DE102017104926A1

DE102017104926A1 - Verbindung für einen Sensor

Info

Publication number: DE102017104926A1
Application number: DE102017104926.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Nanowired GmbH
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2018-09-13

Abstract

Bauteil (9) aufweisend zumindest ein Grundbauteil (8) mit mindestens einem Sensor (2), wobei der Sensor (2) mit dem Grundbauteil (8) verbunden ist, wobei eine Verbindung (1) zwischen jeweiligen Kontaktflächen (3) des Sensors (2) und des Grundbauteils (8) über eine Vielzahl von Nanodrähten (4) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung für einen Sensor, insbesondere mit einem Grundbauteil eines Bauteils.
Es sind verschiedenste Bauteile mit Sensoren für die unterschiedlichsten Anwendungen bekannt. Insbesondere ist es bekannt, Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Kraftsensoren (auch als „load cells“ bezeichnet) in Bauteilen zu verwenden. Insbesondere bei diesen Sensoren ist eine besonders haltbar ausgeprägte Verbindung mit dem Bauteil notwendig, damit die gemessenen Daten zuverlässig sind. Wird beispielsweise eine Dehnung eines Bauteils gemessen, so könnte eine Schwäche der Verbindung zwischen Dehnungsmessstreifen und Bauteil zu einer Verfälschung der Messung führen. Auch eine zu starre Verbindung kann zu einer Verfälschung einer Messung führen. Als Dehnungsmessstreifen sind insbesondere sogenannten Folien-Dehnungsmessstreifen bekannt.
Weiterhin ist bei einer mehrdimensionalen Messung von besonderer Bedeutung, dass der Sensor korrekt positioniert und insbesondere hinsichtlich festgelegter Messachsen korrekt orientiert ist. Ansonsten kann z.B. eine Dehnung in Richtung einer der Messachsen nicht korrekt gemessen werden. In vielen Anwendungen werden die Sensoren auf eine Oberfläche eins Bauteils aufgebracht. Dazu kommen regelmäßig Klebe-Verfahren zum Einsatz. Dabei kann es z. B. zu einem „Aufschwimmen“ des Sensors kommen. Das bedeutet, dass der Sensor bis zum Aushärten des Klebers beweglich bleibt. Dies kann zu einer ungenauen Positionierung und/oder Orientierung des Sensors führen. Auch ist eine Wartezeit zwischen Aufkleben des Sensors und nachfolgenden Prozessschritten notwendig. Weiterhin muss bei geklebten Sensoren aufgrund der beschriebenen schlechten Positionierbarkeit ein Mindestabstand zu benachbarten Komponenten des Bauteils eingehalten werden. Insbesondere ist es so nicht möglich, ein Array aus Sensoren mit geringem Abstand zwischen den Sensoren aufzubauen.
Das Verfahren zur Ausbildung der Verbindung zwischen dem Sensor und dem Substrat kann aufwendig sein (und z. B. komplexe Maschinen erfordern). Auch kann das Verfahren ausgeprägte Anforderungen an die zu verbindenden Bestandteile des Bauteils stellen (z. B. hinsichtlich einer minimalen Materialstärke). Weiterhin sind solche Verbindungen oft nicht langzeitbeständig (d.h. sie zeigen unerwünschte Alterungserscheinungen wie z. B. Korrosion).
Ein Nachteil, den viele Verbindungen zwischen Sensor und Bauteil gemäß Stand der Technik gemein haben, ist die mangelnde thermische Stabilität. So gibt es Anwendungen, bei denen die maximale thermische Belastung eines Bauteils nicht durch die einzelnen Komponenten (wie Sensor und/oder Grundbauteil) limitiert wird, sondern durch die darin ausgebildeten Verbindungen. Auch haben viele bekannte Lösungen den Nachteil, dass die Verbindung über eine Fläche oft ungleichmäßig ausgeprägt ist. Insbesondere Folien-Dehnungsmessstreifen und für solche verwendete Verbindungen sind besonders thermisch instabil.
Von besonderer Bedeutung ist insbesondere der k-Faktor des Sensors. Dieser gibt z. B. bei Dehnungsmessstreifen das Verhältnis zwischen einer Widerstandsänderung (also auch des messbaren elektrischen Signals) und der Dehnung an. Je größer der k-Faktor, umso genauer bzw. sensibler ist die Messung (weil eine bestimmte Dehnung ein umso größeres Messsignal liefert). Der k-Faktor ist also ein Maß für die Empfindlichkeit eines Dehnungsmessstreifens. Bekannte Dehnungsmessstreifen sind beispielsweise aus Konstantan (mit einem k-Faktor von etwa 2) oder aus einer Wolfram-Platin-Legierung (mit einem k-Faktor von etwa 4) gebildet. Bereits zwischen diesen beiden Materialien kann ein Faktor 50 im Preis bestehen. Einen erheblich höheren k-Faktor weist beispielsweise Silizium auf (bei p/n-Dotierung liegt dieser bei etwa 80 bis 100). Zugleich ist Silizium sehr kostengünstig. Silizium als Sensor-Material hat aber den Nachteil, dass gemäß Stand der Technik nur unzureichende Möglichkeiten bekannt sind, einen solchen Sensor mit dem Bauteil zu verbinden. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der thermischen Stabilität der Verbindungen.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lösen bzw. zumindest zu verringern. Es soll insbesondere ein Bauteil vorgestellt werden, bei dem ein Sensor, insbesondere ein solcher aus Silizium, mit einem Grundbauteil (wie z.B. einem Substrat) verbunden ist, wobei die Verbindung einfach ausgebildet werden kann, geringe Anforderungen an die zu verbindenden Bestanteile des Bauteils stellt, langzeitbeständig ist, einen besonders geringen thermischen Widerstand aufweist, thermisch beständig ist und über eine Fläche gleichmäßig ausgebildet werden kann. Weiterhin soll ein Herstellungsverfahren für ein solches Bauteil vorgestellt werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Bauteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, mit einer Verwendung einer Folie gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und mit einem Verfahren zum Herstellen eines Bauteils gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Erfindungsgemäß wird ein Bauteil aufweisend zumindest ein Grundbauteil mit mindestens einem Sensor vorgeschlagen. Der Sensor ist mit dem Grundbauteil verbunden, wobei eine Verbindung zwischen jeweiligen Kontaktflächen des Sensors und des Grundbauteils über eine Vielzahl von Nanodrähten ausgebildet ist.
Unter einem Sensor wird hier jeder materielle Körper verstanden, der zur Messung einer mechanischen Größe geeignet ist. Insbesondere kann es sich bei dem Sensor um einen Dehnungsmessstreifen (DMS) zum Messen einer mechanischen Dehnung des Bauteils oder um einen Kraftsensor („load cell“) zum Messen einer Kraft handeln. Vorzugsweise gibt der Sensor die Messgröße in Form eines elektrischen Signals aus. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Sensor eine makroskopische Größe aufweist. Unter makroskopisch wird hier verstanden, dass der Sensor hinreichend groß ist, dass Effekte auf atomare Ebene nicht berücksichtigt werden müssen. Dabei kann es sich insbesondere um Effekte der Quantenmechanik handeln. Insbesondere sind makroskopische Sensoren in Abgrenzung zu mikroskopischen Strukturen zu sehen, bei denen derartige Effekte auf atomarer Ebene berücksichtigt werden müssten. Bei mikroskopischen Strukturen kann es sich insbesondere um integrierte Schaltkreise z.B. auf einem Halbleiterchip oder um vergleichbar dimensionierte Bauteile oder Strukturen handeln.
Vorzugsweise weist der Sensor in jeder Richtung eine Ausdehnung von mindestens 0,1 mm [Millimeter] auf. Darunter ist zu verstehen, dass z.B. ein quaderförmiger Sensor keine Kante mit einer Länge von weniger als 0,1 mm aufweist. Vorzugsweise weist der Sensor in jeder Richtung sogar eine Ausdehnung von mindestens 0,2 mm [Millimeter], besonders bevorzugt mindestens 0,5 mm und ganz besonders bevorzugt mindestens 1 mm auf. Jedenfalls in diesen Fällen handelt es sich um einen makroskopischen Sensor im oben definierten Sinne.
Weiterhin ist bevorzugt, dass der Sensor in keiner Richtung eine Ausdehnung von mehr als 2 mm [Millimeter] aufweist. Vorzugsweise weist der Sensor sogar in keiner Richtung eine Ausdehnung von mehr als 1 mm [Millimeter] auf. Mit einem derart kleinen Sensor kann eine hohe Ortsauflösung einer Dehnungsmessung erreicht werden. Insbesondere kann die so erreichbare Ortsauflösung wesentlich größer sein als beispielsweise mit herkömmlichen Folien-Dehnungsmessstreifen.
Bei dem Grundbauteil kann es sich um jeden Bestandteil des Bauteils handeln, der eine Oberfläche aufweist, die zur Aufnahme eines Sensors eingerichtet und bestimmt werden kann. Das bedeutet insbesondere, dass das Grundbauteil vorzugsweise mindestens eine Oberfläche aufweist, die eine hinreichende Größe aufweist und die hinreichend gerade (insbesondere hinreichend eben) ist. Diese Oberfläche weist vorzugsweise für den Sensor eine Kontaktfläche auf. Es ist besonders bevorzugt, dass das Grundbauteil ein Substrat ist, insbesondere ein solches aus einem Metall. Insbesondere mechanische Eigenschaften (wie z. B. eine Dehnung) des Grundbauteils können mit dem Sensor gemessen werden.
Bei einer Kontaktfläche handelt es sich vorzugsweise um einen räumlich ausgezeichneten Bereich des jeweiligen Bestandteils des Bauteils (d.h. des Sensors bzw. des Grundbauteils). Beispielsweise kann eine Kontaktfläche als eine (Teil-) Fläche des Sensors ausgebildet sein. Alternativ ist es bevorzugt, dass die Kontaktflächen durch Ausbildung der Verbindung ausgezeichnet werden. Das bedeutet, dass die Kontaktfläche sich zunächst nicht von einer restlichen Fläche unterscheidet und erst durch Ausbilden der Verbindung derart hervortritt, dass die Kontaktfläche die Fläche ist, an der die Verbindung ausgebildet ist. In diesem Fall wird die Kontaktfläche gedanklich (d.h. ohne räumliche Auszeichnung) vom restlichen Teil der Fläche abgegrenzt. Dies trifft insbesondere auf die Kontaktfläche auf der Oberfläche des Grundbauteils zu. Die Grundfläche ist vorzugsweise gleichmäßig ausgebildet, d.h. dass eine Kontaktfläche des Grundbauteils erst durch Ausbildung der Verbindung mit dem Sensor ausgezeichnet wird. Es ist bevorzugt, dass an der Verbindung genau zwei Kontaktflächen beteiligt sind (d.h. eine Kontaktfläche des Sensors und eine Kontaktfläche des Grundbauteils).
Jede an der Verbindung beteiligte Kontaktfläche weist vorzugsweise einen Flächeninhalt von mindestens 0,01 mm² [Quadratmillimeter], besonders bevorzugt mindestens 0,25 mm² und ganz besonders bevorzugt mindestens 1 mm² auf. Wie bereits weiter oben beschrieben, treten bei einer entsprechend groß gewählten Verbindungsfläche keine mikroskopischen Effekte auf.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Nanodrähte über einen Teil der Oberfläche des Grundbauteils (insbesondere über die gesamte Oberfläche des Grundbauteils) vorgesehen werden. Nur ein Teil der so vorgesehenen Nanodrähte wird zum Ausbilden der Verbindung mit dem Sensor verwendet. Das bedeutet, dass die Nanodrähte über eine Fläche vorgesehen werden, von der nur Teile als Kontaktflächen Verwendung finden. Bei den restlichen Teilen dieser Fläche bleiben die Nanodrähte ungenutzt.
Unter einem Nanodraht (engl. „nanowire“) wird hier jeder materielle Körper verstanden, der eine drahtähnliche Form und eine Größe im Bereich von wenigen Nanometern bis zu wenigen Mikrometern hat. Ein Nanodraht kann z.B. eine kreisförmige, ovale oder mehreckige Grundfläche aufweisen. Insbesondere kann ein Nanodraht eine hexagonale Grundfläche aufweisen. Vorzugsweise sind alle an der Verbindung beteiligten Nanodrähte aus dem gleichen Material gebildet.
Bevorzugt weisen die Nanodrähte eine Länge im Bereich von 100 nm [Nanometer] bis 100 µm [Mikrometer], insbesondere im Bereich von 500 nm bis 30 µm auf. Weiterhin weisen die Nanodrähte bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 10 nm bis 10 µm, insbesondere im Bereich von 30 nm bis 2 µm auf. Dabei bezieht sich der Begriff Durchmesser auf eine kreisförmige Grundfläche, wobei bei einer davon abweichenden Grundfläche eine vergleichbare Definition eines Durchmessers heranzuziehen ist. Es ist besonders bevorzugt, dass alle verwendeten Nanodrähte die gleiche Länge und den gleichen Durchmesser aufweisen.
Die Verbindung wird vorzugsweise dadurch ausgebildet, dass zwischen den jeweiligen zu verbindenden Kontaktflächen die Vielzahl der Nanodrähte vorgesehen wird. Aufgrund der Größe der Nanodrähte im Nanometer-Bereich ist die Oberfläche der Verbindung (d.h. die Fläche, über die Kräfte wie die Van-der-Waals-Kraft auf atomarer Ebene wirken) besonders groß. Aufgrund der großen Oberfläche der Verbindung kann eine thermische Leitfähigkeit der Verbindung besonders groß sein. Dies kann beispielsweise die Kühlung des Bauteils, insbesondere des Sensors verbessern.
Die beschriebene Verbindung kann weiterhin besonders einfach und ohne Werkzeug ausgebildet werden. Es müssen lediglich die zu verbindenden Kontaktflächen aneinander geführt werden. Ein Druck kann optional ausgeübt werden, ist aber nicht zwingend erforderlich.
Insbesondere kann die Verbindung instantan ausgebildet werden. Damit wird das weiter oben beschriebene Aufschwimmen bei Lösungen gemäß Stand der Technik vermieden. Der einmal aufgebrachte Sensor wird instantan in seiner Position fixiert. Damit kann eine besonders präzise Positionierung des Sensors auf dem Grundbauteil erreicht werden. Insbesondere kann der Sensor auch (in Bezug zu festgelegten Messachsen) besonders präzise orientiert werden. Eine Wartezeit nach dem Aufbringen des Sensors (wie etwa zum Erhärten einer Klebe-Verbindung) ist nicht erforderlich, was die Effizienz des Herstellungsprozesses steigern kann. Insbesondere kann so auch ein Sensor-Array aufgebaut werden (d.h. eine Mehrzahl von insbesondere dicht nebeneinander angeordneten Sensoren). Auch kann ein Abstand des Sensors zu anderen Komponenten des Bauteils besonders klein gewählt werden. Dadurch kann zusätzlich eine höhere Ortsauflösung als mit bekannten Dehnungsmessstreifen (wie etwa mit Folien-Dehnungsmessstreifen) erreicht werden.
Als Anforderung an die zu verbindenden Bestanteile des Bauteils (d.h. an den Sensor und das Grundbauteil) ist hier lediglich zu beachten, dass die Vielzahl von Nanodrähten zwischen den jeweiligen Kontaktflächen bereitgestellt werden kann. Dies ist aber bei einer großen Zahl von Kontaktflächen-Materialien möglich. Auch zeigt die beschriebene Verbindung keine Alterungserscheinungen. Insbesondere ist die beschriebene Verbindung besonders gut gegen Korrosion geschützt. Die Verbindung kann zudem besonders thermisch stabil sein. Thermisch stabil bedeutet hier, dass die Verbindung auch unter Temperaturerhöhung bestehen bleibt und insbesondere auch nicht beschädigt wird. Der Grund für die thermische Stabilität liegt darin, dass die Verbindung ihre Stabilität über die große Kontaktoberfläche erlangt. Diese bleibt bei einer Temperaturänderung unverändert. Zudem kann auf den Einsatz von aufschmelzendem Lot und/oder von Polymeren (insbesondere von Klebstoffen) verzichtet werden, welche bei einer Temperaturerhöhung erweichen könnten. Damit ermöglicht die hier beschrieben Verbindung insbesondere die Verwendung von Silizium als Material für Sensoren.
Ein Silizium-Dehnungsmessstreifen als der Sensor kann beispielsweise gegenüber einem herkömmlichen Folien-Dehnungsmessstreifen insbesondere besonders thermisch stabil sein. Die Folie eines Folien-Dehnungsmessstreifens kann beispielsweise durch Temperaturen über 100 °C [Grad Celsius] beschädigt werden. Auch kann sich ein zur Befestigung von Folien-Dehnungsmessstreifen herkömmlich (d.h. zur Verbindung des Folien-Dehnungsmessstreifens mit einem Grundbauteil) verwendeter Kleber bei derartigen Temperaturen lösen. Silizium-Dehnungsmessstreifen hingegen sind auch bei Temperaturen über 150 °C [Grad Celsius] thermisch stabil. Die Verbindung über die Nanodrähte kann auch bei Temperaturen von über 800 °C [Grad Celsius] bestehen bleiben.
Weiterhin kann die beschriebene Verbindung über eine Fläche gleichmäßig ausgebildet werden. Auch kann über die beschriebene Verbindung ein hermetisches Abschließen zwischen den an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen erreicht werden. Auch dies ist mit der großen Oberfläche der Verbindung zu begründen. Insbesondere kann so ein Lufteinschluss zwischen dem Sensor und der Oberfläche des Grundbauteils vermieden werden.
Die beschriebene Verbindung kann besonders mechanisch stabil sein, was ebenfalls durch die sehr große Kontaktoberfläche der Nanodrähte zu erklären ist. Dabei meint mechanisch stabil insbesondere, dass keine zusätzlichen externen Maßnahmen getroffen werden müssen. Unter einer solchen Maßnahme würde hier verstanden, wenn z.B. der Sensor zusätzlich mit einer Klammer oder einem Bügel gehalten würde. Nicht als eine solche zusätzliche externe Maßnahme soll hier eine adhäsive Verbindung (wie z.B. eine Klebe-Verbindung) zwischen dem Sensor und dem Grundbauteil verstanden werden (vgl. dazu auch die Beschreibung der adhäsiven Verbindung weiter unten). Eine solche adhäsive Verbindung wird hier als eine interne zusätzliche Maßnahme bezeichnet, weil diese am gleichen Ort ausgebildet werden kann wie die hier beschrieben Verbindung (bzw. gleichermaßen auch als ein Teil der hier beschriebenen Verbindung betrachtet werden kann). Die beschriebene Verbindung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass diese allein ausreicht, den Sensor und das Grundbauteil mechanisch zu verbinden. D.h., dass insbesondere vorzugsweise keine beschriebene zusätzliche externe Maßnahme notwendig ist. Eine zusätzliche interne Maßnahme hingegen ist möglich und sogar bevorzugt.
Es ist bevorzugt, dass die Verbindung derart ausgebildet ist, dass der Sensor und das Grundbauteil starr miteinander verbunden sind, so dass insbesondere keine Elastizität zwischen dem Sensor und dem Grundbauteil vorliegt. Das kann beispielsweise durch eine Druckeinwirkung beim Ausbilden der Verbindung erreicht werden.
Weiterhin können durch die Nanodrähte Unebenheiten der Kontaktflächen ausgeglichen werden. Derartige Unebenheiten können zu Verspannungen insbesondere innerhalb des Sensors und damit zu Messfehlern führen. Das kann insbesondere daran liegen, dass sich eine mechanische Spannung beispielsweise innerhalb des Sensors über eine Messdauer nicht-linear und unstetig verändern kann.
Vorzugsweise ist die Verbindung nicht-lösbar ausgeführt. Das bedeutet, dass die Verbindung unter normalen Umständen nicht gelöst werden kann. Nur unter Beschädigung der an der Verbindung beteiligten Bestanteile des Bauteils kann die Verbindung zerstört werden (d.h. unter nicht normalen Umständen).
Die nicht-lösbare Ausführung der Verbindung kann auch insbesondere dazu führen, dass die instantan ausgebildete Verbindung auch zum Zwecke der Justierung der Position des Sensors relativ zum Grundbauteil nicht mehr gelöst werden kann. Daher ist es bevorzugt, dass der Sensor über eine Ausrichtungsvorrichtung wie z.B. einen Greifer automatisiert ausgerichtet wird. Dadurch kann insbesondere vermieden werden, dass die Verbindung z.B. durch thermische und/oder mechanische Einwirkung zu lösen versucht werden muss, um eine zunächst nicht korrekte Positionierung des Sensors zu korrigieren.
Insbesondere eine thermische Einwirkung ist wie oben beschrieben nachteilig. Auch eine mechanische Einwirkung kann nachteilig sein, insbesondere in Form einer Vibrations-Einwirkung (wie z.B. durch Ultraschall). Vorzugweise wird die Verbindung ohne jegliche thermische und/oder mechanische Einwirkung, insbesondere ohne jegliche Ultraschall- oder sonstige Vibrationseinwirkung ausgebildet.
Die Nanodrähte können in beliebiger Orientierung zwischen den an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen ausgebildet sein. Beispielsweise können die Nanodrähte an jeder der an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen eine andere Orientierung haben, sodass die Nanodrähte z. B. schräg zueinander verhaken. Auch ist es möglich, dass eine Kontaktfläche in eine Mehrzahl von Teilbereichen unterteilt ist, wobei die Nanodrähte in den verschiedenen Teilbereichen verschieden orientiert sind. Damit kann eine besonders stabile Verbindung realisiert werden, die insbesondere auch Scherkräften besonders gut standhalten kann. Weiterhin ist es möglich, dass die Nanodrähte an den verschiedenen an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen verschieden ausgeführt sind, insbesondere hinsichtlich deren Länge, Durchmesser, Material und Dichte (wobei die Dichte der Nanodrähte angibt, wie viele Nanodrähte pro Fläche vorgesehen sind). Z.B. können so kleine Nanodrähte der einen Kontaktfläche in eine Struktur großer Nanodrähte der anderen Kontaktfläche eingreifen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Bauteils sind die Nanodrähte senkrecht zu mindestens einer der an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen orientiert.
Vorzugsweise sind an der Verbindung zwei Kontaktflächen beteiligt, die parallel zueinander orientiert sind. In dem Fall sind die Nanodrähte vorzugsweise senkrecht zu beiden Kontaktflächen orientiert. Durch die senkrechte Orientierung zu zumindest einer der Kontaktflächen kann die Verbindung über eine besonders große Oberfläche (der Nanodrähte) ausgebildet werden. Dadurch kann die Verbindung besonders stabil ausgebildet werden. Die oben beschriebenen Vorteile können in dieser Ausführungsform besonders gut erzielt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Bauteils ist zwischen den an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen zusätzlich eine adhäsive Verbindung ausgebildet.
Die adhäsive Verbindung kann z.B. mit einem Kleber oder einem Polymermaterial ausgebildet werden. Durch die zusätzliche adhäsive Verbindung kann die mechanische Stabilität der Verbindung besonders gestärkt werden. Vorzugsweise ist die adhäsive Verbindung als eine Kleberschicht ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Bauteils weist jede an der Verbindung beteiligte Kontaktfläche eine Vielzahl von Nanodrähten auf.
Die Verbindung wird in dieser Ausführungsform dadurch ausgebildet, dass auf jeder der beteiligten Kontaktflächen eine Vielzahl von Nanodrähten bereitgestellt wird, und dass die Nanodrähte durch Annähern der Kontaktflächen in Kontakt gebracht werden. Das bedeutet, dass die Verbindung zwischen den Nanodrähten der jeweiligen Kontaktflächen ausgebildet wird. Dadurch kann eine besonders große Kontaktoberfläche der Verbindung (d.h. der diese ausbildenden Nanodrähte) erzielt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Verbindung nach dem Verbinden erhitzt. Dadurch wird durch Diffusion zwischen den Drähten die Festigkeit (mechanische Stabilität) erhöht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dieses Erwärmen unter einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Bauteils ist der Sensor als ein Dehnungsmessstreifen ausgeführt.
Bei dem Dehnungsmessstreifen kann es sich um jeden Sensor handeln, der zur Messung einer Dehnung (hier insbesondere des Grundbauteils) eingerichtet und bestimmt ist. Der Begriff des Dehnungsstreifens ist hier also weit auszulegen. Vorzugsweise ist der Dehnungsmesstreifen zumindest teilweise, insbesondere vollständig, mit Silizium gebildet. In dem Fall ergeben sich die weiter oben für dieses Material beschriebenen Vorteile (insbesondere hinsichtlich des k-Faktors). Silizium kann hier verwendet werden, weil durch die beschriebene Verbindung die Nachteile gemäß Stand der Technik (zumindest teilweise) umgangen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Bauteils ist der Sensor als ein Kraftsensor ausgeführt.
Bei dem Kraftsensor kann es sich um jeden Sensor handeln, der zur Messung einer Kraft (hier insbesondere an das Grundbauteil angreifend) eingerichtet und bestimmt ist. Der Begriff des Kraftsensors ist hier also weit aus zulegen. Der Kraftsensor kann auch als „load cell“ bezeichnet werden. Liegt der Kraftsensor flach auf einer Oberfläche auf, kann mit dem Kraftsensor insbesondere eine Kraft gemessen werden, die auf diese Oberfläche wirkt. Im Übrigen gilt für den Kraftsensor das für den Dehnungsmessstreifen Gesagt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung einer Folie zur Ausbildung einer Verbindung eines Sensors mit einem Grundbauteil eines Bauteils, wobei die Verbindung zwischen jeweiligen Kontaktflächen des Sensors und des Grundbauteils über eine Vielzahl von Nanodrähten ausgebildet wird, wobei innerhalb der Folie eine Vielzahl von Nanodrähten eingeschlossen ist, und wobei die Folie zwischen jeweiligen Kontaktflächen des Sensors und des Grundbauteils eingeschlossen wird.
Vorzugsweise werden die Nanodrähte dadurch gebildet, dass sie in einer strukturierten Folie gewachsen werden. Dabei können z. B. galvanische Verfahren zum Einsatz kommen. Durch Auflösen der Folie (z. B. chemisch oder thermisch) können die gewachsenen Nanodrähte aus der Folie herausgelöst werden. Belässt man aber die Nanodrähte in der Folie, so kann diese Folie gemäß der hier beschriebenen Verwendung zur Ausbildung der Verbindung des Sensors mit dem Grundbauteil verwendet werden. Durch eine derartige Verwendung der Folie kann das Verfahren zur Ausbildung der Verbindung vereinfacht werden. Insbesondere können der Ort der Herstellung der Nanodrähte und der Ort der Ausbildung der Verbindung voneinander getrennt werden. Die einmal hergestellte Folie kann wie bekannte Klebestreifen verwendet werden. Auch kann die Folie auf eine Rolle aufgerollt bereitgestellt werden. Durch die Folie kann die hier beschriebene Verbindung durch einfaches Aufkleben der Folie auf die jeweiligen Kontaktflächen ausgebildet werden. Bevorzugt wird die Folie auf jede an der Verbindung beteiligte Kontaktfläche aufgebracht. Alternativ ist es bevorzugt, dass die Folie nur auf eine an der Verbindung beteiligte Kontaktfläche aufgebracht wird.
Die weiter oben beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Bauteils sind auf die beschriebene Verwendung einer Folie anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Verwendung einer Folie ist das Bauteil wie weiter oben beschrieben ausgeführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Verwendung einer Folie wird die Folie zumindest teilweise aufgelöst.
Nachdem die Folie zwischen den an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen angeordnet ist, und nachdem die Verbindung ausgebildet ist (ggf. unter Druckeinwirkung) wird die Folie nicht mehr benötigt und kann entfernt werden. Das Auflösen der Folie erfolgt vorzugsweise chemisch (z. B. durch eine Lauge oder ein anderes Lösungsmittel, insbesondere durch ein organisches Lösungsmittel oder durch Sauerstoffplasma) oder thermisch (d.h. durch externes Erhitzen).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Verwendung einer Folie ist die Folie aus einem solchen Material gebildet ist, dass durch Erwärmen der Folie zwischen den an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen zusätzlich eine adhäsive Verbindung ausgebildet wird.
In dieser Ausführungsform wird die weiter oben bereits beschriebene adhäsive Verbindung aus dem Material der Folie erhalten. Dies kann das Verfahren zur Ausbildung der Verbindung vereinfachen, weil auf ein zusätzliches Aufbringen z. B. einer Kleber-Schicht verzichtet werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aufweisend zumindest ein Grundbauteil mit mindestens einem Sensor, wobei der Sensor mit dem Grundbauteil verbunden ist, wobei eine Verbindung zwischen jeweiligen Kontaktflächen des Sensors und des Grundbauteils über eine Vielzahl von Nanodrähten ausgebildet ist, und wobei das Verfahren zumindest die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

a) Bereitstellen des Sensors und des Grundbauteils,
b) Bereitstellen einer Vielzahl von Nanodrähten auf mindestens einer der an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen des Sensors und/oder des Grundbauteils, und
c) mechanisches Verbinden von zumindest zwei jeweiligen der an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen mittels der Vielzahl der Nanodrähte.

Die angegebenen Verfahrensschritte werden bevorzugt, aber nicht notwendig, in der angegebenen Reihenfolge durchlaufen.
Die weiter oben beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Bauteils und der Verwendung einer Folie sind auf das beschriebene Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Bauteil wie weiter oben beschrieben ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Schritt b) mindestens für eine der Kontaktflächen durch Wachsen der Nanodrähte auf der jeweiligen Kontaktfläche realisiert.
Das Wachsen der Nanodrähte wird vorzugsweise durch einen galvanischen Prozess realisiert. Dazu wird das entsprechende Bauteil (d.h. der Sensor bzw. das Grundbauteil) zumindest teilweise, d.h. insbesondere zumindest mit dessen zu bewachsender Kontaktfläche, in eine Vorrichtung zum Wachsen von Nanodrähten eingebracht oder mit einer derartigen Vorrichtung in Kontakt gebracht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt b) ein Schutz auf mindestens eine der Kontaktflächen aufgebracht, wobei in Schritt c) der Schutz vor dem Verbinden der Kontaktflächen zumindest teilweise entfernt wird.
Bei dem Schutz handelt es sich vorzugsweise um eine Schicht aus einem Material, das mit den Nanodrähten keine chemische Verbindung eingeht, das einen mechanischen Schutz für die Nanodrähte ausbildet, und dass ohne die Nanodrähte zu beschädigen wieder entfernt werden kann (z.B. chemisch oder thermisch). Insbesondere kann es sich bei dem Schutz um einen Lack (wie z.B. PMMA oder Kunstharz oder einen in der Mikro- und Nanotechnologie gebräuchlichen Sägeschutzlack) handeln. Der Schutz kann insbesondere bei einem Transport der Bestanteile des Bauteils zwischen der Bereitstellung der Nanodrähte und der Ausbildung der Verbindung vorteilhaft sein. Der Schutz kann auch als Transportschutz bezeichnet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Schritt b) für mindestens eine der Kontaktflächen dadurch realisiert, dass eine Folie auf die jeweilige Kontaktfläche aufgebracht wird, wobei die Vielzahl der Nanodrähte innerhalb der Folie eingeschlossen ist, und wobei die Folie den Schutz darstellt.
Insbesondere für diese Ausführungsform des Verfahrens sind die weiter oben beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der Verwendung einer Folie anwendbar und übertragbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Schutz zumindest teilweise mit einem solchen Material gebildet, dass in Schritt c) zwischen den an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen zusätzlich eine adhäsive Verbindung ausgebildet wird.
In dieser Ausführungsform hat der Schutz die zusätzliche Funktion, die weiter oben beschriebene adhäsive Verbindung auszubilden. Dadurch kann das Verfahren vereinfacht werden, insbesondere kann auf einen zusätzlichen Verfahrensschritt etwa zum Aufbringen eines Kleber-Materials verzichtet werden, das der Ausbildung der adhäsiven Verbindung dient.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die adhäsive Verbindung durch Erwärmen des Schutzes ausgebildet.
Durch Erwärmen des Schutzes kann dieser sowohl zumindest teilweise entfernt werden als auch zumindest teilweise in die adhäsive Verbindung umgewandelt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt c) vor dem Verbinden der Kontaktflächen bei mindestens einer der Kontaktflächen eine Oxidschicht auf den Nanodrähten zumindest teilweise entfernt.
Auf den Nanodrähten kann sich eine (natürliche) Oxidschicht bilden. Diese kann die mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften der Verbindung verschlechtern. Durch Entfernen dieser Oxidschicht kann folglich die Qualität der Verbindung hinsichtlich der genannten Aspekte verbessert werden. Auch kann ein bei der Ausbildung der Verbindung notwendiger Druck durch Entfernen der Oxidschicht reduziert werden. Das Entfernen der Oxidschicht findet vorzugsweise durch Anwendung eines Flußmittels (wie z.B. einer Säure, insbesondere einer reduzierenden Säure, wie Salzsäure (HCl) oder Ameisensäure (CH₂O₂) oder durch ein Plasma (z. B. ein Argon-Plasma) statt. Vorzugsweise enthält die verwendete Säure keine Sauerstoff-Atome (die durch chemische Reaktionen freigesetzt werden könnten, was zur erneuten Ausbildung der Oxidschicht beitragen könnte). Besonders bevorzugt trägt das Flußmittel auch zu der Ausbildung der adhäsiven Verbindung bei. Dies kann beispielsweise bei Akrylaten der Fall sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Resktion durch ein reduzierendes Gas durchgeführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Schritt b) für jede an der Verbindung beteiligte Kontaktfläche durchgeführt.
In dieser Ausführungsform wird die Verbindung zwischen den Nanodrähten ausgebildet. Dadurch kann eine besonders große Kontaktoberfläche der Verbindung (d.h. der diese ausbildenden Nanodrähte) erreicht werden.
Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen schematisch:

1: eine erste Ausführungsform einer Verbindung eines Sensors mit einem Grundbauteil,
2: eine zweite Ausführungsform einer Verbindung eines Sensors mit einem Grundbauteil,
3: eine dritte Ausführungsform einer Verbindung eines Sensors mit einem Grundbauteil,
4: ein zur Ausbildung einer Verbindung geeignetes Grundbauteil, und
5: ein Bauteil aufweisend ein Grundbauteil mit einem Sensor.

1 zeigt eine Verbindung 1 eines Sensors 2 mit einem Grundbauteil 8, wobei die Verbindung 1 zwischen Kontaktflächen 3 des Sensors 2 und des Grundbauteils 8 über eine Vielzahl von Nanodrähten 4 ausgebildet ist. Dabei sind in dieser Ausführungsform die Nanodrähte 4 mit beiden an der Verbindung 1 beteiligten Kontaktflächen 3 verbunden. Die Verbindung 1 gemäß dieser Ausführungsform kann z. B. dadurch realisiert werden, dass das Grundbauteil 8 bereitgestellt wird, wobei an dessen Kontaktfläche 3 eine Vielzahl von Nanodrähten 4 vorgesehen ist, und dass das Grundbauteil 8 mit dem Sensor 2 verbunden wird, dessen Kontaktfläche 3 keine Nanodrähte aufweist.
2 zeigt eine Verbindung 1 eines Sensors 2 und eines Grundbauteils 8, bei der im Gegensatz zu der Ausführungsform in 1 beide an der Verbindung 1 beteiligten Kontaktflächen 3 jeweils eine Vielzahl von Nanodrähten 4 aufweisen.
Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ist dem aus 2 sehr ähnlich. Hier ist lediglich eine zusätzliche adhäsive Verbindung 5 zwischen den an der Verbindung 1 beteiligten Kontaktflächen 3 ausgebildet.
4 zeigt ein Grundbauteil 8, das an einer Kontaktfläche 3 eine Vielzahl von Nanodrähten 4 aufweist. Die Nanodrähte 4 sind in einer Folie 6 eingeschlossen, die einen Schutz 7 darstellt. Das Grundbauteil 8 gemäß dieser Ausführungsform ist zur Ausbildung einer Verbindung, wie sie beispielsweise in 3 gezeigt ist, geeignet und bestimmt.
5 zeigt ein Bauteil 9 aufweisend ein Grundbauteil 8 mit einem Dehnungsmessstreifen 10 und mit einem Kraftsensor 11. Der Dehnungsmessstreifen 10 und der Kraftsensor 11 stellen Sensoren 2 dar, die mit dem Grundbauteil 8 verbunden sind, wobei eine Verbindung 1 zwischen jeweiligen Kontaktflächen 3 der Sensoren 2 und des Grundbauteils 8 über eine Vielzahl von Nanodrähten 4 ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Verbindung
2: Sensor
3: Kontaktfläche
4: Nanodraht
5: adhäsive Verbindung
6: Folie
7: Schutz
8: Grundbauteil
9: Bauteil
10: Dehnungsmessstreifen
11: Kraftsensor

Claims

Bauteil (9) aufweisend zumindest ein Grundbauteil (8) mit mindestens einem Sensor (2), wobei der Sensor (2) mit dem Grundbauteil (8) verbunden ist, wobei eine Verbindung (1) zwischen jeweiligen Kontaktflächen (3) des Sensors (2) und des Grundbauteils (8) über eine Vielzahl von Nanodrähten (4) ausgebildet ist.
Bauteil (9) nach Anspruch 1, wobei die Nanodrähte (4) senkrecht zu mindestens einer der an der Verbindung (1) beteiligten Kontaktflächen (3) orientiert sind.
Bauteil (9) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen den an der Verbindung (1) beteiligten Kontaktflächen (3) zusätzlich eine adhäsive Verbindung (5) ausgebildet ist.
Bauteil (9) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jede an der Verbindung (1) beteiligte Kontaktfläche (3) eine Vielzahl von Nanodrähten (4) aufweist.
Bauteil (9) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensor (2) als ein Dehnungsmessstreifen (10) ausgeführt ist.
Bauteil (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sensor (2) als ein Kraftsensor (11) ausgeführt ist.
Verwendung einer Folie (6) zur Ausbildung einer Verbindung (1) eines Sensors (2) mit einem Grundbauteil (8) eines Bauteils (9), wobei die Verbindung (1) zwischen jeweiligen Kontaktflächen (3) des Sensors (2) und des Grundbauteils (8) über eine Vielzahl von Nanodrähten (4) ausgebildet ist, wobei innerhalb der Folie (6) eine Vielzahl von Nanodrähten (4) eingeschlossen ist, und wobei die Folie (6) zwischen jeweiligen Kontaktflächen (3) des Sensors (2) und des Grundbauteils (8) eingeschlossen wird.
Verwendung einer Folie (6) nach Anspruch 7, wobei das Bauteil (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt ist.
Verwendung einer Folie (6) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Folie (6) zumindest teilweise aufgelöst wird.
Verwendung einer Folie (6) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Folie (6) aus einem solchen Material gebildet ist, dass durch Erwärmen der Folie (6) zwischen den an der Verbindung (1) beteiligten Kontaktflächen (3) zusätzlich eine adhäsive Verbindung (5) ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (9) aufweisend zumindest ein Grundbauteil (8) mit mindestens einem Sensor (2), wobei der Sensor (2) mit dem Grundbauteil (8) verbunden ist, wobei eine Verbindung (1) zwischen jeweiligen Kontaktflächen (3) des Sensors (2) und des Grundbauteils (8) über eine Vielzahl von Nanodrähten (4) ausgebildet ist, und wobei das Verfahren zumindest die folgenden Verfahrensschritte umfasst: a) Bereitstellen des Sensors (2) und des Grundbauteils (8), b) Bereitstellen einer Vielzahl von Nanodrähten (4) auf mindestens einer der an der Verbindung (1) beteiligten Kontaktflächen (3) des Sensors (2) und/oder des Grundbauteils (8), und c) mechanisches Verbinden von zumindest zwei jeweiligen der an der Verbindung (1) beteiligten Kontaktflächen (3) mittels der Vielzahl der Nanodrähte (4).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bauteil (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei Schritt b) mindestens für eine der Kontaktflächen (3) durch Wachsen der Nanodrähte (4) auf der jeweiligen Kontaktfläche (3) realisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei in Schritt b) ein Schutz (7) auf mindestens eine der Kontaktflächen (3) aufgebracht wird, und wobei in Schritt c) der Schutz (7) vor dem Verbinden der Kontaktflächen (3) zumindest teilweise entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei Schritt b) für mindestens eine der Kontaktflächen (3) dadurch realisiert wird, dass eine Folie (6) auf die jeweilige Kontaktfläche (3) aufgebracht wird, wobei die Vielzahl der Nanodrähte (4) innerhalb der Folie (6) eingeschlossen ist, und wobei die Folie (6) den Schutz (7) darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei der Schutz (7) zumindest teilweise mit einem solchen Material gebildet ist, dass in Schritt c) zwischen den an der Verbindung (1) beteiligten Kontaktflächen (3) zusätzlich eine adhäsive Verbindung (5) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die adhäsive Verbindung (5) durch Erwärmen des Schutzes (7) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei in Schritt c) vor dem Verbinden der Kontaktflächen (3) bei mindestens einer der Kontaktflächen (3) eine Oxidschicht auf den Nanodrähten (4) zumindest teilweise entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei Schritt b) für jede an der Verbindung (1) beteiligte Kontaktfläche (3) durchgeführt wird.