JP4388747B2 - 定義された曲率を有するセラミック基板の製造法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばマイクロハイブリッド技術の範囲で使用されるセラミック基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のセラミック基板は、一般に複数の層で構成されている。そのために、同種のテープ層、即ち同じ組成を有するテープ層が重なり合うように配置され、貼り合わされ、かつ焼結される。テープ層は、通常、酸化物ガラスの系、例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＣａＯの混合物からなる。セラミック基板のこの出発物質は、焼結の際に化学的に変換され、その際に結晶相、例えば結晶性珪酸塩灰長石（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）が形成される。実際に、こうして平らな多層セラミック基板が製造される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、マイクロハイブリッド技術の範囲で使用されるさらに改善されたセラミック基板を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、定義された曲率を有するセラミック基板を製造するに当たり、異なって定義された温度膨張率を有する少なくとも２個のセラミック層が重なり合うように配置され、および互いに堅固に結合され、焼結過程後の冷却の際に基板の定義された曲率が生じるように定義された曲率を有するセラミック基板を製造する方法の場合に、個々のセラミック層の温度膨張率を個々のセラミック層の出発物質への種結晶の意図的な混合によって予め設定することによって特徴付けられるか、或いは個々のセラミック層の温度膨張率を出発物質の選択および／またはそれぞれのセラミック層の組成の選択によって予め設定し、出発物質Ａｌ2Ｏ3、ＰｂＯおよびＢ2Ｏ3を有する第１のセラミック層および出発物質Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2およびＣａＯを有する第２のセラミック層を重なり合うように配置し、互いに堅固に結合させることによって特徴付けられる、定義された曲率を有するセラミック基板の製造法が提案されている。
【０００５】
特に好ましい使用において、本発明によるセラミック基板は、圧電抵抗型抵抗素子を有する圧力センサーまたは動力センサーのメンブラン素子として使用される。そのために、本発明による湾曲されたセラミック基板は、測定すべき圧力または測定すべき動力がセラミック基板の曲率によって制限されたバイアスに抗して作用するように配置されている。好ましくは、本発明によるセラミック基板は、前記の使用のために、取付け面とセラミック基板との間に空隙が介在する程度に平らな取付け面に亘って配置されている。この場合、取付け面は、空隙範囲を形成するだけでなく、セラミック基板のための機械的端部ストッパーとして使用されている。それというのも、この取付け面は、測定すべき圧力または測定すべき動力に耐えるからである。それによって、セラミック基板の過剰負荷は、回避される。その上、平らな担体および本発明による湾曲されたセラミック基板からなるセンサー素子のこの種の構造の場合には、空隙の縁部で破壊を招きうる圧力の高騰がまったく起こらない。その上、空隙を有するこの種のセンサー素子は、成形セラミックを不用とすることができるので、簡単で安価に実現させることができる。
【０００６】
原則的に、定義された曲率を有する本発明によるセラミック基板を実現させるために異なる方法が存在する。そのために、特に好ましい変法において、異なる温度膨張率（temperatur coefficient of expansion-TCE）ではあるが、それぞれ定義されて調節された温度膨張率を有する少なくとも２個のセラミック層が重なり合うように配置され、例えば焼結によって互いに堅固に結合される。こうして、基板の曲率は、極めて正確に予め設定されうる。
【０００７】
個々のセラミック層の温度膨張率は、例えば簡単に種結晶を個々のセラミック層の出発物質に意図的に混合することによって予め設定される。即ち、この場合には、セラミック基板中にセラミック層が互いに組み合わされ、即ち重なり合うように配置され、互いに結合され、この場合このセラミック層は、組成の点で本質的に異なっており、場合によってはむしろ異なる物質系がこれに属する。即ち、例えば出発物質Ａｌ２Ｏ３、ＰｂＯおよびＢ２Ｏ３を有するセラミック層は、出発物質Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＣａＯを有するセラミック層と組み合わせることができる。Ａｌ２Ｏ３、ＰｂＯおよびＢ２Ｏ３からなる混合物は、焼結の際に結晶性灰長石、ゲーレナイトおよび／または珪灰石に変換され、一方、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＣａＯからなる混合物は、焼結の際に結晶性珪酸塩灰長石に変換される。
【０００８】
前記したように、本発明による教示を有利に構成させ、さらに形成させる異なる方法が存在する。そのために、一面で特許請求の範囲、他面、図１についての本発明の実施例の次の記載を指摘する。
【０００９】
【実施例】
図１に示された圧力センサー１は、平らな担体２を含み、この担体は、変形されることなく予想すべき圧力に耐える程度の特性を有している。担体２は、例えば金属またはセラミック基板から形成されていてよい。平らな基板２上には、メンブラン素子３が定義された曲率を有する本発明によるセラミック基板の形で取り付けられており、したがって担体２とセラミック基板３との間には、空隙４が存在する。空隙４から離れた、セラミック基板３の面上には、回路５が配置されており、この回路は、少なくとも１個の圧電抵抗型抵抗素子を含み、例えばスクリーン印刷技術で実現されていてよい。また、選択的に圧電抵抗型抵抗素子を有する回路は、空隙に対向した、セラミック基板の面上に配置されていてもよく、この場合には、この回路は、外部の作用から良好に保護されている。
【００１０】
圧力センサー１は、測定すべき圧力が曲率に制限された、メンブラン素子３のバイアスに抗して作用し、メンブラン素子３の変形を惹起する程度に配置されている。この場合、メンブラン素子３の曲率は、出発状態での最大の曲率からストッパーでの最少の曲率に到るまで変化し、この場合このストッパーは、担体２によって形成されている。また、メンブラン素子３の曲率で圧電抵抗型抵抗素子の電気抵抗は変化する。更に、圧力は、簡単に例えばホイートストンのブリッジ型回路を用いて前記抵抗の変化を評価することによって測定されうる。
【００１１】
この種のセンサー素子１の場合の最大の動力の衝撃は、本質的にメンブラン素子３の幾何学的寸法に依存する。最大で検出することができる動力の衝撃は、厚さおよび幅の拡大ならびにセラミックの長さの縮小によって増大する。即ち、センサー素子１は、小さく敏感な測定範囲または大きな測定範囲の幾何学的設計に相応して利用されることができる。
【００１２】
既述したように、メンブラン素子３は、定義された曲率またはバイアスを有する本発明によるセラミック基板である。この本発明によるセラミック基板は、出発物質がそれぞれＡｌ２Ｏ３粉末および主にＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＣａＯからなるガラスフリットである複数の層からなる。
【００１３】
このようなメンブラン素子の製造のために、本明細書中に記載された実施例において、種結晶の僅かなドーピングを有する出発物質の２層と種結晶の多量のドーピングを有する出発物質の２層とは、重なり合うように積み重ねられ、貼り合わされる。種結晶のドーピングは、粉末状化された形でもたらされるセラミックを混合することによって行なわれる。個々の層のドーピングにおける差は、有利に０．５質量％までの大きさの程度である。個々の層の結晶挙動は、なかんずくドーピングによって定められ、このことは、一面で結晶の経過に反映され、他面、僅かに個々の層の物質組成に反映される。また、それとともに、個々の層の温度膨張率ＴＣＥは、ドーピングによって定められる。それに応じて、個々の層の温度膨張率、ひいては温度膨張率間の差は、定義されたドーピングによって意図的に調節されることができる。０．５質量％までのドーピング量の差の場合には、０．３・１０−６１／ＫまでのＴＣＥの差を予想することができる。
【００１４】
個々の層は、引続く焼結過程の間、出発物質の化学変化を生じる。この場合には、結晶性珪酸塩灰長石（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）が形成される。その他の点では、Ａｌ２Ｏ３および残分のガラスフリットが残存する。種結晶の僅かなドーピングを有する２つの層と種結晶の多量のドーピングを有する２つの層の温度膨張率は異なるために、既に焼結後の冷却の際に、バイメタルの場合と同様に基板の相応する曲率が生じる。２層モデルに対して理論的に定められた、曲率の値は、実験により定められた値と極めて良好に一致することが判明した。
【００１５】
セラミック基板の焼結後、セラミック基板の凸表面は、導体路用ペーストで印刷される。
【００１６】
最後に、圧力センサーの範囲でメンブラン素子としての前記使用は、単に本発明によるセラミック基板の使用の１例を表わすが、しかし、本発明は、この使用に制限されるものではないことを述べておく。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による湾曲されたセラミック基板を使用している圧力センサーを示す略図。
【符号の説明】
１ 圧力センサー素子、 ２ 担体、 ３ メンブラン素子、 ４ 空隙、 ５ 回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばマイクロハイブリッド技術の範囲で使用されるセラミック基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のセラミック基板は、一般に複数の層で構成されている。そのために、同種のテープ層、即ち同じ組成を有するテープ層が重なり合うように配置され、貼り合わされ、かつ焼結される。テープ層は、通常、酸化物ガラスの系、例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＣａＯの混合物からなる。セラミック基板のこの出発物質は、焼結の際に化学的に変換され、その際に結晶相、例えば結晶性珪酸塩灰長石（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）が形成される。実際に、こうして平らな多層セラミック基板が製造される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、マイクロハイブリッド技術の範囲で使用されるさらに改善されたセラミック基板を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、定義された曲率を有するセラミック基板を製造するに当たり、異なって定義された温度膨張率を有する少なくとも２個のセラミック層が重なり合うように配置され、および互いに堅固に結合され、焼結過程後の冷却の際に基板の定義された曲率が生じるように定義された曲率を有するセラミック基板を製造する方法の場合に、個々のセラミック層の温度膨張率を個々のセラミック層の出発物質への種結晶の意図的な混合によって予め設定することによって特徴付けられるか、或いは個々のセラミック層の温度膨張率を出発物質の選択および／またはそれぞれのセラミック層の組成の選択によって予め設定し、出発物質Ａｌ2Ｏ3、ＰｂＯおよびＢ2Ｏ3を有する第１のセラミック層および出発物質Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2およびＣａＯを有する第２のセラミック層を重なり合うように配置し、互いに堅固に結合させることによって特徴付けられる、定義された曲率を有するセラミック基板の製造法が提案されている。
【０００５】
特に好ましい使用において、本発明によるセラミック基板は、圧電抵抗型抵抗素子を有する圧力センサーまたは動力センサーのメンブラン素子として使用される。そのために、本発明による湾曲されたセラミック基板は、測定すべき圧力または測定すべき動力がセラミック基板の曲率によって制限されたバイアスに抗して作用するように配置されている。好ましくは、本発明によるセラミック基板は、前記の使用のために、取付け面とセラミック基板との間に空隙が介在する程度に平らな取付け面に亘って配置されている。この場合、取付け面は、空隙範囲を形成するだけでなく、セラミック基板のための機械的端部ストッパーとして使用されている。それというのも、この取付け面は、測定すべき圧力または測定すべき動力に耐えるからである。それによって、セラミック基板の過剰負荷は、回避される。その上、平らな担体および本発明による湾曲されたセラミック基板からなるセンサー素子のこの種の構造の場合には、空隙の縁部で破壊を招きうる圧力の高騰がまったく起こらない。その上、空隙を有するこの種のセンサー素子は、成形セラミックを不用とすることができるので、簡単で安価に実現させることができる。
【０００６】
原則的に、定義された曲率を有する本発明によるセラミック基板を実現させるために異なる方法が存在する。そのために、特に好ましい変法において、異なる温度膨張率（temperatur coefficient of expansion-TCE）ではあるが、それぞれ定義されて調節された温度膨張率を有する少なくとも２個のセラミック層が重なり合うように配置され、例えば焼結によって互いに堅固に結合される。こうして、基板の曲率は、極めて正確に予め設定されうる。
【０００７】
個々のセラミック層の温度膨張率は、例えば簡単に種結晶を個々のセラミック層の出発物質に意図的に混合することによって予め設定される。即ち、この場合には、セラミック基板中にセラミック層が互いに組み合わされ、即ち重なり合うように配置され、互いに結合され、この場合このセラミック層は、組成の点で本質的に異なっており、場合によってはむしろ異なる物質系がこれに属する。即ち、例えば出発物質Ａｌ２Ｏ３、ＰｂＯおよびＢ２Ｏ３を有するセラミック層は、出発物質Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＣａＯを有するセラミック層と組み合わせることができる。Ａｌ２Ｏ３、ＰｂＯおよびＢ２Ｏ３からなる混合物は、焼結の際に結晶性灰長石、ゲーレナイトおよび／または珪灰石に変換され、一方、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＣａＯからなる混合物は、焼結の際に結晶性珪酸塩灰長石に変換される。
【０００８】
前記したように、本発明による教示を有利に構成させ、さらに形成させる異なる方法が存在する。そのために、一面で特許請求の範囲、他面、図１についての本発明の実施例の次の記載を指摘する。
【０００９】
【実施例】
図１に示された圧力センサー１は、平らな担体２を含み、この担体は、変形されることなく予想すべき圧力に耐える程度の特性を有している。担体２は、例えば金属またはセラミック基板から形成されていてよい。平らな基板２上には、メンブラン素子３が定義された曲率を有する本発明によるセラミック基板の形で取り付けられており、したがって担体２とセラミック基板３との間には、空隙４が存在する。空隙４から離れた、セラミック基板３の面上には、回路５が配置されており、この回路は、少なくとも１個の圧電抵抗型抵抗素子を含み、例えばスクリーン印刷技術で実現されていてよい。また、選択的に圧電抵抗型抵抗素子を有する回路は、空隙に対向した、セラミック基板の面上に配置されていてもよく、この場合には、この回路は、外部の作用から良好に保護されている。
【００１０】
圧力センサー１は、測定すべき圧力が曲率に制限された、メンブラン素子３のバイアスに抗して作用し、メンブラン素子３の変形を惹起する程度に配置されている。この場合、メンブラン素子３の曲率は、出発状態での最大の曲率からストッパーでの最少の曲率に到るまで変化し、この場合このストッパーは、担体２によって形成されている。また、メンブラン素子３の曲率で圧電抵抗型抵抗素子の電気抵抗は変化する。更に、圧力は、簡単に例えばホイートストンのブリッジ型回路を用いて前記抵抗の変化を評価することによって測定されうる。
【００１１】
この種のセンサー素子１の場合の最大の動力の衝撃は、本質的にメンブラン素子３の幾何学的寸法に依存する。最大で検出することができる動力の衝撃は、厚さおよび幅の拡大ならびにセラミックの長さの縮小によって増大する。即ち、センサー素子１は、小さく敏感な測定範囲または大きな測定範囲の幾何学的設計に相応して利用されることができる。
【００１２】
既述したように、メンブラン素子３は、定義された曲率またはバイアスを有する本発明によるセラミック基板である。この本発明によるセラミック基板は、出発物質がそれぞれＡｌ２Ｏ３粉末および主にＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＣａＯからなるガラスフリットである複数の層からなる。
【００１３】
このようなメンブラン素子の製造のために、本明細書中に記載された実施例において、種結晶の僅かなドーピングを有する出発物質の２層と種結晶の多量のドーピングを有する出発物質の２層とは、重なり合うように積み重ねられ、貼り合わされる。種結晶のドーピングは、粉末状化された形でもたらされるセラミックを混合することによって行なわれる。個々の層のドーピングにおける差は、有利に０．５質量％までの大きさの程度である。個々の層の結晶挙動は、なかんずくドーピングによって定められ、このことは、一面で結晶の経過に反映され、他面、僅かに個々の層の物質組成に反映される。また、それとともに、個々の層の温度膨張率ＴＣＥは、ドーピングによって定められる。それに応じて、個々の層の温度膨張率、ひいては温度膨張率間の差は、定義されたドーピングによって意図的に調節されることができる。０．５質量％までのドーピング量の差の場合には、０．３・１０−６１／ＫまでのＴＣＥの差を予想することができる。
【００１４】
個々の層は、引続く焼結過程の間、出発物質の化学変化を生じる。この場合には、結晶性珪酸塩灰長石（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）が形成される。その他の点では、Ａｌ２Ｏ３および残分のガラスフリットが残存する。種結晶の僅かなドーピングを有する２つの層と種結晶の多量のドーピングを有する２つの層の温度膨張率は異なるために、既に焼結後の冷却の際に、バイメタルの場合と同様に基板の相応する曲率が生じる。２層モデルに対して理論的に定められた、曲率の値は、実験により定められた値と極めて良好に一致することが判明した。
【００１５】
セラミック基板の焼結後、セラミック基板の凸表面は、導体路用ペーストで印刷される。
【００１６】
最後に、圧力センサーの範囲でメンブラン素子としての前記使用は、単に本発明によるセラミック基板の使用の１例を表わすが、しかし、本発明は、この使用に制限されるものではないことを述べておく。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による湾曲されたセラミック基板を使用している圧力センサーを示す略図。
【符号の説明】
１ 圧力センサー素子、 ２ 担体、 ３ メンブラン素子、 ４ 空隙、 ５ 回路
Claims (3)
- 定義された曲率を有するセラミック基板を製造するに当たり、異なって定義された温度膨張率を有する少なくとも２個のセラミック層が重なり合うように配置され、および互いに堅固に結合され、焼結過程後の冷却の際に基板の定義された曲率が生じるように定義された曲率を有するセラミック基板を製造する方法において、個々のセラミック層の温度膨張率を個々のセラミック層の出発物質への種結晶の意図的な混合によって予め設定することを特徴とする、定義された曲率を有するセラミック基板の製造法。
- 種結晶としてもたらされたセラミックを粉末状化された形で混合する、請求項１記載の方法。
- 定義された曲率を有するセラミック基板を製造するに当たり、異なって定義された温度膨張率を有する少なくとも２個のセラミック層が重なり合うように配置され、および互いに堅固に結合され、焼結過程後の冷却の際に、基板の定義された曲率が生じる、定義された曲率を有するセラミック基板を製造する方法において、個々のセラミック層の温度膨張率を出発物質の選択および／またはそれぞれのセラミック層の組成の選択によって予め設定し、出発物質Ａｌ2Ｏ3、ＰｂＯおよびＢ2Ｏ3を有する第１のセラミック層および出発物質Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2およびＣａＯを有する第２のセラミック層を重なり合うように配置し、互いに堅固に結合させることを特徴とする、定義された曲率を有するセラミック基板の製造法。
Applications Claiming Priority (2)
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| DE10203024.3 | 2002-01-26 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003017848A Expired - Lifetime JP4388747B2 (ja) | 2002-01-26 | 2003-01-27 | 定義された曲率を有するセラミック基板の製造法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
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