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Die
Erfindung betrifft ein Sensorelement mit einem keramischen Substrat
und einem auf dem Substrat aufgebrachten Schaltungselement.
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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.
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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.
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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.
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Andererseits
sind zur Erhöhung
der Bruchfestigkeit der keramischen Substrate Materialstärken vorzusehen,
die bei thermischen Anwendungen auch zu einer entsprechend hohen
Massenträgheit
des Sensorelements führen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Abdeckschicht ist vorzugsweise eine Glasurschicht oder eine Emailschicht.
Dadurch entsteht ein keramikfaserverstärktes Glas, auf dessen Oberfläche die
Schaltungselemente aufgebracht werden können.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 ein
Querschnitt durch ein Sensorelement, auf vor dem Anbringen von Anschlüssen;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Sensorelements nach dem Anbringen
von Anschlüssen;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Nutzens nach dem Vereinzeln der Sensorelemente während des
Anlötens
von Anschlüssen;
und
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4 eine
vergrößerte Darstellung
des Substrats.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Sensorelement 1 wird anschließend in eine Hülle aus
Polyimid eingebettet.
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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.
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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.
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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.
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- 1
- Sensorelement
- 2
- Substrat
- 3
- Abdeckschicht
- 4
- Leiterbahnzug
- 5
- Bauelement
- 6
- Lötdepot
- 7
- Anschluss
- 8
- Nutzen
- 9
- Trägerglas
- 10
- Lötstempel
- 11
- Strang