Struktur und Eigenschaften von gesputterten a-C:H:Nb-Schichten für piezoresistive Sensoren

Zur Entwicklung einer Dünnschicht für piezoresistive Sensoren wurden in unterschiedlichem Ausmaß drei Materialsysteme untersucht: a-C, a-C:H:Nb und NiCr als Referenzmaterial, wobei der Hauptfokus auf a-C:H:Nb lag. Die Schichten wurden in einem Magnetronsputterprozess hergestellt, wobei DCMS- und HIPIMS-Prozesse miteinander verglichen wurden. Für die Herstellung der a-C:H:Nb-Schichten wurde zusätzlich Acetylen als Precursorgas eingelassen, das im Plasma aufgespalten wird und so die a-C:H-Phase der Schicht bildet. 
Für die amorphen, undotierten Kohlenstoffschichten konnten k-Faktoren bis 16 und bei einem TCR von -6360 ppm/K entwickelt werden, die eine ausreichende Leitfähigkeit und Schichthaftung auf den Polymersubstraten aufwiesen. Aufgrund ihrer hohen Schichtspannung und verhältnismäßig hohem TCRs kamen sie jedoch nicht für die Entwicklung von 3D-strukturierten Sensorfolien in Frage. 
Für das Metall-Kohlenstoff-Komposit a-C:H:Nb erfolgte eine umfassende Analyse der  Materialstruktur und der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Dünnschichten. Die Analyseergebnisse wurden in einem Strukturzonenmodell zusammengefasst, das Aufschluss über Art und Zusammensetzung des Kompositmaterials in Abhängigkeit vom Nb-Gehalt gibt. Es liefert die grundlegenden Erkenntnisse zur folgenden Interpretation der elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Materials. Mit a-C:H:Nb konnten k-Faktoren bis 59 in Kombination mit TCRs zwischen -10 und -400 ppm/K erzielt werden, die allerdings aufgrund einer Rissbildung in der Dünnschicht entstehen. Rissfreie Schichten erzeugten niedrige k-Faktoren von 2 bis 3 in Kombination mit TCRs zwischen -200 und -400 ppm/K, die dennoch durch ihre biokompatiblen Eigenschaften als Ersatzmaterial für NiCr von Interesse sind. 
Die Untersuchung der 3D-Konformität der a-C:H:Nb-Schichten ergab, dass es möglich ist, mittels HIPIMS-Prozess mit hohem Spitzenstrom, auch auf geneigt zum Target ausgerichteten Flanken ein Schichtwachstum senkrecht zur Substratoberfläche zu erzielen. Es konnte gezeigt werden, dass die k-Faktoren und TCRs winkelunabhängig sind und die Beschichtung somit – bezogen auf die elektrischen Eigenschaften - als ausreichend 3D-konform angesehen werden kann. Die 3D-Konformitätstests der NiCr-Beschichtungen zeigten ähnliche Ergebnisse. Die NiCr-Beschichtungen bildeten allerdings auch unter bestimmten Bedingungen Risse, was einerseits zu sehr hohen k-Faktoren (>300) aber zugleich zu instabilen Messkurven führte. Generell ist bei der Beschichtung von Polymerfolien mit Dünnschichten, die deutlich unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen, auf die Vermeidung von Rissbildungen zu achten.