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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines Sensorelementes auf einem Messträger. Sie ist ferner auf einen mit einem Sensorelement versehenen Messträger gerichtet.
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Für die Messung von Kräften, Momenten, Schwingungen, Temperaturen, Magnetfeldern, Dehnungen etc. eines Messträgers bzw. auf einem Messträger müssen geeignete Sensoren mittels einer Verbindungstechnik auf dem Messträger befestigt werden. Es ist dabei bekannt, Sensorelemente, beispielsweise Piezosensoren, Dehnungsaufnehmer, magnetostriktive Aufnehmer etc., direkt auf dem Messträger zu befestigen oder mittels geeigneter Verfahren (z. B. Dünnfilmtechnik, Dickfilmtechnik) auf dem Messträger selbst zu strukturieren. Hierbei sind folgende wesentliche Verbindungstechniken bekannt: Löten, Kleben, Glasfrit-Bonden, Sputtern, Aufdampfen, Siebdruckverfahren (Rakeln), Laserschweißen, Punktschweißen.
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Zum Schutz des Sensorelementes kann dieses beispielsweise in einem hermetisch dichten (verschweißten) Gehäuse untergebracht, mit geeigneten Schutzschichten versehen oder entsprechend umgegossen werden.
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Es ist ferner bekannt, zusätzlich zu den eigentlichen Sensorelementen Signalverarbeitungs-, Signalauswerte- und/oder Signalübertragungseinheiten auf dem Messträger aufzubringen.
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Bei den vorstehend genannten Verbindungstechniken handelt es sich um Verfahren, bei denen sowohl der Messträger als auch das Sensorelement erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden. Diese Temperaturen können zu Änderungen der Materialeigenschaften des Messträgers oder Sensorelementes selbst oder zu Schädigungen anderer Elemente auf bzw. an dem Messträger führen, insbesondere auch innere Spannungen in der Verbindungszone hervorrufen, die sich über die Nutzungsdauer durch Relaxationsvorgänge und partielle Delaminationen abbauen. Des Weiteren bedeutet die bei thermischen Verbindungsverfahren geforderte gemeinsame länger anhaltende Erwärmung des Messträgers und des Sensorelementes einen großen investiven Aufwand, insbesondere bei voluminösen Messträgern. Hierdurch kann nicht sichergestellt werden, dass die vom Sensorelement zu messenden Messgrößen über die Verbindungsstelle hinweg zum Sensorelement verlustfrei, langzeitstabil, reproduzierbar, kalibrierbar und möglichst hysteresefrei übertragen werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine besonders gute (unverfälschte) Übertragung der Messgröße vom Messträger auf das Sensorelement sichergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der angegebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
Aufbringen des Sensorelementes auf eine Trägerplatte und
Befestigen der Trägerplatte mit dem aufgebrachten Sensorelement auf dem Messträger über eine Kaltschweißverbindung.
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Der Grundgedanke der Erfindung liegt in der Herstellung einer kraftschlüssigen, mechanisch steifen, verspannungsfreien, hysteresefreien, temperaturbeständigen und umweltfesten Verbindungsstelle zwischen einem Sensorelement und einem Messträger. Für die Verbindungstechnik wird eine Kaltschweißverbindung gewählt, da diese die geforderten Eigenschaften, insbesondere eine sehr hohe mechanische Festigkeit und nur eine vernachlässigbare Eigenerwärmung während der Prozessierung der Verbindungsstelle, sicherstellt bzw. aufweist. Die bei thermischen Verbindungsverfahren stattfindende länger anhaltende Erwärmung des Messträgers und des Sensorelementes, die zu inneren Spannungen und zu Änderungen der Materialeigenschaften führen kann, wird vermieden.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Verbindung zwischen einer Trägerplatte, auf die das Sensorelement aufgebracht wird, und dem Messträger. Die Aufbringung des Sensorelementes auf die Trägerplatte kann über beliebige Verfahren, auch thermische Verfahren, erfolgen, beispielsweise Kleben, Bonden, Löten, Schweißen, Sputtern, Aufdampfen, Befestigung mittels Glasfrit- oder direkt mittels Dickschicht- oder Dünnschichtverfahren.
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Es erfolgt somit eine „Vormontage” des Sensorelementes auf der Trägerplatte. Da diese Vormontage losgelöst vom Messträger stattfindet, kann sie auf optimierte Weise durchgeführt werden, beispielsweise in standardisierten Fertigungsanlagen für mikromechanische Sensoren. Da es sich bei den verwendeten Trägerplatten vorzugsweise um sehr kleine Trägerplatten mit einer Stärke von < 1 mm handelt, lassen sich die entsprechenden Verbindungsprozesse einfach und auf optimierte Weise durchführen. Es lassen sich kleine Objekte in hohen Stückzahlen herstellen, wobei eine einfache Handhabung und ein einfaches Abgleichen möglich sind. Die für die entsprechenden Verbindungsprozesse erforderlichen Erwärmungsprozesse können einfach durchgeführt werden.
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Die mit den aufgebrachten Sensorelementen versehenen Trägerplatten können daher in Massenfertigung vorproduziert und für den jeweiligen Anwendungsfall per Kaltschweißung auf den entsprechenden Messträger aufgebracht werden. Für die Befestigung des vormontierten Sensorelementes auf einem Messträger ist nur eine Einzelanlage erforderlich.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Sensorelement nach dem Aufbringen auf die Trägerplatte hermetisch gekapselt. Das auf diese Weise hermetisch gekapselte Sensorelement wird mechanisch geschützt und ist damit zur Weiterverarbeitung in einer rauen Fertigungsumgebung geeignet, in der beispielsweise die Befestigung der Trägerplatte auf dem Messträger stattfinden kann.
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Wie bereits erwähnt, kann die Aufbringung des Sensorelementes (Vormontage) auf der Trägerplatte in standardisierten Fertigungsanlagen insbesondere für mikromechanische Sensoren erfolgen, speziell in Batchprozessen und standardisierten dünnschichtkompatiblen Anlagen zur kostengünstigen Massenfertigung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können zusätzlich zum Sensorelement eine Signalverarbeitungs-, Signalauswerte- und/oder Signalübertragungseinheit auf die Trägerplatte aufgebracht werden. Die Gesamteinheit kann dann hermetisch gekapselt werden. Auch kann ein das Sensorelement umgebendes Gehäuse auf die Trägerplatte aufgebracht werden, wobei das Gehäuse das Sensorelement oder Sensorelement mit Signalverarbeitungs-, Signalauswerte- und/oder Signalübertragungseinheit aufnehmen kann.
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Die erfindungsgemäß eingesetzte Kaltschweißverbindung kann über verschiedenartige Kaltschweißverbindungsverfahren hergestellt werden. Wesentlich ist, dass zur Herstellung der Verbindung keine wesentliche Temperaturerhöhung von Messträger und/oder Trägerplatte mit Sensorelement stattfindet. Bevorzugt wird die Kaltschweißverbindung durch eine Ringbuckel-, Rollnaht-, Ultraschalllongitudinal- oder Ultraschalltorsional-Schweißverbindung hergestellt. Es können auch Kombinationen, wie z. B. Ringbuckelschweißen mit Ultraschalltorsionsschweißen, zum Einsatz kommen.
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Wesentlich ist, dass es bei dem erfindungsgemäßen Kaltschweißverbindungsverfahren zu keinem volumigen Aufschmelzen der Verbindungspartner, sondern nur zu einer lokalen Fusion derselben kommt. Die zu verbindenden Komponenten bleiben im Wesentlichen weit unter der homologen Temperatur für Gefügeänderungen, insbesondere auf Raumtemperatur.
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Bei dem Messträger kann es sich um ein beliebiges Teil handeln, das für die erfindungsgemäß durchgeführte Kaltschweißverbindung geeignet ist. Dieses Teil muss eine für das Kaltschweißverbindungsverfahren geeignete Applikationsstelle aufweisen. Bei dem Messträger kann es sich beispielsweise um eine Platte, einen Träger, einen Balken oder irgendein anderes Teil mit beliebiger Form oder beliebigem Querschnitt handeln. Vorzugsweise kommen Metallteile zur Anwendung.
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Das für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzte Sensorelement kann von einem beliebigen Sensor stammen, beispielsweise einem piezoelektrischen Sensor, piezoresistiven Sensor, Oberflächenwellensensor, magnetischen Sensor, magnetostriktiven Sensor, thermischen Sensor, Dehnungssensor, Drucksensor, Kraftsensor, Torsionssensor, optischen Sensor, chemischen Sensor.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Trägerplatte mit dem aufgebrachten Sensorelement vorzugsweise über eine umlaufende Schweißzone auf dem Messträger befestigt. Die Befestigung kann aber auch über eine segmentierte Schweißzone erfolgen. Durch eine gezielte Segmentierung der Schweißzone zwischen Trägerplatte und Messträger kann eine Richtungsabhängigkeit der Messgröße (Kraft, Weg, Dehnung etc.) erzeugt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere Sensorelemente auf eine Trägerplatte aufgebracht, die dann mit dem zugehörigen Messträger kaltverschweißt wird. Hierdurch lassen sich somit verschiedene Sensorprinzipien und Kombinationen davon auf einfache Weise einem Messträger zuordnen.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen mit einem Sensorelement versehenen Messträger, der eine über eine Kaltschweißverbindung mit dem Messträger verbundene Trägerplatte aufweist, auf die das Sensorelement aufgebracht ist. Vorzugsweise findet eine kleine Trägerplatte Verwendung, die eine Stärke < 1 mm besitzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1a einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Messträgers mit Trägerplatte und Sensorelement;
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1b eine schematische Draufsicht auf eine Trägerplatte mit Schweißzone;
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1c eine schematische Draufsicht auf eine Trägerplatte mit Schweißzone einer weiteren Ausführungsform;
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2a einen Vertikalschnitt durch einen Messträger mit Trägerplatte und Sensorelement einer weiteren Ausführungsform;
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2b eine schematische Draufsicht auf eine Trägerplatte mit Schweißzone; und
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2c eine schematische Draufsicht auf eine Trägerplatte mit Schweißzone noch einer weiteren Ausführungsform.
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Die Figuren zeigen verschiedene mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Messträger. Der Messträger 2 der 1a ist plattenförmig ausgebildet. Auf seiner Oberseite befindet sich eine runde dünne Trägerplatte 1, die durch Kaltschweißen auf den Messträger 2 aufgebracht ist. Eine entsprechende ringförmige Schweißzone ist bei 3 dargestellt. Auf der Trägerplatte 1 befindet sich ein Sensorelement 4, das über eine spezielle Verbindungstechnik, beispielsweise Löten, auf die Trägerplatte 1 aufgebracht ist. Die entsprechende Verbindung ist bei 5 dargestellt.
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Auf das Sensorelement 4 ist eine elektrische Kontaktierung 6 aufgebracht, auf der sich eine geeignete Elektronik 8 befindet, bei der es sich um eine Signalverarbeitungs- bzw. Signalauswerteeinheit handelt. Sämtliche Teile auf der Trägerplatte 1 sind in einem Gehäuse 7 untergebracht, das auf der Trägerplatte 1 angeordnet ist. Die entsprechenden Teile sind im Gehäuse 7 hermetisch gekapselt.
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1b zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Trägerplatte 1 mit Gehäuse 7. Die Schweißzone 3 zur Aufbringung der Trägerplatte 1 auf dem nichtgezeigten Messträger ist ringförmig ausgebildet und bei 3 dargestellt. Im Unterschied zur 1a ragt hierbei die Schweißzone 3 seitlich über die Trägerplatte 1 hinaus.
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1c unterscheidet sich von 1b nur dadurch, dass hier keine ringförmige, sondern eine segmentierte Schweißzone 20 vorhanden ist. Auch hier ragen die einzelnen Schweißzonensegmente seitlich über die Trägerplatte hinaus.
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Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von der der 1 nur dadurch, dass hier das Sensorelement 4 direkt, d. h. ohne Verbindungsmittel, auf die Trägerplatte 1 aufgebracht ist. Dies kann beispielsweise durch ein geeignetes Dünnschicht- oder Dickschichtverfahren etc. realisiert worden sein. Im Übrigen sind beide Ausführungsformen identisch.
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In beiden Fällen werden sämtliche Teile 4, 6, 7 und 8 vorab auf der Trägerplatte 1 angeordnet bzw. auf diese aufgebracht, bevor die Trägerplatte mit dem Messträger 2 durch Kaltschweißen verbunden wird. Die entsprechende Aufbringung der mit diesen Teilen versehenen Trägerplatte kann in einer standardisierten Anlage erfolgen. Die entsprechend vormontierte Trägerplatte mit Sensorelement und weiteren Teilen wird dann beispielsweise über eine umlaufende Schweißzone 3 oder eine segmentierte Schweißzone 20 durch Kaltschweißen auf den Messträger 2 aufgebracht. Es entsteht dabei eine hochstabile, temperaturfeste Verbindung zwischen Messträger 2 und Trägerplatte 1 sowie Sensorelement 4, so dass die vom Sensorelement 4 zu erfassende Messgröße korrekt und unverfälscht auf das Sensorelement übertragen wird.
