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DE3015356A1 - Freitragende schichten sowie verfahren zur herstellung freitragender schichten, insbesondere fuer sensoren fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Freitragende schichten sowie verfahren zur herstellung freitragender schichten, insbesondere fuer sensoren fuer brennkraftmaschinen

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DE3015356A1
DE3015356A1 DE19803015356 DE3015356A DE3015356A1 DE 3015356 A1 DE3015356 A1 DE 3015356A1 DE 19803015356 DE19803015356 DE 19803015356 DE 3015356 A DE3015356 A DE 3015356A DE 3015356 A1 DE3015356 A1 DE 3015356A1
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self
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Günther Dipl.-Phys. 7140 Ludwigsburg Stecher
Hebert 7141 Freiberg Zimmermann
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • G—PHYSICS
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Description

2. ί|. 1980 Lr/Me
ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1
Freitragende Schichten sowie Verfahren zur .Herstellung freitragender Schichten, insbesondere für Sensoren für Brennkraftmaschinen
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst einfachen Mitteln freitragende Schichten herzustellen, .sowie ein Verfahren zur Herstellung von freitragenden Schichten mit den Mitteln der Dickschicht-Technologie zu schaffen, welches erlaubt» mit Hilfe dieser Schichten Strukturen in Form einer Brücke, tunnelartige Strukturen, geschlossene oder durch Tunnel zugängliche Hohlräume oder freitragende Zungen auf einem plättchenförmigen Substrat zu realisieren.
Dickschichtschaltungen werden vorzugsweise auf keramischen, plättchenförmigen Substraten durch Aufdrucken von Pasten hergestellt, deren aktives Material aus Metallpulvern, Glas- "bzw. glaskeramischen Pulvern oder aus Mischungen von Glas und Metalloxiden bestehen. Nach dem Brennen dieser aufgedruckten Pasten "bei Temperaturen um etwa 850 C in oxidierender Atmosphäre entstehen entsprechend den jeweils verwendeten Pasten metallische Schichten, Glas- bzw. glaskeramische Schichten oder Widerstandsschichten. Diese Schichten verbinden sich beim Brennen ganzflächig mit der Substratoberfläche, auf der sie dann
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R. 62^7
Lr/Me
eine fest haftende Masse bilden. Es ist auch bekannt, auf in dieser Weise hergestellte Schichten unter Wiederholung des geschilderten Verfahrens abwechselnd metallische und isolierende Schichten übereinander anzuordnen. Auch hierbei verbinden sich diese Schichten beim Brennen jeweils fest miteinander.
Zur Herstellung von' freitragenden Schichten werden erfindungsgemäß Mittel der Dickschicht-Technologie verwendet, wobei die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 angegebenen Maßnahmen vorgesehen werden können. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Zur Erläuterung der Erfindung sind nachstehend einige Ausführungsbeispiele beschrieben, welche in den Figuren 1 bis 6 der Zeichnung dargestellt sind.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird auf die Oberfläche eines Substrates 1, über welcher die aufzubauende Schicht 3 freitragend erzeugt werden soll, ein Füllstoff aufgedruckt.
Der Füllstoff 2 und/oder die mit der Unterlage (Substrat 1) verbundenen Teile der Deckschicht 3 können dabei entweder, wie in Fig. 1 gezeichnet, auf das Substrat 1 selbst oder aber auf 'Schichten gedruckt werden, die vorher auf das Substrat 1 aufgebracht worden sind.
Als Füllstoff 2'kann vorteilhaft Ruß verwendet werden, der zusammen mit dem in einem geeigneten organischen Lösungsmittel gelösten Harz eine siebdruckfähige Paste bildet. Der aufgedruckte Füllstoff wird in einem Ofen
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R.
Lr/Me
unter Schutzgasatmosphäre, insbesondere aus Stickstoff, bei etwa denjenigen Temperaturen auf seine endgültige Dicke zusammengesintert j bei denen die teilweise freitragende Schicht nach dem Druckvorgang eingebrannt werden soll. Diese Temperaturen können je nach dem verwendeten Material, aus welchem die Schicht 3 aufgebaut werden soll, im Bereich von 800 bis 1 000 C oder aber im Bereich zwischen etwa 400 und 600 0C liegen. Durch wiederholtes Drucken und nachfolgendes Brennen kann der gesinterte Füllstoff auf die gewünschte Dicke verstärkt werden.
Über den Füllstoff 2 und auf das Substrat 1 bzw. auf vorher aufgebrachte Schichten wird das Material der teilweise freitragend auszubildenden Schicht 3, vorzugsweise aus Glaskeramik oder kristallisierenden Gläsern gedruckt. Geeignete Pasten lassen sich unter * Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise Stickstoff, bei den obengenannten Temperaturen zu einer festen Masse sintern. Diese verbindet sich, abgesehen von dem Bereich des Füllstoffes 2 fest mit dem Substrat 1 bzw. den vorher darauf aufgebrachten Schichten.
Eine größere Anzahl von auf dem Markt befindlichen Pasten ergeben jedoch nur feste Massen, die frei von Kohlenstoffrückständen sind, wenn sie in oxidierender Atmosphäre eingebrannt werden. Solche Pasten lassen sich jedoch dann als Material für die freitragende Schicht 3 verwenden, wenn während des Aufheizens der Substrate bis etwa 500 C in der Schutzgasatmosphäre des Ofens ein definierter" Sauerstoffgehalt von beispielsweise etwa 800 ppm eingestellt und eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der Ofenatmosphäre entgegen der Bewegungsrichtung des Förderbandes, das die Substrate durch den Ofen transportiert, erreicht wird. Dadurch
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R. 621*7
Lr/Me
läßt sich erreichen, daß zwar die organischen Bestandteile der für die Schicht 3 vorgesehenen Paste vergasen, der gesinterte Füllstoff 2 aber noch nicht verbrennt.
In einem weiteren Brennprozeß, der im Gegensatz zu der vorher beschriebenen Verfahrensstufe in oxydierender Atmosphäre stattfindet, kann der Füllstoff 2 rückstandsfrei verbrannt werden, derart, daß eine teilweise freitragende Schicht 3 entsteht. Wenn die Dicke der im Bereich über dem Füllstoff 2 liegenden Schichten beim ersten Brennprozeß nicht zu dick, sondern etwa in einer Stärke von 30 ,um gemacht und ein glaskeramisches Material geeigneter Porösität gewählt wird, läßt sich erreichen, daß der Füllstoff 2 auch aus einem durch die Deckschicht allseitig abgeschlossenen Raum rückstandsfrei verbrannt und durch die poröse Schicht 3 entweichen kann. In Abwandlung des oben beschriebenen Verfahrens kann die
freitragende Schicht an ihrer Unterseite eine geeignete metallische oder Widerstandsschicht 5 entsprechend Fig. 5 besitzen, die mit der glaskeramischen Schicht 3 fest verbunden ist. Eine metallische Schicht 5 kann in einem vorausgehenden Brennprozeß hergestellt oder aber zusammen mit der glaskeramischen Schicht 3 eingebrannt werden. Eine Widerstandsschicht 5 wird stets in einem vorausgehenden Brennprozeß hergestellt und verbindet sich mit der glaskeramischen Schicht 3 bei deren Einbrand.
In der Ausführungsform 1, von der in Fig. 2 die Draufsicht dargestellt ist, sollen die Breiten-Abmessungen A der Deckschicht 3 und B des Füllstoffes 2 etwa die gleiche Größenordnung haben, so daß die Deckschicht 3 eine Brückenstruktur bildet.
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R-.' 621+7
Lr/Me .
In einer entsprechend geänderten Ausführungsform 2 nach Fig. 2 ist die Breite A der Deckschicht 3 bedeutend größer, beispielsweise das lOOfache, als die Breite B des Füllstoffs 2, so daß eine tunnelförmige Struktur entsteht. Da in der oben beschriebenen Weise die Verbrennung des Füllstoffs 2 durch das Deckmaterial der Schicht 3 hindurch erfolgt, kann die Tunnelhöhe sehr klein gegenüber der Tunnellänge ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Tunnelhöhe 10 ,um betragen, während der Tunnel einige cm lang ist. Auch braucht der Tunnel nicht geradlinig zu sein; er kann vielmehr beliebige Abzweigungen oder die Form eines Labyrinths haben.
In der Ausführungsform 3 nach Figur 3 umschließt das Deckmaterial der Schicht 3 allseitig den Füllstoff "2, wobei dieser wiederum eine beliebige Form haben kann, so daß sich nach dem Ausbrennen des Füllstoffes 2 ein allseitig geschlossener oder durch einen Tunnel im Bereich 2a zugänglicher Hohlraum zwischen dem Substrat und dem Deckmaterial der Schicht 3 ergibt.
In der in Fig. h wiedergegebenen Ausführungsform 4 ist das Deckmaterial der Schicht 3 nur einseitig mit dem Substrat 1 oder einer darauf vorher aufgebrachten Schicht verbunden,, so daß die Schicht 3 eine freitragende Zunge beliebiger Form bildet.
In einem Oder mehreren nachfolgenden Druck- und Brennvorgängen kann die Dicke der Deckschicht 3 verstärkt werden. Hierbei können auch andere geeignete glaskeramische Materialen oder kristallisierende Gläser verwendet werden, welche von dem beim Aufbau der ersten Schicht 3 eingesetzten Paste abweichen. Auf die in dieser Weise hergestellte, mehrschichtige Deckschicht
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Lr/Me
können anschließend nach den bekannten Verfahren der Dickschicht-Technologie, Leiterbahnen, Widerstände oder die elektrischen Schichten aufgebaut und mit den übrigen Strukturen auf dem Substrat 1 elektrisch leitend verbunden werden. Zum gasdichten Verschließen von erfindungsgemäß hergestellten Hohlräumen und Tunneln kann insbesondere abschließend eine amorphe Glasschicht auf die Deckschicht 3 und auf die auf der Deckschicht aufgebauten Strukturen aufgebracht werden.
Anwendung der Ausführungsformen 1 (Brücke)
Hier können Luftisolationen zwischen sich kreuzenden Leiterbahnen in Dickschichtschaltungen erzeugt werden, die anstelle' der seither üblichen, allein durch glaskeramische Schichten erzeugten Isolation treten kann.
In Fig. 6 ist mit 6 die untere Leiterbahn bezeichnet, die durch einen Luftspalt 8 und die glaskeramische Schicht 3 von der oberen Leiterbahn 7 isoliert ist. Der Vorteil besteht in der Verminderung der parasitären Kapazität, die durch die Bahnkreuzung gebildet wird, wobei diese Verminderung mehr als eine Größenordnung beträgt. Außerdem wird Korrosion zwischen sich kreuzenden Leitern bei Betrieb unter Spannung und hoher relativer Luftfeuchte verhindert.
Die Realisierung von Schaltern auf Dickschichtschaltungen ist eine andere Anwendungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens.· In Fig. 5 wird die Leiterbahn 5 mit der unteren Leiterbahn 6 elektrisch verbunden und wirkt dann als ein Schaltkontakt, wenn die freitragende Schicht 3 durch äußere Kräfte genügend stark deformiert wird.
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- j Λ _ R-62^7
Lr/Me
Weiterhin ist der Aufbau eines schnellen Temperatursensors möglich, wenn temperaturempfindliche Dickschichtwiderstände auf die freitragende Schicht nach Fig. 1 oder Fig. k. aufgebracht werden. Wegen der nur geringen realisierbaren Dicke der Schicht 3 bis etwa 20 ,um ist deren Wärmekapazität sehr klein und ihre Aufheizgeschwindigkeit entsprechend hoch; eine bevorzugte Anwendung ergibt sich als schneller Sensor für die Temperaturmessung oder Überwachung von Gasen, insbesondere des Abgases bei einer Brennkraftmaschine.
Eine weitere Anwendungsform ergibt .sich in Form einer-Brücke als schwingungsfähiges System zur Detektierung von Druckschwingungen oder Vibrationen der Unterlage, mit welcher-das Substrat 1 verbunden ist, im Bereich der Eigenfrequenz der Brücke. Die Umsetzung in ein elektrisches Signal kann durch auf die freitragende Schicht 3 aufgedruckte Widerstände, die beim Schwingen der freitragenden Schicht 3 gedehnt bzw.· gestaucht werden und dadurch ihren elektrischen Widerstandswert erheblich ändern können oder durch auf die Schicht 3 aufgetragene Kondensatorelektroden entsprechend Fig. oder Fig. 6 erfolgen.
Anwendungsbeispiele für Ausführungsform 2 (Tunnel):
Zuführung von Gasen auf plättchenförmigen Substraten. Bevorzugte Anwendung: Referenzatmosphäre bei einer Plättchen-Lambda-Sonde.
Ausnutzung des Strömungswiderstandes von Gasen in engen Kapillaren. Bevorzugte Anwendung als Diffusionskanal für Plättchen-Grenzstromsonde zur Messung des Sauerstoffgehaltes in Gasen..
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Aufbau einfacher Pluidik-Schaltungen zusammen mit Dickschichtschaltungen.
Anwendungen der Ausführungsform 3 (geschlossene Hohlräume): Dickschicht-Drucksensor mit evakuiertem Hohlraum
Temperatursensor ohne.temperaturabhängige Widerstände, jedoch mit gasgefülltem Hohlraum. Beide obengenannte Sensoren besitzen jeweils auf die freitragende Membran aufgebrachte Sensorwiderstände in Brückenschaltungen oder aber metallische Schichten, die einen variablen Kondensator ergeben.
Druckschalter mit einem Aufbau entsprechend Fig. 5, wobei jedoch der Hohlraum geschlossen ist und bei einem minimalen Außendruck die freitragende Schicht so stark abgesenkt wird, daß zwischen den metallischen Schichten und 6 elektrischer Kontakt hergestellt wird.
Anwendung der Ausführungsform ^ (freitragende Zunge)
Aufbau eines Biegeschwingers zur Detektierung von Druckschwankungen oder Vibrationen der Unterlage mit welcher das Substrat 1 verbunden ist. Die Abstimmung der Eigenfrequenz kann durch Verminderung der Zungenlänge mittels Laserstrahlen erfolgen. Eine Umsetzung der elastischen Verformung der Zunge in ein elektrisches Signal ist mit Hilfe von aufgedruckten Widerstandsschichten möglich. Eine bevorzugte Anwendung als Klopfsensor zur Peststellung von klopfender Verbrennung in der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wo Klopffrequenzen um .10 kHz erfaßt werden müssen. Eine auf diese Frequenz abgestimmte Zunge muß etwa zwei Millimeter lang sein und kann somit gut realisiert werden.
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J ναοηοερϊειοηϊ [
Patentanmeldung P 30 1 5 356.1 R. 62Vf Lr/Wl
Robert Bosch GmbH, Stuttgart U. August I98O
-Jf-
Verwendung als Beschleunigungssensor durch Aufbringen einer schweren Masse 9 auf die freitragende Zunge entsprechend Fig. k. Aufdrucken von Gold oder Belegung einer im Bereich 9 aufgedruckten Leiterbahn mit hoch "bleihaltigem Lot zur Erzeugung der Masse 9· Die Umsetzung der elastischen -Verformung in ein elektrisches Signal kann über aufgedruckte Dichschichtwider.stände erfolgen. Dies erlaubt die technische Verwendung als Sensor zum Auslösen eines "Air Bags" bei Auffahrun- ; fällen, von Kraftfahrzeugen.
Von dem Grundgedanken der Erfindung kann auch in der Weise Gebrauch gemacht werden, daß der in den Figuren 1, 2 und h bei 2 angedeutete Füllstoff aus einem Metall oder metallhaltigen Paste, insbesondere Kupfer hergestellt, insbesondere aufgedruckt wird und dann wie oben beschrieben die Schicht 3 aufgebracht wird. Um diese Schicht■freitragend auszubilden, kann das Metall bzw. Kupfer in einem Ätzvorgang entfernt werden.
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Λ3
Leerseite

Claims (6)

  1. 2Λ. 198ο Lr/Me
    ROBERT BOSCH GMBK, 7OOO STUTTGART 1
    Ansprüche
    IJ Freitragende Schichten, die auf einem hochtemperaturbeständigen Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) aus einem mit Mitteln der Dickschicht-Technologie hergestellten Material besteht.
  2. 2. Verfahren zur Herstellung freitragender Schichten auf einem hochtemperaturbeständigen Substrat mit Hilfe der Dickschicht-Technologie, dadurch gekennzeichnet, daß auf diejenige Fläche des Substrats (1), über welcher die Schicht (3) freitragend angebracht werden soll, ein Füll-
    vorzugsweise
    stoff 2 - / aus einer unter Temperatureinwirkung vergasbaren Substanz - angebracht und zur Bildung der freitragenden Schicht (3) auf den Füllstoff (2) eine Paste aufgetragen, insbesondere aufgedruckt wird, deren aktiver Bestandteil in der aus der Dickschichttechnik bekannten Weise aus Glaskeramik oder/und kristallisierenden Gläsern besteht, wobei die Schicht (3) den Füllstoff (2) mindestens teilweise überdeckt und mit wenigstens einem Teil, der Schicht-
    • ■ ·
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    Lr /Me
    fläche auf dem Substrat aufliegt, und daß in einem ersten Brennprozeß die Schicht (3) unter Schutzgasatmosphäre j vorzugsweise Stickstoff verfestigt und dann in einem zweiten Brennprozeß - vorzugsweise in oxydierender Atmosphäre - der Füllstoff vergast, insbesondere verbrannt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Brennen der Schicht (3) in der Schutzgasatmosphäre des Ofens bis zu Temperaturen unterhalb etwa 500 0C ein definierter Restsauerstoffgehalt eingehalten und eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit angewendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat (1) eine Metallfläche (6) aufgebracht, insbesondere aufgedampft., aufgedruckt oder aufkaschiert wird und daß der Füllstoff (2) über dieser Metallschichtfläche angebracht wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis U, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der freitragend ausgebildeten Schicht (3) eine elektrisch leitfähige Schicht oder Widerstandsschicht (5) auf dem Füllstoff (2) angebracht und auf diese Schicht (5) die freitragend auszubildende Schicht (3) aufgebracht wird.
    130044/0133
    NACHGERE(CiHT |
    Patentanmeldung P 30 15 356.1 R. 62^7 Lr/Wl
    Robert Bosch GmbH, Stuttgart 1+. August 1980
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 55 dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Zugangskanals zu dem im übrigen von der freitragend auszubildenden Schicht (3) abgedeckten Hohlraum der Füllstoff-Auftrag an wenigstens einer seiner Begrenzungskanten mit einem Ansatz (2a) versehen wird, der beim Aufbringen der Schicht ausgespart bzw. von dieser nicht völlig bedeckt wird.
    7- Verfahren zur Herstellung von freitragenden Schichten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff (2) eine ausätzbare Substanz, insbesondere Kupfer angebracht wird.
    1300U/0 133
DE19803015356 1980-04-22 1980-04-22 Freitragende schichten sowie verfahren zur herstellung freitragender schichten, insbesondere fuer sensoren fuer brennkraftmaschinen Granted DE3015356A1 (de)

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