DE19636813C1

DE19636813C1 - Verfahren zur Montage von Piezoelementen auf Oberflächen

Info

Publication number: DE19636813C1
Application number: DE19636813A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Liebing; Volker Brielmann; Manfred Dr Abendroth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-09-11
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2016-09-12

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Piezoelement und einer Oberfläche.

Die bisherige Praxis zur Montage von Piezoelementen auf Oberflächen, zum Beispiel in Sensorsystemen, wie sie in der WO 95/16921 beschrieben sind, bestand im Anlöten der Piezoelemente auf metallischen Oberflächen. Bei herkömmlichen Lötverfahren von Piezoelementen werden durch die hohen Verarbeitungstemperaturen bis ca. 225°C die Piezoelemente zum Teil vorgeschädigt. Aus der Mikroelektronik ist es bekannt, elektrisch leitende Verbindungen zwischen zwei Elementen, wobei unter Elementen je beispielsweise elektronische Bauteile, integrierte Schaltkreise, Leiterplatten oder ähnliches, die an der Oberfläche der Elemente herausgeführte, zu kontaktierende Bereiche aufweisen, verstanden werden, mittels elektrisch leitender Klebstoffe herzustellen. Anwendungsbeispiele finden sich zum Beispiel in der DE 41 38 779 A1 und in dem Artikel von H. Seiffert, B. Günter und U. Löffler in Kleben & Dichten, Adhäsion, 1993, 37, S. 23-25. Diese elektrisch leitenden Klebstoffe besitzen in einem thermoplastischen oder duroplastischen Basismaterial dispergierte, elektrisch leitfähige Teilchen, die die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Kontaktbereichen des zu verbindenden Elements übernehmen. Die Kontaktbereiche werden hierbei unter Druck und Wärmeeinwirkung unter Zwischenschaltung des Klebstoffs zusammengefügt, so daß die elektrisch leitfähigen Teilchen mit den jeweiligen Kontaktbereichen kontaktieren und so einen elektrisch leitenden Pfad ergeben. In der DE-OS 38 24 140 ist ein Verfahren beschrieben, beidseitig silberbeschichtete Piezokeramikscheiben mittels eines rußgefüllten Schmelzklebstoffes auf metallischen Oberflächen zu kontaktieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verzicht auf eine Oberflächenmetallisierung, Piezoelemente mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffes, dessen elektrisch leitfähige Komponente bei thermischer Behandlung leitende Pfade ausbildet, auf metallischen Oberflächen, insbesondere auf Drehratensensoren, zu befestigen, und daß die Piezoelemente bei der thermischen Behandlung nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Montage von Piezoelementen mittels Klebstoffen auf Oberflächen.

Eine thermische Beschädigung der Piezoelemente durch hohe Temperaturen während des bislang üblichen Lötvorgangs wird daher durch Verwendung von Klebstoffen vollständig vermieden. Dadurch kann der Klebstoff im Überschuß aufgetragen werden, wobei durch den entstehenden Klebstoffwulst an den Rändern des Piezoelements eine zusätzliche Versteifung und Festigkeit der Verbindung zwischen Piezoelement und Oberfläche erreicht werden kann. Durch diese zusätzliche Versteifung und die dadurch erfolgende Seitenhaftung kann die aufwendige und kostenintensive Unterseitenmetallisierung der Piezoelemente, wie sie bei Lötverfahren nötig ist, durch eine kostengünstige mit stark reduzierten Haltungseigenschaften ersetzt werden.

Weiterhin ist eine Anhärtung und simultane, das heißt parallele Aushärtung mehrerer Piezoelemente auf einer Oberfläche möglich, wohingegen beim Löten nur eine sequentielle Anbringung möglich ist. Dies ermöglicht eine weitgehende Automatisation und Zeit- sowie Kostenersparnis des beschriebenen Montageprozesses.

Darüberhinaus wird bei Montage durch Klebstoffe die Oberfläche der Piezoelemente nicht verschmutzt, was bei Montage durch Löten aufgrund des Lötflußmittels unvermeidbar ist. Dadurch wird ein weiterer Verfahrensschritt, die Reinigung der verschmutzten Piezoelemente vorteilhafterweise eingespart.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt eine Lötverbindung, vorzugsweise Sn/Bi mit einem Schmelzpunkt von 140°C verwendet, die bei den üblichen Verarbeitungstemperaturen von 160-200°C in geschmolzenem Zustand vorliegt und so überraschend leicht leitfähige Pfade zwischen den Kontaktflächen ermöglicht.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens härtet der Leitkleber während des Anpreßvorganges aus und ermöglicht so vorteilhaft eine sofortige Weiterverarbeitung ohne zusätzliche Trocknungsschritte.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt dies im Bereich der Meßwertgeber, z. B. bei Drehratensensoren, die in diesem Fall die metallische Oberfläche darstellen, überraschenderweise zu besserem Schwingverhalten als bei gelöteten Verbindungen.

Ein zusätzlicher Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Klebeprozeß ergibt sich aus der geringen Dichte von Klebstoffen verglichen mit Lötverbindungen. Dadurch entfällt nach der Montage der Piezoelemente der aufwendige Auswuchtprozeß bei empfindlichen Meßwertgebern weitestgehend.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt als Anwendungsbeispiel den Meßwertgeber eines Drehratensensors mit montierten Piezoelementen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Montage von Piezoelementen auf Oberflächen erfolgt in erfindungsgemäßer Ausführung mittels eines vorzugsweise elektrisch leitenden Klebstoffes. Als Oberfläche dient in einer möglichen, nachfolgend beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Oberfläche eines Bechers 12 bei einem Meßwertgeber 10 eines Drehratensensors.

Der Meßwertgeber 10 hat einen Träger 11, auf den ein als schwingungsfähiger Körper dienender, oben offener Becher 12 angeordnet ist. Mit Hilfe eines am Boden des Bechers 12 ausgebildeten Fortsatzes 13 liegt der Becher 12 am Träger 11 auf und ist dort verschweißt. Der Becher 12 besteht beispielsweise aus Bronze oder einer Edelstahllegierung. Er hat eine Wanddicke von ca. 0.5 mm. Seine Oberfläche ist vergoldet, wobei die Schichtdicke ungefähr 2 bis 4 µm beträgt. Im oberen Ende des Bechers 12, das heißt im Bereich seiner Öffnung sind der Außenwand acht kleine Flächen 14 im Abstand von 45° zueinander angefast, so daß acht kleine schwingungsfähige Systeme entstehen. Diese Flächen können vergoldet sein. Ferner wird auf diesen Flächen jeweils ein Piezoelement 15 montiert. Dazu wird der elektrisch leitende Klebstoff aus beispielsweise Epoxidharz mit Lotpartikeln aus einer Zinn/Wismuth-Legierung durch Siebdruck, Schablonendruck, Dispensen oder Stempeln auf die Unterseite der Piezoelemente 15 aufgebracht. Das so mit elektrisch leitendem Klebstoff beschichtete Piezoelement 15 wird daraufhin mit definierter Kraft bei einer Temperatur von ungefähr 200°C auf die acht kleinen Flächen 14 gepreßt. Während des Anpreßvorgangs härtet der elektrisch leitende Klebstoff aus. Die nunmehr montierten Piezoelemente 15 werden mit Hilfe eines im jeweiligen Kontaktbereich angelöteten und/oder geklebten an der Becherwand angeklebten Drahts 16 aus Kupfer mit den Anschlußpins 17 verbunden, die durch Bohrungen 18 in den Träger 11 ragen. Die Bohrungen 18 sind mit Glas ausgegossen. Mit Hilfe der Pins 17 kann der Sensor 10 direkt oder indirekt mit einer elektrischen Schaltung zur Ansteuerung oder Auswertung verbunden werden. Der gesamte Sensor 10 wird durch einen nicht dargestellten Topf zur Umgebung hin abgeschlossen, der unter Vakuum auf den Träger 11 aufgeschweißt ist.

Claims

1. Verfahren zur Montage von wenigstens einem Piezoelement, welches frei von einer einer Oberflächenmetallisierung ist, auf einer Metalloberfläche, bei dem die Aufbringung über eine elektrisch anisotrop leitenden Klebstoff erfolgt, der elektrisch leitfähige Partikel in einer Harzmatrix enthält, die aus einer Sn/Bi- Legierung bestehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt der Sn-Bi-Legierung 140°C beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Klebstoff durch Siebdruck auf die Unter- und/oder Oberseite des Piezoelements (15) aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Klebstoff durch Schablonendruck oder Stempeln oder Dispensen auf die Unter und/oder Oberseite des Piezoelements (15) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mit elektrisch leitendem Klebstoff beschichtete Piezoelement (15) mit definierter Kraft und definierter Temperatur auf die metallische Oberfläche angepreßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Anpreßvorgangs der elektrisch leitende Klebstoff aushärtet.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche die Oberfläche eines Bechers (12) aus Metall oder einer Metallegierung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Piezoelemente (15) in Abständen voneinander ringförmig am Umlaufrand des Bechers (12) angebracht sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung eines Drehratensensors (10).