DE102012108820B4 - Sensor, electrical component, method for determining a temperature or operating time of an electrical component and use of an intermetallic phase or a phase boundary as a sensor - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Sensor (1, 7) zur Erfassung der Temperatur (T) oder der Betriebsdauer (t) eines elektrischen Bauelements (3) angegeben, der ein erste metallische Material (4, 9) und ein zweites metallisches Material (5, 10) aufweist, wobei zwischen dem ersten und zweiten metallischen Material (4, 5 9, 10) eine intermetallische Phase (6) oder eine Phasengrenze (12) gebildet ist und wobei die Dicke (d) der intermetallischen Phase (6) oder die Position (P) der Phasengrenze (12) zur Bestimmung der Temperatur (T) oder der Betriebsdauer (t) dient. Weiterhin wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur (T) oder einer Betriebsdauer (t) eines elektrischen Bauelements (3) sowie eine Verwendung einer intermetallischen Phase (6) oder einer Phasengrenze (12) als Sensor (1, 7) angegeben. A sensor (1, 7) is provided for detecting the temperature (T) or the operating time (t) of an electrical component (3) comprising a first metallic material (4, 9) and a second metallic material (5, 10). wherein an intermetallic phase (6) or a phase boundary (12) is formed between the first and second metallic material (4, 5, 9, 10) and wherein the thickness (d) of the intermetallic phase (6) or the position (P ) of the phase boundary (12) for determining the temperature (T) or the operating time (t) is used. Furthermore, a method for determining a temperature (T) or an operating time (t) of an electrical component (3) as well as a use of an intermetallic phase (6) or a phase boundary (12) as a sensor (1, 7) is specified.
Description
Es wird ein elektrisches Bauelement aufweisend einen Sensor zur Erfassung der Temperatur oder der Betriebsdauer des elektrischen Bauelements angegeben. Das Bauelement ist beispielsweise als Piezoaktor ausgebildet. Vorzugsweise soll mit dem Sensor nachträglich eine Temperaturbelastung des elektrischen Bauelementes festgestellt werden. Weiterhin wird ein elektrisches Bauelement umfassend einen derartigen Sensor sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur oder einer Betriebsdauer eines elektrischen Bauelements angeben.It is an electrical component comprising a sensor for detecting the temperature or the operating time of the electrical component specified. The component is designed for example as a piezoelectric actuator. Preferably, a temperature load of the electrical component should subsequently be detected with the sensor. Furthermore, an electrical component comprising such a sensor and a method for determining a temperature or a service life of an electrical component will be indicated.
Die Druckschrift
Es ist eine zu lösende Aufgabe, ein elektrisches Bauelement aufweisend einen Sensor zur Erfassung der Temperatur oder der Betriebsdauer des elektrischen Bauelements anzugeben. Weiterhin ist es eine zu lösende Aufgabe, ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur oder der Betriebsdauer eines elektrischen Bauelements anzugeben.It is a problem to be solved to provide an electrical component comprising a sensor for detecting the temperature or the operating time of the electrical component. Furthermore, it is an object to be solved to specify a method for determining the temperature or the operating time of an electrical component.
Die Aufgaben werden durch elektrische Bauelemente nach den Ansprüchen 1 und 9, durch Verfahren nach den Ansprüchen 10 und 16 und einer Verwendung nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Bauelemente, des Verfahrens und der Verwendung sind Gegenstände von abhängigen Ansprüchen.The objects are achieved by electrical components according to
Es wird ein elektrisches Bauelement aufweisend einen Sensor zur Erfassung der Temperatur oder der Betriebsdauer des elektrischen Bauelements angegeben. Das Bauelement ist beispielsweise als Piezoaktor, Varistor, Kondensator, Heißleiter oder Kaltleiter ausgebildet.It is an electrical component comprising a sensor for detecting the temperature or the operating time of the electrical component specified. The device is designed for example as a piezoelectric actuator, varistor, capacitor, thermistor or PTC thermistor.
Vorzugsweise wird eine Temperatur oder Betriebsdauer durch Auslesung des Sensors nachträglich, d.h. insbesondere nach Herausnahme des elektrischen Bauelements aus dem Betrieb, bestimmt. Beispielsweise wird das Bauelement für eine bekannte, vorgegebene Betriebsdauer in Betrieb genommen. Durch nachträgliches Auslesen des Sensors kann eine Temperatur während der Betriebsdauer des Bauelements bestimmt werden. Bei Temperaturschwankungen während der Betriebsdauer kann durch Auslesen des Sensors beispielsweise eine mittlere Temperatur bestimmt werden. Alternativ kann bei Kenntnis einer Temperatur, insbesondere einer mittleren Temperatur, durch Auslesen des Sensors auf eine Betriebsdauer geschlossen werden.Preferably, a temperature or operating time is retrieved by reading the sensor, i. in particular after removal of the electrical component from the operation determined. For example, the component is put into operation for a known, predetermined operating time. By subsequent readout of the sensor, a temperature during the service life of the device can be determined. In the case of temperature fluctuations during the operating period, for example, an average temperature can be determined by reading the sensor. Alternatively, if a temperature, in particular a mean temperature, is known, an operating period can be concluded by reading the sensor.
Beispielsweise kann durch Auslesen des Sensors bei einer Schädigung oder einem Ausfall des Bauelements eine mögliche Fehlanwendung nachgewiesen werden. Insbesondere kann eine zu hohe Betriebstemperatur oder eine zu lange Betriebsdauer, und somit der Betrieb in einem unzulässigen Anwendungsbereich, nachgewiesen werden. Damit können beispielsweise zulässige Reklamationen bei einem Bauelementversagen von unzulässigen Reklamationen bei unsachgemäßer Nutzung unterschieden werden.For example, by reading the sensor in case of damage or failure of the device, a possible misuse can be detected. In particular, an excessively high operating temperature or too long operating time, and thus operation in an impermissible field of application, can be detected. For example, allowable complaints in the event of a component failure can be distinguished from inadmissible complaints in case of improper use.
Vorzugsweise ist der Sensor ein passiver Sensor. Ein passiver Sensor benötigt zur Erfassung und Speicherung der Temperatur oder der Betriebsdauer keine elektrische Energie.Preferably, the sensor is a passive sensor. A passive sensor does not require electrical energy to detect and store temperature or operating time.
Der Sensor weist ein erstes metallisches Material und ein zweites metallisches Material auf. Das zweite metallische Material ist vorzugsweise am ersten metallischen Material angeordnet und grenzt insbesondere an das erste metallische Material an. Insbesondere kann das zweite metallische Material auf dem ersten metallischen Material angeordnet sein. Beispielsweise ist wenigstens eines der Materialien als Schicht ausgebildet. Es können auch beide Materialien als Schichten ausgebildet sein.The sensor comprises a first metallic material and a second metallic material. The second metallic material is preferably arranged on the first metallic material and in particular adjoins the first metallic material. In particular, the second metallic material may be disposed on the first metallic material. For example, at least one of the materials is formed as a layer. Both materials can also be formed as layers.
Vorzugsweise ist das erste metallische Material auf einem Träger angeordnet. Beispielsweise ist der Sensor direkt auf einem elektrischen Bauelement angeordnet. Der Träger kann insbesondere ein Grundkörper des Bauelements sein, beispielsweise ein keramischer Grundkörper. Alternativ kann der Träger auch als Metallträgerschicht ausgebildet sein.Preferably, the first metallic material is disposed on a support. For example, the sensor is arranged directly on an electrical component. The support may in particular be a base body of the component, for example a ceramic base body. Alternatively, the carrier may also be formed as a metal carrier layer.
Vorzugsweise ist der Sensor permanent mit dem elektrischen Bauelement verbunden. Der Sensor kann in das elektrische Bauelement integriert sein. Insbesondere kann der Sensor in einem Teil des Bauelements integriert sein, der nur schwer von außen zugänglich ist. Somit ist die Erfassung der Temperatur mit dem Sensor in einem Bereich des Bauelements möglich, in dem die Temperatur mit üblichen Temperatursensoren nicht oder nur schwer erfasst werden kann.Preferably, the sensor is permanently connected to the electrical component. The sensor can be integrated in the electrical component. In particular, the sensor can be integrated in a part of the component which is difficult to access from the outside. Thus, the detection of the temperature with the sensor in a region of the component is possible in which the temperature can not or only with difficulty be detected with conventional temperature sensors.
Beispielsweise hat wenigstens eines der metallischen Materialien eine weitere Funktion im Bauelement. Insbesondere kann wenigstens eines der metallischen Materialien eine Funktion als elektrischer Kontakt im Bauelement aufweisen, beispielsweise als elektrische Kontaktierung von internen Elektroden des Bauelements. Somit kann das metallische Material gleichzeitig als Sensor und zur elektrischen Kontaktierung dienen. Beispielsweise kann eines der Materialien, insbesondere das erste Material, als Leiterbahn, z. B. Kupferbahn, einer Leiterplatte ausgebildet sein. Das zweite Material kann beispielsweise als Lotmaterial ausgebildet sein, insbesondere als Lotmaterial die auf einem als elektrischen Kontakt dienenden ersten metallischen Material angeordnet ist. Durch das Lotmaterial kann beispielsweise ein elektrischer Anschluss am Bauelement elektrisch und mechanisch angebunden werden.For example, at least one of the metallic materials has another function in the Component. In particular, at least one of the metallic materials may have a function as electrical contact in the component, for example as electrical contacting of internal electrodes of the component. Thus, the metallic material can simultaneously serve as a sensor and for electrical contact. For example, one of the materials, in particular the first material, as a conductor, z. B. copper track, a circuit board may be formed. The second material may for example be formed as a solder material, in particular as a solder material which is arranged on a first metallic material serving as an electrical contact. By the solder material, for example, an electrical connection to the component can be electrically and mechanically connected.
In einer Ausführungsform befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten metallischen Material eine intermetallische Phase. Die intermetallische Phase entsteht vorzugsweise beim Anordnen des zweiten metallischen Materials an dem ersten metallischen Material, insbesondere durch Interdiffusion eines Metalls aus dem ersten metallischen Materials und eines Metalls aus dem zweiten metallischen Material. Dabei gehen die Metalle aus dem ersten und dem zweiten metallischen Material in der intermetallischen Phase eine chemische Verbindung ein.In one embodiment, there is an intermetallic phase between the first and second metallic materials. The intermetallic phase is preferably formed by disposing the second metallic material on the first metallic material, in particular by interdiffusion of a metal of the first metallic material and a metal of the second metallic material. The metals of the first and the second metallic material in the intermetallic phase enter into a chemical compound.
Die Dicke der intermetallischen Phase kann zur Bestimmung der Temperatur oder der Betriebsdauer des Sensors und insbesondere des elektrischen Bauelementes herangezogen werden. Dies beruht darauf, dass sich die Dicke der intermetallischen Phase abhängig von der Temperatur und der Betriebsdauer des Sensors verändert. Insbesondere nimmt die Dicke der intermetallischen Phase mit der Zeit t und bei einer Temperaturbelastung T zu.The thickness of the intermetallic phase can be used to determine the temperature or the operating time of the sensor and in particular of the electrical component. This is due to the fact that the thickness of the intermetallic phase changes depending on the temperature and the operating time of the sensor. In particular, the thickness of the intermetallic phase increases with time t and at a temperature load T.
Dabei gilt die folgende Beziehung:
Somit kann nach Bestimmung der Kalibrierkonstanten und nach der experimentellen Bestimmung der Dicke der intermetallischen Phase und bei Kenntnis der Betriebsdauer eine Temperatur des Sensors bestimmt werden. Bei Temperaturschwankungen während der Betriebsdauer kann eine mittlere Temperatur bestimmt werden.Thus, after determining the calibration constants and after the experimental determination of the thickness of the intermetallic phase and knowing the operating time, a temperature of the sensor can be determined. With temperature fluctuations during the operating period, an average temperature can be determined.
Die Dicke der intermetallischen Phase kann experimentell beispielsweise durch eine Schliff- und Mikroskopieanalyse des Sensors bestimmt werden. Die Kalibrierkonstanten können beispielsweise durch Lagerungsversuche von Sensoren bei vorgegebenen Temperaturen bestimmt werden.The thickness of the intermetallic phase can be determined experimentally, for example, by a micrograph and microscopic analysis of the sensor. The calibration constants can be determined, for example, by storage experiments of sensors at predetermined temperatures.
Alternativ kann bei Kenntnis der Temperatur auf die Betriebsdauer des Sensors und insbesondere auf die Betriebsdauer des Bauelements geschlossen werden.Alternatively, if the temperature is known, it is possible to deduce the operating time of the sensor and in particular the service life of the component.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensors befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten metallischen Material eine Phasengrenze. Die Materialien können insbesondere derart gewählt sein, dass es nicht zur Ausbildung einer intermetallischen Phase kommt.In a further embodiment of the sensor, there is a phase boundary between the first and the second metallic material. The materials may in particular be selected such that no formation of an intermetallic phase occurs.
Vorzugsweise verschiebt sich die Phasengrenze in Abhängigkeit von der Temperatur und der Betriebsdauer des Sensors. Eine derartige Verschiebung ist insbesondere als Kirkendall-Effekt bekannt.The phase boundary preferably shifts as a function of the temperature and the operating time of the sensor. Such a shift is known in particular as Kirkendall effect.
Die Position der Phasengrenze kann zur Bestimmung der Temperatur oder der Betriebsdauer des Sensors und insbesondere des Bauelements herangezogen werden. Dabei ergibt sich die Verschiebung der Phasengrenze, d.h., der Unterschied zwischen der Position der Phasengrenze zu einem zweiten Zeitpunkt und der Position der Phasengrenze zu einem ersten Zeitpunkt, nach einer Betriebsdauer und einer Temperaturbelastung analog zur Dicke der intermetallischen Phase nach der oben angegebenen Formel. Somit kann nach einer Bestimmung der Kalibrierkonstanten, einer experimentellen Bestimmung der Position der Phasengrenze, bei Kenntnis der Position einer anfänglichen Phasengrenze und bei Kenntnis der Betriebsdauer die Temperatur bestimmt werden. Alternativ kann bei Kenntnis der Temperatur die Betriebsdauer bestimmt werden.The position of the phase boundary can be used to determine the temperature or the operating time of the sensor and in particular of the component. The result is the shift of the phase boundary, that is, the difference between the position of the phase boundary at a second time and the position of the phase boundary at a first time, after an operating time and a temperature load analogous to the thickness of the intermetallic phase according to the formula given above. Thus, after a determination of the calibration constants, an experimental determination of the position of the phase boundary, knowing the position of an initial phase boundary and knowing the operating time, the temperature can be determined. Alternatively, if the temperature is known, the operating time can be determined.
Anstelle einer rechnerischen Bestimmung der Temperatur oder der Betriebsdauer durch die oben angegebene Beziehung können auch Vergleichswerte zur Ermittlung der Temperatur oder der Betriebsdauer herangezogen werden. Diese Vergleichswerte können beispielsweise experimentell durch verschiedene Temperaturbelastungen von Sensoren bei vorgegebenen Betriebsdauern ermittelt werden.Instead of a mathematical determination of the temperature or the operating time by the above-mentioned relationship, comparative values can also be used to determine the temperature or the operating time. These comparison values can be determined, for example, experimentally by different temperature loads of sensors at given operating times.
Das erste und das zweite metallische Material kann eines oder mehrere Metalle enthalten oder aus einem oder mehreren Metallen bestehen.The first and second metallic materials may include one or more metals or may consist of one or more metals.
Beispielsweise weist wenigstens eines der metallischen Materialien Kupfer auf. Vorzugsweise weist das erste metallische Material Kupfer auf. Beispielsweise weist wenigstens eines der metallischen Materialien Zinn auf. Insbesondere kann wenigstens eines der Materialien Kupfer aufweisen und wenigstens das andere Material Zinn aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das andere metallische Material Messing aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens eines der metallischen Materialien, insbesondere das erste metallische Material, Gold auf. For example, at least one of the metallic materials has copper. Preferably, the first metallic material comprises copper. For example, at least one of the metallic Materials tin on. In particular, at least one of the materials may comprise copper and at least the other material may comprise tin. Alternatively or additionally, the other metallic material may comprise brass. In a further embodiment, at least one of the metallic materials, in particular the first metallic material, comprises gold.
Vorzugsweise weist wenigstens das andere metallische Material Aluminium auf.Preferably, at least the other metallic material comprises aluminum.
Bei einer Materialkombination Kupfer/Zinn oder Gold/Aluminium kommt es vorzugsweise zur Ausbildung einer intermetallischen Phase, so dass hier die Dicke der intermetallischen Phase zur Bestimmung von Temperatur und Betriebszeit herangezogen werden kann. Bei einer Materialkombination Kupfer/Messing kommt es vorzugsweise zu einer Ausbildung einer Phasengrenze, die sich unter einer Temperaturbelastung verschiebt, so dass die Verschiebung der Phasengrenze zur Bestimmung von Temperatur und Betriebszeit herangezogen werden kann.In a combination of materials copper / tin or gold / aluminum, it is preferable to form an intermetallic phase, so that here the thickness of the intermetallic phase can be used to determine the temperature and operating time. In a combination of materials copper / brass, it is preferable to form a phase boundary, which shifts under a temperature load, so that the shift of the phase boundary can be used to determine the temperature and operating time.
Weiterhin wird ein elektrisches Bauelement aufweisend einen wie oben beschriebenen Sensor angegeben. Das Bauelement kann insbesondere als Piezoaktor, Varistor, Kondensator, Heißleiter oder Kaltleiter ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Sensor in das Bauelement integriert. Beispielsweise kann, wie oben beschrieben, eines der metallischen Materialien des Sensors eine weitere Funktion im Bauelement erfüllen, beispielsweise eine Funktion als elektrische Kontaktierung.Furthermore, an electrical component comprising a sensor as described above is specified. The component can be designed in particular as a piezoelectric actuator, varistor, capacitor, thermistor or PTC thermistor. Preferably, the sensor is integrated into the component. For example, as described above, one of the metallic materials of the sensor can fulfill a further function in the component, for example a function as an electrical contact.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur oder einer Betriebsdauer eines elektrischen Bauelements angegeben. Dabei wird ein elektrisches Bauelement bereitgestellt, das ein erstes metallisches Material und ein zweites metallisches Material aufweist. Das zweite metallische Material ist vorzugsweise am ersten metallischen Material angeordnet und grenzt insbesondere an das erste metallische Material an. Beispielsweise ist das zweite metallische Material auf dem ersten metallischen Material angeordnet. Es wird die Dicke einer intermetallischen Phase oder die Position einer Phasengrenze zwischen dem ersten und dem zweiten metallischen Material bestimmt. Anschließend wird aus der Dicke der intermetallischen Phase oder der Position der Phasengrenze eine Temperatur oder eine Betriebszeit des elektrischen Bauelements bestimmt. Die Temperatur oder Betriebsdauer kann dabei aus der Dicke der intermetallischen Phase oder der Position der Phasengrenze nach der oben angegebenen Beziehung ermittelt werden.Furthermore, a method for determining a temperature or a service life of an electrical component is specified. In this case, an electrical component is provided which comprises a first metallic material and a second metallic material. The second metallic material is preferably arranged on the first metallic material and in particular adjoins the first metallic material. For example, the second metallic material is disposed on the first metallic material. The thickness of an intermetallic phase or the position of a phase boundary between the first and second metallic materials is determined. Subsequently, a temperature or an operating time of the electrical component is determined from the thickness of the intermetallic phase or the position of the phase boundary. The temperature or operating time can be determined from the thickness of the intermetallic phase or the position of the phase boundary according to the relationship given above.
Das in diesem Verfahren verwendete Bauelement sowie das erste und zweite metallische Material können alle funktionellen und strukturellen Merkmale aufweisen, die bezüglich des Sensors und des Bauelements beschrieben sind.The device used in this method as well as the first and second metallic materials may all have functional and structural features described with respect to the sensor and the device.
Vorzugsweise ist bei einer Bestimmung der Temperatur oder Betriebsdauer durch die Position der Phasengrenze eine Position der Phasengrenze zu einem ersten Zeitpunkt bekannt. Dann wird in dem Verfahren vorzugsweise die Position der Phasengrenze zu einem späteren, zweiten Zeitpunkt ermittelt. Insbesondere kann der erste Zeitpunkt vor der Inbetriebnahme des Bauelements liegen. Der zweite Zeitpunkt liegt dann beispielsweise nach der Inbetriebnahme des Bauelements, insbesondere nach einer Temperaturbelastung.Preferably, when determining the temperature or operating time by the position of the phase boundary, a position of the phase boundary at a first time is known. Then, in the method, the position of the phase boundary is preferably determined at a later, second point in time. In particular, the first time may be before the startup of the device. The second time is then, for example, after the commissioning of the device, in particular after a temperature load.
Vorzugsweise wird die Position der Phasengrenze zum ersten Zeitpunkt im Bauelement gekennzeichnet. Eine derartige Kennzeichnung kann beispielsweise geometrisch erfolgen. Insbesondere können die metallischen Materialien derart angeordnet werden, dass die Phasengrenze auf Höhe eines kennzeichnenden geometrischen Merkmals des Bauelements liegt.Preferably, the position of the phase boundary at the first time in the component is marked. Such identification can be done geometrically, for example. In particular, the metallic materials can be arranged such that the phase boundary is at the level of a characteristic geometric feature of the device.
Beispielsweise wird hierzu in eine Außenseite des Bauelements eine Vertiefung eingebracht. Das erste metallische Material kann derart in der Vertiefung angeordnet werden, dass es mit der Außenseite bündig abschließt. Auf das erste metallische Material wird dann das zweite metallische Material aufgebracht. In diesem Fall liegt die Phasengrenze zu einem ersten Zeitpunkt auf Höhe der Außenseite. Bei einer Temperaturbelastung verschiebt sich die Phasengrenze, beispielsweise in einer Richtung, die vom Bauelement wegführt.For example, for this purpose, a depression is introduced into an outer side of the component. The first metallic material may be placed in the recess so that it is flush with the outside. The second metallic material is then applied to the first metallic material. In this case, the phase boundary is at the level of the outside at a first time. At a temperature load, the phase boundary shifts, for example, in a direction that leads away from the device.
Durch die Bestimmung der Position der Phasengrenze zu einem zweiten Zeitpunkt kann somit bei Kenntnis der Position der Phasengrenze zum ersten Zeitpunkt die Verschiebung der Phasengrenze ermittelt werden. Aus dieser Verschiebung kann wie oben beschrieben die Temperaturbelastung oder die Betriebsdauer des Bauelements ermittelt werden.By determining the position of the phase boundary at a second point in time, the phase boundary shift can thus be determined when the position of the phase boundary is known at the first time. From this shift, as described above, the temperature load or the operating time of the device can be determined.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Position der Phasengrenze zum ersten Zeitpunkt durch ein drittes Material gekennzeichnet, das zwischen dem ersten und zweiten Material angeordnet wird. Das dritte Material kann beispielsweise nur einen Teil einer Kontaktfläche zwischen dem ersten und zweiten Material abdecken, so dass der Kontakt zwischen dem ersten und zweiten Material weiterhin gegeben ist. Das dritte Material verändert vorzugsweise seine Position während der Betriebsdauer des Bauelements und insbesondere bei einer Temperaturbelastung nicht. Somit kann durch das dritte Material die Position der Phasengrenze zu einem ersten Zeitpunkt gekennzeichnet werden.In a further embodiment, the position of the phase boundary at the first time is characterized by a third material disposed between the first and second material. For example, the third material may cover only a part of a contact area between the first and second materials, so that the contact between the first and second materials continues to exist. The third material preferably does not change its position during the service life of the device, and especially not with thermal stress. Thus, by the third material, the position of the phase boundary can be marked at a first time.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Verwendung einer intermetallischen Phase oder einer Phasengrenze zwischen einem ersten metallischen Material und einem zweiten metallischen Material als Sensor zur Erfassung einer Temperatur oder einer Betriebsdauer eines elektrischen Bauelements angegeben. Die metallischen Materialien können die gleichen funktionellen und strukturellen Eigenschaften aufweisen, die bezüglich des Sensors, des Bauelements und des Verfahrens beschrieben sind. Insbesondere kann das zweite metallische Material auf dem ersten metallischen Material angeordnet sein. Die Bestimmung der Temperatur oder der Betriebsdauer kann insbesondere durch Ermittlung der Dicke der intermetallischen Phase oder durch Ermittlung der Position der Phasengrenze wie oben beschrieben erfolgen. In another aspect of the present disclosure, an application of an intermetallic phase or a phase boundary between a first metallic material and a second metallic material as a sensor for detecting a temperature or an operating time of an electrical component is provided. The metallic materials may have the same functional and structural characteristics as described with respect to the sensor, device and method. In particular, the second metallic material may be disposed on the first metallic material. The determination of the temperature or the operating time can be carried out in particular by determining the thickness of the intermetallic phase or by determining the position of the phase boundary as described above.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Ausführungsbeispielen näher erläutert.The objects described here are explained in more detail below with reference to schematic and not to scale embodiments.
Es zeigen:
-
1 in einem schematischen Schnittbild einen Sensor aufweisend eine intermetallische Phase, -
2 der Sensor aus 1 nach einer Temperaturbelastung, -
3A ,3B ,3C in schematischen Schnittbildern Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Sensors aufweisend eine Phasengrenze, -
4 der Sensor aus3C nach einer Temperaturbelastung.
-
1 in a schematic sectional view of a sensor having an intermetallic phase, -
2 the sensor off1 after a temperature load, -
3A .3B .3C in schematic sectional views, process steps in the manufacture of a sensor having a phase boundary, -
4 the sensor off3C after a temperature load.
Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.Preferably, like reference numerals refer to functionally or structurally corresponding parts of the various embodiments in the following figures.
Der Sensor
Der Träger kann alternativ auch aus einem metallischen Material gebildet sein. Beispielsweise ist der Träger als Kupferplättchen ausgebildet, das zugleich auch als erstes metallisches Material des Sensors fungieren kann.The support may alternatively be formed of a metallic material. For example, the carrier is designed as a copper plate, which can also act as the first metallic material of the sensor at the same time.
Der Sensor
Beispielsweise wird das erste metallische Material
Das zweite metallische Material
Bei der Verbindung des zweiten metallischen Materials
Die intermetallische Phase
Dabei gilt, wie oben beschrieben, die folgende Beziehung:
Somit kann nach Bestimmung der Kalibrierkonstanten und nach der experimentellen Bestimmung der Dicke
Wie in
In
Beispielsweise eignet sich der Sensor
Die Schichten aus den metallischen Materialien
Ausgehend von den zu erwarteten Betriebsdauern und Temperaturbelastungen kann die Temperatursensitivität des Sensors 1 durch eine geeignete Materialauswahl des ersten und zweiten Materials
In einer zweiten Ausführungsform wird ein Sensor aus einer Materialkombination aufgebaut, bei der die Position einer Phasengrenze zwischen einem ersten Material und einem zweiten Material zur Bestimmung der Betriebsdauer oder Temperatur herangezogen wird. Der Sensor kann beispielsweise wie der in
Vorzugsweise wird eine anfängliche Position der Phasengrenze markiert. Dann kann aus der Verschiebung der Phasengrenze bezüglich der anfänglichen Position eine Temperaturbelastung oder eine Betriebsdauer errechnet werden.Preferably, an initial position of the phase boundary is marked. Then, from the shift of the phase boundary with respect to the initial position, a temperature load or an operation time can be calculated.
Die
Das erste metallische Material
Anschließend wird, wie in
Dazu sollte die anfängliche Position
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Sensorsensor
- 22
- Trägercarrier
- 33
- Bauelementmodule
- 44
- erstes metallisches Materialfirst metallic material
- 55
- zweites metallisches Materialsecond metallic material
- 66
- intermetallische Phaseintermetallic phase
- 77
- Sensorsensor
- 88th
- Vertiefungdeepening
- 99
- erstes metallisches Materialfirst metallic material
- 1010
- zweites metallisches Materialsecond metallic material
- 1111
- Außenseiteoutside
- 1212
- Phasengrenze phase boundary
- dd
- Dicke der intermetallischen PhaseThickness of the intermetallic phase
- d1 d 1
- Dicke der intermetallischen Phase zum ersten ZeitpunktThickness of the intermetallic phase at the first time
- d2 d 2
- Dicke der intermetallischen Phase zum zweiten ZeitpunktThickness of the intermetallic phase at the second time
- PP
- Position der PhasengrenzePosition of the phase boundary
- P1 P 1
- Position der Phasengrenze zum ersten ZeitpunktPosition of the phase boundary at the first time
- P2 P 2
- Position der Phasengrenze zum zweiten ZeitpunktPosition of the phase boundary at the second time
- aa
- Verschiebung der PhasengrenzeShift of the phase boundary
- TT
- Temperaturtemperature
- tt
- Betriebsdaueroperating time
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2012
- 2012-09-19 DE DE102012108820.9A patent/DE102012108820B4/en active Active
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