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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein temperaturbeständiges elektronisches
Bauteil in Form eines Sensors oder Aktors gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch
1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors oder Aktors.
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Sensoren
und Aktoren mit mikromechanischen Elementen sind in vielfältigen Ausführungsformen
bekannt, beispielsweise als Drucksensor oder als Aktor mit piezoelektrischen
Elementen. Im Fall von Drucksensoren ist beispielsweise eine Membran vorgesehen,
die sich bei Beaufschlagung mit Druck verformt und deren Verformung
mit Piezowiderständen
oder anderen geeigneten Messelementen gemessen wird. Im Falle von
Aktoren sind z.B. piezoelektrische Elemente vorgesehen, die sich
bei einer Beaufschlagung mit Spannung verformen und deren Verformung
zum Antrieb verwendet wird. Dabei sind die eigentlichen Sensorelemente
in einem Gehäuse untergebracht,
um sie vor mechanischen Einflüssen oder
sonstigen Beschädigungen
zu schützen.
Im Betrieb werden die Sensoren und Aktoren oftmals erhöhten oder
schwankenden Temperaturen ausgesetzt.
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Dabei
besteht das Problem, dass in den Sensoren oder Aktoren bei einer
Veränderung
der Umgebungstemperatur mechanische Spannungen verursacht werden.
Diese können
die Ausgangssignale des Sensors verfälschen oder auch Risse verursachen
und somit den Sensor zerstören.
Im Fall von Aktoren führen
veränderte
oder erhöhte
Temperaturen ebenfalls zu mechanischen Spannungen, die die Stellung
und die Bewegung der Aktorik beeinflussen und dadurch Ungenauigkeiten
hervorrufen oder die Gefahr einer Zerstörung beinhalten.
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Um
dem Problem mechanischer Spannungen bei welchselnden Temperaturen
zu begegnen, wurde bisher versucht, das Sensorelement an Kontaktstiften
zu befestigen. Dabei ergab sich jedoch der Nachteil einer geringen
Stabilität.
Weiterhin werden zu niedrige Resonanzfrequenzen verursacht, die
zu Schwingungen beim normalen Betrieb führen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Sensoren und/oder
Aktoren mit einem Gehäuse
zu schaffen, bei denen mechanische Spannungen aufgrund von Temperaturveränderungen
vermieden werden und die Zuverlässigkeit
und die Genauigkeit erhöht
werden. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung von Sensoren
und/oder Aktoren angegeben werden, mit dem zuverlässige Sensoren und
Aktoren, die weitgehend unempfindlich gegenüber Temperaturveränderungen
sind, geschaffen werden.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch das temperaturbeständige
elektronische Bauteil in Form eines Sensors oder Aktors gemäß Patentanspruch
1 und durch das Verfahren zum Herstellen eines Sensors oder Aktors
gemäß Patentanspruch
13. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Merkmale,
die im Zusammenhang mit dem elektronischen Bauteil beschrieben werden,
gelten auch für
das erfindungsgemäße Verfahren,
ebenso wie Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben
werden, auch für
das elektronische Bauteil gelten.
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Das
erfindungsgemäße elektronische
Bauteil in Form eines Sensors oder Aktors umfasst ein mikromechanisches
Element, das als Sensor- oder Aktorelement ausgestaltet ist, ein
Gehäuse,
in dem das mikromechanische Element angeordnet ist, und Kontaktelemente
zum elektrischen Anschluss des mikromechanischen Elements, wobei
das mikromechanische Element in dem Gehäuse auf einem Stapel von Schichten
mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
befestigt ist, die schrittweise den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des mikromechanischen Elements an den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Gehäuses
anpassen.
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Durch
die Erfindung wird die Zuverlässigkeit und
Messgenauigkeit der entsprechenden Sensoren und Aktoren erhöht, selbst
wenn der Einsatz bei hohen Temperaturen und in aggressiven Medien
erfolgt.
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Vorteilhafterweise
umfasst der Stapel von Schichten ein Trägerelement und ein darauf befestigtes
adaptives Element, auf dem das mikromechanische Element befestigt
ist, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient
des adaptiven Elements zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Trägerelements
und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des
mikromechanischen Elements liegt. Dadurch können die Ausdehnungskoeffizienten
derart angepasst werden, dass Verspannungen weiter minimiert oder
verhindert werden. Auch bei hohen Temperaturen wird eine Stabilität der Messergebnisse
erreicht.
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Die
Schichten mit unterschiedlichen spezifischen Wärmeausdehnungskoeffizienten
können auch
Teil eines Trägerelements
sein, beispielsweise in Form von mehreren übereinander angeordneten Lagen,
wobei sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Schichten schrittweise von einer Seite des Trägerelements
zur anderen Seite hin erhöhen.
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Bevorzugt
ist das Trägerelement
und/oder das adaptive Element aus Keramik hergestellt, beispielsweise
aus LTCC-Keramik (Low Temperature Cofired Ceramics) d.h. Keramiken,
die bei niedrigen Temperaturen gesintert sind. Das Trägerelement und/oder
das adaptive Element sind beispielsweise als Scheiben ausgebildet.
Dadurch ergibt sich eine schnelle, kostengünstige und stabile Bauweise.
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Bevorzugt
sind die Kontaktelemente als Kontaktstifte ausgestaltet, die z.B.
durch den Stapel von Schichten insbesondere senkrecht zur Schichtebene geführt sind
und das mikromechanische Element kontaktieren. Dadurch ergibt sich
insbesondere ein stabiler und zuverlässiger elektrischer Kontakt,
wobei auch eine hermetische Abdichtung erreicht werden kann.
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Vorteilhafterweise
sind an den Durchführungen
der Kontaktstifte Dichtungen, insbesondere Lotringe, vorgesehen,
um die Durchführungen
hermetisch abzudichten. Dadurch kann eine zuverlässige hermetische Abdichtung
des Sensorinnenraums erfolgen.
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Beispielsweise
sind die Kontaktelemente mittels Metallwolle elektrisch an das mikromechanische
Element angeschlossen. Die Metallwolle bietet aufgrund ihrer Federwirkung
einen sicheren Kontakt. Die Metallwolle liegt beispielsweise in
Form eines dünnen
Metalldrahtes vor, der zu einem Knäuel geformt ist.
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Es
ist aber auch möglich,
die Kontaktelemente mittels einer Metallisierungspaste elektrisch
an das mikromechanische Element anzuschließen.
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Bevorzugt
hat das mikromechanische Element versenkt angeordnete Kontaktflächen zum elektrischen
Anschluss der Kontaktelemente. Dadurch ist es möglich, das an das mikromechanische Element
anzuschließende
Kontaktelement mit einem Ende in dem mikromechanischen Element versenkt anzuordnen
und somit einen besonders sicheren und zuverlässigen elektrischen Kontakt
zu gewährleisten.
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Vorteilhafterweise
weist das Gehäuse
in seinem Innenraum eine Stufe auf, auf der der Stapel von Schichten
gelagert ist, wobei sich das mikromechanische Element auf der Oberseite
des Schichtstapels befindet. Da nur die unterste Schicht des Schichtstapels
auf dem Absatz der Stufe gelagert ist und somit mit dem Gehäuse bzw.
mit der Gehäusewandung verbunden
ist, ergibt sich im Bereich des Übergangs vom
Gehäuse
zum Schichtstapel nur ein gering veränderter Wärmeausdehnungskoeffizient,
ebenso wie beim Übergang
zur nächsten
Schicht und gegebenenfalls zu weiteren Schichten sowie zum mikromechanischen
Element, so dass zwischen dem Gehäuse und dem mikromechanischen
Element aufgrund der Schichten eine schrittweise Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten
erfolgt und dadurch Verspannungen aufgrund thermischer Beeinflussungen
vermieden werden.
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Bevorzugt
sind die Schichten untereinander und/oder mit dem mikromechanischen
Element durch Lot, insbesondere Glaslot, verbunden.
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Vorteilhafterweise
ist das Gehäuse
als Hohlzylinder geformt und der Stapel von Schichten mit dem mikromechanischen
Element zylindrisch gestaltet und in dem Hohlzylinder angeordnet.
Dadurch ist eine kostengünstige
Herstellung möglich,
und es wird eine stabile und zuverlässige Bauweise gewährleistet.
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Bevorzugt
hat das Gehäuse
in seinem Innenraum einen Bereich, der durch den Stapel von Schichten
und das darauf gehaltene mikromechanische Element hermetisch verschlossen
ist. Dadurch kann der Sensorinnenraum vor störenden oder schädlichen
Stoffen bzw. Gasen geschützt
werden, und es kann weiterhin ein Absolutdrucksensor realisiert
werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen
eines Sensors oder Aktors angegeben, das die folgenden Schritte
aufweist: Bereitstellen eines als Sensor- oder Aktorelement ausgestalteten
mikromechanischen Elements; Bereitstellen eines Gehäuses für das mikromechanische
Element; Bereitstellen einer ersten Schicht, deren Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen
dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Gehäuses
und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des mikromechanischen Elements liegt; Anordnen von Kontaktelementen
zur elektrischen Kontaktierung des mikromechanischen Elements; Anbringen
der ersten Schicht am Gehäuse;
Aufbringen einer zweiten Schicht, deren Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen
dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
der ersten Schicht und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des mikromechanischen Elements liegt, auf die erste Schicht; und
Aufbringen des mikromechanischen Elements auf die zweite Schicht.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
ist es möglich,
einen temperaturbeständigen
Sensor oder Aktor herzustellen, bei dem Spannungen aufgrund thermischer
Einflüsse
vermieden werden, so dass er eine erhöhte Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit
aufweist und temperaturbeständig
ist.
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Vorteilhafterweise
wird die erste Schicht auf einem stufenförmigen Absatz, der in einer
Wandung des Gehäuses
ausgebildet ist, angeordnet. Dadurch wird die erste Schicht mit
den darauf liegenden weiteren Schichten stabil gelagert, wobei nur
die erste bzw. unterste Schicht mit der Gehäusewandung in direktem Kontakt
steht, während
die weiteren Schichten oberhalb der ersten Schicht und das mikrome chanische
Element mit der Gehäusewandung
nicht in direktem Kontakt stehen. Dadurch werden mechanische Verspannungen
aufgrund veränderter
oder erhöhter
Temperaturen vermieden oder reduziert.
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Bevorzugt
wird die erste Schicht, gegebenenfalls auch mit ein oder mehreren
weiteren Schichten, auf einem Montagesockel angeordnet, anschließend eine
Gehäusewandung
auf dem Montagesockel mit der darauf befindlichen ersten Schicht
aufgesetzt, der Aufbau verlötet,
und danach wird der Montagesockel entfernt.
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Dadurch
kann das Sensor- bzw. Aktorelement schnell und einfach hergestellt
werden, so dass eine kostengünstige
Fertigung bzw. Serienfertigung möglich
ist.
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Vorteilhafterweise
sind die Kontaktelemente als Kontaktstifte ausgestaltet, die jeweils
mit einem Ende in dem Montagesockel gehalten werden und durch die
erste Schicht hindurchgeführt
werden. Dadurch werden zuverlässige
und stabile Kontaktdurchführungen
geschaffen.
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Vorteilhafterweise
ist das Gehäuse
als Hohlzylinder ausgestaltet, in dem die als Scheiben ausgestalteten
Schichten befestigt werden. Dadurch wird eine stabile und dauerhafte
Befestigung der Schichten in dem Gehäuse erreicht.
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Bevorzugt
werden die Schichten z.B. mit Glaslot verlötet. Sie können aber auch verklebt werden.
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Vorteilhaft
durchdringen die als Kontaktstifte ausgestalteten Kontaktelemente
die Schichten senkrecht zur Schichtebene, und die Durchführungen werden
beispielsweise mit Lotringen hermetisch verschlossen.
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Bevorzugt
werden die als Kontaktstifte ausgestalteten Kontaktelemente mit
jeweils einem Ende in dem mikromechanischen Element versenkt, wobei Metallwolle
und/oder Metallpaste zur elektrischen Kontaktierung verwendet wird.
Durch die Metallwolle ergibt sich ein besonders dauerhafter und
zuverlässiger
elektrischer Kontakt zu den Kontaktelementen. Diese besondere Zuverlässigkeit
wird aufgrund der Federwirkung der Metallwolle erreicht.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und anhand der
Figuren beschrieben, in denen
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1 einen Sensor in teilweiser
Schnittansicht zeigt, der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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2 eine Schnittansicht in
Form eines schematischen Längsschnitts
durch den Sensor zeigt;
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3–8 schematische
Schnittansichten des erfindungsgemäßen Sensors während verschiedener
Stufen des Herstellungsverfahrens zeigen.
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In 1 ist ein Drucksensor 10 schematisch in
perspektivischer Darstellung gezeigt. Der Drucksensor 10 hat
ein als Hohlzylinder ausgestaltetes Gehäuse 11, in dem ein
Sensorelement 12 angeordnet ist, wobei sich das Sensorelement 12 am
vorderen Ende des Drucksensors 10 befindet. Das Sensorelement 12 ist
auf zwei übereinander
liegenden Schichten 13, 14 aus Keramik angeordnet,
die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzen. Dabei steht das Sensorelement 12 nicht mit dem
Gehäuse 11 in
Verbindung, sondern es ist beabstandet von dem Gehäuse 11 auf
der zweiten Keramikschicht 14 befestigt. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der
Keramikschichten 13, 14 sind so gewählt, dass sie
zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Gehäuses 11 und
des Sensorelements 12 liegen, wobei durch die Schichten 13, 14 ein
schrittweiser Übergang
bzw. eine schrittweise Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten
vom Gehäuse 11 hin
zum Sensorelement 12 erfolgt.
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Das
Sensorelement 12 ist auf der zweiten Keramikschicht 14 durch
Verlöten
mittels Lotglas 15 befestigt. Weiterhin sind die beiden
Schichten 13, 14 durch Verlöten mittels Lotglas 15 miteinander
verbunden. Die erste Schicht 13 ist durch Verlöten fest mit
dem Gehäuse 11 verbunden.
Dazu befindet sich eine Schicht aus ei nem Lot 16, das z.B.
Kupfer und Titan enthält,
am unteren Ende der Schicht 13, um dort das Gehäuse 11 mit
der ersten Keramikschicht 13 zu verbinden.
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Der
aus den beiden Keramikschichten 13, 14 und dem
Sensorelement 12 gebildete Stapelaufbau bietet eine schrittweise
Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten α, die in
diesem Beispiel wie folgt gewählt
sind: α (Sensorelement 12) ≅ 3 × 10–6 K–1, α (zweite
Schicht 14) ≅ 4,5 × 10–6 K–1, α (erste Schicht 13) ≅ 6 × 10–6 K–1, α (Gehäuse 11) ≅ 7 × 10–6 K–1.
Selbstverständlich
sind auch andere Wärmeausdehnungskoeffizienten
und noch weitere Schichten möglich,
solange die Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Schichten 13, 14 und gegebenenfalls weiterer Schichten,
die sich zwischen dem Gehäuse 11 und dem
Sensorelement 12 befinden, eine schrittweise Anpassung
des Wärmeausdehnungskoeffizienten bieten.
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Die übereinander
gestapelten Schichten 13, 14 sind z.B. aus LTCC-Keramik
(Low Temperature Cofired Ceramics) gefertigt, d.h. aus Keramikmaterial,
das bei relativ niedrigen Temperaturen gesintert ist. Die untere
Schicht 13 bildet ein Trägerelement, und die obere Schicht 14,
auf der das Sensorelement 12 befestigt ist, bildet ein
adaptives Element aus LTCC-Keramik. Anstelle der Befestigung durch
Verlöten
kann z.B. auch eine Befestigung durch Verkleben erfolgen. In diesem
Fall sind anstelle des Lots 15, 16 Klebemittel
bzw. Klebeschichten vorgesehen.
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Vom
rückwärtigen Ende
des Sensors 10 bis zum Sensorelement 12 erstrecken
sich Kontaktelemente in Form von vier Kontaktstiften 17 im
Innenraum des Sensors 10 in dessen Längsrichtung. Dabei sind die
Kontaktstifte 17 in dem Sensor innerhalb eines rohrförmigen Behälters 18 angeordnet,
der aus Keramik, z.B. als Al2O3 gefertigt
ist und eine Keramikkapillare zur Halterung und Führung der
Kontaktstifte 17 bildet. Die Kontaktstifte 17 sind
aus Metall gefertigt und können
vergoldet sein, um die elektrische Kontaktierung zu erleichtern.
Im vorderen Bereich des Sensors 10 erstrecken sich die
Kontaktstifte 17 durch das Trägerelement bzw. die erste Schicht 13 und
das adaptive Element bzw. die zweite Schicht 14 hindurch
und kontaktieren die Unterseite oder Innenseite des Sensorelements 12.
Dazu sind die jeweiligen Enden der Kontaktstifte 17 im
Sensorelement 12 versenkt und kontaktieren im Sensorelement 12 versenkt
angeordnete Kontaktflächen
mit tels einer Metallpaste oder Metallwolle, so dass ein sicherer
Kontakt gewährleistet
wird.
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Das
in der Art eines Hohlzylinders ausgestaltete Gehäuse 11 des Sensors 10 ist
an seiner Außenfläche stufenförmig ausgebildet,
d.h. es weist unterschiedliche Außendurchmesser auf, die je
nach dem vorgesehenen Einsatzzweck ein Anbringen des Sensors an
anderen Bauteilen ermöglichen.
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2 zeigt in schematischer
Darstellung eine Schnittansicht durch den vorderen Teil des Drucksensors 10.
Das Gehäuse 11 weist
an seiner Innenseite eine Stufe 11a bzw. einen stufenförmigen Absatz
auf, auf dem die erste Keramikschicht 13 mit der darüber liegenden
zweiten Keramikschicht 14 und dem darauf angeordneten Sensorelement 12 gelagert
ist. D.h., dass nur der Rand der unteren Schicht 13 auf
der Stufe bzw. dem Absatz 11a befestigt ist, während das
Zentrum der unteren Schicht 13 frei schwebt.
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Der
Stapel von Schichten 13, 14 und das Sensorelement 12 sind
als runde Scheiben bzw. Chips ausgestaltet, deren Außendurchmesser
geringer ist als der Innendurchmesser des Gehäuses 11 in dem Bereich,
in dem diese Bauteile aufgenommen sind, so dass nur in einem Randbereich
der Unterseite der ersten Schicht 13 ein mechanischer Kontakt zum
Gehäuse 11 besteht.
Die als adaptives Element wirkende Schicht 14 und das Sensorelement 12 sind mit
einem Abstand d zum Gehäuse 11 angeordnet, d.h.
sie stehen nur über
die untere Schicht 13 mit dem Gehäuse 11 in Kontakt.
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Das
Lot 16 oder Klebemittel, das die untere Schicht 13 auf
dem stufenförmigen
Absatz 11a fixiert, bildet gleichzeitig eine hermetische
Abdichtung, so dass der Sensor 10 unterhalb des Sensorelements 12 und
der Schichtfolge 13, 14 einen hermetisch abgedichteten
Innenraum 25 hat.
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Zur
Durchführung
der Kontaktstifte 17 sind in den Schichten 13, 14 aus
Keramik durchgehende Bohrungen 21 angeordnet, durch die
sich die Kontaktstifte 17 erstrecken. Dabei sind die Bohrungen 21 an
der Unterseite der ersten Schicht 13 mit einem größeren Innendurchmesser
ausgeführt
als im zentralen Bereich, so dass Lotringe 22 im Bereich
der Bohrungen 21 angeordnet sind und jeweils einen Kontaktstift 17 umschließen, so
dass eine hermetische Abdichtung der Kontaktdurchführungen
erfolgt.
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Zwischen
der unteren Schicht 13, die das Trägerelement bildet, und der
oberen Schicht 14, die das adaptive Element bildet, sowie
zwischen der oberen Schicht 14 und dem Sensorelement 12,
sind jeweils Schichten aus dem Lot 15 bzw. Glaslot angeordnet.
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Das
Sensorelement 12 umfasst zwei übereinander liegende Siliziumwafer,
wobei der zentrale Bereich 12a des oberen Wafers als Membran
ausgebildet ist. Unterhalb der Membran 12a befindet sich ein
Hohlraum, der z.B. evakuiert ist. An der Membran 12a sind
in den Figuren nicht dargestellte Piezowiderstände angeordnet, die eine Verformung
der Membran bei Beaufschlagung mit Druck messen.
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An
der Unterseite des Sensorelements 12 sind Ausnehmungen 12b ausgestaltet,
die jeweils zur Aufnahme der Endbereiche der Kontaktstifte 17 dienen.
Das Sensorelement 12 hat versenkt angeordnete Kontaktflächen, die
von den Kontaktstiften 17 kontaktiert werden. Zu diesem
Zweck befindet sich in den Ausnehmungen 12b Metallwolle
oder Metallpaste.
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Nachfolgend
wird die Herstellung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils
am Beispiel eines Drucksensors anhand der 3 bis 8 beschrieben.
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Zunächst wird
ein Trägerelement,
das später die
erste Schicht 13 bildet, aus einem Material mit geeignetem
Wärmeausdehnungskoeffizienten
gefertigt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
wird dabei so gewählt,
dass er zusammen mit weiteren Schichten einen schrittweisen Übergang
vom Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Gehäuses 11 (siehe 2) zum Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Sensorelements 12 bildet.
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In
dem hier gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Trägerelement
aus Keramik bzw. LTCC-Keramik gefertigt. Die fertig gebrannte Keramik
wird anschließend
mit einer Mikrofräse
gefräst
oder gebohrt, um die Durchführungen 21 für die Kontaktstifte 17 zu
schaffen. Das die spätere
erste Schicht 13 bildende Trägerelement ist scheibenförmig ausgestaltet
und hat einen Durchmesser von 3 mm, eine Dicke von 500 μm und einen
Durchmesser der Bohrungen bzw. Durchführungen 21 von 300 μm. Im Anfangsbereich
der Bohrungen ist der Durchmesser auf 700 μm vergrößert, um dort Sacklöcher 21a auszubilden.
Es ist aber auch möglich,
die einzelnen Lagen der Keramik im grünen Zustand mit den Löchern zu
versehen, beispielsweise um mechanische Bearbeitung zu vermeiden.
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In ähnlicher
Weise wie beim Trägerelement, das
die erste Schicht 13 bildet, erfolgt die Herstellung und
Bereitstellung des adaptiven Elements, das die spätere zweite
Schicht 14 bildet. Dabei wird für das adaptive Element ein
Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
gewählt,
der zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
der ersten Schicht 13 und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Sensorelements 12 liegt. Als Material wird ebenfalls LTCC-Keramik
gewählt
und das adaptive Element wird mit Löchern zur Durchführung der
Kontaktstifte 17 versehen.
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Die
Lotringe 22 werden z.B. mit einem Außendurchmesser von 700 μm und einem
Innendurchmesser von 300 μm
sowie mit einer Dicke von 300 μm
hergestellt. Weiterhin werden Lotringe 16 mit größerem Durchmesser
bereitgestellt, die für
die Verbindung der unteren Schicht 13 mit dem Gehäuse 11 verwendet
werden. Diese Lotringe 16 haben einen Außendurchmesser
von ca. 3.100 μm,
einen Innendurchmesser von ca. 2.700 μm und eine Dicke von 50 μm.
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Das
Sensorelement 12 wird z.B. als Chip bereitsgestellt, der
im vorliegenden Fall ein Absolutdrucksensor ist, mit einer Membran,
die sich oberhalb einer evakuierten und verschlossenen Kavität befindet
und sich bei Beaufschlagung mit Druck verformt. An der Membran sind
Piezowiderstände
bzw. Messelemente angeordnet, die die Verformung der Membran messen.
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Die
Kontaktstifte 17 werden z.B. mit einer Dicke von 270 μm bereitgestellt.
Sie bestehen aus Metall und können
vergoldet sein, was die elektrische Kontaktierung erleichtert.
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Um
das Gehäuse 11 bereitzustellen,
wird ein möglichst
korrosionsbeständiges
Metall verwendet, das zugleich einen möglichst geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat.
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3 zeigt den ersten Schritt
der Montage mit Hilfe eines Montagesockels 31, der z.B.
aus Graphit gefertigt ist, das z.B. durch Karbonisierung gehärtet werden
kann. Auf den Montagesockel 31 wird das die erste Schicht 13 bildende
Trägerelement
gelegt. Nun werden die Lotringe 22 im Bereich der Durchführungen 21 für die Kontaktstifte 17 eingelegt. Weiterhin
wird der Lotring 16, der zur Verbindung der ersten Schicht 13 mit
dem Gehäuse 11 dient,
aufgelegt.
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In
einem weiteren Schritt werden die Kontaktstifte 17 eingeführt, so
dass sie sich durch die Durchführungen 21 der
ersten Schicht 13 erstrecken, und in Bohrungen im Montagetool 31 positioniert
werden. Dadurch sind die Kontaktstifte 17 in ihrer Lage, Ausrichtung
und Tiefe exakt positioniert.
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4 zeigt das Anbringen des
Gehäuses 11 an
der ersten Schicht 13. Dazu wird das Gehäuse 11, das
an seiner inneren Wandung die Stufe 11a bzw. Abstufung
aufweist, auf den Montagesockel 31 und das darauf angeordnete
Trägerelement,
das die erste Schicht 13 bildet, aufgesetzt. Dabei kontaktiert
die Stufe 11a an der Innenseite des Gehäuses 11 die spätere Unterseite
der Schicht 13 in einem schmalen Randbereich. An der Kontaktstelle
befindet sich der oben beschriebene Lotring 16, dessen
Durchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser der ersten Schicht 13 entspricht.
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5 zeigt die seitliche Fixierung
des Gehäuses 11 mittels
einer seitlichen, zylindrischen Montagehalterung 32. Nach
der Fixierung und Ausrichtung erfolgt das Verlöten im Vakuum bei ca. 950°C. Zum Verlöten kann
das Gehäuse 11 auch
mit einem Gewicht beschwert werden. Nach dem Verlöten werden
der Montagesockel 31 und die Montagehalterung 32 abgenommen.
Das Lot 16 und die Kontaktstifte 17 sind mit dem
Trägerelement
bzw. der ersten Schicht 13 fest verbunden und gleichzeitig
ist das Trägerelement
mit dem Gehäuse 11 fest
verbunden.
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6 zeigt die am Gehäuse 11 befestigte erste
Schicht 13 nach Abnehmen des Montagesockels 31 und
der Montagehalterung 32. Dabei wird die Anordnung um 180° gedreht.
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Zur
Verbindung der restlichen Komponenten wird ein Material gewählt, das
einen wesentlich geringern Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat als z.B. das TiCu-Aktivlot,
das die erste Schicht 13 mit dem Gehäuse 11 verbindet.
Das Material wird derart gewählt,
dass die zu versiegelnden Teile gegenüber einer korrosiven Atmosphäre nach
außen
abgedichtet sind. Vorteilhafterweise wird z.B. Glaslot verwendet, das
als Paste aufgetragen werden kann. Bei einer Fertigung in hohen
Stückzahlen
ist es aber auch möglich,
Glaslot in Form vorgefertigter dünner
Scheiben aufzulegen.
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7 zeigt das Gehäuse 11 mit
der darin befestigten ersten Schicht 13 und den befestigten
Kontaktstiften 17, sowie das auf der ersten Schicht 13 aufgebrachte
Glaslot 15.
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Das
Glaslot 15 wird z.B. in Form eines geschlossenen Rings
auf die erste Schicht 13 aufgetragen und gegebenenfalls
erfolgt eine Vorverglasung z.B. in zwei Schritten, beispielsweise
zuerst bei 350°C
und dann bei 650°C,
jeweils in sauerstoffhaltiger Atmosphäre. Bei vergoldeten Kontaktstiften 17 wird
eine Oxidation vermieden. Zur Vermeidung der Oxidation kann auch
eine zweite Vorverglasung z.B. in Vakuum oder unter Schutzgas erfolgen.
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In
analoger Weise wird auf das adaptive Element, das die zweite Schicht 14 bildet,
ebenfalls Glaslot aufgetragen, und gegebenenfalls erfolgt eine Vorverglasung
in z.B. zwei Schritten.
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8 zeigt das Aufsetzen des
adaptiven Elements, das die Schicht 14 bildet, auf die
erste Schicht 13. Auf der Oberseite des adaptiven Elements
befindet sich das zuvor aufgetragene Lot 15 bzw. Glaslot.
Nun wird eine Metallisierung 40, beispielsweise Goldpaste
auf die Kontaktflächen
des Sensorelements 12 und/oder auf die Spitzen der Kontaktstifte 17 aufgetragen.
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Nun
wird das Sensorelement 12 justiert und auf die Kontaktstifte 17 und
auf das adaptive Element bzw. die zweite Schicht 14 aufgesetzt,
so dass sich der in 2 gezeigte
Aufbau ergibt. Die Kontaktflächen
des Sensorelements 12 können
im Sensorelement versenkt sein oder sich an dessen Unterseite befinden.
Das Sensorelement 12 kann auch ohne Versenkungen für die Kontaktstifte 17 ausgeführt sein.
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Bei
ca. 700°C
werden das Trägerelement 13, das
adaptive Element 14 und das Sensorelement 12 verlötet, während gleichzeitig
die Kontaktflächen
des Sensorelements 12 durch die Metallpaste 40 mit
den Kontaktstiften 17 verbunden werden. Zur Vermeidung
von Schäden
an dem Metallisierungssystem des Sensorelements 12 erfolgt
die Verlötung
in Vakuum oder unter Schutzgas, beispielsweise Argon.
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Durch
Auswahl von Glaslotpaste und Metallisierungspaste vermischen sich
diese nicht, selbst wenn die Glaslotpaste auf dem adaptiven Element bzw.
der zweiten Schicht 14 die Metallisierungspaste auf dem
Sensorelement 12 überlappt.
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Durch
diese Verlötung
sind die oftmals sehr empfindlichen Kontaktflächen des Sensorelements 12 durch
das Glaslot vor korrosiver Atmosphäre geschützt, wie sie z.B. in Flugzeugturbinen
auftritt. Das Verlöten
kann durch Beschweren des Sensorelements 12 unterstützt werden.
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Wie
oben beschrieben, kann anstelle der Metallisierungspaste auch Metallwolle
verwendet werden, die z.B. aus einem sehr dünnen Metalldraht, der zu einem
Knäuel
geformt ist, hergestellt ist. Durch die Federwirkung der Metallwolle
wird ein sicherer Kontakt gewährleistet.
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Der
gesamte hier beschriebene Aufbau oder Teile davon kann z.B. nach
dem Verlöten
mit einer Schutzschicht überzogen
werden, so dass eine weiter verbesserte Widerstandsfähigkeit
gegenüber
korrosiven Medien erzeugt wird. Dazu kann z.B. amorphes Siliziumkarbid
abgeschieden werden. Dieses kann bei ca. 650°C in Vakuum getempert werden,
so dass sich die mechanischen Verspannungen abbauen.
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Zur
Vermeidung von Kurzschlüssen
kann eine nichtleitende Kapillare, z.B. aus Al2O3, über
die Kontaktstifte 17 gestülpt werden. Dadurch ergibt
sich der röhrenartige
Behälter 18 (s. 1). An die Kontaktstifte 17 wird
beispielsweise ein hochtemperaturstabiles Kabel angeschlossen.
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Das
hier detailliert beschriebene, besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel
betrifft einen Drucksensor. Der erfindungsgemäße Aufbau ist jedoch auch für andere
Arten von Sensoren und Aktoren geeignet, um eine Anpassung der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zu erreichen. Beispielsweise können auch
Gassensoren, Fluss- bzw. Flüssigkeitssensoren
oder andere Sensoren mit der erfindungsgemäßen Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten
durch den Stapelaufbau ausgestaltet werden. Dadurch werden empfindliche
Messelemente vor einer Verformung aufgrund von Verspannungen, die sich
unter thermischer Beeinflussung ergeben, geschützt, so dass verbesserte Messergebnisse
und eine höhere
Zuverlässigkeit
erzielt werden.
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Zur
Bereitstellung des Stapels von Schichten mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist
es ebenso möglich,
das oben beschriebene Trägerelement
aus Lagen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
herzustellen. In diesem Fall kann auf das adaptive Element verzichtet
werden. Weiterhin kann der Schichtstapel auch mehr als zwei Schichten
mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zur schrittweisen Anpassung aufweisen.