EP2883024A2 - Sensor mit einfacher verbindungstechnik - Google Patents

Sensor mit einfacher verbindungstechnik

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EP2883024A2
EP2883024A2 EP13774050.2A EP13774050A EP2883024A2 EP 2883024 A2 EP2883024 A2 EP 2883024A2 EP 13774050 A EP13774050 A EP 13774050A EP 2883024 A2 EP2883024 A2 EP 2883024A2
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EP
European Patent Office
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measuring element
measuring
elements
functional
electrical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13774050.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten Meiss
Jacqueline Rausch
Tim Rossner
Felix Greiner
Roland WERTHSCHÜTZKY
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EvoSense Research & Development GmbH
Original Assignee
Individual
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01L1/26Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload
    • GPHYSICS
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Definitions

  • FIG. 2b shows the view of a measuring element (100) according to the invention with electrical activation of the functional substance (140), wherein the activation of the functional substance (140, 140b) takes place via the existing auxiliary electrical contacts (150).

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Abstract

Die Erfindung ermöglicht die besonders einfache, schnelle und kostengünstige Applikation von Messelementen (100) auf Messobjekten (200). Dies wird durch die Integration eines Funktions Stoffs (140) an der Verbindungsfläche (130) eines Messelements (100) gewährleistet. Durch eine Aktivierung des Funktionsstoffs (140) wird die mechanische Verbindung hergestellt. Hierdurch werden beispielsweise die Applikationszeiten für Dehnungssensoren drastisch reduziert. Weiterhin wird eine definierte Dicke des verbleibenden Funktionsstoffs (140) realisiert und damit reproduzierbare Eigenschaften der Verbindung gewährleistet.

Description

Sensor mit einfacher Verbindungstechnik
Die Erfindung betrifft die Verbindungstechnologie von Messelementen mit Messobjekten.
In vielfältigen Anwendungsgebieten besteht die Problemstellung, ein elektrisches Bauteil auf einer Oberfläche zu montieren. Speziell in der Dehnungsmessung werden Dehnungsmessstreifen (DMS) eingesetzt. Beispielsweise werden Metallfilm- Dehnungsmessstreifen auf Oberflächen geklebt. Hierzu ist es notwendig, die Oberfläche sowie den Metallfilm-DMS zu reinigen und mit einer definierten Menge Klebstoff zu versehen. Durch Druck und / oder Temperatureinwirkung wird der Klebstoff ausgehärtet. Dies stellt im Besonderen bei Körpern mit großen Abmessungen eine be- sondere Schwierigkeit dar. Klebstoffe weisen im Vergleich zum Metall geringe Scherfestigkeit auf. Die Reinigung der Oberflächen muss penibel erfolgen, da Oberflächenschichten Ein- fluss auf die Haftfestigkeit und Dehnungsübertragung nehmen. Insgesamt ist der Prozess des Aufklebens aufwendig und teuer.
Neben Klebstoffen werden auch Verbindungen mit höherer Scherfestigkeit für Halbleiter- Dehnmesselemente eingesetzt. Bekannt ist hier z.B. das Bonden mittels Glaszwischenschicht. Hierbei wird auf z.B. einen metallischen Verformungskörper eine Glasschicht definierter Dicke aufgebracht. Unter Temperatureinwirkung wird das Glas verflüssigt und es entsteht eine Verbindung zwischen Verformungskörper und Dehnungsmesselement. Problematisch insbesondere für die elektrische Kontaktierung sind die hierbei über einen längeren Zeitraum auf- tretenden hohen Prozesstemperaturen. So ist eine vorherige elektrische Kontaktierung des Dehnungsmesselements, beispielsweise über flexible Leiterstreifen (Flexleiter), nicht möglich, da diese elektrische Verbindung beim mechanischen Bondprozess aufgrund der Temperatureinwirkung wieder gelöst würde. Ebenso ist die Verbindung einer Vielzahl von Deh- nungsmesselementen auf einem Körper, im Besonderen auf einem Körper mit in verschiede- nen Richtungen ausgerichteten Oberflächen, besonders schwierig. So muss nämlich für eine mechanische Befestigung der Messelemente während des mechanischen Bondprozesses gesorgt werden, damit die erhöhte Temperatur nicht wieder zum Ablösen der aufzubringenden Elemente führt.
Eigene Forschungen führten zu neuartigen Dehnmesselementen [1]. Derzeitig existieren auch kommerzielle Dehnmesselemente mit Widerständen, beispielsweise die„T-Brücke" der Fa. First Sensor Technology GmbH [2]. Es ist allerdings nicht möglich, dieses Element erst im Herstellungsprozess zu kontaktieren und dann mittels Hochtemperaturprozess aufzubringen. Es ist deshalb das Ziel der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Bauteil zu beschreiben, welches sehr einfach mit hoher mechanischer Festigkeit durch einen vorbereiteten, lokal wirkenden Verbindungsschritt mit genau vorhersagbaren Eigenschaften auf verschiedenen Oberflächen montiert werden kann. Dabei soll es möglich sein, die elektrische Kontaktierung vor dem mechanischen Verbindungsschritt durchzuführen.
Die Erfindung wird im Folgenden so gelöst, dass zwischen dem Bauteil und der Oberfläche, mit der es verbunden wird, eine vorstrukturierte Zwischenschicht realisiert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Zwischenschicht mit einem Funktionsstoff, indem eine exotherme Reaktion zum Verschweißen oder Verlöten der Verbindungsparten führt, realisiert werden. Alternativ kann durch eine vorpräparierte Klebeverbindungschicht ein Verbindungsprozess von Messelement und Messobjekt erfolgen. Die elektrische Kontaktierung an der Oberseite muss dabei so ausgestaltet sein, dass sie sich bei dem Verbindungs schritt nicht löst und auch danach funktionsfähig ist.
Im Bereich der Montage sind Verbindungstechniken mit exothermen Reaktionen schon lange Stand der Technik. Beispielsweise wird zur Verschweißung von Schienen im Bahnverkehr ein Gemisch aus Eisenoxid und Aluminium verwendet. Bei Zünden des Gemischs wird Aluminium oxidiert und gleichzeitig Eisenoxid zu Eisen reduziert, welches zur Verschweißung von Schienenstößen führt.
Im Bereich der Montage von Mikro-Bauteilen existieren Lösungen zur Verbindung auf Ober- flächen mittels reaktiver Nanofolien. So bietet die Firma Indium Corporation [3] Nanofolien an, die zu Verlötung von vorpräparierten Siliziumchips auf bestimmten Metalloberflächen verwendet werden können. Dieses Verfahren wird eingesetzt, um Bauelemente mit hoher Verlustleistung auf Metalloberflächen zu befestigen, wobei die entstehende Verlustwärme durch die Verbindungs schicht gut geleitet wird. Die elektrische Kontaktierung der Bauelemente erfolgt nach diesem mechanischen Montageschritt. Bislang ist aber kein Bauteil bekannt, welches die Vorteile der mechanischen Befestigung mittels reaktiver Schichten bei gleichzeitiger vorheriger elektrischer Kontaktierung in sich vereint.
Die Verfahren aus dem Stand der Technik sind damit nicht geeignet, eine Verbindung mit hoher mechanischer Scherfestigkeit bereitzustellen, die bei hohen Temperaturen größer 200°C erfolgt, und die es erlaubt, die Elemente aufgrund von lokaler Hitzeeinwirkung im Feldeinsatz nach einander (seriell) zu montieren. Eine neuartige Lösung, die die Montage integrierter Dehnungsmesselemente im praktischen Einsatz - also im Labor, in der Fertigung und im Feld - stark vereinfacht, wird im Folgenden offenbart.
Die folgende Erfindung ermöglicht erstmalig ■ eine elektrische Kontaktierung der Bauteile beim Hersteller vor der Applikation,
hohe Scherfestigkeit der Verbindungsschicht,
einen seriellen Montageprozess mit extrem kurzer Zeitdauer,
eine Verringerung des Aufwands zur Vorbereitung der Verbindungsflächen sowie
eine Anpassung an vielfältige Materialen und Oberflächenstrukturen. Die Aufgabe der Erfindung ist ein Bauteil mit einem vorbereiteten mechanischen Verbindungsbereich mit definierter Zwischenschichtdicke sowie einem elektrisch stabilen Kontaktbereich, sodass die elektrische Kontaktierung vor dem mechanischen Verbindungsprozess von Bauelement und Oberfläche erfolgen kann. Die Verbindung von Messelement mit Messobjekt kann dann sehr effizient erfolgen. Die Problemstellung wird beispielhaft wie folgt gelöst. Auf das zu montierende Bauteil wird mittels Beschichtungsverfahren eine Schichtfolge von Materialen aufgebracht. Diese Materialien werden so gewählt, dass bei einem lokalen Energieeintrag eine exotherme Reaktion einsetzt. Die durch die Reaktion entstehenden Materialen, bzw. weiterhin zugesetzten Materialien in der Zwischenschicht führen zu einer mechanischen festen Verbindung von Bauteil und Oberfläche. Dabei ist die Reaktionsgeschwindigkeit so hoch zu wählen, dass der Wärmeabtrag durch Wärmeleitung nicht zu einem Stoppen der Ausbreitung der Reaktion führt. Somit lassen sich sehr kurze Montagezeiten erzielen. Weiterhin wird dafür gesorgt, dass andere Bereiche vom Bauteil nur eine geringe Erwärmung erfahren. Somit bleibt eine elektrische Kontaktierung nach mechanischer Befestigung des Bauteils weiterhin funktionsfähig. Alternativ bilden weitere Verbindungsverfahren eine ebenso anwendbare Alternative. So können Klebeschichten, die am Messelement vorstrukturiert sind, ähnlich hohe Scherfestigkeiten erzielen. Die Vorteile der einfachen Applikation sowie der reproduzierbaren Schichtdicke sind in der gleichen Art zu erzielen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden durch die folgende Be- Schreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich. Fig. 1 ist die Ansicht eines prinzipiellen Gesamtaufbaus eines erfindungs gemäßen Messelements (100), welches auf dem Messobjekt (200) appliziert ist, wobei die elektrischen Hilfskontakte (150) als flexible Leiterbahnen ausgeführt sind.
Fig. 2a ist die Ansicht eines erfindungs gemäßen Messelements (100) mit elektrischer Aktivie- rung des Funktionsstoffs (140), wobei die Aktivierung des Funktionsstoffs (140, 140b) über einen Zusatzkontakt (160) erfolgt. Die elektrischen Zuleitungen sind zur besseren Übersicht partiell entfernt.
Fig. 2b ist die Ansicht eines erfindungsgemäßen Messelements (100) mit elektrischer Aktivierung des Funktionsstoffs (140), wobei die Aktivierung des Funktionsstoffs (140, 140b) über die vorhandenen elektrischen Hilfskontakte (150) erfolgt.
Fig. 3 ist die Ansicht eines erfindungsgemäßen, applizierten Messelements (100) mit noch vorhandenem Schutz (170).
Fig. 4 zeigt eine Vielzahl von auf einem Trägermaterial (300) applizierten Messelementen (100) vor der Aufbringung auf ein oder mehrere Messobjekte (200). Die Applikation von Dehnungssensoren auf Messobjekten (200) gestaltet sich aufwändig. Hierbei muss die Oberfläche des Messobjekts (200) erst chemisch gereinigt werden, danach wird Klebstoff aufgetragen. Danach muss auf den Sensor ein definierter Druck über eine definierte Zeit appliziert werden, wodurch die Kleberschichtdicke abnimmt und eingestellt wird. Danach erfolgt eine Aushärtung des Klebstoffs bei erhöhter Temperatur im Ofen. Während- dessen,sowohl während des Einstellens der Klebstoffdicke als auch beim Aushärten, muss das Messelement angedrückt und exakt in Position gehalten werden. Ein Anbringen an unzugänglichen Stellen ist häufig nur schwierig möglich. Das Aushärten der Klebeschicht im Ofen ist an Messobjekten (200), die eine hohe Wärmekapazität oder große Abmessungen aufweisen, nur schwer oder gar nicht möglich. Das Anbringen von Dehnungsmessstreifen gestaltet sich bislang immer aufwändig.
Die Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Messelement (100). Hierbei ist die bevorzugte Ausführung ein Halbleitermesselement aus Silizium. In das Messelement sind ein oder mehr Widerstände - allgemein Sensorelemente (110) - integriert. Diese reagieren auf mechanische Spannungen und ändern ihren elektrischen Widerstand, wodurch die mechanische Spannung und Dehnung des Messelements (100) messbar wird. Über elektrische Hilfskontakte (150) können die Widerstände mit elektrischer Spannung und Strom versorgt werden und das Ausgangssignal des Widerstands oder der Widerstandsverschaltung extern erfasst werden. Das Messelement (100) weist eine Verbindungsfläche (130) auf. Auf dieser Verbindungsfläche (130) wird - vorzugsweise durch den Hersteller der Messelemente (100) - ein Funktionsstoff (140) mit bekannter Dicke aufgetragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Funktions Stoff aus bekannten reaktiven Nanomaterialien. Hierbei kann eine Aktivierung durch Anlegen einer elektrischen Spannung an der Schicht des Funktions Stoffs erfolgen. Es folgt eine exotherme Reaktion und der Funktionsstoff sorgt für eine Verbindung der Verbindungsfläche des Messelements (100) mit dem Messobjekts (200). Aufgrund der kurzzeitigen lokal starken Wärmeentwicklung werden chemische Residuen an den Verbindungsflächen, vornehmlich am Messobjekt (200), lokal zer- stört. Hierdurch kann eine mechanisch stabile Verbindung ohne aufwändige Vorreinigung erfolgen. In der Regel erfolgt die exotherme Reaktion in kürzester Zeit im Millisekunden Bereich. Damit ist ein Positionieren, Andrücken und Halten des Messelements nur über sehr kurze Dauer notwendig. Damit sind mir geringem Zeit- und Arbeitsaufwand Messelemente (100) auf Messobjekten (200) applizierbar. Dem Funktions Stoff (140) können weitere Materi- alien zugefügt werden, die eine mechanische stabile Verbindung erlauben. Hier sind beispielsweise Lote verwendbar. Es sind aber vor allem auch Funktions Stoffe vorstellbar, die ein Verschweißen vom Messelement (100) und Messobjekt (200) ermöglichen. Zukünftige Materialkombinationen können beispielsweise REDOX-Kombinationen aus Eisenoxid und einem Reduktionsmittel darstellen, die für Messobjekte (200) mit Stahloberfläche anwendbar sind. Oder es können REDOX-Kombinationen von Siliziumoxid mit einem Reduktionsmittel angewendet werden, um mit dem Messelement (100) eine Schweißverbindung herzustellen. Es soll hier aber explizit der Funktions Stoff nicht nur auf reaktive Schichten Nanoschichten begrenzt sein. So können auch Klebstoffe schon auf dem Messelement (100) appliziert sein. Auch dies würde zu einer einfacherer Applikation sowie einer reproduzierbareren Kleber- schichtdicke führen und ist im Anspruch 1 des erfindungsgemäßen Messelements enthalten.
Die Figur 2a zeigt ein Messelement (100) mit einem Zusatzkontakt zum Aktivieren des Funktionsstoffs (140). Es können auch mehrere Zusatzkontakte (160) angebracht werden. Kostengünstig und einfach realisierbar sind auch Kontakte zum Aktivieren des Funktionsstoffs (160), indem die vorhandenen elektrischen Hilfskontakte zum elektrischen Aktivieren genutzt werden. Die Figur 2b zeigt ein solches Beispiel. Die Hilfskontakte sind am Messelement freigelegt. Durch Anlegen von elektrischer Spannung kann der Funktionswerkstoff (140b) an der hinteren Kante von Messelement (100) aktiviert werden. Die Aktivierung verläuft dann durch den Funktions Werkstoff (140b) bis durch den Funktions Stoff (140), wodurch das Messelement (100) mit dem Messobjekt (200) verbunden wird. Die Zündung kann in der Art realisiert werden, dass die Hilfskontakte am Funktionswerkstoff (140b) frei anliegen. Nach dem Aktivieren durch eine elektrische Spannung wird der Funktionswerkstoff (140b) hochohmig und beeinflusst die Spannungsverhältnisse nur sehr gering bzw. nicht mehr. Alternativ kann die Aktivierung über einen elektrischen Widerstand (160b) - der im einfachsten Fall durch einen dünnen Leiterabschnitt zwischen den elektrischen Hilfskontakten (150) gebildet wird - an den elektrischen Hilfskontakten über dem Funktionswerkstoff (140b) erfolgen. Nach der Aktivierung wird dieser Widerstand sehr hochohmig und beeinflusst eine Mes- sung mit dem Messelement (100) nicht mehr.
Zur Dehnungsmessung mittels Messelementen (100) sollten die Messelemente dünn - optimal im Bereich von 10 μιη bis 50 μιη - ausgeführt werden, um die Dehnungen im Messobjekt (200) mit den Messelementen (100) möglichst gut zu erfassen. Die geringe Dicke des Messelements (100) bedingt aber auch eine geringe mechanische Stabilität. Um die Messelemente beim Transport, vor allem aber auch bei der Applikation auf das Messobjekt (200) vor Zerstörung zu bewahren, ist auf dem Messelement (100) optional ein Schutz (170) vorgesehen. In der bevorzugten Ausführung ist dieser Schutz (170) als ein Stück mechanisch stabileres Material ausgeführt. Der mechanische Schutz ist vorzugsweise durchsichtig gestaltet, so dass eine exakte Positionierung des Messelements (100) auf dem Messobjekt (200) einfach möglich ist. Vorzugsweise weist der Schutz (170) auch Justagemarken sowie Linienelemente zur Messung von Abständen auf. Um das Messelement (100) bei der Applikation fest an das Messobjekt (200) andrücken zu können, kann zwischen Schutz (170) und Messelement (100) eine weiche Zwischenschicht eingebracht werden. Der Schutz (170) kann nach dem Applizieren des Messelements (100) auf dem Messelement (100) verbleiben. Für besonders exakte Messun- gen sollte er aber entfernt werden. Im einfachsten Fall kann der Schutz (170) einfach abgezogen werden. Durch die Integration von elektronischen Schaltkreisen am oder im Messelement (100) lassen sich vielfältige Vorteile erzielen. So kann beispielsweise das Ausgangssignal der Sensorelemente vorverstärkt werden oder optional sogar digital gewandelt werden. Hierdurch wird das Signal- zu Rauschverhältnis wesentlich verbessert. Größte Vorteile lassen sich durch im Messelemente integrierte elektrische Schaltkreise erzielen, indem eine Schnittstelle zu einem Bussystem integriert wird. Hierdurch wird es möglich sehr viele Messelemente an wenigen elektrischen Hilfskontakten zu betreiben. Hierdurch wird das erfindungs gemäße Messelement (100) besonders für den Einsatz bei Anwendungen mit mehreren Messstellen vorteilhaft. Die Figur 4 zeigt ein solches System. Auf einem Trägermaterial (300) sind zahlreiche erfindungs- gemäße Messelemente (100) mechanisch voraufgebracht und elektrisch kontaktiert. Aufgrund der elektronischen Schaltkreise in jedem Messelement (100) werden nur sehr wenige elektrische Hilfskontakte (150), im vorgeschlagenen Fall zwei bis vier, benötigt. Die gesamte Matrix, also Trägermaterial (300) mit Messelementen (100) und den elektrischen Hilfskontakten (150), kann in einem Zug auf dem Messobjekt positioniert und appliziert werden. In gleichem Maße kann dies auch erfolgen, wenn keine elektrischen Schaltkreise am oder im Messelement (100) integriert sind. Dann sind mehr elektrische Hilfskontakte (150) notwendig.
Die Messelemente (100) können also im Gegensatz zum Stand der Technik sehr einfach und sehr schnell auf Messobjekten (200) appliziert werden. Es kann trotzdem von großem Vorteil sein, die Messelemente mit einer Vorrichtung zu applizieren. Hierfür ist ein Anlagebereich für das Messelement (100) vorgesehen. Dieser Anlagebereich wird mit definierter Kraft vorbewegt bzw. weicht der vorgegebenen Anpressrichtung aus. Die definierte Kraft wird solange gehalten, bis die Aktivierung des Funktions Stoffs (140) vollständig abgeschlossen ist. Die Applikationshilfe weist eine Aktivierungsfunktion auf, durch den der Funktions Stoff (140) aktiviert werden. Dies können beispielsweise elektrische Kontakte sein, die mittels elektri- scher Spannung den Funktions Stoff (140b) aktivieren, ein gezielter Laserimpuls oder der Eintrag von Mikrowellen. In der bevorzugten Ausführung weist die Applikationshilfe spezielle Anlagebereiche auf, die ein Verrutschen der Applikationshilfe während des Verbindungsprozesses von Messelement (100) mit dem Messobjekt (200) verhindert. Alternativ können zugeschaltete Magnetkräfte ein Verrutschen der Applikationshilfe während des Verbindungspro- zesses verhindern. Auch wenn der Aufbau des Messelements nach Fig. 1 bis 4 die einfachste und für die Hauptzahl der Anwendungen die praktischste Umsetzung darstellt, so kann auch ein Aufbau von Messelement (100) vorteilhaft sein, bei dem der Funktions Stoff (140, 140b) auf der gleichen Seite wie die der primären elektrischen Kontaktflächen (120) oder auf der gleichen Fläche wie die elektrischen Hilfskontakte (150) angebracht sind.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Flächen des Messobjekts (200), auf denen das Messelement (100) aufgebracht werden soll, vorzubehandeln. So ist beispielsweise ein Aufbringen einer dünnen Schicht von Silber- oder anderem bekannten Edelstahllot auf ein Messobjekt (200) aus Edelstahl möglich. Der erfindungs gemäße Sensor lässt sich dann nachfolgend sehr einfach, sehr schnell und mit hoher Festigkeit über die reaktiven Schichten auf den nahezu oder vollständig erkalteten Edelstahlträger montieren, ohne dass die vorab hergestellte elektrische Kontaktierung (150) am Messelement (100) beeinträchtigt würde.
In einer weiteren Ausführungsform sind im Messelement (100) elektrische Durchkontaktierungen vorgesehen, die einen Stromfluss von der vom Messobjekt (200) ab- gewandten Seite des Messelements (100) zum Funktionsstoff (140) erlaubt und somit die Aktivierung des Funktions Stoffs (140) ermöglicht. In gleicher Weise kann ein Loch im Messelement (100) vorgesehen werden, um den Funktions Stoff (140) zu aktivieren, indem Laserlicht dieses Loch gezielt durchdringt. Als Funktions Stoffe (140) können konventionelle reaktive Nanofolien [3] verwendet werden. Diese sind aus einem alternierenden Schichtsys- tem und an der Oberfläche zusätzlich mit einem metallischen Lot beschichtet. Dieses Lot ist elektrisch leitfähig. Um eine elektrische Aktivierung zu erzielen ist in einer favorisierten Aus- führungsform die Lotschicht selektiv unter den Kontaktbereichen entfernt, um einen Stromfluss durch die Lotschicht zu vermeiden und nur die reaktiven Schichten zu bestromen und so die reaktiven Schichten mit einem geringeren Stromverbrauch zu aktivieren. Wie berichtet, ist es beispielsweise möglich, reaktive Schichtsysteme, z.B. nach [3], zu verwenden. Um eine gute Haftfestigkeit der Nanofolie auf Messelementen (100) aus Silizium zu erzielen, kann das Silizium-Messelement (100) mit einer Haftschicht, z.B. aus Nickel, Chrom und Nickel oder Gold, versehen werden. Optional kann auf das Messelement eine weitere Lotschicht aufgebracht werden. In einer weiteren Ausführung der Erfindung besteht das Messelement (100) wiederum aus Silizium und weist auf der zum Messobjekt (200) zugewandten Seite eine Beschichtung aus Nickel auf. Der Funktion s Werkstoff (140) besteht aus einem Schichtsystem aus reaktiven Na- nofolien mit einer Schichtung von Aluminium und Nickel. Auf dem Schichtverbund der reak- tiven Nanofolien ist beidseitig eine Lotschicht aufgebracht. Die Lotschicht ist an den Stellen der elektrischen Kontaktierung zum Messelement (100) geöffnet. Auf diese Öffnungen werden durch Drahtbonden oder durch bekannte chemische oder physikalische Prozesse (Under- Bumb-Metallisierung) Goldkontakte aufgebracht. Bei der Montage fallen diese Kontakte örtlich mit Durchkontaktierungen im Messelement zusammen, oder sie kommen alternativ im Bereich des Funktionswerkstoffs (140 b) zu liegen und ersetzen diesen zumindest teilweise. Diese Kontakte ermöglichen auf diese Art die elektrische Aktivierung des Funktionsstoffs (140). Alternativ werden in dem Messelement (100) Durchkontaktierungen, die von der Verbindung sfläche (130) auf die zum Messobjekt (200) zugewandten Seite verlaufen, eingebracht. Auf der dem Messobjekt (200) zugewandten Seite wird eine Haftschicht, z.B. aus Chrom und Nickel, strukturiert, die allerdings die Durchkontaktierungen ausspart. Auf diese Haftschicht wird entweder direkt der Funktions Stoff (140), also das Schichtsstem der reaktiven Nanofolien abgeschieden, oder es wird eine Lotschicht aufgebracht. Bei Verwendung einer Lotschicht sind hierzu die Durchkontaktierungen von der Beschichtung auszusparen, um einen Kurzschluss über die Lotschicht zu vermeiden. Auf die Durchkontierungen werden Me- tallschichten abgeschieden, welche eine geringfügig, ca. 2 Mikrometer, größere Höhe als die Lotschicht aufweisen. Hierdurch wird eine elektrische Kontaktierung eines reaktiven Funktionsstoffs (140) durch Auflegen bzw. Anpressen möglich von Messelement (100), Messobjekt (200) und der dazwischen liegenden Schichten und Kontakte möglich. Vorzugsweise sind die Metallschichten zur Kontaktierung aus Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt ausgeführt, sodass diese nach dem Aktivieren der reaktiven Schichten aufschmelzen und durch ein Andrücken des Messelements (100) auf das Messobjekt (200) der Abstand beider Körper verringert wird und eine mechanisch stabile Verbindung entsteht, und das Messelement vollflächig auf dem Messobjekt anliegt. In einer favorisierten Ausführungsform ist das Messelement (100) mit dem Funktions Stoff (140) bei Lieferung an den Kunden bereits fest verbunden. Es ist aber auch möglich, die einzelnen Komponenten, beispielsweise Messelement (100) und Funktions Stoff (140) unverbun- den zu liefern. Zum genauen Positionieren des Messelements (100) und dem Funktionsstoff (140) auf dem Messobjekt (200) sind dann Justagebereiche, z.B. Vertiefungen und / oder mechanische Anschläge im Funktionswerkstoff (140), oder alternativ im Messelement (100), vorteilhaft für die Ausrichtung und Montage von Messelement (100) und Funktionswerkstoff (140).
Die Beschreibungen sind als Erklärung des Prozesses ausgeführt und sind in verschiedenen Kombinationen und Variationen anwendbar.
Literatur
[1] Rausch, J.: Entwicklung und Anwendung miniaturisierter piezoresistiver Dehnungsmesselemente. EMK-Dissertationsreihe Bd. 25 . TU Darmstadt, Inst, für Elektromechan. Konstruktionen , Darmstadt . ISBN 978-3-8439-0553-4 [Buch] , (2012). [2] First Sensor Technology GmbH: T-Brücke. http://www.first-sensor.com/. Version: 2012
[3] Indium Corporation: NanoFoil and NanoBond.
http://www.indium.com/techlibrary/whitepapers/. Version: 2012
Bezugszeichenliste
100 Messelement
110 Sensorelemente
120 Primäre elektrische Kontaktflächen
130 Verbindungsfläche
140 Funktions stoff
140b Funktions werkstoff
150 Elektrische Hilfskontakte
160 Zusatzkontakt
160b Zusatzwiderstand
170 Schutz
200 Messobjekt
300 Trägermaterial

Claims

Ansprüche
1. Messelement (100) zur Erfassung von Messgrößen, dadurch gekennzeichnet, dass
• das Messelement (100) mindestens eine Verbindungsfläche (130) aufweist, die mit einem Funktions Stoff (140) versehen ist, durch den eine Verbindung zum Messobjekt (200) herstellbar ist, die eine Kraftübertragung zwischen Messelement (100) und Messobjekt (200) ermöglicht.
2. Messelement (100) zur Erfassung von Messgrößen nach Anspruch 1, mit elektrischen Hilfskontakten (150), wobei die elektrischen Hilfskontakte (150) mit dem Messelement (100) verbunden sind und von diesem wegführen, mit dem Ziel ein vereinfachtes elektrisches Kontaktieren an ein Messsystem zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass
• die elektrischen Hilfskontakte (150) am Messelement (100) angebracht sind,
• und nachfolgend die Verbindung zum Messobjekt (200) hergestellt wird, wobei die elektrischen Hilfskontakte (150) nach der Verbindung zum Messobjekt (200) einen geringen Übergangswiderstand aufweisen.
3. Messelement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsstoff (140) zur Herstellung der Verbindung durch elektrische Spannung, Licht, Wärme, Druck, Mikrowellen oder andere physikalische oder chemische Größen aktiviert werden kann.
4. Messelement (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsstoff (140, 140b) elektrisch aktiviert wird und die elektrische Spannung über einen der elektrischen Hilfskontakte (150) oder mindestens einen Zusatzkontakt (160) eingebracht wird.
5. Messelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Messelement ein Schutz (170) aufgebracht ist, der beim Transport und der Applikation das Messelement (100) vor übermäßigen mechanischen Belastungen schützt.
6. Messelement (100) mit einem Schutz (170) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass der Schutz (170) zumindest teilweise durchsichtig ist oder Markierungen enthält oder Nuten oder mechanische Anschläge aufweist, so dass die Positionierung des Messelements (100) auf dem Messobjekt (200) oder in einer Applikationshilfe vereinfacht wird.
7. Messelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am oder im Messelement (100) mindestens ein elektrischer Schaltkreis vorhanden ist, der eine Signalvorverarbeitung und / oder eine Signalübertragung und /oder Energiespeisung ermöglicht.
8. Anwendung des Messelements (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Messelementen auf einem Trägermaterial (300) appliziert und elektrisch kontaktiert sind und die Messelemente (100) mit einem oder mehreren Messobjekten (300) verbunden werden können.
9. Applikationshilfe für Messelemente (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die Positionierung der Messelemente (100) auf dem Messobjekt ermöglicht, einen mechanischen Druck auf das Messelement (100) ausübt sowie die Aktivierung des Funktions Stoffs (140, 140b) durchführt.
10. Methode zur Installation von Messelementen (100) zur Erfassung von Messgrößen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass
• das Messelement (100) auf dem Messobjekt positioniert und mit diesem in Kontakt gebracht wird,
• wobei der Funktionsstoff (140, 140b) vor, während oder nach dem Positionieren aktiviert wird.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014119432A1 (de) * 2014-12-22 2016-06-23 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Befüllen eines Druckmittlers
DE102017216811A1 (de) * 2017-09-22 2019-03-28 Thales Management & Services Deutschland Gmbh Verfahren zur Montage eines Schienenüberwachungselements
DE102022201410A1 (de) * 2022-02-11 2023-08-17 Zf Friedrichshafen Ag Verbindung eines Sensorchips mit einem Messobjekt
DE102022208370A1 (de) 2022-08-11 2024-02-22 Zf Friedrichshafen Ag Verbindung eines Dehnungsmessstreifens mit einem Messobjekt

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050274455A1 (en) * 2004-06-09 2005-12-15 Extrand Charles W Electro-active adhesive systems
US20070224441A1 (en) * 2006-03-24 2007-09-27 Bunyan Michael H Reactive foil assembly
WO2008009670A1 (de) * 2006-07-20 2008-01-24 Technische Universität Ilmenau Verfahren zum erzeugen einer löt- oder diffusionsverbindung

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3298093A (en) * 1963-04-30 1967-01-17 Hughes Aircraft Co Bonding process
JP3613838B2 (ja) * 1995-05-18 2005-01-26 株式会社デンソー 半導体装置の製造方法
US5692950A (en) * 1996-08-08 1997-12-02 Minnesota Mining And Manufacturing Company Abrasive construction for semiconductor wafer modification
TW344092B (en) * 1996-08-27 1998-11-01 Nippon Steel Corp Semiconductor device provided with low melting point metal bumps and process for producing same
DE10206977B4 (de) * 2001-02-24 2009-04-02 Caterpillar Inc., Peoria Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Bauelements sowie danach hergestelltes Bauelement
AUPR725601A0 (en) * 2001-08-24 2001-09-20 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Strain gauges
TW200804019A (en) * 2006-04-27 2008-01-16 Reactive Nanotechnologies Inc Methods of reactive composite joining with minimal escape of joining material
DE102008000128B4 (de) * 2007-01-30 2013-01-03 Denso Corporation Halbleitersensorvorrichtung und deren Herstellungsverfahren

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050274455A1 (en) * 2004-06-09 2005-12-15 Extrand Charles W Electro-active adhesive systems
US20070224441A1 (en) * 2006-03-24 2007-09-27 Bunyan Michael H Reactive foil assembly
WO2008009670A1 (de) * 2006-07-20 2008-01-24 Technische Universität Ilmenau Verfahren zum erzeugen einer löt- oder diffusionsverbindung

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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