CN114751763A - 连接、电贯通件和传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连接(1)，其借助玻璃粘结剂(4)将合金元件(2)与陶瓷元件(3)相连接；玻璃粘结剂通过材料配合连接(24)与合金元件连接，并通过另一个材料配合连接(34)与陶瓷元件连接；玻璃粘结剂由熔点低于800℃的玻璃制成；玻璃粘结剂的热膨胀系数为至少9×10‑6K‑1；玻璃粘结剂的铋含量为至少10％；合金元件的热膨胀系数为至少9×10‑6K‑1；陶瓷元件的热膨胀系数为最大8×10‑6K‑1；玻璃粘结剂与陶瓷元件的材料配合连接(34)具有混合区域(10)；混合区域(10)是陶瓷元件(3)的子区域；混合区域(10)的铋含量高于在混合区域(10)之外的陶瓷元件(3)的铋含量。

Description

连接、电贯通件和传感器
技术领域
本发明涉及一种连接，该连接借助于玻璃粘结剂将合金元件与陶瓷元件连接起来，其中玻璃粘结剂通过材料配合连接与合金元件连接，并且通过另一个材料配合连接与陶瓷元件连接。本发明还涉及一种包括上述连接的电贯通件。本发明还涉及一种包括至少一个这种电贯通件的传感器。
背景技术
在许多工业产品中都需要在不同材料之间实现耐热的材料配合连接。在此，通常是将两个待连接元件通过粘结剂来材料配合地连接。陶瓷元件与由金属合金(简称为合金)或金属制成的合金元件之间耐热的材料配合连接通常会由于不同的热膨胀系数而带来挑战，或者严重限制了材料选择。在冶金学中，合金是包括至少两种化学元素的材料，其中至少一种材料是金属，并且它们共同具有金属键的特征。为了更好地理解，在下文中将以术语金属合金或简称合金来指代纯金属或金属合金或其他的金属材料。如果使待连接元件在高温下建立连接，例如利用金属焊料作为连接剂在焊料熔化温度下进行钎焊，则在不同于焊料熔化温度的温度下会有强力作用在该连接上。这些力也被称为机械应力。在温度变化时，该力也发生变化，由此导致连接在温度变化时变弱，这可能会导致开裂或者其它不利于连接性能的影响。
在传感器中经常会发现这种耐热的材料配合连接，例如在电贯通件中，其壳体与传感器壳体或设备壳体焊接在一起。金属导体通常是直接穿过由玻璃制成的绝缘玻璃粘结剂。玻璃粘结剂被壳体径向地围绕。中空柱形的玻璃粘结剂通常是用于在一个待连接元件的壳体与另一个待连接元件的导体之间实现连接。在商用穿引件中，一种已知的玻璃粘结剂是硼硅酸盐玻璃。在制造穿引件时，硼硅酸盐玻璃在超过800℃的高温下熔化，并与待连接元件建立材料配合的连接。这在本领域中也被称为“玻璃化”。
特别是由于日益微型化的趋势，典型的传感器壳体是尽可能得薄和小。因此，所使用的材料必须具有细晶粒结构的特征，细晶粒结构是指具有结晶区(也称为晶粒)的材料，其具有很小的、低于0.01mm的平均粒度。在此，该平均粒度是采用来自ASTM InternationalStandard Test Method E112-10，DOI：10.1520/E0112-10的方法来确定。
特别是在力和压力传感器中，通常存在薄金属膜。在此类传感器中，通常还存在薄壁的金属预紧套筒，其以尽可能薄壁的预紧套筒以预紧力对测量元件进行机械预紧。在此，预紧套筒通常是与金属传感器壳体焊接在一起。为了实现良好的焊接，传感器壳体通常由与预紧套筒相同的材料制成，即使壳体本身不具有薄的或易损的元件或结构。具有薄壁膜的传感器也是已知的。与预紧套筒一样，它们通常是与传感器壳体焊接在一起，以便实现气密连接来保护传感器的内部空间免受环境影响，例如根据专利文献US4016437A。因此，这种传感器壳体是例如由马氏体钢制成，例如EN材料号为1.4542、1.4534或1.4614的钢。然而，已知的电贯通件通常具有钢等级为1.3981的壳体，其具有奥氏体的并因此为粗粒度的结构。本申请意义下的粗粒度是指平均粒度大于0.01mm。EN材料号为1.3981的钢具有与氧化铝和硼硅酸盐玻璃类似的热膨胀系数。然而，马氏体钢的特征在于具有明显更大的热膨胀系数，为9至12×10-6·K-1。马氏体钢与EN材料号为1.3981的钢之间的这种不相容性所造成的结果是：钢之间的连接区的延伸极限小于马氏体钢，并且钎焊连接或焊接或其它材料配合的连接会因为待连接元件的不同热膨胀系数而易于产生裂缝。
为了使在材料结合连接中所使用的玻璃粘结剂不太过流动并且不会污染待连接元件的与材料结合连接在空间上间隔开的区域，所谓的玻璃化温度只需略高于玻璃粘结剂的熔化温度即可。污染的结果是使得这些区域例如不能再用于进一步的钎焊连接或焊接。玻璃化温度接近玻璃粘结剂的熔化温度能够防止粘结剂的不必要流动。尽管加工温度接近于玻璃粘结剂的熔点，但是为了获得无孔和/或无空穴的材料配合连接，即所谓的无孔和/或无空穴的玻璃化，必须以窄公差带来制造玻璃粘结剂，以便使待连接元件与玻璃粘结剂之间的接触在玻璃化之前就已经存在。在冶金学中，一体积中的空腔被称为空穴，其是由于熔体的冷却和凝固而出现。玻璃粘结剂必须具有较高的形状和位置公差。然而，形状和位置公差很难实现，只有付出很高的成本才能实现。
由专利文献US3638076A已知一种在由金属钽和陶瓷制成的元件之间的材料配合连接，其中该连接是通过由玻璃制成的粘结剂来实现。钽、陶瓷和玻璃被选择为，它们的热膨胀系数不大于1.5×10-6K-1。由于钽的熔化温度高于3000℃，因此其不适合于许多应用。此外，钽也非常容易氧化，因此焊接时需要惰性环境。而且它还很昂贵。该专利文献US3638076A的玻璃材料具有超过900℃的高熔点。然而，这样的高温可能会损坏特别是薄的金属元件，例如发生不可逆的变形。
各种材料之间的耐热的材料配合连接也应用于通过陶瓷对金属表面的电绝缘中。在此，金属表面是与平面的陶瓷形成材料配合的连接。
发明内容
本发明的目的是在金属材料与陶瓷之间实现连接，该连接是耐热的，其能够低成本地进行并且可以在低于800℃的低温下生产。本发明的另一目的是提供一种耐热且可低成本生产的电贯通件。
本发明的目的通过本发明的技术方案来实现。。
本发明涉及一种连接，该连接借助于玻璃粘结剂将合金元件与陶瓷元件连接起来，其中玻璃粘结剂通过一材料配合连接与合金元件连接，并且通过另一材料配合连接与陶瓷元件连接；其中，玻璃粘结剂由熔点低于800℃的玻璃制成；玻璃粘结剂的热膨胀系数为至少9×10 6K 1；玻璃粘结剂的铋含量为至少10％；合金元件的热膨胀系数为至少9×106K 1；陶瓷元件的热膨胀系数为最大8×10 6K 1；玻璃粘结剂与陶瓷元件的材料配合连接具有混合区域；该混合区域是陶瓷元件的子区域；并且该混合区域的铋含量高于在混合区域之外的陶瓷元件的铋含量。
本发明还涉及一种包括上述连接的电贯通件。
物质(例如铋)在物质混合物(例如玻璃)中的分量的百分比数据是指物质的分量相对于物质混合物的总重量的重量百分比。
在这里，玻璃与通常一样被理解为一种具有玻璃转化温度的材料，固体玻璃在该温度下转化为橡胶状至粘稠的状态。在此，粘稠的通常是被定义为约1012Pa·s(帕斯卡秒)的粘度。玻璃转化无关于精确的温度，而是与温度范围有关。玻璃转化温度也被称为玻璃温度或转变温度。
此外，玻璃还具有用于形成材料配合连接的玻璃化温度。该玻璃化温度在下文中也被称为熔化温度。玻璃化也被称为熔化。
合金元件的热膨胀系数至少为9×10-6K-1，并且具有一定份额的铋的玻璃粘结剂的热膨胀系数至少为9×10-6K-1。除非另有说明，所有热膨胀系数的数据都是指25℃室温至100℃之间的热膨胀系数。合金特别是马氏体钢。因此，合金元件与玻璃粘结剂的连接在热膨胀系数方面是没有问题的。陶瓷元件具有最大为8×10-6K-1的热膨胀系数。因此，合金元件与陶瓷元件的热膨胀系数的范围不重叠。合金元件与玻璃粘结剂的材料配合连接以及陶瓷元件与玻璃粘结剂的材料配合连接是通过至少部分地熔化玻璃粘结剂来实现。熔化的玻璃粘结剂分别与合金元件和陶瓷元件接触。至少应将玻璃粘结剂的含铋部分引入到陶瓷元件中。陶瓷元件的下述子区域被称为混合区域：在该子区域中，在陶瓷元件与玻璃粘结剂材料配合连接之前，陶瓷元件中的铋含量已证明高于陶瓷元件本身。在该混合区域内部，热膨胀系数与玻璃粘结剂的热膨胀系数相匹配。通过使混合区域的热膨胀系数与玻璃粘结剂的热膨胀系数的相匹配，在混合区域与玻璃粘结剂之间的边界上在温度变化时所产生的力要小于在没有将该份额的铋引入到陶瓷元件中以匹配热膨胀系数的情况下所产生的力。这是有利的，因为由此使得在陶瓷元件与玻璃粘结剂之间的边界处发生作用的力小于在陶瓷元件中不存在该混合区域时所作用的力。这降低了材料配合连接损坏的可能性。玻璃粘结剂与陶瓷元件之间的材料配合连接在直到接近玻璃粘结剂的玻璃转化温度时都是耐热的。
在合金元件与玻璃粘结剂之间的材料配合连接处，由于合金元件和玻璃粘结剂的热膨胀系数具有良好的一致性，因此在温度变化时不会产生力或仅产生较小的力。因此，玻璃粘结剂与合金元件之间的材料配合连接在直至接近玻璃粘结剂的玻璃化温度时也都是耐热的。
通过根据本发明的借助于玻璃粘结剂在合金元件与陶瓷元件之间进行连接，避免了在具有不同热膨胀系数的材料的连接过程中在温度变化时所发生的裂纹形成。
在此，一种温度变化是玻璃粘结剂或合金元件或陶瓷元件的温度的变化，或者是玻璃粘结剂、陶瓷元件、合金元件的组合在至少10℃的温度下从数秒至数天时间内的变化。一种温度变化是在至少两个温度之间的重复温度变化。
本发明还涉及一种电贯通件，其包括至少一个在前文中所描述的连接。
附图说明
下面参照附图示例性地详细说明本发明。其中：
图1为根据一种实施方式的连接的示意性局部视图，
图2为根据另一种实施方式的连接的示意性局部视图，
图3为根据又一种实施方式的连接的示意性局部视图，
图4为根据一种实施方式的电贯通件的示意性局部视图，
图5为根据另一种实施方式的电贯通件的示意性局部视图，
图6为根据又一种实施方式的电贯通件的示意性局部视图，
图7为根据再一种实施方式的电贯通件的示意性局部视图，
图8为根据一种实施方式的电贯通件的局部视图，
图9为根据另一种实施方式的电贯通件的示意性局部视图，
图10为根据另一种实施方式的电贯通件的示意性局部视图，
图11为包括电贯通件的传感器壳体的示意性局部视图，
图12为传感器的示意性局部视图。
其中，附图标记列表如下：
1 连接
2 合金元件
3 陶瓷元件
4 玻璃粘结剂
5 穿引件
6 导体
7 壳体
8 传感器元件
9 传感器
10，10' 混合区域
11 绝缘段
24 材料配合的连接
31 开口
34 材料配合的连接
61 导体直径
71 开口
72 开口壁
73，73' 端部元件
91 贯通开口
92 传感器壳体，设备壳体
A，B 区域
C 内部区域
D 外部区域
L 纵轴
S 材料配合的连接，焊接
具体实施方式
图1示出了根据一种可能实施方式的连接1的示意性局部视图。
连接1是合金元件2与陶瓷元件3借助于玻璃粘结剂4的连接。玻璃粘结剂4通过材料配合连接24与合金元件2相连接。此外，玻璃粘结剂4通过材料配合连接34与陶瓷元件3相连接。玻璃粘结剂4具有低于800℃的熔点。与陶瓷元件3和合金元件2的相应材料配合连接24、34分别是在略高于玻璃粘结剂2的熔化温度的温度下进行。在下文中，低温是指低于800℃的温度，而高温是指高于800℃的温度。玻璃粘结剂4的低熔化温度是通过玻璃粘结剂4具有至少为10％份额的铋来实现。
玻璃粘结剂4的低熔化温度降低了陶瓷元件3和合金元件2由于纵向扩展而产生的机械应力，如其在与例如具有高熔化温度的硼硅酸盐玻璃的材料配合连接中所出现的那样。此外，用于建立连接1的低温是有利的，因为相关陶瓷元件3和相关合金元件2以及玻璃粘结剂4的纵向扩展由于热膨胀系数的不同而取决于温度。因此，玻璃粘结剂4与陶瓷元件3或合金元件2之间的纵向扩展并因此使得纵向扩展差比使用高温建立连接1时更小。在连接1中，如果通过玻璃粘结剂4连接的陶瓷元件3和合金元件2在与玻璃粘结剂4的材料配合连接24、34之后被使用在其它温度下，例如在室温下或在摄氏刻度的负数范围内的温度下，则关于前述高温具有不同热膨胀系数的陶瓷元件3和合金元件2的纵向扩展中的相对差异要小于必须在高温下建立的材料配合连接中的相对差异。
根据本发明，连接1具有混合区域10。该混合区域10具有一定份额的铋。该混合区域10是陶瓷元件3的子区域。
在此，陶瓷元件3就时间而言在与玻璃粘结剂4的材料配合连接34之前的铋含量要低于混合区域10的铋含量。陶瓷元件3中在时间上在材料配合连接34之前的铋含量也可以是零或低至无法检测的程度。例如，可以通过普遍已知的X射线荧光测量或X射线吸收测量来检测铋的存在。但也可以使用已知的材料分析方法来证明铋的存在，例如二次离子质谱法(SIMS)。
混合区域10的铋含量高于混合区域10外部的陶瓷元件3的铋含量。
混合区域10在空间上与玻璃粘结剂4相邻地布置。在图1至图3中示出了连接1的三种实施方式。
合金元件2的热膨胀系数至少为9×10-6K-1，并且具有一定份额的铋的玻璃粘结剂4的热膨胀系数至少为9×10-6K-1。因此，就热膨胀系数而言，合金元件2和玻璃粘结剂4的材料配合连接24是可行的。
陶瓷元件3具有最大为8×10-6K-1的热膨胀系数。陶瓷元件3的热膨胀系数通过在陶瓷元件的被称为混合区域10的子区域中加入一定份额的铋来提高。因此，铋含量增加的混合区域10中的热膨胀系数高于混合区域10外部的铋含量未增加的陶瓷元件3中的热膨胀系数。通过在陶瓷元件3的混合区域10中加入铋，混合区域10的热膨胀系数更加接近玻璃粘结剂4的热膨胀系数和合金元件2的热膨胀系数。相比于没有混合区域10的连接1，混合区域10降低了陶瓷元件3与玻璃粘结剂4之间边界处的机械应力，因为部分应力现在是发生在混合区域10内部并因此发生在陶瓷元件3的一子区域内部。但是在那里，机械应力对于陶瓷元件3和玻璃粘结剂4的材料配合连接34没有负面影响。
在一种实施方式中，混合区域10中的铋含量是朝向玻璃粘结剂4逐渐增大。已经证实：陶瓷元件的热膨胀系数取决于铋含量。在混合区域10中，热膨胀系数随着铋含量的增加而增加。这使得在空间上靠近玻璃粘结剂4的混合区域10中，热膨胀系数也接近于玻璃粘结剂4的热膨胀系数。在混合区域10中的热膨胀系数逐渐接近的情况下，在材料配合连接34的温度发生变化时所出现的机械应力和相关的力分布在整个混合区域10上。在陶瓷元件3与玻璃粘结剂4之间的边界处作用的力小于在陶瓷元件3中不存在混合区域时在合金元件2与陶瓷元件3之间作用的力。
为了使混合区域10中的热膨胀系数与玻璃粘结剂4中的热膨胀系数的逐渐匹配，优选地，使从玻璃粘结剂4到混合区域10的边界处的铋含量骤然降低。在此，从玻璃粘结剂4到混合区域10的边界是通过在混合区域10中存在陶瓷材料和在玻璃粘结剂4中不存在陶瓷材料得到的。由于混合区域10中的热膨胀系数对铋含量的依赖性与玻璃粘结剂4的热膨胀系数对铋含量的依赖性不同，因此混合区域10中的铋含量必须低于玻璃粘结剂4中的铋含量，以便实现热膨胀系数在混合区域10与玻璃粘结剂4之间的边界处的匹配。因此，优选地将混合区域10中的铋含量设计为，使从玻璃粘结剂4到混合区域10的边界处的铋含量骤然降低。含量的骤然变化是指含量在0.001mm的距离内大于5％的相对变化。
优选地，混合区域10具有从粘结剂4的至少0.001mm的空间扩展。在此，对混合区域10的空间扩展的限制一方面是陶瓷元件3的空间扩展。陶瓷元件3的空间扩展因此也相对于直接连接的玻璃粘结剂4限定了混合区域。混合区域10的扩展是在陶瓷元件3中垂直于玻璃粘结剂4的边界进行测量。对混合区域10的另一限制被定义在陶瓷元件3中的铋含量小于或等于陶瓷元件3中直接邻接玻璃粘结剂4处的铋含量的1/e的位置处。值1/e是欧拉数的倒数。直接邻接玻璃粘结剂4的陶瓷元件3中的铋含量是在从玻璃粘结剂4到陶瓷元件3的边界处的陶瓷元件3的第一0.0005mm内部的铋含量。亦即，混合区域10是陶瓷元件3的一子区域。有利的是混合区域10的空间扩展至少为0.001mm，因为在材料配合连接34的温度变化时所产生的力是分布在整个混合区域10上。混合区域10的空间扩展可以通过玻璃化温度和玻璃化持续时间来调整。不需要大于约1.0mm的较大扩展，因为这不会显著提高连接1的耐久性，并且会非必要地增加玻璃化的能源消耗和玻璃化持续时间。
在一种实施方式中，玻璃粘结剂4不含铅。含铅的钎焊玻璃及其特性是众所周知的。然而，铅对生物有机体具有众所周知的有害影响。因此，在电气和电子部件中是部分禁止使用铅的，例如根据欧洲议会和理事会在2011年6月8日发布的用于限制在电气和电子设备中使用特定有害物质的准则2011/65/EU(RoHS)。然而，根据本发明的玻璃粘结剂4可以不含铅。其优点是使得玻璃粘结剂4符合准则2011/65/EU。根据准则2011/65/EU，无铅也被理解为铅含量低于0.1重量比。
玻璃粘结剂4是由熔化温度低于800℃的玻璃制成。为了在玻璃粘结剂4与陶瓷元件3之间形成材料配合连接34，或者在玻璃粘结剂4与合金元件2之间形成材料配合连接24，玻璃粘结剂4至少部分地并且合金元件2或陶瓷元件3分别至少部分地显露玻璃粘结剂4的熔化温度至少几毫秒。与利用由具有高熔化温度的硼硅酸盐玻璃制成的粘结剂形成的常规材料配合连接相比，含有铋的玻璃粘结剂4的低熔化温度的优点在于：玻璃粘结剂4和合金元件2或陶瓷元件3的纵向扩展在室温下要低于在高温下。由此，在温度低于玻璃粘结剂4的熔化温度时潜在的机械应力更小。
在一种实施方式中，将玻璃粘结剂4中的铋含量选择为，使得熔化温度优选地低于650℃。除了上述优点之外，在低于650℃的温度下，还可以使例如由于在陶瓷元件3或合金元件2中的热传导、或者对流、或者热辐射而对靠近连接1的组件的热作用最小化，并由此避免组件或合金元件2或陶瓷元件3老化或损坏。
例如，含有多于50％的Bi2O3、1％至10％的B2O3、10％至50％的ZnO、1％至10％的SiO2、0.1％至1％的Al2O3的玻璃适合于作为玻璃粘结剂4。上述玻璃粘结剂4具有约为520℃的玻璃化温度。适合于作为玻璃粘结剂4的还有例如含有多于50％的Bi2O3、1％至10％的B2O3、1％至10％的ZnO、0.1％至1％的CeO2的玻璃。上述玻璃粘结剂4具有约620℃的玻璃化温度。此外，适合于作为玻璃粘结剂4的还有例如含有多于50％的Bi2O3、1％至10％的B2O3、1％至10％的ZnO、0.1％至1％的CeO2、0.1％至1％的ZrO2的玻璃。上述玻璃粘结剂4的玻璃化温度是在约450℃至约500℃之间的范围内。
在一种实施方式中，陶瓷元件3是电绝缘的。在本文中是将在室温下电阻率至少为109Ω·cm的材料称为电绝缘的。电绝缘的陶瓷元件3有利于下述的电气技术应用：即，使导电的合金元件2通过电绝缘的陶瓷元件3与周围环境电绝缘。适用于电绝缘陶瓷元件3的材料例如是含有至少70％的氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化钇或这些物质的混合物的陶瓷。对于需要高绝缘的应用，上述物质的含量优选地至少为95％。例如在使用在力影响下产生压电电荷的压电测量元件时给出了这种应用。测量元件的压电电荷应尽可能保持无损失以用于测量。已经证明：出于成本原因，由陶瓷3制成的连接元件是特别有利的，其包括80％至98％的、热膨胀系数为约6×10-6K-1的氧化铝。
所使用的陶瓷可以具有多晶和/或单晶结构。单晶结构的一个示例是蓝宝石。
在一种实施方式中，合金元件2具有多晶结构。多晶结构是指具有多个结晶区的结构，这些晶区具有不同的晶格方向。本领域技术人员也将这些晶区称为晶粒。这些晶粒具有尺寸，其被称为粒度并且可以根据ASTM国际标准试验方法(ASTM International StandardTest Method)E112-10来确定。对于具有多晶结构的合金而言，平均粒度是一个重要的特征。已经证明：为了精确地制造膜、壳体、预紧套筒和其它的部分几何尺寸小于0.1mm的金属结构元件，平均粒度必须小于该几何尺寸。在电子和电气技术应用中，金属结构元件的几何尺寸通常是在0.10mm至0.02mm的范围内。因此，对于合金元件2来说，优选的是具有平均粒度小于0.01mm的多晶结构的合金。
在一种实施方式中，合金元件2是马氏体钢。马氏体钢是有利的，因为它们具有平均粒度小于0.01mm的细晶粒结构，并因此允许在成品部件或构件中具有晶粒尺寸数量级的厚度的结构。这对于电子、电气技术或精密机械中的薄导电元件是特别有利的。例如，马氏体钢是EN材料编号为1.4542、1.4534或1.4614的钢之一。
本发明还涉及一种电贯通件5，其包括至少一个连接1，其中连接1是通过玻璃粘结剂4在合金元件2与陶瓷元件3之间形成的连接，其中陶瓷元件3具有前述的混合区域10。
电贯通件5具有壳体7，该壳体就连接1的意义而言是对应于合金元件2。壳体7具有沿着纵轴L设计的开口71。开口71具有开口壁72。开口壁72至少部分地沿着纵轴L径向地包围长形设计的电导体6。在下文中是使用短形的导体6作为电导体6。导体6与开口壁72是电绝缘的。导体6不与开口壁72直接接触。导体6在连接1的意义上是合金元件2。至少一个陶瓷元件3至少部分地布置在开口71的内部，其中陶瓷元件3至少部分地沿着纵轴L径向地包围导体6。例如，开口71具有圆形横截面并且沿着纵轴L延伸。陶瓷元件3在这种情况下例如是中空柱形的，其具有沿着纵轴L的柱轴线和中间开口31，该中间开口具有例如圆形的横截面。在陶瓷元件3的开口31中布置有导体6，其横截面与连接元件的开口31的横截面大体上一致。当然，上述的开口31、71和合金元件2、陶瓷元件4、导体6也可以具有矩形的或多边形的或任何其它的横截面。
玻璃粘结剂4布置在开口71内部邻接陶瓷元件3。玻璃粘结剂4至少部分地沿着纵轴L径向地包围导体6。在此，玻璃粘结剂4是直接连接到陶瓷元件3。玻璃粘结剂4可以在此与陶瓷元件3一样是中空柱形的。在中空柱形的玻璃粘结剂4的情况下，陶瓷元件3和玻璃粘结剂4是以中空柱形的端面相互贴靠。
导体6和陶瓷元件3是通过上述的利用玻璃粘结剂4的连接1来连接。连接1是合金元件2(在此为导体6)与陶瓷元件3借助玻璃粘结剂4所进行的连接。玻璃粘结剂4通过材料配合连接24与导体6连接。此外，玻璃粘结剂4通过材料配合连接34与陶瓷元件3连接。玻璃粘结剂4具有低于800℃的熔点。玻璃粘结剂4如前所述地具有至少10％的铋含量。
开口壁72和陶瓷元件3是通过另一个前述的利用玻璃粘结剂4的连接1来连接。
导体6和开口壁72是与同一个陶瓷元件3连接，其中陶瓷元件3将导体6与开口壁72电绝缘。电贯通件5的可能的实施方式在图4至图9中示出。这两种连接1也可以具有上述实施方式的特征。特别地，连接1也可以具有上述实施方式的特征的组合。
在图4至图9的实施方式中，陶瓷元件3与导体6和开口壁72的连接1是借助于一件式的玻璃粘结剂4来实现。玻璃粘结剂4优选地以烧结体的形式存在。烧结体是这样一种物体：其中细晶粒原料(例如玻璃粉)例如在压力下被挤压，随后被加热到烧结温度；或者例如在压力下被挤压并同时被加热到烧结温度并再次冷却，因此物体的形状保持不变，但是粉末结合成了固体。烧结体还可以通过挤出技术和烧结来制造。在此，烧结温度相应地保持低于玻璃粘结剂4的熔化温度。
在根据图10的另一种实施方式中，陶瓷元件3与导体6的连接1是通过玻璃粘结剂4来进行，并且陶瓷元件3与开口壁72的连接1通过玻璃粘结剂4'来进行。陶瓷元件3具有分别邻接玻璃粘结剂4的混合区域10、10'。在根据图10的这种实施方式中所提及的玻璃粘结剂4、4'不必一定具有相同的玻璃成分。
电贯通件5适用于将电荷从第一区域A传导到第二区域B。在一种实施方式中，第一区域A与第二区域B被气密密封地分开。在此将该气密密封称为连接1，其氦泄漏率低于10- 5Pa·m3·s-1。在DIN EN 1779中描述了泄漏率的相应测定。
优选地，高达350℃的持久或临时温度不会损害电贯通件5的密封性。350°的温度在此低于可用于玻璃粘结剂4的材料的玻璃化温度。当电贯通件5用于350℃以上的高温应用时，例如用在内燃机中，这是有利的。对于高温应用，提供端部元件73以支持电贯通件5的结构完整性。如果力是沿着纵轴L作用在陶瓷元件3上，则陶瓷元件3支撑在端部元件73上。这样的力例如是通过对第一区域A或第二区域B加载压力而出现。端部元件73被构造为开口71的渐窄部，该渐窄部使开口71逐渐变窄，从而使得开口71的横截面至少部分地小于陶瓷元件3的横截面，如图4至图7和图9中所示。
在此，陶瓷元件3可以直接贴靠在端部元件73上，如图4、图6和图9中的实施方式所示。陶瓷元件3也可以在中间插入玻璃粘结剂4的情况下贴靠在端部元件73上，如图7中的实施方式所示。
在根据图5的实施方式中，除了端部元件73以外，还存在另一个端部元件73'，因此陶瓷元件3不仅贴靠在端部元件73'上，并且还在中间插入玻璃粘结剂4的情况下贴靠在端部元件73上。在此，该另一个端部元件与壳体7例如通过焊接S相连接，以使玻璃粘结剂4、陶瓷元件3和导体6能够预先插入到壳体7的开口71中。
端部元件73、73'有利于结构完整性，并因此有利于连接1的密封。即，在高于350℃的温度下，玻璃粘结剂4可以具有比在室温下更低的强度。如果同时有力沿着纵轴L作用在陶瓷元件3上，则可能会损坏连接1。当作用力通过端部元件73被导出时，不会发生这种情况。本领域技术人员根据沿着纵轴L的预期力的方向选择上述实施方式中的一种实施方式。
电贯通件5具有绝缘段11。绝缘段11沿着纵轴L被定义在以下地点：即，导体6在开口71内部沿着纵轴L径向被陶瓷元件3和玻璃粘结剂4包围的位置。因此，导体6的绝缘段11是沿着纵轴L径向地被陶瓷元件3和玻璃粘结剂4包围。在一种实施方式中，绝缘段11和导体直径61之比大于3。这样做的优点在于：电贯通件5对垂直于纵轴L的杠杆力不灵敏，因为导体6是在整个绝缘段11上径向地支撑在开口壁72上。
优选地，壳体7由钢1.4542、1.4534或1.4614的其中之一制成。同样优选地，导体6由钢1.4542、1.4534或1.4614的其中之一制成。在此优选地，壳体7由钢1.4542制成，因为其具有良好的可切削性。钢1.4614也具有良好的可切削性。良好的可切削性意味着具有比例如根据现有技术的钽更好的可切削性。并且导体6优选地由钢1.4542制成。但是，导体也可以由上述钢中的另一种钢制成，例如由钢1.4614制成，其不具有良好的可切削性但是可以被冷拉成长形的形状。
为了制造具有成本效益的电贯通件5，玻璃粘结剂4是作为烧结体来提供。烧结体的制造成本低廉并且可以大批量地进行。然而，玻璃粘结剂4必须在建立材料配合连接24、34之前就已经贴靠在待连接的元件2、3、6、7上。如果距离过大，则在玻璃粘结剂4熔化时例如不会相对于开口壁72形成连续的和无孔的和/或无空穴的材料配合连接24。然而，烧结体由于其制造方法会具有很大的公差。因此在制造时，经常会由于原材料的粉末被压实而出现收缩。对于长度增加的烧结体，只有在付出最大的努力和相关成本的情况下才能获得低于10％的公差。然而，电贯通件5必须具有直径大于壳体7中的开口71的绝缘段11，以便在垂直于纵轴L的杠杆力潜在出现的情况下不会造成任何损坏。已经证明：通过将陶瓷元件3构造为沿纵轴L的方向具有开口71的直径的至少2/3，可以特别经济地制造电贯通件5，而玻璃粘结剂4沿纵轴L的长度至少比玻璃粘结剂4垂直于纵轴L的直径小两倍。这是有利的，因为玻璃粘结剂4不必再主要贡献于绝缘段11的长度，这是由于绝缘段11的主要部分是根据陶瓷元件3的长度被绝缘。
通过身体的电贯通件5例如通过以下步骤来实现。
在壳体7中引入长形设计的开口71。这例如可以通过车削、钻孔、铣削或磨削等切削方法或通过水射流切割、激光切割、侵蚀或类似合适的加工方法来实现。
将陶瓷元件3至少部分地布置在开口71中并且平行于纵轴L，其中陶瓷元件3是中空柱形的。也可以设想其它的造型，其中保留了陶瓷元件3的任务，即导体6与壳体7的绝缘。
将玻璃粘结剂4至少部分地布置在开口71中，平行于纵轴L并且抵靠于陶瓷元件3，其中玻璃粘结剂4是中空柱形的。
将导体6布置在中空柱形的陶瓷元件3内部和玻璃粘结剂4内部，使得陶瓷元件3和玻璃粘结剂4至少部分地沿着纵轴L径向地包围导体6。
通过将这样布置的导体6和壳体7以及玻璃粘结剂4加热到高于玻璃粘结剂4的熔化温度的温度，使玻璃粘结剂4至少部分地液化。将玻璃粘结剂4的至少含铋的部分引入到陶瓷元件3中并形成混合区域10。
改变这样布置的导体6和壳体7以及玻璃粘结剂4的温度，使其低于玻璃粘结剂4的熔化温度，并且形成连接1，其包括在玻璃粘结剂4与导体6之间的材料配合连接24和在玻璃粘结剂4与陶瓷元件4之间的材料配合连接34；以及形成另一个连接1，其包括在玻璃粘结剂4和壳体7之间的材料配合连接24以及在玻璃粘结剂4与陶瓷元件3之间的材料配合连接34。
随着玻璃粘结剂4超过其熔化温度的时间，混合区域10发生扩展。混合区域10的扩展也可以通过高于玻璃粘结剂4的熔化温度的高度来影响。
在一种优选的实施方式中，合金元件2或导体6和/或壳体7是耐腐蚀的。铬含量至少为10.5％的合金是耐腐蚀的。
在一种实施方式中，至少一个合金元件2、和/或陶瓷元件3、和/或导体6、和/或壳体7设有金涂层。这是有利的，因为金涂层对于热膨胀不会有明显的影响，并且通过金涂层可以保护合金元件2和/或陶瓷元件3和/或导体6和/或壳体7免受环境影响，因为金作为贵金属具有已知的良好的化学耐性。特别有利地，为导体6涂上一层金。相对于上述的马氏体合金，这提高了导电性。与金相当地，可以使用银或铂。这样涂层的合金元件2和/或陶瓷元件3和/或导体6和/或壳体7在本发明意义上还具有涂层材料的热膨胀系数。
在一种实施方式中，电贯通件5的壳体7通过材料配合连接S与传感器壳体92或设备壳体92连接，材料配合连接S例如是通过钎焊连接或焊接连接，如图11中示例性示出的那样。材料配合连接S也可以是借助于粘合剂的粘接连接。传感器壳体92或设备壳体92是由金属或合金制成的金属结构元件。优选地，设备壳体92或传感器壳体92由与壳体7相同的合金制成，或者至少由马氏体钢制成。
本发明还涉及一种传感器9，如图12中示例性所示。传感器9包括至少一个传感器元件8、金属传感器壳体92和至少一个电贯通件5。传感器壳体基本包围内部区域C。在内部区域C中布置至少一个传感器元件8。传感器壳体92具有至少一个贯通开口91。在每个贯通开口91中引入至少一个电贯通件5中的一个。所述至少一个传感器元件8与所述至少一个导体6导电连接。电贯通件5通过至少一个导体6中的一个将内部区域C与外部区域D导电连接。传感器元件8被设计用于检测物理量。物理量的信号能够通过导体6在外部区域D中量取。电贯通件5通过材料配合连接S(例如钎焊连接或焊接连接)与传感器壳体92连接。也可以考虑采用其它的材料配合连接S，例如借助粘合剂。
优选地，传感器壳体92由与穿引件5的壳体7相同的材料制成。特别是马氏体钢，例如EN材料编号为1.4542、1.4534或1.4614的钢。
传感器9例如是加速度传感器、力传感器、力矩传感器、压力传感器或温度传感器。特别对于前四种传感器，在一些实施方式中是使用压电式传感器元件8，其在机械变形时会在其表面上产生压电电荷。压电式传感器元件8必须与外部区域D气密分开地布置在传感器9的内部区域C中。这将保护压电式传感器元件8免受环境影响，特别是湿气的影响。为了准确地检测压电电荷，传感器需要高绝缘电阻，这种高绝缘电阻在湿气进入传感器9时不再被确保。
优选地，在一些实施方式中，在加速度传感器9、力传感器9、力矩传感器9、压力传感器9或温度传感器9中也使用压阻式传感器元件8，其在机械作用下会经历电阻变化。这样的传感器元件8也必须与外部区域D气密分开地布置在传感器9的内部区域C中。
陶瓷元件3和合金元件2的连接1也可以有其他的实施方式，这些实施方式是本文中所公开的实施方式的各种特征的相互组合。
同样，电贯通件5也可以有其他的实施方式，这些实施方式是在本文中所公开的实施方式的各种特征的相互组合。
同样，传感器9也可以有其他的实施方式，这些实施方式是在本文中所公开的实施方式的各种特征的相互组合。

Claims (15)

1.一种连接(1)，其中所述连接(1)借助于玻璃粘结剂(4)将合金元件(2)与陶瓷元件(3)连接起来，其中所述玻璃粘结剂通过材料配合连接(24)与所述合金元件(2)连接，并且其中所述玻璃粘结剂(4)通过另一个材料配合连接(34)与所述陶瓷元件(3)连接；其特征在于，所述玻璃粘结剂(4)由熔点低于800℃的玻璃制成；所述玻璃粘结剂(4)的热膨胀系数为至少9×10-6K-1；所述玻璃粘结剂(4)的铋含量为至少10％；所述合金元件(2)的热膨胀系数为至少9×10-6K-1；所述陶瓷元件(3)的热膨胀系数为最大8×10-6K-1；所述玻璃粘结剂(4)与所述陶瓷元件(3)的材料配合连接(34)具有混合区域(10)；所述混合区域(10)是所述陶瓷元件(3)的子区域；并且所述混合区域(10)的铋含量高于在所述混合区域(10)之外的陶瓷元件(3)的铋含量。
2.根据权利要求1所述的连接(1)，其特征在于，所述混合区域(10)在空间上邻接所述玻璃粘结剂(4)布置；并且所述混合区域(10)的铋含量是朝向所述玻璃粘结剂(4)逐渐增大的。
3.根据权利要求1或2所述的连接(1)，其特征在于，铋含量从所述玻璃粘结剂(4)到所述玻璃粘结剂(4)骤然减小。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的连接(1)，其特征在于，所述混合区域(10)具有从所述玻璃粘结剂(4)的至少0.001mm的空间扩展；并且所述混合区域受到所述陶瓷元件(3)的扩展的限制，并且在所述陶瓷元件(3)内部通过下述平面的限制：在该平面中，所述陶瓷元件(3)的铋含量为所述陶瓷元件(3)在直接邻接所述玻璃粘结剂(4)的所述混合区域(10)中的铋含量的1/e。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的连接(1)，其特征在于，所述玻璃粘结剂(4)是无铅的；并且所述玻璃粘结剂(4)由熔化温度低于800℃、优选低于650℃的玻璃制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的连接(1)，其特征在于，所述陶瓷元件(3)是电绝缘的；所述陶瓷元件(3)具有一定含量的氧化铝、氧化锆、氧化硅或这些物质的混合物；并且所述含量为至少70％，优选为至少95％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的连接(1)，其特征在于，所述合金元件(2)具有多晶体结构；并且所述多晶体结构的平均粒度平均小于0.01mm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的连接(1)，其特征在于，所述合金元件(2)是马氏体钢，例如为EN材料编号为1.4542、1.4534或1.4614的钢中的一种。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的连接(1)，其特征在于，所述玻璃粘结剂(4)含有大于50％的Bi2O3、1％至10％的B2O3、10％至50％的ZnO、1％至10％的SiO2、0.1％至1％的Al2O3，或者所述玻璃粘结剂(4)含有大于50％的Bi2O3、1％至10％的B2O3、1％至10％的ZnO、0.1％至1％的CeO2，或者所述玻璃粘结剂(4)含有大于50％的Bi2O3、1％至10％的B2O3、1％至10％的ZnO、0.1％至1％的CeO2、0.1％至1％的ZrO2。
10.一种电贯通件(5)，其中所述电贯通件(5)具有壳体(7)，所述壳体是合金元件(2)；其中所述壳体(7)具有沿着纵轴(L)设计的开口(71)，所述开口具有开口壁(72)；其中所述开口壁(72)至少部分地沿着所述纵轴(L)径向地包围被设计为长形的电导体(6)；其中所述导体(6)是另一个合金元件(2)；其中至少一个陶瓷元件(3)至少部分地布置在所述开口(71)内部，其中所述陶瓷元件(3)至少部分地沿着所述纵轴(L)径向地包围所述导体(6)；其中所述陶瓷元件(3)是电绝缘的；其中所述导体(6)与所述开口壁(72)电绝缘；其中在所述开口(71)内部邻接所述陶瓷元件(3)布置有玻璃粘结剂(4)；其中所述玻璃粘结剂(4)至少部分地沿着所述纵轴(L)径向地包围所述导体(6)；其特征在于，所述导体(6)和所述陶瓷元件(3)通过根据权利要求1至9中任一项所述的连接(1)借助于所述玻璃粘结剂(4)来连接；并且所述开口壁(72)和所述陶瓷元件(3)根据权利要求1至9中任一项所述的另一个连接(1)借助于所述玻璃粘结剂(4)来连接。
11.根据权利要求10所述的电贯通件(5)，其特征在于，所述电贯通件(5)适用于将电荷从第一区域(A)传导到第二区域(B)中；并且其中，所述电贯通件(5)将第一区域(A)与第二区域(B)气密密封地分开。
12.根据权利要求11所述的电贯通件(5)，其特征在于，高达350℃的持久或临时温度不损害所述电贯通件(5)的密封性。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的电贯通件(5)，其特征在于，所述导体(6)的绝缘段(11)沿着所述纵轴(L)径向地被所述陶瓷元件(3)和所述玻璃粘结剂(4)包围；并且所述绝缘段(11)与导体直径(61)之比大于3，或者所述玻璃粘结剂(4)沿着所述纵轴(L)的长度至少比所述玻璃粘结剂(4)垂直于所述纵轴(L)的直径小两倍。
14.一种传感器(9)，包括至少一个传感器元件(8)、金属传感器壳体(92)和至少一个根据权利要求10至13中任一项所述的电贯通件(5)；其中所述传感器壳体(92)基本包围内部区域(C)；其中所述传感器壳体(92)具有至少一个贯通开口(91)；其中，在每个贯通开口(91)中引入至少一个电贯通件(5)中之一；其中所述电贯通件(5)通过材料配合连接(S)，例如钎焊连接或焊接连接或粘合连接，与所述传感器壳体(92)连接；其中所述电贯通件(5)通过至少一个导体(6)中之一将所述内部区域(C)与外部区域(D)导电地连接；其中所述至少一个传感器元件(8)布置在所述内部区域(C)中；其中所述至少一个传感器元件(8)被设计用于检测物理量；并且其中，所述至少一个传感器元件(8)与所述至少一个导体(6)导电地连接。
15.一种用于制造穿过一物体的根据权利要求10至12中任一项所述的电贯通件(5)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-将长形设计的开口(71)引入到壳体(7)中；
-将陶瓷元件(3)至少部分地布置在所述开口(71)中并且平行于纵轴(L)，其中所述陶瓷元件(3)是中空柱形的；
-将玻璃粘结剂(4)至少部分地布置在所述开口(71)中，平行于所述纵轴(L)并且抵靠在所述陶瓷元件(3)上，其中所述玻璃粘结剂(4)是中空柱形的；
-将导体(6)布置在中空柱形的陶瓷元件(3)内部和所述玻璃粘结剂(4)内部，使得所述陶瓷元件(3)和所述玻璃粘结剂(4)至少部分地沿着所述纵轴(L)径向地包围所述导体(6)；
-通过将这样布置的导体(6)、陶瓷元件(3)、壳体(7)和玻璃粘结剂(4)加热到高于所述玻璃粘结剂(4)的熔化温度的温度，使所述玻璃粘结剂(4)至少部分地液化；将所述玻璃粘结剂(4)的至少含铋的部分引入到所述陶瓷元件(3)中并形成混合区域(10)。
-改变这样布置的导体(6)、陶瓷元件(3)、壳体(7)和玻璃粘结剂(4)的温度，使该温度低于所述玻璃粘结剂(4)的熔化温度，并且形成连接(1)，该连接包括在所述玻璃粘结剂(4)与所述导体(6)之间的材料配合连接(24)和在所述玻璃粘结剂(4)与所述陶瓷元件(3)之间的材料配合连接(34)；以及形成另一连接(1)，该另一连接包括在所述玻璃粘结剂(4)与所述壳体(7)之间的材料配合连接(24)以及在所述玻璃粘结剂(4)与所述陶瓷元件(3)之间的材料配合连接(34)。
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