DE102017103001A1 - Improved adhesive bond by microstructuring a surface - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen einem ersten Körper (1), welcher zumindest teilweise aus einem Edelstahl besteht und einem zweiten Körper (2), umfassend folgende Verfahrensschritte:- Strukturieren (4) zumindest eines ersten Teilbereichs einer ersten Oberfläche (1a) des ersten Körpers (1) mittels eines Ultrakurzpulslasers, und- Herstellen einer Klebeverbindung zumindest zwischen dem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche (1a) des ersten Körpers (1) und zumindest eines zweiten Teilbereichs einer zweiten Oberfläche (2a) des weiten Körpers (2) vermittels eines Klebemittels (3).Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Sensoreinheit für einen vibronischen Sensor, bei welcher eine Klebeverbindung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist sowie einen vibronischen Sensor mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit.The present invention relates to a method for producing an adhesive bond between a first body (1), which consists at least partially of a stainless steel and a second body (2), comprising the following method steps: - structuring (4) at least a first portion of a first surface ( 1a) of the first body (1) by means of an ultrashort pulse laser, and - producing an adhesive bond at least between the first portion of the first surface (1a) of the first body (1) and at least a second portion of a second surface (2a) of the wide body (2 Furthermore, the present invention relates to a sensor unit for a vibronic sensor, in which an adhesive bond is produced by means of the method according to the invention and a vibronic sensor with a sensor unit according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen einem ersten Körper, welcher zumindest teilweise aus Edelstahl besteht und einem zweiten Körper. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Sensoreinheit für einen vibronischen Sensor, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, sowie einen vibronischen Sensor mit einer entsprechenden Sensoreinheit.The invention relates to a method for producing an adhesive bond between a first body which consists at least partially of stainless steel and a second body. Furthermore, the present invention relates to a sensor unit for a vibronic sensor, which is produced by the method according to the invention, and a vibronic sensor with a corresponding sensor unit.
Fügeprozesse zum Fügen zweier Bauteile aus unterschiedlichen Materialien gewinnen heute zunehmend an Bedeutung. Je nach den verwendeten Materialien sind teilweise vollkommen unterschiedliche Problematiken zu betrachten und in einem Bereich erprobte Verfahren lassen sich nicht ohne weiteres für andere Materialklassen anwenden. Typische Fügeverfahren betreffen das Kleben, oder auch thermische Verfahren, wie beispielsweise das Laserschweißen. Es ist bekannt, dass die Qualität der jeweiligen Fügestelle entscheidend von der Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Bauteile abhängt. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Haftung wird in vielen Fällen zumindest eine der zu fügenden Oberflächen eines der beiden Bauteile geeignet vorbehandelt, insbesondere werden Oberflächen aufgeraut um die Kontaktfläche der zu verklebenden Bauteile zu erhöhen. Im Falle von Kunststoffen sind beispielsweise diverse chemische Verfahren bekannt, während sich für Metalle insbesondere eine Strukturierung der jeweiligen Oberfläche, beispielsweise mittels verschiedenster Schleif- oder Strahlprozesse, insbesondere Sandstrahlen, anbietet.Joining processes for joining two components made of different materials are becoming increasingly important today. Depending on the materials used, some completely different problems can be considered, and proven methods can not easily be applied to other material classes. Typical joining methods involve gluing, or thermal processes such as laser welding. It is known that the quality of the respective joint decisively depends on the surface quality of the respective components. To ensure adequate adhesion, at least one of the surfaces to be joined of one of the two components is suitably pretreated in many cases, in particular surfaces are roughened in order to increase the contact surface of the components to be bonded. In the case of plastics, for example, various chemical processes are known, while for metals in particular structuring of the respective surface, for example by means of a variety of grinding or blasting processes, in particular sandblasting, offers.
Weiterhin ist es bekannt geworden, eine Oberfläche mittels eines geeigneten Laserverfahrens zu strukturieren. Dazu wird die jeweilige Oberfläche häufig mit gepulstem Laserlicht bestrahlt, wodurch selbstorganisierte Strukturen auf der Oberfläche hergestellt werden können. In dieser Hinsicht ist beispielsweise aus der
Die jeweils entstehenden Strukturen auf der jeweiligen Oberfläche hängen grundsätzlich empfindlich von dem jeweils verwendeten Laser und den jeweils für dessen Betrieb verwendeten Parametern ab. Typische laser-induzierte Strukturen sind beispielsweise verschiedene periodische Graben- und Gitterstrukturen, welche auch als Riffeln bezeichneten werden. Außerdem sind statistische Strukturen, welche auch als Cone-like-protrusions, kurz CLPs, bezeichnet werden, beobachtbar. Letztere bestehen aus einer Überstruktur im Mikrometerbereich, welcher eine Nanostruktur im Nanometerbereich überlagert ist. Die jeweilige Struktur auf der Oberfläche hat dabei einen erheblichen Einfluss auf den jeweiligen Fügeprozess.The resulting structures on the respective surface are fundamentally sensitive to the particular laser used and the parameters used in each case for its operation. Typical laser-induced structures are, for example, various periodic trench and grating structures, which are also referred to as corrugations. Furthermore, statistical structures, which are also referred to as cone-like-protrusions, CLPs for short, are observable. The latter consist of a superstructure in the micrometer range, which is superimposed on a nanostructure in the nanometer range. The respective structure on the surface has a considerable influence on the respective joining process.
Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik und dienen der Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums. Im Falle von Füllstandsmessgeräten weisen sie zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit, wie beispielsweise eine Schwinggabel, einen Einstab oder eine Membran auf. Diese wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, häufig in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb sein kann. Die mechanisch schwingfähige Einheit kann im Falle von Durchflussmessgeräten aber auch als schwingfähiges Rohr ausgebildet sein, welches von dem jeweiligen Medium durchflossen wird, wie beispielsweise in einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Messgerät.Vibronic sensors are widely used in process and / or automation technology and serve to determine and / or monitor at least one process variable of a medium. In the case of level measuring devices, they have at least one mechanically oscillatable unit, such as a tuning fork, a monobloc or a membrane. This is excited during operation by means of a drive / receiving unit, often in the form of an electromechanical transducer unit to mechanical vibrations, which in turn may be, for example, a piezoelectric actuator or an electromagnetic drive. However, in the case of flowmeters, the mechanically oscillatable unit can also be designed as a vibratable tube through which the respective medium flows, for example in a measuring device operating according to the Coriolis principle.
Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und im Falle von Füllstandsmessgeräten beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln.Corresponding field devices are manufactured by the applicant in great variety and distributed in the case of level measuring devices, for example under the name LIQUIPHANT or SOLIPHANT. The underlying principles of measurement are known in principle from a variety of publications. The drive / receiving unit excites the mechanically oscillatable unit by means of an electrical pickup signal to mechanical vibrations. Conversely, the drive / receiving unit can receive the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit and convert it into an electrical reception signal.
Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor ≥1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Zur Anregung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, sowohl analoge als auch digitale Verfahren, wie beispielsweise die in den Dokumenten
An die mechanisch schwingfähige Einheit eines vibronischen Sensors, welche häufig aus einem Edelstahl besteht, wird üblicherweise eine Steatitscheibe geklebt, bevor die Antriebs-/Empfangseinheit integriert wird. Dabei hängt die Qualität des Sensors empfindlich von der Klebeverbindung ab. Gerade Klebeverbindung zwischen einem Edelstahl und einem zweiten, nichtmetallischen Bauteil sind jedoch schwierig zu realisieren, wie eingangs ausgeführt.To the mechanically oscillatable unit of a vibronic sensor, which is often made of stainless steel, a steatite disk is usually glued before the drive / receiver unit is integrated. The quality of the sensor depends sensitively on the adhesive bond. Straight adhesive bond between a stainless steel and a second, non-metallic component, however, are difficult to implement, as stated above.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Herstellung einer qualitativ hochwertigen Klebeverbindung zwischen einem Edelstahl und einem nichtmetallischen Bauteil anzugeben.Starting from the prior art, the present invention seeks to provide a way to produce a high quality adhesive bond between a stainless steel and a non-metallic component.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch die Sensoreinheit nach Anspruch 12 und den vibronischen Sensor nach Anspruch 15.This object is achieved by the method according to the invention as claimed in
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Bezüglich des Verfahrens wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen einem ersten Körper, welcher zumindest teilweise aus einem Edelstahl besteht und einem zweiten nichtmetallischen Körper, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- - Strukturieren zumindest eines ersten Teilbereichs einer ersten Oberfläche des ersten Körpers mittels eines Ultrakurzpulslasers, und
- - Herstellen einer Klebeverbindung zumindest zwischen dem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche des ersten Körpers und zumindest eines zweiten Teilbereichs einer zweiten Oberfläche des zweiten Körpers vermittels eines Klebemittels.
- - Structure of at least a first portion of a first surface of the first body by means of a ultrashort pulse laser, and
- - Producing an adhesive bond at least between the first portion of the first surface of the first body and at least a second portion of a second surface of the second body by means of an adhesive.
Edelstahl ist ein chemisch beständiges Material mit einer passiven Oberfläche. Klebemittel haften daher auf Edelstahl vergleichsweise schlecht. Durch die Oberflächenstrukturierung mittels eines Ultrakurzpulslasers lässt sich einerseits eine Vergrößerung der für die Herstellung der Klebeverbindung zur Verfügung stehenden Oberfläche erreichen. Weiterhin ist eine gezielte Modifikation der Oberfläche möglich. Die Oberfläche wird bevorzugt derart strukturiert, dass eine im Wesentlichen vollständige Benetzung der vergrößerten Oberfläche mittels des Klebemittels realisiert bzw. erreicht werden kann. Dies ermöglicht ein gleichmäßiges Anfließen des Klebemittels, was grundlegend für eine möglichst große Adhäsion und entsprechend entscheidend für die Reproduzierbarkeit und Langzeitbeständigkeit der Klebeverbindung ist.Stainless steel is a chemically resistant material with a passive surface. Adhesives therefore adhere to stainless steel comparatively poorly. Due to the surface structuring by means of an ultrashort pulse laser, on the one hand an enlargement of the surface available for the production of the adhesive bond can be achieved. Furthermore, a targeted modification of the surface is possible. The surface is preferably structured such that a substantially complete wetting of the enlarged surface can be realized or achieved by means of the adhesive. This allows a uniform flow of the adhesive, which is fundamental for the largest possible adhesion and, accordingly, crucial for the reproducibility and long-term stability of the adhesive bond.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung eines Ultrakurzpulslasers besteht darin, dass die jeweils strukturierte Oberfläche weniger sogenannte Schmelzartefakte oder auch Spikes aufweist. Durch die kurzen Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden oder Femtosekunden kann einhergehend mit einer gezielten räumlichen Fokussierung des Laserstrahls erreicht werden, dass die jeweils eingebrachte Wärme ausreicht, um Material in einer vorgegeben Region der Oberfläche zu verdampfen (Abtrag) ohne dass sich eine größere Wärmeeinflusszone ausbilden kann.Another advantage of using an ultrashort pulse laser is that the respective structured surface has fewer so-called melting artifacts or even spikes. Due to the short pulse durations in the range of picoseconds or femtoseconds can be achieved in conjunction with a targeted spatial focusing of the laser beam, that the heat introduced sufficient to evaporate material in a given region of the surface (removal) without a larger heat affected zone can form ,
Erfindungsgemäß wird nur eine Oberfläche einer der beiden Körper mittels des Lasers strukturiert. Dies führt zu einer erhöhten Reproduzierbarkeit der Klebestelle. Indem der zweite Körper eine im Wesentlichen glatte Oberfläche aufweist, führen laterale Verschiebungen zwischen der ersten und zweiten Oberfläche des ersten und zweiten Körpers nicht zu einer veränderten Geometrie im Bereich der Fügestelle.According to the invention, only one surface of one of the two bodies is structured by means of the laser. This leads to an increased reproducibility of the splice. As the second body has a substantially smooth surface, lateral displacements between the first and second surfaces of the first and second bodies do not result in altered geometry around the joint.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der zweite Körper zumindest teilweise aus Steatit bzw. Speckstein. Die Realisierung einer qualitativ hochwertigen Fügung von Edelstahl und Steatit ist im Allgemeinen schwierig zu realisieren. Beispielsweise sind üblicherweise die Haftungseigenschaften beider Materialien bezüglich verschiedener Klebstoffe sehr unterschiedlich.In a preferred embodiment, the second body consists at least partially of steatite or soapstone. The realization of high quality joining of stainless steel and steatite is generally difficult to realize. For example, the adhesion properties of both materials are usually very different with respect to different adhesives.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird der Laser in einem Burstmodus betrieben. Im Burstmodus wird die Energie eines einzelnen Laserpulses in eine Gruppe von Einzelpulsen unterschiedlicher Frequenz aufgeteilt. Dies erlaubt eine präzise Einstellung der Laserfluenz und damit einhergehend eine besonders schonende Möglichkeit der Oberflächenstrukturierung. Es kann erreicht werden, dass die jeweils strukturierte Oberfläche im Wesentlichen frei von Artefakten, insbesondere Schmelzen oder Spikes, ist.In a further preferred embodiment, the laser is operated in a burst mode. In burst mode, the energy of a single laser pulse is split into a group of individual pulses of different frequencies. This allows a precise Adjustment of the laser fluence and, consequently, a particularly gentle possibility of surface structuring. It can be achieved that the respectively structured surface is substantially free of artifacts, in particular melts or spikes.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass der Laser mit einer Leistung von etwa 50-200µJ und/oder einer Rastergeschwindigkeit parallel zu einer Längsrichtung der ersten Oberfläche von etwa 0,1-1cm/s betrieben wird. Bevorzugte Pulslängen sind 5-30ps. Ferner wird bevorzugt ein Laser mit einer Frequenz von 100-1000kHz verwendet. Besonders bevorzugt sind Frequenzen <500kHz, da bei diesen Frequenzen sogenannte Abschirmeffekte vermieden werden können. Unter einem Abschirmeffekt wird im Folgenden verstanden, dass ein einfallender Laserpuls an durch diesem Puls vorausgehenden Pulsen erzeugten Plasma- und/oder Materialdampfwolken absorbiert oder gestreut wird.An embodiment of the method includes that the laser is operated with a power of about 50-200μJ and / or a scanning speed parallel to a longitudinal direction of the first surface of about 0.1-1cm / s. Preferred pulse lengths are 5-30ps. Furthermore, a laser with a frequency of 100-1000 kHz is preferably used. Frequencies <500 kHz are particularly preferred since so-called shielding effects can be avoided at these frequencies. In the text which follows, a shielding effect is understood to mean that an incident laser pulse is absorbed or scattered on plasma and / or material vapor clouds generated by pulses preceding this pulse.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass zumindest im ersten Teilbereich der ersten Oberfläche eine Strukturierung in Form einer Überstruktur und einer der Überstruktur überlagerten Feinstruktur erzeugt wird. Die für den Betrieb des Lasers verwendeten Parameter werden also jeweils geeignet eingestellt.A further embodiment includes that structuring in the form of a superstructure and a fine structure superimposed on the superstructure is produced at least in the first subregion of the first surface. The parameters used for the operation of the laser are thus set appropriately.
Für diese Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn es sich bei der Überstruktur um eine periodische Struktur mit einer Periodizität im Mikrometerbereich, insbesondere im Bereich von bis zu 50µm handelt. Besonders bevorzugt sind Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von 5-30 µm.For this embodiment, it is advantageous if the superstructure is a periodic structure with a periodicity in the micrometer range, in particular in the range of up to 50 μm. Particularly preferred are structures having a periodicity in the range of 5-30 microns.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn es sich bei der Feinstruktur um eine periodische Struktur mit einer Periodizität im Nanometerbereich handelt. Die Feinstruktur zeichnet sich insbesondere durch ein vergleichsweise geringes Aspektverhältnis aus. Dies führt wiederum zu einer signifikanten Zunahme der mittels des Klebemittels benetzbaren Oberfläche. Vorzugsweise weist die Feinstruktur eine Periodizität im Bereich von <1µm auf.Likewise, it is advantageous if the fine structure is a periodic structure with a periodicity in the nanometer range. The fine structure is characterized in particular by a comparatively low aspect ratio. This in turn leads to a significant increase in the wettable surface by means of the adhesive. The fine structure preferably has a periodicity in the range of <1 μm.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn bei der Strukturierung sogenannte Cone-like-Protrusions (CLPS) erzeugt werden.It is furthermore advantageous if so-called cone-like protrusions (CLPS) are generated in the structuring.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Überstruktur eine mittlere Strukturhöhe (peak-to-valley) von bis zu 25µm aufweist, bevorzugt 2-20 µm. Dagegen liegt die mittlere Strukturhöhe der Feinstruktur bevorzugt in einem Bereich von etwa 300-1500nm.Moreover, it is advantageous if the superstructure has an average structure height (peak-to-valley) of up to 25 μm, preferably 2-20 μm. In contrast, the average structure height of the fine structure is preferably in a range of about 300-1500 nm.
Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Laserstrukturierung weisen die erfindungsgemäß hergestellten Strukturen vergleichsweise geringe mittlere Strukturhöhen und damit einhergehend ein geringes Aspektverhältnis auf, sowohl für die Überstruktur als auch hinsichtlich der Feinstruktur. Dies ist überraschender Weise insbesondere vorteilhaft in Bezug auf die Benetzung der Oberfläche mit dem Klebemittel. Zwar nimmt die Oberfläche mit zunehmender mittlerer Strukturhöhe zu. Allerdings kann im Falle größerer mittlerer Strukturhöhen ggf. nicht mehr gewährleistet werden, dass die Oberfläche vollständig mit dem Klebemittel benetzt werden kann, da der Klebstoff nicht vollständig in die Strukturen fließen kann. Der Übergang hierbei ist fließend und hängt insbesondere von der Viskosität des Klebemittels ab. Neben der mittleren Strukturhöhe spielt in dieser Hinsicht auch die Periodizität der Strukturen eine entscheidende Rolle. Desto größer die Periodizität, desto größer kann die mittlere Strukturhöhe gewählt werden. Allerdings wird mit zunehmend größerer Periodizität der Effekt der Oberflächenvergrößerung gegebenenfalls geringer als bei geringerer Periodizität mit geringerer mittlerer Strukturhöhe.In comparison to conventional methods for laser structuring, the structures produced according to the invention have comparatively low average structural heights and, consequently, a low aspect ratio, both for the superstructure and also for the fine structure. This is surprisingly particularly advantageous with respect to the wetting of the surface with the adhesive. Although the surface increases with increasing mean structure height. However, in the case of larger average structural heights, it may no longer be possible to ensure that the surface can be wetted completely with the adhesive, since the adhesive can not flow completely into the structures. The transition here is fluid and depends in particular on the viscosity of the adhesive. In addition to the average structure height, the periodicity of the structures plays a decisive role in this respect. The larger the periodicity, the greater the average structure height can be selected. However, with increasing periodicity, the effect of surface augmentation may be lower than at lower periodicity with lower average struc- tural height.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest der erste Teilbereich der ersten Oberfläche des ersten Körpers, insbesondere mittels des Lasers, hydrophobiert. Die Strukturierung führt also zu einer Hydrophobierung der Oberfläche. Überraschenderweise führt eine hydrophobe Oberfläche zu einer verbesserten Benetzung mit, vorzugsweise heißhärtenden, Klebemitteln in Form von Epoxidharzen. Solche Klebemitteln werden bei Temperaturen >100°C ausgehärtet und weisen zu Beginn der thermisch induzierten Aushärtung üblicherweise vergleichsweise geringe Mischviskositäten auf.In a further preferred embodiment of the method, at least the first subregion of the first surface of the first body, in particular by means of the laser, is rendered hydrophobic. The structuring thus leads to a hydrophobization of the surface. Surprisingly, a hydrophobic surface leads to improved wetting with, preferably heat-curing, adhesives in the form of epoxy resins. Such adhesives are cured at temperatures> 100 ° C and have at the beginning of the thermally induced curing usually comparatively low mixing viscosities.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird zumindest der erste Teilbereich der ersten Oberfläche derart strukturiert, dass die jeweils hergestellte Klebeverbindung Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, eine Haftzugfestigkeit von mindestens 20MPa aufweist. Die Haftzugfestigkeit stellt hierbei ein Maß für die Qualität der Klebeverbindung dar.In a further preferred embodiment, at least the first subregion of the first surface is structured in such a way that the adhesive bond produced in each case comprises processes according to at least one of the preceding claims, an adhesive tensile strength of at least 20 MPa. The adhesive tensile strength represents a measure of the quality of the adhesive bond.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Sensoreinheit für einen vibronischen Sensor, umfassend zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit aus einem Edelstahl und eine mittels einer Klebeverbindung an der Sensoreinheit befestigte Steatitscheibe, wobei die Klebeverbindung mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist. Im Falle eines vibronischen Sensors beeinflusst die Klebeverbindung zwischen der schwingfähigen Einheit und der Steatitscheibe maßgeblich die Schwingungseigenschaften des Sensors. Insbesondere hat die Klebeverbindung einen großen Einfluss auf die Steifigkeit der schwingfähigen Einheit, von welcher die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit direkt abhängt.The object according to the invention is also achieved by a sensor unit for a vibronic sensor, comprising at least one mechanically oscillatable unit made of a stainless steel and a steatite disk fastened to the sensor unit by means of an adhesive connection, wherein the adhesive connection is produced by means of a method according to one of the preceding claims. In the case of a vibronic sensor, the adhesive bond between the oscillatable unit and the steatite disk significantly influences the vibration characteristics of the sensor. In particular, the adhesive bond has a great influence on the rigidity of the oscillatable unit, from which the resonant frequency of the oscillatable unit directly depends.
Die Strukturierung einer Oberfläche der schwingfähigen Einheit beeinflusst ebenfalls deren Steifigkeit, so dass eine Strukturierung mit einer geringen mittleren Strukturhöhe hier in zweierlei Hinsicht vorteilhaft ist. Zum einen kann, wie bereits erwähnt eine im Wesentlichen vollständige Benetzung der Oberfläche durch das verwendete Klebemittel erzielt werden. Zum anderen wird aufgrund der geringen Strukturhöhe gewährleistet, dass die Steifigkeit der schwingfähigen Einheit möglichst wenig beeinflusst wird. The structuring of a surface of the oscillatable unit also influences its rigidity, so that structuring with a low average structural height is advantageous here in two respects. On the one hand, as already mentioned, a substantially complete wetting of the surface can be achieved by the adhesive used. On the other hand, due to the low structural height, it is ensured that the rigidity of the oscillatable unit is influenced as little as possible.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Klebeverbindung derart hergestellt ist, dass eine Antiresonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit bei maximal 600Hz liegt. Die Lage der Antiresonanz ist unter anderem durch die mechanische Kopplung zwischen der schwingfähigen Einheit und der Antriebs-Empfangseinheit bestimmt, welche wiederum von der Klebeverbindung zwischen der schwingfähigen Einheit und der Steatitscheibe abhängt.In a preferred embodiment, the adhesive connection is produced in such a way that an anti-resonance frequency of the oscillatable unit is at a maximum of 600 Hz. The location of the antiresonance is determined inter alia by the mechanical coupling between the oscillatable unit and the drive-receiving unit, which in turn depends on the adhesive bond between the oscillatory unit and the steatite disc.
Grundsätzlich kann im Fall eines vibronischen Sensors der Abstand zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz durch verschiedene Maßnahmen beeinflusst werden, z. B.:
- 1) Einstellung der mechanischen Schwingungsgüte der mechanisch schwingfähigen Einheit durch Änderung der Formgebung bzw. Geometrie (Membrandicke, Übergänge zwischen Membran und schwingfähiger Einheit) und/oder des Materials (u. a. beispielsweise die Steifigkeit);
- 2) Vermeidung oder Verringerung von Energieverlusten, z. B. durch einen symmetrischen Aufbau und/oder die Schwingungsübertragungen zwischen Antriebs-/Empfangseinheit, Membran und schwingfähiger Einheit auftreten.
- 3) Reduzierung der Anzahl von Bauteilen;
- 4) Vermeidung von mechanischen Verspannungen;
- 5) Gegebenenfalls Einstellung der Dicke einer isolierenden Scheibe zwischen Membran und Antriebs-Empfangseinheit, wie beispielsweise in der
EP0985916B1 - 6) Einstellung des Kopplungsfaktors der Antriebs-/Empfangseinheit;und
- 7) Optimierung von Klebungen und Kontaktierungen.
- 1) adjustment of the mechanical vibration quality of the mechanically oscillatable unit by changing the shape or geometry (membrane thickness, transitions between membrane and oscillatable unit) and / or the material (including, for example, the stiffness);
- 2) prevention or reduction of energy losses, eg. B. by a symmetrical structure and / or the vibration transmission between drive / receiving unit, membrane and oscillatory unit occur.
- 3) reducing the number of components;
- 4) avoidance of mechanical tension;
- 5) Optionally adjusting the thickness of an insulating disc between the membrane and the drive-receiving unit, such as in the
EP0985916B1 - 6) Setting the coupling factor of the drive / receiver unit; and
- 7) Optimization of bonds and contacts.
Vorteilhaft kann erfindungsgemäß die Klebung zwischen schwingfähiger Einheit und Steatitscheibe optimiert werden, ohne einen Verlust hinsichtlich der mechanischen Schwingungsgüte hinnehmen zu müssen. Herkömmliche Laserstrukturierungen mit größeren mittlerer Strukturhöhen beeinflussen nachteilig die mechanische Schwingungsgüte des vibronischen Sensors.Advantageously, according to the invention, the bond between the oscillatable unit and steatite disk can be optimized without having to accept a loss in terms of mechanical vibration quality. Conventional laser structures with larger average structural heights adversely affect the mechanical vibration quality of the vibronic sensor.
Es ist ferner von Vorteil, wenn es sich bei einem für die Herstellung der Klebeverbindung verwendeten Klebemittel um ein Klebemittel mit einer Glasübergangstemperatur, welche Glasübergangstemperatur außerhalb eines Arbeitsbereiches des Sensors liegt, handelt.It is also advantageous if an adhesive used for the production of the adhesive bond is an adhesive having a glass transition temperature, which glass transition temperature is outside a working range of the sensor.
Weitere wichtige Eigenschaften des verwendeten Klebemittels betreffen die Viskosität und Oberflächenspannung des Klebemittels, sowie die Haftungseigenschaften bezüglich der Steatitscheibe, deren Oberfläche erfindungsgemäß nicht bearbeitet wird. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen vibronischen Sensor, umfassend zumindest eine erfindungsgemäß hergestellte Sensoreinheit.Other important properties of the adhesive used concern the viscosity and surface tension of the adhesive, as well as the adhesion properties with respect to the steatite disk whose surface is not processed according to the invention. Finally, the present invention relates to a vibronic sensor, comprising at least one sensor unit produced according to the invention.
Es sei darauf verwiesen, dass die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Ausführungsformen mutatis mutandis auch für die erfindungsgemäße Sensoreinheit und den erfindungsgemäßen vibronischen Sensor anwendbar sind und umgekehrt.It should be pointed out that the embodiments mentioned in connection with the method according to the invention are mutatis mutandis also applicable to the sensor unit according to the invention and the vibronic sensor according to the invention, and vice versa.
Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren
-
1 zwei mittels einer Klebeverbindung gefügte Bauteile, wobei das erste Bauteil ein Edelstahl ist, und wobei das zweite Bauteil aus einem nichtmetallischen Material besteht, -
2 (a) und (b) zwei Abbildungen zweier erfindungsgemäß strukturierter Oberflächen, -
3 eine schematische Skizze (a) eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik, und (b) einer Schwinggabel mit einer daran befestigten Steatitscheibe.
-
1 two components joined by means of an adhesive connection, wherein the first component is a stainless steel, and wherein the second component consists of a non-metallic material, -
2 (a) and (b) two images of two surfaces structured according to the invention, -
3 a schematic sketch (a) of a vibronic sensor according to the prior art, and (b) a tuning fork with a Steatitscheibe attached thereto.
In
Eine detailliertere Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung der erzielten Strukturierung ist in
Vorteilhaft weist die Überstruktur
Unter dem Aspektverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis aus Tiefe bzw. Höhe h einer Struktur im Vergleich zu ihrer lateralen Ausdehnung, also im Vergleich zu ihrer Periodizität p verstanden. Im Falle, dass eine Klebeverbindung hergestellt werden soll, ist ein vergleichsweise geringes Aspektverhältnis h/p wünschenswert, da dies im Allgemeinen zu einer signifikanten Zunahme der mittels des Klebemittels benetzbaren Oberfläche führt.The aspect ratio is generally understood to mean the ratio of depth or height h of a structure in comparison to its lateral extent, that is to say in comparison with its periodicity p. In the case where an adhesive bond is to be made, a comparatively low aspect ratio h / p is desirable, as this generally results in a significant increase in the surface wettable by the adhesive.
Die Periodizität p1 der Überstruktur für die in
In
In
Die Schwinggabel
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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