DE2620500A1 - Verfahren zur herstellung eines wandlers - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines wandlers

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DE2620500A1
DE2620500A1 DE19762620500 DE2620500A DE2620500A1 DE 2620500 A1 DE2620500 A1 DE 2620500A1 DE 19762620500 DE19762620500 DE 19762620500 DE 2620500 A DE2620500 A DE 2620500A DE 2620500 A1 DE2620500 A1 DE 2620500A1
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Teruyuki Endo
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TDK Micronas GmbH
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Deutsche ITT Industries GmbH
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    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
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Description

Deutsche ITT Industries GmbH T. Endo 1
Hans-Bunte-Str. 19, 7800 Freiburg Dr.Rl/sp
5. Mai 1976
DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG
FREIBURG I. BR.
Verfahren zur Herstellung eines Wandlers
Die Priorität der Anmeldung Nr. 577 412 vom 14. 5. 1975 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht.
Die Erfindung betrifft die Technik der Wandlerherstellung und insbesondere ein Verfahren zum Bonden von Dehnmeßstreifen auf entgegengesetzten Seiten eines federartigen Freiträgers mit dem Ziel, die Bewegung des Freiträgers über eine Wheatstone-Brücke oder eine andere Vorrichtung, an die die Dehnmeßstreifen angeschlossen sind, in ein elektrisches Signal zu verwandeln.
Die vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit einer Reihe von Anordnungen nach dem Stand der Technik verwendet werden, die z. B. in den Patentanmeldungen P 20 52 170 und P 22 02 838 entha.1ten sind.
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T. Endo 1
Durch das Zerbrechen von Glasbondungen und die Abweichungen der Widerstände der Dehnmeßstreifen lag in der Vergangenheit die Ausbeute an Wandlern niedrig, nämlich bei 65 %.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch das einmal die Produktion und zum anderen auch die Ausbeute gesteigert wird. Die Aufgabe wird durch die im Anspruch angegebene Erfindung gelöst.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich anhand der Beschreibung der beigefügten Zeichnung besser erkennen.
In der Zeichnung stellen dar:
Fig. 1 die Seitenansicht eines Wandlersystems,
Fig. 2 eine Teilansicht des Grundrisses des Wandlers nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Ausschnitt der Seitenansicht einer Baugruppe eines Wandlers nach dem Stand der Technik,
Fig. 4 einen Ausschnitt der Seitenansicht einer anderen Baugruppe eines Wandlers nach dem Stand der Technik,
Fig. 5 einen Ausschnitt aus der Seitenansicht eines Wandlers nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 den Grundriß der Baugruppe nach Fig. 5,
Fig. 7 den Längsschnitt durch die Baugruppe entlang der Linie 7-7 in Fig. 6,
Fig. 8 einen Ausschnitt aus der Ansicht der Baugruppe eines Wandlers nach der vorliegenden Erfindung und
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T-. Endo 1
Fig. 9 einen Ausschnitt aus der perspektivischen Ansicht einer anderen Baugruppe des Gerätes, das der praktischen Anwendung des vorliegenden Verfahrens dient.
In den Fig. 1 und 2 ist der Freiträger 10 zu sehen, der an seinem rechten Ende in den Haltern 11 und 11' fixiert ist. Der Dehnmeßstreifen 12 ist an den Freiträger 10 mittels der Glasschicht 13 gebondet, der Dehnmeßstreifen 14 ist auf der entgegengesetzten Seite des Freiträgers 10 durch die Glasschicht 15 gebondet. Die Dehnmeßstreifen 12 und 14 sind vorzugsweise identisch, sie müssen es jedoch nicht sein. Die Glasschichten 13 und 15 entsprechen einander.
Obgleich die hierin genannten Materialien, Temperaturen und Spannungen nicht kritisch sind, beträgt die Stärke der Glasschichten 13 und 15 vorzugsweise 25,4 * 10 mm.
Vorzugsweise besteht der Freiträger 10 aus einer Nickel-Stahl-Legierung mit einem Gehalt von 35 bis 45 Gewichtsprozent Nickel. Die Dehnmeßstreifen 12 und 14 sind vorzugsweise aus monokristallinem Silicium und die Glasschichten 13 und 15 vorzugsweise aus Corning 7740 "Pyrex"-Glas.
Die Anordnung nach dem Stand der Technik, wie sie sich in Fig. 3 darstellt, enthält die Glasschichten 100 und 101, die auf den entgegengesetzten Seiten des Freiträgers 102 zwischen den Hilfsgläsern 103 und 104 durch die Federelektroden 105 und 106 gehalten werden.
Der negative Pol einer Gleichstromquelle oder Batterie 107 ist mit den Federelektroden 105 und 106 verbunden. Die Federelektrode 108, die in elektrischem Kontakt mit dem Freiträger 102 liegt
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T. Endo 1
und auf ihn einen Druck ausübt, ist mit dem positiven Pol in Verbindung.
Die Batterie 107 liefert vorzugsweise eine Potentialdifferenz von 150 bis 1000 V. Diese Potentialdifferenz liegt an, während die Temperatur des Freiträgers 102, der Schichten 100, 101 und der Hilfsgläser 103 und 104 vornehmlich zwischen 315 und 427 0C liegt.
Die Potentialdifferenz wird mindestens für die Zeit angelegt, während der die Teile den genannten Temperaturbereich.erreicht haben. Beim Anlegen der Potentialdifferenz steigt der Strom aus der Batterie 107 auf einen Spitzenwert von ca. 5 μΑ. Er fällt dann exponentiell mit der Zeit auf 0,5 μΑ ab. Dies dauer ca. 5 min. Nach Abfallen des Spitzenwertes auf ca. 60 % desselben ist die Bondung zwischen dem Freiträger 102 und den Schichten 100 und fertig, so daß diese Bauteile abgekühlt und die Batterie 107 entfernt werden kann.
Wie in der in Fig. 4 gezeigten Anordnung nach dem Stand der Technik zu sehen ist, werden die Dehnmeßstreifen 109 und 110 leicht gegen die Schichten 100 und 101 gepreßt und durch die Baterien und 112 ihnen gegenüber positiv gehalten. Die nun folgenden Schritte sind genau dieselben wie die beim Bonden der Schichten 100 und 101 an den Freiträger 102. D. h., die Temperatur der Bauteile 100, 101, 102, 109 und 110 wird auf 315 bis 427 0C gesteigert. Sobald der von den Batterien 111 und 112 gelieferte Strom das Maximum überschritten hat und auf 60 % abgefallen ist, ist der Prozeß vorbei und man kann die Teile abkühlen lassen und die Batterien und 112 abhängen. Der Spitzenwert der Stromstärke beim Bonden von Glas und Freiträger liegt im allgemeinen zwischen 10 und 15 μΑ (Gesamtstrom von den beiden Batterien 111 und 112).
Der Prozeß zur Erreichung einer doppelten Bondung (Fig. 3 oder Fig. 4) dauert ca. 20 min oder mehr.
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Etwas vom Stand der Technik, der das Bonden von Metallen an Glas beschreibt, ist in den US-Patentschriften 3 397 278 und 3 417 459 enthalten. Der darin beschriebene Stand der Technik läßt sich bei der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung verwenden. SO .sind z. B. Oberflächenfinish und Ebenheit wichtig. Die in den besagten Patenten hierüber gemachten Aussagen können bei der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Ferner sollte das Glas wenigstens, so stark sein, daß es einem Spahnungsdurchbruch oder der Ausbildung eines Lichtbogens widersteht, wenn die Spannungen der Batterien 107, 111 und 112 angelegt werden.
Eine Ausbildungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung wird in den Fig. 5,6, 7 und 8 gezeigt. In diesen Figuren befinden sich die Glasschichten 22 und 22', die eine Stärke von 25,4 μ besitzen, auf den entgegengesetzten Seiten des Freiträgers 20, sind jedoch daran noch nicht gebondet. Die rechteckigen hohlen 9 · 25,4 μ starken Hilfsgläser 23 und 24 sitzen auf den Schichten 22 und 22' mit den entsprechenden Dehnmeßstreifen 21 und 21·.
Die Gläser 23 und 24 sind an nichts gebondet, sie dienen aber als HilfsStrukturen zur Verhinderung eines Spannungsdurchbruches der Schichten 22 und 22' und ferner dazu, das elektrische Feld über die Schichten zu verteilen.
Während die Anordnung nach Fig. 8 sich in einem Ofen befindet, wird der Dehnmeßstreifen 21 an der Schicht 22 gebondet, die Schichten 22 und 22· werden an dem Freiträger 20 gebondet und der Dehnmeßstreifen 21' wird an der Schicht 22" gebondet. Dies geschieht alles gleichzeitig, ohne daß die Anordnung aus dem Ofen herausgenommen wird, bis alle vier Bondungen fertig sind.
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In der Fig. 8 sind die Federelektroden 29, 30, 29', 30' und 31, die eine geringe Federkraft aufweisen, jeweils an den Dehnmeßstreifen 21, das Hilfsglas 23, den Dehnmeßstreifen 21', das Hilfsgals 24 und den Freiträger 20 angeschlossen.
Die Elektroden 29 und 30 sind an den positiven bzw. negativen Pol der Batterie 40, die Elektroden 29' und 3O1 an den positiven bzw. negativen Pol der Batterie 41 angeschlossen.
Die Elektroden 30 und 30' sind an die negativen Pole der drei Batterien 40, 41 und 42 angeschlossen.
Gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird das oben beschriebene gleichzeitige Bonden durch Verändern der Temperatur aller in Fig. 8 gezeigten Strukturen, sobald sie sich in dem Ofen befinden, bewirkt. Die Ausgangsspannungen der drei Batterien 40, 41 und 42 werden ebenfalls verändert (sie besitzen stets die gleichen Ausgangsspannungen), und zwar entsprechend der folgenden Zahlen der einzelnen Stufen.
Stufe Temperaturbereich
0C		 Spannungsbereich
Volt		 Status der
Stromquellen
1 kontinuier1.verändert
20 - 258		 200 - 400 *
2 248 - 268 4OO - 600 *
3 307 - 327 700 - 900 *
4 309 - 329 950 - 1000 *
5 314 - 334 0 **
6 250 - 270 500 - 700 **
7 290 - 310 950 - 1000 **
8 318 - 338 Luftkühlung (0) **
* = Batterie 40 oder Batterie 41 oder beide angeschlossen, Batterie 42 nicht angeschlossen
** = Batterie 42 angeschlossen, Batterien 40 und 41 nicht angeschlossen
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T. Endo
Bevorzugte Temperaturen und Spannungen:
Stufe Temperatur
0C		 Spannung
Volt		 500 Status der
Stromquellen
1 kontinuier1.verändert
20 - 258 300		 800 *
2 258 975 *
3 317 "o *
4 319 600 *
5 324 975 ■ **
6 260 Luftkühlung (0) **
7 300 **
8 328 **
Die bevorzugten Stromstärkenbereiche und bevorzugten Werte für die Schritte 3, 4 und 7 sind folgende:
Stromstärkenbereich - μΑ Stufe bevorzugte Stromstärke - μΑ
3 0,8 - 1,2
(1,0)
4 · 1,6-2,4
(2,0)
7 4,8 - 7,2
(6,0)
Eine andere Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung zeigt die Fig. 9, wobei der Freiträger 200, die Glasschicht 201 und der Dehnmeßstreifen 202 mit dem Freiträger 20, der Glasschicht und dem Dehnmeßstreifen 21 in den Fig. 5 bis 8 jeweils identisch sein können. Lediglich eine neue Hilfsglasschicht 203 tritt an die Stelle der bisherigen Glasschicht
609848/0973 - 8 -
T. Endo
Der Stand der Technik oder Teile hiervon, wie er in den folgenden Patenten offenbart wird, läßt sich in Verbindung mit der Herstellung von allen und/oder Bonden von allen oder einigen Teilen der in Fig. 8 gezeigten Strukturen verwenden. Es handelt sich um folgende US-Patente:
3 713 068 (P 20 52 170) 3 775 839 3 803 706 3 805 377
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Widerstände der Dehnmeßstreifen 21 und 21' nach dem Bonden nahezu gleich. Dies sichert die genauen und übereinstimmenden Ausgänge der Dehnmeßstreifen, die für eine bessere Wandlerfunktion erforderlich sind.
Charakteristische Dehnmeßstreifenwiderstände sind:
Minimum Maximum
Vor dem Bonden 480 0hm 560 0hm Nach dem Bonden 430 Ohm 530 0hm
Ein Paar übereinstimmender Dehnmeßstreifen differiert jedoch charakteristischerweise von 0 bis 3 0hm oder zumindest nicht mehr als um 30 0hm.
Die Bondungen nach der vorliegenden Erfindung bleiben auch nach einer großen Zahl von Abbiegungen des Freiträgers 20 noch intakt.
7 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnung mit 9 Figuren
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Claims (7)

  1. T. Endo 1
    PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zur.Herstellung eines Wandlers, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: Andrücken einer Glasschicht gegen einen Metallträger mit einem Hilfsglas, Andrücken eines Dehnmeßstreifens gegen die Glasschicht, Verbinden des Hilfs-.glases mit einem ersten negativen Pol einer ersten Gleichstromquelle, Verbinden des Dehnmeßstreifens mit dem positiven Pol der ersten Quelle, Verbinden des einen Endes einer freien ersten Leitung mit dem Hilfsglas, Verbinden des einen Endes einer anderen freien zweiten Leitung mit dem Freiträger, Aufheizen der Anordnung, bestehend aus der Glasschicht, dem Hilfsglas, dem Dehnmeßstreifen und dem Freiträger, während eine Spannung aus der ersten Quelle an dem Bauteil liegt, bis eine Bondung zwischen dem Dehnmeßstreifen und der Glasschicht erzielt ist, Abschalten von wenigstens einem des ersten und zweiten Poles, Verbinden der ersten und zweiten Leitung mit drittem negativen und viertem positiven Pol einer zweiten Gleichstromquelle, Aufheizen der Anordnung bei angeschlossener zweiter Stromquelle, bis eine Bondung zwischen der Schicht und dem Freiträger erzielt ist, wobei die Anordnung in dem gleichen Ofen gehalten wird von dem Zeitpunkt an, an dem der erste Aufheizschritt durchgeführt wird, bis die Schicht an dem Freiträger gebondet ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung in dem gleichen Ofen gehalten wird von dem Zeitpunkt an, an dem der erste Aufheizschritt durchgeführt wird, bis die Schichten an dem Freiträger gebondet sind.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in dem Ofen und die Spannungen der Stromquellen angenähert den nachstehend genannten aufeinanderfolgenden Schritten variiert werden:
    609848/0973
    - 10 -
    T. Endo 1
    _. - Temperaturbereich Spannungsbereich Status der
    ^C Volt Stromquellen
    1 kontinuierl.verändert
    20 - 258 200 - 400 *
    400 - 600 *
    700 - 900 *
    950 - 1000 *
    0 **
    " 500 - 700 **
    950 - 1000 **
    Luftkühlung (0) **
    * = Erste Stromquelle angeschlossen, zweite Stromquelle nicht angeschlossen
    ** = Zweite Stromquelle angeschlossen, erste Stromquelle nicht angeschlossen.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen und Spannungen angenähert den nachstehend genannten aufeinanderfolgenden Schritten verändert werden:
    2 248 - 268 3 307 - 327 4 309 - 329 5 314 - 334 6 250 - 270 7 290 - 310 8 318 - 338
    Stufe Temperatur
    0C     Spannung
    Volt     500 (0) Status der
    Stromquellen         1 kontinuierl.verändert
    20 - 258 3OO     800 *     2 258 975 * 3 317 0 * 4 319 600 * 5 324 975 ** 6 260 Luftkühlung ** 7 300 ** 8 328 **
    609848/0973
    T.. Endo 1
  5. 5. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: Andrücken einer ersten und zweiten Glasschicht gegen entgegengesetzte Seiten eines metallenen Freiträgers mit ersten und zweiten Stücken von Hilfsgläsern, Andrücken von ersten und zweiten Dehnmeßstreifen gegen die erste und zweite Glasschicht, Verbinden des ersten und zweiten Hilfsglases mit den negativen Polen einer ersten und zweiten Gleichstromquelle, Verbinden des ersten und zweiten Dehnmeßstreifens mit den positiven Polen der ersten und zweiten Stromquelle, Verbinden der freien Enden von ersten und zweiten Leitungen mit dem ersten und zweiten Hilfsglas, Vorbinden des Endes einer dritten und vierten Leitung mit dem Freiträger, Aufheizen der Anordnung, bestehend aus den Schichten, den Hilfsgläsern, den Dehnmeßstreifen und dem Freiträger, in einem Ofen, während die Spannungen der ersten und zweiten Stromquelle an den Bauteilen liegen, bis eine Bondung zwischen den ersten und zweiten Dehnmeßstreifen und den ersten und zweiten Schichten erzielt ist, Lösen wenigstens eines Poles der ersten und zweiten Stromquelle, Verbinden der ersten und zweiten Leitung mit dem negativen Pol einer dritten Gleichstromquelle, während die Anordnung in dem Ofen verbleibt, Verbinden der zweiten und dritten Leitung mit dem positiven Pol der dritten Stromquelle, während die Anordnung in dem Ofen verbleibt, Aufheizen der Anordnung, während die dritte Stromquelle angeschlossen ist, wie zuvor, bis eine Bondung zwischen der ersten und zweiten Schicht und dem Freiträger erzielt ist, wobei die Anordnung in dem Ofen verbleibt von dem Zeitpunkt an, an dem der Aufheizschritt durchgeführt wird, bis die Schichten an dem Freiträger gebondet sind.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in dem Ofen und die Spannungen der Stromquellen entsprechend den nachstehend genannten aufeinanderfolgenden Schritten variiert werden:
    984870973
    T. Endo 1
    r; Temperaturbereich Spannungsbereich Status der
    °C Volt Stromquellen
    1 kontinuierl.
    20 - 258     - -268 verändert
    200 -     400 *     2 248 - 327 400 - 600 * 3 307 - 329 700 - 900 * 4 309 - 334 950 - 1000 * 5 314 - 270 0 ** 6 250 - 310 5.00 - 700 ** 7 290 - 338 950 - 1000 ** 8 318 Luftkühlung (0) **
    * = Erste und zweite Stromquelle angeschlossen, dritte Stromquelle nicht angeschlossen
    ** = Dritte Stromquelle angeschlossen, erste und zweite Stromquelle nicht angeschlossen.
  7. 7. Erfindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen und Spannungen angenähert den nachstehend genannten aufeinanderfolgenden Schritten variiert werden:
    Stufe Temperatur
    0C     Spannung
    Volt     500 Status der
    Stromquellen         1 kontinuierl.verändert
    20 - 258 300     800 *     2 258 975 * 3 317 0 * 4 319 600 * 5 324 975 ** 6 260 Luftkühlung (0) ** 7 300 ** 8 328 **
    6098 48/0973
    Leerseite
DE19762620500 1975-05-14 1976-05-08 Verfahren zur herstellung eines wandlers Pending DE2620500A1 (de)

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US05/577,412 US3953920A (en) 1975-05-14 1975-05-14 Method of making a transducer

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