CN102656433A - 陶瓷产品及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷产品（1）包括第一陶瓷部分（2）和第二陶瓷部分（3），其中第一陶瓷部分（2）借助接头被连接到第二陶瓷部分（3），其中该接头包括活性钎焊合金，其特征在于，在接头中活性钎焊合金的成分是非均质地分布的，至少在活性钎焊合金和陶瓷之间的界面处，活性钎焊合金的该至少一种活性成分是浓缩的。为了生产该产品，以如下方式提供活性硬钎焊合金材料：使得陶瓷部分中的至少一个的至少一个表面区段首先涂覆有活性钎焊合金的至少一种活性成分，并且在受涂覆部分上设置合金，当该合金在加热期间熔化时，该合金与涂层合金化并且在两个陶瓷部分之间形成金属接头。

Description

陶瓷产品及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷产品，特别地一种陶瓷压力传感器，及其制造方法。陶瓷压力传感器包括平台和测量膜，其中借助活性硬焊料（hardsolder）或者硬钎料（braze）接合测量膜。用于接合由刚玉制成的陶瓷部分的适当的活性硬焊料或者硬钎料例如是Zr-Ni-Ti合金，因为它的热膨胀系数与刚玉相当。在实践中，证明了难以利用活性硬焊料或者钎焊控制陶瓷材料的浸润，其中必须超过预期接合程度地在活性硬焊料或者钎焊的非完全的浸润和散布之间找到平衡。

发明内容

本发明的目的因此在于提供克服了现有技术的缺点的一种方法和根据这种方法制造的陶瓷产品。

根据本发明通过如在权利要求1中限定的方法和如在权利要求6中限定的陶瓷产品的特征实现了该目的。

本发明的方法包括：提供第一陶瓷部分和第二陶瓷部分；在第一陶瓷部分和第二陶瓷部分之间提供活性硬焊料或者硬钎料材料；并且，在钎焊（soldering）/硬钎焊（brazing）过程中加热活性硬焊料或者硬钎料，其中，根据本发明，以如下方式提供活性硬焊料或者硬钎料材料：使得首先利用活性硬焊料或者硬钎料的至少一种活性成分涂覆陶瓷部分中的至少一个的至少一个表面区段，并且在受涂覆区段上提供合金，通过在加热期间熔化该合金，该合金与涂层合金化并且在两个陶瓷部分之间形成金属接头，其中至少该活性成分与陶瓷部分反应。

钎焊/硬钎焊过程可以特别地是真空钎焊/硬钎焊过程或者伴随保护性气体执行的钎焊/硬钎焊过程。

在本发明进一步的改进中，两个陶瓷部分中的每一个均至少在表面区段中涂覆有活性硬焊料或者硬钎料的至少一种活性成分，并且将合金设置在第一陶瓷部分和第二陶瓷部分的受涂覆区段之间。

在本发明进一步的改进中，具有该至少一种活性成分的涂层具有不小于10nm，特别地不小于40nm，并且优选地不小于80nm的厚度。

在本发明进一步的改进中，具有该至少一种活性成分的涂层具有不大于400nm，特别地不大于300nm，并且优选地不大于200nm的厚度。

该至少一种活性成分特别地包括钛或者锆，其中该接头包括Zr-Ni-Ti合金。在本发明进一步的改进中，该至少一个涂层包含Zr和Ti。

根据本发明进一步的改进，陶瓷部分中的至少一个包括刚玉。

在本发明进一步的改进中，陶瓷部分包括压力传感器的测量膜和平台。

本发明的陶瓷产品包括第一陶瓷部分和第二陶瓷部分，其中第一陶瓷部分经由接头与第二陶瓷部分连接，其中该接头包括活性硬焊料或者硬钎料，其中该接头具有活性硬焊料或者硬钎料的成分的非均质分布，其中至少朝向界面，活性硬焊料或者硬钎料的该至少一种活性成分是浓缩的。

在本发明进一步的改进中：

$\frac{\underset{-d/2}{\overset{d/2}{\∫}}\left|x\right|\·c_i\left(x\right)\mathrm{dx}}{\underset{-d/2}{\overset{d/2}{\∫}}{c}_i\left(x\right)\mathrm{dx}}\≥\frac{a\·d}{4},$

其中a≥1特别地a≥1.1并且优选地a≥1.3。在这种情形中，d是接头的厚度，即在接头的区域中陶瓷部分的间隔，其中零点位于陶瓷部分之间的中间处，并且其中c_i（x）是以质量%的该至少一种活性成分的局部浓度。

在本发明进一步的改进中：

$\frac{\underset{-d/2}{\overset{d/2}{\∫}}\left|x\right|\·(c_i\left(x\right)-c_i\left(0\right))\mathrm{dx}}{\underset{-d/2}{\overset{d/2}{\∫}}{c}_i\left(x\right)-c_i\left(0\right)\mathrm{dx}}\≥\frac{a\·d}{4},$

其中a≥1.1特别地a≥1.25，优选地a≥1.5并且进一步优选地a≥1.7。

在本发明进一步的改进中，接头包括三元Zr-Ni-Ti合金，其具有c_Zr质量%的Zr、c_Ni质量%的Ni和c_Ti质量%的Ti，其中特别地100>c_Zr+c_Ni+c_Ti≥100–R，并且R<0.5，优选地R<0.3并且进一步优选地R<0.25，其中c_i是成分i跨越接头的平均浓度。

杂质可以包括例如氧、碳和其它金属，其中基于质量，其它金属的份额总计例如不大于400ppm，优选地不大于300ppm，并且特别地优选地不大于250ppm。氧部分总计例如不大于3000ppm，优选地不大于2500ppm并且进一步优选地不大于2200ppm。氧可以特别地以合金成分的氧化物的形式存在。碳可以例如以不大于300ppm，优选地不大于200ppm并且特别地优选地不大于150ppm的浓度存在。在确定金属杂质的浓度的情形下，从陶瓷部分的基质扩散到接头的合金中的铝原子不被视为污染物。类似地，扩散到陶瓷部分的基质中并且在那里被氧化的活性合金成分不是氧杂质的指标。因此，在确定杂质浓度的情形下，例如可以仅考虑接头的中央体积范围，该中央体积范围例如从-0.4d到0.4d延伸，优选地从-0.35d到0.35d延伸。

合金的成分的浓度位于例如55<c_Zr<65.5、20.5<c_Ni<27.5并且14<c_Ti<17.5的范围内。在当前优选的实施例中，这些范围是61<c_Zr<63.5，21.5<c_Ni<24和14.5<c_Ti<15.5。关于浓度的特别优选的目标值是c_Zr=63、c_Ni=22并且c_Ti=15，其中对于本领域技术人员而言，可以理解在实践中仅在特定的公差内实现这些准确的值。

由于借助涂覆有活性成分的陶瓷部分的涂层而制备接头，要假设：相对于接头的体积，非活性成分以较小的浓度存在于与陶瓷部分的界面上。在这方面，例如存在活性硬焊料或者硬钎料的边界区域，其中从陶瓷扩散进来的铝原子的浓度大于在这个区域中的Ni原子的浓度。这个区域从陶瓷部分和接头之间的界面沿接头的方向上延伸出例如不小于10nm，特别地不小于40nm，并且优选地不小于80nm。出于这些考虑，该界面用x坐标被定义为这样的区域：将c_Zr（x）+c_Ni（x）+c_Ti（x）≥c_Al（x）+c_O（x）的区域与c_Zr（x）+c_Ni（x）+c_Ti（x）≤c_Al（x）+c_O（x）的区域相分开的区域。

在本发明进一步的改进中，接头具有不小于0.5μm并且不大于150μm，特别地不大于80μm，并且优选地不大于50μm的厚度。

浓度c_i（x）的确定可以例如利用TOF-SIMS方法，因此利用根据行进时间方法的二次离子质谱进行。

在本发明进一步的改进中，陶瓷产品是压力传感器，其中陶瓷部分包括平台和测量膜。

本发明的压力传感器进而包括用于将测量膜的、取决于压力的变形转换成电或者光信号的换能器（这里未被更加详细地示意）。该换能器可以特别地是电容性、电阻性或者干涉换能器。

压力传感器可以特别地包括绝对压力传感器、相对压力传感器或者压力差传感器。在压力差传感器的情形下，测量膜可以例如被布置在两个基板之间，或者平台载有经由平台中的压力传递液体而被液压地相互耦接的两个测量膜。在该一个测量膜和该两个基板之间或者在该两个测量膜和该一个平台之间的接头可以根据本发明按如下方式制备，使得在引入活性焊料预制件以在受涂覆的各陶瓷部分之间执行钎焊/硬钎焊过程之前，在每一中情形下均首先利用活性硬焊料或者硬钎料的活性成分对接头区域中的平台和/或测量膜进行涂覆。

附图说明

现在将基于附图更加详细地解释本发明，其中唯一的一幅图如下地示出：

图1本发明的压力传感器的组件。

具体实施方式

在图1中示意的陶瓷压力传感器1的组件包括圆盘形测量膜2和由刚玉制成的圆盘形平台3。测量膜2和平台3具有例如20mm的直径。测量膜2和平台3将在高真空钎焊/硬钎焊过程中借助Zr-Ni-Ti活性硬焊料或者硬钎料被压力紧密地连接。

然而，与以前的标准方法相反，在接头的区域中分别地在测量膜2上和在平台3上沉积活性成分的环形涂层4、5。这可以例如是在每一个情形下均具有例如150nm的厚度的钛层。可以例如在溅射过程中沉积涂层4、5。

然后在该两个涂层之间布置与涂层相对准并且具有例如20μm的厚度的环形活性硬焊料或者硬钎料预制件6。在活性硬焊料或者硬钎料预制件6的合金中，钛的浓度能够被降低到例如大约10%，从而在钎焊/硬钎焊过程之后在接头上接近平均具有c_Zr=63、c_Ni=22和c_Ti=15的理想合金。活性硬焊料或者硬钎料预制件的组成的一个实例可以是：C_Zr=64、c_Ni=22.5并且c_Ti=13.5。

在活性硬焊料或者硬钎料预制件被布置在各涂层之间之后，组件在钎焊/硬钎焊过程中相互连接，特别地以高真空钎焊/硬钎焊过程相互连接。

替代具有钛的涂层，还可以使用具有锆或者具有钛和锆的混合物的涂层。

借助带有活性成分的这些涂层，获得了在活性成分和刚玉之间的相互作用的改进的控制。

Claims (14)

1.一种用于制造陶瓷产品的方法，包括：

提供第一陶瓷部分和第二陶瓷部分；

在所述第一陶瓷部分和所述第二陶瓷部分之间提供活性硬焊料或者硬钎料材料；和

在钎焊/硬钎焊过程中加热所述活性硬焊料或者硬钎料，其特征在于：

以如下方式提供所述活性硬焊料或者硬钎料材料：使得所述陶瓷部分中的至少一个的至少一个表面区段首先涂覆有所述活性硬焊料或者硬钎料的至少一种活性成分，

并且，在受涂覆区段上提供合金，通过在加热期间熔化所述合金，使得所述合金与涂层合金化并且在所述两个陶瓷部分之间形成金属接头，其中至少所述活性成分与至少一个陶瓷部分反应。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述两个陶瓷部分中的每一个均至少在表面区段中涂覆有所述活性硬焊料或者硬钎料的至少一种活性成分，并且其中将所述合金设置在所述第一陶瓷部分和所述第二陶瓷部分的所述受涂覆区段之间。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其中所述钎焊/硬钎焊过程是真空钎焊/硬钎焊过程或者伴随保护性气体执行的钎焊/硬钎焊过程。

4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中具有所述至少一种活性成分的所述涂层具有不小于10nm、特别地不小于40nm、并且优选地不小于80nm的厚度。

5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中具有所述至少一种活性成分的所述涂层具有不大于400nm、特别地不大于300nm、并且优选地不大于200nm的厚度。

6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述至少一种活性成分特别地包括钛和/或锆，其中所述接头包括Zr-Ni-Ti合金。

7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述陶瓷部分中的至少一个包括刚玉。

8.一种陶瓷产品（1），包括

至少第一陶瓷部分（2）和第二陶瓷部分（3），其中第一陶瓷部分（2）借助接头与第二陶瓷部分（3）连接，其中所述接头包括活性硬焊料或者硬钎料，其特征在于，

所述接头具有所述活性硬焊料或者硬钎料的成分的非均质分布，其中至少在所述活性硬焊料或者硬钎料和所述陶瓷之间的界面处，所述活性硬焊料或者硬钎料的所述至少一种活性成分是浓缩的。

9.根据权利要求8所述的陶瓷产品，其中：

$\frac{\underset{-d/2}{\overset{d/2}{\&Integral;}}\left|x\right|\&CenterDot;c_i\left(x\right)\mathrm{dx}}{\underset{-d/2}{\overset{d/2}{\&Integral;}}{c}_i\left(x\right)\mathrm{dx}}\&GreaterEqual;\frac{a\&CenterDot;d}{4},$

其中a≥1，特别地a≥1.1，优选地a≥1.3，其中d是所述接头的厚度，其中所述零点位于所述陶瓷部分之间的所述接头的中间处，并且其中c_i（x）是以质量%的所述至少一种活性成分的与位置相关的浓度。

10.根据权利要求8或者9所述的陶瓷产品，其中：

$\frac{\underset{-d/2}{\overset{d/2}{\&Integral;}}\left|x\right|\&CenterDot;(c_i\left(x\right)-c_i\left(0\right))\mathrm{dx}}{\underset{-d/2}{\overset{d/2}{\&Integral;}}{c}_i\left(x\right)-c_i\left(0\right)\mathrm{dx}}\&GreaterEqual;\frac{a\&CenterDot;d}{4},$

其中a≥1.1，特别地a≥1.25，优选地a≥1.5，进一步优选地a≥1.7，其中d是所述接头的厚度，其中所述零点位于所述陶瓷部分之间的所述接头的中间处，并且其中c_i（x）是以质量%的所述至少一种活性成分的与位置相关的浓度。

11.根据权利要求8到10中的一项所述的陶瓷产品，其中所述陶瓷产品是压力传感器（1），其中所述陶瓷部分包括平台（3）和测量膜（2）。

12.根据权利要求8到11中的一项所述的陶瓷产品，其中所述接头包括三元Zr-Ni-Ti合金，所述三元Zr-Ni-Ti合金具有c_Zr质量%的Zr、c_Ni质量%的Ni和c_Ti质量%的Ti，其中100>c_Zr+c_Ni+c_Ti≥100–R，并且R<0.5，特别地R<0.3并且优选地R<0.25。

13.根据权利要求12所述的陶瓷产品，其中所述合金的各成分的各浓度位于如下范围内：55<c_Zr<65.5、20.5<c_Ni<27.5并且14<c_Ti<17.5，特别地位于61<c_Zr<63.5、21.5<c_Ni<24并且14.5<c_Ti<15.5的范围内。

14.根据权利要求12到13中的一项所述的陶瓷产品，其中存在边界区域，在所述边界区域中，从所述陶瓷扩散进来的、在所述活性硬焊料或者硬钎料中的铝原子的浓度大于在这个区域中的Ni原子的浓度，其中这个区域从所述陶瓷部分和所述活性硬焊料或者硬钎料之间的界面沿所述活性硬焊料或者硬钎料的方向延伸出不小于10nm，特别地不小于40nm，并且优选地不小于80nm。

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