DE3703925A1 - Verfahren zur herstellung der elektrischen und mechanischen verbindung von zwei koerpern, insbesondere des diaphragmas und des traegergehaeuses eines dickfilmdrucksensors und eine mittels dieses verfahrens hergestellte vorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der mechanischen und elektrischen Verbindung eines ersten Körpers mit einem zweiten Körper, insbesondere des Diaphragmas und Trägergehäuses eines Drucksensors. Von diesen Körpern trägt der erste zumindest ein leitendes Element auf seiner Oberfläche, die dem zweiten Körper gegenüberliegen soll und der zweite weist zumindest eine Durchführungsöffnung für eine elektrische Verbindung zwischen dessen Oberflächen auf, welche dem ersten Körper und der gegenüberliegenden Seite gegenüberliegt und zumindest zum Teil mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist, die zur elektrischen Verbindung mit dem leitenden Element des ersten Körpers dient.

Die Fig. 1 bis 3 der beigefügten Zeichnungen zeigen einen Drucksensor einer Bauart mit piezoelektrischen Widerstandsaufnehmerelementen, die durch Dickfilmwiderstände gebildet werden. Die dargestellte bekannte Vorrichtung beinhaltet hauptsächlich ein kreisförmiges Diaphragma 1, das durch eine Scheibe mit sehr dünnem Keramikmaterial gebildet wird und ein Trägergehäuse 2, welches ebenfalls im wesentlichen kreisförmig ist und aus Keramikmaterial besteht. Die Oberfläche des Trägergehäuses 2, welche dem Diaphragma 1 gegenüberliegt (Fig. 2) weist einen ringförmigen umlaufenden Vorsprung 2 a auf. Das Diaphragma 1 trägt auf seiner Oberfläche, welche dem Trägergehäuse 2 gegenüberliegt, einen Dickfilmwiderstand R, der mittels Siebdruckverfahren aufgebracht wurde, Leiterbahnen P, die die Widerstände R miteinander verbinden, und schmale leitende Bereiche E, die am Umfang des Diaphragmas angeordnet sind. Die Leiterbahnen P und die leitenden Bereiche E werden ebenfalls mittels Siebdruckverfahren auf das Diaphragma gemäß dem Dickfilmauftragungsverfahren aufgebracht. Wie in Fig. 2 dargestellt weist das Trägergehäuse 2 durchführende Öffnungen für einen elektrische Verbindung F auf, die in entsprechender Lage zur Anordnung der Bereiche P des Diaphragmas 1 angeordnet sind. Schmale Bereiche von leitendem Dickfilmmaterial, welche mit I bezeichnet sind, werden mittels Siebdruckverfahren auf der unteren Oberfläche 2 b des Trägergehäuses 2 rund um die Umrandungen der Ausnehmungen F aufgebracht. Leiterbahnen Q werden ebenfalls im Dickfilmverfahren auf die Oberfläche 2 b des Trägergehäuses 2 aufgebracht.

Wie aus der teilweisen Schnittdarstellung 4 zu ersehen ist weist jede Ausnehmung F eine dünne metallische Beschichtung C an ihren Wandungen auf, die mit den entsprechenden leitenden Bereichen I an der unteren Oberfläche 2 b des Trägergehäuses 2 verbunden sind.

Der Herstellungsprozeß zur Fertigung des in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Sensors, wie er bislang Anwendung fand, umfaßt zunächst das Aufbringen der Leiterbahnen P und der leitenden Flächenbereiche I auf dem Diaphragma 1 und auf dem Trägergehäuse 2 mittels des Siebdruckverfahrens und dann das Aufbringen der Dickfilmwiderstände R wiederum mittels des Siebdruckverfahrens. Die Leiterbahnen Q und die Bereiche I werden dann mittels des Siebdruckverfahrens auf der unteren Oberfläche 2 b des Trägergehäuses 2 aufgebracht und gleichzeitig werden die Ausnehmungen F metallisiert. Das Diaphragma wird dann an dem herausragenden Teil 2 a des Trägergehäuses 2 auf folgende Weise fixiert. Eine dünne Schicht glasartigen Klebers 4 wird mittels Siebdruckverfahren auf dem Vorsprung 2 a des Trägergehäuses 2 aufgebracht, diese Schicht weist Öffnungen 4 a auf, die um den Rand der Ausnehmungen F angeordnet sind. Eine entsprechende Schicht glasartigen Klebers 5 wird mittels Siebdruckverfahren auf dem ringförmig umlaufenden Teil auf der Oberfläche des Diphragmas 1, welche später dem Trägergehäuse 2 gegenüberliegt, aufgebracht. Das Diaphragma 1 wird dann auf das Trägergehäuse 2 gelegt, wobei die sich entsprechenden Schichten 5 und 4 miteinander in Kontakt gebracht werden. Die Kleberschichten werden dann in einem Ofen derart erhitzt, daß sie ineinander laufen und einen sichere und zuverlässige Fixierung des Diaphragmas auf dem Trägergehäsue ermöglicht. Wenn diese Verfahrensschritte ausgeführt sind, wird eine vorbestimmte Menge leitenden Harzes, in Fig. 5 mit D bezeichnet, mittels einer Spritze in die Ausnehmungen F eingebracht. Nach seiner Polymerisierung, beispielsweise in einem Ofen, bildet das eingebrachte leitende Harz die elektrische Verbindung zwischen dem leitenden Bereich E, welcher auf dem Diaphragma aufgebracht sind, und der leitenden Beschichtung C der Wandungen der Ausnehmungen F und verbindet damit die Widerstände R, welche als piezoelektrische Widerstandsaufnehmer dienen, mit den leitenden Bereichen, welche auf die untere Oberfläche des Trägergehäuses 2 aufgebracht werden. Diese Bereiche können dann mit elektronischen Schaltkreisen verbunden werden, um die Änderungen in den Widerstandswerten der Widerstände aufzuzeichnen.

Bei dem zuvor beschriebenen Herstellungsprozeß ist die Verfahrensweise zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem leitenden Bereich I des Diaphragmas mit der metallischen Beschichtung der Verbindungsausnehmungen F des Trägergehäuses keineswegs zufriedenstellend. Vielmehr sind die verwandten leitenden Harze, die normalerweise eine organische Matrix aufweisen, mit der anorganischen Metallbeschichtung der Ausnehmungen F des Trägergehäuses und dem anorganischen Material, welches die leitenden Bereiche E des Diaphragmas 1 bilden, in einer nicht absolut sicheren und festen Weise verbunden. Darüberhinaus ist das Einspritzen des leitenden Harzes in die Ausnehmungen nicht sehr leicht und verlängert die Gesamtherstellungszeit des Sensors um einen nicht außer Acht zu lassenden Teil.

Damit ergibt sich die Aufgabe der vorliegende Fall, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, eine mechanische und elektrische Verbindung von zwei Körpern, welche die zuvor genannten Eigenschaften haben, insbesondere ein Diaphragma und ein Trägergehäuse eines Drucksensors der obengenannten Bauart, schneller, sicherer und zuverlässiger zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den folgenden Unteransprüchen 2 bis 6.

Die Erfindung betrifft ebenfalls Vorrichtungen, die mittels dieses erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkenden zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1: die schon beschriebene perspektivische Ansicht eines Drucksensors, auf den das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann,

Fig. 2: eine bereits beschriebene perspektivische Explosionsdarstellung des Drucksensors gemäß Fig. 1,

Fig. 3: einen bereits beschriebene perspektivische Ansicht des Sensors gemäß Fig. 1 von unten,

Fig. 4 und 5: schon beschriebene vergrößerte Teilschnitte, die das Diaphragma und das Trägergehäuse des Sensors gemäß Fig. 1 vor und nach ihrer mechanischen und elektrischen Verbindung gemäß eines Verfahrens nach dem Stand der Technik darstellen, und

Fig. 6 und 7: teilweise Schnittdarstellungen ähnlich denen der Fig. 4 und 5, die das Diaphragma und das Trägergehäuse des Sensors gemäß Fig. 1 vor und nach ihrer Verbindung gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung darstellen.

Zur Herstellung eines Drucksensors oben beschriebener Bauart wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Diaphragma 1 und ein Trägergehäuse 2 zunächst im wesentlichen in gleicher Weise wie zuvor beschrieben, vorbereitet. Im einzelnen werden die Leiterbahnen P und die Bereiche E zuerst auf dem Diaphragma 1 mittels einer Dickfilmtechnik aufgebracht. Im folgenden Verfahrensschritt wird dieses Teil in einem Ofen erhitzt. Darauf werden die Dickfilmwiderstände R im Siebdruckverfahren auf das Diaphragma aufgebracht. Hierauf folgt eine erneute Erhitzung im Ofen. Dann wird die Schicht des glasartigen Klebers 5 mittels des Siebdruckverfahrens aufgebracht, die kreisförmigen oder elliptischen Bereiche 5 a, die den leitenden Bereichen E entsprechen, sind freigelassen. Ähnlich werden die Leiterbahnen Q und die leitenden Bereiche I zunächst im Siebdruckverfahren auf das Trägergehäuse 2 aufgebracht und die Wandungen der Ausnehmungen F werden dann metallisiert. Anschließend wird das Trägergehäuse in einem Ofen erhitzt. Im nächsten Verfahrensschritt wird die Schicht des glasartigen Klebers 4 auf dem ringförmigen Vorsprung 2 a aufgetragen, während die Bereiche 4 a um die Ränder der Ausnehmungen F freigelassen werden. Nach dieser Verfahrensfolge weisen sowohl das Diaphragma 1 wie auch das Trägergehäuse 2 die entsprechenden Ausgestaltungen, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind, auf.

Erfindungsgemäß werden vor dem Zusammenfügen des Diaphragmas und des Trägergehäuses leitende Beschichtungen mittels Siebdruckverfahren auf den ringförmigen Vorsprung 2 a des Trägergehäuses bis in die Öffnungen 4 a, welche beim Klebstoffauftragen nicht mit Kleber 4 versehen wurden, aufgebracht. Eine derartige Beschichtung ist beispielsweise in Fig. 6 dargestellt, wo sie mit W bezeichnet wird. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus einer leitenden Dickfilmpaste, die Metallpartikel in einer glasartigen Matrix beinhaltet. Jede Beschichtung wird durch Ablage einer geringen Menge einer derartigen leitenden Paste auf dem oberen Rand der Ausnehmung F bewirkt, während gleichzeitig ein Unterdruck am unteren Ausgang dieser Ausnehmung angelegt wird, so daß zumindest einiges von diesem Material entlang der Wandungen in die Ausnehmung selbst gesaugt wird. Die Schicht W erstreckt sich somit über die Kanten des oberen Ausgangs der Ausnehmung F und in die Ausnehmung selbst hinein, wobei sie gleichzeitig die Metallschicht C teilweise überzieht. Nach der Ablage auf dem Trägergehäuse 2 werden die leitenden Schichten W getrocknet, indem sie beispielsweise für 20-30 Minuten circa 150°C ausgesetzt werden.

Tests haben gezeigt, daß die optimale Dicke (nach der Trocknung) der unterschiedlichen Teile und Schichten, welche auf dem Diphragma 1 und auf dem Trägergehäuse 2 aufgebracht werden, in den folgenden Bereichen liegen:

• - Dicke des leitenden Elements E: 5-15 µm, vorzugsweise 10-12 µm;
  - Dicke der Kleberschicht 5, welche auf dem Diaphragma 1 abgelegt wird: 15-30 µm vorzugsweise 20-25 µm;
  - Dicke der Klebstoffschicht 4, die auf dem Trägergehäuse 2 abgelegt wird: 5-15 µm, vorzugsweise 10-12 µm;
  - Dicke der leitenden Schichten W: 15-40 µm.

Es wurde ebenfalls festgestellt, daß die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn die Summe der Dicken der leitenden Elemente E und der Schichten W um einen Betrag zwischen 4 und 25 µm größer ist als die Summe der Kleberschichtdicken 4 und 5.

Nach dem Trocknen kann das Diaphragma 1 auf das Trägergehäuse 2 derart aufgebracht werden, daß die sich entsprechenden Schichten des glasartigen Klebers 4 und 5 miteinander decken und der ringförmige Kragenteil der leitenden Schichten W in Kontakt mit den entsprechenden leitenden Bereichen E des Diaphragmas E tritt.

Das Trägergehäuse und das darauf fixierte Diaphragma werden dann in einen Ofen eingebracht, bei dem sie auf derartige Temperaturen erhitzt werden, daß ein Einschmelzen der glasartigen Kleberstreifen 4 und 5 bewirkt wird, die zusammenlaufen und eine stabile Verbindung durch das Sintern der Materialien, aus denen die leitenden Schichten B und die leitenden Bereiche E bestehen, bewirkt. Die so erhaltene Verbindung bildet eine glasartige Matrix und ist daher äußerst stabil und sicher.

Unter Heranziehung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher nicht länger notwendig, leitendes Harz einzuspritzen und nachfolgend dieses zu polymerisieren. Vielmehr sowohl vom mechanischem Standpunkt als auch vom elektrischen Standpunkt ist die Verbindung zwischen den leitenden Bereichen E des Diaphragmas 1 und der metallischen Beschichtung C des Trägergehäuses wesentlich sicherer und zuverlässiger. Das Auskleiden der Wandungen der Verbindungsausnehmungen F mit der metallischen Schicht beim erfindungsgemäßen Verfahren ist wesentlich weniger kritisch, da es wegen des Einsaugens des Materials, das die Schichten W in den Ausnehmungen F während der Ablage dieser Schichten bildet, nicht länger unbedingt notwendig ist, daß die leitende Schicht C in den Ausnehmungen sich fehlerfrei über die gesamte axiale Länge der Ausnehmungen erstreckt.

Die Ablage der leitenden Schicht B mittels der Siebdrucktechnik kann sehr leicht und schnell ausgeführt werden.

Schließlich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Verminderung der Verfahrensschritte zur Herstellung beispielsweise des dargestellten Drucksensors, womit eine Kostensenkung des Herstellungsprozesses einhergeht. Darüberhinaus ermöglicht es die Herstellung von sicheren und zuverlässigeren mechanischen und elektrischen Verbindungen als dies unter Heranziehen des Verfahrens gemäß dem Stand der Technik möglich war.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren zuvor unter Heranziehung des Ausführungsbeispiels, d. h. der Herstellung eines Drucksensors erläutert würde, sollte es selbstverständlich sein, daß dieses Verfahren im weiteren Sinne nicht nur auf die Herstellung einer Vorrichtung genau dieser Gattung beschränkt ist.

Selbstverständlich bleibt das hierin enthaltene Erfindungsprinzip dasselbe, wenn Ausführungsformen und Verfahrensdetails der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele im Rahmen der mitgeteilten technischen Lehre variiert werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung der mechanischen und elektrischen Verbindung eines Körpers und eines zweiten Körpers, insbesondere, aber nicht ausschließlich eines Diaphragmas und eines Trägergehäuses eines Drucksensors, bei welcher der erste Körper zumindest ein leitendes Element an dessen Oberfläche, die dem zweiten Körper gegenüberliegen soll, trägt und der zweite Körper zumindest eine durchgehende Ausnehmung zur elektrischen Verbindung zwischen dessen Oberfläche, die dem ersten Körper gegenüberliegt, und der gegenüberliegenden Oberfläche herstellt, welches zumindest teilweise mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist, die zur elektrischen Verbindung zum leitenden Element des ersten Körpers dient, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Aufbringen sich entsprechender Schichten glasartigen Klebers auf die sich gegenüberliegenden Oberflächenteile des ersten und zweiten Körpers,
Aufeinanderlegen der Körper, indem die sich entsprechenden Schichten des Klebers in Kontakt zueinander gebracht werden und Erhitzen der Kleberschichten, so daß diese sich nicht miteinander verbinden,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem Aufeinanderlegen der Körper (1, 2) eine Schicht (W) von elektrisch leitendem Material in einer glasartigen Matrix auf der Oberfläche (2 a) des zweiten Körpers (2), die dem ersten Körper (1) gegenüberliegen soll, unmittelbar neben der zumindest einen Ausnehmung (F) aufgebracht wird, wobei die Schicht (W) sich zumindest teilweise in die Ausnehmung (F) erstreckt und mit der in der Ausnehmung (F) befindlichen Schicht (C) in Kontakt tritt, daß die Körper in der Folge derart zusammengelegt werden, daß sich die entsprechenden Klebstoffschichten (5, 4) gegenüberliegen und die leitende Schicht (W) des zweiten Körpers (2) in Kontakt mit dem entsprechenden leitenden Element (E) des ersten Körpers (1) tritt, daß die Körper dann erhitzt werden, um das gleichzeitige Ineinanderlaufen der Kleberschichten (5, 4) und das Sintern der leitenden Schicht (W), welche auf den zweiten Körper (2) aufgebracht wurde und das innige Verbinden dieser Schicht mit dem leitenden Element (E) des ersten Körpers (1) zu bewirken.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Schicht (W) mittels Dickfilmtechnik aufgebracht wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kleberschicht (5), welche auf dem ersten Körper (1) abgelegt ist, zwischen 15 und 20 µm beträgt, die Dicke der Kleberschicht (4), welche auf dem zweiten Körper (2) abgelegt ist, zwischen 5 und 15 µm beträgt, die Dicke des zumindest einen leitenden Elements (E) des ersten Körpers (1) zwischen 5 und 15 µm beträgt und die Dicke der zumindest einen leitenden Schicht (W) zwischen 15 und 40 µm beträgt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kleberschichten (4, 5) Dicken zwischen 20 und 25 µm bzw. 10 und 12 µm aufweisen und das zumindest eine leitende Element (E) eine Dicke zwischen 10 und 12 µm aufweist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Dicke des zumindest einen leitenden Elements (E) und die zumindest eine Beschichtung (W) größer ist als die Summe der Dicken der Klebstoffschichten (4, 5).

6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Dicken des zumindest einen leitenden Elements (E) und der zumindest einen Schicht (W) um 4 bis 25 µm größer ist als die Summe der Dicke der Kleberschichten.

7. Vorrichtung, insbesondere, aber nicht ausschließlich ein Sensor, welche zumindest nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt wurde.