DE102021107078A1 - Device composed of a first component and a second component - Google Patents

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Elke Schmidt
Nils Ponath
Andreas Rossberg
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) aus einem ersten Bauteil (2) und einem zweiten Bauteil (3), wobei das erste Bauteil (2) keramisch ist, wobei das zweite Bauteil (3) keramisch ist oder im Wesentlichen denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das erste Bauteil (2), wobei ein Verbindungsstück (4) für die mechanische und/oder elektrische Verbindung zwischen dem ersten Bauteil (2) und dem zweiten Bauteil (3) mittels Lötens vorgesehen ist, wobei das Verbindungsstück (4) im Wesentlichen denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das erste Bauteil (2) oder einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von unter 10 ppm/K aufweist.The invention relates to a device (1) consisting of a first component (2) and a second component (3), the first component (2) being ceramic, the second component (3) being ceramic or having essentially the same thermal expansion coefficient as the first component (2), wherein a connecting piece (4) is provided for the mechanical and/or electrical connection between the first component (2) and the second component (3) by means of soldering, the connecting piece (4) being essentially has the same coefficient of thermal expansion as the first component (2) or a coefficient of thermal expansion of less than 10 ppm/K.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung aus einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil.The invention relates to a device made up of a first component and a second component.

Feldgeräte in der Prozess- und Automatisierungstechnik dienen der Überwachung und/oder Bestimmung mindestens einer, beispielsweise chemischen und/oder physikalischen, Prozessgröße eines Mediums. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden im Prinzip alle Messgeräte als Feldgerät bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von Firmen der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.Field devices in process and automation technology are used to monitor and/or determine at least one, for example chemical and/or physical, process variable of a medium. Within the scope of the present application, in principle all measuring devices that are used close to the process and that supply or process process-relevant information are referred to as field devices. A large number of such field devices are manufactured and sold by companies in the Endress + Hauser Group.

Bei der von dem Feldgerät zu bestimmenden Prozessgröße kann es sich um den Füllstand, den Durchfluss, den Druck, die Temperatur, den pH-Wert, ein Redoxpotential oder die Leitfähigkeit des jeweiligen Mediums handeln. Die der Bestimmung der Prozessgröße zugrundeliegenden, unterschiedlichen möglichen Messprinzipien sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden hier nicht weiter erläutert. Feldgeräte zur Messung des Füllstands sind insbesondere als Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte, Ultraschall-Füllstandsmessgeräte, zeitbereichsreflektometrische Füllstandsmessgeräte (TDR), radiometrische Füllstandsmessgeräte, kapazitive Füllstandsmessgeräte, konduktive Füllstandsmessgeräte und vibronische Füllstandsmessgeräte ausgestaltet. Feldgeräte zur Messung des Durchflusses dagegen arbeiten beispielsweise nach dem Coriolis-, Ultraschall-, Vortex-, thermischen und/oder magnetisch induktiven Messprinzip. Bei Druckmessgeräten handelt es sich bevorzugt um sogenannte Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckgeräte. Neben den zuvor genannten Messgeräten und Aktoren werden unter Feldgeräten auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.The process variable to be determined by the field device can be the fill level, the flow rate, the pressure, the temperature, the pH value, a redox potential or the conductivity of the respective medium. The different possible measuring principles on which the determination of the process variable is based are known from the prior art and are not explained further here. Field devices for measuring the filling level are designed in particular as microwave filling level measuring devices, ultrasonic filling level measuring devices, time-domain reflectometric filling level measuring devices (TDR), radiometric filling level measuring devices, capacitive filling level measuring devices, conductive filling level measuring devices and vibronic filling level measuring devices. Field devices for measuring the flow, on the other hand, work, for example, according to the Coriolis, ultrasonic, vortex, thermal and/or magnetically inductive measuring principle. Pressure measuring devices are preferably so-called absolute, relative or differential pressure devices. In addition to the measuring devices and actuators mentioned above, field devices also include remote I/Os, wireless adapters or devices in general that are arranged at the field level.

Ein Feldgerät umfasst typischerweise einen zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise mit dem Prozess in Berührung kommenden Sensor und eine Elektronikeinheit, welche beispielsweise der Signalerfassung, Signalauswertung und/oder Signalspeisung dient. Die Elektronikeinheit des Feldgeräts ist typischerweise in einem Gehäuse angeordnet und verfügt zusätzlich über mindestens ein Anschlusselement zum Anschluss der Elektronikeinheit an den Sensor und/oder eine externe Einheit. Das Anschlusselement kann eine beliebige Verbindung sein, auch eine drahtlose Verbindung ist einsetzbar. Die Elektronikeinheit und der Sensor des Feldgeräts können in Form separater Einheiten mit getrennten Gehäusen oder als eine gemeinsame Einheit mit einem Gehäuse ausgestaltet sein.A field device typically includes a sensor that comes into contact with the process at least partially and/or at least temporarily, and an electronics unit that is used, for example, for signal acquisition, signal evaluation and/or signal feeding. The electronics unit of the field device is typically arranged in a housing and also has at least one connection element for connecting the electronics unit to the sensor and/or an external unit. The connection element can be any connection, a wireless connection can also be used. The electronics unit and the sensor of the field device can be designed in the form of separate units with separate housings or as a common unit with one housing.

Innerhalb des Feldgeräts sind in der Regel eine Vielzahl von Bauteilen verbaut, welche häufig miteinander verlötet sind. Zur Verbindung zweier oder mehrerer Bauteile werden üblicherweise Kupferleitbahnen oder Kupferdrähte oder auch Messing als Verbindungsstücke eingesetzt, welche zur mechanischen und/oder elektrischen Verbindung der Bauteile dienen.A large number of components, which are often soldered to one another, are generally installed within the field device. To connect two or more components, copper interconnects or copper wires or else brass are usually used as connecting pieces, which are used for the mechanical and/or electrical connection of the components.

Typischerweise sind Feldgeräte prozessnah angeordnet und daher häufig schwankenden, mitunter hohen, Temperaturen ausgesetzt. Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Bauteilen und ihrer Verbindungsstücke können dabei zu Spannungen im Bereich des Verbindungsstücks führen und somit zu Anwendungsfehlern, wie beispielsweise Rissen oder allgemein einer mechanischen Instabilität des Verbindungsstücks. Auch der über das Verbindungsstück hergestellte elektrische Kontakt kann unterbrochen werden.Typically, field devices are arranged close to the process and are therefore often exposed to fluctuating, sometimes high, temperatures. Different thermal expansion coefficients of components and their connecting pieces can lead to stresses in the area of the connecting piece and thus to application errors, such as cracks or a general mechanical instability of the connecting piece. The electrical contact established via the connecting piece can also be interrupted.

Der Einsatz von Kupfer als Verbindungsstück geht regelmäßig mit Bauteilen aus Kunststoff einher, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten soweit aufeinander abgestimmt sind, dass keine größeren thermisch induzierten Spannung im Bereich des Verbindungsstücks auftreten. Ist eines der zu verbindenden Bauteile jedoch nicht aus Kunststoff, sondern beispielsweise aus Keramik gefertigt, kann es in Verbindung mit Kupferleitbahnen oder Kupferdrähten zu nicht unerheblichen Spannungen im Bereich des Verbindungsstücks kommen.The use of copper as a connecting piece is regularly associated with components made of plastic whose thermal expansion coefficients are matched to one another so that no major thermally induced stresses occur in the area of the connecting piece. However, if one of the components to be connected is not made of plastic but, for example, of ceramic, there can be significant stresses in the area of the connecting piece in connection with copper conductors or copper wires.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung anzugeben, in welcher auf einfache Weise thermisch induzierte Spannungen zwischen zwei Bauteilen, von denen zumindest eines keramisch ist, vermieden oder zumindest stark reduziert werden.The object of the present invention is therefore to specify a device in which thermally induced stresses between two components, of which at least one is ceramic, are avoided or at least greatly reduced in a simple manner.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung aus einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil keramisch ist, wobei das zweite Bauteil keramisch ist oder im Wesentlichen denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das erste Bauteil, wobei ein Verbindungsstück für die mechanische und/oder elektrische Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil mittels Lötens vorgesehen ist, wobei das Verbindungsstück im Wesentlichen denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das erste Bauteil oder einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von unter 10 ppm/K aufweist.According to the invention, the object is achieved by a device consisting of a first component and a second component, the first component being ceramic, the second component being ceramic or having essentially the same thermal expansion coefficient as the first component, a connecting piece for the mechanical and/or or electrical connection between the first component and the second component is provided by means of soldering, the connecting piece having substantially the same thermal expansion coefficient as the first component or a thermal expansion coefficient of less than 10 ppm/K.

Erfindungsgemäß werden thermisch induzierte Spannungen im Bereich des Verbindungsstücks dadurch vermieden, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Bauteile mit dem des Verbindungsstück abgestimmt sind. Technische Keramiken weisen typischerweise thermische Ausdehnungskoeffizienten von 2 bis 10 ppm/K auf. Kupfer als herkömmliches Verbindungsstück weist hingegen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 16 ppm/K auf. Selbst für Keramiken mit einem eher höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist der thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer mindestens 60% größer als der der Keramik. Für Keramiken mit mittleren oder eher kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergeben sich sehr große Abweichungen gegenüber Kupfer. Entsprechend große temperaturinduzierte Spannungen können daher im Bereich des Verbindungsstückes entstehen.According to the invention, thermally induced stresses in the area of the connecting piece are avoided in that the thermal expansion coefficients of the two components are matched to that of the connecting piece. Technical Ceramics typically have thermal expansion coefficients of 2 to 10 ppm/K. On the other hand, copper as a conventional connector has a thermal expansion coefficient of around 16 ppm/K. Even for ceramics with a rather higher coefficient of thermal expansion, the coefficient of thermal expansion of copper is at least 60% greater than that of ceramic. For ceramics with medium or rather small coefficients of thermal expansion, there are very large deviations from copper. Correspondingly large temperature-induced stresses can therefore arise in the area of the connecting piece.

Das erste Bauteil und das zweite Bauteil können beide keramisch sein, wobei in diesem Fall beide Bauteile idealerweise aus derselben Keramik bestehen, um einen identischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erhalten. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des zweiten Bauteils sollte nicht mehr als 70%, insbesondere nicht mehr als 50%, oder nicht mehr als 30%, von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Bauteils abweichen. Ähnliche Überlegungen gelten für das Verbindungsstück: auch der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsstücks sollte nicht mehr als 70%, insbesondere nicht mehr als 50% oder 30%, als von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Bauteils abweichen. Da das keramische erste Bauteil in der Regel einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter 10 ppm/k aufweist, kann in vielen Fällen ein Verbindungsstück eingesetzt werden, welches ebenfalls einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von unter 10 ppm/K aufweist. Grundsätzlich sind thermische Ausdehnungskoeffizienten temperaturabhängig; in dieser Anmeldung sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten für solche Temperaturbereiche angegeben, in denen Feldgeräte üblicherweise eingesetzt werden.The first component and the second component can both be ceramic, in which case both components ideally consist of the same ceramic in order to obtain an identical thermal expansion coefficient. The coefficient of thermal expansion of the second component should deviate from the coefficient of thermal expansion of the first component by no more than 70%, in particular no more than 50%, or no more than 30%. Similar considerations apply to the connecting piece: the thermal expansion coefficient of the connecting piece should also deviate by no more than 70%, in particular no more than 50% or 30%, from the thermal expansion coefficient of the first component. Since the ceramic first component generally has a thermal expansion coefficient of less than 10 ppm/K, in many cases a connecting piece can be used which also has a thermal expansion coefficient of less than 10 ppm/K. In principle, thermal expansion coefficients are temperature-dependent; This application specifies the thermal expansion coefficients for those temperature ranges in which field devices are usually used.

Vorteilhafterweise ist das Verbindungsstück aus Keramik, Kovar®, Titan oder einer Nickel-Eisen-Legierung gefertigt. Kovar® weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 6 ppm/K auf, Titan einen von etwa 9 ppm/K und Nickel-Eisen-Legierungen einen von teilweise unter 2 ppm/K.The connecting piece is advantageously made of ceramic, Kovar®, titanium or a nickel-iron alloy. Kovar® has a thermal expansion coefficient of around 6 ppm/K, titanium around 9 ppm/K and nickel-iron alloys sometimes below 2 ppm/K.

Bevorzugt sind das erste Bauteil und/oder das Verbindungsstück aus Aluminiumoxid gefertigt. Aluminiumoxid weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 6-7 ppm/K auf, der somit in etwa halb so groß ist wie der von Kupfer. Idealerweise sind daher das erste Bauteil und das Verbindungsstück beide aus demselben Material gefertigt.The first component and/or the connecting piece are preferably made of aluminum oxide. Aluminum oxide has a thermal expansion coefficient of about 6-7 ppm/K, which is about half that of copper. Ideally, therefore, the first component and the connecting piece are both made of the same material.

In einer möglichen Ausgestaltung ist das Verbindungsstück bevorzugt kugelförmig ausgestaltet, wobei der Durchmesser des Verbindungsstückes zwischen 0,2 mm und 2 mm beträgt. Der Durchmesser des Verbindungsstückes definiert den Abstand zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil. Durch die Kugelform wird zudem die Grundfläche des Verbindungsstücks auf dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil minimiert, wodurch der Einfluss möglicher Unterschiede in den jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verringert wird. Gegenüber herkömmlichen Drähten oder Kontaktstiften erhöht die Kugelform die Performance und die Langlebigkeit der Vorrichtung, da sie eine höhere Flexibilität aufweist.In one possible embodiment, the connecting piece is preferably spherical in shape, with the diameter of the connecting piece being between 0.2 mm and 2 mm. The diameter of the connector defines the distance between the first component and the second component. The spherical shape also minimizes the base area of the connecting piece on the first component and the second component, as a result of which the influence of possible differences in the respective thermal expansion coefficients is reduced. Compared to conventional wires or contact pins, the spherical shape increases the performance and longevity of the device because it has greater flexibility.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Verbindungsstück mit einem Lot beschichtet. Sofern das Verbindungsstück aus einem nicht-lotfähigen Material besteht, wird es mit einem Lot beschichtet. In der Regel genügt eine dünne Schicht des Lots von wenigen 100 µm.In a further embodiment, the connecting piece is coated with a solder. If the connecting piece consists of a material that cannot be soldered, it is coated with a solder. As a rule, a thin layer of the solder of a few 100 µm is sufficient.

Bevorzugterweise ist das Lot ein Weichlot. Weichlote als duktile Werkstoffe können thermische induzierte Spannungen teilweise aufnehmen, indem sie sich verformen. Die Weichlotbeschichtung auf dem Verbindungsstück gleicht damit bestehende Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils sowie des Verbindungsstückes zumindest teilweise aus.The solder is preferably a soft solder. As ductile materials, soft solders can partially absorb thermally induced stresses by deforming. The soft solder coating on the connecting piece thus at least partially compensates for existing differences in the thermal expansion coefficients of the first component and the second component as well as the connecting piece.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Verbindungsstück unter der Lotschicht eine metallisierte Schicht aufweist, wobei die metallisierte Schicht so dünn auf das Verbindungsstück aufgebracht ist, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsstücks im Wesentlichen unverändert ist. Die metallisierte Schicht dient zur besseren Haftung des Lots an dem Verbindungsstück. Die Dicke der metallisierten Schicht bewegt sich im µm Bereich.A further embodiment provides that the connecting piece has a metalized layer under the solder layer, the metalized layer being applied to the connecting piece so thinly that the thermal expansion coefficient of the connecting piece is essentially unchanged. The metallized layer serves to improve adhesion of the solder to the connector. The thickness of the metallized layer is in the µm range.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren 1-2 näher erläutert werden. Sie zeigen:

  • 1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung, hier am Beispiel eines Drucksensors.
  • 2: eine Detailansicht des Verbindungsstückes.
In the following, the invention is based on the figures 1-2 be explained in more detail. They show:
  • 1 : a device according to the invention, here using the example of a pressure sensor.
  • 2 : a detail view of the connector.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für alle Arten von Feldgeräten einsetzbar, bei denen ein keramisches Bauteil mit einem weiteren Bauteil verlötet werden muss. Die Vorrichtung kann im Bereich des Sensors und/oder im Bereich der Elektronik angeordnet sein.The device according to the invention can be used for all types of field devices in which a ceramic component has to be soldered to another component. The device can be arranged in the area of the sensor and/or in the area of the electronics.

In den folgenden 1-2 sind Schemata gezeigt, die zum prinzipiellen Verständnis der Erfindung dienen sollen. Die Schemata sind nicht maßstabsgetreu ausgeführt, insbesondere in 2 können die gezeigten Proportionen stark von tatsächlichen Umsetzungen abweichen.In the following 1-2 Schematics are shown which are intended to provide a basic understanding of the invention. The schemes are not drawn to scale, especially in 2 the proportions shown may vary greatly from actual implementations.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 aus einem ersten Bauteil 2, einem zweiten Bauteil 3 und einem Verbindungsstück 4 für die mechanische und/oder elektrische Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 2,3 mittels Lötens gezeigt. In diesem Beispiel besteht die Vorrichtung 1 aus einem Drucksensor 2 kombiniert mit einer Vor-Ort-Elektronik 3. Der Drucksensor 2 bzw. das erste Bauteil 2 weist einen keramischen Grundkörper 8 auf, welcher unter Einschluss einer Druckkammer 10 mit einer keramischen Messmembran 7 mittels einer Fügestelle 9 verbunden ist. Das zweite Bauteil 3 entspricht in diesem Beispiel einer Vor-Ort-Elektronik, welche einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher im Wesentlichen mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Bauteils 2 bzw. des Drucksensors übereinstimmt. Alternativ kann das zweite Bauteil 3 ebenfalls keramisch sein, bzw. idealerweise aus derselben Keramik gefertigt sein wie das erste Bauteil 2.In 1 shows a device 1 according to the invention made up of a first component 2, a second component 3 and a connecting piece 4 for the mechanical and/or electrical connection between the two components 2.3 by means of soldering. In this example, the device 1 consists of a pressure sensor 2 combined with on-site electronics 3. The pressure sensor 2 or the first component 2 has a ceramic base body 8, which includes a pressure chamber 10 with a ceramic measuring membrane 7 by means of a Joint 9 is connected. In this example, the second component 3 corresponds to on-site electronics which have a thermal expansion coefficient which essentially corresponds to the thermal expansion coefficient of the first component 2 or the pressure sensor. Alternatively, the second component 3 can also be ceramic, or ideally made from the same ceramic as the first component 2.

Bei keramischen Drucksensoren ist es bekannt geworden, dass Spannungen im Bereich des Verbindungsstückes 4 neben einer Anfälligkeit der Verbindung auch zu einer Temperatur-Hysterese des Drucksensors führen. Daher muss sowohl der thermische Ausdehnungskoeffizient des zweiten Bauteils 3 als auch der des Verbindungsstückes 4 mit dem des ersten Bauteils 2 bzw. dem Drucksensor aufeinander abgestimmt sein. Dazu weist das Verbindungsstück 4 entweder im Wesentlichen denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das erste Bauteil 2 auf oder einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als 10 ppm/K. Beispielsweise ist das Verbindungsstück 4 Keramik, Kovar®, Titan oder einer Nickel-Eisen-Legierung hergestellt.In the case of ceramic pressure sensors, it has become known that stresses in the area of the connecting piece 4 lead not only to a susceptibility of the connection but also to a temperature hysteresis of the pressure sensor. Therefore, both the thermal expansion coefficient of the second component 3 and that of the connecting piece 4 must be matched to that of the first component 2 or the pressure sensor. For this purpose, the connecting piece 4 either has essentially the same thermal expansion coefficient as the first component 2 or a thermal expansion coefficient of less than 10 ppm/K. For example, the connecting piece 4 is made of ceramic, Kovar®, titanium or a nickel-iron alloy.

Das erste Bauteil bzw. der Drucksensor 2 ist beispielsweise das Aluminiumoxid hergestellt. Das Verbindungsstück 4 kann optional ebenfalls aus Aluminiumoxid gefertigt sein und ist beispielsweise kugelförmig ausgestaltet, mit einem Durchmesser der Kugeln von etwa 0,2 bis 2 mm.The first component or the pressure sensor 2 is made of aluminum oxide, for example. The connecting piece 4 can optionally also be made of aluminum oxide and is designed, for example, in the shape of a sphere, with a diameter of the spheres of approximately 0.2 to 2 mm.

Für den Fall, dass das Verbindungsstück 4 nicht oder nicht ausreichend lötfähig ist, kann das Verbindungsstück 4 optional mit einem Lot 5, beispielsweise einem Weichlot, beschichtet werden, wie in 2 beispielhaft dargestellt. Zur besseren Haftung des Lots 5 an dem Verbindungsstück 4 kann beispielsweise eine metallisierte Schicht 6 zwischen dem Verbindungsstück 4 und dem Lot 5 aufgebracht werden. Die Schichtdicke der metallisierten Schicht 6 ist dabei so dünn gewählt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbindungstückes 4 im Wesentlichen unverändert bleibt bzw. dass die metallisierte Schicht 6 nicht zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbindungstücke 4 beiträgt.In the event that the connecting piece 4 cannot be soldered or is not sufficiently solderable, the connecting piece 4 can optionally be coated with a solder 5, for example a soft solder, as in 2 shown as an example. For better adhesion of the solder 5 to the connecting piece 4, a metallized layer 6 can be applied between the connecting piece 4 and the solder 5, for example. The layer thickness of the metalized layer 6 is chosen so thin that the thermal expansion coefficient of the connecting piece 4 remains essentially unchanged or that the metalized layer 6 does not contribute to the thermal expansion coefficient of the connecting piece 4 .

BezugszeichenlisteReference List

11
Vorrichtungcontraption
22
erstes Bauteilfirst component
33
zweites Bauteilsecond component
44
Verbindungsstückconnector
55
LotLot
66
metallisierte Schichtmetallized layer
77
Messmembranmeasuring membrane
88th
Grundkörperbody
99
Fügestellejoint
1010
Druckkammerpressure chamber

Claims (7)

Vorrichtung (1) aus einem ersten Bauteil (2) und einem zweiten Bauteil (3), wobei das erste Bauteil (2) keramisch ist, wobei das zweite Bauteil (3) keramisch ist oder im Wesentlichen denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das erste Bauteil (2), wobei ein Verbindungsstück (4) für die mechanische und/oder elektrische Verbindung zwischen dem ersten Bauteil (2) und dem zweiten Bauteil (3) mittels Lötens vorgesehen ist, wobei das Verbindungsstück (4) im Wesentlichen denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das erste Bauteil (2) oder einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von unter 10 ppm/K aufweist.Device (1) consisting of a first component (2) and a second component (3), the first component (2) being ceramic, the second component (3) being ceramic or having essentially the same thermal expansion coefficient as the first component ( 2), wherein a connector (4) is provided for the mechanical and/or electrical connection between the first component (2) and the second component (3) by means of soldering, the connector (4) having substantially the same thermal expansion coefficient as the first Component (2) or has a thermal expansion coefficient of less than 10 ppm / K. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsstück (4) aus Keramik, Kovar®, Titan oder einer Nickel-Eisen-Legierung gefertigt ist.device after claim 1 , wherein the connecting piece (4) is made of ceramic, Kovar®, titanium or a nickel-iron alloy. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Bauteil (2) und/oder das Verbindungsstück (4) aus Aluminiumoxid gefertigt sind.device after claim 1 , wherein the first component (2) and / or the connecting piece (4) are made of aluminum oxide. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verbindungsstück (4) bevorzugt kugelförmig ausgestaltet ist, wobei der Durchmesser des Verbindungsstückes (4) zwischen 0,2 mm und 2 mm beträgt.Device according to at least one of the preceding claims, in which the connecting piece (4) is preferably designed spherically, the diameter of the connecting piece (4) being between 0.2 mm and 2 mm. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verbindungsstück (4) mit einem Lot (5) beschichtet ist.Device according to at least one of the preceding claims, wherein the connecting piece (4) is coated with a solder (5). Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Lot (5) ein Weichlot ist.device after claim 5 , wherein the solder (5) is a soft solder. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Verbindungsstück (4) unter der Lotschicht (5) eine metallisierte Schicht (6) aufweist, wobei die metallisierte Schicht (6) so dünn auf das Verbindungsstück (4) aufgebracht ist, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsstücks (4) im Wesentlichen unverändert ist.device after claim 5 , wherein the connecting piece (4) has a metallized layer (6) under the solder layer (5), the metallized layer (6) being applied so thinly to the connecting piece (4) that the thermal expansion coefficient of the connecting piece (4) is essentially is unchanged.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10226034A1 (en) 2002-06-12 2003-12-24 Bosch Gmbh Robert Sensor and method for producing a sensor
DE10229703A1 (en) 2002-07-02 2004-01-15 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Capacitive pressure sensor
DE102005046710A1 (en) 2005-09-29 2007-04-05 Infineon Technologies Ag Carrier for a semiconductor chip comprises a sintered body made from carbon fibers and a metal
DE102010053760A1 (en) 2010-12-02 2012-06-06 Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg Sensor with a preferably multilayer ceramic substrate and method for its production
EP3055095B1 (en) 2013-10-08 2020-12-09 Kistler Holding AG Method for producing a metal-ceramic soldered connection

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10226034A1 (en) 2002-06-12 2003-12-24 Bosch Gmbh Robert Sensor and method for producing a sensor
DE10229703A1 (en) 2002-07-02 2004-01-15 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Capacitive pressure sensor
DE102005046710A1 (en) 2005-09-29 2007-04-05 Infineon Technologies Ag Carrier for a semiconductor chip comprises a sintered body made from carbon fibers and a metal
DE102010053760A1 (en) 2010-12-02 2012-06-06 Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg Sensor with a preferably multilayer ceramic substrate and method for its production
EP3055095B1 (en) 2013-10-08 2020-12-09 Kistler Holding AG Method for producing a metal-ceramic soldered connection

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