WO2014023301A2 - Sensor mit einfacher verbindungstechnik - Google Patents

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WO2014023301A2
WO2014023301A2 PCT/DE2013/100287 DE2013100287W WO2014023301A2 WO 2014023301 A2 WO2014023301 A2 WO 2014023301A2 DE 2013100287 W DE2013100287 W DE 2013100287W WO 2014023301 A2 WO2014023301 A2 WO 2014023301A2
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measuring
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functional
electrical
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Roland WERTHSCHÜTZKY
Thorsten Meiss
Jacqueline Rausch
Tim Rossner
Felix Greiner
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Werthschuetzky Roland
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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
    • G01L1/2293—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 of the semi-conductor type
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    • G01L1/22—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
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports

Definitions

  • the invention relates to the connection technology of measuring elements with measuring objects.
  • strain gauges are used especially in strain measurement.
  • metal film strain gauges are glued to surfaces.
  • the adhesive is cured by pressure and / or temperature. This is a particular difficulty for large-sized bodies in particular.
  • Adhesives have low shear strength compared to metal. The cleaning of the surfaces must be meticulous, as surface layers influence the adhesion and the transfer of expansion. Overall, the process of sticking is complicated and expensive.
  • compounds with higher shear strength are also used for semiconductor strain gauges.
  • Known here is e.g. the bonding by means of glass intermediate layer. This is based on e.g. applied to a metallic deformation body a glass layer of defined thickness. Under the effect of temperature, the glass is liquefied and creates a connection between the deformation body and strain gauge.
  • Particularly problematic for electrical contacting are the high process temperatures occurring over a relatively long period of time.
  • a previous electrical contacting of the strain gauge for example via flexible conductor strip (flex conductor), not possible, since this electrical connection would be solved in the mechanical bonding process due to the effect of temperature again.
  • a pre-structured intermediate layer is realized between the component and the surface to which it is connected.
  • This can be realized, for example, by an intermediate layer with a functional material in which an exothermic reaction leads to welding or soldering of the connection sections.
  • a connection process of the measuring element and the object to be measured can take place by means of a preprepared adhesive bonding layer.
  • the electrical contact on the top must be designed so that it does not dissolve in the connection step and is also functional thereafter.
  • connection techniques with exothermic reactions have long been state of the art.
  • a mixture of iron oxide and aluminum is used for the welding of rails in rail traffic.
  • aluminum is oxidized and at the same time iron oxide is reduced to iron, which leads to the welding of rail joints.
  • the following invention enables electrical contacting of the components at the manufacturer before application
  • the object of the invention is a component having a prepared mechanical connection region with a defined intermediate layer thickness and an electrically stable contact region, so that the electrical contacting can take place before the mechanical connection process of component and surface.
  • the connection between measuring element and measuring object can then be very efficient.
  • the problem is solved as an example as follows. On the component to be mounted by means of coating method, a layer sequence of materials is applied. These materials are chosen so that an exothermic reaction starts with a local energy input. The materials resulting from the reaction, or further added materials in the intermediate layer lead to a mechanical firm connection of component and surface. In this case, the reaction rate is to be selected so high that the heat removal by heat conduction does not stop the propagation of the reaction.
  • Fig. 1 is a view of a basic principle of a fiction, contemporary measuring element (100), which is applied to the measuring object (200), wherein the auxiliary electrical contacts (150) are designed as flexible interconnects.
  • FIG. 2a is a view of a measuring element (100) according to the invention with electrical activation of the functional substance (140), the activation of the functional substance (140, 140b) taking place via an additional contact (160).
  • the electrical leads are partially removed for clarity.
  • 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).
  • FIG. 3 is a view of an applied measuring element (100) according to the invention with protection (170) still present.
  • FIG. 4 shows a multiplicity of measuring elements (100) applied to a carrier material (300) prior to application to one or more measuring objects (200).
  • the application of strain sensors on DUTs (200) is complex.
  • the surface of the test object (200) must first be chemically cleaned, then adhesive is applied. Thereafter, a defined pressure must be applied to the sensor over a defined time, whereby the adhesive layer thickness decreases and is adjusted. This is followed by curing of the adhesive at elevated temperature in the oven.
  • the measuring element must be pressed and held exactly in position. An attachment in inaccessible places is often difficult.
  • the curing of the adhesive layer in the furnace is difficult or impossible for measuring objects (200) which have a high heat capacity or large dimensions.
  • the application of strain gages has always been laborious.
  • FIG. 1 shows a measuring element (100) according to the invention.
  • the preferred embodiment is a semiconductor measuring element made of silicon.
  • one or more resistors - generally sensor elements (110) - integrated. These react to mechanical stresses and change their electrical resistance, whereby the mechanical stress and strain of the measuring element (100) can be measured.
  • Via electrical auxiliary contacts (150) the resistors can be supplied with electrical voltage and current, and the output signal of the resistor or the resistor interconnection can be detected externally.
  • the measuring element (100) has a connection surface (130). On this connecting surface (130) - preferably by the manufacturer of the measuring elements (100) - applied a functional material (140) of known thickness.
  • the functional substance consists of known reactive nanomaterials.
  • activation can be effected by applying an electrical voltage to the layer of the functional substance.
  • an exothermic reaction and the functional substance ensures a connection of the connecting surface of the measuring element (100) with the test object (200). Due to the short-term locally strong heat development, chemical residues at the bonding surfaces, primarily at the measurement object (200), are locally destroyed. In this way, a mechanically stable connection can be carried out without complex pre-cleaning.
  • the exothermic reaction takes place in the shortest possible time in the millisecond range. This positioning, pressing and holding the measuring element is necessary only for a very short duration.
  • the functional material (140) can be added to further materials which allow a mechanically stable connection.
  • solders can be used here.
  • functional substances which enable welding of the measuring element (100) and the test object (200).
  • Future combinations of materials may, for example, represent REDOX combinations of iron oxide and a reducing agent, which are applicable to steel-surfaced objects (200).
  • redox combinations of silica with a reductant may be used to weld to the sensing element (100).
  • the functional substance is not limited to reactive layers of nanolayers.
  • adhesives can also already be applied to the measuring element (100). This would also lead to a simpler application and a reproducible adhesive layer thickness and is contained in claim 1 of the measuring element according to the invention.
  • FIG. 2a shows a measuring element (100) with an additional contact for activating the functional substance (140). It can also be attached several additional contacts (160). Cost-effective and easy to implement are also contacts for activating the functional material (160) by the existing electrical auxiliary contacts are used for electrical activation.
  • FIG. 2b shows such an example. The auxiliary contacts are exposed on the measuring element. By applying electrical voltage, the functional material (140b) can be activated at the rear edge of the measuring element (100). The activation then passes through the functional material (140b) through the functional substance (140), whereby the measuring element (100) is connected to the measurement object (200). The ignition can be realized in such a way that the auxiliary contacts on the functional material (140b) rest freely.
  • the functional material (140b) After being activated by an electrical voltage, the functional material (140b) becomes high-impedance and only very slightly influences the voltage conditions.
  • the activation via an electrical resistance (160b) - which is formed in the simplest case by a thin conductor section between the auxiliary electrical contacts (150) - at the electrical auxiliary contacts on the functional material (140b). After activation, this resistance becomes very high-impedance and no longer influences a measurement with the measuring element (100).
  • the measuring elements For strain measurement by means of measuring elements (100), the measuring elements should be thin - optimally in the range of 10 ⁇ to 50 ⁇ - executed in order to capture the strains in the measurement object (200) with the measuring elements (100) as well as possible.
  • the small thickness of the measuring element (100) but also requires a low mechanical stability.
  • protection (170) is optionally provided on the measuring element (100). In the preferred embodiment, this protection (170) is implemented as a piece of mechanically more stable material.
  • the mechanical protection is preferably transparent, so that an exact positioning of the measuring element (100) on the measuring object (200) is easily possible.
  • the protection (170) also includes alignment marks as well as line elements for measuring distances.
  • a soft intermediate layer can be introduced between the protective element (170) and the measuring element (100).
  • the protection (170) may remain on the measuring element (100) after application of the measuring element (100). However, it should be removed for particularly exact measurements. In the simplest case, the protection (170) can be easily removed.
  • the integration of electronic circuits on or in the measuring element (100) can achieve many advantages. For example, the output signal of the sensor elements can be pre-amplified or optionally even digitally converted. This significantly improves the signal-to-noise ratio.
  • FIG. 4 shows such a system.
  • inventive measuring elements (100) are mechanically pre-applied and electrically contacted. Due to the electronic circuits in each sensing element (100), only a very few auxiliary electrical contacts (150), in the proposed case two to four, are required.
  • the entire matrix, ie carrier material (300) with measuring elements (100) and the auxiliary electrical contacts (150) can be positioned and applied in one go on the measuring object. This can also be done to the same extent if no electrical circuits are integrated on or in the measuring element (100). Then more auxiliary electrical contacts (150) are necessary.
  • the measuring elements (100) can therefore be very simply and very quickly applied to measuring objects (200) in contrast to the prior art. Nevertheless, it can be of great advantage to apply the measuring elements with a device.
  • a contact area for the measuring element (100) is provided. This contact area is advanced with a defined force or deviates from the given contact pressure direction. The defined force is held until the activation of the functional substance (140) is completely completed.
  • the application aid has an activation function by which the functional substance (140) is activated. These may be, for example, electrical contacts which activate the functional substance (140b) by means of electrical voltage, a targeted laser pulse or the entry of microwaves.
  • the application aid has special abutment areas, which prevent slippage of the application aid during the connection process of the measuring element (100) with the measurement object (200).
  • activated magnetic forces can prevent slippage of the application aid during the connection process.
  • a construction of measuring element (100) may be advantageous in which the functional substance (140, 140 b) on the same side as the primary electrical contact surfaces (120) or on the same surface as the auxiliary electrical contacts (150) are mounted.
  • the measuring object (200) on which the measuring element (100) is to be applied may be advantageous to pretreat.
  • the fiction, contemporary sensor can then be very easy, very fast and with high strength on the reactive layers on the almost or completely cooled stainless steel support mount without the previously prepared electrical contact (150) on the measuring element (100) would be impaired.
  • electrical feedthroughs are provided in the measuring element (100), which allows a current flow from the side of the measuring element (100) facing away from the measuring object (200) to the functional substance (140) and thus enables the activation of the functional substance (140) ,
  • a hole can be provided in the measuring element (100) in order to activate the functional substance (140) by laser light penetrating this hole in a targeted manner.
  • functional substances (140) conventional reactive nanofoils [3] can be used. These are made of an alternating layer system and additionally coated on the surface with a metallic solder. This solder is electrically conductive.
  • the solder layer is selectively removed below the contact areas to avoid current flow through the solder layer and to energize only the reactive layers, thereby activating the reactive layers with less power consumption.
  • the silicon measuring element (100) can be provided with an adhesive layer, for example of nickel, chromium and nickel or gold.
  • a further layer of solder can be applied to the measuring element.
  • the measuring element (100) again consists of silicon and has a coating of nickel on the side facing the test object (200).
  • the function s material (140) consists of a layer system of reactive nanofoils with a layer of aluminum and nickel. On the layer composite of the reactive nanofoils a solder layer is applied on both sides. The solder layer is opened at the points of electrical contact with the measuring element (100). Gold contacts are applied to these openings by wire bonding or by known chemical or physical processes (under-bumb metallization). During assembly, these contacts coincide locally with plated-through holes in the measuring element, or alternatively they come to lie in the region of the functional material (140 b) and at least partially replace it. These contacts allow in this way the electrical activation of the functional material (140).
  • plated-through holes which extend from the connection surface (130) onto the side facing the measurement object (200), are introduced.
  • an adhesive layer for example of chromium and nickel, is structured, which, however, eliminates the plated-through holes.
  • the functional substance (140), ie, the layer stem of the reactive nanofoils, is deposited either directly on this adhesive layer, or a layer of solder is applied.
  • solder layer for this purpose, the vias are to be left out of the coating in order to avoid a short circuit on the solder layer.
  • Metal layers are deposited on the pass-throughs, which have a slight height, approximately 2 micrometers, greater than the solder layer.
  • an electrical contacting of a reactive functional substance (140) is possible by applying or pressing possible of measuring element (100), measuring object (200) and the layers and contacts lying therebetween.
  • the metal layers for contacting are made of metals with a low melting point, so that they melt after activation of the reactive layers and by pressing the measuring element (100) on the measuring object (200), the distance between the two bodies is reduced and a mechanically stable connection is formed, and the measuring element is fully applied to the test object.
  • the measuring element (100) is already firmly connected to the functional fabric (140) upon delivery to the customer.
  • adjustment areas such as depressions and / or mechanical stops in the functional material (140), or alternatively in the measuring element (100), advantageous for the orientation and Assembly of measuring element (100) and functional material (140).

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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.
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[3] Indium Corporation: NanoFoil and NanoBond.
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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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