DE102008042489B4

DE102008042489B4 - Werkstückverbund sowie Verwendung des Werkstückverbundes

Info

Publication number: DE102008042489B4
Application number: DE102008042489.7A
Authority: DE
Inventors: Hubert Benzel; Lutz Mueller; Roman Sellin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2028-10-01
Also published as: IT1395519B1; DE102008042489A1; JP2010085409A; US8250925B2; US20100077862A1; ITMI20091618A1

Abstract

Werkstückverbund, enthaltend einen Vorformling (3) und ein Gel (15), das in einer Ausnehmung (11) im Vorformling (3) aufgenommen ist, wobei die Ausnehmung (11) von mindestens einer Kante (17) als Kriechbarriere umschlossen ist, um ein Ausbreiten des Gels (15) zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine durch die Kante (17) abgeschlossene Fläche (19) in einem an die Kante (17) angrenzenden Bereich mit einer Beschichtung (21) aus einem oleophoben Material versehen ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Werkstückverbund gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung des Werkstückverbundes.
Werkstückverbunde, die einen Vorformling und ein Gel enthalten, das in einer Ausnehmung im Vorformling aufgenommen ist, werden z.B. als Drucksensoren eingesetzt. Der Vorformling kann dabei z.B. ein Stanzgitter einer Leiterplatte enthalten und mit einem Drucksensorchip verbunden sein. Der Drucksensorchip wird dabei über eine Ausnehmung im Vorformling positioniert. Das Gel füllt dabei die Ausnehmung und den Bereich unterhalb der Membran des Druckmesschips aus. Die Verbindung des Druckmesschips mit dem Vorformling erfolgt im Allgemeinen mit Hilfe eines Hilfsstoffs.
Das Gel ist im Allgemeinen ein Passivierungsgel, das eingesetzt wird, um als Barriere gegen schädliche Medien zu dienen. Hierbei handelt es sich z.B. um korrosive Medien.
Jedoch neigen ungehärtete Passivierungsgele im Allgemeinen zum Kriechen. Daher ist es notwendig, den Zeitraum zwischen Aufbringen des Gels und Aushärten möglichst kurz zu wählen, um überkrochene Bereiche auf ein Minimum zu begrenzen. Eine weitere Möglichkeit, das Kriechen zu verhindern, ist die Ausbildung von Kanten, an denen das Kriechen beendet wird. Diese Kanten können das Kriechen jedoch nur vorübergehend aufhalten.
Um ein Kriechen von Ölen auf Oberflächen zu verhindern, bzw. ein Benetzen einer Oberfläche mit einem Öl zu verhindern, ist es z.B. aus DE-A 196 49 955 bekannt, ein Substrat mit einer Fluoroalkyl-funktionellen Organopolysiloxan-haltigen Zusammensetzung zu beschichten. Derartige Beschichtungen werden kommerziell beispielsweise von der Firma Dr. Tillwich angeboten. Aus DE-A 198 47 303 ist ein Sensorelement mit einer antiadhäsiven Oberflächenbeschichtung bekannt. Die Oberflächenbeschichtung weist dabei eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der Fluorpolymere, der Fluorormocere, der polymeren Fluorkohlenstoffharze, der fluorhaltigen Silane oder teilfluorierten Polymere auf.
Aus der DE 10 2008 004 142 A1 ist ein Drucksensor bekannt, aufweisend einen Gehäusekörper mit einem Druckeinlassanschluss; einen Sensorchip mit einem Sensierungsteil und einem konkaven Teil; ein Keramiksubstrat mit einer vorderen Öffnung und einer hinteren Öffnung; und ein Gelteil. Der Sensorchip liegt an der vorderen Öffnung. Der Gehäusekörper nimmt das Keramiksubstrat auf. Die hintere Öffnung ist mit dem Anschluss verbunden. Das Gelteil liegt in den vorderen und hinteren Öffnungen und deckt das konkave Teil ab. Das konkave Teil nimmt Druck von einem Druckmedium auf, das in den Anschluss eingebracht wurde. Das Sensierungsteil erkennt den Druck. Der Drucksensor ist u.a. unempfindlich gegenüber korrosiven oder aggressiven Druckmedien.
Aus der DE 10 2006 013 414 A1 ist eine Drucksensorvorrichtung bekannt. Eine Membran, Piezowiderstände, eine Verstärkungsschaltung und verschiedene Anpassungsschaltungen enthaltender Drucksensorchip ist so an ein Grundelement angefügt, dass die Membran einem Durchgangsloch im Grundelement gegenüberliegt. Das Grundelement und ein metallenes Rohrelement sind so zusammengefügt, dass die jeweiligen Durchgangslöcher darin miteinander kommunizieren. Ein Schutzfilm ist so gebildet, dass er ein Verbindungselement zwischen dem Grundelement und dem metallenen Rohrelement bedeckt. Das metallene Rohrelement ist an ein Kunstharzgehäuse geklebt, und eine Signalklemme des Kunstharzgehäuses und der Drucksensor-Chip sind durch eine Drahtkontaktierung elektrisch miteinander verbunden, wodurch somit eine Drucksensorzelle gebildet wird.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Werkstückverbund erhält einen Vorformling und ein Gel, das in einer Ausnehmung im Vorformling aufgenommen ist. Die Ausnehmung ist von mindestens einer Kante als Kriechbarriere umschlossen, um ein Ausbreiten des Gels zu verhindern. Zumindest die Kante und/oder eine die Ausnehmung umgebende Fläche zwischen der Ausnehmung und der Kante ist mit einer Beschichtung aus einem oleophoben Material versehen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine Fläche, die mit einer Beschichtung aus einem oleophoben Material versehen ist, auch ein Kriechen des Gels auf dieser Fläche verhindert. Durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Werkstückverbund kann somit das Kriechen des Gels weiter verhindert werden.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich dadurch, dass an der Kante angrenzende Flächen ebenfalls mit der Beschichtung aus dem oleophoben Material versehen sind.
Das oleophobe Material der Beschichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fluorpolymeren, Fluorormoceren, polymeren Fluorkohlenstoffharzen, fluorhaltigen Silanen und teilfluorierten Polymeren. Geeignete Materialien, die die Beschichtung enthält, sind z.B. Silane der allgemeinen Formel (1) R^a-R^b-Si (X)_3-n (R^c)n (1)
Wobei R^a eine perfluorierte Alkylgruppe mit 1 bis 16 C-Atomen, vorzugsweise 6 bis 12 C-Atomen ist, R^b ein Alkylspacer, beispielsweise Methyl oder Ethyl ist und R^c eine Alkylgruppe, z.B. Methyl oder Ethyl ist. X ist ein Halogen, ein Acetoxy oder ein Alkoxy, z.B. Ethoxy oder Methoxy und n hat den Wert 0 bis 2.
Insbesondere geeignet sind Silane der allgemeinen Formeln R^a-R^b-SiX₃, R^a-R^b-Si(X)₂Me oder R^a-R^b-Si(X)Me₂ und deren Derivate, wobei X jeweils Fluor, Chlor, Brom, Methoxy, Ethoxy, Isopropoxy, Alkoxy oder Acetoxy bedeutet, Me Methyl und Me2 Dimethyl. R^a bedeutet jeweils Perfluor-butyl, -hexyl, -octyl, -decyl, -methyl und R^b Ethyl oder Methyl. Ganz besonders bevorzugt bedeutet R^a-R^b- 1,1,2,2-Tetrahydroperfluooctyl- oder 3,3,3-Trifluorpropyl.
Ebenfalls geeignet sind Silane der allgemeinen Formel (R^a-R^b)₂-SiX₂ und deren Derivate, wobei X hier ebenfalls für Fluor, Chlor, Brom, Methoxy, Ethoxy, Isopropoxy, Alkoxy oder Acetoxy steht, R^a Perfluorethyl, -butyl, -methyl bedeutet und R^b Ethyl oder Methyl. Ein geeigneter Rest R^a-R^b ist z.B. 3,3,3-Trifluorpropyl.
Geeignete Silane sind zum Beispiel 1,1,2,2-Tetrahydroperflurodecyltriethoxysilan, 1,1,2,2-Perfluortetrahydrododecyltrichlorsilan, 1,1,2,2-Perfluortetrahydrododecyltrimethoxysilan, 1,1,,2,2-Tetrahydroperfluordecyltrichlorsilan, 1,1 ,2,2-Tetrahydroperfluordecyltrimethoxysilan, 1,1,2,2-Tetrahydroperfluordecyltriacetoxysilan, 1,1,2,2-Tetrahydroperfluordecyltriethoxysilan, 1,1,2,2-Tetrahydroperfluoroctyltrichlorsilan, 1,1,2,2-Tetrahydroperfluoroctyltrimethoxysilan, 1,1,2,2-Tetrahydroperfluoroctyltriethoxysilan, 1,1,2,2-Perfluortetrahydrohexyltrichlorsilan, 1,1,2,2-Perfluortetrahydrohexyltriethoxysilan, 1,1,2,2-Perfluortetrahydrohexyltrimethoxysilan, Di(3,3,3-Trifluorpropyl)dichlorsilan, 3,3,3-Trifluorpropyltriacetoxysilan, 3,3,3-Trifluorpropyltribromsilan, 3,3,3-Trifluorpropyltrichlorsilan, 3,3,3-Trifluorpropyltriethoxysilan, 3,3,3-Trifluorpropyltrifluorsilan, 3,3,3-Trifluorpropyltriisopropoxysilan, 3,3,3-Trifluorpropyltrimethoxysilan, Di(Pentafluorphenyl)diacetoxysilan, Di(Pentafluorphenyl)dibromsilan, Di(Pentafluorphenyl)dichlorsilan, Di(Pentafluorphenyl)-diethoxysilan, Di(Pentafluorphenyl)difluorsilan, Di(Pentafluorphenyl)diisopropoxysilan, Di(Pentafluorphenyl)dimethoxysilan, Perfluordecyl-1H,1 H,2H,2H-Dimethylchlorsilan, Perfluordecyl-1H,1 H,2H,2H-Methyldichlorsilan, Perfluordecyl-1H,1 H,2H,2H-Triacetoxy-silan, Perfluordecyl-1 H,1 H,2H,2H-Trichlorsilan, Perfluordecyl-1 H,1 H,2H,2H-Triethoxy-silan, Perfluordecyl-1 H,1 H,2H,2H-Trimethoxysilan, Perfluordodecyl-1H,1H,2H,2H-Dimethylchlorsilan, Perfluordodecyl-1H,1H,2H,2H-Methyldichlorsilan, Perfluordodecyl-1H,1H,2H,2H-Trichlorsilan, Perfluordodecyl-1H,1H,2H,2H-Triethoxysilan, Perfluordodecyl-1H,1H,2H,2H-Trimethoxysilan, Perfluorhexyl-1H,1H,2H,2H-Dimethylchlorsilan, Perfluorhexyl-1H,1H,2H,2H-Methyldichlorsilan, Perfluorhexyl-1H,1H,2H,2H-Trichlor-silan, Perfluorhexyl-1H, 1 H,2H,2H-Triethoxysilan, Perfluorhexyl-1H,1H,2H,2H-Trimeth-oxysilan, Perfluoroctyl-1H,1H,2H,2H-Dimethylchlorsilan, Perfluoroctyl-1 H,1H,2H,2H-Methyldichlorsilan, Perfluoroctyl-1H,1H,2H,2H-Triacetoxysilan, Perfluoroctyl-1 H,1H,2H,2H-Trichlorsilan, Perfluoroctyl-1H,1H,2H,2H-Triethoxysilan, Perfluoroctyl-1,H,1H,2H,2H-Trimethoxysilan, Perfluordecyl-1 H,1H-Dimethylchlorsilan, Perfluordecyl-1,H,1H-Methyldichlorsilan, Perfluordecyl-1H,1H-Triacetoxysilan, Perfluordecyl-1 H,1H-Trichlorsilan, Perfluordecyl-1 H,1H-Triethoxysilan, Perfluordecyl-1H,1H-Trimethoxysilan, Perfluordodecyl-1H,1H-Dimethylchlorsilan, Perfluordodecyl-1H,1H-Methyldichlorsilan, Perfluordodecyl-1H,1H-Trichlorsilan, Perfluordodecyl-1H,1H-Triethoxysilan, Perfluordodecyl-1H,1H-Trimethoxysilan, Perfluorhexyl-1 H,1H-Dimethylchlorsilan, Perfluorhexyl-1H,1,H-Methyldichlorsilan, Perfluorhexyl-1 H,1H-Trichlorsilan, Perfluorhexyl-1H,1H-Triethoxysilan, Perfluorhexyl-1H,1H-Trimethoxysilan, Perfluoroctyl-1 H,1H-Dimethylchlorsilan, Perfluoroctyl-1H,1H-Methyldichlorsilan, Perfluoroctyl-1 H,1H-Triacetoxysilan, Perfluoroctyl-1 H, 1 H-Trichlorsilan, Perfluoroctyl-1H,1H-Triethoxysilan, Perfluoroctyl-1 H,1H-Trimethoxysilan, Perfluordecyl-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Dimethylchlorsilan, Perfluordecyl-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Methyldichlorsilan, Perfluordecy1-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Triacetoxysilan, Perfluordecyl-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Trichlorsilan, Perfluordecyl-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Triethoxysilan, Perfluordecyl-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Trimethoxy-silan, Perfluordodecyl-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Dimethylchlorsilan, Perfluordodecyl-1H,1,H,2H,2H,3H,3H-Methyldichlorsilan, Perfluordodecyl-1H,1,H,2H,2H,3H,3H-Trichlorsilan, Perfluordodecyl-1H,1 H,2H,2H,3H,3H-Triethoxysilan, Perfluordodecyl-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Trimethoxysilan, Perfluorhexy1-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Dimethy1-chlorsilan, Perfluorhexyl-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Methyldichlorsilan, Perfluorhexyl-1 H,1,H,2H,2H,3H,3H-Trichlorsilan, Perfluorhexyl-1H, 1,H,2H,2H,3H,3H-Triethoxysilan, Perfluorhexyl-1H,1,H,2H,2H,3H,3H-Trimethoxysilan, Perfluoroctyl-1 H,1,H,2H,2H,3H,3H-Dimethylchlorsilan, Perfluoroctyl-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Methyldichlorsilan, Perfluoroctyl-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Triacetoxysilan, Perfluoroctyl-1H,1H,2H,2H,3H,3H-Trichlorsilan, Perfluoroctyl-1H,1,H,2H,2H,3H,3H-Triethoxysilan, Perfluoroctyl-1 H,1 H,2H,2H,3H,3H-Trimethoxysilan.
Insbesondere geeignet sind 1,1,2,2-Perfluortetrahydrododecyltrichlorsilan, 1,1,2,2-Perfluortetrahydrododecyltrimethoxysilan, 1,1 ,2,2-Tetrahydroperfluordecyltrichlorsilan, 1,1 ,2,2-Tetrahydroperfluordecyltrimethoxysilan, 1,1 ,2,2-Tetrahydroperfluordecyltriacetoxysilan, 1,1,2,2-Tetrahydroperfluordecyltriethoxysilan, 1,1,2,2-Tetrahydroperfluoroctyltrichlorsilan, 1,1,2,2-Tetrahydroperfluoroctyltrimethoxysilan, 1,1,2,2-Tetrahydroperfluoroctyltriethoxysilan, 1,1,2,2-Perfluortetrahydrohexyltrichlorsilan, 1,1,2,2-Perfluortetrahydrohexyltriethoxysilan, 1,1,2,2-Perfluortetrahydrohexyltrimethoxysilan.
Weiterhin sind als Material für die Beschichtung Perfluordecylcarbonsäure (PFDA) sowie perfluorierte Plasmapolymere geeignet.
Die physikalische und oder chemische Anbindung der Beschichtung an das Material des Vorformlings kann durch eine aktivierende Vorbehandlung verbessert werden. Zur aktivierenden Vorbehandlung eignen sich zum Beispiel Sauerstoffplasma, Ozonbegasung, Wasserdampfplasma oder hartes UV-Licht mit Wellenlängen < 220 nm.
Zum Aufbringen der Beschichtung kann das Beschichtungsmaterial weiterhin mindestens ein Lösungsmittel enthalten, in dem das oleophobe Material gelöst oder dispergiert ist. Zusätzlich können auch Additive wie Entschäumer und Fließverbesserer zugesetzt werden.
Eine geeignete Lösung zum Aufbringen der Beschichtung enthält z.B. 0,1 bis 5% 1,1,2,2-Tetrahydroperfluoroctyltrimethoxysilan, 0,5 bis 5% Wasser, 0,1% Essigsäure, Rest Isopropanol. Die Lösung wird angesetzt und über Nacht unter Rühren homogenisiert. Die Lösung wird an den gewünschten Stellen aufgetragen, und nach Trocknen bei 110°C 30 min im Umluftofen ausgeheizt.
Viele der genannten Silane sind als Lösung in Kohlenwasserstoffen oder Alkohlen ohne weitere Zusatzstoffe direkt für die Beschichtung einsetzbar. Chlorsilane werden bevorzugt zur Gasphasenabscheidung eingesetzt. Außer Lösungen der reinen Silane sind diese Silane auch in teilhydrolysierter Form oder in Mischungen mit Polymeren oder Mischungen der einzelnen Silane zur Beschichtung geeignet.
Die Beschichtung, die auf die Kante und/oder die die Ausnehmung umgebende Fläche zwischen der Ausnehmung und der Kante aufgetragen ist, weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 20 µm auf. Besonders bevorzugt liegt die Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 1 nm bis 1 µm.
In einer weiteren Ausführungsform sind am Vorformling mindestens zwei Kanten als Kriechbarriere stufenförmig ausgebildet. Durch die mindestens zwei stufenförmig ausgebildeten Kanten lässt sich das Kriechen weiter verlangsamen. Insbesondere kann hierdurch auch bei längeren Standzeiten, beispielsweise zwischen Auftragen und Aushärten des Gels, ein Kriechen auf die Fläche des Vorformlings unterbunden werden. Eine weitere Verbesserung ist dann gegeben, wenn zumindest jede Kante mit der oleophoben Beschichtung versehen ist.
Die oleophobe Schicht kann z.B. als Lackschicht oder auch als Epilam-Schicht auf den Vorformling aufgetragen werden. Das Auftragen der Beschichtung kann z.B. durch Tampondruck, Stempeln, Tropfen, Dispensen, Tauchen oder Sprühen sowie durch CVD (Chemical Vapor Deposition)-Verfahren oder PVD (Physical Vapor Deposition)-Verfahren erfolgen. Das Aufbringen der Beschichtung durch Tampondruck, Stempeln, Tropfen, Dispensen, Tauchen oder Sprühen erfolgt bei einem flüssigen Beschichtungsmaterial, bei CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren erfolgt der Auftrag aus der Gasphase.
Nach dem Auftragen der Beschichtung ist es möglich, die Flächen, die nicht mit der Beschichtung versehen sind, zu strukturieren.
Die Beschichtung kann aus Lösung oder aus der Gasphase aufgetragen werden. Aus Lösung ist lokale Applikation durch Stempeln, Sprühen, Dispensen etc. möglich. Aus der Gasphase wird das ganze Bauteil beschichtet, lokales Entschichten ist möglich mit aufgelegten Lochblechmasken und Sauerstoff- oder Wasserdampfplasma von 50 Hz bis 40 kHz, mit aufgelegten Quarzglasmasken und UV-Licht sowie maskenlos mittels Laser.
Da im Allgemeinen auf dem Vorformling sowohl Bauteile aufgeklebt werden als auch Gel haften soll, werden vollflächig beschichtete Vorformlinge mit Ausnahme der Gelstopkanten vorzugsweise wieder entschichtet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ausnehmung, die von der mindestens einen Kante als Kriechbarriere umschlossen ist, mit einer Membran verschlossen. Die Membran, mit der die Ausnehmung verschlossen ist, ist dabei vorzugsweise Teil eines Drucksensorchips.
Der Vorformling ist vorzugsweise aus Thermoplasten oder Duroplasten, üblich sind LCP, PEEK und Epoxidharze, gefertigt. Weitere geeignete Materialien für den Vorformling sind jedoch auch Keramiken und Metalle.
Das Gel enthält vorzugsweise Silicone, teilfluorierte Silicone oder Perfluorpolyether. Weiterhin enthält das Gel vorzugsweise Substanzen zur Neutralisierung korrosiver oder giftiger Medien, beispielsweise Korrosionsschutzadditive.
Insbesondere bei Verwendung des Werkstückverbundes als Drucksensor ergibt sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung und die damit verbundene Erhöhung der Wirksamkeit der Kriechbarriere der Vorteil, dass das Risiko von Undichtigkeiten an der Grenzfläche zwischen dem Kleber, mit dem der Drucksensorchip auf den Vorformling aufgebracht ist, und dem Vorformling reduziert wird. Zudem kann die mechanische Haftfestigkeit des Werkstückverbundes in einem Steckergehäuse, in den dieses eingebracht wird, verbessert werden.
Das Gel wird durch die Verbesserung der Kriechbarriere an seiner Position gehalten. Durch das Gel werden z.B. kleine Undichtigkeiten verhindert. Diese Undichtigkeiten, insbesondere an der Klebung des Drucksensorchips auf dem Vorformling, können zu einem Druckaustausch zwischen der Vorder- und der Rückseite der Membran führen. Hierdurch kann der Differenzdruck nicht richtig gemessen werden. Die Messgenauigkeit kann somit durch den erfindungsgemäßen Werkstückverbund verbessert werden.
Auch wird die Fertigungssicherheit durch den erfindungsgemäßen Werkstückverbund erhöht. So kann z.B. die Kontamination von Handhabungs- und Fertigungseinrichtungen verhindert werden. Auch ergibt sich ein zuverlässiger und zeitlich nahezu unbegrenzter Schutz gegen einen Überlauf des Gels durch Kriechen. Damit können wesentlich längere Standzeiten zwischen dem Einbringen des Gels und dem Aushärten definiert werden, wodurch die Flexibilität im Fertigungsprozess erhöht werden kann. Zudem bietet der erfindungsgemäße Werkstückverbund auch einen Schutz gegen einen Gelüberlauf durch mechanischen Eintrag bei der Handhabung, z.B. durch Vibrationen, Stöße oder Kippen.
Das Einbringen des Gels in die Ausnehmung im Vorformling bietet zudem den Vorteil, dass der Sensor nicht durch Vereisung zerstört werden kann. Aufgrund des enthaltenen Gels kann kein Wasser eindringen. Auch werden Ablagerungen direkt auf der Membran mit der Folge einer Kennliniendrift vermieden. Zudem kann der Sensor in jeder beliebigen Lage eingebaut werden, da kein Wasser eindringen kann. Bisher war es insbesondere bei Anwendungen, bei denen Wasser in den Sensor eindringen kann, notwendig, den Sensor so einzubauen, dass eindringendes oder kondensiertes Wasser herausfließen kann. Weiterhin dient das Gel auch als Korrosionsschutz vor basisch oder sauer angreifenden Medien an die Membran.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen

1 einen Schnitt durch einen Werkstückverbund für einen Drucksensor in einer ersten Ausführungsform,
2 einen Schnitt durch einen Werkstückverbund für einen Drucksensor in einer zweiten Ausführungsform,
3 einen Drucksensor gemäß 1, der auf einem Stutzen montiert ist.

Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Schnitt durch einen Werkstückverbund für einen Drucksensor in einer ersten Ausführungsform dargestellt.
Ein Werkstückverbund 1 für einen Drucksensor umfasst einen Vorformling 3, der mit einem Drucksensorchip 5 verbunden ist. Der Drucksensorchip 5 ist hierzu mit einer Klebeschicht 7 auf dem Vorformling 3 befestigt.
Der Vorformling 3 ist z.B. ein Keramiksockel oder ein Leiterplattensubstrat. Wenn der Vorformling 3 ein Keramiksockel ist, so eignet sich z.B. Al₂O₃ als Keramik. Wenn der Vorformling 3 ein Leiterplattensubstrat ist, so werden üblicherweise Epoxidharze als Werkstoffe eingesetzt.
Der Drucksensorchip 5 ist im Allgemeinen ein Halbleiterchip, der eine Membran 9 aufweist. Bei einer Druckdifferenz der Drücke, die auf die Oberseite und die Unterseite der Membran 9 wirken, verformt sich die Membran. Anhand der Verformung der Membran lässt sich die Druckdifferenz und damit bei einem bekannten Druck auf einer Seite der Membran 9 der Druck auf der anderen Seite der Membran 9 bestimmen.
Damit auf der dem Vorformling 3 zugewandten Seite ein Druck auf die Membran 9 wirken kann, ist im Vorformling 3 eine Ausnehmung 11 ausgebildet. Die Ausnehmung 11 ist z.B. als Bohrung ausgeführt. Durch die Ausnehmung 11 ist die Membran 9 auch an ihrer dem Vorformling 3 zugewandten Seite für Medien zugänglich.
In der hier dargestellten Ausführungsform bildet sich zwischen dem Vorformling 3 und der Membran 9 eine Kaverne 13 aus. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Membran direkt auf dem Vorformling 3 aufliegt.
Zum Schutz der Membran 9, z.B. vor Ablagerungen auf der Membran 9 oder auskondensierendem Wasser, das beispielsweise auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts des Wassers gefrieren kann und so zu einer Zerstörung der Membran 9 führen kann, sind die Ausnehmung 11 und die Kaverne 13 mit einem Gel 15 befüllt. Mit dem Gel 15 wird die dem Vorformling 3 zuweisende Seite der Membran 9 vollständig abgedeckt. Das Gel 15 ist ein Passivierungsgel, das neben der Verhinderung von Ablagerungen auch einen Korrosionsschutz vor basisch oder sauer angreifenden Medien bietet. Das Gel 15 enthält im Allgemeinen Silicone, teilfluorierte Silicone oder Perfluorpolyether. Zusätzlich sind im Gel vorzugsweise auch Korrosionsschutzadditive enthalten.
Bei der Auswahl eines geeigneten Gels 15 ist insbesondere darauf zu achten, dass dieses einerseits eine Schutzfunktion für die Membran 9 erfüllt, andererseits jedoch die Membranfunktion, d.h. die Sensoreigenschaft, und/oder die elektronische Schaltung nicht beeinträchtigt wird.
Das Befüllen der Ausnehmung 11 und der Kaverne 13 mit dem Gel erfolgt z.B. wie in DE-A 10 2005 056 769 beschrieben. Hierzu wird z.B. das Gel mittels einer weichen Kunststoffnadel, die durch die Ausnehmung 11 eingeführt wird, zugegeben. Durch die Verwendung eines weichen Kunststoffs wird gewährleistet, dass die Wände der Ausnehmung 11 bzw. die Membran 9 nicht beschädigt werden können. Zweckmäßigerweise wird ein Ring als Anschlag verwendet, so dass die Kunststoffnadel nicht auf die Membran 9 auftreffen und diese beschädigen kann. Als Ring eignet sich z.B. ein Metallring. Dieser weist vorzugsweise einen Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser der Ausnehmung 11.
Alternativ ist es zum Beispiel auch möglich, das Gel 15 durch ein Vakuum-Dispensierverfahren in die Ausnehmung 11 und die Kaverne 13 einzubringen. Auch beliebige andere geeignete, dem Fachmann bekannte Verfahren können eingesetzt werden, um das Gel zuzugeben.
Um ein Kriechen des Gels 15 aus der Ausnehmung 11 am Vorformling 3 entlang zu verhindern, ist die Ausnehmung 11 von einer ersten Kante 17, die als Gelstoppkante wirkt, umschlossen. Als weiterer Schutz gegen ein Kriechen des Gels 15 ist eine an die erste Kante 17 angrenzende Fläche 19 mit einer oleophoben Beschichtung 21 beschichtet. Die oleophobe Beschichtung 21 enthält vorzugsweise eine Verbindung, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fluorpolymeren, Fluorormoceren, polymeren Fluorkohlenstoffharzen, fluorhaltige Silane und teilfluorierte Polymere. Geeignete Verbindungen sind z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Perfluoralkylsilane.
Die Beschichtung kann z.B. aus der flüssigen Phase oder aus der Gasphase aufgebracht werden. Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung 21 aus der flüssigen Phase sind z.B. Tampondruck, Stempeln, Tropfen, Dispensen, Tauchen oder Sprühen. Geeignete Verfahren, um die oleophobe Beschichtung 21 aus der Gasphase aufzubringen sind z.B. CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren. Vorzugsweise jedoch CVD-Verfahren.
In der hier dargestellten Ausführungsform schließt sich an die erste Kante 17 eine zweite Kante 23 an. Die zweite Kante 23 dient ebenfalls als Gelstoppkante und verhindert z.B. ein Kriechen, wenn Gel aus der Ausnehmung 11 oder der Kaverne 13 z.B. durch Kippen oder Aufbringen von Stößen austritt und in den Bereich der Fläche 19 gelangt. Beide die zweite Kante 23 bildenden Flächen sind mit der oleophoben Beschichtung 21 versehen. Dabei ist die an die zweite Kante 23 angrenzende Unterseite 25 des Vorformlings 3 nur im an die Kante 23 angrenzenden Bereich mit der Beschichtung 21 versehen.
Vorteil der zweiten Kante 23 ist weiterhin, dass beispielsweise Rauhigkeiten im Bereich der ersten Kante 17 auftreten können oder die erste Kante 17 stückweise ausbricht. In diesem Fall tritt im Bereich der Schädigungen der ersten Kante 17 ein Kriechen des Gels 15 auf. Dieses kann neben der oleophoben Beschichtung 21 durch die zweite Kante 23 weiter eingegrenzt werden.
In 2 ist ein Werkstückverbund 1 in einer zweiten Ausführungsform dargestellt.
Der in 2 dargestellte Werkstückverbund 1 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten dadurch, dass sich an die zweite Kante 23 eine dritte Kante 27, die ebenfalls als Gelstoppkante wirkt, anschließt. Die erste Kante 17, die zweite Kante 23 und die dritte Kante 27 sind dabei stufenförmig ausgebildet. Durch die dritte Kante 27 wird insbesondere im Hinblick auf Stöße oder Verkippen des Werkstückverbundes 1 ein weiterer Kriechschutz gewährleistet.
Auch bei der dritten Kante 27 sind wie bei der zweiten Kante 23 beide angrenzende Flächen mit der oleophoben Beschichtung 21 versehen. Auch in 2 ist dabei im Bereich der Unterseite 25 des Vorformlings 3 nur der angrenzende Bereich an die dritte Kante 27 mit der oleophoben Beschichtung 21 beschichtet. Nach dem Auftragen der oleophoben Beschichtung 21 ist es möglich, dass freiliegende Oberflächen, beispielsweise die Unterseite 25 des Vorformlings 3, die Oberseite des Vorformlings 3 oder freiliegende Oberflächen des Drucksensorchips 5 strukturiert werden. Das Strukturieren kann z.B. mit UV-Licht, Laser oder durch ein Plasmaverfahren erfolgen. Bei einer Entschichtung mit einem Plasmaverfahren bleiben vorzugsweise die Bereiche, die die oleophobe Beschichtung 21 enthalten, abgedeckt. Zum Abdecken kann beispielsweise eine lose aufliegende Blende eingesetzt werden. Mit der Strukturierung lässt sich z.B. eine Leiterbahnstruktur auf den Vorformling 3 aufbringen.
In 3 ist ein Drucksensor dargestellt, der auf einen Stutzen montiert ist.
Der in 3 dargestellte Drucksensor unterscheidet sich von dem in 1, dargestellten Drucksensor dadurch, dass nur die an die erste Kante 17 angrenzende Fläche 19 mit der oleophoben Beschichtung 21 versehen ist. Die an die zweite Kante 23 angrenzenden Flächen weisen keine oleophobe Beschichtung auf.
Der den Drucksensorchip 5 enthaltende Werkstückverbund 1 ist auf einen Stutzen 29 montiert. Der Stutzen 29 ist beispielsweise an einem Gehäuse, das ein Gas oder eine Flüssigkeit enthält, angebracht. Ein solches Gehäuse kann z.B. ein Gas- oder Flüssigkeitstank sein. Der Werkstückverbund 1 ist dabei wie ein Deckel auf den Stutzen 29 aufgesetzt. Hierzu ist z.B. am Stutzen 29 ein Flansch 31 ausgebildet. Der Werkstückverbund 1 ist mit dem Vorformling 3 am Flansch 31 befestigt. Die Befestigung kann z.B. mit einer Klebung erfolgen. Hierzu wird zwischen den Flansch 31 und die Unterseite 25 des Vorformlings 3 eine Klebstoffschicht 33 eingebracht. Alternativ ist jedoch auch eine lösbare Verbindung des Werkstückverbunds 1 mit dem Stutzen 29 möglich. Hierzu kann der Werkstückverbund 1 z.B. mit dem Stutzen 29 verschraubt werden. Auch ein Klemmen ist denkbar. Bei einer lösbaren Verbindung wird vorzugsweise zwischen den Flansch 31 des Stutzens 29 und die Unterseite 25 des Vorformlings 3 ein Dichtelement eingebracht, um zu verhindern, dass aus dem Gehäuse oder der Rohrleitung, an die der Stutzen 29 montiert ist, das enthaltene Medium, d.h. die enthaltene Flüssigkeit oder das enthaltene Gas austreten kann. Alternativ wird ebenso verhindert, dass beispielsweise aus der Umgebung Gase oder Flüssigkeiten in den Tank oder die Rohrleitung eindringen können.
Insbesondere wenn in dem Tank oder der Rohrleitung ein Überdruck herrscht und gegebenenfalls korrosive oder giftige Medien enthalten sind, ist es notwendig, eine ausreichend gute Abdichtung zwischen dem Vorformling 3 und dem Stutzen 29 zu erzielen, um ein Austreten des Mediums zu verhindern.
Zur Druckmessung wirkt der Druck des im Tank oder der Rohrleitung enthaltenen Mediums durch den Stutzen 29 zunächst auf das Gel 15 und damit auf die Membran 9. Dieser Druck bewirkt eine Verformung der Membran 9, wobei die Verformung von der Druckdifferenz zwischen dem Druck im Stutzen 29 und dem Umgebungsdruck abhängig ist. Je größer die Druckdifferenz ist, umso größer ist der Verformungsgrad der Membran 9. Anhand der Verformung der Membran 9 lässt sich die Druckdifferenz ermitteln und damit bei bekanntem Umgebungsdruck der Druck im Stutzen 29.
Neben den in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen ist es weiterhin möglich, dass z.B. zwischen den Vorformling 3 und den Drucksensorchip 5 eine Glasplatte positioniert ist. Diese weist vorzugsweise die gleiche Umfangsgeometrie auf wie der Drucksensorchip 5. In der Glasplatte ist ein Durchlass ausgebildet, der bei montierter Glasplatte ebenfalls mit dem Gel 15 befüllt sein kann.
Neben einem Drucksensor eignet sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit Gelstoppkante und oleophober Beschichtung auch für jeden beliebigen anderen Werkstückverbund, bei dem ein Gel eingesetzt wird und ein Kriechen des Gels verhindert werden soll. So können z.B. anstelle eines Drucksensorchips 5 alternativ auch andere kapazitive oder sonstige Sensorstrukturen eingesetzt werden, bei denen Membranen verwendet werden. Derartige Sensorstrukturen sind z.B. Massenflusssensoren oder Mikrofone (dynamische Drucksensoren).

Claims

Werkstückverbund, enthaltend einen Vorformling (3) und ein Gel (15), das in einer Ausnehmung (11) im Vorformling (3) aufgenommen ist, wobei die Ausnehmung (11) von mindestens einer Kante (17) als Kriechbarriere umschlossen ist, um ein Ausbreiten des Gels (15) zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine durch die Kante (17) abgeschlossene Fläche (19) in einem an die Kante (17) angrenzenden Bereich mit einer Beschichtung (21) aus einem oleophoben Material versehen ist.
Werkstückverbund gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide die Kante (17) bildenden Flächen (19) mit der Beschichtung (21) aus einem oleophoben Material versehen sind.
Werkstückverbund gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oleophobe Material der Beschichtung (21) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fluorpolymeren, Fluorormoceren, polymere Fluorkohlenstoffharzen, fluorhaltige Silanen und teilfluorierten Polymeren.
Werkstückverbund gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fluorhaltige Silanverbindung ein Perfluoralkylsilan ist.
Werkstückverbund gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (21) eine Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 20 µm aufweist.
Werkstückverbund gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Vorformling (3) mindestens zwei Kanten (17, 23, 27) als Kriechbarriere stufenförmig ausgebildet sind.
Werkstückverbund gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle die Kanten (17, 23, 27) bildenden Flächen zumindest an ihrem an die Kanten (17, 23, 27) angrenzenden Bereich mit der oleophoben Beschichtung (21) versehen sind.
Werkstückverbund gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (21) eine Epilam-Schicht ist.
Werkstückverbund gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (21) durch Tampondruck, Stempeln, Tropfen, Dispensen, Tauchen, Sprühen, CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren aufgebracht wird.
Werkstückverbund gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Flächen, die nicht mit der Beschichtung (21) versehen sind, strukturiert sind.
Werkstückverbund gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (11), die von der mindestens einen Kante (17) umschlossen ist, mit einer Membran (9) verschlossen ist.
Werkstückverbund gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (9), mit der die Ausnehmung (11) verschlossen ist, Teil eines Drucksensorchips (5) ist.
Werkstückverbund gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling (3) aus einer Keramik, einem Kunststoff oder einem Metall gefertigt ist.
Werkstückverbund gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel (15) Silicone, teilfluorierte Silicone oder Perfluorpolyether enthält.
Verwendung eines Werkstückverbundes (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 als Drucksensor.