KR20220100510A - 접합부, 전기 피드스루 및 센서 - Google Patents

접합부, 전기 피드스루 및 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접합부(1)로서, 상기 접합부(1)는 합금 부재(2)를 세라믹 부재(3)에 재료 결합 접합부(24)에 의해 상기 합금 부재(2)에 접합된 유리 접합제(4)에 의해 접합하고 상기 유리 접합제(4)는 추가의 재료 결합 접합부(34)에 의해 상기 세라믹 부재(3)에 접합되고; 상기 상기 유리 접합제(4)는 융점이 800℃ 보다 낮은 유리로 만들어지고; 상기 유리 접합제(4) 는 적어도 9·10-6　K-1 의 열팽창 계수를 갖고; 상기 유리 접합제(4) 는 적어도 10% 의 비스무트 함량을 갖고; 상기 합금 부재(2) 는 적어도 9·10-6　K-1 의 열팽창 계수를 갖고; 상기 세라믹 부재(3)는 8·10-6　K-1 의 최대 열팽창 계수를 갖고; 상기 유리 접합제(4)와 상기 세라믹 부재(3) 사이의 상기 재료 결합 접합부(34)는 혼합 영역(10)을 포함하고; 상기 혼합 영역(10)은 상기 세라믹 부재(3)의 부분적인 영역이고; 상기 혼합 영역(10)에서의 비스무트 함량은 상기 혼합 영역(10) 밖의 상기 세라믹 부재(3)의 비스무트 함량보다 높은, 접합부(1)에 관한 것이다.

Description

접합부, 전기 피드스루 및 센서{JOINT, ELECTRICAL FEEDTHROUGH, AND SENSOR}
본 발명은 접합부에 관한 것으로서, 상기 접합부는 독립항의 전제부의 정의에 따른 유리 접합제에 의해 합금 부재를 세라믹 부재에 연결한다. 본 발명은 또한 위에 언급된 접합부를 포함하는 전기 피드스루에 관한 것이다. 본 발명은 또한 적어도 하나의 그러한 전기 피드스루를 포함하는 센서에 관한 것이다.
다양한 산업 제품에서 상이한 재료 사이의 온도 저항성 재료 결합 접합부가 필요하다. 일반적으로, 서로 결합될 두 부재 사이의 재료 결합 접합부는 이러한 목적을 위해 결합제에 의해 형성된다. 그러나 열팽창 계수가 상이하기 때문에, 세라믹 부재와 금속 합금(이하에서는 줄여서 합금이라 한다)으로 이루어지는 합금 부재 사이의 온도 저항성 재료 결합 접합부를 달성하는 것은 종종 어렵거나 또는 재료 선택에 관하여 엄격하게 제한된다. 야금학에서, 합금은 적어도 두 가지 화학 원소를 포함하는 재료로 정의되며, 그 중 적어도 하나는 금속 결합의 특성을 함께 나타내는 금속이다. 명확성을 위해, 금속 합금 또는 줄여서 합금이라는 용어는 순수 금속 또는 금속 합금 또는 다른 금속 재료를 지칭하기 위해 이하에서 사용될 것이다. 예를 들어, 땜납의 용융 온도에서 금속 땜납을 결합제로 사용하여 땜납하는 것에 의해, 접합할 부재가 고온이 된 상태에서 접합부를 제작하는 경우, 땜납의 용융 온도와 상이한 온도에서 접합부에 강한 힘이 작용할 것이다. 이러한 힘을 기계적 응력이라고도 한다. 힘은 임의의 온도 변화에 따라 변화하여 온도 변화시에 접합부의 약화를 일으켜 균열의 형성에 이르거나 또는 그렇지 않으면 접합부의 특성에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
온도 저항성 재료 결합 접합부는 센서에서, 예를 들어 센서의 하우징 또는 디바이스의 하우징에 용접된 하우징이 있는 전기 피드스루에서 종종 발견된다. 통상적으로, 금속 전도체는 유리로 만들어진 절연 유리 접합제를 통해 직접 안내(conduct)된다. 유리 접합제는 하우징에 의해 방사상으로 둘러싸여 있다. 접합할 하나의 부재인 하우징과 접합할 다른 부재인 전도체 사이에 접합부를 형성하기 위해 중공 원통 형상을 갖는 유리 접합제가 흔히 사용된다. 상업적으로 이용 가능한 피드스루에서 잘 알려진 유리 접합제는 붕규산 유리이다. 피드스루를 형성하기 위해 붕규산 유리는 800℃ 보다 높은 고온에서 용융되고 접합할 부재에 재료 결합 접합부를 제공한다. 이것은 업계에서 "유리화"(vitrification)로 알려져 있다.
특히 지속적인 소형화 추세로 인해, 통상적인 센서 하우징은 가능한 한 박벽 및 작게 제작된다. 따라서, 사용된 재료는 세립질(fine-grained) 구조를 특징으로 해야 하며, 여기서 세립질 구조는 입자(grain)라고도 하는 결정질 구역을 포함하는 재료를 의미하는 것으로 이해되며, 입자는 0.01mm 미만의 작은 평균 입자 크기를 갖는다. 평균 입자 크기는 ASTM 국제 표준 시험 방법 E112-10, DOI: 10.1520/E0112-10 에 설명된 방법에 의해 결정된다.
특히 힘 및 압력 센서는 흔히 박형 금속 막을 포함한다. 더욱이, 그러한 센서는 또한 종종 가능한 한 박벽의 프리로딩 슬리브(preloading sleeve)를 사용하여 프리로딩 힘으로 측정 소자를 기계적으로 프리로딩하기 위해 박벽의 금속 프리로딩 슬리브를 포함한다. 이러한 목적을 위해, 프리로딩 슬리브는 종종 금속 센서 하우징에 용접된다. 우수한 용접 접합부를 달성하기 위해, 하우징 자체에 박형 또는 연약한 부재 또는 구조가 포함되지 않은 경우에도 센서 하우징과 프리로딩 슬리브는 종종 동일한 재료로 만들어진다. 박벽의 막을 포함하는 센서도 알려져 있다. 예를 들어 US4016437A에서 알려진 바처럼, 프리로딩 슬리브와 같이, 이들은 종종 센서 하우징에 용접되어 환경 영향으로부터 센서의 내부를 보호하기 위해 기밀 밀봉된 접합부를 달성한다. 이러한 이유로, 이러한 센서 하우징은 예를 들어 EN 재료 번호 1.4542, 1.4534 또는 1.4614 를 갖는 강과 같은 마르텐사이트계 강으로 만들어진다. 그러나, 알려진 전기 피드스루는 종종 오스테나이트계 및 이에 따라 조립질(coarse-grained) 구조를 갖는 1.3981 등급 강으로 만들어진 하우징을 갖는다. 본 명세서의 의미에서, 조립질은 0.01mm 보다 큰 평균 입자 크기를 갖는 것으로 이해된다. EN 1.3981 재료 번호의 강은 산화 알루미늄 및 붕규산 유리와 유사한 열팽창 계수를 나타낸다. 그러나, 마르텐사이트계 강은 9　내지　12·10-6·K-1 의 현저히 더 높은 열팽창 계수를 특징으로 한다. 마르텐사이트계 강과 EN 1.3981 재료 번호 강 사이의 이러한 불화합성(incompatibility)은 마르텐사이트계 강에 비해 항복 강도가 더 낮은 강 사이의 접합 영역을 초래하고 접합할 부재의 열팽창 계수의 차이 때문에 납땜 또는 용접 또는 다른 재료 결합 접합부의 균열 경향으로 이어진다.
재료 결합 접합부에 사용되는 유리 접합제의 너무 많은 흐름과 재료 결합에 근접하지 않은 결합할 부재의 영역의 오염을 방지하기 위해, 소위 유리화 온도가 유리 접합제의 용융 온도 바로 위에 있어야 한다. 예를 들어, 오염은 추가 납땜 또는 용접 접합부에 이러한 영역을 사용하는 것을 막는다. 유리 접합제의 용융 온도에 가까운 유리화 온도는 결합제의 불필요한 흐름을 방지한다. 기공 및/또는 수축 구멍이 없는 재료 결합, 즉 무 기공 및/또는 무 수축 구멍 유리화를 얻기 위해, 유리 접합제의 융점에 가까운 처리 온도에도 불구하고 유리 접합제는 유리화 전에 이미 접합될 부재와 유리 접합제 사이의 양호한 접촉을 달성하기 위해 좁은 공차 대역 (narrow tolerance band) 내에 형성되어야 한다. 야금에서, 수축 구멍은 용융물의 냉각 및 응고로 인해 발생하는 체적내 공동이다. 유리 접합제는 높은 기하학적 공차를 나타내야 한다. 그러나, 이러한 기하학적 공차를 달성하는 것은 어렵고 많은 노력이 필요할 수도 있다.
US3638076A로부터 금속 탄탈륨 및 세라믹으로 만들어진 부재 사이에 각각 제조되는 재료 결합 접합부가 알려져 있으며, 여기서 접합부는 유리로 이루어지는 접합 수단을 사용하여 달성된다. 탄탈륨, 세라믹 및 유리는 열팽창 계수가 1.5·10-6　K-1 를 넘게 상이하지 않는 방식으로 선택된다. 3000℃ 를 넘는 높은 용융 온도 때문에 탄탈륨은 많은 응용 분야에서 부적합하다. 게다가, 그것은 또한 산화 경향이 높아 용접하는 동안 불활성 환경이 필요하다. 더욱이, 그것은 비용이 많이 든다. US3638076A에 개시된 유리 재료는 또한 900℃ 를 넘는 높은 융점을 갖는다. 이러한 고온은 특히 박형 금속 부재를 손상시킬 수 있으며, 예를 들어 비가역적으로 변형시킬 수도 있다.
상이한 재료 사이의 온도 저항성 재료 결합은 세라믹에 의해 금속 표면의 전기 절연에도 사용된다. 이들 경우에, 금속 표면은 평면의 세라믹에 재료 결합된다.
본 발명의 목적은 온도 저항성이 있고 저비용으로 제조될 수 있으며 800℃ 이하의 저온에서 제조될 수 있는 금속 재료와 세라믹 사이의 접합부를 제조하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 온도 저항성이 있고 저비용으로 제조될 수 있는 전기 피드스루를 제공하는 것이다.
목적은 독립항의 특징부에 의해 달성되었다.
본 발명은 독립 청구항 1에 따른 접합부에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 독립 청구항 10에 따른 전기 피드스루에 관한 것이다.
재료의 혼합물, 예를 들어, 유리에 함유된 재료, 예를 들어 비스무트의 백분율을 언급할 때, 이것은 재료 혼합물의 총 중량에 대해 함유된 재료의 중량 백분율을 의미하도록 의도된다.
일반적으로 이해되는 바와 같이, 유리는 본 명세서에서 고체 상태에서 고무상(rubber-like)으로 점성 상태에 이르기까지 유리의 전이가 일어나는 유리 전이 온도를 갖는 재료를 의미하도록 의도된다. 일반적으로, 점성은 약 1012　Pa·s (Pascal seconds) 의 점도에서 발생하는 것으로 정의된다. 유리 전이는 특정 온도에서가 아니라 특정 온도 범위 내에서 일어난다. 유리 전이 온도는 또한 유리 온도 또는 변태(transformation) 온도로 지칭된다.
게다가, 유리는 또한 재료 결합이 형성되는 유리화 온도를 나타낸다. 이 유리화 온도는 이하에서 용융 온도으로 지칭될 것이다. 유리화는 또한 용융으로 지칭된다.
합금 부재는 적어도 9·10-6　K-1 의 열팽창 계수를 나타내고 특정량의 비스무트를 함유하는 유리 접합제는 적어도 9·10-6　K-1 의 열팽창 계수를 나타낸다. 본 명세서에 언급된 모든 열팽창 계수는 달리 언급되지 않는 한 25℃의 실온과 100℃ 사이의 열팽창 계수를 나타낸다. 특히, 합금은 마르텐사이트계 강이다. 따라서, 합금 부재와 유리 접합제가 조합될 때 열팽창 계수에 관하여 어려움이 없다. 세라믹 부재는 8·10-6　K-1 의 최대 열팽창 계수를 나타낸다. 따라서, 합금 부재와 세라믹 부재의 열팽창 계수의 범위는 중첩되지 않는다. 합금 부재와 유리 접합제 사이 및 세라믹 부재와 유리 접합제 사이의 재료 결합 접합부는 유리 접합제를 적어도 부분적으로 용융함으로써 달성된다. 용융된 유리 접합제는 합금 부재 및 세라믹 부재에 각각 접촉된다. 유리 접합제의 적어도 비스무트-함유 부분이 세라믹 부재에 도입된다. 세라믹 부재에서 검출된 비스무트 함량이 유리 접합제에 재료 결합되기 전의 세라믹 부재에서의 함량에 비해 높은 세라믹 부재의 부분을 혼합 영역이라고 한다. 혼합 영역에서, 열팽창 계수는 유리 접합제의 열팽창 계수와 매칭되도록 변화된다. 혼합 영역과 유리 접합제 사이의 계면에서 유리 접합제의 열팽창 계수와 매칭되도록 혼합 영역의 열팽창 계수의 이러한 변화는 비스무트의 양을 세라믹 부재에 도입하여 달성되는 이러한 열팽창 계수의 변화가 없는 상황과 비교하여 온도 변화 동안 발생하는 힘을 감소시킨다. 이것은 세라믹 부재와 유리 접합제 사이의 계면에 작용하는 힘이 세라믹 부재에 혼합 영역이 없다면 작용하는 힘보다 작기 때문에 유리하다. 이것은 재료 결합이 손상될 위험을 감소시킨다. 유리 접합제와 세라믹 부재 사이의 재료 결합 접합부는 유리 접합제의 유리 전이 온도에 가까이 이르기까지 온도 저항성이 있다.
합금 부재와 유리 접합제의 열팽창 계수는 온도 변화 시에 합금 부재와 유리 접합제 사이의 재료 결합 접합부에 힘이 전혀 발생하지 않거나 작은 힘만 발생하도록 잘 일치하다. 그러므로, 유리 접합제와 합금 부재 사이의 재료 결합 접합부는 유리 접합제의 유리화 온도 근처에 이르기까지 온도 저항성이 있다.
유리 접합제에 의한 합금 부재와 세라믹 부재 사이의 본 발명에 따른 접합부는 상이한 열팽창 계수를 갖는 재료간 접합부의 온도 변화 시에 발생할 수 있는 균열을 방지한다.
본 발명의 맥락에서, 온도 변화는 몇 초에서 며칠의 기간에 걸쳐 적어도 10℃ 만큼의 유리 접합제 또는 합금 부재 또는 세라믹 부재의 온도 변화 또는 유리 접합제, 세라믹 부재, 합금 부재의 조합의 온도 변화이다. 온도 변화는 적어도 두 온도 사이에서 반복적으로 발생하는 온도 변화이다.
본 발명은 또한 위의 단락들에서 기술된 바와 같은 적어도 하나의 접합부를 포함하는 청구항 9에 따른 전기 피드스루에 관한 것이다.
이하에서, 본 발명은 도면을 참조하여 예로서 더 상세히 설명되고, 도면 중
도 1은 접합부의 실시 형태의 개략적인 부분도를 도시하고,
도 2는 접합부의 추가 실시 형태의 개략적인 부분도를 도시하고,
도 3은 접합부의 추가 실시 형태의 개략적인 부분도를 도시하고,
도 4는 전기 피드스루의 실시 형태의 개략적인 부분도를 도시하고,
도 5는 전기 피드스루의 추가 실시 형태의 개략적인 부분도를 도시하고,
도 6은 전기 피드스루의 추가 실시 형태의 개략적인 부분도를 도시하고,
도 7은 전기 피드스루의 추가 실시 형태의 개략적인 부분도를 도시하고,
도 8은 전기 피드스루의 실시 형태의 부분도의 표현을 도시하고,
도 9는 전기 피드스루의 추가 실시 형태의 개략적인 부분도를 도시하고,
도 10 는 전기 피드스루의 추가 실시 형태의 개략적인 부분도를 도시하고,
도 11 는 전기 피드스루를 포함하는 센서 하우징의 개략적인 부분도를 도시하고,
도 12 는 센서의 개략적인 부분도를 도시한다.
도 1은 접합부(1)의 가능한 실시 형태의 개략적인 부분도를 도시한다.
접합부(1)는 유리 접합제(4)에 의해 제조된 합금 부재(2)와 세라믹 부재(3) 사이의 접합부이다. 유리 접합제(4) 및 합금 부재(2)는 재료 결합 접합부(24)에 의해 접합된다. 게다가, 유리 접합제(4) 및 세라믹 부재(3)는 재료 결합 접합부(34)에 의해 접합된다. 유리 접합제(4)는 융점이 800℃ 미만이다. 세라믹 부재(3) 및 합금 부재(2) 각각에 대한 재료 결합(24, 34)은 유리 접합제(4)의 용융 온도 바로 위의 온도에서 형성된다. 이하, 저온은 800℃보다 아래의 온도를 의미하는 것으로 이해되는 한편, 고온은 800℃보다 높은 온도를 의미하는 것으로 이해한다. 유리 접합제(4)의 낮은 용융 온도는 유리 접합제(4)에 함유된 적어도 10%의 비스무트의 양에 의해 달성된다.
유리 접합제(4)의 낮은 용융 온도는 예를 들어 높은 용융 온도를 갖는 붕규산염 유리와의 재료 결합에서 일어나는 바처럼 선형 팽창에 의해 야기될 수 있는 세라믹 부재(3) 및 합금 부재(2)에 대한 기계적 응력을 감소시킨다. 접합부(1)를 제조하기 위해 저온을 사용하는 것의 추가 이점은 관련된 세라믹 부재(3) 및 관련된 합금 부재(2) 및 유리 접합제(4)의 길이방향 팽창이 상이한 열팽창 계수로 인해 온도 의존적이라는 점이다. 따라서, 선팽창 및, 이에 따른, 유리 접합제(4)와 세라믹 부재(3) 또는 합금 부재(2) 사이의 선팽창의 차이는 접합부(1)를 제조하기 위해 고온을 사용하는 것에 비해 더 작다. 따라서, 유리 접합제(4)에 의해 접합된 세라믹 부재(3)와 합금 부재(2)는, 이들이 접합부(1)에서 유리 접합제(4)에 의해 서로 재료 결합된(24, 34) 후, 상이한 온도, 예를 들어 실온 또는 섭씨 눈금의 음의 범위 온도에서 사용될 때, 위에 언급된 고온에 대해 상이한 열팽창 계수를 갖는 세라믹 부재(3)와 합금 부재(2)의 상대적인 선팽창 차이는 또한, 고온에서 제조되어야 하는 재료 결합 접합부의 경우에서보다 더 작을 것이다.
본 발명에 따르면, 접합부(1)는 혼합 영역(10)을 포함한다. 혼합 영역(10)은 특정량의 비스무트를 포함한다. 혼합 영역(10)은 세라믹 부재(3)의 부분적인 영역이다.
유리 접합제(4)와 재료 결합 접합부(34)가 형성되기 전의 세라믹 부재(3)의 비스무트 함량은 혼합 영역(10)에서의 비스무트 함량보다 낮다. 따라서, 세라믹 부재(3)에서의 비스무트 함량은 재료 결합 접합부(34)가 형성되기 전의 시간에 0 이거나 또는 너무 낮아 검출될 수 없을 수 있다. 비스무트는 예를 들어 일반적으로 알려진 X선 형광 측정 또는 X선 흡수 측정에 의해 검출될 수 있다. 그러나, 2차 이온 질량 분석법(SIMS)과 같은 잘 알려진 재료 분석 기술도 비스무트를 검출하는 데 사용될 수 있다.
혼합 영역(10)에서의 비스무트 함량은 혼합 영역(10) 밖의 세라믹 부재(3)의 비스무트 함량보다 높다.
혼합 영역(10)은 유리 접합제(4)에 공간적으로 근접하게 위치된다. 도 1 내지 도 3은 접합부(1)의 3개의 실시 형태를 도시한다.
합금 부재(2)의 열팽창 계수는 적어도 9·10-6　K-1 이고, 비스무트의 양을 함유하는 유리 접합제(4)의 열팽창 계수는 적어도 9·10-6　K-1 이다. 따라서, 열팽창 계수는 합금 부재(2)와 유리 접합제(4) 사이에 재료 결합 접합부(24)의 형성을 허용한다.
세라믹 부재(3)의 최대 열팽창 계수는 8·10-6　K-1 이다. 세라믹 부재(3)의 열팽창 계수는 비스무트의 양을 세라믹 부재의 부분적인 영역, 소위 혼합 영역(10)에 도입함으로써 증가된다. 따라서, 비스무트의 양이 증가된 혼합 영역(10)에서 열팽창 계수는 비스무트의 양이 증가되지 않은 혼합 영역(10) 밖의 세라믹 부재(3)에서보다 더 높다. 세라믹 부재(3)의 혼합 영역(10)에 비스무트를 도입하는 것으로 인해 혼합 영역(10)의 열팽창 계수는 유리 접합제(4)의 열팽창 계수와 합금 부재(2)의 열팽창 계수에 더 가까워진다. 응력 중 일부가 이제 혼합 영역(10) 내에서 발생하고, 따라서, 세라믹 부재(3)의 부분적인 영역 내에서 발생하기 때문에, 혼합 영역(10)은 혼합 영역(10)이 없는 접합부(1)에 비해 세라믹 부재(3)와 유리 접합제(4) 사이의 계면에서 발생하는 기계적 응력을 감소시킨다. 그러나, 거기서 기계적 응력은 세라믹 부재(3)와 유리 접합제(4) 사이의 재료 결합 접합부(34)에 부정적인 영향을 미치지 않는다.
일 실시 형태에서, 혼합 영역(10)에 함유된 비스무트의 양은 유리 접합제(4)를 향해 점진적으로 증가한다. 세라믹 부재의 열팽창 계수는 비스무트 함량에 의존하는 것으로 나타났다. 혼합 영역(10)에서, 열팽창 계수는 비스무트의 양이 증가함에 따라 증가한다. 결과적으로, 유리 접합제(4)에 공간적으로 근접한 혼합 영역(10)에서의 열팽창 계수는 유리 접합제(4)의 열팽창 계수에 접근한다. 혼합 영역(10)에서의 열팽창 계수는 유리 접합제(4)의 열팽창 계수에 점진적으로 접근하고 재료 결합 접합부(34)의 온도 변화 시에 발생하는 기계적 응력 및 대응하는 힘은 전체 혼합 영역(10)에 걸쳐 분산된다. 세라믹 부재(3)에 혼합 영역이 없을 때 합금 부재(2)와 세라믹 부재(3) 사이에 작용하는 힘에 비해 세라믹 부재(3)와 유리 접합제(4) 사이의 계면에서 더 작은 힘이 작용한다.
유리하게도, 혼합 영역(10)에서의 열팽창 계수를 유리 접합제(4)에서의 열 팽창 계수와 점진적으로 매칭시키기 위해서는, 유리 접합제(4)와 혼합 영역(10) 사이의 계면에서 비스무트 함량의 급격한 감소가 있어야 한다. 유리 접합제(4)와 혼합 영역(10) 사이의 계면은 세라믹 재료가 혼합 영역(10)에 존재하지만 유리 접합제(4)에는 부재하는 것에 의해 정의된다. 혼합 영역(10)에서 비스무트 함량에 대한 열팽창 계수의 의존성은 유리 접합제(4)의 비스무트 함량에 대한 열팽창 계수의 의존성과는 상이하기 때문에, 비스무트 함량은 혼합 영역(10)과 유리 접합제(4) 사이의 계면에서 열팽창 계수의 매치를 얻기 위해 유리 접합제(4)에서의 비스무트 함량과 비교하여 혼합 영역(10)에서 더 낮아야 한다. 따라서, 혼합 영역(10)에서의 비스무트 함량은 유리 접합제(4)와 혼합 영역(10) 사이의 계면에서 비스무트 함량이 급격히 감소하도록 하는 것이 유리하다. 함량의 급격한 변화는 이 함량의 상대적인 변화가 0.001mm 거리 내에서 5% 를 넘는 것이다.
유리하게는, 혼합 영역(10)은 접합 수단(4)으로부터 적어도 0.001mm의 공간 연장을 갖는다. 따라서, 한편으로 혼합 영역(10)의 공간적 연장의 경계는 세라믹 부재(3)의 공간적 연장이다. 따라서, 세라믹 부재(3)의 공간적 연장은 또한 그에 바로 인접한 유리 접합제(4)로부터의 혼합 영역을 한정한다. 혼합 영역(10)의 연장은 세라믹 부재(3)에서 유리 접합제(4)에 대한 계면으로부터 수직 방향으로 측정된다. 혼합 영역(10)의 다른 경계는 세라믹 부재(3)에서의 비스무트 함량이 유리 접합제(4)에 바로 인접한 세라믹 부재(3)에서의 비스무트 함량의 1/e 이하인 곳에서 정의된다. 값 1/e는 오일러 수의 역수이다. 유리 접합제(4)에 바로 인접한 세라믹 부재(3)의 비스무트 함량은 유리 접합제(4)와 세라믹 부재(3) 사이의 계면에서 세라믹 부재(3)의 처음 0.0005°mm 이내의 비스무트 함량이다. 따라서, 혼합 영역(10)은 세라믹 부재(3)의 부분적인 영역이다. 재료 결합 접합부(34)의 온도 변화 시에 발생하는 힘이 전체 혼합 영역(10)에 걸쳐 분산되기 때문에 적어도 0.001mm의 혼합 영역(10)의 공간적 연장이 유리하다. 혼합 영역(10)의 공간적 연장은 유리화 온도 및 유리화 기간의 지속시간에 의해 조절될 수 있다. 접합부(1)의 내구성과 관련하여 현저한 개선을 가져오지 않는 한편 유리화에 필요한 에너지 투입 및 유리화 기간의 지속시간이 불필요하게 증가되기 때문에 약 1.0mm 를 넘는 연장은 필요하지 않다.
일 실시 형태에서, 유리 접합제(4)는 납이 없다. 납 함유 솔더 유리와 그 특성은 잘 알려져 있다. 그러나, 납이 생물학적 유기체에 미치는 유해한 영향은 널리 알려져 있다. 이러한 이유로, 예를 들어, 전기 및 전자 장비에서 특정 위험 물질의 사용 제한에 관한 2011년 6월 8일자 유럽 의회 및 평의회의 지침 2011/65/EU(RoHS)에 의해, 특정 경우에 전기 및 전자 부품에 납을 사용하는 것이 금지된다. 그러나, 납 없이 본 발명에 따른 유리 접합제(4)를 제조하는 것이 가능하다. 이것은 유리 접합제(4)가 지침 2011/65/EU를 준수한다는 장점이 있다. 지침 2011/65/EU에 따라, "납이 없다"(free of lead)라는 용어는 납 함량이 0.1중량% 미만임을 나타낸다.
유리 접합제(4)는 용융 온도가 800℃ 보다 낮은 유리로 만들어진다. 유리 접합제(4)와 세라믹 부재(3) 사이의 재료 결합 접합부(34) 또는 유리 접합제(4)와 합금 부재(2) 사이의 재료 결합 접합부(24)를 형성하기 위해, 유리 접합제(4)의 적어도 일부 및 합금 부재(2) 또는 세라믹 부재(3)의 적어도 일부는 각각 적어도 수 밀리초 동안 유리 접합제(4)의 용융 온도를 나타낸다. 높은 용융 온도를 나타내는 붕규산 유리 접합제로 만들어진 종래의 재료 결합과 비교하여, 비스무트-함유 유리 접합제(4)의 낮은 용융 온도는 실온에 관한 유리 접합제(4) 및 합금 부재(2) 또는 세라믹 부재(3)의 선팽창이 고온에서보다 더 낮은 장점이 있다. 이것은 유리 접합제(4)의 용융 온도보다 낮은 온도에서 가능한 기계적 응력의 감소를 초래한다.
일 실시 형태에서, 유리 접합제(4)에서의 비스무트 함량은 바람직하게는 650℃ 보다 낮은 용융 온도를 얻도록 선택된다. 위에서 언급한 장점이외에도, 650℃ 보다 낮은 온도는 예를 들어 세라믹 부재(3) 또는 합금 부재(2) 내의 열 전도에 의한 또는 대류에 의한 또는 열 복사에 의한, 접합부(1)에 가까이 위치된 부품에 대한 열 영향을 최소화할 수 있게 하고, 따라서 부품 또는 합금 부재(2) 또는 세라믹 부재(3)의 노화 또는 손상을 방지할 수 있게 한다.
예를 들어, 유리 접합제(4)로 적합한 유리는 50% 초과의 Bi2O3, 1% 내지 10% B2O3, 10% 내지 50% ZnO, 1% 내지 10% SiO2, 0.1% 내지 1% Al2O3 를 포함하는 것이다. 위에 언급된 유리 접합제(4)는 약 520℃의 유리화 온도를 나타낸다. 예를 들어, 유리 접합제(4)로 적합한 다른 유리는 50% 초과의 Bi2O3, 1% 내지 10% B2O3, 1% 내지 10% ZnO, 0.1% 내지 1% CeO2 를 포함하는 것이다. 위에 언급된 유리 접합제(4)는 약 620℃의 유리화 온도를 나타낸다. 더 나아가, 유리 접합제(4)로 적합한 유리는 50% 초과의 Bi2O3, 1% 내지 10% B2O3, 1% 내지 10% ZnO, 0.1% 내지 1% CeO2, 0.1% 내지 1% ZrO2 를 포함하는 것이다. 위에 언급한 유리 접합제(4)의 유리화 온도는 약 450℃ 내지 약 500℃의 범위이다.
일 실시 형태에서, 세라믹 부재(3)는 전기적으로 절연된다. 본 명세서에 정의된 전기 절연은 실온에서 적어도 109　Ω·cm 의 저항률을 갖는 재료이다. 전기 절연 세라믹 부재(3)는 전류 전도 합금 부재(2)가 그 환경으로부터 전기 절연 세라믹 부재(3)에 의해 전기적으로 절연되는 전기 응용에 유리하다. 전기 절연 세라믹 부재(3)에 적합한 재료는 예를 들어 적어도 70%의 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화규소, 산화이트륨 또는 이들 재료의 혼합물을 함유하는 세라믹이다. 높은 절연성을 요구하는 응용의 경우, 앞서 언급한 재료의 함량이 적어도 95% 인 것이 바람직하다. 하나의 그러한 응용은 힘의 영향 하에서 압전 전하를 생성하는 압전 측정 소자의 사용이다. 측정 소자의 압전 전하는 측정을 위해 가능한 한 적은 손실로 얻어져야 한다. 비용 효율성을 위해 80% 내지 98%의 산화알루미늄을 포함하고 열팽창 계수가 약 6·10-6　K-1 인 세라믹(3)으로 만들어진 접합 부재가 특히 유리하다는 것을 알아냈다.
사용된 세라믹은 다결정질 및/또는 단결정질 구조를 가질 수도 있다. 단결정질 구조의 예는 사파이어이다.
일 실시 형태에서, 합금 부재(2)는 다결정질 미세구조를 갖는다. 다결정질 미세구조는 결정질 격자의 상이한 배향을 갖는 다중 결정질 구역을 갖는 미세구조를 의미하도록 의도된다. 이들 결정질 구역은 또한 결정질 입자(crystalline grain)으로서 당업자에게 알려져 있다. 이들 입자는 ASTM 국제 표준 시험 방법 E112-10에 따라 결정될 수 있는 소위 입자 크기라는 치수를 가진다. 다결정질 구조를 갖는 합금의 경우 평균 입자 크기가 중요한 특성이다. 때때로 0.1mm 미만의 작은 기하학적 치수를 갖는 막, 하우징, 프리로딩 슬리브 및 다른 금속 부품이 정밀하게 제조되기 위해서는, 평균 입자 크기가 기하학적 치수보다 더 작아야 한다는 것을 알아냈다. 0.10mm 내지 0.02mm 범위의 금속 부품의 기하학적 치수는 종종 전자 및 전기 기술 응용에서 종종 접하게 된다. 따라서, 평균 입자 크기가 0.01mm 미만인 다결정질 구조를 갖는 합금이 합금 부재(2)에 바람직하다.
일 실시 형태에서, 합금 부재(2)는 마르텐사이트계 강이다. 마르텐사이트계 강은 평균 입자 크기가 0.01mm 미만인 세립질 미세 구조를 갖고 따라서 입자 크기와 유사한 두께를 갖는 제조된 부분 또는 부품에서의 구조를 허용하기 때문에 유리하다. 이것은 전자, 전기 공학 또는 정밀 기계 분야에서 박형 전류 전도 부재에 특히 유리하다. 마르텐사이트계 강은 예를 들어 EN 재료 번호 1.4542, 1.4534 또는 1.4614 를 갖는 임의의 강이다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 접합부(1)를 포함하는 전기 피드스루(5)를 포함하며, 여기서 접합부(1)는 합금 부재(2)와 세라믹 부재(3) 사이의 유리 접합제(4)에 의해 제조된 접합부이고, 세라믹 부재(3)는 이미 위에서 설명한 대로 혼합 영역(10)을 포함한다.
전기 피드스루(5)는 접합부(1)의 맥락에서 합금 부재(2)에 대응하는 하우징(7)을 포함한다. 하우징(7)은 길이방향 축(L)을 따라 형성된 개구(71)를 포함한다. 개구(71)는 개구 벽(72)을 갖는다. 개구 벽(72)은 길이방향 축(L)을 따라 적어도 특정 영역에서 세장형(elongated) 전기 전도체(6)를 둘러싼다. 이하에서, 전기 전도체(6)는 줄여서 전도체(6)로 지칭될 것이다. 전도체(6)는 개구 벽(72)으로부터 전기적으로 절연된다. 전도체(6)는 개구 벽(72)과 직접 접촉하지 않는다. 접합부(1)의 맥락에서, 전도체(6)는 합금 부재(2)이다. 적어도 하나의 세라믹 부재(3)는 개구(71) 내에 적어도 부분적으로 배열되며, 세라믹 부재(3)는 길이방향 축선(L)을 따라 적어도 특정 영역에서 전도체(6)를 방사상으로 둘러싼다. 전도체(6)는 개구 벽(72)으로부터 전기적으로 절연된다. 개구(71)는 예를 들어 원형 단면을 갖고 길이방향 축(L)을 따라 연장된다. 이 경우에, 세라믹 부재(3)는 예를 들어, 형상이 중공 원통형이며 원통 축은 길이방향 축(L)을 따라 연장되고 예를 들어 원형 단면을 갖는 중앙 개구(31)를 갖는다. 전도체(6)는 세라믹 부재(3)의 개구(31)에 배열되고 접합 부재의 개구(31)의 단면과 실질적으로 동일한 단면을 갖는다. 그러나, 전술한 개구(31, 71) 및 합금 부재(2), 세라믹 부재(3), 전도체(6)의 직사각형 또는 다각형 또는 임의의 다른 단면도 물론 가능하다.
세라믹 부재(3)에 인접한 개구(71)에는 유리 접합제(4)가 배열되어 있다. 유리 접합제(4)는 길이방향 축(L)을 따라 적어도 특정 영역에서 전도체(6)를 방사상으로 둘러싼다. 유리 접합제(4)가 세라믹 부재(3)에 바로 인접한다. 유리 접합제(4)는 세라믹 부재(3)가 그럴 수도 있는 바처럼 형상이 중공 원통형일 수도 있다. 유리 접합제(4)가 형상이 중공 원통형일 때, 세라믹 부재(3) 및 유리 접합제(4)는 중공 원통의 단부 면이 서로 인접해 있다.
전도체(6)와 세라믹 부재(3)는 유리 접합제(4)에 의해 이미 전술한 바와 같이 접합부(1)에 의해 접합된다. 접합부(1)는 유리 접합제(4)에 의해 합금 부재(2), 이 경우에 전도체(6)와 세라믹 부재(3)사이에 제조된 접합부이다. 유리 접합제(4)는 재료 결합 접합부(24)에 의해 전도체(6)에 연결된다. 게다가, 유리 접합제(4)는 재료 결합 접합부(34)에 의해 세라믹 부재(3)에 연결된다. 유리 접합제(4)는 융점이 800℃ 보다 낮다. 이미 설명된 바와 같이, 유리 접합제(4)의 비스무트 함량은 적어도 10%이다.
개구 벽(72) 및 세라믹 부재(3)는 유리 접합제(4)에 의해 위에 설명한 바와 같이 다른 접합부(1)에 의해 접합된다.
전도체(6) 및 개구 벽(72)은 동일한 세라믹 부재(3)에 접합되며, 세라믹 부재(3)는 전도체(6)를 개구 벽(72)으로부터 전기적으로 절연시킨다. 전기 피드스루(5)의 가능한 실시 형태가 도 4 내지 9에 도시되어 있다. 또한, 2개의 접합부(1)는 전술한 실시 형태의 특징부를 포함할 수도 있다. 특히, 접합부(1)는 전술한 실시 형태의 특징부의 조합을 포함할 수도 있다.
도 4 내지 도 9에 도시된 실시 형태에서, 세라믹 부재(3)와 전도체(6)와 개구 벽(72) 사이의 접합부(1)는 한 조각으로 만들어진 유리 접합제(4)에 의해 달성된다. 바람직하게는, 유리 접합제(4)는 소결체이다. 소결체는 예를 들어 압력 하에, 세립질 출발 재료, 예를 들어, 유리 분말을 프레싱하고, 이어서 이를 소결 온도로 가열하거나, 또는 예를 들어, 압력 하에, 프레싱하고 동시에 소결 온도로 가열한 다음 몸체의 형상이 유지되지만 분말이 결합되어 고형체를 형성하도록 냉각하여 제조되는 몸체이다. 소결체는 압출 기술과 소결에 의해서도 제조될 수 있다. 각각의 경우에, 소결 온도는 유리 접합제(4)의 용융 온도보다 낮게 유지된다.
도 10에 도시된 바와 같은 다른 실시 형태에서, 세라믹 부재(3)와 전도체(6) 사이의 접합부(1)는 유리 접합제(4)에 의해 제조된다. 또한, 세라믹 부재(3)와 개구 벽(72) 사이의 접합부(1)는 유리 접합제(4')에 의해 제조된다. 두 경우 모두에서, 세라믹 부재(3)는 유리 접합제(4)에 각각 인접한 혼합 영역(10,10')을 포함한다. 도 10에 따라 본 실시 형태에서 설명된 유리 접합제(4, 4')는 동일한 유리 조성을 가질 필요는 없다.
전기 피드스루(5)는 제1 영역(A)에서 제2 영역(B)으로 전하를 전도하는 데 적합하다. 일 실시 형태에서, 제1 영역(A)은 제2 영역(B)으로부터 기밀 밀봉된다. 이 맥락에서 기밀 밀봉(tightly sealed)된다는 것은 헬륨에 대해 10-5 Pa·m3·s-1 미만의 누출률을 갖는 접합부(1)를 나타낸다. 누출률의 결정은 DIN EN 1779에 설명된 대로 수행될 수 있다.
전기 피드스루(5)의 기밀 밀봉은 바람직하게는 350℃에 이르기까지의 영구적 또는 일시적 온도에 의해 영향을 받지 않는다. 350℃의 온도는 유리 접합제(4)에 사용될 수 있는 재료의 유리화 온도보다 낮다. 이것은 예를 들어 내연 기관에서 350℃ 보다 높은 고온 응용을 위해 전기 피드스루(5)를 사용할 때 유리하다. 고온 응용의 경우, 전기 피드스루(5)의 구조적 무결성을 증진하기 위해 단부 부재(73)가 제공된다. 힘이 길이방향 축(L)을 따라 세라믹 부재(3)에 작용하면, 세라믹 부재(3)는 단부 부재(73)상에서 지지될 것이다. 이러한 힘은, 예를 들어 제1 영역(A) 또는 제2 영역(B)에 압력이 가해질 때 발생한다. 단부 부재(73)는 개구(71)의 테이퍼로서 구성되고, 이 테이퍼는, 도 4 내지 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 개구(71)의 단면이 세라믹 부재(3)의 단면보다 적어도 부분적으로 더 작은 방식으로 개구(71)를 감소시킨다.
세라믹 부재(3)는 도 4, 도 6 및 도 9의 실시 형태에 도시된 바와 같이 단부 부재(73)와 직접 접촉할 수도 있다. 세라믹 부재(3)는 또한 도 7의 실시 형태에 도시된 바와 같이 유리 접합 수단(4)을 개재하여 단부 부재(73)와 인접할 수도 있다.
도 5에 도시된 실시 형태에서, 추가의 단부 부재(73')가 단부 부재(73)에 추가로 제공되어 세라믹 부재(3)가 모두 단부 부재(73') 및 단부 부재(73)와, 각 경우에 유리 접합제(4)를 그 사이에 개재하여, 인접하다. 추가 단부 부재는 예를 들어 용접(S)에 의해 하우징(7)에 접합되어, 유리 접합제(4), 세라믹 부재(3) 및 전도체(6)를 하우징(7)의 개구(71)에 미리 삽입하는 것이 가능하다.
단부 부재(73, 73')를 사용하는 것은 구조적 무결성 및 따라서 접합부(1)의 기밀성(tightness)에 유리하다. 실제로, 유리 접합제(4)는 350℃보다 높은 온도에서의 강도가 실온에서보다 더 낮을 수도 있다. 동시에 길이방향 축(L)을 따라 세라믹 부재(3)에 힘이 작용할 때, 접합부(1)에 손상이 발생할 수도 있다. 이러한 힘이 단부 부재(73)에 의해 소산될 때 이러한 손상은 발생하지 않는다. 당업자는 길이방향 축(L)을 따라 예상되는 힘의 방향에 따라 위에서 설명된 실시 형태 중 하나를 선택할 것이다.
전기 피드스루(5)는 절연 경로(11)를 포함한다. 절연 경로(11)는 전도체(6)가 개구(71) 내에서 세라믹 부재(3) 및 유리 접합 수단(4)에 의해 길이방향 축(L)을 따라 방사상으로 둘러싸인 그러한 위치에서 길이방향 축(L)을 따라 정의된다. 따라서, 길이방향 축(L)을 따른 전도체(6)의 절연 경로(11)는 세라믹 부재(3) 및 유리 접합제(4)에 의해 방사상으로 둘러싸여 있다. 일 실시 형태에서, 절연 경로(11)의 길이와 전도체 직경(61) 사이의 비는 3보다 크다. 이것은 전도체(6)가 개구 벽(72)에 의해 전체 절연 경로(11)에 걸쳐 방사상으로 지지되기 때문에 전기 피드스루(5)가 길이방향 축(L)에 수직으로 작용하는 지렛대 힘에 둔감하다는 장점이 있다.
유리하게는, 하우징(7)은 강 1.4542, 1.4534 또는 1.4614 중 하나로 만들어진다. 마찬가지로, 전도체(6)는 강 1.4542, 1.4534 또는 1.4614 중 하나로 만들어지는 것이 유리하다. 따라서, 하우징(7)은 기계 가공성이 우수하므로 1.4542 로 만드는 것이 유리하다. 또한, 1.4614 강은 우수한 기계 가공성을 나타낸다. 양호한 기계 가공성은 예를 들어 선행 기술에서 사용되는 탄탈륨보다 우수한 기계 가공성을 의미한다. 또한, 전도체(6)는 1.4542로 만들어지는 것이 유리하다. 그러나, 위에서 언급한 강 중 다른 것으로부터, 예를 들어 좋은 기계 가공성을 나타내지 않지만 세장형 형상으로 냉간 인발될 수 있는 1.4614로부터 전도체를 만드는 것도 가능하다.
전기 피드스루(5)를 저비용으로 제조하기 위해, 유리 접합제(4)가 소결체로서 제공된다. 소결체의 제조는 저렴하고 소결체는 대량으로 제조될 수 있다. 그러나, 유리 접합제(4)는 재료 접합부(24, 34)가 생성되기 전에 접합될 부재(2,3,6,7)와 이미 인접해 있을 필요가 있다. 예를 들어, 갭이 너무 크면 유리 접합제(4)의 용융 시 개구 벽(72)과 연속적이고 기공이 없거나 및/또는 수축 구멍이 없는 재료 결합 접합부(24)가 제조되지 않을 것이다. 그러나, 제조되는 방식으로 인해 소결체는 큰 공차를 나타낸다. 예를 들어, 출발 재료 분말의 압축(compaction)으로 인해 제조 중에 수축이 종종 발생한다. 소결체의 경우 길이가 증가함에 따라 10% 미만의 공차는 많은 노력과 관련된 비용이 있어야만 얻을 수 있다. 그러나, 전기 피드스루(5)의 절연 경로(11)의 길이는 길이방향 축(L)에 수직으로 발생할 수 있는 지렛대 힘에 의해 손상되지 않도록 보장하기 위해 하우징(7)에 있는 개구(71)의 직경보다 커야 한다. 세라믹 부재(3)의 크기가 길이방향 축(L) 방향으로 개구(71) 직경의 적어도 2/3인 한편, 길이방향 축(L)을 따른 유리 접합제(4)의 길이가 길이방향 축(L)에 수직인 방향으로 접합 수단(4)의 직경보다 적어도 2배 더 작을 때 전기 피드스루(5)가 특히 낮은 비용으로 제조될 수 있다는 것을 알아냈다. 이것은 절연 경로(11)의 대부분이 세라믹 부재(3)의 길이에 의해 절연되기 때문에 유리 접합제(4)가 절연 경로(11)의 길이에 주로 기여할 필요가 없기 때문에 유리하다.
몸체를 통한 전기 피드스루(5)는 예를 들어 다음 단계에 의해 제작된다.
하우징(7)에서 세장형 개구(71) 를 제작한다. 이것은 예를 들어 터닝, 드릴링, 밀링 또는 그라인딩과 같은 기계 가공 공정에 의해 또는 워터젯 절단, 레이저 절단, 침식 또는 유사한 적절한 기계 가공 방법에 의해 수행될 수 있다.
길이방향 축(L)에 평행하게 연장되도록 개구(71)에 적어도 부분적으로 세라믹 부재(3)를 삽입하고, 여기서 세라믹 부재(3)는 중공 원통 형상을 갖는다. 세라믹 부재(3)의 기능, 즉 하우징(7)으로부터 전도체(6)를 절연시키는 것을 보존하는 다른 형상이 또한 생각될 수 있다.
길이방향 축(L)에 평행하고 세라믹 부재(3)와 인접한 개구(71)에 적어도 부분적으로 유리 접합제(4)를 삽입하고, 여기서 유리 접합제(4)는 중공 원통 형상을 갖는다.
세라믹 부재(3) 및 유리 접합제(4)가 길이방향 축(L)을 따라 방사상으로 전도체(6)를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 중공 원통형 세라믹 부재(3)에 그리고 유리 접합제(4)에 전도체(6)를 삽입한다.
전술한 바와 같이 배열된 전도체(6) 및 하우징(7) 및 유리 접합제(4)를 유리 접합제(4)의 용융 온도보다 높은 온도로 가열함으로써 유리 접합제(4)를 적어도 부분적으로 액화시킨다. 유리 접합제(4)의 적어도 비스무트-함유 부분을 세라믹 부재(3) 내로 침투시키고 혼합 영역(10)을 형성한다.
전술한 바와 같이 배열된 전도체(6) 및 하우징(7) 및 유리 접합제(4)의 온도를 유리 접합제(4)의 용융 온도보다 낮은 온도로 변화시키고 유리 접합제(4)와 전도체(6) 사이의 재료 결합 접합부(24) 및 유리 접합제(4)와 세라믹 부재(3) 사이의 재료 결합 접합부(34)를 포함하는 접합부(1)를 형성하고; 유리 접합제(4)와 하우징(7) 사이의 재료 결합 접합부(24) 및 유리 접합제(4)와 세라믹 부재(3) 사이의 재료 결합 접합부(34)를 포함하는 추가 접합부(1)를 형성한다.
혼합 영역(10)의 크기는 유리 접합제(4)의 온도가 그의 용융 온도를 초과하는 기간에 의해 주어진다. 혼합 영역(10)의 크기는 또한 유리 접합제(4)의 용융 온도보다 높은 온도 수준에 의해 영향을 받을 수도 있다.
바람직한 실시 형태에서, 합금 부재(2) 및/또는 전도체(6) 및/또는 하우징(7)은 내식성이다. 크롬 함량이 적어도 10.5%인 합금은 내식성이 있다.
일 실시 형태에서, 적어도 하나의 합금 부재(2) 및/또는 하나의 세라믹 부재(3) 및/또는 하나의 전도체(6) 및/또는 하나의 하우징(7)에 금층이 제공된다. 이것은 금층이 열팽창에 크게 영향을 미치지 않고 또한 합금 부재(2) 및/또는 세라믹 부재(3) 및/또는 전도체(6) 및/또는 하우징(7)은 금이 내화학성이 잘 알려진 귀금속이기 때문에 금층에 의해 환경적 영향으로부터 보호되므로 유리하다. 전도체(6)를 금층으로 코팅하는 것이 특히 유리하다. 이것은 위에서 설명한 마르텐사이트계 합금에 비해 전도도를 증가시킨다. 마찬가지로 금 대신 은이나 백금을 사용해도 된다. 본 발명의 맥락에서, 이러한 방식으로 코팅된 합금 부재(2) 및/또는 세라믹 부재(3) 및/또는 전도체(6) 및/또는 하우징(7)은 여전히 코팅된 재료의 열팽창 계수를 나타낸다.
일 실시 형태에서, 전기 피드스루(5)의 하우징(7)은 도 11에 예시적으로 도시된 바와 같이 예를 들어 납땜된 접합부 또는 용접된 접합부에 의해 재료 결합 접합부(S)에 의해 센서 하우징(92) 또는 디바이스 하우징(92)에 접합된다. 재료 결합 접합부(S)는 또한 접착제에 의해 달성되는 접착 접합부일 수도 있다. 센서 하우징(92) 또는 디바이스 하우징(92)은 금속 또는 합금으로 만들어진 금속 부품이다. 바람직하게는, 디바이스 하우징(92) 또는 센서 하우징(92)은 하우징(7)과 동일한 합금으로 만들어지거나 또는 적어도 마르텐사이트계 강으로 만들어진다.
본 발명은 또한 도 12에 예시된 바와 같은 센서(9)에 관한 것이다. 적어도 하나의 센서 부재(8), 금속 센서 하우징(92) 및 적어도 하나의 전기 피드스루(5)를 포함하는 센서(9). 센서 하우징은 실질적으로 내부(C)를 둘러싸고 있다. 적어도 하나의 센서 부재(8)는 내부(C)에 배열된다. 센서 하우징(92)은 적어도 하나의 피드스루 개구(91)를 포함한다. 각각의 피드스루 개구(91)에는 적어도 하나의 전기 피드스루(5) 중 하나가 도입된다. 적어도 하나의 센서 부재(8)는 전류 전도 방식으로 적어도 하나의 전도체(6)에 연결된다. 전기 피드스루(5)는 전류 전도 방식으로 적어도 하나의 전도체(6) 중 하나에 의해 내부(C)를 외부(D)에 연결한다. 센서 부재(8)는 물리량을 검출하도록 구성된다. 물리량에 대응하는 신호는 전도체(6)를 통해 외부(D)에서 수신될 수도 있다. 전기 피드스루(5)는 재료 결합 접합부(S), 예를 들어 납땜된 접합부 또는 용접된 접합부에 의해 센서 하우징(92)에 접합된다. 예를 들어 접착제에 의한 다른 재료 결합(S)도 생각될 수 있다.
바람직하게는, 센서 하우징(92)은 피드스루(5)의 하우징(7)과 동일한 재료로 만들어진다. 이것은 특히 마르텐사이트계 강, 예를 들어 EN 재료 번호 1.4542, 1.4534 또는 1.4614를 갖는 강 중 하나이다.
센서(9)는, 예를 들어 가속도 센서, 힘 센서, 토크 센서, 압력 센서 또는 온도 센서이다. 일부 실시 형태에서, 언급된 처음 4개의 센서는 특히 기계적 변형 시 표면에 압전 전하를 생성하는 압전 센서 부재(8)를 사용한다. 압전 센서 부재(8)는 센서(9)의 내부(C)에서 외부(D)로부터 기밀 밀봉되어야 한다. 이것은 환경적 영향, 특히 습기로부터 압전 센서 부재(8)를 보호한다. 센서는 습기가 센서(9)를 투과할 때 열화되는 압전 전하를 정밀하게 감지하기 위해 높은 절연 저항이 필요하다.
일부 실시 형태에서, 가속도 센서(9), 힘 센서(9), 토크 센서(9), 압력 센서(9) 또는 온도 센서(9)는 기계적 충격 시 전기 저항의 변화를 겪는 압저항 센서 부재(8)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 이들 센서 부재(8)는 센서(9)의 내부(C)에서 외부(D)로부터 기밀 밀봉되게 배치되어야 한다.
세라믹 부재(3)와 합금 부재(2) 사이의 접합부(1)의 추가 실시 형태는 이 명세서에 개시된 실시 형태의 다양한 특징부를 조합하는 것으로 생각될 수도 있다.
마찬가지로, 전기 피드스루(5)의 추가 실시 형태는 본 명세서에 개시된 실시 형태의 다양한 특징부를 조합하는 것으로 생각될 수도 있다.
마찬가지로, 센서(9)의 추가 실시 형태는 본 명세서에 개시된 실시 형태의 다양한 특징부를 조합하는 것으로 생각될 수도 있다.
1 접합부
2 합금 부재
3 세라믹 부재
4 유리 접합제
5 피드스루
6 전도체
7 하우징
8 센서 부재
9 센서
10, 10' 혼합 영역
11 절연 경로
24 재료 결합 접합부
31 개구
34 재료 결합 접합부
61 전도체 직경
71 개구
72 개구 벽
73, 73' 단부 부재
91 피드스루 개구
92 센서 하우징, 디바이스 하우징
A, B 영역
C 내부
D 외부
L 길이방향 축
S 재료 결합 접합부, 용접 결합 접합부

Claims (15)

  1. 접합부(1)로서,
    상기 접합부(1)는 재료 결합 접합부(24)에 의해 합금 부재(2)에 접합된 유리 접합제(4)를 이용하여 합금 부재(2) 및 세라믹 부재(3)를 접합하고 상기 유리 접합제(4)는 다른 재료 결합 접합부(34)에 의해 상기 세라믹 부재(3)에 접합되고; 상기 유리 접합제(4)는 융점이 800℃ 보다 낮은 유리로 만들어지고; 상기 유리 접합제(4) 는 적어도 9·10-6　K-1 의 열팽창 계수를 갖고; 상기 유리 접합제(4) 는 적어도 10% 의 비스무트 함량을 갖고; 상기 합금 부재(2) 는 적어도 9·10-6　K-1 의 열팽창 계수를 갖고; 상기 세라믹 부재(3)는 8·10-6　K-1 의 최대 열팽창 계수를 갖고; 상기 유리 접합제(4)와 상기 세라믹 부재(3) 사이의 상기 재료 결합 접합부(34)는 혼합 영역(10)을 포함하고; 상기 혼합 영역(10)은 상기 세라믹 부재(3)의 부분적인 영역(partial region)이고; 상기 혼합 영역(10)은 상기 혼합 영역(10) 밖의 상기 세라믹 부재(3)의 상기 비스무트 함량과 비교하여 더 높은 비스무트 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 접합부.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 영역(10)은 상기 유리 접합제(4)에 공간적으로 인접하게 위치되고; 상기 혼합 영역(10)에서의 비스무트 함량은 상기 유리 접합제(4)를 향해 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 접합부.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 비스무트 함량은 상기 유리 접합제(4)로부터 상기 혼합 영역(10)으로 급격히 감소하는 것을 특징으로 하는 접합부.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 혼합 영역(10)은 상기 유리 접합제(4)로부터 적어도 0.001mm의 공간 연장(spatial extension)을 갖고; 상기 혼합 영역은 상기 세라믹 부재(3)의 연장에 의해 한정되고 또한, 상기 세라믹 부재(3)에서의 비스무트 함량이 상기 유리 접합제(4)에 바로 인접한 상기 혼합 영역(10)에 있는 상기 세라믹 부재(3)에서의 상기 비스무트 함량의 1/e과 동일한 평면에 의해 상기 세라믹 부재(3) 내에서 추가로 한정되는 것을 특징으로 하는 접합부.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 접합제(4)는 납이 없고; 상기 유리 접합제(4)는 용융 온도가 800℃ 보다 낮은, 유리하게는 650℃보다 낮은 유리로 만들어지는 것을 특징으로 하는 접합부.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 부재(3)는 전기적으로 절연성이고; 상기 세라믹 부재(3)는 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화규소 또는 이들 재료의 혼합물을 함유하고; 상기 함량은 적어도 70%, 바람직하게는 적어도 95%인 것을 특징으로 하는 접합부.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합금 부재(2)는 다결정질 구조를 갖고; 상기 다결정질 구조의 평균 입자 크기가 평균 0.01mm 미만인 것을 특징으로 하는 접합부.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합금 부재(2)는 마르텐사이트계 강(martensitic steel), 예를 들어 EN 재료 번호 1.4542, 1.4534 또는 1.4614를 갖는 강 중 하나인 것을 특징으로 하는 접합부.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 접합제(4)는 50% 초과의 Bi2O3, 1% 내지 10% B2O3, 10% 내지 50% ZnO, 1% 내지 10% SiO2, 0.1% 내지 1% Al2O3 를 포함하거나 또는 상기 유리 접합제(4)는 50% 초과의 Bi2O3, 1% 내지 10% B2O3, 1% 내지 10% ZnO, 0.1% 내지 1% CeO2 를 포함하거나 또는 상기 접합제(4)는 50% 초과의 Bi2O3, 1% 내지 10% B2O3, 1% 내지 10% ZnO, 0.1% 내지 1% CeO2, 0.1% 내지 1% ZrO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 접합부.
  10. 전기 피드스루(5)로서,
    상기 전기 피드스루(5)는 합금 부재(2)인 하우징(7)을 포함하고; 상기 하우징(7)은 길이방향 축(L)을 따라 형성되고 개구 벽(72)을 갖는 개구(71)를 갖고; 세장형 전기 전도체(6)는 상기 길이방향 축(L)을 따라 적어도 특정 영역에서 상기 개구 벽(72)에 의해 방사상으로 둘러싸이고; 상기 전도체(6)는 추가 합금 부재(2)이고; 적어도 하나의 세라믹 부재(3)는 상기 개구(71) 내에 적어도 부분적으로 배열되며, 상기 세라믹 부재(3)는 상기 길이방향 축(L)을 따라 적어도 특정 영역에서 상기 전도체(6)를 방사상으로 둘러싸고; 상기 세라믹 부재(3)는 전기적으로 절연성이고; 상기 전도체(6)는 상기 개구 벽(72)으로부터 전기적으로 절연되고; 유리 접합제(4)가 상기 세라믹 부재(3)에 인접한 상기 개구(71)내에 배열되고; 상기 유리 접합제(4)는 상기 길이방향 축(L)을 따라 적어도 특정 영역에서 상기 전도체(6)를 방사상으로 둘러싸고; 상기 전도체(6) 및 상기 세라믹 부재(3)는 유리 접합제(4)를 사용하여 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 접합부(1)에 의해 접합되고; 상기 개구 벽(72) 및 상기 세라믹 부재(3)는 유리 접합제(4)를 사용하여 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 추가 접합부(1)에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 전기 피드스루.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전기 피드스루(5)는 제1 영역(A)에서 제2 영역(B)으로 전하를 전도하는 데 적합하고; 상기 전기 피드스루(5)는 상기 제2 영역(B)으로부터 상기 제1 영역(A)을 기밀 밀봉하는 것을 특징으로 하는 전기 피드스루.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전기 피드스루(5)의 기밀성은 350℃에 이르기까지의 영구적 또는 일시적 온도에 의해 손상되지 않는 것을 특징으로 하는 전기 피드스루.
  13. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 항에 있어서,
    상기 길이방향 축(L)을 따른 상기 전도체(6)의 절연 경로(11)는 상기 세라믹 부재(3)에 의해 그리고 상기 유리 접합제(4)에 의해 방사상으로 둘러싸이고; 상기 절연 경로(11)의 길이와 전도체 직경(61) 사이의 비는 3보다 크거나 또는 상기 길이방향 축(L)을 따른 상기 접합제(4)의 길이는 상기 길이방향 축(L)에 수직인 방향으로 상기 접합제(4)의 직경보다 적어도 2배 더 작은 것을 특징으로 하는 전기 피드스루.
  14. 센서(9)로서,
    적어도 하나의 센서 부재(8), 금속 센서 하우징(92) 및 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 전기 피드스루(5)를 포함하고; 상기 센서 하우징(92)은 실질적으로 내부(C)를 둘러싸고; 상기 센서 하우징(92)은 적어도 하나의 피드스루 개구(91)를 포함하고; 각각의 피드스루 개구(91)에 상기 적어도 하나의 전기 피드스루(5) 중 하나가 도입되고; 상기 전기 피드스루(5)는 재료 결합 접합부(S), 예를 들어 납땜된 접합부 또는 용접된 접합부 또는 접착 결합 접합부에 의해 상기 센서 하우징(92)에 접합되고; 상기 전기 피드스루(5)는 전류 전도 방식으로 상기 적어도 하나의 전도체(6) 중 하나에 의해 상기 내부(C)를 외부(D)에 연결하고; 상기 적어도 하나의 센서 부재(8)는 상기 내부(C)에 배열되고; 상기 적어도 하나의 센서 부재(8)는 물리량을 검출하도록 구성되고; 상기 적어도 하나의 센서 부재(8)는 전류 전도 방식으로 상기 적어도 하나의 전도체(6)에 연결되는, 센서.
  15. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 몸체를 통한 전기 피드스루(5)의 제조 방법으로서,
    - 상기 하우징(7)에서 상기 세장형 개구(71)를 형성하는 단계;
    - 상기 길이방향 축(L)에 평행하게 연장되도록 상기 개구(71)에 적어도 부분적으로 상기 세라믹 부재(3)를 배열하는 단계로서, 상기 세라믹 부재(3) 는 중공 원통 형상을 갖는 단계;
    - 상기 길이방향 축(L)에 평행하게 연장되고 상기 세라믹 부재(3)와 인접하도록 상기 개구(71)에 적어도 부분적으로 상기 유리 접합제(4)를 배열하는 단계로서, 상기유리 접합제(4)는 중공 원통 형상을 갖는 단계;
    - 상기 세라믹 부재(3) 및 상기 유리 접합제(4)가 상기 길이방향 축(L)을 따라 방사상으로 상기 전도체(6)를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 상기 중공 원통형 세라믹 부재(3)에 그리고 상기 유리 접합제(4)에 상기 전도체(6)를 배열하는 단계;
    - 상기와 같이 배열된 상기 전도체(6), 세라믹 부재(3), 하우징(7) 및 유리 접합제(4)를 상기 유리 접합제(4)의 용융 온도보다 높은 온도로 가열함으로써 상기 유리 접합제(4)를 적어도 부분적으로 액화시키는 단계; 상기 유리 접합제(4)의 적어도 비스무트-함유 부분을 상기 세라믹 부재(3) 내로 침투시키고 상기 혼합 영역(10)을 형성하는 단계;
    - 상기와 같이 배열된 상기 전도체(6), 세라믹 부재(3), 하우징(7) 및 유리 접합제(4)의 온도를 상기 유리 접합제(4)의 용융 온도보다 낮은 온도로 변화시키고 상기 유리 접합제(4)와 상기 전도체(6) 사이의 재료 결합 접합부(24) 및 상기 유리 접합제(4)와 상기 세라믹 부재(3) 사이의 재료 결합 접합부(34)를 포함하는 접합부(1)를 형성하는 단계; 및 상기 유리 접합제(4)와 상기 하우징(7) 사이의 재료 결합 접합부(24) 및 상기 유리 접합제(4)와 상기 세라믹 부재(3) 사이의 재료 결합 접합부(34)를 포함하는 접합부(1)를 형성하는 단계
    를 특징으로 하는 전기 피드스루(5)의 제조 방법.
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