Federkörper aus einkristallinem Silizium

Die elastischen Materialeigenschaften von einkristallinem Silizium machen dieses Material interessant für den Einsatz in Präzisionswaagen. Ein erster Wägezellen-Federkörper aus einkristallinem Silizium mit einer Nennlast von 6 kg wurde in der PTB entwickelt und gefertigt.

Hierbei stellten das spröde Materialverhalten von Silizium und die zu realisierenden 1 mm dicken Dünnstellen eine besondere fertigungstechnische Herausforderung dar. Mit dem Dünnschichtverfahren der Sputterdeposition Dehnungsmessstreifen wurden an ausgewählten Positionen auf dem Federkörper angebracht und erste experimentelle Untersuchungen durchgeführt.

Die Verwendung von Silizium als Federkörpermaterial für Wägezellen mit aufgesputterten Dehnungsmessstreifen (DMS) lässt eine im Verhältnis zu konventionellen Wägezellen geringe Zeitabhängigkeit und eine hohe Reproduzierbarkeit der Messsignale des Sensors erwarten. Neben den ideal elastischen Materialeigenschaften von Silizium im Temperaturbereich bis 500 °C, die zu deutlich geringeren mechanischen Nachwirkungen als bei den konventionell eingesetzten metallischen Materialien führen, werden durch die Anwendung von Dünnschichttechnologien Kriecheffekte bei der Dehnungsübertragung vom Federkörper auf den DMS im Vergleich zu aufgeklebten Folien-DMS deutlich reduziert.

Anhand umfangreicher Simulationen zum Dehnungsverhalten unterschiedlicher Federkörpergeometrien erfolgten die Optimierung der Geometrieparameter und die Auswahl der optimalen Orientierung des Siliziums im Federkörper. Der Unterschied der maximalen Dehnung zwischen den untersuchten Orientierungen des Siliziums beträgt im Dünnstellenbereich bis zu 30 %.

COMPAMED.de; Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt