DE102006008477A1

DE102006008477A1 - Sensorelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006008477A1
Application number: DE200610008477
Authority: DE
Inventors: Roland Achhammer; Rudolf Dr. Bierl; Klaus Mayer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-24
Also published as: DE102006008477B4; WO2007096282A1

Abstract

Ein Sensorelement (1) für thermische Anwendungen weist ein Substrat (2) mit einer skelettartigen Struktur auf der Basis einer Keramik auf. Bei der Keramik handelt es sich vorzugsweise um eine Karbidkeramik. Um ein Aufbringen von Schaltungselementen (4, 5, 6) auf dem Substrat (2) zu ermöglichen, ist eine Abdeckschicht (3) vorgesehen, durch die Öffnungen auf der Oberfläche des Substrats (2) verschlossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement mit einem keramischen Substrat und einem auf dem Substrat aufgebrachten Schaltungselement.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, bei dem ein keramisches Substrat hergestellt und anschließend auf dem Substrat ein Schaltungselement aufgebracht wird.

Ein derartiges Sensorelement und ein derartiges Verfahren sind aus der EP 0 561 365 A2 bekannt. Bei dem bekannten Sensorelement handelt es sich um einen Luftmassensensor, bei dem auf ein keramisches Substrat ein Heizwiderstand und eine zugehörige Steuerschaltung aufgebracht sind.

Insbesondere bei Sensorelementen für thermische Anwendungen ist die Verwendung eines Substrat aus einem keramischen Material von Vorteil, da derartige Sensorelemente in der Regel großen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Keramische Substrate halten großen Temperaturschwankungen ohne wesentliche Änderung der mechanischen Eigenschaften stand. Auch die Abmessungen der keramischen Substrate ändern sich nur wenig mit der Temperatur.

Andererseits sind zur Erhöhung der Bruchfestigkeit der keramischen Substrate Materialstärken vorzusehen, die bei thermischen Anwendungen auch zu einer entsprechend hohen Massenträgheit des Sensorelements führen.

Außerdem ist das Vereinzeln der keramischen Substrate aus einem Nutzen problematisch, da beim Vereinzeln der Substrate aus einem Nutzen Risse auftreten können. Bei diesen Rissen kann es sich um Spannungsrisse handeln, die durch Freisetzen von Spannungen beim Vereinzeln der Sensorelemente auftreten. Die Risse können aber auch Mikrorisse sein, die durch das Sägen entlang der Sägekanten entstehen. Diese Risse und weitere, durch andere vorgelagerte Prozesse entstandene Risse, können bei einer mechanischen Belastung der Sensorelemente weiter wachsen und einen Bruch der Sensorelemente im Feld verursachen.

Ferner ist aus der WO 2005/049524 A1 eine karbidische und oxidische Keramik bekannt, die ein inneres Skelett aus einem Metallkarbid, beispielsweise Siliziumkarbid und eine äußere Schicht aus Oxidkeramik aufweist.

Die Herstellung der karbidischen und oxidischen Keramik erfolgt, in dem Cellulosefasern und Metallpulver gemischt und zu einem Papier verarbeitet werden. Das derart hergestellte Papier wird dann mit Hilfe einer Pyrolyse in Inertatmosphäre karbonisiert. Das karbonisierte Celluloseskelett reagiert dabei mit dem in der Metallschmelze vorhandenen Metall zu Metallkarbid. Anschließend werden die restlichen Füllmaterialien an Luft durch eine weitere Wärmebehandlung oxidiert.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement mit langer Lebensdauer zu schaffen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelements anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch ein Sensorelement und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.

Bei dem Sensorelement umfasst das Substrat eine Skelettstruktur auf der Basis eines Keramikmaterials, das den Vorteil aufweist, dass beim Vereinzeln der Sensorelemente kaum Mirkorisse auftreten können, die letztendlich zum Bruch des Sensorelements führen können. Denn derartige Mikrorisse führen zwar zum Bruch einzelner Stränge der Skelettstruktur, aber können sich nicht ohne weiteres in das Substrat hinein fortpflanzen. Aus dem gleichen Grund ist zu erwarten, dass kaum Spannungsrisse auftreten, da innere Spannungen im Substrat lokal beschränkt sind und lediglich zum Bruch einzelner Stränge der Skelettstruktur führen können. Daher ist zu erwarten, dass die Sensorelemente aus einem Substrat mit einer Skelettstruktur eine im Vergleich zum Stand der Technik verlängerte Lebensdauer aufweisen.

Allerdings weisen derartige Substrate eine poröse Oberfläche auf, die sich nicht ohne weiteres zum Aufbringen von Schaltungselementen eignet. Diese Schaltungselemente können Leiterbandzüge oder in Mikrosystemtechnik gefertigte Bauelemente sein. Um das Aufbringen von Schaltungselementen auf die Oberfläche des Substrats zu ermöglichen, ist zwischen Schaltungselement und Substrat eine Abdeckschicht vorgesehen, durch die die poröse Oberfläche des Substrats verschlossen wird, so dass die Schaltungselemente auf der unterbrechungsfreien Oberfläche des Substrats aufgebracht werden können.

Die Abdeckschicht ist vorzugsweise eine Glasurschicht oder eine Emailschicht. Dadurch entsteht ein keramikfaserverstärktes Glas, auf dessen Oberfläche die Schaltungselemente aufgebracht werden können.

Bei dem Keramikmaterial handelt es sich vorzugsweise um eine Karbidkeramik, insbesondere eine metallische Karbidkeramik, wobei insbesondere ein Keramikmaterial auf der Basis von Siliziumkarbid besonders geeignet erscheint. Denn Karbide und insbesondere Siliziumkarbide weisen eine hohe Festigkeit auf, so dass sich ein Substrat mit großer mechanischer Belastbarkeit ergibt.

Die Herstellung des Sensorelements erfolgt, indem ein Substrat mit einer Skelettstruktur auf der Basis eines Keramikmaterials ausgebildet wird und indem das Substrat vor dem Aufbringen des Schaltungselements mit einer Abdeckschicht versehen wird. Aufgrund der Materialbeschaffenheit des skelettartig strukturierten Keramikmaterials kann die Vereinzelung der Sensorelemente ohne Auftreten von sich im Material fortpflanzenden Mikrorissen und Spannungsrissen durchgeführt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Herstellung des Sensorelements im Nutzen mit nachfolgender Vereinzelung. Derartige Verfahrensschritte sind erprobt und können ohne wesentliche Modifikation zur Herstellung der Sensorelemente verwendet werden.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen im Einzelnen beschrieben werden. Es zeigen:
1 ein Querschnitt durch ein Sensorelement, auf vor dem Anbringen von Anschlüssen;
2 eine perspektivische Ansicht eines Sensorelements nach dem Anbringen von Anschlüssen;
3 eine perspektivische Ansicht eines Nutzens nach dem Vereinzeln der Sensorelemente während des Anlötens von Anschlüssen; und
4 eine vergrößerte Darstellung des Substrats.
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Sensorelement 1, bei dem es sich beispielsweise um ein Sensorelement für thermische Anwendungen, zum Beispiel um ein Sensorelement für einen Gasmassensensor oder einen Temperatursensor handelt.
Das Sensorelement 1 weist typischerweise eine Länge von etwa 8 mm, eine Breite von 0,8 mm und eine Dicke von 0,3 mm auf.
Das Sensorelement 1 umfasst ein Substrat 2, das eine Skelettstruktur aus einem keramischen Material aufweist. Bei dem keramischen Material handelt es sich vorzugsweise um ein metallisches Karbid, insbesondere um Siliziumkarbid. Das metallische Karbid bildet in der Regel ein inneres Skelett, das von einer äußeren Schicht aus einer Oxidkeramik umgeben ist.
Die Herstellung des Substrats 2 erfolgt beispielsweise, indem Cellulosefasern und Metallpulver gemischt und zu einem Papier verarbeitet werden. Das auf diese Weise hergestellte Papier wird anschließend durch eine Pyrolyse bei Temperaturen zwischen 800 Grad Celsius und 1400 Grad Celsius in inerter Atmosphäre karbonisiert. Dabei reagiert das karbonisierte Celluloseskelett mit dem vorhandenen Metall zu Metallkarbid. Die restlichen Füllmaterialien, insbesondere zusätzliche Additive werden dann unter Luft bei Temperaturen zwischen 800 Grad Celsius in 1400 Grad Celsius oxidiert.
Das Papier weist vor der Wärmebehandlung vorzugsweise eine flächenbezogene Masse von 80 bis 350 g/m² auf. Das Papier kann vor der Wärmebehandlung auch einem Formschritt unterzogen werden. Insbesondere können dünnwandige und hohlwandige Strukturen in jeder denkbaren räumlichen Form, die sich aus dem Papier ableiten lässt, hergestellt werden. So lässt sich beispielsweise aus dem Papier ein mehrschichtiges Laminat erzeugen, das als Substrat 2 für das Sensorelement 1 verwendet werden kann.
In Fällen, in denen das Substrat 2 eine möglichst geringe Masse aufweisen soll, kann das Substrat 2 des Sensorelement 1 auch auf der Basis einer einzelnen Papierschicht erzeugt werden. Ein derartiges thermisches Sensorelement 1 weist eine besonders geringe Massenträgheit auf und ist auch dazu in der Lage, auf kurzzeitige Temperaturschwankungen zu reagieren.
Oberhalb des Substrats 2 befindet sich eine Abdeckschicht 3, bei der sich um eine Glasurschicht oder eine Emailschicht handeln kann. Durch die Abdeckschicht 3 werden die aufgrund der skelettartigen Struktur des Substrats 2 auf der Oberfläche des Substrats 2 vorhandenen Öffnungen geschlossen, so dass auf der Abdeckschicht 3 Leiterbahnzüge 4 und auch Bauelemente 5 ausgebildet werden können. Bei dem Bauelement 5 kann es sich beispielsweise um einen Heizwiderstand oder einen Temperaturmesswiderstand handeln. Die Leiterbahnzüge 4 und die Bauelemente 5 können unter anderem auch in einer Drucktechnik aufgebracht werden.
Ferner sind auf der Abdeckschicht 3 oder auf den Leiterbahnzügen 4 Lötdepots 6 vorhanden, mit deren Hilfe, wie in 2 dargestellt, Anschlüsse 7 an das Sensorelement 1 angebracht werden können.
Das Sensorelement 1 wird vorzugsweise im Nutzen gefertigt. Insbesondere wird zunächst gemäß 3 ein Nutzen 8 aus dem skelettartig strukturierten Material hergestellt. Auf dem Nutzen 8 werden anschließend Leiterbahnzügen 4 und gegebenenfalls Bauelemente 5 für eine Vielzahl von Sensorelementen 1 strukturiert. Außerdem werden die Lötdepots 6 aufgebracht. Nach dem Aufbringen der Lötdepots 6 wird der Nutzen 8 auf ein Trägerglas 9 aufgeklebt. Als Kleber wird ein Gemisch aus Kolophonium und Bienenwachs verwendet. Anschließend werden die Sensorelemente 1 durch einen Sägevorgang vereinzelt. Dabei bleiben die Sensorelemente 1 jedoch zur Weiterverarbeitung auf dem Trägerglas 9. Dieser Zustand ist in 3 dargestellt.
Die weitere Verarbeitung erfolgt durch einen Bügellötprozess, bei dem die Sensorelemente 1 vom Trägerglas 9 gelöst werden. Für den Bügellötprozess wird zunächst ein Lötstempel 10 auf die aus einem Stanzgitter gefertigten Anschlüsse 7 abgesenkt und die Anschlüsse 7 aufgeheizt. Daraufhin werden die Anschlüsse 7 zusammen mit den Lötstempel 10 auf die Lötdepots 6 abgesenkt und die Lötdepots 6 und die Klebeschicht zwischen dem Sensorelement 1 und dem Trägerglas 9 aufgeschmolzen. Da das in den Lötdepots 6 enthaltene Lot erstarrt, bevor die Klebeschicht in die feste Form zurückkehrt, kann das Sensorelement 1 an den Anschlüssen 7 von dem Trägerglas 9 abgezogen werden.
Das Sensorelement 1 wird anschließend in eine Hülle aus Polyimid eingebettet.
Ein kritischer Vorgang bei der Herstellung des Sensorelements 1 ist das Vereinzeln der Sensorelemente 1 auf dem Trägerglas 9. Bei dem Sägevorgang 9 können sich Mikrorisse in den Substraten 2 bilden. Außerdem können Spannungsrisse auftreten.
In 4 ist die vergrößerte Ansicht des Substrats 2 dargestellt. Deutlich sind einzelne Stränge 11 der faserartigen Skelettstruktur des Substrats 2 zu erkennen. Die Stränge 11 entsprechen im Wesentlichen den Cellulosefasern des Ausgangsmaterials für die Herstellung des Substrats 2. Wenn einzelne Risse aufgrund des Sägeprozesses oder der Freisetzung von Spannungen beim Sägeprozesses entstehen, bleiben diese lokal auf einzelne Stränge 11 beschränkt und können sich nicht ohne weiteres fortpflanzen, so dass zu erwarten ist, dass die Substrate 2 aus dem skelettartigen Material eine wesentlich längere Lebensdauer als herkömmliche Substrate aufweisen.
Ein weiterer Vorteil des für das Substrat 2 verwendeten skelettartigen Materials ist, dass die Masse des Substrats 2 wesentlich verringert werden kann. Dadurch kann insbesondere bei thermischen Anwendungen der Sensorelemente 1 die Massenträgheit der Sensorelemente 1 herabgesetzt werden.

1: Sensorelement
2: Substrat
3: Abdeckschicht
4: Leiterbahnzug
5: Bauelement
6: Lötdepot
7: Anschluss
8: Nutzen
9: Trägerglas
10: Lötstempel
11: Strang

Claims

Sensorelement mit einem keramischen Substrat (2) und einem auf dem Substrat (2) aufgebrachten Schaltungselement (4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) eine Skelettstruktur auf der Basis eines Keramikmaterials umfasst und dass zwischen Schaltungselement (4, 5) und Substrat (2) eine Abdeckschicht (3) ausgebildet ist.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht (3) eine Glasurschicht oder Emailschicht ist.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial eine Karbidkeramik ist.
Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial eine metallische Karbidkeramik ist.
Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial auf der Basis von Siliziumkarbid hergestellt ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement für thermische Anwendungen vorgesehen ist.
Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein Temperatursensor oder ein Gasmassensensor ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (1), bei dem ein keramisches Substrat (2) hergestellt und anschließend auf dem Substrat (2) ein Schaltungselement (4, 5) aufgebraucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) mit einer Skelettstruktur auf der Basis eines Keramikmaterials ausgebildet wird und dass das Substrat (2) vor dem Aufbringen des Schaltungselements (4, 5) mit einer Abdeckschicht (3) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Abdeckschicht (3) eine Glasurschicht oder eine Emailschicht verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Keramikmaterial eine Karbidkeramik verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Keramikmaterial eine metallische Karbidkeramik verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Keramikmaterial ein Material auf der Basis von Siliziumkarbid verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (1) im Nutzen (8) gefertigt und anschließend durch einen Sägevorgang vereinzelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltungselemente für thermische Anwendungen auf das Substrat (2) aufgebracht werden.