für die frei tragenden SU-8-Strukturen entwickelt. Dieser beinhaltet eine doppelseitige Strukturierung durch die Replikation von Primärstrukturen auf einem Master. Zusätzlich wird der Fotoresist bezüglich der mechanischen Eigenschaften, der herstellungsbedingten Einflüsse auf die Eigenspannungen des Materials sowie anhand von Alterungserscheinungen beurteilt. Für eine integrierte piezoresistive Sensorik werden insbesondere Dünnschichtmaterialien betrachtet und anhand der Dehnungsempfindlichkeit sowie des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes beschrieben. Grundlage für die Bewertung der Materialien bildet eine differenzierte Betrachtung des piezoresistiven Effekts für Metalle, Halbleiter, Verbundwerkstoffe und amorphe Kohlenstoffschichten (DLC). Abschließend werden Versuche zur Charakterisierung der SU-8-Tastsensoren durchgeführt und ein Vergleich mit Silizium-Tastsensoren ähnlicher Abmessungen hinsichtlich der Steifigkeiten, Antastkräfte, Bruchgrenzen und maximaler Auslenkung der Antastelemente gezogen. Im Ergebnis lassen sich die Antastkräfte bei der taktilen Antastung aufgrund der reduzierten Steifigkeiten der Sensoren deutlich reduzieren.