DE102021105758A1

DE102021105758A1 - Drucksensor, Glaswafer und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102021105758A1
Application number: DE102021105758.2A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Peuchert; Christoph Hindriksen; Alexander Glacki; Thomas Wiegel; Andreas Langsdorf; Frank Büllesfeld; Matthias Jotz; Mohd Sairul Nizam Omar; Jonathan Leon Ruckes
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2022-09-15
Also published as: US20230416134A1; CN116583485A; JP2024512404A; EP4304998A1; WO2022189587A1; TW202300465A; KR20230154978A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Glasartikel sowie dessen Verwendung in einem Drucksensor. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des Glasartikels.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Glasartikel sowie dessen Verwendung in einem Drucksensor. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des Glasartikels.
Im Zuge fortschreitender Digitalisierung werden vermehrt intelligente und vernetzte Systeme eingesetzt, die auf Sensordaten angewiesen sind. Verbesserte Analysemethoden, z.B. unter Einsatz künstlicher Intelligenz, erlauben die Auswertung großer Datenmengen und eröffnen neue Möglichkeiten, auch kleine Änderungen von Messwerten für die Automatisierung und Steuerung einzusetzen. Um diese Entwicklung weiter voran zu bringen, sind immer genauere Sensoren wünschenswert. Beispiele solcher Sensoren sind Drucksensoren.
Drucksensoren kommen in vielen Bereichen zum Einsatz, insbesondere zur Steuerung von Maschinen und industriellen Anlagen etwa in der Lebensmittelherstellung oder der petrochemischen Industrie. Auch im Automobilbereich, zum Beispiel zur Messung von Öl- und Reifenluftdruck werden Drucksensoren eingesetzt.
Mikroelektromechanische (oder MEMS-) Drucksensoren umfassen eine dünne Membran aus Silizium, die durch Druck elastisch verformbar ist. Diese Siliziummembran ist in der Regel auf einem Sockel aus einem Isolator oder einem halbleitenden Material, beispielsweise Silizium, aufgebracht. Der Sockel weist eine Öffnung auf, durch welche ein Fluid, wie beispielsweise ein Gas, in die Messkavität des Drucksensors eindringen kann. Auf die Membran wirken dabei von beiden Seiten Drücke ein, ein festgelegter oder auch variabler Referenzdruck auf der einen Seite sowie ein variabler Druck auf der der Messkavität zugewandten Seite der Membran. Auch gibt es Sensoren die ohne Referenzdruck arbeiten, sprich der Referenzdruck kann variabel sein. Unterscheiden sich die Drücke auf den beiden Seiten der Membran voneinander, kommt es zu einer Verformung der Membran. In die Membran eingebracht sind Messwiderstände die bei Verformung ihren Widerstand ändern (sogenannte piezoresistive Widerstände). Diese sind elektrisch in Form einer sogenannten Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet. Bei einer Verformung der Membran kommt es zu einer Änderung der elektrischen Spannung der Brückenschaltung. Diese messbare Änderung der Brückenspannung ist näherungsweise proportional zum Druckunterschied.
Dünne Glasartikel eignen sich als Bauteile für Drucksensoren. Ein beispielhafter Aufbau eines solchen Drucksensors ist in 1 gezeigt. Abhängig von dem anliegenden Druck wird eine Membran verformt. Die Verformung und damit der Druck wird über die Änderung des Widerstandes von piezoresistiven Elementen auf der Membran gemessen.
Es wäre wünschenswert, Drucksensoren mit einer besseren Messgenauigkeit zu haben.
Beschreibung der Erfindung
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm mit einem durchschnittlichen oberflächennahen Schädigungslevel (ONSL) auf 2×2 mm² von weniger als 2000 Schädigungen und/oder einer durchschnittlichen dicken-normierten Ort-Dicken-Streuung (ODS) auf 2×2 mm² von weniger als 10 nm pro µm Dicke, wobei die ODS die Differenz der größten Dicke und der geringsten Dicke innerhalb der angegebenen Messfläche ist.
Glasartikel dieser Erfindung eignen sich zur Verwendung als Bauteil in Drucksensoren. Eine Aufgabe solcher Glasbauteile ist die thermische Entkopplung der für die Messung verwendeten Membran von einem Sockelmaterial und der Umgebung. Je genauer die angestrebte Messung ist, desto mehr kommt es auf eine gute und vor allem gleichmäßige thermische Entkopplung an. Auch Drucksensoren unterliegen einem Trend zur Miniaturisierung. Die Bauteile werden immer kleiner und dünner. Ein Vorteil von Glas ist, dass es in besonders geringer Dicke bei guter Oberflächenqualität herstellbar ist. Je kleiner allerdings der Drucksensor insgesamt ist, desto stärker fallen bereits kleine Abweichungen ins Gewicht. Schon die Einwirkung bestimmter Vibrationsfrequenzen auf das Glas während der Formgebung, z.B. im Down Draw-Verfahren, kann zu Dickenschwankungen auf kleiner Fläche führen, die zu örtlichen Abweichungen im Wärmedurchgang beitragen.
Beim Handling und der Nachbearbeitung von Glasartikeln, z.B. Polieren, Schleifen, Läppen, können kleine Schädigungen in das Glas eingebracht werden, die erstaunlich tief in das Glas eindringen. Aufgrund der sehr geringen Dicke der Glasartikel, die in den Drucksensoren eingesetzt werden, können Risse von wenigen Mikrometern Tiefe bereits einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des Glasartikels haben, darunter dessen Wärmedurchgang.
Dickenschwankungen, Kavitäten, Risse und ähnliche Beeinträchtigungen können die Verbindung von Glasartikeln mit anderen Bauteilen eines Drucksensors beeinträchtigen. Beispielsweise kann das Verkleben von Bauteilen erschwert werden oder mehr Klebstoff erforderlich machen, um Unebenheiten oder Risse auszugleichen. Der Einsatz zusätzlichen Klebstoffs oder anorganischer Fritte beeinträchtigt wiederum die Gleichmäßigkeit der thermischen Entkopplung.
Die Bereitstellung von erfindungsgemäßen Glasartikeln kann beispielsweise erfolgen, wenn bestimmte Maßnahmen bei der Formgebung des Glases und ggf. der Oberflächenbearbeitung beachtet werden. Beispielsweise hat es sich als förderlich erwiesen, bestimmte Abschnitte im Ziehprozess von Vibrationen im Frequenzbereich 0,01 bis 500 Hz, beispielsweise 0,05 bis 400 Hz, 0,1 bis 300 Hz, 0,5 bis 250 Hz, 0,8 bis 200 Hz, 1 bis 100 Hz, 4 bis 75 Hz, oder 5 bis 50 Hz freizuhalten. Bevorzugt werden bestimmte Abschnitte im Ziehprozess von Vibrationen mit einer Frequenz von mindestens 0,01 Hz, mindestens 0,05 Hz, mindestens 0,1 Hz, mindestens 0,5 Hz, mindestens 0,8 Hz, mindestens 1 Hz, mindestens 4 Hz oder mindestens 5 Hz freigehalten. Bevorzugt werden bestimmte Abschnitte im Ziehprozess von Vibrationen mit einer Frequenz von höchstens 500 Hz, höchstens 400 Hz, höchstens 300 Hz, höchstens 250 Hz, höchstens 200 Hz, höchstens 100 Hz, höchstens 75 Hz, oder höchstens 50 Hz freigehalten. Bei der Oberflächenbearbeitung kann es sinnvoll sein, hinsichtlich der eingesetzten Körnung bestimmte hierin beschriebene Parameter einzuhalten.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung hierin beschriebener Glasartikel als Bauteil in einem Drucksensor. Beispielsweise kann der Glasartikel für Bauteile eingesetzt werden, die der thermischen Entkopplung von Messmembranen dienen.
Der Glasartikel kann für Drucksensoren verwendet werden, die eine höhere Messgenauigkeit erlauben. Für die Verwendung in Drucksensoren kann der Glasartikel gelocht sein. Der Lösung liegt die Idee zugrunde, dass für eine hohe Messgenauigkeit eine möglichst gleichmäßige thermische Entkopplung der Silizium-Membran eines Drucksensors von dem zu messenden Medium herrschen sollte. Es wurde gefunden, dass für eine gleichmäßige thermische Entkopplung die Größen Ort-Dicken-Streuung (ODS) und oberflächennaher Schädigungslevel (ONSL) wichtig sind. Mit geeigneten Maßnahmen bei der Herstellung sind solche Glasartikel erhältlich.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Glasartikeln, umfassend die Schritte:

- Herstellen einer Glasschmelze,
- Läutern der Glasschmelze,
- Ziehen der Glasschmelze, insbesondere unter Verwendung von Ziehwalzen, zu einem Glasband der Zieldicke im Bereich von weniger als 3,0 mm,
- Teilen des Glasbandes in Glasartikel,

¹⁰

Das Glas kann im Bereich Z beispielsweise mit einer Ziehgeschwindigkeit von wenigstens 0,5 m/min, wenigstens 2 m/min, wenigstens 10 m/min oder wenigstens 25 m/min gezogen werden. Das kann im Bereich Z beispielsweise mit einer Ziehgeschwindigkeit von höchstens 50 m/min, höchstens 25 m/min oder höchstens 10 m/min gezogen werden.
Es können beispielsweise Maßnahmen getroffen werden, die geeignet sind, den Bereich Z von Störeinflüssen mit einer Frequenz von mindestens 0,01 Hz, mindestens 0,05 Hz, mindestens 0,1 Hz, mindestens 0,5 Hz, mindestens 0,8 Hz, mindestens 1 Hz, mindestens 4 Hz oder mindestens 5 Hz freizuhalten. Es können beispielsweise Maßnahmen getroffen werden, die geeignet sind, den Bereich Z von Störeinflüssen mit einer Frequenz von höchstens 500 Hz, höchstens 400 Hz, höchstens 300 Hz, höchstens 250 Hz, höchstens 200 Hz, höchstens 100 Hz, höchstens 75 Hz oder höchstens 50 Hz freizuhalten.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der oberflächennahe Schädigungslevel (ONSL) beschreibt das Ausmaß von oberflächlichen Schädigungen einer Oberfläche eines Glasartikels. „Schädigungen“ sind Volumina mit einer Ausdehnung von wenigstens 1,0 µm, die nicht mit Glas gefüllt sind, sondern aufgrund von Kratzern, Rillen, Riefen, Gaseinschlüssen, Abplatzungen, Ausmuschelungen oder ähnlichem als offene oder geschlossene Kavitäten in dem Glasartikel vorliegen. Die „Ausdehnung“ einer Schädigung ist ihr größter Durchmesser. Die „Ausdehnung“ einer Schädigung kann auch als „Länge“ der Beschädigung bezeichnet werden. Unter der „Breite“ einer Schädigung ist der Durchmesser der Schädigung orthogonal zur Länge der Schädigung zu verstehen. „Oberflächlich“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Schädigungen zumindest abschnittsweise die Oberfläche des Artikels erreichen oder wenigstens abschnittsweise nicht mehr als 1,0 µm unterhalb von dessen Oberfläche liegen. Frei von Schädigungen ist ein Oberflächenabschnitt des Glasartikels, der keine Schädigung aufweist, d.h. keine Schädigung an der Oberfläche und keine Schädigung in einer Tiefe von bis zu 1,0 µm unterhalb der Oberfläche.
Der ONSL kann als Flächenbelegungs-ONSL in % angegeben werden und gibt dann den Flächenanteil des betrachteten Oberflächenabschnitts an, der Schädigungen aufweist. Wenn in der vorliegenden Offenbarung auf den ONSL Bezug genommen wird ist, sofern nichts anderes angegeben ist, hingegen nicht der Flächenbelegungs-ONSL gemeint, sondern der zahlenmäßige ONSL, der die Anzahl der oberflächennahen Schädigungen bezogen auf einen Flächenabschnitt bestimmter Größe angibt, in der Regel bezogen auf einen Flächenabschnitt von 2x2 mm².
Der durchschnittliche ONSL auf einem bestimmten Flächenabschnitt wird insbesondere bestimmt, indem die Anzahl der oberflächennahen Schädigungen in mehreren verschiedenen Testbereichen bestimmt und anschließend zu einem durchschnittlichen Wert verrechnet werden. Die Fläche der untersuchten Bereiche muss nicht mit der Fläche des Flächenabschnitts übereinstimmen, auf den bezogen der ONSL angegeben wird. Wird der ONSL beispielsweise bezogen auf einen Flächenabschnitt von 2×2 mm² angegeben, kann die Anzahl der oberflächennahen Schädigungen in Testbereichen bestimmt werden, deren Fläche von 2×2 mm² abweicht. Insbesondere kann die Fläche der einzelnen Testbereiche und/oder die Gesamtfläche der Testbereiche kleiner als 2×2 mm² sein. In Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Fläche der einzelnen Testbereiche beispielsweise mindestens 0,05 mm², mindestens 0,1 mm² oder mindestens 0,15 mm². Die Gesamtfläche der Testbereiche kann beispielsweise mindestens 0,2 mm², mindestens 0,5 mm², mindestens 0,7 mm² oder mindestens 1,0 mm² betragen. In Ausführungsformen der Erfindung werden die Testbereiche gleichmäßig verteilt angeordnet. Insbesondere können die einzelnen Testbereiche den gleichen Abstand zueinander und/oder zum Rand des Glasartikels aufweisen. Werden beispielsweise vier oder neun Testbereiche untersucht, können diese in Form eines Quadrats angeordnet werden. Bei neun Testbereichen weist der in Mitte des Quadrats liegende Testbereich natürlich nicht den gleichen Abstand zum Rand auf. Der gleiche Abstand zum Rand gilt insbesondere für die außen liegenden Testbereiche. Die Testbereiche können auch in Form eines Rechtecks oder eines Kreises angeordnet werden. Die Form der Anordnung der Testbereiche kann insbesondere der Form der beiden Hauptseiten entsprechen. Eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Testbereiche ist vorteilhaft für die Bestimmung eines besonders repräsentativen ONSL.
Der ONSL kann mikroskopisch bestimmt werden, insbesondere bei 40-facher Vergrößerung, bevorzugt mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop, insbesondere Zeiss LSM 800.
Die Berechnung des durchschnittlichen ONSL soll anhand eines Beispiels erläutert werden. Angenommen für einen Glasartikel soll der durchschnittliche ONSL bezogen auf einen Flächenabschnitt von 2×2 mm² bestimmt werden. Zu diesem Zweck kann an einer Anzahl von Testbereichen, die in der Regel zwischen zwei und zehn liegt (beispielweise sieben), jeweils die Anzahl der oberflächennahen Schädigungen bestimmt werden. Die Fläche der einzelnen Testbereiche kann beispielsweise zwischen 0,1 mm² und 0,2 mm² betragen. Werden beispielsweise zehn Testbereiche mit einer Fläche von jeweils 0,1 mm² untersucht, und werden in Summe insgesamt 200 oberflächennahe Schädigungen detektiert, beträgt der durchschnittliche ONSL 200 Schädigungen pro mm² oder anders ausgedrückt 800 Schädigungen auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm².
Alternativ oder zusätzlich zum durchschnittlichen ONSL kann auch der maximale oberflächennahe Schädigungslevel (ONSL_max) angegeben werden. Werden beispielsweise in dem oben beschriebenen Beispiel in einem der zehn Testbereiche 40 oberflächennahe Schädigungen detektiert und ist diese Anzahl die höchste aller zehn Testbereiche, berechnet sich ONSL_max als Produkt aus der Anzahl der Schädigungen und dem Quotienten des Flächeninhalts des Flächenabschnitts auf den ONSL_max bezogen werden soll und des Flächeninhalts des Testbereichs. Im vorliegenden Beispiel also wie folgt: $O N S L_{m a x} = 40 S c h \ddot{a} d i n d u n g e n \cdot \frac{2 \times 2 m m^{2}}{0,1 m m^{2}} = 1600 S c h \ddot{a} d i n d u n g e n a u f 2 \times 2 m m^{2}$
Der ONSL ist von der Rauheit der Oberfläche zu unterscheiden. Die Rauheit einer Oberfläche beschreibt wesentlich kleinere Strukturen in der Oberfläche, die Ausdehnungen deutlich unterhalb von 1,0 µm aufweisen. Beispielhafte Rauheiten liegen typischerweise bei weniger als 5 nm für polierte / prozessierte Gläser und umso geringer für heißgeformte Oberflächen. Der Glasartikel kann beispielsweise eine Rauheit R_a von weniger als 2 nm aufweisen, insbesondere auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² oder von 5×5 mm², besonders bevorzugt auf der gesamten Oberfläche einer oder beider Hauptseiten des Glasartikels.
Vorteilhaft ist insbesondere ein durchschnittlicher ONSL auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² von weniger als 2000, beispielsweise höchstens 1500, höchstens 1250, höchstens 1000, höchstens 750, höchstens 500, höchstens 400, höchstens 300, höchstens 200, höchstens 150, höchstens 125, höchstens 100, höchstens 90, höchstens 80, höchstens 70, höchstens 60 oder höchstens 50 Schädigungen. Der durchschnittliche ONSL auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² kann beispielsweise mindestens 1, mindestens 2, mindestens 5, mindestens 10, oder mindestens 20 Schädigungen betragen.
Vorteilhaft ist insbesondere ein ONSL_max auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² von höchstens 4000, beispielsweise höchstens 3000, höchstens 2500, höchstens 2000, höchstens 1500, höchstens 1000, höchstens 800, höchstens 600, höchstens 400, höchstens 300, höchstens 250, höchstens 200, höchstens 180, höchstens 160, höchstens 140, höchstens 120 oder höchstens 100 Schädigungen. Der ONSL_max auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² kann beispielsweise mindestens 2, mindestens 4, mindestens 10, mindestens 20, oder mindestens 40 Schädigungen betragen.
Der Glasartikel hat eine geringe Dicke von weniger als 3,0 mm. In bevorzugten Ausführungsformen ist er sogar noch deutlich dünner, insbesondere kann der Artikel eine Dicke von weniger als 2,0 mm, weniger als 1,0 mm oder als 500 µm aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen ist der Artikel sogar weniger als 350 µm, weniger als 250 µm, weniger als 150 µm, weniger als 100 µm oder weniger als 50 µm dick. Besonders dünne Glasartikel haben - neben der Reduzierung der Dicke als Beitrag zur Miniaturisierung - den Vorteil, dass sie nur gering zum Gewicht des Drucksensors beitragen. Gerade im Automobilbereich oder in tragbaren elektronischen Geräten ist ein geringes Gewicht von Bedeutung. Sehr dünne Gläser sind aber auch anspruchsvoller in der Handhabung. Beispielsweise kann es sehr leicht zu Schädigungen an sehr dünnen Gläsern kommen und der apparative Aufwand zur Verarbeitung von sehr dünnen Gläsern ist hoch. In einigen Ausführungsformen beträgt die Dicke des Glasartikels mehr als 5,0 µm, bevorzugt sogar mehr als 10,0 µm oder mehr als 20,0 µm.
Der Glasartikel ist demnach vorzugsweise ein flacher Gegenstand in Form einer Platte, einer Scheibe, eines Wafers, eines Sheets oder dergleichen. Der Artikel weist insbesondere zwei Hauptseiten auf, die im Vergleich zu den anderen Seiten des Artikels die größte Ausdehnung aufweisen. Der kürzeste Abstand dieser beiden Seiten entspricht der Dicke des Glasartikels. Die beiden Hauptseiten sind insbesondere planparallel.
Der hierin beschriebene ONSL gilt vorzugsweise wenigstens abschnittsweise für beide Hauptseiten des Glasartikels. Wenn in dieser Beschreibung für einen Flächenabschnitt des Glasartikels ein ONSL angegeben ist, so gilt dieser Wert vorzugsweise auch für den korrespondierenden Flächenabschnitt auf der gegenüberliegenden Hauptseite des Glasartikels.
Tragbare technische Geräte werden immer kleiner und erfordern eine möglichst hohe Packungs- bzw. Integrationsdichte. Gleiches gilt in Automobilen: der zur Verfügung stehende Platz für Drucksensor- Module und Systeme wird immer geringer (Bsp.: in-Ventil Drucksensoren zur Reifenluftdruckmessung). Diese Trends verstärken die Entwicklung zu kleineren Bauteilen. Das gilt auch für Drucksensoren. Um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen, ist es erforderlich, dass die Qualität des Glasartikels, insbesondere hinsichtlich ONSL und/oder ODS, auf einer Fläche erzielt wird, die für die Herstellung von Drucksensoren ausreichend ist. Diese Fläche beträgt vorzugsweise 2×2 mm² oder mehr, insbesondere 4×4 mm² oder mehr, beispielsweise 5×5 mm² oder mehr.
Der Glasartikel selbst kann deutlich größer sein. Der Glasartikel kann typischerweise eine Größe von wenigstens 100 mm², wenigstens 200 mm², wenigstens 400 mm², wenigstens 600 mm², wenigstens 800 mm², wenigstens 2000 mm² (insbesondere Durchmesser 2 Zoll (ungefähr 50 mm)), wenigstens 4400mm² (insbesondere Durchmesser 3 Zoll (ungefähr 75 mm)) und/oder wenigstens 74000mm² (insbesondere Durchmesser 12 Zoll (ungefähr 300 mm)) aufweisen. Aus einem so großen Glasartikel können eine Vielzahl von Bauteilen zur Herstellung von Drucksensoren hergestellt werden, z.B. durch Heraussägen (Dicen) von Bauteilen aus dem Glasartikel. Es können auch größere oder auch kleinere Sheets oder Wafer als oben angegeben genutzt werden. Der Glasartikel kann eine runde oder eckige Grundfläche haben.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Glasartikel eine Größe von wenigstens 100 mm², beispielsweise wenigstens 200 mm², wenigstens 400 mm², wenigstens 600 mm², wenigstens 800 mm², wenigstens 2000 mm² (insbesondere Durchmesser 2 Zoll (ungefähr 50 mm)), wenigstens 4400 mm² (insbesondere Durchmesser 3 Zoll (ungefähr 75 mm)) und/oder wenigstens 74000 mm² (insbesondere Durchmesser 12 Zoll (ungefähr 300 mm)). Als „Größe“ des Glasartikels wird insbesondere der Flächeninhalt einer der beiden Hauptseiten des Artikels bezeichnet. Beide Hauptseiten des Artikels haben insbesondere denselben Flächeninhalt.
Der Glasartikel kann in einer Ausführungsform wenigstens 30 Flächenabschnitte von 2×2 mm² Größe, insbesondere wenigstens 40 oder wenigstens 45 Flächenabschnitte, aufweisen, für die die hierin angegeben Werte, insbesondere ONSL und/oder ODS, gelten. Ein solcher Glasartikel eignet sich für eine besonders wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen für Drucksensoren. In einer Ausführungsform beträgt der Flächenanteil des Glasartikels, der die Parameter ONSL und/oder ODS erfüllt, wenigstens 50,0 %, wenigstens 60,0 %, wenigstens 70,0 %, wenigstens 80,0 %, wenigstens 90,0 %, wenigstens 95,0 %, wenigstens 98,0 %, wenigstens 99,0 % oder wenigstens 99,9 % der gesamten Fläche des Glasartikels. In einer Ausführungsform sind der durchschnittliche ONSL und/oder der ONSL_max im Wesentlichen auf der gesamten Fläche jeder der beiden Hauptseiten erfüllt, insbesondere auf etwa 100% der Fläche jeder der beiden Hauptseiten. In einer Ausführungsform sind ODS_avg, ODS_max, und/oder der dicken-normierte ODS im Wesentlichen auf der gesamten Fläche des Glasartikels erfüllt, insbesondere auf etwa 100% der Fläche.
Die Ort-Dicken-Streuung (ODS) bezeichnet die Differenz aus größter gemessener Dicke a und kleinster gemessener Dicke b innerhalb eines Flächenabschnitts des Glasartikels. Es gilt: ODS_i = a_i - b_i mit i = 1, 2, ..., n (n = Anzahl der Flächenabschnitte des Glasartikels). Die maximale Ort-Dicken-Streuung (ODS_max) eines Glasartikels ist der größte der ODSi-Werte dieses Glasartikels. Die minimale Ort-Dicken-Streuung (ODS_min) eines Glasartikels ist der kleinste der ODS_i-Werte dieses Glasartikels. Die durchschnittliche Ort-Dicken-Streuung (ODS_avg) eines Glasartikels ist der Mittelwert der ODSi-Werte dieses Glasartikels. In der vorliegenden Offenbarung wird ODS_avg häufig abkürzend als ODS bezeichnet. Wenn in der vorliegenden Offenbarung auf ODS Bezug genommen wird, so ist damit ODS_avg gemeint, falls nichts anderes angegeben ist.
Für die Messungen kann beispielsweise ein Interferometer verwendet werden, insbesondere ein Precitec Sensor Interferometric-K Interferometer. Die Sampling-Rate kann insbesondere 4 kHz betragen. Die Scan-Geschwindigkeit kann insbesondere 500 mm/s betragen. Das Messpunktintervall kann insbesondere 0,125 mm betragen.
Die ODS kann dicken-normiert angegeben werden, also auf die durchschnittliche Dicke des betrachteten Flächenabschnitts oder auf die durchschnittliche Dicke des Glasartikels oder auf die Nominaldicke des Glasartikels bezogen werden. Abweichungen zwischen der durchschnittlichen Dicke des Glasartikels und der Nominaldicke des Glasartikels sind in der Regel zu vernachlässigen. Die Nominaldicke ist daher ein gutes Maß für die durchschnittliche Dicke des Glasartikels und wird bevorzugt für die Dickennormierung verwendet.
Vorteilhaft ist insbesondere eine dicken-normierte ODS von weniger als 10 nm pro µm Dicke des Glasartikels. Die dicken-normierte ODS von weniger als 10 nm pro µm Dicke des Glasartikels wird vorzugsweise auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² oder mehr erreicht, insbesondere auf einem Flächenabschnitt von 4×4 mm² oder mehr oder sogar auf einem Flächenabschnitt von 5×5 mm² oder mehr. Bevorzugt beträgt die dicken-normierte ODS auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² weniger als 5 nm/µm oder weniger als 2 nm/µm. Weiter bevorzugt beträgt die dicken-normierte ODS auf einem Flächenabschnitt von 5×5 mm² weniger als 5 nm/µm oder weniger als 2 nm/µm. Je nach Herstellungsverfahren lässt sich eine gewisse dicken-normierte ODS nicht immer vermeiden, so dass der Glasartikel in einer Ausführungsform eine dicken-normierte ODS von 0,001 nm/µm oder mehr, beispielsweise von mindestens 0,01 nm/µm oder mindestens 0,05 nm/µm aufweisen kann, insbesondere auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² oder mehr, beispielsweise 5×5 mm². Die Erfindung betrifft beispielsweise Glasartikel mit einer dicken-normierten ODS in einem Bereich von 0,001 bis 10 nm/µm, von 0,01 bis 5 nm/µm oder von 0,05 bis 2 nm/µm auf einem Flächenabschnitt von 2x2 mm². Die Erfindung betrifft auch Glasartikel mit einer dicken-normierten ODS in einem Bereich von 0,001 bis 10 nm/µm, von 0,01 bis 5 nm/µm oder von 0,05 bis 2 nm/µm auf einem Flächenabschnitt von 5×5 mm².
Die ODS kann auch ohne Dickennormierung angegeben werden. In diesem Fall wird die Einheit „µm“ verwendet und nicht wie bei der dicken-normierten ODS die Einheit „nm/µm“. Wenn nicht auf eine Dickennormierung Bezug genommen wird, ist in der Regel die ODS ohne Dickennormierung gemeint.
In einer Ausführungsform beträgt die ODS weniger als 10 µm, insbesondere weniger als 5 µm oder weniger als 2 µm auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm². In einer Ausführungsform beträgt die ODS weniger als 10 µm, insbesondere weniger als 5 µm oder weniger als 2 µm auf einem Flächenabschnitt von 5×5 mm². Je nach Herstellungsverfahren lässt sich eine gewisse ODS nicht immer vermeiden, so dass der Glasartikel in einer Ausführungsform eine ODS von 0,001 µm oder mehr, beispielsweise von 0,01 µm oder mehr, insbesondere mindestens 0,05 µm aufweisen kann, insbesondere auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² oder mehr, beispielsweise 5×5 mm². Die Erfindung betrifft beispielsweise Glasartikel mit einer ODS in einem Bereich von 0,001 bis 10 µm, von 0,01 bis 5 µm oder von 0,05 bis 2 µm auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm². Die Erfindung betrifft auch Glasartikel mit einer ODS in einem Bereich von 0,001 bis 10 µm, von 0,01 bis 5 µm oder von 0,05 bis 2 µm auf einem Flächenabschnitt von 5x5 mm².
In einer Ausführungsform beträgt die maximale Ort-Dicken-Streuung (ODS_max) weniger als 50 µm, insbesondere weniger als 25 µm oder weniger als 10 µm auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm². In einer Ausführungsform beträgt die ODS weniger als 50 µm, insbesondere weniger als 25 µm oder weniger als 10 µm auf einem Flächenabschnitt von 5×5 mm². Je nach Herstellungsverfahren lässt sich eine gewisse ODS nicht immer vermeiden, so dass der Glasartikel in einer Ausführungsform eine ODS_max von 0,005 µm oder mehr, beispielsweise von 0,05 µm oder mehr, insbesondere mindestens 0,25 µm aufweisen kann, insbesondere auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² oder mehr, beispielsweise 5x5 mm². Die Erfindung betrifft beispielsweise Glasartikel mit einer ODS_max in einem Bereich von 0,005 bis 50 µm, von 0,05 bis 25 µm oder von 0,25 bis 10 µm auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm². Die Erfindung betrifft auch Glasartikel mit einer ODS_max in einem Bereich von 0,005 bis 50 µm, von 0,05 bis 25 µm oder von 0,25 bis 10 µm auf einem Flächenabschnitt von 5×5 mm².
Der Glasartikel soll in einem Drucksensor eine gute und vor allem gleichmäßige thermische Entkopplung von Halbleiter und zu untersuchendem Medium ermöglichen. Eine gleichmäßige thermische Entkopplung wird erreicht, wenn der Glasartikel auf einer Fläche von 2×2 mm² oder mehr eine Streuung der Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,2 W/(m·K), insbesondere von höchstens 0,15 W/(m·K), von höchstens 0,1 W/(m·K), von höchstens 0,05 W/(m·K), von höchstens 0,02 W/(m·K), oder von höchstens 0,01 W/(m·K) aufweist, insbesondere bei Raumtemperatur, also bei Temperaturen in einem Bereich von 20°C bis 25°C, beispielsweise bei 22°C. Vorzugsweise gilt dieser Wert für den gesamten Glasartikel. Unter „Streuung“ ist in diesem Zusammenhang die maximale Differenz der Wärmeleitfähigkeit zu verstehen, also die Differenz von größter und kleinster Wärmeleitfähigkeit auf der entsprechenden Fläche. In einigen Ausführungsformen kann die Streuung der Wärmeleitfähigkeit beispielsweise mindestens 0,0001 W/(m·K) oder mindestens 0,001 W/(m·K) betragen, insbesondere bei Raumtemperatur, also bei Temperaturen in einem Bereich von 20°C bis 25°C, beispielsweise bei 22°C. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit lässt sich beispielsweise über ein sogenanntes Laserflash- Verfahren ermitteln. Das Verfahren folgt dabei der ASTM E1461 und berechnet die Wärmeleitfähigkeit (λ) aus der gemessenen thermischen Diffusivität α unter Nutzung der spezifischen Wärmekapazität (C_p) sowie der Dichte (p): $λ = α C_{p} ρ$
Die Wärmeleitfähigkeit an einer bestimmten Position des Glasartikels lässt sich auch rechnerisch bestimmen. An Positionen ohne Schädigungen entspricht die effektive Wärmeleitfähigkeit λ_eff der Wärmeleitfähigkeit λ des Glases. An Positionen, an denen die Wärmeleitung durch eine Schädigung hindurch erfolgt, kann die effektive Wärmeleitfähigkeit gemäß der folgenden Formel (2) berechnet werden: $λ_{e f f} = \frac{1 + \frac{Δ x}{d}}{1 + \frac{Δ x}{d} \frac{λ_{G l a s}}{λ_{L u f t}}} λ_{G l a s}$
In Formel (2) bezeichnet λ_Glas die Wärmeleitfähigkeit des Glases, λ_Luft die Leitfähigkeit von Luft, d die Dicke des Glasartikels und Δx die Ausdehnung der Schädigung in Richtung der Wärmeleitung. Die Wärmeleitung erfolgt insbesondere von einer der Hauptseiten des Glasartikels senkrecht durch den Glasartikel hindurch zur anderen Hauptseite des Glasartikels. Die Leitfähigkeit λ_Luft ist ein geeigneter Parameter für die Wärmeleitung durch eine Schädigung, da Schädigungen Volumina sind, die nicht mit Glas gefüllt sind. Bei Temperaturen um Raumtemperatur beträgt λ_Luft etwa 0,0262 W/(m·K) und unterscheidet sich somit deutlich von der Wärmeleitfähigkeit typischer Gläser, die bei entsprechenden Temperaturen etwa 1,0 W/(m·K) beträgt. Dies hat nach Formel (2) zur Folge, dass bereits eine Schädigung mit einer Ausdehnung von Δx = 1 µm in Richtung der Wärmeleitung bei einer Dicke d des Glasartikels von 500 µm zu einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit um etwa 7% führt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen Glasartikel zu verwenden, der im Temperaturbereich von 20°C bis 300 °C einen mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) im Bereich von 2,5 bis 11 *10^-6 /K, insbesondere von 3,0 bis 9,5*10^-6 /K aufweist. Der CTE wird bestimmt gemäß DIN ISO 7991:1987.
Der Glasartikel hat bevorzugt eine Anzahl von gasförmigen Einschlüssen von weniger als 1,0 pro mm³.
Viskositäts-Temperatur-Profil
Die vorliegende Erfindung ist nicht dahingehend beschränkt, dass nur Gläser mit einem bestimmten Viskositäts-Temperatur-Profil für die Glasartikel der Erfindung geeignet wären. Bestimmte Viskositäts-Temperatur-Eigenschaften haben sich jedoch als vorteilhaft erwiesen. Für eine besonders wirtschaftliche Herstellung sind insbesondere Gläser bevorzugt, die sich gut in Ziehverfahren herstellen lassen, z.B. in Down-Draw-Verfahren oder Overflow Fusion-Verfahren, insbesondere also solche Gläser, deren Liquidus Viskosität, unterhalb derer sich Kristalle bilden können, einen Wert von größer oder gleich 10³ dPas, bevorzugt größer als 10^3,5 dPas, besonders bevorzugt von größer als 10⁴ dPas aufweist.
Üblicherweise wird die Vogel-Fulcher-Tammann-Gleichung (VFT-Gleichung) verwendet, um die Temperatur zu berechnen, die benötigt wird, um eine bestimmte Viskosität des Glases zu erreichen (siehe auch DIN ISO 7884-2:1998-2): $Ig η = A + \frac{B}{T - T_{0}}$
In der VFT-Gleichung ist η die Viskosität, A und B sind temperaturunabhängige Parameter des Materials, T ist die Temperatur und T₀ ist die Vogel-Temperatur. A, B und T₀ sind für ein gegebenes Glas konstant.
Bevorzugt hat das Glas einen Wert für B von mindestens 3500 K, mindestens 4000 K oder mindestens 4500 K. Bevorzugt beträgt B höchstens 12000 K, höchstens 10000 K oder höchstens 9000 K. T₀ beträgt bevorzugt mindestens 25°C, mindestens 50°C, mindestens 75°C, mindestens 100°C oder mindestens 120°C. Bevorzugt beträgt T₀ höchstens 300°C, höchstens 275°C oder höchstens 250°C. Der Wert für A ist bevorzugt kleiner als 0, kleiner als -0,5, kleiner als - 0,75, kleiner als -1,0, oder kleiner als -1,5. Der Wert für A beträgt bevorzugt mindestens -5,5, mindestens -5,0 oder mindestens -4,5. Gläser, die diese VFT-Konstanten aufweisen, lassen sich besonders gut in Ziehverfahren, z.B. in Down Draw-Verfahren oder Overflow Fusion-Verfahren, herstellen.
Besonders bevorzugt weist das Glas die folgenden VFT-Konstanten auf: A in einem Bereich von -5,5 bis <0,0, B in einem Bereich von 3500 bis 12000 K und/oder T₀ in einem Bereich von 25°C bis 300°C. Noch weiter bevorzugt weist das Glas die folgenden VFT-Konstanten auf: A in einem Bereich von -5,0 bis <-0,75, B in einem Bereich von 4000 bis 10000 K und/oder T₀ in einem Bereich von 75°C bis 275°C. Noch weiter bevorzugt weist das Glas die folgenden VFT-Konstanten auf: A in einem Bereich von -4,5 bis <-1,5, B in einem Bereich von 4500 bis 9000 K und/oder T₀ in einem Bereich von 120°C bis 250°C.
Die Wahl der Glasbestandteile beeinflusst die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex. Zum Beispiel verringert die Zugabe von SiO₂ den Wert A und erhöht die Werte B und T₀ der VFT-Gleichung. Die nachfolgende Tabelle fasst den Einfluss der Glasbestandteile auf die VFT-Konstanten zusammen, wobei „+“ einen steigernden Effekt meint, „++“ meint dass der Wert der genannten Konstante stark gesteigert wird. „-“ bezeichnet einen verringernden Effekt; „--‟ bedeutet, dass der Wert der gemeinten Konstante durch eine Erhöhung der Menge des Glasbestanteils stark verringert wird.

A B T ₀

Na₂O ++ -- -

K₂O - - --

CaO - - ++

MgO - ++ -

Al₂O₃ ++ + ++

SiO₂ -- ++ ++
Bevorzugte Glaszusammensetzungen
Die Zusammensetzung des Glasartikels ist nicht auf bestimmte Gläser beschränkt. Für eine besonders wirtschaftliche Herstellung sind allerdings Gläser bevorzugt, die sich gut in Ziehverfahren herstellen lassen, z.B. in Down Draw-Verfahren oder Overflow Fusion-Verfahren. In einer Ausführungsform ist das Glas ein Silikatglas, insbesondere ein Borosilikatglas oder Alumosilikatglas.
Mit Hilfe der Glaszusammensetzung lassen sich beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit (in W/(m·K)) und damit auch der Wärmedurchgangskoeffizient (in W/(m²·K)) beeinflussen. Manche Oxide, wie beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, B₂O₃, MgO, CaO, SrO, BaO oder K₂O, sind mit einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit verbunden. Andere Oxide, wie beispielsweise TiO₂, Li₂O oder Na₂O, sind mit einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit verbunden.
In der vorliegenden Offenbarung wird die Summe der Alkalimetalloxide, insbesondere die Summe Li₂O + Na₂O + K₂O auch als „R₂O“ bezeichnet. Gleichsam wird die Summe MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO auch als „RO“ bezeichnet.
In einer Ausführungsform weist das Glas wenigstens 60,0 Mol% SiO₂ auf. Optional kann der Gehalt an SiO₂ bis zu 87,0 Mol% oder bis zu 85,0 Mol% betragen. Siliciumdioxid trägt wesentlich zur Beständigkeit des Glases bei. Es erhöht aber auch die Verarbeitungstemperatur des Glases und macht damit die Herstellung weniger wirtschaftlich. In einer Ausführungsform weist das Glas wenigstens 67,0 Mol% oder wenigstens 75,0 Mol% SiO₂ auf.
Eine optionale Komponente in dem Glas einiger Ausführungsformen ist B₂O₃.
Das Glas kann beispielsweise die folgenden Komponenten in den angegebenen Anteilen in Mol% enthalten:

Min (Mol%) Max (Mol%)

SiO₂ 60,0 87,0

B₂O₃ 0,0 15,0

Al₂O₃ 0,0 12,0

R₂O 0,0 20,0

Glasartikel umfassend, oder aus einem Glas umfassend die folgenden Komponenten in Gew.% hergestellt, haben sich als besonders bevorzugt zur Bereitstellung eines Glasartikels nach Ausführungsformen und/oder herstellbar in einem Verfahren nach Ausführungsformen herausgestellt: Zusammensetzungsbereich 1:

SiO₂	60 bis 65
B₂O₃	6 bis 10,5
Al₂O₃	14 bis 25
MgO	0 bis 3
CaO	0 bis 9
BaO	3 bis 8
ZnO	0 bis 2,

wobei gilt, dass die Summe des Gehalts von MgO, CaO und BaO dadurch gekennzeichnet ist, dass sie im Bereich von 8 bis 18 Gew.-/ liegt. Zusammensetzungsbereich 2:

SiO₂	60 bis 85
B₂O₃	5 bis 20
Al₂O₃	2 bis 15
Na₂O	3 bis 15
K₂O	3 bis 15
ZnO	0 bis 12
TiO₂	0,5 bis 10
CaO	0 bis 0,1

Zusammensetzungsbereich 3:

SiO₂	75 bis 85
B₂O₃	8 bis 15
Al₂O₃	2 bis 4,5
Na₂O	1,5 bis 5,5
K₂O	0 bis 2

Zusammensetzungsbereich 4:

SiO₂	20 bis 70, bevorzugt 50 bis 60, besonders bevorzugt 52 bis 58
B₂O₃	0,5 bis 14, bevorzugt 2 bis 12, besonders bevorzugt 2 bis 4
Al₂O₃	15 bis 41, bevorzugt 16 bis 24, besonders bevorzugt 18 bis 23
MgO	0,5 bis 15, bevorzugt 2 bis 12, besonders bevorzugt 3 bis 5
CaO	0 bis 5, bevorzugt 0 bis 3
BaO	0 bis 7, bevorzugt 0 bis 6
ZnO	0 bis 20, bevorzugt 2 bis 12, besonders bevorzugt 8 bis 10
Na₂O	0 bis 7, bevorzugt 1 bis 6, besonders bevorzugt 3 bis 5

Zusammensetzungsbereich 5:

SiO₂	50 bis 81
B₂O₃	0 bis 5
Al₂O₃	0 bis 5
R₂O	5 bis 28
RO	5 bis 25
TiO₂ + ZrO₂	0 bis 6
P₂O₅	0 bis 2

Zusammensetzungsbereich 6:

SiO₂	52 bis 66
B₂O₃	0 bis 8
Al₂O₃	15 bis 25
R₂O	4 bis 30
RO	0 bis 6
TiO₂ + CeO₂	0 bis 2,5
ZrO₂	0 bis 2,5

In allen oben genannten Zusammensetzungsbereichen können weiterhin Nebenbestandteile und/oder Spuren, z.B. in Form von färbenden Substanzen und/oder Läutermitteln, so zum Beispiel SnO₂, CeO₂, As₂O₃ , Cl^-, F^-, Sulfate, enthalten sein.
Allgemein, ohne Beschränkung auf die hier beschriebenen Ausführungsformen, kann es vorteilhaft sein, dass das Glas in der Form ausgebildet ist, dass es anodisch verbindbar (oder bondbar) ist. Dazu kann es vorteilhaft sein, wenn das Glas einen gewissen Anteil an Alkalien bzw. Alkalioxiden, insbesondere Natrium bzw. Natriumoxid, aufweist. Der Gehalt von Na₂O sollte in solchen Ausführungsformen bei mindestens 0,5 Gew.-% liegen, aber bevorzugt 6 Gew.-% nicht übersteigen.
Weiterhin relevant für die Anwendung eines Glases für Drucksensoren ist der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen Glasartikel zu verwenden, der im Temperaturbereich von 20°C bis 300 °C einen mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) im Bereich von 2,5 bis 11 *10^-6 /K, insbesondere von 3,0 bis 9,5*10^-6 /K aufweist. Der CTE wird bestimmt gemäß DIN ISO 7991:1987. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung liegt er im Bereich von 3,1 bis 3,3 ppm/K, entsprechend dem Ausdehnungskoeffizienten von Silizium.
Bestenfalls ist die relative Längenänderung ΔL/L bei allen Temperaturen im Temperaturintervall 20-400°C dem Verlauf von Silizium ähnlich, bestenfalls deckungsgleich.
Herstellungsverfahren
Glasartikel dieser Erfindung können beispielsweise durch Ziehverfahren hergestellt werden. Beispielhafte Ziehverfahren sind Down Draw, Overflow Fusion und Wiederziehen.
Je nach Oberflächenqualität kann eine Nachbearbeitung erforderlich sein. Beispielhafte Nachbearbeitungsschritte sind Polieren, Schleifen und Läppen. Besonders vorteilhaft sind Schleifen und optional anschließendes Polieren. Schleifen mit gebundenem Korn, insbesondere mit einem Diamantschleifmittel, ist besonders bevorzugt.
Typischerweise werden mit Ziehverfahren Glasartikel erhalten, die bereits einen sehr guten oberflächennahen Schädigungslevel aufweisen. Allerdings können gezogene Gläser ohne weitere gezielte Maßnahmen eine hohe ODS aufweisen. Glasartikel, die nicht in Ziehverfahren, sondern in Gussverfahren als Barren hergestellt und anschließend gesägt und poliert werden, haben oft sehr geringe ODS aber einen hohen Grad oberflächennaher Schädigungen. Im Verfahren gemäß dieser Erfindung wurden Maßnahmen getroffen, um Gläser bereitzustellen, die sowohl eine geringe ODS als auch einen geringen ONSL haben und sich damit besonders gut als Bauteile in Drucksensoren eignen. Das nachfolgend beschriebene Verfahren lässt sich kontinuierlich betreiben und ist damit auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten vorteilhaft.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Glasartikeln, umfassend die Schritte:

¹⁰

Störeinflüsse in dem genannten Frequenzbereich können beispielsweise mit einer akustischen Einhausung der Ziehanlage und/oder des Bereichs Z erreicht werden. Gegebenenfalls kann bereits eine Anpassung der Abstände von Ziehwalzen (insbesondere in Ziehrichtung) in der Anlage Störeinflüsse minimieren.
Denn dadurch lassen sich Eigenschwingungen des Glases unterdrücken. Eigenschwingungen des Glases treten insbesondere bei der Eigenfrequenz EF des Glases sowie Vielfachen davon (Frequenz f = n*EF) auf. Durch geeignetes Positionieren von Ziehwalzen oder Rollern können diese Eigenschwingungen unterdrückt werden. Beispielsweise kann eine zweite Ziehwalze zwischen einer ersten Ziehwalze und der HFG Zone (Heißformgebungszone) derart positioniert werden, dass der Abstand der zweiten Ziehwalze zur ersten Ziehwalze kleiner als 1/n des Abstandes der ersten Ziehwalze zur HFG Zone gewählt wird, um eine Eigenschwingung mit n*EF zu unterdrücken.
Relevante Eigenfrequenzen lassen sich beispielsweise bei Betrachtung des Glasbandes als Saite gemäß der folgenden Formel abschätzen: $f = \frac{1}{L} \sqrt{\frac{ψ}{4 μ}}$
L ist die Saitenlänge, Ψ ist die Spannkraft und µ ist die Massenbelegung. Bei zweidimensionaler Betrachtung des Glasbandes (Membran statt Saite) können weitere Eigenfrequenzen ermittelt werden.
Um Störeinflüsse zu minimieren, kann eine Schwingungsentkopplung vorgesehen sein, insbesondere im Bereich von 0,01 bis 500 Hz, beispielsweise 0,05 bis 400 Hz, 0,1 bis 300 Hz, 0,5 bis 250 Hz, 0,8 bis 200 Hz, 1 bis 100 Hz, 4 bis 75 Hz, oder 5 bis 50 Hz .
Es ist vorteilhaft, bestimmte Frequenzbereiche auszuschließen und/oder Verstimmung zu den Eigenfrequenzen zu schaffen.
Es ist auch vorteilhaft, die Konvektion im Kühlbereich gering zu halten, um das Glas nicht zum Schwingen zu bringen. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von Blenden bewerkstelligt werden (Abschirmung Druckkaskade). Es kann auch eine Abdichtung vorgesehen sein, insbesondere eine luftundurchlässige Abdichtung.
Vibrationen können auch vermieden werden, indem Ziehanlage und Formgebung entkoppelt werden. Dadurch kann vermieden werden, dass sich Schwingungen auf die Formgebung übertragen.
Vorteilhafte Ausführungsformen
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einem durchschnittlichen oberflächennahen Schädigungslevel (ONSL) auf 2×2 mm² von weniger als 2000 Schädigungen mit einer Ausdehnung von wenigstens 1,0 µm.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einer durchschnittlichen dicken-normierten Ort-Dicken-Streuung (ODS) auf 2×2 mm² von weniger als 10 nm pro µm Dicke.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einer ODS von weniger als 10 µm auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² oder von 5×5 mm².
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einem ONSL_max auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² von höchstens 4000.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einer maximalen Ort-Dicken-Streuung (ODS_max) von weniger als 50 µm auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² oder von 5×5 mm².
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einer Streuung der Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,2 W/(m·K) auf einer Fläche von 2x2 mm².
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einem Viskositäts-Temperatur-Profil, das gekennzeichnet ist durch folgende VFT-Parameter: A in einem Bereich von -5,5 bis <0,0, B in einem Bereich von 3500 bis 12000 K und/oder T₀ in einem Bereich von 25°C bis 300°C.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einem durchschnittlichen oberflächennahen Schädigungslevel (ONSL) auf 2×2 mm² von weniger als 2000 Schädigungen mit einer Ausdehnung von wenigstens 1,0 µm und mit einer ODS von weniger als 10 µm auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm².
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einem durchschnittlichen oberflächennahen Schädigungslevel (ONSL) auf 2×2 mm² von weniger als 2000 Schädigungen mit einer Ausdehnung von wenigstens 1,0 µm und mit einer maximalen Ort-Dicken-Streuung (ODS_max) von weniger als 50 µm auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm².
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einem durchschnittlichen oberflächennahen Schädigungslevel (ONSL) auf 2×2 mm² von weniger als 2000 Schädigungen mit einer Ausdehnung von wenigstens 1,0 µm und mit einer Streuung der Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,2 W/(m·K) auf einer Fläche von 2×2 mm².
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einem durchschnittlichen oberflächennahen Schädigungslevel (ONSL) auf 2×2 mm² von weniger als 2000 Schädigungen mit einer Ausdehnung von wenigstens 1,0 µm und mit einem Viskositäts-Temperatur-Profil, das gekennzeichnet ist durch folgende VFT-Parameter: A in einem Bereich von -5,5 bis <0,0, B in einem Bereich von 3500 bis 12000 K und/oder T₀ in einem Bereich von 25°C bis 300°C.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einer durchschnittlichen dicken-normierten Ort-Dicken-Streuung (ODS) auf 2×2 mm² von weniger als 10 nm pro µm Dicke und mit einem ONSL_max auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² von höchstens 4000.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einer durchschnittlichen dicken-normierten Ort-Dicken-Streuung (ODS) auf 2×2 mm² von weniger als 10 nm pro µm Dicke und mit einer Streuung der Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,2 W/(m·K) auf einer Fläche von 2×2 mm².
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasartikel mit einer Dicke von weniger als 3,0 mm und mit einer durchschnittlichen dicken-normierten Ort-Dicken-Streuung (ODS) auf 2×2 mm² von weniger als 10 nm pro µm Dicke und mit einem Viskositäts-Temperatur-Profil, das gekennzeichnet ist durch folgende VFT-Parameter: A in einem Bereich von -5,5 bis <0,0, B in einem Bereich von 3500 bis 12000 K und/oder T₀ in einem Bereich von 25°C bis 300°C.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung soll anhand der folgenden Beispiele exemplarisch näher erläutert werden.
1. Beispiel 1

Glasartikel wurden verschiedene Nachbearbeitungsschritten unterzogen. Das Beispiel 1A wurde mit Läppen und Polieren nachbearbeitet. Das Beispiel 1B wurde mit Schleifen und Polieren nachbearbeitet. Im Einzelnen waren die Nachbearbeitungsprotokolle wie folgt.

	Läppen	Schleifen	Polieren
Maschine	SpeedFAM 20B	DGM1500	SpeedFAM 20B
Mittel	Läppmittel mit 15 µm Korngröße (D50)	Diamantschleifmittel mit 20 µm Korngröße + 1 % Kühlmittel mit Filterwasser	Filzartiges Polierpad & Poliermittel mit Korngröße < 2,0 µm (D50)
Beladung	34 g/cm²	52 g/cm²	34 g/cm²
Geschwindigkeit	30 Umdrehungen pro Minute	25 Umdrehungen pro Minute	20 Umdrehungen pro Minute
Materialabtrag	350 µm	100 µm	10 µm

Bei den Beispielen 1A und 1B wurde derselbe Polierschritt durchgeführt. Die beiden Beispiele unterscheiden sich lediglich dahingehend, dass das Beispiel 1A dem oben beschriebenen Läppen unterzogen wurde, während Beispiel 1B dem oben beschriebenen Schleifen unterzogen wurde.
Der Einfluss der verschiedenen Nachbearbeitungsschritte auf den oberflächennahen Schädigungslevel (ONSL) wurde unter einem Mikroskop (Zeiss LSM 800) mit 40-facher Vergrößerung bei einer Beleuchtung von 65% von 120 V analysiert. Exemplarische Aufnahmen sind in 3 gezeigt. Jeder schwarze Punkt wurde als eine Schädigung gewertet. Um Fehlzählungen durch auf der Oberfläche anhaftende Kontaminationen zu verhindern, wurden die Oberflächen der Proben vor der mikroskopischen Auswertung gereinigt.

Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle zusammengefasst, wobei als ONSL jeweils die durchschnittliche Anzahl der oberflächennahen Beschädigungen auf dem angegebenen Flächenareal angegeben ist. Für jedes der Beispiele 1A und 1B wurden jeweils 7 Proben untersucht.

	Beispiel 1A	Beispiel 1B
ONSL auf 1×1 mm²	< 500	< 50
ONSL auf 2×2 mm²	≥500-2000	≥50-100
ONSL auf 5×5 mm²	>2000-12000	>100-600
Länge der Schädigungen [µm]	< 15	< 20
Breite der Schädigungen [µm]	< 10	< 10

Ein Vergleich des Beispiels 1A mit 1B zeigt, dass mit Schleifen bessere Ergebnisse (geringeres Ausmaß an ONSL) erzielt werden als mit Läppen.
Die Nominaldicke der Beispiele 1A und 1B lag nach der entsprechenden Nachbearbeitung jeweils in einem Bereich von etwa 400 µm bis etwa 450 µm. Mit dem in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren wurde die Ort-Dicken-Streuung (ODS) für Flächenabschnitte von 2×2 mm² und 5×5 mm² bestimmt. Relevante Unterschiede der ODS-Werte zwischen den Beispielen 1A und 1B konnten nicht festgestellt werden.
Bei den Flächenabschnitten von 2×2 mm² lag die als der arithmetische Mittelwert der einzelnen ODS_i-Werte ermittelte durchschnittliche Ort-Dicken-Streuung (ODS_avg) bei den Beispielen 1A und 1B jeweils bei etwa 0,05 µm. Die ODS pro Nominaldicke auf einem Flächenabschnitt von 2×2 mm² lag entsprechend in einem Bereich von 0,11 bis 0,13 nm/µm.
Bei den Flächenabschnitten von 5×5 mm² lag die als der arithmetische Mittelwert der einzelnen ODS_i-Werte ermittelte durchschnittliche Ort-Dicken-Streuung (ODS_avg) bei den Beispielen 1A und 1B jeweils bei etwa 0,13 bis 0,14 µm. Die ODS pro Nominaldicke auf einem Flächenabschnitt von 5×5 mm² lag entsprechend in einem Bereich von 0,27 bis 0,34 nm/µm.
2. Beispiel 2
Glasartikel mit einer Nominaldicke von 700 µm oder von 250 µm wurden in einem Down Draw-Verfahren hergestellt. Die Artikel hatten jeweils eine Länge von 510 mm und eine Breite von 430 mm.
Die tatsächliche ortsabhängige Dicke der Glasartikel wurde optisch mit Hilfe von Interferenzmessungen ermittelt. Dazu wird Licht auf den Glasartikel fokussiert und die sich aus den Gangunterschieden der Reflexionen an Vorder- und Rückseite des Artikels ergebende Interferenz zur Bestimmung der lokalen Dicke des Glasartikels verwendet.
Für die Messungen wurde ein Precitec Sensor Interferometric-K Interferometer verwendet. Die Sampling-Rate betrug 4 kHz. Die Scan-Geschwindigkeit betrug 500 mm/s. Das Messpunktintervall betrug 0,125 mm.
Gemessen wurden Messspuren in orthogonaler Richtung zur Richtung, in der das Glas gezogen wurde. Der Abstand zwischen zwei Messspuren betrug 10 mm. Die gemessene räumliche Auflösung in Zugrichtung des Glases betrug also lediglich 10 mm. Um die Auflösung in Zugrichtung zu erhöhen wurde eine lineare Interpolation durchgeführt. Dadurch konnte die Auflösung in Zugrichtung des Glases auf 1 mm erhöht werden. Der durch die Interpolation auftretenden Fehler wurde auf < 0,05 µm geschätzt. Die Interpolation führt also nicht zu relevanten Abweichungen der Ergebnisse.
Basierend auf den so erhaltenen Dickenwerten wurde die Ort-Dicken-Streuung (ODS) für Flächenabschnitte von 2×2 mm² und 5×5 mm² bestimmt. Die Flächenabschnitte wurden so gewählt, dass stets einer der Messpunkte im Zentrum eines Flächenabschnitts lag. Für jeden der Messpunkte wurde somit jeweils ein Flächenabschnitt errechnet und hinsichtlich der ODS ausgewertet. Eine Ausnahme bildeten lediglich diejenigen Messpunkte, deren Lage zu nah am Rand des Glasartikels war, um als Zentrum eines Flächenabschnitts von 2×2 mm² oder 5×5 mm² zu dienen. Bei einer Ortsauflösung von jeweils 1 mm in Zugrichtung des Glasartikels und orthogonal zur Zugrichtung ergaben sich somit pro Glasartikel ungefähr 200.000 ausgewertete Flächenabschnitte.
Aus verschiedenen Versuchsreihen (im Folgenden V1-V6 genannt) wurden 4 Glasartikel mit einer Nominaldicke von 250 µm (Beispiel „V1“) untersucht. Außerdem wurden 10 Glasartikel (je 2 Glasartikel pro Versuch) mit einer Nominaldicke von d=700 µm (Beispiele „V2-V6“) untersucht. Die Anzahl der berücksichtigten Flächenabschnitte mit (2×2)mm² betrug 204.408 je Glasartikel und die Anzahl der berücksichtigten Flächenabschnitte mit (5×5)mm² betrug 202.905 je Glasartikel.
Interessanterweise wurde gefunden, dass die ermittelten ODS-Werte bei einer Nominaldicke von 700 µm nicht innerhalb, aber von Versuch zu Versuch stark variierten (V2-V6). Bei einer Nominaldicke von 250 µm wurden hingegen bei unterschiedlichen Proben keine relevanten Abweichungen im Hinblick auf die ODS-Werte gefunden. Es wird daher im Folgenden bei einer Nominaldicke von 250 µm nur ein ODS-Wert angegeben, während bei einer Nominaldicke von 700 µm ein Bereich angegeben wird, dessen Ober- bzw. Untergrenze jeweils dem höchsten bzw. dem geringsten ODS_avg-Wert der untersuchten Proben aus allen Versuchen entsprechen.
Die gezeigten ODS-Werte sind jeweils die durchschnittliche Ort-Dicken-Streuung (ODS_avg), ermittelt als der arithmetische Mittelwert der einzelnen ODS_i-Werte. Für Flächenabschnitte von (2×2)mm² wird ODS als Mittelwert von 204.408 ODS_i-Werten berechnet. Für Flächenabschnitte von (5×5)mm² stellt ODS den Mittelwert von jeweils 202.905 ODS_i-Werten je Versuch dar.

Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

	V2-V6 (2×2)mm ²	V2-V6 (5×5)mm ²	V1 (2×2)mm ²	V1 (5×5)mm ²
Nominaldicke	700 µm	700 µm	250 µm	250 µm
Berücksichtigter Flächenabschnitt	(2×2)mm²	(5×5)mm²	(2×2)mm²	(5×5)mm²
ODS	0,06 µm bis 0,22 µm	0,23 µm bis 0,91 µm	0,06 µm	0,18 µm
ODS pro Nominaldicke	0,09 nm/µm bis 0,31 nm/µm	0,33 nm/µm bis 1,30 nm/µm	0,24 nm/µm	0,72 nm/µm

Die der obigen Zusammenfassung zugrundeliegenden Daten sind in 4 in Form von Box-Plots der ODS_i-Werte pro Nomindaldicke d gezeigt. 4A bezieht sich dabei auf die Flächenabschnitte (2×2)mm² und 4B auf die Flächenabschnitte (5×5)mm².
Figurenbeschreibung
1 zeigt einen beispielhaften Drucksensor in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellung. Der Drucksensor ist in einer Schnittdarstellung dargestellt und umfasst einen Sockel 60, welcher beispielsweise aus einem keramischen Material ausgebildet sein kann. Auf dem Sockel 60 ist mittels einer Klebeschicht 63, beispielsweise aus einem Epoxidharz ausgebildet, ein Glaselement 100 befestigt. Das Glaselement 100 weist eine Öffnung auf. Der Drucksensor umfasst als zentrale sensitive Einheit einen MEMS Chip 61, gefertigt aus Silizium. Dieser weist im zentralen Bereich eine gedünnte Stelle (Filament) auf. In dieses Filament sind die piezoresistiven Funktionen eingebracht. Der MEMS Chip 61 ist anodisch an das Glaselement gebondet und bildet die Messkavität 600. Eine Referenzdruckkavität 601 wird durch ein lokal gedünntes Bauteil 62 gebildet. Dieses Bauteil kann wahlweise aus Silizium oder Glas gefertigt sein und ist mit dem MEMS Chip 61 beispielsweise durch Anodisches Bonding oder Thermal Fusion hermetisch dicht verbunden.
2 zeigt oberflächennahe Schädigungen in einer Seitenansicht. Die Auflösung liegt bei 1000 x.
3 zeigt exemplarische Aufnahmen von Proben gemäß Beispiel 1 in 40-facher Vergrößerung zur Analyse des oberflächennahen Schädigungslevel (ONSL). Die 3A und 3B entsprechen jeweils einer Probe der Beispiele 1A und 1B. Es ist ersichtlich, dass der ONSL bei Beispiel 1A (3A) größer ist als bei Beispiel 1B (3B).
4 zeigt Box-Plots für die auf Nominaldicke d normierten ODSi-Verteilungen für im Downdraw-Verfahren hergestellte Glasartikel mit einer Nominaldicke von 250µm (V1) und 700 µm (V2-V6) für Flächenabschnitte (2×2)mm² (4A) und (5×5)mm² (4B). Die Boxen sind jeweils durch das untere und das obere Quartil begrenzt. Der Median ist als horizontaler Strich innerhalb der Box gezeigt. Der Mittelwert ist als horizontaler Strich gezeigt, der über die seitlichen Begrenzungen der Boxen hinausgeht.

Claims

Glasartikel mit zwei planparallelen Hauptseiten, wobei der Glasartikel eine Dicke von weniger als 3,0 mm aufweist, wobei der Glasartikel auf beiden Hauptseiten jeweils einen durchschnittlichen oberflächennahen Schädigungslevel (ONSL) auf 2×2 mm² von weniger als 2000 Schädigungen mit einer Ausdehnung von wenigstens 1,0 µm aufweist, wobei der Glasartikel eine durchschnittliche dicken-normierte Ort-Dicken-Streuung (ODS) auf 2x2 mm² von weniger als 10 nm pro µm Dicke des Glasartikels aufweist, wobei die ODS die Differenz der größten Dicke und der geringsten Dicke innerhalb der angegebenen Messfläche von 2×2 mm² ist.
Glasartikel nach Anspruch 1, mit einer durchschnittlichen Ort-Dicken-Streuung auf 2×2 mm² von weniger als 10 µm.
Glasartikel nach Anspruch 1 oder 2, mit einer maximalen Ort-Dicken-Streuung (ODS_max) auf 2×2 mm² von weniger als 50 µm.
Glasartikel nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Glasartikel auf beiden Hauptseiten einen maximalen oberflächennahen Schädigungslevel ONSL_max auf 2×2 mm² von höchstens 4000 Schädigungen mit einer Ausdehnung von wenigstens 1,0 µm aufweist.
Glasartikel nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Dicke von weniger als 2,0 mm, weniger als 1,0 mm oder weniger als 0,5 mm.
Glasartikel nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Rauheit R_a von weniger als 2 nm auf 2×2 mm².
Glasartikel nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Anzahl von gasförmigen Einschlüssen von weniger als 1,0 pro mm³.
Glasartikel nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche aus einem Glas mit einem Viskositäts-Temperatur-Profil, das gekennzeichnet ist durch folgende VFT-Parameter: A in einem Bereich von -5,5 bis <0,0, B in einem Bereich von 3500 bis 12000 K und/oder T₀ in einem Bereich von 25°C bis 300°C.
Glasartikel nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer maximalen Differenz der Wärmeleitfähigkeit auf 2×2 mm² von höchstens 0,2 W/(m·K).
Glasartikel nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Fläche von wenigstens 400 mm².
Glasartikel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere herstellbar durch Teilen des Glasartikels der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Fläche von 1 bis 10 mm², vorzugsweise 3 bis 6 mm², insbesondere etwa 2x2 mm².
Verwendung eines Glasartikels nach Anspruch 11, in einem Drucksensor, insbesondere als Bauteil in einem Drucksensor.
Drucksensor umfassend einen Glasartikel nach Anspruch 11.
Verfahren zur Herstellung von Glasartikeln, insbesondere solchen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11 umfassend die Schritte - Herstellen einer Glasschmelze, - Läutern der Glasschmelze, - Ziehen der Glasschmelze, insbesondere unter Verwendung von Ziehwalzen, zu einem Glasband der Zieldicke im Bereich von weniger als 3,0 mm, - Teilen des Glasbandes in Glasartikel, wobei das Glasband einen Bereich Z durchläuft, in dem es die Zieldicke bereits erreicht hat, seine Viskosität aber noch unterhalb von 10¹⁰ dPas beträgt, wobei das Glas im Bereich Z mit einer Ziehgeschwindigkeit von wenigstens 0,5 m/min und höchstens 50 m/min gezogen wird, und wobei Maßnahmen getroffen werden, die geeignet sind, den Bereich Z von Störeinflüssen im Frequenzbereich von 0,01 bis 500 Hz freizuhalten.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verfahren ein Down Draw-Verfahren oder Overflow Fusion-Verfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Maßnahme ausgewählt ist aus - einer akustischen Einhausung der Ziehanlage und/oder des Bereichs Z, - Entkopplung von Ziehanlage und Formgebung, - Anpassung der Abstände der Ziehwalzen, - einer oder mehreren Blenden, insbesondere zur Reduktion der Konvektion im Kühlbereich, - Abdichtung, - und Kombinationen davon.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 16 umfassend die Schritte - Schleifen des Glasartikels mit gebundenem Korn, insbesondere mit einem Diamantschleifmittel, - optional anschließendes Polieren.