DE102022209554A1

DE102022209554A1 - Verbindung einer Sensoranordnung mit einem Messobjekt

Info

Publication number: DE102022209554A1
Application number: DE102022209554.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Lang; Erwin Biegger; Georg Tenckhoff
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-09-13
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2024-03-14
Also published as: WO2024056574A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung einer Sensoranordnung mit einem Messobjekt, das Verfahren umfassend die Schritte(100) Bereitstellen- eines Messobjekts,- einer Sensoranordnung, umfassend einen Dehnungsmessstreifen, der zumindest dazu eingerichtet ist, dehnende und stauchende Verformungen eines Messobjekts zu erfassen, sowie ein Elektronikmodul,- zwei Verbindungsfolien, die jeweils metallische Materialien enthalten, welche bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren,(200) Platzieren der ersten Verbindungsfolie zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul,(300) Aktivieren der metallischen Materialien der ersten Verbindungsfolie, sodass zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird, wobei nach dem Aktivieren der metallischen Materialien der ersten Verbindungsfolie eine elektronische Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul vorliegt,(400) Platzieren der zweiten Verbindungsfolie zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt, und(500) Aktivieren der metallischen Materialien der zweiten Verbindungsfolie, sodass zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung einer Sensoranordnung an einem Messobjekt, wobei die Sensoranordnung durch das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Messobjekt verbunden worden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung eines Dehnungsmessstreifens mit einem Messobjekt. Beansprucht werden in diesem Zusammenhang insbesondere ein Verfahren zur Befestigung des Dehnungsmessstreifens an dem Messobjekt sowie eine Anordnung des Dehnungsmessstreifens an dem Messobjekt.
Für verschiedene Anwendungsfälle ist es notwendig, einen Dehnungsmessstreifen an einem größeren mechanischen Bauteil, dem Messobjekt, zu befestigen. Dies ist wichtig für die Platzierung des Sensorsystems und für eine Verschaltung der physikalischen Signale, die gemessen werden sollen. Dehnungsmessstreifen sind Messeinrichtungen zur Erfassung von dehnenden und stauchenden Verformungen. Sie ändern bereits bei geringen Verformungen ihren elektrischen Widerstand und werden als Sensoren zur Dehnungsmessung eingesetzt.
Sensoren zur Kraft- oder Verformungsmessung sind stark von der Verbindungs- bzw. Klebeschicht zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt abhängig. Das Messobjekt kann aus verschiedenen Materialien wie Metall, Silizium oder einem organischen Material bestehen. Die Verbindungsschicht muss eine starke Haftung bieten und formstabil sein, um eine gute Kraft- und Deformationsübertragung ohne eine (zusätzliche und unvorhersehbare) Dämpfung oder Zeitverzögerungen zu gewährleisten. Die Sensorleistung über die Lebensdauer hängt von der Langzeitstabilität der Verbindungsschicht ab, insbesondere von der Temperatur-/Feuchtigkeits-/Chemikalienstabilität, um Signaldrift, Signalamplitudenschrumpfung und Zeitverzögerungen zu vermeiden.
Für die Kontaktierung der Dehnungsmessstreifen auf einem größeren Messobjekt ist Kleben bekannt. Die Verbindungsschicht ist also eine Klebeschicht. Dies ist für die industrielle Fertigung relativ einfach zu realisieren, erfordert aber meist einen manuellen Prozess, der zeitaufwendig und nicht kosteneffizient ist. Klebeverbindungen sind mit unterschiedlichen Temperaturgradienten, Feuchtigkeits-/Chemikalienabhängigkeit und Langzeitalterung verbunden. Dies kann die Signalqualität verringern oder den Sensor sogar zerstören. Andere Verbindungstechniken sind aufgrund der Prozessparameter mit hohen Temperaturen, mechanischen Drücken oder hohem Vakuum bzw. Schutzgas unpraktisch. Andere Methoden benötigen starke elektromagnetische Felder. Unpraktisch heißt in diesem Zusammenhang, es könnte den Dehnungsmessstreifen oder das Messobjekt zerstören.
Aus der DE 10 2013 002 144 A1 geht ein Fügeverfahren für thermisch empfindliche Strukturen hervor, wobei zwei Bauteile unter Nutzung eines als reaktive Nanofolie ausgestalteten Fügehilfsmittels funktionell in Wirkverbindung gebracht werden, indem die Nanofolie zunächst zwischen zugeordnete Flächenabschnitte der miteinander zu fügenden Bauteile eingebracht wird und hier nachfolgend eine zumindest abschnittsweise Ausbildung einer Verbindungsstruktur bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Aktivierung der Nanofolie zunächst ein Aufschmelzen einer weitgehend festen Lot-Verbindungsschicht auf beiden einander zugeordneten Flächenabschnitten der miteinander zu fügenden Bauteile erfolgt und dass nachfolgend das jeweils lokal auf einen Flächenabschnitt begrenzte Schmelzgut mit dem ebenfalls lokal begrenzten Schmelzgut des gegenüberliegenden Flächenabschnittes und den Resten der Reaktanten des nanoreaktiven Foliensystems derart vermischt wird, dass nach Abkühlung und Verfestigung des gesamten Schmelzgutes eine funktionale Hartlotverbindung ausgestaltet wird, wobei die für das Aufschmelzen notwendige thermische Belastung lediglich innerhalb der Konturabschnitte der zu fügenden Kontakte ausschließlich auf Lotverbindungsschichten des Lotschichtsystems eingebracht wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige Verbindung zwischen einem Dehnungsmessstreifen und einem Messobjekt vorzuschlagen, welche den vorstehend beschriebenen Problemen Rechnung trägt sowie Dehnungsmessstreifen für Automobilanwendungen einsetzbar macht. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verbindung einer Sensoranordnung (20) mit einem Messobjekt umfasst die Schritte

(100) Bereitstellen
- - eines Messobjekts,
- - einer Sensoranordnung, umfassend einen Dehnungsmessstreifen, der zumindest dazu eingerichtet ist, dehnende und stauchende Verformungen eines Messobjekts zu erfassen, sowie ein Elektronikmodul,
- - einer ersten Verbindungsfolie und einer zweiten Verbindungsfolie, die jeweils metallische Materialien enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren,
(200) Platzieren der ersten Verbindungsfolie zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul,
(300) Aktivieren der metallischen Materialien der ersten Verbindungsfolie, sodass sich die erste Verbindungsfolie derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird, wobei nach dem Aktivieren der metallischen Materialien der ersten Verbindungsfolie eine elektronische Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul vorliegt,
(400) Platzieren der zweiten Verbindungsfolie zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt, und
(500) Aktivieren der metallischen Materialien der zweiten Verbindungsfolie, sodass sich die zweite Verbindungsfolie derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird.

Die vorliegende Erfindung schlägt einen reaktiven Folienlötprozess vor, um eine insbesondere intermetallische Verbindung für Dehnungsmessstreifen auf einem größeren Messobjekt, auch Target genannt, zu erhalten. Der Fügeprozess basiert auf der Verwendung einer reaktiven Multischichtfolie als lokale Wärmequelle. Die Verbindungsfolie besteht aus einer neuen Klasse von nanotechnologischem Material, in dem sich selbst ausbreitende exotherme Reaktionen bei Raumtemperatur durch einen Zündprozess auslösen lassen. Durch das Einbringen einer solchen Folie zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen schmilzt die durch die Reaktion in der Folie erzeugte Wärme beispielsweise Lötschichten oder andere reaktive Schichten auf, sodass die Verbindungen bei Raumtemperatur in etwa einer Sekunde abgeschlossen sind. Die induzierte Wärme während der Reaktion ist aufgrund der schnellen Reaktionsgeschwindigkeit (beispielsweise 10 m/s) und der geringen Materialdicke (beispielsweise <100µm) sehr gering.
In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Verbindung einer Sensoranordnung mit einem Messobjekt bereitgestellt. In einem ersten Schritt (100) des Verfahrens wird ein Messobjekt bereitgestellt. Weiterhin wird eine Sensoranordnung bereitgestellt, umfassend einen Dehnungsmessstreifen, der zumindest dazu eingerichtet ist, dehnende und stauchende Verformungen eines Messobjekts zu erfassen. Die Erfassung weiterer Messgrößen mit dem Dehnungsmessstreifen ist ebenfalls denkbar. Die Sensoranordnung umfasst ferner ein mit dem Dehnungsmessstreifen verbundenes Elektronikmodul. Das Elektronikmodul weist insbesondere eine Vorverstärkerelektronik auf, das mit dem Dehnungsmessstreifen sowie einer Auswerteeinheit in geeigneter Weise verbunden ist. Der Dehnungsmessstreifen wird auf dem Messobjekt angeordnet, wobei das Elektronikmodul auf dem Dehnungsmessstreifen angeordnet wird. Der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul werden anschließend in einem gemeinsamen Gehäuse eingekapselt.
Bevorzugt werden der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul im Gehäuse eingekapselt, wenn sowohl das Elektronikmodul stoffschlüssig mit dem Dehnungsmessstreifen sowie der Dehnungsmessstreifen stoffschlüssig mit dem Messobjekt verbunden worden sind. Mithin erfolgt die Kapselung in einem Schritt (600), der nach Schritt (300) sowie nach Schritt (500) erfolgt. Dadurch werden der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul von dem Messobjekt und dem Gehäuse räumlich umgeben.
Unter „gekapselt“ oder „eingekapselt“ ist zu verstehen, dass der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul im Wesentlichen vollständig von beispielsweise einem Modulgehäuse umgeben sind, insbesondere abdichtend z.B. gegenüber dem Eintritt von Luft und/oder Feuchtigkeit umgeben ist. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform sind der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul vollständig und nahtlos sowie insbesondere kontaktelementlos - also frei von Kontaktelementen - gekapseit. Lediglich eine Verkabelung kann aus dem Gehäuse zum Anschluss an die Auswerteeinheit herausgeführt sein. In diesem Sinn liegt ein vollständig umgebener Zustand auch dann vor, wenn aus dem Gehäuse eine Verkabelung herausgeführt ist. Beispielsweise sind der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul von einer Vergussmasse oder einer Spritzgussmasse vorzugsweise vollständig umgeben. In diesem Fall bildet die Vergussmasse das Modulgehäuse bzw. das Gehäuse der Sensoranordnung. Durch diese Ausgestaltung ist eine mechanische und/oder eine ungewollte elektrische Beeinflussung des Dehnungsmessstreifens und des Elektronikmoduls, beispielsweise durch Feuchtigkeit oder Schmutz, verhindert. Mithin ist die Sensoranordnung vor ungewollter Beschädigung geschützt.
Ferner wird eine erste Verbindungsfolie und mindestens eine zweite Verbindungsfolie bereitgestellt, wobei jede Verbindungsfolie metallische Materialien enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren. Die erste Verbindungsfolie ist dem Elektronikmodul zugeordnet, wobei das Elektronikmodul mittels der ersten Verbindungsfolie stoffschlüssig mit dem Dehnungsmessstreifen verbunden wird. Die zweite Verbindungsfolie ist dem Messobjekt zugeordnet, wobei das Messobjekt mittels der zweiten Verbindungsfolie stoffschlüssig mit dem Dehnungsmessstreifen verbunden wird.
Das Messobjekt kann insbesondere deutlich größer sein als die Sensoranordnung. Bei dem Messobjekt kann es sich beispielsweise um ein Target, insbesondere eine Achse, eine Welle für einen Motor, ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs, ein Roboterarmsegment für einen Roboter oder ein Kühler, handeln.
Der Dehnungsmessstreifen ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Dehnung, eine Stauchung und/oder ein Drehmoment zu messen, die bzw. das von dem Messobjekt erzeugt wird bzw. davon ausgeht bzw. damit übertragen wird. Der Dehnungsmessstreifen umfasst vorzugsweise eine dem Messobjekt zugewandte Trägerschicht sowie ein Messgitter. Der Dehnungsmessstreifen, kurz DMS, ist vorzugsweise ein Folien-DMS, das heißt, das Messgitter aus Widerstandsdraht, der vorzugsweise 3 bis 5, vorzugsweise bis 8 µm dick ist, wird auf einen dünnen, ein Polymer umfassenden Kunststoffträger kaschiert und ausgeätzt sowie mit elektrischen Anschlüssen versehen, die eine elektronische Verbindung mit dem Elektronikmodul ermöglichen. Zusätzlich kann das Messgitter durch eine Abdeckschicht bedeckt sein, die mit der Trägerschicht verbunden, insbesondere verklebt ist, und die das Messgitter mechanisch schützt. Auch die Abdeckschicht kann auch verzichtet werden, da der Dehnungsmessstreifen im Gehäuse eingekapselt wird. Es können auch mehrere Messgitter auf der Trägerschicht angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist die Trägerschicht und/oder die Abdeckschicht in Form einer Folie ausgebildet. Mithin ist die Trägerschicht bevorzugt eine Trägerfolie und/oder die Abdeckschicht eine Abdeckfolie. Die Trägerschicht ist bevorzugt aus Polyimid ausgebildet. Sofern eine Abdeckschicht vorgesehen ist, kann auch dieses aus Polyimid ausgebildet sein.
Als Verbindungsfolie kann beispielsweise eine sogenannte NanoFoil® der Indium Corporation zum Einsatz kommen. Die NanoFoil® ist eine reaktive Multischichtfolie, die durch Aufdampfen von Tausenden von abwechselnden nanoskaligen Schichten beispielsweise aus Aluminium und Nickel hergestellt wird. Denkbar sind auch andere binäre Schichtsysteme, wie Titan und Aluminium, Zirkonium und Silizium oder Paladium und Aluminium. Darüber hinaus sind auch ternäre Systeme zur Ausbildung der Multischichtfolie denkbar. Die Ausbildung der Verbindungsfolie, insbesondere die Auswahl der Materialien, ist im Wesentlichen abhängig von der gewünschten Reaktion beim Aktivieren der Verbindungsfolie, insbesondere der Reaktionstemperatur während der Aktivierung. Wenn die Folie durch einen kleinen Impuls lokaler Energie aus elektrischen, optischen oder thermischen Quellen aktiviert wird, reagiert sie exotherm, um in Bruchteilen einer Sekunde präzise lokale Hitze bis zu Temperaturen von 1500 °C zu erzeugen. Die Dicke der Verbindungsfolie kann an die Anforderungen angepasst werden. Insbesondere kann die Dicke der jeweiligen Verbindungsfolie in Abhängigkeit des Materials des Messobjekts und/oder der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens und/oder des Elektronikmoduls angepasst werden. Je dünner die jeweilige Verbindungsfolie, desto weniger Energie ist erforderlich, um das Aktivieren der Verbindungsfolie einzuleiten bzw. auszuführen. Die Gesamtenergie ist derart einzustellen, dass eine sichere Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt erfolgt.
Die erste Verbindungsfolie wird in einem zweiten Verfahrensschritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul platziert. Das Platzieren kann derart erfolgen, dass die erste Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration entweder direkt an einander zugewandten Oberflächen des Dehnungsmessstreifens und des Elektronikmoduls anliegt. Alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die erste Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten auf gegenüberliegenden Oberflächen des Elektronikmoduls und des Dehnungsmessstreifens aufgetragen sind. Ferner alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die erste Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten auf entgegengesetzten Oberflächen der ersten Verbindungsfolie aufgetragen sind. Diese Oberflächen der ersten Verbindungsfolie sind insbesondere ebene Oberflächen, die im zweiten Verfahrensschritt (200) den Dehnungsmessstreifen bzw. das Elektronikmodul aufnehmend zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul angeordnet werden, um im nachgelagerten dritten Verfahrensschritt (300) verschweißt oder verlötet zu werden.
Die erste Verbindungsfolie ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie nach dem Aktivieren in Schritt (300) eine elektrische Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul realisiert. Auf eine zusätzliche, ggfs. manuelle, Verkabelung des Dehnungsmessstreifen mit dem Elektronikmodul, die vor Schritt (600) erfolgen muss, kann dadurch verzichtet werden. Die stoffschlüssige Verbindung sowie die elektrische Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul erfolgt entsprechend in einem einzigen Schritt, nämlich während des Schritts (300).
Die zweite Verbindungsfolie wird in einem vierten Verfahrensschritt (400) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt platziert. Das Platzieren kann derart erfolgen, dass die Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration entweder direkt an einander zugewandten Oberflächen des Dehnungsmessstreifens und des Messobjekts anliegt. Alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten auf gegenüberliegenden Oberflächen des Elektronikmoduls und des Dehnungsmessstreifens aufgetragen sind. Ferner alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die zweite Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten auf entgegengesetzten Oberflächen der zweiten Verbindungsfolie aufgetragen sind. Diese Oberflächen der zweiten Verbindungsfolie sind insbesondere ebene Oberflächen, die im vierten Verfahrensschritt (400) den Dehnungsmessstreifen bzw. das Messobjekt aufnehmend zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt angeordnet werden, um im dritten Verfahrensschritt (300) verschweißt oder verlötet zu werden.
Dementsprechend kann auf Klebeverbindungen zwischen den Bauteilen der Anordnung gänzlich verzichtet werden.
Die jeweilige Verbindungsfolie bildet im aktivierten Zustand eine Fügefläche zwischen den miteinander stoffschlüssig zu verbindenden Teilen. Die jeweilige Verbindungsfolie kann, wenn dies nicht bereits am die Fügefläche bildenden Fügeabschnitt erfolgt, ferner einen Aktivierungsabschnitt aufweisen, an dem die Aktivierung des metallischen Materials der jeweiligen Verbindungsfolie erfolgt. Am Aktivierungsabschnitt können Aktivierungsmittel angeordnet sein, um die jeweilige Verbindungsfolie aktivieren zu können. Der jeweilige Fügeabschnitt und ggfs. der Aktivierungsabschnitt sind einerseits zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul und andererseits zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt ausgebildet. Die jeweilige im Schritt (300) bzw. (500) aktivierte Verbindungsfolie verbindet das Messobjekt mit dem Dehnungsmessstreifen bzw. den Dehnungsmessstreifen mit dem Elektronikmodul zumindest in einer jeweiligen Fügefläche, vorzugsweise in der jeweiligen Fügefläche sowie ggfs. im Aktivierungsabschnitt, stoffschlüssig. Sofern ein Aktivierungsabschnitt vorgesehen ist, liegt dieser damit außerhalb der jeweiligen Fügefläche.
Mit der jeweiligen Verbindungsfolie, insbesondere mit dem Aktivierungsabschnitt, sofern ein solcher vorgesehen ist, ist wenigstens ein, vorzugsweise mehrere Aktivierungsmittel elektrisch verbunden. Das Aktivierungsmittel kann einen oder mehrere Drähte aufweisen, vorzugsweise zwei Drähte, einer mit positivem Pol, also einem Pluspol, und einer mit negativem Pol, also einem Minuspol, wobei zwischen den Polen eine Potentialdifferenz vorliegt. Die Drähte können separat ausgebildet sein und hantiert werden. Alternativ können die beiden Drähte an ihren Enden zu einer Art Stecker zusammengefasst sein, um einen definierten Abstand der Drähte beizubehalten bzw. nicht zu unterschreiten. Das Aktivierungsmittel kann ferner eine Spannungsquelle, insbesondere eine Batterie, oder eine Wärmenadel sein oder umfassen. Alternativ kann das Aktivierungsmittel dazu ausgebildet sein, zur Aktivierung der Verbindungsfolie mit der Spannungsquelle verbunden zu werden. Das Aktivierungsmittel und/oder die Spannungsquellen kann bzw. können mit dem Elektronikmodul verbunden sein. Sofern beide Aktivierungsschritte (300) und (500) gleichzeitig erfolgen, können die Verbindungsfolien mit einem gemeinsamen Aktivierungsmittel verbunden sein. Finden die Schritte (300) und (500) nacheinander statt, ist es vorteilhaft, jede Verbindungsfolie einem dazugehörigen, separaten Aktivierungsmittel zuzuordnen.
In einem dritten Verfahrensschritt (300) erfolgt ein Aktivieren der metallischen Materialien der ersten Verbindungsfolie über das jeweilige Aktivierungsmittel, sodass sich die erste Verbindungsfolie derart erhitzt, dass der Dehnungsmessstreifen mit dem Elektronikmodul stoffschlüssig verbunden wird. Zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul liegt nach dem Aktivieren der ersten Verbindungsfolie eine stoffschlüssige Verbindung vor. Das Aktivieren kann beispielsweise durch eine Zündung erfolgen. Das Verfahren benötigt keine besondere Hitze, kein Vakuum und keine Gasatmosphäre. Die Zündung der Verbindungsfolie kann beispielsweise mit einer handelsüblichen 9V-Batterie erfolgen, wobei die Batterie über das jeweilige Aktivierungsmittel zumindest mittelbar mit der Verbindungsfolie verbunden ist. Der Verfahrensschritt (300) ist derart ausgelegt, dass das Material der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens beim Aktivieren der ersten Verbindungfolie nicht aufschmilzt. Jedoch kann das Elektronikmodul ein Material aufweisen, dass während dem Aktivieren der ersten Verbindungsfolie auf- oder angeschmolzen wird, sodass das Elektronikmodul direkt mit dem Dehnungsmessstreifen verschweißt wird. Alternativ kann der Dehnungsmessstreifen durch Aufschmelzen von Lötschichten am Dehnungsmessstreifen und/oder am Elektronikmodul und/oder an der ersten Verbindungsfolie indirekt mit dem Elektronikmodul verlötet werden.
In einem fünften Verfahrensschritt (500) erfolgt ein Aktivieren der metallischen Materialien der zweiten Verbindungsfolie über das jeweilige Aktivierungsmittel, sodass sich die zweite Verbindungsfolie derart erhitzt, dass der Dehnungsmessstreifen mit dem Messobjekt stoffschlüssig verbunden wird. Zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt liegt nach dem Aktivieren der zweiten Verbindungsfolie eine stoffschlüssige Verbindung vor. Das Aktivieren kann analog zu den obigen Ausführungen zur ersten Verbindungsfolie erfolgen. Insbesondere erfolgt der Verfahrensschritt (500) derart, dass das Material der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens beim Aktivieren der zweiten Verbindungfolie nicht aufschmilzt. Jedoch kann das Messobjekt ein Material aufweisen, dass während dem Aktivieren der zweiten Verbindungsfolie auf- oder angeschmolzen wird, sodass das Messobjekt direkt mit dem Dehnungsmessstreifen verschweißt wird. Alternativ kann der Dehnungsmessstreifen oder das Messobjekt durch Aufschmelzen von Lötschichten am Dehnungsmessstreifen und/oder am Messobjekt und/oder an der zweiten Verbindungsfolie indirekt mit dem Messobjekt verlötet werden.
Während des Bonding-Verfahrens müssen keine hohen Drücke und keine hohen Temperaturen auf die Sensoranordnung und/oder das Messobjekt ausgeübt werden. Auch auf hohe elektromagnetische Felder kann verzichtet werden. Die durch das Aktivieren der metallischen Materialien der jeweiligen Verbindungsfolie entstehende durchgängige, metallische Verbindungsschicht oder Bondfläche zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul bzw. zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt weist aufgrund der verbesserten Kontaktierung insbesondere eine hohe Formstabilität sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit auf. Weiterhin vereinfacht sich der Herstellungsprozess bzw. der Bondprozess, was eine besonders kostengünstige Produktion ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch geringere Temperaturen und Spannungen während des Verbindens aus. Diese geringeren Spannungen induzieren weniger Vorspannungen im Dehnungsmessstreifen und erhöhen die Leistung und die Stabilität des Dehnungsmessstreifens. Darüber hinaus ermöglichen die niedrigen Temperaturen und der niedrige Druck einen breiten Einsatz von Materialien, wie beispielsweise Polymere. Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Verbund zwischen Dehnungsmessstreifen und Elektronikmodul bzw. zwischen Dehnungsmessstreifen und Messobjekt altert nicht mit der Zeit und Temperaturen. Dampf, Druck oder ähnliches bewirken keine Veränderung von Parametern der Verbindung. Das Verbundmaterial (Metall) ist insbesondere beständig gegen Feuchtigkeit, Chemikalien, hohe/niedrige Temperaturen und schnelle Temperaturwechsel. Der Verbund verändert deshalb seine Parameter nicht, insbesondere durch Temperatur, Feuchtigkeit, Druck oder Ähnliches. Das Verbundmaterial (insbesondere Metall) bietet weiterhin eine elastische Verformung für Wiederholbarkeit.
Vorteilhafterweise kann die elektrische Verbindung zwischen dem Aktivierungsmittel und der jeweiligen Verbindungsfolie mit der gleichen Vorrichtung erfolgen, mit der die einzelnen Bauteile übereinander platziert und der Druck zur stoffschlüssigen Verbindung ausgeübt wird.
Die jeweilige Verbindungsfolie wird durch Laserschneiden derart bearbeitet, dass die jeweilige Verbindungsfolie eine Form und Maße annimmt, die eine vorgesehene Fügefläche zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul bzw. zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt abdeckt. Die jeweilige Verbindungsfolie kann damit besonders genau und effizient in den gewünschten Abmessungen geformt werden, bevor die jeweilige Verbindungsfolie zwischen den beiden Oberflächen platziert wird. Mithin erfolgt das Laserschneiden bevor die erste Verbindungsfolie in dem Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul bzw. bevor die zweite Verbindungsfolie in dem Schritt (400) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt platziert wird.
Das Verbindungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich aufgrund der Eliminierung oder Reduzierung von Druckspannungen besonders für Sensoranordnungen mit Dehnungsmessstreifen. Die Montage des DMS an das Messobjekt kann dadurch vereinfacht und beschleunigt werden sowie mit reproduzierbarer Qualität erfolgen. Insbesondere kann die Montage der Sensoranordnung am Messobjekt zumindest teilautomatisiert, vorzugsweise vollautomatisiert werden.
Vorzugsweise erfolgen die Schritte (400) und (500) nach Schritt (300), wobei sich Schritt (300) dem Schritt (200) anschließt. Alternativ kann Schritt (400) vor Schritt (200) erfolgen. Demnach kann der Dehnungsmessstreifen mit dem Messobjekt verbunden werden, bevor der Dehnungsmessstreifen mit dem Elektronikmodul stoffschlüssig verbunden wird. Mithin kann das Platzieren der jeweiligen Verbindungsfolie zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen in beliebiger Reihenfolge erfolgen. In diesem Sinn erfolgen die Schritte (400) und (500) vor Schritt (200) und entsprechend auch Schritt (300). Es soll hiermit verdeutlicht werden, dass die miteinander zusammenhängenden Schritte (200) und (300) bzw. (400) und (500) prinzipiell in beliebiger Reihenfolge erfolgen können.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird eine oder mehrere Lötschichten auf der ersten und/oder zweiten Verbindungsfolie und/oder dem Messobjekt und/oder dem Dehnungsmessstreifen und/oder dem Elektronikmodul aufgetragen.
Vorzugsweise weist der Dehnungsmessstreifen, insbesondere die Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, und/oder die erste Verbindungsfolie eine metallisierte erste Lötschicht auf, die im Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und der ersten Verbindungsfolie angeordnet ist. Die erste Lötschicht ist als erste Beschichtung des Dehnungsmessstreifens und/oder der ersten Verbindungsfolie zu verstehen, die in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann.
Bevorzugt weist die erste Verbindungsfolie und/oder das Elektronikmodul eine metallisierte zweite Lötschicht auf, die im Schritt (200) zwischen dem Elektronikmodul und der ersten Verbindungsfolie angeordnet ist. Die zweite Lötschicht ist als zweite Beschichtung des Elektronikmoduls und/oder der ersten Verbindungsfolie zu verstehen, die ebenfalls in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann.
Die erste bzw. zweite Lötschicht wird insbesondere aufgetragen, bevor die erste Verbindungsfolie in dem zweiten Verfahrensschritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul platziert wird. Durch anschließendes Aktivieren der ersten Verbindungsfolie entsteht ausreichend Wärme, um die erste bzw. zweite Lötschicht aufzuschmelzen und den Dehnungsmessstreifen mit dem Elektronikmodul zu verlöten. In diesem Sinne ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass

- die erste Lötschicht auf dem Dehnungsmessstreifen, insbesondere der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, und/oder der ersten Verbindungsfolie aufgetragen wird,
- die zweite Lötschicht auf dem Elektronikmodul und/oder der ersten Verbindungsfolie aufgetragen wird,
- die erste Verbindungsfolie mit den Lötschichten in dem Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul platziert wird, und
- die metallischen Materialien der ersten Verbindungsfolie in dem Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die erste Verbindungsfolie derart erhitzt, dass die erste Lötschicht und die zweite Lötschicht schmelzen und den Dehnungsmessstreifen, insbesondere die Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht mit dem Elektronikmodul verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. Die Metallisierung des Dehnungsmessstreifens und/oder des Elektronikmoduls und/oder der ersten Verbindungsfolie, also das Aufbringen der ersten bzw. zweiten Lötschicht auf den Dehnungsmessstreifen, das Elektronikmodul und/oder die Verbindungsfolie ist wichtig, um den Nanobond-Prozess zu ermöglichen.

Vorzugsweise weist das Messobjekt und/oder die zweite Verbindungsfolie eine metallisierte dritte Lötschicht auf, die im Schritt (400) zwischen dem Messobjekt und der zweiten Verbindungsfolie angeordnet ist. Die dritte Lötschicht ist als dritte Beschichtung des Messobjekts und/oder der zweiten Verbindungsfolie zu verstehen, die in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann.
Bevorzugt weist die zweite Verbindungsfolie und/oder der Dehnungsmessstreifen, insbesondere die Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, eine metallisierte vierte Lötschicht aufweist, die im Schritt (400) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und der zweiten Verbindungsfolie angeordnet ist. Die vierte Lötschicht ist als vierte Beschichtung des Dehnungsmessstreifens und/oder der zweiten Verbindungsfolie zu verstehen, die ebenfalls in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann.
Die dritte bzw. vierte Lötschicht wird insbesondere aufgetragen, bevor die zweite Verbindungsfolie in dem vierten Verfahrensschritt (400) zwischen dem Messobjekt und dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul platziert wird. Durch anschließendes Aktivieren der zweiten Verbindungsfolie entsteht ausreichend Wärme, um die dritte bzw. vierte Lötschicht aufzuschmelzen und das Messobjekt mit dem Dehnungsmessstreifen zu verlöten. In diesem Sinne ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass

- die dritte Lötschicht auf dem Messobjekt und/oder der zweiten Verbindungsfolie aufgetragen wird,
- die vierte Lötschicht auf dem Dehnungsmessstreifen, insbesondere der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, und/oder der zweiten Verbindungsfolie aufgetragen wird,
- die zweite Verbindungsfolie mit den Lötschichten in dem Schritt (400) zwischen dem Messobjekt und dem Dehnungsmessstreifen platziert wird, und
- die metallischen Materialien der zweiten Verbindungsfolie in dem Schritt (500) aktiviert werden, sodass sich die zweite Verbindungsfolie derart erhitzt, dass die dritte Lötschicht und die vierte Lötschicht schmelzen und das Messobjekt durch die aufgeschmolzene dritte Lötschicht und die aufgeschmolzene vierte Lötschicht mit dem Dehnungsmessstreifen, insbesondere der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen.

Die jeweilige Lötschicht ist eine metallisierte Schicht, die eine wirksame stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul bzw. zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt ermöglicht.
Mittels der jeweiligen Verbindungsfolie und der Lötschichten kann zwischen den miteinander stoffschlüssig zu verbindenden Teilen eine intermetallische, stoffschlüssige Bindung geschaffen werden, die keine hohen Temperaturen, Drücke, elektromagnetische Felder, etc. zur Herstellung benötigt. Durch die intermetallische Verbindung wird eine 1:1-Signalübertragung vom Messobjekt zum Dehnungsmessstreifen ermöglicht.
Die Lötschichten können als metallische Startschichten besonders vorteilhaft durch Plasmaverfahren, Sputterverfahren oder Aufdampfen auf der jeweiligen Oberfläche der zu verbindenden Teile (Messobjekt, Verbindungsfolie, Dehnungsmessstreifen und Elektronikmodul) aufgebracht werden. Weitere Möglichkeiten sind durch Zwei-Schuss-Spritzgießen, additive Fertigung usw. gegeben. Wenigstens eine der Lötschichten, vorzugsweise alle Lötschichten, umfassen bevorzugt Nickel. Ferner bevorzugt umfasst eine der Lötschichten, vorzugsweise alle Lötschichten, Gold. Auch Kupfer oder Palladium eignen sich als Material für die jeweilige Lötschicht. Das Material der jeweiligen Lötschicht ist an die Abmessungen sowie den Werkstoff der Verbindungsfolie, des Messobjekts, des Dehnungsmessstreifens und des Elektronikmoduls angepasst.
Nach einem Ausführungsbeispiel umfasst die jeweilige Lötschicht eine Nickelschicht sowie eine Goldschicht. Mit anderen Worten ist die jeweilige Beschichtung mehrschichtig ausgebildet. Der Schichtaufbau kann beliebig ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist die Goldschicht der Verbindungsfolie zugewandt. Bevorzugt ist Nickelschicht der jeweiligen Verbindungsfolie dem Messobjekt und/oder dem Dehnungsmessstreifen und/oder dem Elektronikmodul zugewandt und somit der jeweiligen Verbindungsfolie abgewandt.
Um eine unvorhersehbare Verformung des Verbundes zu verhindern, kann ein Fixierpad mit geringem Druck auf die Schichten gelegt werden. In diesem Sinne wird bevorzugt mittels eines Fixierpads, das zumindest mittelbar auf das Messobjekt und/oder den Dehnungsmessstreifen und/oder das Elektronikmodul einen Druck ausübt, einer Verformung der Lötschichten und der jeweiligen Verbindungsfolie während des Aktivierens und Verbindens in Schritt (300) bzw. Schritt (500) entgegengewirkt. Der Druck ist dabei derart gering, dass er zu keinen Spannungen innerhalb des Dehnungsmessstreifens und/oder des Elektronikmoduls und/oder des Messobjekts führt, welche die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt bzw. zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul oder die Messgenauigkeit beinträchtigen könnten.
„Zumindest mittelbar“ heißt in diesem Zusammenhang, dass zwischen dem Fixierpad und dem Dehnungsmessstreifen und/oder dem Elektronikmodul und/oder dem Messobjekt weitere, insbesondere plattenförmige Bauteile, wie beispielsweise eine Wärmesenke, angeordnet sein können. Das Fixierpad kann auch direkt auf dem Dehnungsmessstreifen und/oder dem Elektronikmodul und/oder dem Messobjekt angeordnet sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung einer Sensoranordnung an einem Messobjekt bereitgestellt, wobei die Sensoranordnung durch ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mit dem Messobjekt verbunden worden ist.
Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten sinngemäß ebenfalls für die erfindungsgemäße Anordnung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt

1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung einer an einem Messobjekt angeordneten Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine detaillierte Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß 1,
3 eine Explosionsdarstellung von Schichten und Werkzeugen zur Verbindung eines Dehnungsmessstreifens der Sensoranordnung mit einem Elektronikmodul der Sensoranordnung mittels einer ersten Verbindungsfolie sowie das durch das Verbinden entstehende Sensorbauteil der Sensoranordnung,
4 eine Explosionsdarstellung von Schichten und Werkzeugen zur Verbindung des Dehnungsmessstreifens mit dem Messobjekt mittels einer zweiten Verbindungsfolie sowie die durch das Verbinden entstehende Anordnung,
5 einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbindung der Sensoranordnung mit dem Messobjekt nach 1 bis 4, und
6 eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der Verbindungsfolie für die Anordnung nach 1 bis 5.

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung einer an einem Messobjekt 2 angeordneten Sensoranordnung 5. Die Sensoranordnung 5 umfasst einen Dehnungsmessstreifen 1 und ein damit elektrisch verbundenes Elektronikmodul 19. Der Dehnungsmessstreifen 1 ist mittels eines in 3 in Verbindung mit 5 gezeigten Verfahrens über eine erste Verbindungsfolie 10a stoffschlüssig mit dem Elektronikmodul 19 verbunden. Ferner ist der Dehnungsmessstreifen 1 mittels eines in 4 in Verbindung mit 5 gezeigten Verfahrens über eine zweite Verbindungsfolie 10b stoffschlüssig mit dem Messobjekt 2 verbunden. In dem in 1 und 2 gezeigten Zustand sind der Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 in einem gemeinsamen Gehäuse 18 aus Vergussmaterial eingekapselt.
Der Dehnungsmessstreifen 1 ist in 2 näher dargestellt und umfasst eine dem Messobjekt 2 zugewandte Trägerschicht 1a sowie ein darauf angeordnetes, mäanderförmiges Messgitter 1b. Das Messgitter 1b ist über die erste Verbindungsfolie 10a mit dem als Vorverstärkermodul ausgebildeten Elektronikmodul 19 verbunden. Dies wird weiter unten näher erläutert. Aus dem Gehäuse 18 ist eine Verkabelung 20 herausgeführt, die das Elektronikmodul 19 mit einer - hier nicht gezeigten - Auswerteeinheit und/oder einer Spannungsquelle, wie beispielsweise die in 3 oder 4 gezeigte Batterie 15, verbindet. Wie in 2 und 3 zu sehen ist, weist der Dehnungsmessstreifen 1, insbesondere dessen Trägerschicht 1a, an einer ersten Oberfläche 4a eine der ersten Verbindungsfolie 10a zugewandte, metallisierte erste Lötschicht 13 auf und das Elektronikmodul 19 weist an einer Oberfläche 17 eine der ersten Verbindungsfolie 10a zugewandte, metallisierte zweite Lötschicht 14 auf. Eine oder beide der Lötschichten 13, 14 können auch an der ersten Verbindungsfolie 10a aufgebracht sein.
Das Messobjekt 2 ist vorliegend deutlich größer als die Sensoranordnung 5. Bei dem Messobjekt 2 kann es sich beispielsweise um eine Welle eines Motors, einer Achse oder eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug handeln. Der Dehnungsmessstreifen 1 ist dazu eingerichtet, Dehnungen und Stauchungen am Messobjekt 2 zu erfassen. Der Widerstand des Dehnungsmessstreifens 1 ändert sich mit einer am Messobjekt 2 angelegten Kraft. Er wandelt mechanische Größen wie Kraft, Druck, Zug, Gewicht, und dergleichen in eine messbare Änderung des elektrischen Widerstands um. Wenn eine externe Kraft auf das Messobjekt 2 einwirkt, bewirkt sie eine mechanische Spannung und Dehnung. Die mechanische Spannung ist der Widerstand, den das Objekt der Kraft entgegensetzt, und die Dehnung ist der Versatz und die Verformung, die aus der Kraft resultiert. Mithin ist der Dehnungsmessstreifen 1 zumindest dazu eingerichtet, dehnende und stauchende Verformungen, vorzugsweise weitere Messgrößen, des Messobjekts 2 zu erfassen.
Mittels der ersten Verbindungsfolie 10a wird eine feste, stoffschlüssige Verbindung des Dehnungsmessstreifens 1 mit dem Elektronikmodul 19 realisiert und mittels der zweiten Verbindungsfolie 10b wird eine feste, stoffschlüssige Verbindung des Dehnungsmessstreifens 1 mit dem Messobjekt 2 realisiert. Die jeweilige Verbindung überträgt Kräfte der Messgröße sowie auch Störgrößen durch thermische Ausdehnung. Die Art der Verbindung stellt dabei Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit von Messobjekt 2, Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19.
Zwei rechts außen in 1 dargestellte Kraftpfeile F verdeutlichen einen Austausch von Kräften durch Verformung, was die eigentliche Messgröße darstellt. Links daneben ist ein bidirektionaler Kraftpfeil F dargestellt, welcher einen Austausch von Kräften durch Spannungen sowie durch unterschiedliche Wärmeausdehnung verdeutlicht, was eine Störgröße darstellt. Das Messobjekt 2 kann, wie oben erwähnt, eine metallisierte Oberfläche aufweisen oder aus einem metallischen Material ausgebildet sein.
In einem ersten Verfahrensschritt 100 werden das Messobjekt 2, die Sensoranordnung 5, umfassend den Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 und die erste und zweite Verbindungsfolie 10a, 10b bereitgestellt. Die jeweilige Verbindungsfolie 10a, 10b ist eine sogenannte NanoFoil®, also eine reaktive Multischichtfolie, die durch Aufdampfen von Tausenden von abwechselnden nanoskaligen Schichten aus Aluminium 11 und Nickel 12 hergestellt wird. Eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der jeweiligen Verbindungsfolie 10a, 10b mit den Aluminium- 11 und Nickelschichten 12 ist in 6 gezeigt. Wenn die jeweilige Verbindungsfolie 10a, 10b durch einen kleinen Impuls lokaler Energie aus elektrischen, optischen oder thermischen Quellen aktiviert wird, reagiert sie exotherm, um in Bruchteilen einer Sekunde präzise lokale Hitze bis zu Temperaturen von 1500 °C zu erzeugen.
Auf den Schritt 100 folgt gemäß 5 vorliegend zunächst die Herstellung der Sensoranordnung 5. Schritt 200 folgt demnach auf Schritt 100, wobei im Schritt 200 die erste Verbindungsfolie 10a zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Elektronikmodul 19 platziert wird. Dabei berührt die erste Verbindungsfolie 10a auf einer Seite eine erste Lötschicht 13 am Dehnungsmessstreifen 1, hier an der Trägerschicht 1a des Dehnungsmessstreifens 1, und auf der anderen Seite eine zweite Lötschicht 14 am Elektronikmodul 19. Während des Verfahrensschritts 200 sind die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der ersten Verbindungsfolie 10a noch so abwechselnd nebeneinander angeordnet, wie dies durch 6 gezeigt ist. Beide Lötschichten 13, 14 umfassen Nickel. Vorliegend weisen beide Schichten 13, 14 zudem eine Goldschicht auf, wobei die Goldschicht der ersten Verbindungsfolie 10a zugewandt angeordnet ist.
Auf den Schritt 200 folgt Schritt 300, wonach die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der ersten Verbindungsfolie 10a mittels der beispielhaft in 3 gezeigten Batterie 15 aktiviert werden. Anstelle der Batterie 15 kann eine Gleichspannungsquelle genutzt werden, um die erste Verbindungsfolie 10a zu aktivieren. Die Aluminiumschichten 11 und Nickelschichten 12 der ersten Verbindungsfolie 10a reagieren daraufhin stark exotherm, sodass sich die erste Verbindungsfolie 10a derart erhitzt, dass die erste Lötschicht 13 und die zweite Lötschicht 14 schmelzen und das Elektronikmodul 19 durch die aufgeschmolzenen Lötschichten 13, 14 mit dem Dehnungsmessstreifen 1, also der Trägerschicht 1a des Dehnungsmessstreifens 1, verlötet wird. Dabei entsteht, wie rechts in 3 angedeutet, eine stabile Bond- bzw. Fügefläche 7a zwischen dem Elektronikmodul 19 und dem Dehnungsmessstreifen 1. Damit wird ein Sensorbauteil erzeugt, mittels dessen in den nachfolgenden Schritten die Sensoranordnung 5 ausgebildet wird. Der Vorteil dieser Ausbildung besteht unter anderem darin, dass aufgrund der Materialien der ersten Verbindungsfolie 10a nach dem Aktivieren der ersten Verbindungsfolie 10a eine elektrische Verbindung zwischen dem Messgitter 1b des Dehnungsmessstreifens 1 und dem Elektronikmodul 19 herstellbar ist. Anders gesagt wird die elektrische Verbindung zwischen dem Messgitter 1b des Dehnungsmessstreifens 1 und dem Elektronikmodul 19 durch die nach dem Aktivieren verbleibende Fügefläche 7a realisiert. Eine zusätzliche Verkabelung bzw. ein zusätzlicher Anschluss des Dehnungsmessstreifens 1 an das Elektronikmodul 19 ist somit nicht mehr erforderlich.
Im Anschluss an die stoffschlüssige Verbindung des Dehnungsmessstreifens 1 mit dem Elektronikmodul 19, also nach Schritt 300, wird in Schritt 400 die zweite Verbindungsfolie 10b zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1, hier der Trägerschicht 1a des Dehnungsmessstreifens 1, und dem Messobjekt 2 platziert. Dabei berührt die zweite Verbindungsfolie 10b auf einer Seite eine dritte Lötschicht 21 am Messobjekt 2 und auf der anderen Seite eine vierte Lötschicht 22 am Dehnungsmessstreifen 1, hier an der Trägerschicht 1a des Dehnungsmessstreifens 1. Während des Verfahrensschritts 400 sind die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der zweiten Verbindungsfolie 10b noch so abwechselnd nebeneinander angeordnet, wie dies durch 6 gezeigt ist. Beide Lötschichten 21, 22 umfassen Nickel. Vorliegend weisen beide Schichten 21, 22 zudem eine Goldschicht auf, wobei die Goldschicht der zweiten Verbindungsfolie 10b zugewandt angeordnet ist.
Auf den Schritt 400 folgt Schritt 500, wonach die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der zweiten Verbindungsfolie 10b mittels der beispielhaft in 4 gezeigten Batterie 15 aktiviert werden. Es kann die gleiche Batterie gemäß 3 oder eine andere Spannungsquelle verwendet werden, um die zweite Verbindungsfolie 10b zu aktivieren. Die Aluminiumschichten 11 und Nickelschichten 12 der zweiten Verbindungsfolie 10b reagieren daraufhin stark exotherm, sodass sich die zweite Verbindungsfolie 10b derart erhitzt, dass die dritte Lötschicht 21 und die vierte Lötschicht 22 schmelzen und das Messobjekt 2 durch die aufgeschmolzenen Lötschichten 21, 22 mit dem Dehnungsmessstreifen 1, also der Trägerschicht 1a des Dehnungsmessstreifens 1, verlötet wird. Dabei entsteht, wie rechts in 4 angedeutet, eine stabile Bond- bzw. Fügefläche 7b zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2.
Zur Ausbildung der Sensoranordnung 5 werden der Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 nach dem Schritt 500 in einem Schritt 600 gekapselt, wobei der Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 zum einen Messobjekt 2 sowie zum anderen von einer Vergussmasse oder einer Spritzgussmasse vollständig umgeben werden. Durch die Kapselung wird ein den Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 aufnehmendes Gehäuse 18 ausgebildet, der den Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 vor äußeren Einwirkungen schützt.
Die jeweilige Lötschicht 13, 14, 21, 22 kann ferner Kupfer, Silber, Siliciumnitrid Si₃N₄, Siliciumdioxid SiO₂, Titanwolfram TiW, Palladium oder dergleichen umfassen. Die Lötschichten 13, 14, 21, 22 können identisch, das heißt aus demselben Material ausgebildet sein.
Die Verbindungsfolien 10a, 10b sind durch Laserschneiden derart bearbeitet, dass die jeweilige Verbindungsfolie 10a, 10b eine Form und Maße annimmt, die eine vorgesehene Fügefläche 7a, 7b zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Elektronikmodul 19 bzw. zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2 sowie einen jeweiligen Aktivierungsabschnitt 8a, 8b bildet.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Aktivierungsabschnitt 8a nach 3 nicht von dem Elektronikmodul 19 verdeckt und der zweite Aktivierungsabschnitt 8b ist gemäß 4 nicht von dem Dehnungsmessstreifen 1 verdeckt. Mithin ragt der jeweilige Aktivierungsabschnitt 8a, 8b, wie im linken Teil von 3 bzw. 4 deutlich zu sehen ist, aus dem durch die Sensoranordnung 5, das Messobjekt 2 sowie die Lötschichten 21 - 26 gebildeten Stapel heraus, wenn alle Schichten aneinander liegen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2 sowie zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Elektronikmodul 19 realisiert. Die Oberflächen 4a, 4b der Trägerschicht 1a und/oder die Messobjekt-Oberfläche 6 und/oder die Oberfläche 20 des Elektronikmoduls 19 kann bzw. können eine derartige Oberflächenstruktur aufweisen, dass aufgeschmolzenes Material der Aluminiumschichten 11 und/oder der Nickelschichten 12 in Zwischenräume der jeweiligen Oberfläche eindringen und nach der Erstarrung einen Formschluss zwischen den beiden stoffschlüssig zu verbindenden Bauteilen bewirken kann. Die detektierbare Messgröße kann durch besondere Strukturen Kraftnebenschluss des Messobjekts 2 erhöht werden. Das Messobjekt 2 kann beispielsweise Vertiefungen, Rippen, Sicken oder ähnliches bilden, die Kräfte in bestimmten Raumrichtungen verstärken oder verringern.
Sowohl bei der Verbindung des Dehnungsmessstreifens 1 mit dem Elektronikmodul 19 gemäß den Schritten 200 und 300 als auch bei der Verbindung des Dehnungsmessstreifens 1 mit dem Messobjekt 2 gemäß den Schritten 400 und 500 ist ein Fixierpad 9 mit einer nachgiebigen Schicht 23 vorgesehen, die einen Druck p auf den jeweiligen Stapel ausübt. Dieser Druck ist sehr gering und wirkt senkrecht auf eine äußere Oberfläche des jeweiligen Bauteils. Der Druck dient dazu, einer Verformung der Lötschichten 13, 14, 21, 22 und der jeweiligen Verbindungsfolie 10a, 10b während des Aktivierens und Verbindens in Schritt 300 bzw. 500 entgegenzuwirken.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die hier offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Es handelt sich lediglich um beispielhafte Ausgestaltungen, wobei auch weitere Varianten möglich sind. Insbesondere kann auf die dritte Lötschicht 21 am Messobjekt 2 verzichtet werden, wenn das Messobjekt 2 aus einem lötbaren Material besteht oder eine bereits metallisierte Oberfläche aufweist. Ferner können die miteinander verbundenen Schritte 400 und 500 nach den miteinander verbundenen Schritten 200 und erfolgen.
Bezugszeichen

F: Kraft
p: Druck
1: Dehnungsmessstreifen
1a: Trägerschicht
1b: Messgitter
2: Messobjekt
4a: Erste Oberfläche des Dehnungsmessstreifens
4b: Zweite Oberfläche des Dehnungsmessstreifens
5: Sensoranordnung
6: Messobjekt-Oberfläche
7a: Erste Fügefläche
7b: Zweite Fügefläche
8a: Erster Aktivierungsabschnitt
8b: Zweiter Aktivierungsabschnitt
9: Fixierpad
10a: erste Verbindungsfolie
10b: zweite Verbindungsfolie
11: Aluminiumschicht
12: Nickelschicht
13: Erste Lötschicht
14: Zweite Lötschicht
15: Batterie
16: Aktivierungsmittel
17: Oberfläche des Elektronikmoduls
18: Gehäuse
19: Elektronikmodul
20: Verkabelung
21: Dritte Lötschicht
22: Vierte Lötschicht
23: Nachgiebige Schicht
100: Erster Verfahrensschritt
200: Zweiter Verfahrensschritt
300: Dritter Verfahrensschritt
400: Vierter Verfahrensschritt
500: Fünfter Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013002144 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Verbindung einer Sensoranordnung (20) mit einem Messobjekt (2), das Verfahren umfassend die Schritte (100) Bereitstellen - eines Messobjekts (2), - einer Sensoranordnung (20), umfassend einen Dehnungsmessstreifen (1), der zumindest dazu eingerichtet ist, dehnende und stauchende Verformungen eines Messobjekts (2) zu erfassen, sowie ein Elektronikmodul (19), - einer ersten Verbindungsfolie (1 0a) und einer zweiten Verbindungsfolie (10b), die jeweils metallische Materialien (11, 12) enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren, (200) Platzieren der ersten Verbindungsfolie (10a) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1) und dem Elektronikmodul (19), (300) Aktivieren der metallischen Materialien (11, 12) der ersten Verbindungsfolie (10a), sodass sich die erste Verbindungsfolie (10a) derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1) und dem Elektronikmodul (19) eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird, wobei nach dem Aktivieren der metallischen Materialien (11, 12) der ersten Verbindungsfolie (10a) eine elektronische Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1) und dem Elektronikmodul (19) vorliegt, (400) Platzieren der zweiten Verbindungsfolie (10b) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1) und dem Messobjekt (2), und (500) Aktivieren der metallischen Materialien (11, 12) der zweiten Verbindungsfolie (10b), sodass sich die zweite Verbindungsfolie (10b) derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1) und dem Messobjekt (2) eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Dehnungsmessstreifen (1) und das Elektronikmodul (19) in einem Schritt (600) in einem gemeinsamen Gehäuse (18) eingekapselt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Schritte (400) und (500) nach Schritt (300) erfolgen, der sich Schritt (200) anschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Schritte (400) und (500) vor Schritt (200) erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dehnungsmessstreifen (1) eine dem Messobjekt (2) zugewandte Trägerschicht (1a) sowie ein Messgitter (1b) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dehnungsmessstreifen (1) und/oder die erste Verbindungsfolie (10a) eine metallisierte erste Lötschicht (13) aufweist, die im Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1) und der ersten Verbindungsfolie (10a) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Verbindungsfolie (10a) und/oder das Elektronikmodul (19) eine metallisierte zweite Lötschicht (14) aufweist, die im Schritt (200) zwischen dem Elektronikmodul (19) und der ersten Verbindungsfolie (10a) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 7, wobei - die erste Lötschicht (13) auf dem Dehnungsmessstreifen (1) und/oder der ersten Verbindungsfolie (10a) aufgetragen wird, - die zweite Lötschicht (14) auf dem Elektronikmodul (19) und/oder der ersten Verbindungsfolie (10a) aufgetragen wird, - die erste Verbindungsfolie (10a) mit den Lötschichten (13, 14) in dem Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1) und dem Elektronikmodul (19) platziert wird, und - die metallischen Materialien (11, 12) der ersten Verbindungsfolie (10a) in dem Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die erste Verbindungsfolie (10a) derart erhitzt, dass die erste Lötschicht (13) und die zweite Lötschicht (14) schmelzen und den Dehnungsmessstreifen (1) durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht (13) und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht (14) mit dem Elektronikmodul (19) verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messobjekt (2) und/oder die zweite Verbindungsfolie (10b) eine metallisierte dritte Lötschicht (21) aufweist, die im Schritt (400) zwischen dem Messobjekt (2) und der zweiten Verbindungsfolie (10b) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Verbindungsfolie (10b) und/oder der Dehnungsmessstreifen (1) eine metallisierte vierte Lötschicht (22) aufweist, die im Schritt (400) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1) und der zweiten Verbindungsfolie (10b) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9 in Verbindung mit Anspruch 10, wobei - die dritte Lötschicht (21) auf dem Messobjekt (2) und/oder der zweiten Verbindungsfolie (10b) aufgetragen wird, - die vierte Lötschicht (22) auf dem Dehnungsmessstreifen (1) und/oder der zweiten Verbindungsfolie (10b) aufgetragen wird, - die zweite Verbindungsfolie (10b) mit den Lötschichten (21, 22) in dem Schritt (400) zwischen dem Messobjekt (2) und dem Dehnungsmessstreifen (1) platziert wird, und - die metallischen Materialien (11, 12) der zweiten Verbindungsfolie (10b) in dem Schritt (500) aktiviert werden, sodass sich die zweite Verbindungsfolie (10b) derart erhitzt, dass die dritte Lötschicht (21) und die vierte Lötschicht (22) schmelzen und das Messobjekt (2) durch die aufgeschmolzene dritte Lötschicht (21) und die aufgeschmolzene vierte Lötschicht (22) mit dem Dehnungsmessstreifen (1) verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 11, wobei mittels eines Fixierpads (9), das zumindest mittelbar auf die Sensoranordnung (20) und/oder auf das Messobjekt (2) einen Druck (p) ausübt, einer Verformung der Lötschichten (13, 14, 21, 22) und der jeweiligen Verbindungsfolie (10a, 10b) während des Aktivierens und Verbindens in Schritt (300) bzw. Schritt (500) entgegengewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die jeweilige Lötschicht (13, 14, 21, 22) aus einem Nickel umfassenden Material ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die jeweilige Lötschicht (13, 14, 21, 22) eine Nickelschicht sowie eine Goldschicht umfasst.
Anordnung einer Sensoranordnung (20) an einem Messobjekt (2), wobei die Sensoranordnung (20) durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Messobjekt (2) verbunden worden ist.