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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei Metalloxid-Halbleiter-Gasmessfühlern, und insbesondere
auf den Anschluß des
Messfühlerelements
an externe Endgeräte.
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Stand der Technik
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Eine
beträchtliche
Anforderung bei Metalloxid-Halbleiter-Gasmessfühlern besteht unter anderem
darin, deren Stromverbrauch zu senken und so wiederum die Kosten
der Stromversorgungsschaltung zu senken, die für den Betrieb eines Gasmessfühlers erforderlich
ist. Hierzu ist es erforderlich, unter Einsatz der Technik gedruckter
Schaltungen und der Dünnfilmtechnik
den Gasmessfühler
auf Miniaturgröße zu verkleinern
und die Wärmeleitung
der für
den Gasmessfühler
verwendeten Leitungen zu verringern. Die Leitungen sind für den größeren Teil
der vom Gasmessfühler
abgegebenen Wärme
verantwortlich. Zur Verringerung des Stromverbrauchs ist es erforderlich,
für die
Leitungen einen Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit zu verwenden und den Drahtdurchmesser
der Leitungen zu verringern.
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Ein
Anwendungsgebiet der Metalloxid-Halbleiter-Gasmessfühler, der heutzutage sehr interessant
ist, ist der Nachweis von Kohlenmonoxid (CO). In diesem Fall läßt man die
Temperatur sich zyklisch verändern.
Das Metalloxid-Halbleitermaterial des Gasmessfühlers wird auf hohe Temperaturwerte
erwärmt,
um es thermisch zu reinigen. Auf der Niedertemperaturseite verhält sich
der Ausgang des Metalloxid-Halbleiterfilms gegenüber CO selektiv. Diese Eigenschaft
wird für
den CO-Nachweis genutzt. Dies bedeutet, dass der Gasmessfühler fortlaufend
Wärmestößen bzw.
raschen Temperaturwechseln ausgesetzt ist.
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Den
Erfindern dieser Anmeldung stellten sich im Verlauf der Entwicklung
eines Gasmessfühlers
mit geringem Stromverbrauch, der sich zum Nachweis von CO eignet,
die folgenden Probleme:
- 1) Wurde für die Dickschicht-Elektrodenkontakte, an
welche Leitungen anzuschließen
sind, reines Gold verwendet, so lösten sich infolge der wiederholten
Temperaturänderungen
die Kontaktflecke vom Substrat;
- 2) setzte man für
die Dickschicht-Elektrodenkontakte Platin ein, um das vorgenannte
Problem zu beheben, ließen
sich die Leitungen nur mit Schwierigkeiten an die Kontaktflecke
anschließen;
und
- 3) der Anschluß von
Pt-W-Draht (Draht aus Pt-W-Legierung) und APM-Draht (Draht aus Au-Pd-Mo-Legierung),
die sich beide sich wegen ihres geringen Stromverbrauchs für den Anschluß von Leitungen
an die Kontaktflecke eignen, gestaltete sich schwierig, und die
Verbindungsfestigkeit von Kontaktflecken aus Platin erwies sich
als unzureichend.
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Hierzu
sollte der Stand der Technik genauer untersucht werden. In der japanischen
Offenlegungsschrift
JP
03 130654 A wird folgender Gasmessfühler beschrieben. Auf einer
Hauptfläche
eines praktisch quadratischen Substrats wird ein Metalloxid-Halbleiterfilm
angeordnet. Auf der anderen Hauptfläche des Substrats ist eine
Filmschichtheizung angebracht. Über
Durchführungen
werden Elektroden, die mit dem Metalloxid-Halbleiterfilm in Verbindung
stehen, zur Seite der Filmschichtheizung geführt, und Dickschicht-Elektrodenkontakte
aus Platin sind mit der Filmschichtheizung und dem Metalloxid-Halbleiterfilm
verbunden. Dann werden Leitungen an diese Elektrodenkontakte mittels
Thermokompressionskontaktierung angeschlossen. Im Ergebnis sind
alle Elektrodenkontakte auf der Seite der Filmschichtheizung angebracht,
und stehen beide Hauptflächen des
Substrats miteinander über
die Durchführungen in
Verbindung. Die Elektrodenkontakte bestehen jedoch aus Platin, so
dass sich Leitungen mit großem Widerstand
und geringer Wärmeleitfähigkeit,
z. B. Leitungen mit Pt-W-Draht und APM-Draht, anschließen lassen.
Damit ist die Verringerung im Stromverbrauch recht begrenzt.
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Es
ist bekannt, einen Draht zum Bonden aus Gold bei einem Halbleiter-Element
zu verwenden (
JP 56
013740 A ).
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Die
japanische Offenlegungsschrift
JP 60-209161 A beschreibt einen anderen Stand
der Technik, und zwar offenbart sie die Verwendung von Dickschicht-Platin-Elektrodenkontakten
zum Anschluß der
Zuleitungen zu einem ZrO2-Sauerstoffineßfühler; dabei sind Pt-Leitungen
mittels Thermokompressionskontaktierung oder durch Punktschweißung angeschlossen,
und sind die Schweißstellen mit
Platinpaste überzogen.
Bei dieser Anordnung läßt sich
die mangelnde Haftfestigkeit zwischen den Platinkontakten und den
Platinleitungen durch Beschichtung mit der Platinpaste verbessern.
Nach dieser Schrift ist jedoch kein Kontaktfleckenmaterial vorgesehen,
das sich sowohl durch Anhaftung am Substrat als auch die Leistungsfähigkeit
der Verbindung mit den Leitungen auszeichnet. Die Außenschicht aus
Platinpaste ist außerdem
auch dann problematisch, wenn ein Metalloxid-Halbleiter-Gasmessfühler vorgesehen
ist. Zum Einbrennen der Platinpaste ist eine Temperatur von rund
900°C erforderlich.
Diese Temperatur liegt über
der höchstmöglichen
Einbrenntemperatur (in der Regel zwischen 600 und 700°C) der Metalloxid-Halbleiter
zum Gasnachweis und beeinträchtigt
das Metalloxid-Halbleitermaterial. Darüberhinaus ist aus beiden Vorveröffentlichungen
keine Anregung dahingehend zu entnehmen, daß bei Einwirkung wiederholter
Temperaturänderungen
auf einen Gasmeßfühler die
Haltekraft zwischen den Kontaktflecken und dem Substrat ein ernstzunehmendes
Problem mit sich bringt.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Gasmeßfühler sowohl
hinsichtlich seiner Haltbarkeit beim Herunterfallen, bei Schwingungen,
usw. als auch in seiner Festigkeit gegenüber wiederholten Temperaturänderungen
zu verbessern.
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Eine
weitere Zielsetzung der Erfindung ist die Verringerung des Stromverbrauchs
des Gasmeßfühlers.
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Darüberhinaus
liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, einen leichten Anschluß der Leitungen
an den Gasmeßfühler zu
erzielen.
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Diese
Aufgaben werden durch den erfindungsgemäßen Gasmeßfühler nach Anspruch 1 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Gasmeßfühler weist danach
folgendes auf: ein wärmebeständiges Isoliersubstrat;
eine Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht, deren elektrischer Widerstand
sich je nach Anwesenheit eines Gases verändert; eine Filmschichtheizung und
eine Vielzahl von Dickfilm-Elektrodenkontakten, von
denen jeder auf dem wärmebeständigen Isoliersubstrat
vorgesehen ist; sowie Leitungen;
bei welchem die Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht, die
Filmschichtheizung und die Leitungen mit der Vielzahl von Dickfilm-Elektrodenkontakten
verbunden sind, und der sich dadurch auszeichnet, daß die Vielzahl
von Dickfilm-Elektrodenkontakten aus einer goldhaltigen Legierung
gefertigt sind.
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Bei
dem Substrat handelt es sich um ein wärmebeständiges Isoliersubstrat, das
beispielsweise aus Aluminiumoxid, Silizium oder ZrO2 besteht.
Das Substrat kann beispielsweise eine quadratische oder rechteckige
Form aufweisen. Auf dem Substrat sind eine Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht,
eine Filmschichtheizung und eine Dickfilm-Elektrode angeordnet.
Die Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht und die Filmschichtheizung
können
in Dünnfilm-
oder Dickfilmtechnik ausgeführt
sein, doch sind die Elektrodenkontakte nur in Dickfilmtechnik ausgebildet.
Der Grund hierfür
liegt darin, daß Dünnfilm-Kontaktflecken
eine unzureichende Haftkraft zwischen den Kontaktflecken und dem
Substrat bedingen; die Kontaktflecken können sich bei der Thermokompressionskontaktierung
oder beim Anschweißen
der Leitungen leicht ablösen.
Die Filmschichtdicke der Elektrodenkontakte liegt beispielsweise
zwischen 2 und 50 μm,
vorzugsweise zwischen 5 und 20 μm.
Das für die
Elektrodenkontakte verwendete Material ist eine goldhaltige Legierung
wie Au-Pt, Au-Rh und Au-Pd. Eine solche Legierung kann zur Bildung
der Elektrodenkontakte in einer einzigen Schicht verwendet werden.
Die Elektrodenkontakte lassen sich auch in zwei Schichten aufbauen,
beispielsweise aus einer unteren Schicht aus Platin und einer oberen
Schicht aus Gold. Bei solchen zweischichtigen Kontaktflecken vermischen
sich die Bestandteile der oberen und der unteren Schicht unter Bildung
einer Legierung. Ein besonders bevorzugtes Material für Elektrodenkontakte
ist eine Au-Pt-Legierung. Die Elektrodenkontakte lassen sich von
Anfang an aus dieser Legierung bilden oder sie können erst in einer unteren
Platinschicht und einer oberen Goldschicht ausgebildet werden, woraufhin
die obere und die untere Schicht unter Bildung von Kontaktflecken
aus einer Au-Pt-Legierung miteinander legiert werden.
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Vorzugsweise
werden beide Hauptflächen, die
Oberseite und die Rückseite,
des Substrats verwendet, und auf einer der Hauptflächen wird
dann eine Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht beispielsweise aus SnO2, ZnO oder InZO3 aufgebracht,
während
auf der anderen Hauptfläche
eine Filmschichtheizung, z. B. aus RuO2 oder
Pt, angeordnet wird. Anschließend werden
die Dickfilm-Elektrodenkontakte auf einer der Hauptflächen angeordnet,
und diese Hauptfläche wird
mittels Durchführungen,
usw. mit der anderen Hauptfläche
verbunden. Statt der Durchführungen kann
der Anschluß an
die andere Hauptfläche
auch beispielsweise mit Hilfe einer oder mehrerer leitfähiger Filmschichten
auf einer Kante oder Seite des Substrats erfolgen. Auf diese Weise
läßt sich
der Stromverbrauch senken und die Befestigung der Leitungen leichter
realisieren, da alle Leitungen auf einer Substratfläche vorgesehen
sind.
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Zur
Verringerung des Stromverbrauchs des Gasmeßfühlers ist es wünschenswert,
einen Draht mit großem
elektrischen Widerstand für
die Leitungen zu verwenden. Im allgemeinen besitzt ein Draht mit
großem
Widerstand eine geringe Wärmeleitfähigkeit.
Zu den in Frage kommenden Drahtarten gehören beispielsweise Pt-W-Drähte (W-Gehalt
zwischen 2 und 12 Gew.%), APM-Drähte
(Pd-Gehalt zwischen 10 und 60 Gew.%, Mo-Gehalt zwischen 1 und 10 Gew.%,
der Rest Gold), Pt-ZGS-Drähte
(Pt-ZrO2-Legierung,
in welcher ZrO2 an der Korngrenze von Platin
ausgefällt
ist), und Pt-Pd-Drähte
(Pd-Gehalt zwischen 5 und 60 Gew.%). Hierbei handelt es sich um Drähte aus
edelmetallhaltigen Legierungen, wobei Pt-W- und APM-Drähte besonders
bevorzugt werden.
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Das
Verfahren zur Verwendung des Gasmeßfühlers ist Ermessenssache. Die
vorliegende Erfindung ist jedoch besonders gut in den Fällen geeignet,
in denen eine periodische Änderung
der Temperatur des Gasmeßfühlers veranlaßt wird.
Soll sich die Temperatur des Gasmeßfühlers periodisch ändern, so
sind die Grenzflächen
zwischen den Elektrodenkontakten und dem Substrat wiederholten Wärmestößen ausgesetzt,
weshalb sich die Kontaktflecken gegebenenfalls ablösen. Zur
Lösung
dieses Problems werden bei der vorliegenden Erfindung Dickfilm-Elektrodenkontakte
aus Goldlegierung eingesetzt, um so die Haftkraft zwischen dem Substrat
und dem Kontaktflecken zu verbessern und eine Ablösung der
Kontaktflecken zu verhindern. Die Kontaktflecken aus Goldlegierung
lassen sich leicht mit Leitungen verbinden, und auch dann, wenn
ein Draht aus edelmetallhaltiger Legierung mit großem Widerstand,
der sich recht schwierig anschließen läßt, ist eine ausreichende Kontaktierungsfestigkeit
erzielbar. Durch Verwendung von Draht aus edelmetallhaltiger Legierung
sinkt der Wärmeverlust über die
Leitungen und damit wiederum nimmt der Stromverbrauch des Gasmeßfühlers ab.
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Wenn
nun die Verbindungen zwischen den Leitungen und den Dickfilm-Elektrodenkontakten
mit einer Dickfilmschicht überdeckt
sind, lassen sich durch die Aufbringung der dicken Filmschicht die
Leitungen an den Kontaktflecken sichern. Infolgedessen läßt sich
die Verbindungskraft zwischen den Leitungen und den Kontaktflecken
verbessern. Au, Au-Pt und Au-Rh sind Beispiele für gegebenenfalls geeignete
Werkstoffe für
die Dickfilmschicht. Das Dickfilmmaterial kann beispielsweise in
Form einer Paste auf die Anschlüsse
aufgebracht und anschließend
zur Verfestigung eingebrannt werden. Um die Einbrenntemperatur niedrig
zu halten und so wiederum nachteilige Einflüsse auf die Qualität des Metalloxid-Halbleiters
zu verhindern, ist es günstig,
Gold als Dickfilm-Beschichtungsmaterial zu verwenden, das sich bei
niedriger Temperatur leicht einbrennen läßt. Darüberhinaus handelt es sich bei
Gold um einen Werkstoff, der leicht eine Verbindung mit den Kontaktflecken
und den Leitungen eingehen kann, und außerdem wird Gold auch zur Verbesserung
der Festigkeit der Leitungsanschlüsse bevorzugt.
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Die
Verbindung zwischen den Leitungen und den Dickfilm-Elektrodenkontakten
wird durch Schweißen
hergestellt, beispielsweise Parallelspaltschweißen, Fixierung mittels einer
dicken Schicht Goldpaste, usw., oder auch durch Thermoultraschall-Druckkontaktierung
oder ähnlicher
Verfahren. Im Vergleich zur Thermoultraschall-Druckkontaktierung
ist beim Parallelspaltschweißen
die Verschweißungsarbeit
leichter durchzuführen.
Beim Schweißvorgang
selbst können
allerdings die Leitungen auf den Kontaktflecken nicht abgetrennt
werden, sondern hierzu ist ein anderes Verfahren notwendig. Vorzugsweise
wird für
diesen Arbeitsgang eine Schmelztechnik eingesetzt. Wenn auf zwei
Kontaktflecken auf dem Substrat eine Leitung angeschweißt wird,
bleibt zwischen den beiden Kontaktflecken ein Leitungsabschnitt
bestehen. Läßt man durch
den Leitungsabschnitt zwischen diesen Kontaktflecken zum Abschmelzen
Strom mit hoher Stromstärke
hindurchfließen,
so wird der Leitungsabschnitt infolge der dabei erzeugten Wärme schmelzflüssig. Sind
beispielsweise vier Elektrodenkontakte vorhanden, befinden sich
diese Kontaktflecke an den jeweiligen Eckpunkten. Zunächst werden
zwei Leitungen kreuzweise angeordnet. Dabei ist jede Leitung mit
zwei Kontaktflecken an zwei diagonal liegenden Ecken des Vierecks verbunden.
Danach verlaufen nach dem Abschmelzen der beiden Leitungsabschnitte
die Leitungen vom Substrat aus kreuzförmig nach außen. Die
jeweiligen Leitungen sind dabei praktisch parallel zu den entsprechenden
Diagonalen dieses Vierecks. Wenn sich die Leitungen vom Substrat
aus kreuzförmig
erstrecken, verbessert sich die Festigkeit des Gasmeßfühlers gegenüber Schwingungen
und von außen
einwirkenden Kräften
in verschiedenen Richtungen.
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Erfindungsgemäß wird für die Dickfilm-Elektrodenkontakte
des Gasmeßfühlers eine
Goldlegierung verwendet. Infolgedessen ist die Haltekraft zwischen
den Kontaktflecken und dem Substrat groß. Somit lösen sich die Kontaktflecken
auch dann nicht vom Substrat, wenn auf den Gasmeßfühler wiederholt Temperaturänderungen
einwirken. Die Kontaktflecke aus Goldlegierung sorgen für eine hohe
Festigkeit der Verbindung mit den Leitungen. Auch wenn für die Leitungen
Kontaktflecke Draht aus edelmetallhaltiger Legierung oder dergleichen
verwendet wird, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt, läßt sich die
Festigkeit der Anschlüsse
der Leitun gen auf einem hohen Wert halten. Dies bedeutet, daß sich der Stromverbrauch
des Gasmeßfühlers senken
läßt.
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Die
Verbindung zwischen den Leitungen und den Kontaktflecken kann durch
Verschweißen,
beispielsweise Parallelspaltschweißen, Thermokompressionskontaktierung
wie Thermoultraschall-Kompressionskontaktierung, oder mittels Fixierung
mit einer Schutzschicht, z. B. einer Dickfilmschicht aus Gold usw.,
realisiert werden. Vorzugsweise werden die Leitungen durch Verschweißen oder
mit Thermokompressionskontaktierung angeschlossen, woraufhin die
Anschlüsse
mit einer Schutzschicht in Dickfilmtechnik bedeckt werden. Auf diese
Weise wird die Verbindungskraft zwischen der Leitung und dem Kontaktflecken
verbessert. Als Material für
die Schutzschicht wird Gold bevorzugt, da Gold sich bei niedriger
Temperatur leicht einbrennen läßt und für eine hervorragende
Anhaftung an den Leitungen sorgt.
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Sind
die Leitungen durch Anschweißen
oder mittels einer Schutzschicht mit den Kontaktflecken verbunden,
lassen sich die Leitungsabschnitte durch Abschmelzen leicht von
den Kontaktflecken abtrennen. Sind beispielsweise vier Kontaktflecken
vorhanden und sind die Leitungen praktisch parallel zu den Diagonalen
eines die vier Kontaktflecken verbindenden Vierecks angeordnet,
so können
die Richtungen der Leitungen unterschiedlich sein. Das Substrat
wird von den vier Leitungen in einer Ebene gehalten; das Substrat
läßt sich
entgegen Schwingungen und von außen einwirkenden Kräften in
unterschiedlichen Richtungen halten. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die Leitungen
entlang den Diagonalen des Vierecks angeordnet und angeschlossen
werden, und anschließend
durch Abschmelzen getrennt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine Draufsicht auf einen wesentlichen Teil eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Gasmeßfühlers.
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2 zeigt
den wesentlichen Teil des Ausführungsbeispiels
des Gasmeßfühlers in
einer Ansicht von unten.
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3 ist
eine Unteransicht eines wesentlichen Teils des Gasmeßfühlers, bei
dem Durchführungsbereiche
modifiziert wurden.
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4 zeigt
einen Schnitt durch einen wesentlichen Teil des Ausführungsbeispiels
des Gasmeßfühlers mit
der Darstellung der Verbindung zwischen einem Kontaktflecken und
einer Leitung.
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5 zeigt
ein typisches Diagramm für
die Zusammensetzung der Legierung der Kontaktflecken bei diesem
Ausführungsbeispiel
des Gasmeßfühlers.
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6 ist
eine Seitenansicht eines wesentlichen Teils dieses Ausführungsbeispiels
des Gasmeßfühlers.
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7 stellt
die Beziehung zwischen der Art der Verbindung und dem Stromverbrauch
bei diesem Ausführungsbeispiel
des Gasmeßfühlers in
einem typischen Diagramm dar.
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8 ist
ein typisches Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen
der Art des Dickfilm-Elektrodenkontakts und der Haltbarkeit sowie
der Beziehung zwischen der Art des Kontaktflecks und der Festigkeit
der Verbindung der Leitung.
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9 zeigt
einen Schnitt durch einen wesentlichen Teil mit der Darstellung
eines Schmelzbereichs bei diesem Ausführungsbeispiel des Gasmeßfühlers.
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10 zeigt
einen Schmelzbereich der Leitungen bei diesem Ausführungsbeispiel
des Gasmeßfühlers in
Draufsicht.
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11 veranschaulicht
den Vorgang beim Abschmelzen einer Leitung bei diesem Ausführungsbeispiel
in schematischer Darstellung.
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12 ist
eine schematische Darstellung des Vorgangs beim Anschluß von Leitungen
an den Gasmeßfühler bei
diesem Ausführungsbeispiel.
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13 stellt
schematisch den Ablauf bei der Vornahme einer Modifizierung des
Gasmeßfühlers dar.
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Ausführungsbeispiel
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1 bis 13 zeigen
ein Ausführungsbeispiel
und dessen modifizierte Formen. Die jeweiligen Modifizierungen sind
mit Ausnahme der hier näher
bezeichneten bestimmten Punkte mit dem Ausführungsbeispiel iden tisch. Dabei
stellt 1 einen wesentlichen Teil des Ausführungsbeispiels
des Gasmeßfühlers dar.
Mit 2 ist das Meßfühlerteil,
und mit 4 ein wärmebeständiges Isoliersubstrat,
beispielsweise aus Aluminiumoxid, Silizium oder ZrO2,
angegeben. Die Bezugszeichen 6a bis 6d geben vier
Dickfilm-Elektrodenkontakte
an. Diese Kontaktflecke sind alle auf einer Hauptfläche 5 des
Substrats 4 angeordnet. Jeder Elektrodenkontakt besteht
aus einer Goldlegierung wie Au-Pt, Au-Rh und Au-Pd. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird eine Au-Pt-Legierung eingesetzt. Die Dicke des Elektrodenkontakts 6 beträgt beispielsweise
2 bis 50 μm,
vorzugsweise 5 bis 20 μm.
Im letztgenannten Stärkebereich
verbessert sich die Haftkraft zwischen dem Kontaktfleck und dem Substrat 4,
und diese Stärke
kann mittels eines einfachen oder zweifachen Druckvorgangs ausgebildet werden.
Der Goldgehalt des Kontaktflecks 6 beträgt, bezogen auf die vier Kontaktflecke 6,
im Mittel zwischen 5 und 95 Gew.%, vorzugsweise 20 bis 80 Gew.%;
dabei wird berücksichtigt,
daß sich
die Zusammensetzung des Kontaktflecks 6 in Richtung der Tiefe
verändern
kann. Mit 8 ist eine Filmschichtheizung angegeben, die
beispielsweise in Form einer RuO2-Filmschicht
(Filmstärke
etwa 10 μm)
oder eines Pt-Dünnfilms
vorgesehen ist. Im Falle einer RuO2-Filmschicht wird über die
gesamte Fläche durch Überstreichen
ein Isolierfilm gebildet. Die Heizelektroden 10a und 10b sind
an die Filmschichtheizung 8 angeschlossen. Die Heizelektroden 10a und 10b sind
mit den Elektrodenkontakten 6a und 6b verbunden.
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Ein
Metalloxid-Halbleiterfilm 12, beispielsweise eine SnO2-Filmschicht, ist auf der gegenüberliegenden
Hauptfläche 7 des
Substrats 4 vorgesehen. Die Filmschichtdicke beträgt beispielsweise
10 μm. Ein
Paar Elektroden 14a und 14b sind mit der Filmschicht 12 verbunden
und stehen über
die Durchführungen 16,
auf deren Innenwandungen leitfähige
Schichten vorgesehen sind, jeweils mit den Elektrodenkontakten 6c und 6c in
Verbindung. Gemäß 3 können anstelle
der Durchführungen 16 leitfähige Schichten
beispielsweise an den Kanten der Eckbereiche des Substrats 4 vorgesehen
sein. Ein solches Beispiel ist in 3 dargestellt,
wobei das Bezugszeichen 3 ein neues Meßfühlerteil bezeichnet und mit 17a und 17b neue
Elektroden angegeben sind. Die Elektroden 10 und 14 können aus demselben
Werkstoff wie die Elektrodenkontakte 6 oder einem anderen
Material bestehen. Die Filmschichtdicke der Elektroden 10 und 14 kann
die gleiche wie bei den Elektrodenkontakten 6 sein oder auch
anders als diese.
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In 1 und 2 wiederum
ist mit 20 eine Leitung aus Draht angegeben, der aus einer
edelmetallhaltigen Legierung besteht. Mit 22 ist ein Stift
als Außenanschluß angegeben,
an den eine Leitung 20 angeschweißt ist. Für die Leitungen 20 wird
ein legierter Draht mit großem
Widerstand und geringer Wärmeleitfähigkeit
verwendet, beispielsweise Pt-W und Au-Pd-Mo, wobei allerdings ein Pt-W-Draht
besonders günstig
ist, da er eine geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweist und sich leicht an die Kontaktflecke 6 anschließen läßt. Der
Drahtdurchmesser der Leitungen 20 beträgt beispielsweise 20 bis 60 μm, vorzugsweise
liegt er zwischen 30 und 50 μm.
Mit dem Bezugszeichen 24 (27?) wird eine Dickfilm-Schutzschicht
angegeben, die durch Einbrennen einer Goldpaste hergestellt wird.
Die Schutzschicht überdeckt
die Anschlüsse
zwischen den Kontaktflecken 6 und den Leitungen 20.
Die Anordnung einer solchen Schutzschicht ist nicht erforderlich,
wenn die Haltekraft zwischen den Kontaktflecken 6 und den
Leitungen 20 groß genug
ist.
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4 zeigt
die Verbindung zwischen der Leitung 20 und dem Kontaktfleck 6.
Der Kontaktfleck 6 besteht aus einer Goldlegierung, so
daß er
besser am Substrat 4 anhaftet. 4 zeigt
dabei ein Beispiel, bei welchem eine obere Schicht 26 aus
reinem Gold über
einer unteren Schicht 24 aus reinem Platin aufgebaut ist.
Wie allerdings 5 zeigt, wird die obere Schicht 24 mit
der unteren Schicht 26 legiert, während die obere Schicht 26 eingebrannt
wird. Was man tatsächlich
erhält,
ist ein Kontaktfleck aus einer Gold-/Platin-Legierung. Die Erfinder
haben beispielsweise eine untere Pt-Schicht 24 mit einer
Dicke von 7 μm
aufgedruckt und bei 850°C
eingebrannt, und danach eine 7 μm
dicke obere Goldschicht 26 aufgedruckt und ebenfalls bei
850°C eingebrannt.
Die Oberfläche
des so erhaltenen legierten Kontaktflecks wies keine Goldfarbe auf,
sondern sah silbrig weiß aus,
sie hatte also die Farbe einer Au-Pt-Legierung. Somit lassen sich
Gold und Platin leicht legieren. Was man tatsächlich erhält, ist eine Gold-/Platin-Legierung,
auch wenn zwei unterschiedlich zusammengesetzte Schichten aufgedruckt
werden. Dieser Legiervorgang beschränkt sich nicht auf die Kombination
Au-Pt, sondern funktioniert auch mit anderen Werkstoffen, beispielsweise
Au-Rh und Au-Pd.
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Die
Bezugszeichen 28 und 28 geben Schweißbereiche
an, die durch Parallelspaltschweißen gebildet werden. Stattdessen
kann die Verbindung zwischen den Leitungen 20 und den Kontaktflecken 6 auch
durch Thermokompressionskontaktierung hergestellt werden, oder die
Leitungen 20 können
mittels einer Schutzschicht 27 ohne Verschweißung oder
Thermokompressionskontaktierung an den Kontaktflecken 6 befestigt
werden. Mit 30 ist ein Abschmelzbereich auf der Leitung 20 angegeben. Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 sind
zwei Leitungen vorgesehen, von denen die eine so angeordnet wird,
daß sie
mit den Kontaktflecken 6a und 6c verbunden ist,
und dann eine Parallelspaltschweißung vorgenommen wird. Als
nächstes
wird ein Paar Schweißelektroden
nahe den Abschmelzbereichen 30 und 30 mit der
Leitung kontaktiert, woraufhin man quer zu den Kontaktflecken 6a und 6c bzw. 6b und 6d Strom
mit hoher Stromstärke
fließen
läßt. Da die Leitung
vom Substrat quer zu den Kontaktflecken abgehoben ist und es keinen
Weg gibt, über
den die Wärme
abgeführt
werden kann, wird die Leitung schmelzflüssig und bricht ab. Nun wird
auf einem Ende der Leitung ein Abschmelzbereich gebildet.
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Die
Merkmale des so gebildeten Gasmeßfühlers werden im folgenden erläutert. Das
Substrat 4 besitzt eine Stärke von 0,5 mm und eine rechteckige
Form. Gemäß 1 beträgt seine
Abmessung in Querrichtung 1 mm und seine Erstreckung in vertikaler
Richtung 0,9 mm. Die Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht 12 wurde
aus SnO2 (mit einer Filmschichtdicke von
etwa 10 μm
gebildet, und die Einbrenntemperatur nach dem Aufdrucken der SnO2-Schicht betrug 700°C. Wurden die Kontaktflecke 6 in
einer Schicht aufgebaut und von vornherein aus einer Legierung gebildet,
hatten sie eine Dicke von 7 μm.
Waren die Kontaktflecke 6 aus zwei Schichten aufgebaut,
und zwar die untere aus Platin und die obere aus Gold, und wurden
die beiden Schichten miteinander legiert, betrug die Dicke der Platinschicht
7 μm und
die der Goldschicht ebenfalls 7 μm,
so daß die Gesamtstärke des
Kontaktflecks 6 14 μm
betrug. Für die
Leitungen 20 wurde Platindraht (Drahtdurchmesser 40 μm), Pt-ZGS-Draht
(Drahtdurchmesser 50 μm; mit
an den Korngrenzen von Pt ausgeschiedenem ZrO2;
ZrO2- Gehalt
etwa 0,06 Gew.%), APM-Draht (Drahtdurchmesser 40 μm; Goldgehalt
55 Gew.%, Pd-Gehalt 40 Gew.%, Mo-Gehalt 5 Gew.%), Pt-W-Draht (Drahtdurchmesser
40 μm; Pt-Gehalt
92 Gew.%, W-Anteil 8 Gew.%) verwendet. Diese Drahtmaterialien wurden
von Tanaka Kikinzoku Kogyo hergestellt. Die Drähte wurden mit den Kontaktflecken 6 unter
den folgenden Bedingungen (Parallelspaltschweißen) verschweißt: Schweißspannung
5 V, Dauer des Schweißstromdurchgangs
11 msec. Das Material der Schutzschicht 27 war Goldpaste.
Diese Paste wurde aufgetragen und bei 700°C eingebrannt.
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Was
die Einsatzbedingungen für
den Meßfühler angeht,
so dauerte der Temperaturwechsel 30 Sekunden. 10 Sekunden
dieses Zeitraums entfielen auf den Hochtemperaturbereich, und die übrigen 20 Sekunden
lagen im niedrigen Temperaturbereich. Die maximale Temperatur im
Hochtemperaturbereich betrug etwa 400°C, und die Endtemperatur im
niedrigen Temperaturbereich lag in etwa bei Raumtemperatur. Das
Ausgangssignal des Meßfühlers wurde
abgegriffen, beispielsweise unmittelbar vor dem Ende des Niedertemperaturbereichs.
Der Meßfühler war dieser
zyklischen Wiederholung von Temperaturänderungen über die Dauer eines Jahres
ausgesetzt. Zur Messung der Haftkraft der Leitungen 20 gemäß 6 wird
das Meßfühlerteil 2 an
Stifte 22 angeschlossen, woraufhin das Meßfühlerteil 2 mittels
einer speziellen Vorrichtung nach oben gezogen wird. Die Haftfestigkeit
der Leitung 20 wird durch die Stärke an dem Punkt ausgedrückt, an
dem sich die Leitung 20 löst. Die Stellen, an denen sich
die Leitung 20 löst,
waren in den meisten Fällen
die Verbindungen zwischen dem Kontaktfleck 6 und der Leitung 20.
In 6 ist mit 32 ein Trägerteil angegeben.
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7 veranschaulicht
die Veränderung
des Stromverbrauchs (mittlerer Stromverbrauch für einen Zeitraum) in Abhängigkeit
von der Art der Zuleitungen 20. Der Stromverbrauch nimmt
vom Pt-Draht zu einem Pt-W-Draht
hin ab. Drähte
aus Pt-W und APM werden bevorzugt, ganz besonders Pt-W-Draht.
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8 zeigt
die Haltbarkeit der Kontaktflecke 6 bei zyklischen Temperaturänderungen
und die Haftkraft der Leitungen 20. Die Haltbarkeit der Kontaktflecke 60 wird
durch ihre Beständigkeit
gegenüber
der Anzahl von Erwärmungszyklen
zwischen etwa 400°C
und ca. Raumtemperatur innerhalb des vorgenannten Zeitraums von
30 Sekunden angezeigt. Dieser Wert für die Haltbarkeit wird über fünf Meßfühler gemittelt.
Bei Kontaktflecken aus reinem Gold lösten sich die Kontaktflecke 6 nach
durchschnittlich 6620 Zyklen vom Substrat 4, was, in Betriebsstunden
des Meßfühlers ausgedrückt, nur
etwa 55 Stunden entspricht. Die Kontaktflecken aus Pt und Au dagegen
(in zwei Ausführungen:
Filmschicht aus Au-Pt-Legierung, 7 μm stark; und eine Goldschicht von
7 μm Dicke, über einer
7 μm starken
Platinschicht gebildet und anschließend mit dieser legiert) überstanden
die Dauerprüfung
mit Erfolg über
ein Jahr lang, ohne daß sich
ein Kontaktfleck löste.
Diese einjährige
Dauerprüfung
entspricht 1.050.000 zyklischen Temperaturänderungen.
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Zur
Bestimmung der Verbindungsfestigkeit (Gesamtfestigkeit der vier
Leitungen) bei Pt-W-Draht und APM-Draht wurde die Art der Kontaktflecke 6 verändert. Bei
Pt-Kontaktflecken betrug die Verbindungsfestigkeit etwa 10 g ohne
Schutzschichten 27 und rund 40 g mit den Schutzschichten 27.
Bei Kontaktflecken aus Gold und bei legierten Kontaktflecken, beispielsweise
aus Gold-/Platin-Legierung, betrug dagegen die Verbindungsfestigkeit
etwa 20 g ohne die Schutzschichten und rund 80 g mit den Schutzschichten.
Dies belegt, daß die
Platin-Kontaktflecken ungenügend
fest mit den Leitungen verbunden waren und die Kontaktflecken 6 aus
Gold-/Platin-Legierung eine hervorragende Anhaftung am Substrat 4 und
eine erhöhte
Verbindungsfestigkeit an den Leitungen 20 aufwiesen. Wie
sich aus 8 deutlich ergibt, besitzt der
Pt-W-Draht eine höhere Festigkeit
in seiner Verbindung mit den Kontaktflecken 6 als der APM-Draht.
Die Erfinder stellten zusätzlich
zu den Platin-/Gold-Schichten auch zweischichtige Kontaktflecken
her, beispielsweise aus Rh-Au und Pd-Au. In allen Fällen bestand
die obere Schicht aus Gold und die untere Schicht aus Rh, Pd, usw.
Die Stärke
der oberen wie auch der unteren Schicht betrug 7 μm. In allen
diesen Fällen
wurde das Gold mit Rh oder Pd legiert, wobei die sich ergebende
Verbindungsfestigkeit bei Pt-W-Draht rund 20 g betrug (ohne die
Schutzschichten 27).
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Aus
den vorstehenden Erläuterungen
ergibt sich deutlich folgendes:
- 1) Durch Verwendung
von Drähten
aus edelmetallhaltiger Legierung, z. B. Pt-W und APM, sinkt der
Stromverbrauch des Gasmeßfühlers.
- 2) Die Verwendung von Kontaktflecken aus Goldlegierung verbessert
die Beständigkeit
des Gasmeßfühler bei
Temperaturänderungen
und gewährleistet
eine hohe Festigkeit der Verbindung zwischen den Leitungen und den
Kontaktflecken.
- 3) Zur weiteren Verbesserung der Verbindungsfestigkeit der Leitungen
ist es günstig,
nach dem Anschließen
der Leitungen 20 an die Kontaktflecken 6 durch
Parallelspaltschweißen,
Thermoultraschall-Druckkontaktierung, usw. Schutzschichten 27 aufzubringen.
Gold wird als Material für
die Schutzschichten 27 bevorzugt; es läßt sich bei niedrigen Temperaturen
einbrennen und führt nicht
zu einer Beschädigung
der Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht 12 und
läßt sich
darüberhinaus leicht
mit den Kontaktflecken 6 und den Leitungen 20 verbinden.
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Abschmelzung
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9 bis 12 zeigen
im einzelnen den Abschmelzvorgang. Dabei sind in 9 und 10 Abschmelzbereiche 30 der
Leitung 20 zu erkennen. Gemäß 10 weist
der Abschmelzbereich 30 eine andere Form auf als der Bereich,
der beim Abtrennen der Leitung 20 mittels anderer Verfahren
entsteht. Der Abschmelzbereich 30 ist typischerweise rund. Beispielsweise
gibt das Bezugszeichen 36 in 10 die
Form des oberen Endes einer Leitung 20 an, wenn diese mit
einem Werkzeug mit Schneide abgetrennt wird. Das Bezugszeichen 38 zeigt
dagegen die Form des oberen Endes einer Leitung 20 bei
Belastung und Abriß.
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11 veranschaulicht
den Abschmelzvorgang. Beispielsweise wird eine Leitung 20 durch
Parallelspaltschweißen
auf die Kontaktflecken 6 aufgeschweißt. Nun wird ein Paar Elektroden 40 und 40 angeordnet
und man läßt einen
Abschmelzstrom i durchfließen.
Die Leitung 20 ist quer zu den Kontaktflecken 6a und 6c vom
Substrat 4 abgelöst,
und auch wenn die Leitung 20 mit der Filmschichtheizung 8 in Kontakt
steht, fließt
der Abschmelzstrom durch die Leitung 20, da die Oberfläche der
Filmschichtheizung 8 durch Überstreichen isoliert ist.
Die dabei erzeugte Wärme
läßt die Leitung 20 schmelzflüssig werden und
brechen. 12 zeigt ein Verfahren zum Anschließen von
Leitungen 20 bei diesem Ausführungsbeispiel. Dabei zeigt
die Teilfigur 12 (1) einen Metallrahmen, an
dem Leitungen 20 durch Anschweißen oder dgl. befestigt sind.
Als nächstes
werden Meßfühlerteile 2 relativ
zum Rahmen 50 mittels einer geeigneten Vorrichtung ausgerichtet.
Der sich dabei ergebende Zustand ist in der Teilfigur 12 (2)
dargestellt. Anschließend
werden die Leitungen 20 an die Kontaktflecke 6a bis 6d angeschweißt, beispielsweise
durch Parallelspaltschweißen.
Danach werden die Leitungen 20 abgeschmolzen (Teilfigur 12 (3)).
Danach wird Goldpaste aufgetragen und zur Bildung der Schutzschichten 27 zusammen
mit dem gesamten Rahmen 50 erwärmt. Als nächstes werden die Trägerteile 32 der
Gasmeßfühler ausgerichtet
und die Leitungen 20 an die Stifte 22 angeschweißt. Im allgemeinen
ist es schwierig, Leitungen 20 auf die Elektrodenkontakte 6 aufzuschweißen und gleichzeitig
die Leitungen 20 abzutrennen. Es ist jedoch möglich, die
Leitungen 20 an die Stifte 22 anzuschweißen und
sie gleichzeitig abzutrennen. Vorzugsweise werden die Leitungen 20 an
die Stifte 22 angeschweißt und gleichzeitig werden
die Leitungen 20 abgetrennt (Teilfigur 12 (4)).
Auf diese Weise werden die Trägerteile 32 vom
Rahmen 50 unabhängig,
und damit ist die Montage der Meßfühlerteile 2 auf den
Stiften 22 abgeschlossen. Wie in der Teilfigur 12 (4)
deutlich zu erkennen ist, verändern
die vier Leitungsdrähte
ihre Richtung um etwa 90 Grad und verlaufen praktisch parallel zu
den Diagonalen des Vierecks, das die vier Kontaktflecke 6 umfaßt (wobei
die Winkelabweichung jedes Leitungsdrahts gegenüber der Diagonalen innerhalb
eines Bereichs von ±15
Grad liegt). Infolgedessen sind die Meßfühlerteile 2 gegenüber Kräften, die
sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung (in 12)
wirksam sind, widerstandsfähig,
und damit verbessert sich die Festigkeit, mit der die Meßfühlerteile 2 angebracht
sind, noch weiter.
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13 zeigt
eine zweite modifizierte Form des Gasmeßfühlers. In dieser schematischen
Darstellung sind mit 70 neue Meßfühlerteile angegeben, ist 72 ein
Leiterrahmen und 74 eine von dessen Leitungen. Der Leiterrahmen 72 besteht
aus einer Legierung aus unedlen Metallen, beispielsweise SUS316
und Eisen-Chrom-Aluminium. Die Querschnittsfläche der Leitung 74 beträgt beispielsweise 20
bis 50 μm2. Bei dem Meßfühlerteil 70 ist ein
Paar Metalloxid-Halbleiter-Filmschichten 76 und 78 auf der Rückseite
des Substrats 4 vorgesehen. Beispielsweise wird die Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht 76,
die näher
bei der Filmschichtheizung 8 liegt, als Metalloxid-Halbleiter-Film
für den
Nachweis von Methan verwendet und die Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht 78,
die von der Filmschichtheizung entfernt ist, dient für den Nachweis
von Kohlenmonoxid. Der Kontaktfleck 6b ist mittels einer
Durchführung 16 sowohl
an die Oberseite wie auch an die Rückseite des Substrats angeschlossen
und dient als gemeinsamer Kontakt für die beiden Metalloxid-Halbleiter-Filmschichten 76 und 78.
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Eine
modifizierte Ausführungsform
gemäß 13 ist
dem Aufbau des Gasmeßfühlers aus 1 ähnlich,
allerdings mit dem Unterschied, daß als Leitungen Winkelleitungen 74 aus
unedlem Metall verwendet werden und das Meßfühlerteil 70 ein Paar Metalloxid-Halbleiter-Filmschichten 76 und 78 aufweist.
Beispielsweise bestehen die Kontaktflecken 6 alle aus Goldlegierung.
Diese Kontaktflecken weisen gegenüber dem Substrat 4 eine
hohe Haftkraft und gegenüber
den Leitungen 74 eine hohe Verbindungsfestigkeit auf. Darüberhinaus
sind bei dieser modifizierten Ausführungsform die Meßfühlerteile 70 relativ zum
Rahmen 72 ausgerichtet, und sind die Leitungen 74 an
vier Punkten an die Elektrodenkontakte 6a bis 6d angeschweißt, wobei
die redundanten Bereiche abgeschmolzen und entfernt werden. Anschließend werden
die Leitungen 74 auf Stifte 22 aufgeschweißt und die
Leitungen 74 gleichzeitig abgetrennt.