WO2016008683A1 - Keramischer drucksensor mit einer aktivhartlötung und verfahren zur aktivhartlötung zweier bauteile - Google Patents

Keramischer drucksensor mit einer aktivhartlötung und verfahren zur aktivhartlötung zweier bauteile Download PDF

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WO2016008683A1
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Andreas Rossberg
Elke Schmidt
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Endress and Hauser SE and Co KG
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0075Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0006Exothermic brazing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B23K1/0016Soldering of electronic components
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50Inorganic materials other than metals or composite materials
    • B23K2103/52Ceramics

Definitions

  • the invention relates to a ceramic pressure sensor with a pressure-sensitive, pressure-dependent elastically deformable measuring membrane, a ceramic base body, and an outer edge of a first side of the
  • Ceramic pressure sensors include absolute pressure sensors, one on the
  • Differential pressure sensors a pressure difference between a force acting on a first side of the diaphragm first pressure and a second side of the
  • Ceramic pressure sensors of the type mentioned in the beginning are widely used today in almost all areas of industrial metrology.
  • an active brazing joining an outer edge of a first side of the measuring diaphragm, including a pressure chamber with an outer edge of an end face of the base body facing the measuring diaphragm.
  • Measuring diaphragm and body of these pressure sensors consist e.g. made of aluminum oxide and pressure-tight by means of an active brazing with a Zr-Ni alloy and titanium ternary active brazing soldering performed.
  • active brazing the active component of the active brazing material, here titanium, reacts with the ceramic. In this case, a reduction of the ceramic causes a mechanically high-strength chemical bond between the ceramic and the active brazing material.
  • the active brazing is described by means of an annular Lotformteils whose height corresponds to the height of the enclosed under the measuring diaphragm pressure chamber.
  • the soldering takes place, in which one through the main body, the solder preform and the
  • Cooling process cools down. Long cooling periods favor the formation of coarse-grained structures due to phase shifts within the joint. This can be too
  • the capacitor has a capacitance dependent on the pressure-dependent deflection of the measuring membrane, the distance between the electrode and the counter electrode depends regularly active brazing connected by the thickness of the measuring diaphragm and base body.
  • the solder preforms described in EP 490 807 A1 have a minimum thickness of the order of magnitude of 30 ⁇ m due to the melt-spinning method used for their production. A smaller minimum thickness of the measuring diaphragm and connecting body
  • Active brazing, and concomitantly a lower electrode spacing which is more advantageous for achieving a higher measuring accuracy, can be achieved according to a method described in DE 10 2010 043 1 19 A1.
  • the active brazing solder required for Aktivhartlötung is applied by means of vapor deposition on the joining surfaces.
  • joints of lesser height e.g. with a thickness of 10 ⁇ , are produced.
  • DE 10 2010 043 1 19 A1 describes, prior to soldering, a coating of an active component of the active brazing material, e.g. a coating with a thickness in the active brazing material
  • the heat energy released in this process is greater, the thicker the multilayer system is. In this case, temperatures of over 1000 ° C are reached for a short time. Since the heat energy is supplied only very briefly and very locally, the joint cools down very quickly after the soldering process.
  • US Pat. No. 7,361,412 B2 describes methods for connecting a ceramic component, for example made of SiC or Al 2 O 3 , to a metallic component, for example of titanium or aluminum, in which the joining surfaces of the components to be joined are prepared in advance by brazing, for example Incusil, coated.
  • a ceramic component for example made of SiC or Al 2 O 3
  • a metallic component for example of titanium or aluminum
  • brazing for example Incusil
  • the invention comprises a ceramic pressure sensor, with
  • the Aktivhartlötung is produced by means of an arrangement Aktivhartlötung in which a reactive surface layer of the measuring membrane and a joining surface of the body is arranged in each case a reactive multilayer system of alternately deposited layers of mutually exothermically reacting reactants, and between the two reactive multilayer systems, a solder layer of an active brazing is arranged, and
  • Activated brazing which is caused by the exothermic reaction of the two reactive multilayer systems, is melting at the melting temperature of the active brazing filler metal, which is adjacent to the reacting multi-layer systems
  • Active hard solder of the solder layer passes through the respective multilayer system to each joining surface adjacent thereto.
  • the multilayer systems have a thickness of less than or equal to 5 ⁇ m, in particular less than or equal to 3 ⁇ m.
  • the solder layer has a thickness which is greater than or equal to a sum of the thicknesses of the two multilayer systems.
  • the arrangement between each joining surface and the respectively adjacent multi-layer system comprises an applied on the respective joining surface, esp. Sputtered, coating of the active brazing or of an active component of the active brazing.
  • the active brazing material is a ternary active brazing material comprising a Zr-Ni alloy and titanium.
  • the multi-layer systems are on the front side of the solder preform facing the arrangement of the measuring diaphragm and / or the base body and / or on the joining surface of the
  • Another training provides that
  • the invention further includes an active brazing method for active brazing of a first component having a joining surface, in particular a first ceramic component, and a second component having a joining surface, in particular a second ceramic component, according to the
  • Multilayer systems a solder layer is arranged from an active brazing
  • the arrangement being dependent on an energy released in the exothermic reaction of the multilayer systems and the melting temperature of the
  • the solder layer is provided in the form of a Lotformteils, and
  • Another training provides that
  • a further development of the active brazing method provides that a coating of the active brazing material or of an active component of the active brazing material is applied, in particular sputtered on at least one of the joining surfaces, in particular on both joining surfaces, which is in the arrangement between the respective joining surface and the multilayer system facing this joining surface is located.
  • the multi-layer systems have a thickness of less than or equal to 5 ⁇ , esp. Less than or equal to 3 ⁇ ,
  • solder layer has a thickness which is greater than or equal to a sum of the thicknesses of the two multilayer systems
  • the active brazing alloy is a ternary Zr-Ni alloy and titanium
  • the pressure sensors according to the invention have the advantage that, for the active brazing of measuring membrane and base body due to the two exothermically reacting
  • Multilayer systems significantly less time and energy is required, as used in today for the production of pressure sensors used exclusively by heating the components to be joined and arranged between the components active brazing Aktivhartlötungen the case.
  • the measuring membrane and base body for active brazing no longer have to exceed the melting temperature of the active brazing aggregate to be heated.
  • active brazing cools faster after the brazing process. This drastically reduces the formation of coarser-grained structures within the joint. This allows finer-grained, and thus inevitably more homogeneous, and thus higher strength joints can be achieved.
  • Another advantage of the invention is that the Aktivhartlötungen with comparatively low height, esp. With heights greater than or equal to 4 ⁇ can be produced.
  • Fig. 1 shows: a ceramic pressure sensor according to the invention
  • Fig. 2 shows: a ceramic differential pressure sensor according to the invention
  • Fig. 3 shows an exploded view of an arrangement for producing a
  • FIG. 4 a shows an arrangement according to FIG. 3, in which the two multilayer systems are applied to opposite end faces of the solder layer;
  • FIG. 4b shows: an arrangement according to FIG. 3, in which the two multilayer systems on the
  • 4c shows: an arrangement according to FIG. 3, in which a partial system of a multi-layer system is applied both to the two joining surfaces and to the opposite end sides of the solder layer;
  • Fig. 4d shows: An arrangement according to FIG. 3, in which the two multilayer systems on the
  • Fig. 4e shows: An arrangement according to FIG. 3, in which the two multilayer systems on the
  • Fig. 1 shows a section through an embodiment of a ceramic pressure sensor according to the invention.
  • This includes a loadable with a pressure p and pressure-dependent elastically deformable measuring membrane 1, which is arranged on a ceramic base body 3.
  • Measuring diaphragm 1 and base body 3 are made of ceramic, for example of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or of zirconium oxide (ZrO 2), and are pressure-tightly connected to one another with the inclusion of a pressure chamber 5.
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • ZrO 2 zirconium oxide
  • the illustrated pressure sensor can be designed as an absolute pressure sensor.
  • the pressure chamber 5 enclosed under the measuring diaphragm 1 is evacuated.
  • it can be formed as a relative pressure sensor by supplying the pressure chamber 5 with a reference pressure p ref , for example an atmospheric pressure, via a bore 9 passing through the main body 3 and shown in dashed lines in FIG. 1, based on the pressure acting on the measuring diaphragm 1 p is to be detected.
  • a reference pressure p ref for example an atmospheric pressure
  • the pressure sensor comprises an electromechanical transducer which serves to metrologically detect a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm 1.
  • a capacitive converter is provided for this purpose, which has at least one capacitor with a capacitance which changes as a function of the pressure-related deflection of the measuring diaphragm 1.
  • Capacitor comprises a on a the base body 3 facing side of
  • the pressure-dependent capacitance of this capacitor or its changes are detected by a connected to the electrode 1 1 and the counter electrode 13, not shown here measuring electronics , and converted into a pressure-dependent measurement signal, which is then available for display, for further processing and / or evaluation.
  • the pressure sensors according to the invention may also be designed as differential pressure sensors which measure a pressure difference ⁇ between a first pressure p-1 and a second pressure p 2 .
  • An embodiment of this is shown in Fig. 2. It differs from the reference pressure sensor shown in FIG. 1 in that a second main body 3 is provided on the second side of the measuring diaphragm 1 facing away from the base body 3 of the relative pressure sensor of FIG. 1, which is preferably identical to that with the first side of the measuring diaphragm 3 connected base body 3 is.
  • the second basic body 3 is preferably connected to the second side of the measuring membrane 1 in a pressure-tight manner by means of an active brazing 7 carried out identically to the first active brazing 7, with the inclusion of a second pressure chamber 5.
  • the first side of the measuring diaphragm 1 is acted upon via the bore 9 in the first base body 3 with a first pressure pi, and the second side of the measuring diaphragm 1 via the bore 9 in the second base body 3 with a second pressure p 2 .
  • This causes a dependent of the pressure difference between the first and the second pressure pi, p 2 deflection of the measuring diaphragm 1, for example by means of a capacitive
  • the active brazing solderings 7 are each produced by means of an active brazing method according to the invention for joining a first component A, in particular a first ceramic component, having a joining surface 15, and a second component B having a joining surface 17, in particular a second ceramic component
  • the invention is described below using the example of Aktivhartlötungen of two ceramic components, it can be used completely analogously for Aktivhartlötung of components made of other actively brazeable materials. Accordingly, the measuring diaphragm 1 and base body 3 of the pressure sensors according to the invention need not necessarily both consist of ceramic. Esp. can e.g. the measuring membrane 1 from another, e.g. metallic, etchartlötbaren material.
  • an arrangement is produced in which a reactive multilayer system 19 of alternatingly deposited layers of mutually exothermically reacting reactants is arranged on the joining surface 15 of the first component A and the joining surface 17 of the second component B, and between the two reactive multilayer systems 19, a solder layer 21 is disposed of an active braid.
  • an active hard solder is a ternary active brazing solder having a Zr-Ni alloy and titanium, as is known, for example, from the above-mentioned EP 490 807 A2.
  • a Zr-Ni alloy and titanium-containing ternary active hard solders have the advantage that they have a thermal expansion coefficient that can be very well adapted to the thermal expansion coefficient of the ceramic. As a result, temperature-dependent tension between the Aktivhartlötung and the ceramic components so attached are minimized or even completely avoided.
  • Multilayer systems of alternatingly applied layers of mutually exothermically reacting reactants such as aluminum and nickel, are used.
  • multi-layer system from other reactant combinations such as
  • Titanium in combination with B or Si, Zr,
  • Each of the multilayer systems 19 comprises a plurality of layers applied alternately to one another, and the individual layers preferably have a thickness in the range of a few nanometers.
  • Fig. 3 shows an exploded view of such an arrangement, wherein the first component A in the illustrated embodiment, the measuring membrane 1 of the ceramic
  • Pressure sensor of FIG. 1 and the second component B of the base body 3 of the ceramic pressure sensor of FIG. 1 is.
  • solder layer 21 is provided as a prefabricated solder preform, here as a solder ring.
  • Aktivhartloten can be produced with a minimum thickness in the order of 30 ⁇ .
  • the multilayer systems 19 are preferably applied to the end face of the solder preform facing the respective component A and / or the joining surface 15, 17 of the respective component A, B, in particular sputtered on layer by layer, or deposited in some other way.
  • FIG. 4 a shows a variant in which the two multilayer systems 19 are applied to the two end faces of the solder layer 21 facing the joining surfaces 15, 17.
  • 4b shows an alternative variant in which the multilayer systems 19 are applied to the joining surfaces 15, 17.
  • Multilayer system 19 are applied to the respective other joining surface 17 and 15 facing the front side of the solder layer 21.
  • 4c shows a further alternative, in which the two multilayer systems 19 'each consist of two subsystems 19a, 19b, one of which faces the respective joining surfaces 15, 17 and the other faces the solder layers 21 facing the respective joining surface 15, 17 is applied.
  • the layered application of the multi-layer systems 19, 19 'on the end faces of the solder preform and / or the joining surfaces 15, 17 offers the advantage that thereby
  • Multi-layer systems can be produced that are thinner than commercially available as films prefabricated multi-layer systems.
  • multilayer systems 19, 19 'with a thickness of the order of magnitude of 1 ⁇ can be produced.
  • Another alternative is to apply the multi-layer systems 19 to the joining surfaces 15, 17 of the two components A, B, esp. Layered position by layer, or deposited in any other way, and the solder layer 21 of active brazing either - as in Fig. 4d shown - on the applied on the component B multilayer system 19th
  • the active hard solder By sputtering the active hard solder can be made in the order of 2 ⁇ to 10 ⁇ compared to the above Lotform now significantly thinner solder layers 21, esp. Lot füren 21 with a thickness in the order.
  • the heating is preferably carried out under vacuum or under a protective gas atmosphere.
  • the inventive method causes a Aktivhartlötung.
  • the active component of the active hard soldering solder passing through the respective reacting multilayer system 19, 19 'to the respective joining surface 15, 17 effects the chemical reduction of the respective joining surface 15, 17 characteristic of active brazing.
  • the multi-layer systems 19, 19 ' have a small thickness.
  • the multilayer systems 19, 19 'therefore preferably have a thickness of less than or equal to 5 ⁇ m, preferably even less than or equal to 3 ⁇ m.
  • the thickness of the solder layer 21 is preferably greater than or equal to the sum of the thicknesses of the two multilayer systems 19, 19 '.
  • a coating 23 made of the active brazing material or of an active component of the active brazing material is preferably provided on the joining surfaces 15, 17.
  • a coating 23 made of the Zr-Ni alloy and titanium ternary active brazing material or a coating 23 made of titanium or zirconium can be applied to the joining surfaces 15, 17 become.
  • the coatings 23 preferably have a thickness in the nanometer range, e.g. a thickness of the order of 100 nm, and are preferably deposited directly on the joining surfaces 15, 17, e.g. sputtered.
  • the coatings 23 are thus in the arrangement between the respective ones
  • Multilayer systems 19, 19 ' the higher the basic temperature, the higher the energy required to heat up the assembly to the basic temperature.
  • the active brazing method according to the invention even with multilayer systems 19, 19 'with a small thickness of only 1 ⁇ m, a significant energy saving can be achieved compared to active brazing caused solely by heating the component to be joined and the active brazing material arranged between the components.
  • Aktivhartlöt Kunststoff Aktivhartlötungen 7 are manufactured with a correspondingly low height.
  • a thickness of the multilayer systems 19, 19 'of 1 ⁇ m and a corresponding thickness of the solder layer 21 of 2 ⁇ m an active hard soldering 7 with a height of .mu.m.
  • Electrode spacing causes a correspondingly high basic capacitance of the capacitors of the capacitive transducer and thus increases the achievable with the pressure sensor
  • the active hard soldering 7 cools down correspondingly faster after the melting temperature of the active hard solder lying basic temperature. This drastically reduces the formation of coarser-grained structures within the joint. This makes it possible to achieve finer-grained and thus necessarily more homogeneous joints and thus higher strength joints.
  • the invention in particular offers, in connection with thicker solder layers 21, the advantage that only the directly adjacent to the multilayer systems 19, 19 '
  • Active hard solder is melted, and the melting active brazing material by the two reactive multilayer systems 19, 19 'is bound. While in conventional only by heating of measuring diaphragm, main body and an intervening arranged solder preform caused Aktivhartlötungen the risk that melting solder flows into the pressure chamber 5, and thus changes the height of Aktivhartlötung, penetration of active brazing in the direction of the pressure chamber 5 is avoided in the active brazing according to the invention.

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Abstract

Es ist ein keramischer Drucksensor mit einer mit einem Druck (p, Δp) beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran (1), einem keramischen Grundkörper (3), und einer einen äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran (1) unter Einschluss einer Druckkammer (5) mit einem äußeren Rand einer der Messmembran (1) zugewandte Stirnseite des Grundkörpers (3) verbindenden, energieeffizient herstellbaren Aktivhartlötung (7), sowie ein energieeffizient ausführbares Aktivhartlötverfahren beschrieben, der bzw. das sich dadurch auszeichnet, dass die Aktivhartlötung (7) mittels einer Anordnung erzeugt wird, in der auf den zu fügenden Fügeflächen (15, 17) jeweils ein reaktives Mehrschichtsystem (19, 19') angeordnet ist, und zwischen den beiden reaktiven Mehrschichtsystemen (19, 19') eine Lotschicht (21) aus einem Aktivhartlot angeordnet ist, und die Aktivhartlötung bei vorgeheizter Anordnung durch eine exotherme Reaktion der beiden Mehrschichtsysteme (19, 19') bewirkt wird, durch die an die reagierenden Mehrschichtsysteme (19, 19') angrenzendes Aktivhartlot aufgeschmolzen wird, und durch das jeweilige Mehrschichtsystem (19, 19') zur jeweils daran angrenzenden Fügefläche (15, 17) hindurch tritt.

Description

Keramischer Drucksensor mit einer Aktivhartlötung und Verfahren zur
Aktivhartlötung zweier Bauteile
Die Erfindung betrifft einen keramischen Drucksensor mit einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran, einem keramischen Grundkörper, und einer einen äußeren Rand einer ersten Seite der
Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung, sowie ein Verfahren zur Aktivhartlötung zweier Bauteile.
Keramische Drucksensoren umfassen Absolutdrucksensoren, die einen auf die
Messmembran einwirkenden Druck gegenüber Vakuum messen, Relativdrucksensoren, die den auf die Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Druckkammer zugeführten Referenzdruck, z.B. einen Atmosphärendruck, messen, sowie
Differenzdrucksensoren, die eine Druckdifferenz zwischen einem auf eine erste Seite der Messmembran einwirkenden ersten Druck und einem auf eine zweite Seite der
Messmembran einwirkenden zweiten Druck erfassen.
Keramische Drucksensoren der eingangs genannte Art finden heute weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik.
In der EP 490 807 A1 ist ein keramischer Drucksensor beschrieben, mit
- einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren
Messmembran,
- einem keramischen Grundkörper, und
- einer einen äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung. Messmembran und Grundkörper dieser Drucksensoren bestehen z.B. aus Aluminiumoxid und sind mittels einer mit einem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot ausgeführten Aktivhartlötung druckdicht gefügt. Beim Aktivhartlöten reagiert die aktive Komponente des Aktivhartlots, hier Titan, mit der Keramik. Dabei wird durch Reduktion der Keramik eine mechanisch hochfeste chemische Verbindung zwischen der Keramik und dem Aktivhartlot bewirkt. In der EP 490 807 A1 ist die Aktivhartlötung mittels eines ringförmigen Lotformteils beschrieben , dessen Höhe der Höhe der unter der Messmembran eingeschlossenen Druckkammer entspricht.
Die Lötung erfolgt, in dem eine durch den Grundkörper, das Lotformteil und die
Messmembran gebildete Anordnung insgesamt auf eine oberhalb der Schmelztemperatur des Lots liegende Löttemperatur aufgeheizt, und dort über einen längeren Zeitraum, insb. einen Zeitraum von 5 min bis 15 min, gehalten wird. In Verbindung mit den oben genannten eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartloten sind hierzu regelmäßig Temperaturen oberhalb von 800°C, insb. Temperaturen im Bereich von 890°C bis 920°C, erforderlich. Das Löten ist somit ein zeit- und energieintensiver Prozess.
Da Grundkörper, Lotformteil und Messmembran insgesamt auf diese vergleichsweise hohe, über der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende Temperatur gebracht werden müssen, dauert es entsprechend lange, bis sich die Fügung im Anschluss an den
Lötvorgang abkühlt. Lange Abkühldauern begünstigen die Ausbildung grobkörnigerer Strukturen durch Phasenauscheidungen innerhalb der Fügung. Dies kann zu
Inhomogenitäten innerhalb der Fügung führen, die die Festigkeit der Fügung
beeinträchtigen. Bei kapazitiven keramischen Drucksensoren, die mindestens einen, durch eine auf die Messmembran aufgebrachte Elektrode und eine auf die der Messmembran zugewandte Stirnseite des Grundkörpers aufgebrachte Gegenelektrode gebildeten Kondensator mit einer von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran abhängigen Kapazität aufweisen, hängt der Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode regelmäßig von der Dicke der Messmembran und Grundkörper verbindenden Aktivhartlötung ab. Die in der EP 490 807 A1 beschriebenen Lotformteile weisen aufgrund des zu deren Herstellung verwendeten Melt-Spinning-Verfahrens eine Mindestdicke in der Größenordnung von 30 μιη auf. Eine geringere Mindestdicke der Messmembran und Grundkörper verbindenden
Aktivhartlötung, und damit einhergehend ein zur Erzielung einer höheren Messgenauigkeit vorteilhafterer geringerer Elektrodenabstand kann gemäß einem in der DE 10 2010 043 1 19 A1 beschriebenen Verfahren erzielt werden. Dabei wird das für die Aktivhartlötung benötigte Aktivhartlot mittels Gasphasenabscheidung auf die Fügeflächen aufgebracht. Hierdurch können Fügestellen geringerer Bauhöhe, z.B. mit einer Dicke von 10 μιη, hergestellt werden.
Um die Reaktion des Aktivhartlots mit den keramischen Fügeflächen zu erleichtern, ist in der DE 10 2010 043 1 19 A1 beschrieben, vor der Lötung eine Beschichtung aus einer aktiven Komponente des Aktivhartlots, z.B. eine Beschichtung mit einer Dicke in der
Größenordnung von 100 nm, auf die keramischen Fügeflächen aufzubringen, auf die dann eine dickere Schicht des Aktivhartlots, z.B. eine Schicht mit einer Dicke von 5 μιη - 10 μιη, abgeschieden wird. Auch bei diesen Aktivhartlötungen müssen die zu fügenden Bauteile über einen längeren Zeitraum auf einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots gehalten werden, so dass der Lötvorgang auch hier ein energieintensiver Prozess ist, und sich innerhalb der Fügung aufgrund der entsprechend langen Abkühldauer Inhomogenitäten ausbilden können, die die Festigkeit der Aktivhartlötung beeinträchtigen.
In der US 7,361 ,412 B2 sind sowohl Hartlötverfahren als auch Weichlötverfahren beschrieben, bei denen für die Lötung erforderliche Wärmeenergie durch reaktive, als Folie bereitgestellte Mehrschichtsysteme erzeugt wird. Reaktive Mehrschichtsysteme bestehen aus alternierend aufeinander abgeschiedenen dünnen Lagen miteinander exotherm reagierender Reaktionspartner, wie z.B. Nickel und Aluminium. Ausgelöst durch eine lokale Aktivierung des Mehrschichtsystems bilden die Reaktionspartner intermetallische Phasen aus. Bei ausreichend hoher Reaktionsenthalpie der Phasenbildung führt die hierdurch lokal frei gesetzte Reaktionswärme dazu, dass sich die exotherme Reaktion selbsttätig entlang des Mehrschichtsystems fortsetzt. Dieser Prozess läuft umso schneller ab, je dünner die einzelnen Lagen sind. Je nach Dicke der Lagen werden Ausbreitungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 30 m/s erreicht. Die dabei frei gesetzte Wärmeenergie ist umso größer, je dicker das Mehrschichtsystem ist. Dabei werden kurzzeitig Temperaturen von über 1000 °C erreicht. Da die Wärmeenergie nur sehr kurzzeitig und sehr lokal zugeführt wird, kühlt die Fügestelle im Anschluss an den Lötprozess sehr schnell wieder ab.
Aufgrund der schnelleren Abkühlung bilden sich feinkörnigere, homogenere und somit eine höhere Festigkeit aufweisende Fügungen aus.
Die in der US 7,361 ,412 B2 beschriebenen Lötverfahren folgen alle dem gleichen
Grundprinzip, bei dem ein Mehrschichtsystem zwischen zwei zu verlötenden Bauteilen angeordnete wird, und auf beiden Seiten des Mehrschichtsystems jeweils mindestens eine Lotschicht zwischen dem Mehrschichtsystem und dem jeweiligen Bauteil angeordnet wird. Es wird also eine Anordnung mit der Stapelreihenfolge: Bauteil, Lot, Mehrschichtsystem, Lot, Bauteil gebildet. Die Fügung der beiden Bauteile erfolgt, in dem diese Anordnung bei Raumtemperatur mit Druck beaufschlagt wird, und die Reaktion des Mehrschichtsystem ausgelöst wird.
In der US 7,361 ,412 B2 sind Verfahren zur Verbindung eines keramischen Bauteils, z.B. aus SiC oder Al203, mit einem metallischen Bauteil, z.B. aus Titan oder Aluminium, beschriebenen, bei denen die Fügeflächen der zu fügenden Bauteile vorab mit Hartlot, z.B. Incusil, beschichtet werden. Eines dieser Verfahren sieht vor, das Mehrschichtsystem unmittelbar zwischen den beiden vorbeschichteten Bauteilen anzuordnen. Ein weiteres Verfahren sieht vor zwischen den beiden vorbeschichteten Bauteilen ein beidseitig mit Incusil beschichtetes Mehrschichtsystem anzuordnen. Ein drittes Verfahren sieht vor zwischen den beiden vorbeschichteten Bauteilen ein beidseitig mit Incusil beschichtetes Mehrschichtsystem anzuordnen und zusätzlich zu beiden Seiten des beschichteten Mehrschichtsystems zwischen dem Mehrschichtsystem und dem jeweiligen Bauteil eine Lotschicht, z.B. eine Hartlotschicht, vorzusehen. Je nach Vorgehensweise gemäß der US 7,361 ,412 B2 sind zur Bereitstellung der erforderlichen Energiemenge zum Weichlöten Mehrschichtsysteme mit einer Dicke von mindestens 30 μιη, zum Hartlöten sogar 150 μιη und mehr, erforderlich. Das führt dazu, dass die Bauhöhe auf diese Weise gefertigter Fügestellen entsprechend hoch ist, so dass diese Verfahren zur Fügung von Messmembran und Grundkörper kapazitiver keramischer Drucksensoren regelmäßig ungeeignet sind.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen keramischen Drucksensor mit einer
energieeffizient herstellbaren Aktivhartlötung von Messmembran und Grundkörper, sowie wie ein energieeffizient ausführbares Aktivhartlötverfahren anzugeben.
Hierzu umfasst die Erfindung einen keramischen Drucksensor, mit
- einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren
Messmembran,
- einem keramischen Grundkörper, und
- einer einen äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung,
der sich dadurch auszeichnet, dass
- die Aktivhartlötung eine mittels einer Anordnung erzeugte Aktivhartlötung ist, in der auf einer Fügefläche der Messmembran und einer Fügefläche des Grundkörpers jeweils ein reaktives Mehrschichtsystem aus alternierend aufeinander abgeschiedenen Lagen miteinander exotherm reagierender Reaktionspartner angeordnet ist, und zwischen den beiden reaktiven Mehrschichtsystemen eine Lotschicht aus einem Aktivhartlot angeordnet ist, und
- die Aktivhartlötung eine bei vorgeheizter Anordnung auf eine unterhalb der
Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende, in Abhängigkeit von einer bei der exothermen Reaktion der Mehrschichtsysteme frei werdenden Energie und der
Schmelztemperatur des Aktivhartlots vorgegebene Grundtemperatur durch die exothermen Reaktion der beiden reaktiven Mehrschichtsysteme bewirkte Aktivhartlötung ist, bei der an die reagierenden Mehrschichtsysteme angrenzendes aufschmelzendes
Aktivhartlot der Lotschicht durch das jeweilige Mehrschichtsystem zur jeweils daran angrenzenden Fügefläche hindurch tritt.
Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Mehrschichtsysteme eine Dicke von kleiner gleich 5 μιη, insb. kleiner gleich 3 μιη, auf. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Lotschicht eine Dicke auf, die größer gleich einer Summe der Dicken der beiden Mehrschichtsysteme ist.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Anordnung zwischen jeder Fügefläche und dem jeweils daran angrenzenden Mehrschichtsystem eine auf die jeweilige Fügefläche aufgebrachte, insb. aufgesputterte, Beschichtung aus dem Aktivhartlot oder aus einer aktiven Komponente des Aktivhartlots.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Aktivhartlot ein eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisendes ternäres Aktivhartlot.
Gemäß einer Weiterbildung
- ist die Lotschicht aus einem vorgefertigten Lotformteil, insb. einem Lotring, gebildet, und
- die Mehrschichtsysteme sind auf die in der Anordnung der Messmembran und/oder dem Grundkörper zugewandte Stirnseite des Lotformteils und/oder auf die Fügefläche der
Messmembran und/oder die Fügefläche des Grundkörpers aufgebrachte, insb. Lage für Lage aufgesputterte, Mehrschichtsysteme.
Ein weitere Weiterbildung sieht vor, dass
- die Mehrschichtsysteme auf die Fügefläche der Messmembran und die Fügefläche des Grundkörpers aufgebrachte, insb. Lage für Lage aufgesputterte, Mehrschichtsysteme sind, und
- die Lotschicht eine auf eines der beiden Mehrschichtsysteme aufgebrachte, insb.
aufgesputterte, Lotschicht ist.
Weiter umfasst die Erfindung ein Aktivhartlötverfahren zur Aktivhartlötung eines eine Fügefläche aufweisenden ersten Bauteils, insb. eines ersten keramischen Bauteils, und eines eine Fügefläche aufweisenden zweiten Bauteils, insb. eines zweiten keramischen Bauteils, gemäß dem
- eine Anordnung erzeugt wird, in der auf der Fügefläche des ersten Bauteils und der Fügefläche des zweiten Bauteils jeweils ein reaktives Mehrschichtsystem aus alternierend aufeinander abgeschiedenen Lagen miteinander exotherm reagierender Reaktionspartner angeordnet ist, und zwischen den beiden reaktiven
Mehrschichtsystemen eine Lotschicht aus einem Aktivhartlot angeordnet ist,
- die Anordnung auf eine in Abhängigkeit von einer bei der exothermen Reaktion der Mehrschichtsysteme frei werdenden Energie und der Schmelztemperatur des
Aktivhartlots vorgegebene, unterhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende Grundtemperatur aufgeheizt wird, und
- eine exotherme Reaktion der beiden reaktiven Mehrschichtsysteme ausgelöst wird, durch die an das jeweilige Mehrschichtsystem angrenzendes Aktivhartlot der Lotschicht aufgeschmolzen wird und durch das jeweilige Mehrschichtsystem zur jeweils daran angrenzenden Fügefläche hindurch tritt.
Eine Weiterbildung des Aktivhartlötverfahrens sieht vor, dass
- die Lotschicht in Form eines Lotformteils bereitgestellt wird, und
- die Mehrschichtsysteme auf die in der Anordnung der Fügefläche des ersten Bauteils und/oder der Fügefläche des zweiten Bauteils zugewandte Stirnseite des Lotformteils und/oder auf die Fügefläche des ersten Bauteils und/oder die Fügefläche des zweiten Bauteils aufgebracht, insb. Lage für Lage aufgesputtert, werden.
Eine weitere Weiterbildung sieht vor, dass
- die Mehrschichtsysteme auf die Fügeflächen der Bauteile aufgebracht, insb. Lage für Lage aufgesputtert werden, und
- die Lotschicht auf eines der beiden Mehrschichtsysteme aufgebracht, insb. aufgesputtert, wird.
Eine weitere Weiterbildung des Aktivhartlötverfahrens sieht vor, dass auf mindestens einer der Fügeflächen, insb. auf beiden Fügeflächen, eine Beschichtung aus dem Aktivhartlot oder aus einer aktiven Komponente des Aktivhartlots aufgebracht, insb. aufgesputtert wird, die sich in der Anordnung zwischen der jeweiligen Fügefläche und dem dieser Fügefläche zugewandten Mehrschichtsystem befindet.
Weitere Ausgestaltungen des Aktivhartlötverfahrens sehen vor,
- dass die Mehrschichtsysteme eine Dicke von kleiner gleich 5 μιη, insb. kleiner gleich 3 μιη, aufweisen,
- dass die Lotschicht eine Dicke aufweist, die größer gleich einer Summe der Dicken der beiden Mehrschichtsysteme ist, sowie
- dass das Aktivhartlot ein eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisendes ternäres
Aktivhartlot ist.
Die erfindungsgemäßen Drucksensoren weisen den Vorteil auf, dass für die Aktivhartlötung von Messmembran und Grundkörper aufgrund der beiden exotherm reagierenden
Mehrschichtsysteme deutlich weniger Zeit und Energie benötigt wird, als das bei heute zur Herstellung von Drucksensoren eingesetzten, ausschließlich durch Aufheizen der zu fügenden Bauteile und des zwischen den Bauteilen angeordneten Aktivhartlots bewirkten Aktivhartlötungen der Fall ist.
Da die exotherme Reaktion der Mehrschichtsysteme für die Lötung genutzte zusätzliche Energie genau dort liefert, wo sie benötigt wird, müssen Messmembran und Grundkörper für die Aktivhartlötung nicht mehr insgesamt über die Schmelztemperatur des Aktivhartlots erwärmt werden. Dies führt dazu, dass die Aktivhartlötung im Anschluss an den Lötprozess schneller abkühlt. Hierdurch wird die Ausbildung grobkörnigerer Strukturen innerhalb der Fügung drastisch reduziert. Damit lassen sich feinkörnigere, und damit zwangsläufig homogenere und somit eine höhere Festigkeit aufweisende Fügungen erzielen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindungen besteht darin, dass die Aktivhartlötungen mit vergleichsweise geringer Bauhöhe, insb. mit Bauhöhen größer gleich 4μιτι hergestellt werden können.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt: einen erfindungsgemäßen keramischen Drucksensor;
Fig. 2 zeigt: einen erfindungsgemäßen keramischen Differenzdrucksensor;
Fig. 3 zeigt: eine Explosionsdarstellung einer Anordnung zur Herstellung einer
Aktivhartlötung;
Fig. 4a zeigt: eine Anordnung gemäß Fig. 3, bei der die beiden Mehrschichtsysteme auf gegenüberliegende Stirnseiten der Lotschicht aufgebracht sind;
Fig. 4b zeigt: eine Anordnung gemäß Fig. 3, bei der die beiden Mehrschichtsysteme auf die
Fügeflächen aufgebracht sind;
Fig. 4c zeigt: eine Anordnung gemäß Fig. 3, bei der sowohl auf die beiden Fügeflächen, als auch auf die diesen gegenüberliegenden Stirnseiten der Lotschicht jeweils ein Teilsystem eines Mehrschichtsystems aufgebracht ist;
Fig. 4d zeigt: eine Anordnung gemäß Fig. 3, bei der die beiden Mehrschichtsysteme auf die
Fügeflächen aufgebracht sind, und die Lotschicht auf dem auf dem
Grundkörper aufgebrachten Mehrschichtsystem aufgebracht ist; und
Fig. 4e zeigt: eine Anordnung gemäß Fig. 3, bei der die beiden Mehrschichtsysteme auf die
Fügeflächen aufgebracht sind, und die Lotschicht auf dem auf der
Messmembran aufgebrachten Mehrschichtsystem aufgebracht ist.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen keramischen Drucksensors. Dieser umfasst eine mit einem Druck p beaufschlagbare und druckabhängig elastisch verformbare Messmembran 1 , die auf einem keramischen Grundkörper 3 angeordnet ist. Messmembran 1 und Grundkörper 3 bestehen aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid (AI2O3) oder aus Zirkoniumoxid (ZrÜ2), und sind miteinander unter Einschluss einer Druckkammer 5 druckdicht verbunden. Hierzu ist ein äußerer Rand einer dem Grundkörper 3 zugewandten Seite der Messmembran 1 unter Einschluss der Druckkammer 5 mittels einer Aktivhartlötung 7 mit einem äußeren Rand einer der
Messmembran 1 zugewandte Stirnseite des Grundkörpers 3 verbunden.
Der dargestellte Drucksensor kann als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. In dem Fall ist die unter der Messmembran 1 eingeschlossene Druckkammer 5 evakuiert. Alternativ kann er als Relativdrucksensor ausgebildet werden, indem der Druckkammer 5 über eine durch den Grundkörper 3 hindurch führende, in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Bohrung 9 ein Referenzdruck pref, z.B. ein Atmosphärendruck zugeführt wird, bezogen auf den der auf die Messmembran 1 einwirkende Druck p erfasst werden soll.
Der Drucksensor umfasst einen elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran 1 messtechnisch zu erfassen. In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen ist hierzu ein kapazitiver Wandler vorgesehen, der mindestens einen Kondensator mit einer sich in Abhängigkeit von der druckbedingten Auslenkung der Messmembran 1 verändernden Kapazität aufweist. Ein solcher
Kondensator umfasst eine auf einer dem Grundkörper 3 zugewandten Seite der
Messmembran 1 aufgebrachte Messelektrode 1 1 und eine auf einer der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 3 aufgebrachte Gegenelektrode 13. Die druckabhängige Kapazität dieses Kondensators bzw. deren Änderungen werden über eine an die Elektrode 1 1 und die Gegenelektrode 13 angeschlossene, hier nicht dargestellte Messelektronik erfasst, und in ein druck-abhängiges Messsignal umgewandelt, das dann zur Anzeige, zur weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.
Alternativ können die erfindungsgemäßen Drucksensoren auch als Differenzdrucksensoren ausgebildet sein, die eine Druckdifferenz Δρ zwischen einem ersten Druck p-ι und einem zweiten Druck p2 messen. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 2 dargestellt. Es unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Referenzdrucksensor dadurch, dass auf der vom Grundkörper 3 des Relativdrucksensors von Fig. 1 abgewandten zweite Seite der Messmembran 1 ein zweiter Grundkörper 3 vorgesehen ist, der vorzugsweise identisch zu dem mit der ersten Seite der Messmembran 3 verbundenen Grundkörper 3 ist. Der zweite Grundkörper 3 ist vorzugsweise über eine identisch zu der ersten Aktivhartlötung 7 ausgeführte Aktivhartlötung 7 unter Einschluss einer zweiten Druckkammer 5 druckdicht mit der zweiten Seite der Messmembran 1 verbunden. Im Messbetrieb wird die erste Seite der Messmembran 1 über die Bohrung 9 im ersten Grundkörper 3 mit einem ersten Druck p-i , und die zweite Seite der Messmembran 1 über die Bohrung 9 im zweiten Grundkörper 3 mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagt. Dies bewirkt eine von der Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p-i , p2 abhängige Auslenkung der Messmembran 1 , die z.B. mittels eines kapazitiven
elektromechanischen Wandlers messtechnisch erfasst, und in einem entsprechendes Differenzdruckmesssignal umgewandelt wird.
Erfindungsgemäß sind die Aktivhartlötungen 7 jeweils mittels eines erfindungsgemäßen Aktivhartlötverfahrens zur Fügung eines eine Fügefläche 15 aufweisenden ersten Bauteils A, insb. eines ersten keramischen Bauteils, und eines eine Fügefläche 17 aufweisenden zweiten Bauteils B, insb. eines zweiten keramischen Bauteils, hergestellte
Aktivhartlötungen. Auch wenn die Erfindung nachfolgend am Beispiel von Aktivhartlötungen von zwei keramischen Bauteilen beschrieben ist, kann sie völlig analog auch zur Aktivhartlötung von Bauteilen aus anderen aktivhartlötbaren Materialien eingesetzt werden. Entsprechend müssen Messmembran 1 und Grundkörper 3 der erfindungsgemäßen Drucksensoren nicht zwingend beide aus Keramik bestehen. Insb. kann z.B. die Messmembran 1 aus einem anderen, z.B. metallischen, aktivhartlötbaren Material bestehen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Anordnung hergestellt, in der auf der Fügefläche 15 des ersten Bauteils A und der Fügefläche 17 des zweiten Bauteils B jeweils ein reaktives Mehrschichtsystem 19 aus alternierend aufeinander abgeschiedenen Lagen miteinander exotherm reagierender Reaktionspartner angeordnet ist, und zwischen den beiden reaktiven Mehrschichtsystemen 19 eine Lotschicht 21 aus einem Aktivhartlot angeordnet ist.
Als Aktivhartlot eignet sich insb. ein eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisendes ternäres Aktivhartlot, wie es beispielsweise aus der eingangs genannten EP 490 807 A2 bekannt ist. Eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisende ternäre Aktivhartlote weisen den Vorteil auf, dass sie einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der sehr gut an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik angepasst werden kann. Hierdurch werden temperaturabhängige Verspannungen zwischen der Aktivhartlötung und den damit gefügten keramischen Bauteilen minimiert oder sogar ganz vermieden.
Als reaktive Mehrschichtsystem 19 können aus dem Stand der Technik bekannte
Mehrschichtsysteme aus alternierend aufeinander aufgebrachten Lagen miteinander exotherm reagierender Reaktionspartner, wie z.B. Aluminium und Nickel, eingesetzt werden. Alternativ können Mehrschichtsystem aus anderen Reaktionspartnerkombinationen wie z.B.
- Aluminium in Kombination mit CuOx, Fe2C>3, Pd, Pt oder Zr,
- Titan in Kombination mit B oder Si, Zr,
- Nickel oder Palladium in Kombination mit Si, oder
- Palladium oder Platin in Kombination mit Sn oder Zn,
oder auch Mehrschichtsysteme mit mehr als zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern eingesetzt werden. Jedes der Mehrschichtsysteme 19 umfasst eine Vielzahl alternierend auf einander aufgebrachter Lagen, und die einzelnen Lagen weisen vorzugsweise eine Dicke im Bereich weniger Nanometer auf.
Fig. 3 zeigt eine Explosionsdarstellung einer solchen Anordnung, wobei das erste Bauteil A in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Messmembran 1 des keramischen
Drucksensors von Fig. 1 und das zweite Bauteil B der Grundkörper 3 des keramischen Drucksensors von Fig. 1 ist.
Die Herstellung dieser Anordnung kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Lotschicht 21 als vorgefertigtes Lotformteil, hier als Lotring, bereitgestellt wird. Derartige Lotformteile aus den oben genannten eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären
Aktivhartloten sind mit einer Mindestdicke in der Größenordnung von 30 μιη herstellbar. In dem Fall werden die Mehrschichtsysteme 19 vorzugsweise auf die dem jeweiligen Bauteil A zugewandte Stirnseite des Lotformteils und/oder die Fügefläche 15, 17 des jeweiligen Bauteils A, B aufgebracht, insb. Lage für Lage aufgesputtert, oder auf andere Weise abgeschieden.
Fig. 4a zeigt hierzu eine Variante, bei der die beiden Mehrschichtsysteme 19 auf die beiden, den Fügeflächen 15, 17 zugewandten Stirnseiten der Lotschicht 21 aufgebracht sind. Fig. 4b zeigt ein alternative Variante, bei der die Mehrschichtsysteme 19 auf die Fügeflächen 15, 17 aufgebracht sind. Alternativ kann natürlich auch eines der
Mehrschichtsysteme 19 auf eine der Fügeflächen 15 oder 17, und das andere
Mehrschichtsystem 19 auf die der jeweils anderen Fügefläche 17 bzw. 15 zugewandte Stirnseite der Lotschicht 21 aufgebracht werden.
Fig. 4c zeigt eine weitere Alternative, bei der die beiden Mehrschichtsysteme 19' jeweils aus zwei Teilsystemen 19a, 19b bestehen, von denen eins auf die jeweilige Fügeflächen 15, 17 und das andere auf die der jeweiligen Fügefläche 15, 17 zugewandte Stirnseiten der Lotschicht 21 aufgebracht ist. Das schichtweise Aufbringen der Mehrschichtsysteme 19, 19' auf die Stirnseiten des Lotformteils und/oder die Fügeflächen 15, 17 bietet den Vorteil, dass hierdurch
Mehrschichtsysteme hergestellt werden können, die dünner sind als im Handel als Folien erhältliche vorgefertigte Mehrschichtsysteme. Hierdurch können insb. Mehrschichtsysteme 19, 19' mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 μιτι hergestellt werden. Das gilt auch für aus zwei Teilsystemen 19a, 19b gebildeten Mehrschichtsystemen 19', deren Dicke durch der Summe der Dicken der beiden Teilsysteme 19a, 19b gegeben ist.
Eine weitere Alternative besteht darin, die Mehrschichtsysteme 19 auf die Fügeflächen 15, 17 der beiden Bauteile A, B aufzubringen, insb. Lage für Lage aufzus puttern, oder auf andere Weise abzuscheiden, und die Lotschicht 21 aus Aktivhartlot entweder - wie in Fig. 4d dargestellt - auf das auf dem Bauteil B aufgebrachte Mehrschichtsystem 19
aufzubringen, insb. aufzusputtern, oder
- wie in Fig. 4e dargestellt - auf das auf dem Bauteil A aufgebrachte Mehrschichtsystem 19 aufzubringen, insb. aufzusputtern.
Durch das Aufsputtern des Aktivhartlots können im Vergleich zu den oben genannten Lotformteilen deutlich dünnere Lotschichten 21 , insb. Lotschichten 21 mit einer Dicke in der Größenordnung von 2 μιτι bis 10 μιη hergestellt werden.
In einem ersten Verfahrensschritt wird die auf diese Weise gebildete Anordnung in einem Ofen auf eine in Abhängigkeit von einer bei der exothermen Reaktion der
Mehrschichtsysteme 19, 19' frei werdenden Energie und einer Schmelztemperatur des Aktivhartlots vorgegebene, unterhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende, Grundtemperatur aufgeheizt. Das Aufheizen erfolgt vorzugsweise unter Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre.
Anschließend werden die reaktiven Mehrschichtsysteme 19, 19' bei aufgeheizter
Anordnung zur Reaktion gebracht. Diese Reaktionen können z.B. elektrisch, thermisch, elektromagnetisch oder mittels Laserimpulsen ausgelöst werden. Entsprechende Verfahren zur Auslösung dieser Reaktionen sind aus dem Stand der Technik bekannt, und daher hier nicht im Detail beschrieben.
Durch die bei aufgeheizter Anordnung durch diese exothermen Reaktionen zusätzlich zugeführte Energie wird an das jeweilige Mehrschichtsystem 19, 19' angrenzendes
Aktivhartlot der Lotschicht 21 aufgeschmolzen. Dabei tritt aufgeschmolzenes Aktivhartlot durch das jeweilige reagierende Mehrschichtsystem 19, 19' hindurch zu der an das jeweilige Mehrschichtsystem 19, 19' angrenzenden Fügefläche 15, 17. Im Unterschied zum Reaktionsschweißen mittels reaktiver Mehrschichtsysteme, bei dem die Fügeflächen zu fügender Bauteile durch von unmittelbar daran angrenzenden
Mehrschichtsystemen frei gesetzte Reaktionswärme aufgeschmolzen werden, bewirkt das erfindungsgemäße Verfahren eine Aktivhartlötung. Dabei bewirkt die aktive Komponente des durch das jeweilige reagierende Mehrschichtsystem 19, 19' zur jeweiligen Fügefläche 15, 17 hindurch tretenden Aktivhartlots die für die Aktivhartlötung charakteristische chemische Reduktion der jeweiligen Fügefläche 15, 17.
Zur Erzielung einer vollständigen Benetzung der Fügeflächen 15, 17 mit dem
aufgeschmolzenen Aktivhartlot ist es von Vorteil, wenn die Mehrschichtsysteme 19, 19' eine geringe Dicke aufweisen. Die Mehrschichtsysteme 19, 19' weisen daher vorzugsweise eine Dicke von kleiner gleich 5 μιη, vorzugsweise sogar kleiner gleich 3 μιη auf. Dabei ist die Dicke der Lotschicht 21 vorzugsweise größer gleich der Summe der Dicken der beiden Mehrschichtsysteme 19, 19'.
Zur Unterstützung und zur Beschleunigung der Benetzung der Fügeflächen 15, 17 ist auf den Fügeflächen 15, 17 vorzugsweise eine Beschichtung 23 aus dem Aktivhartlot oder aus einer aktiven Komponente des Aktivhartlots vorgesehen. In Verbindung mit eine Zr-Ni- Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartloten kann auf den Fügeflächen 15, 17 hierzu jeweils eine Beschichtung 23 aus dem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot oder eine Beschichtung 23 aus aus Titan oder aus Zirkonium aufgebracht werden. Die Beschichtungen 23 weisen vorzugsweise eine Dicke im Nanometerbereich, z.B. eine Dicke in der Größenordnung von 100 nm, auf, und werden vorzugsweise unmittelbar auf die Fügeflächen 15, 17 abgeschieden, z.B. aufgesputtert. Die Beschichtungen 23 befinden sich somit in der Anordnung zwischen der jeweiligen
Fügefläche 15 bzw. 19 und dem jeweils daran angrenzenden Mehrschichtsystem 19, 19'.
Je geringer die Dicke der Mehrschichtsysteme 19, 19' ist, umso geringer ist auch die durch deren exotherme Reaktion freigesetzte Energie. Entsprechend ist die Grundtemperatur, auf die die Anordnung vorgeheizt wird, umso höher anzusetzen, je geringer die Dicke der
Mehrschichtsysteme 19, 19' ist. Je höher die Grundtemperatur ist, umso höher ist natürlich auch der zum Aufheizen der Anordnung auf die Grundtemperatur benötigte Energiebedarf. Mit dem erfindungsgemäßen Aktivhartlötverfahren ist bereits mit Mehrschichtsystemen 19, 19' mit einer geringen Dicke von nur 1 μιτι eine deutliche Energieeinsparung gegenüber ausschließlich durch Aufheizen der zu fügenden Bauteils und des zwischen den Bauteilen angeordneten Aktivhartlots bewirkten Aktivhartlötungen erzielbar.
Während die gesamte Anordnung bei ausschließlich durch Aufheizen von zwischen den Fügepartnern angeordnetem Aktivhartlot bewirkten Aktivhartlötungen über mehrere Minuten auf einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots, in der Regel also deutlich oberhalb von 800°C gehalten werden muss, genügt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn die Anordnung über den für die Reaktion der Mehrschichtsysteme 19, 19' benötigten Zeitraum auf der unterhalb der Schmelztemperatur liegenden Grundtemperatur gehalten wird.
In Verbindung mit einem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot mit einem Schmelzpunkt von 890°C, und zwei reaktiven Aluminium-Nickel- Mehrschichtsystemen 19, 19' mit einer Dicke von 1 μιτι genügt hierzu eine
Grundtemperatur in der Größenordnung von 600°C. Da die Reaktion der
Mehrschichtsysteme 19, 19' extrem schnell, in der Regel innerhalb weniger Millisekunden, abläuft, ist die Dauer, während der die Anordnung auf der Grundtemperatur gehalten werden muss, ebenfalls entsprechend kurz.
Das bewirkt eine deutliche Zeit- und Energieeinsparung bei der Herstellung der
Aktivlötungen 7.
Aufgrund der geringen Dicke der Mehrschichtsysteme 19, 19' und den entsprechend dünn realisierbaren Dicken der Lotschicht 21 können mit dem erfindungsgemäßen
Aktivhartlötverfahren Aktivhartlötungen 7 mit entsprechend geringer Bauhöhe hergestellt werden. So kann zum Beispiel bei einer Dicke der Mehrschichtsysteme 19, 19' von 1 μιτι und einer entsprechenden Dicke der Lotschicht 21 von 2 μιτι eine Aktivhartlötung 7 mit einer Bauhöhe von
4 μιτι hergestellt werden. Derartig dünne Aktivhartlötungen 7 kapazitiver Drucksensoren bieten den Vorteil eines entsprechend geringen Elektrodenabstands. Ein geringer
Elektrodenabstand bewirkt eine entsprechend hohe Grundkapazität der Kondensatoren der kapazitiven Wandler und erhöht somit die mit dem Drucksensor erzielbare
Messgenauigkeit.
Da die zu fügenden Bauteile A und B, insb. Messmembran 1 und Grundkörper 3 der erfindungsgemäßen Drucksensoren, nur noch auf die deutlich unterhalb der
Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende Grundtemperatur erwärmt werden müssen, kühlt die Aktivhartlötung 7 im Anschluss an den Lötprozess entsprechend schneller ab. Hierdurch wird die Ausbildung grobkörnigerer Strukturen innerhalb der Fügung drastisch reduziert. Damit lassen sich feinkörnigere und damit zwangsläufig homogenere und somit eine höhere Festigkeit aufweisende Fügungen erzielen.
Darüber hinaus bietet die Erfindung insb. in Verbindung mit dickeren Lotschichten 21 den Vorteil, dass nur das unmittelbar an die Mehrschichtsysteme 19, 19' angrenzende
Aktivhartlot aufgeschmolzen wird, und das aufschmelzende Aktivhartlot durch die beiden reaktiven Mehrschichtsysteme 19, 19' gebunden wird. Während bei herkömmlichen ausschließlich durch Aufheizen von Messmembran, Grundkörper und einem dazwischen angeordnete Lotformteil bewirkten Aktivhartlötungen die Gefahr besteht, dass aufschmelzendes Lot in die Druckkammer 5 fließt, und damit die Bauhöhe der Aktivhartlötung verändert, wird ein Eindringen von Aktivhartlot in Richtung der Druckkammer 5 bei der erfindungsgemäßen Aktivhartlötung vermieden.
Messmembran
Grundkörper
Druckkammer
Aktivhartlötung
Bohrung
Messelektrode
Gegenelektrode
Fügefläche
Fügefläche
reaktives Mehrschichtsystem
reaktives Mehrschichtsystem
Lotschicht aus Aktivhartlot
Beschichtung aus einer aktiven Komponente des Aktivhartlots

Claims

Patentansprüche
1. Keramischer Drucksensor, mit
- einer mit einem Druck (p, Δρ) beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch
verformbaren Messmembran (1 ),
- einem keramischen Grundkörper (3), und
- einer einen äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran (1 ) unter Einschluss einer Druckkammer (5) mit einem äußeren Rand einer der Messmembran (1 ) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (3) verbindenden Aktivhartlötung (7), dadurch gekennzeichnet, dass
- die Aktivhartlötung (7) eine mittels einer Anordnung erzeugte Aktivhartlötung ist, in der auf einer Fügefläche (15) der Messmembran (1 ) und einer Fügefläche (17) des Grundkörpers (3) jeweils ein reaktives Mehrschichtsystem (19, 19') aus alternierend aufeinander abgeschiedenen Lagen miteinander exotherm reagierender
Reaktionspartner angeordnet ist, und zwischen den beiden reaktiven
Mehrschichtsystemen (19, 19') eine Lotschicht (21 ) aus einem Aktivhartlot angeordnet ist, und
- die Aktivhartlötung eine bei vorgeheizter Anordnung auf eine unterhalb der
Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende, in Abhängigkeit von einer bei der exothermen Reaktion der Mehrschichtsysteme (19, 19') frei werdenden Energie und der Schmelztemperatur des Aktivhartlots vorgegebene Grundtemperatur durch die exothermen Reaktion der beiden reaktiven Mehrschichtsysteme (19, 19') bewirkte Aktivhartlötung ist, bei der an die reagierenden Mehrschichtsysteme (19, 19') angrenzendes aufschmelzendes Aktivhartlot der Lotschicht (21 ) durch das jeweilige Mehrschichtsystem (19, 19') zur jeweils daran angrenzenden Fügefläche (15, 17) hindurch tritt.
2. Keramischer Drucksensor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Mehrschichtsysteme (19, 19') eine Dicke von kleiner gleich 5 μιη, insb. kleiner gleich 3 μιτι, aufweisen.
Keramischer Drucksensor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschicht (21 ) eine Dicke aufweist, die größer gleich einer Summe der Dicken der beiden Mehrschichtsysteme (19, 19') ist.
Keramischer Drucksensor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zwischen jeder Fügefläche (15, 17) und dem jeweils daran angrenzenden Mehrschichtsystem (19, 19') eine auf die jeweilige Fügefläche (15, 17) aufgebrachte, insb. aufgesputterte, Beschichtung (23) aus dem Aktivhartlot oder einer aktiven Komponente des Aktivhartlots umfasst.
5. Keramischer Drucksensor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivhartlot ein eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisendes ternäres Aktivhartlot ist.
6. Keramischer Drucksensor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die Lotschicht (21 ) aus einem vorgefertigten Lotformteil, insb. einem Lotring, gebildet ist, und
- die Mehrschichtsysteme (19, 19') auf die in der Anordnung der Messmembran (1 ) und/oder dem Grundkörper (3) zugewandte Stirnseite des Lotformteils und/oder auf die Fügefläche (15) der Messmembran (1 ) und/oder die Fügefläche (17) des
Grundkörpers (3) aufgebrachte, insb. Lage für Lage aufgesputterte,
Mehrschichtsysteme (19, 19') sind.
7. Keramischer Drucksensor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die Mehrschichtsysteme (19) auf die Fügefläche (15) der Messmembran (1 ) und die Fügefläche (17) des Grundkörpers (3) aufgebrachte, insb. Lage für Lage
aufgesputterte, Mehrschichtsysteme (19) sind, und
- die Lotschicht (21 ) eine auf eines der beiden Mehrschichtsysteme (19) aufgebrachte, insb. aufgesputterte, Lotschicht (21 ) ist. 8. Aktivhartlötverfahren zur Aktivhartlötung eines eine Fügefläche (15) aufweisenden ersten Bauteils (A), insb. eines ersten keramischen Bauteils (A), und eines eine Fügefläche (17) aufweisenden zweiten Bauteils (B), insb. eines zweiten keramischen Bauteils (B), dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Anordnung erzeugt wird, in der auf der Fügefläche (15) des ersten Bauteils (A) und der Fügefläche (17) des zweiten Bauteils (B) jeweils ein reaktives
Mehrschichtsystem (19, 19') aus alternierend aufeinander abgeschiedenen Lagen miteinander exotherm reagierender Reaktionspartner angeordnet ist, und zwischen den beiden reaktiven Mehrschichtsystemen (19, 19') eine Lotschicht (21 ) aus einem Aktivhartlot angeordnet ist,
- die Anordnung auf eine in Abhängigkeit von einer bei der exothermen Reaktion der
Mehrschichtsysteme (19, 19') frei werdenden Energie und der Schmelztemperatur des Aktivhartlots vorgegebene, unterhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende Grundtemperatur aufgeheizt wird, und
- eine exotherme Reaktion der beiden reaktiven Mehrschichtsysteme (19, 19') ausgelöst wird, durch die an das jeweilige Mehrschichtsystem (19, 19') angrenzendes
Aktivhartlot der Lotschicht (21 ) aufgeschmolzen wird und durch das jeweilige
Mehrschichtsystem (19, 19') zur jeweils daran angrenzenden Fügefläche (15, 17) hindurch tritt.
9. Aktivhartlötverfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - die Lotschicht (21 ) in Form eines Lotformteils bereitgestellt wird, und
- die Mehrschichtsysteme (19, 19') auf die in der Anordnung der Fügefläche (15) des ersten Bauteils (A) und/oder der Fügefläche (17) des zweiten Bauteils (B) zugewandte Stirnseite des Lotformteils und/oder auf die Fügefläche (15) des ersten Bauteils (A) und/oder die Fügefläche (17) des zweiten Bauteils (B) aufgebracht, insb. Lage für
Lage aufgesputtert, werden.
10. Aktivhartlötverfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Mehrschichtsysteme (19) auf die Fügeflächen (15, 17) der Bauteile (A, B) aufgebracht, insb. Lage für Lage aufgesputtert werden, und
- die Lotschicht (21 ) auf eines der beiden Mehrschichtsysteme (19) aufgebracht, insb. aufgesputtert, wird.
1 1. Aktivhartlötverfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
auf mindestens einer der Fügeflächen ( 15, 17), insb. auf beiden Fügeflächen ( 15, 17), eine Beschichtung (23) aus dem Aktivhartlot oder aus einer aktiven Komponente des Aktivhartlots aufgebracht, insb. aufgesputtert wird, die sich in der Anordnung zwischen der jeweiligen Fügefläche (15, 17) und dem dieser Fügefläche (15, 17) zugewandten Mehrschichtsystem (19, 19') befindet.
12. Aktivhartlötverfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Mehrschichtsysteme (19, 19') eine Dicke von kleiner gleich 5 μιη, insb. kleiner gleich 3 μιτι, aufweisen.
13. Aktivhartlötverfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschicht (21 ) eine Dicke aufweist, die größer gleich einer Summe der Dicken der beiden Mehrschichtsysteme (19, 19') ist.
14. Aktivhartlötverfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
das Aktivhartlot ein eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisendes ternäres Aktivhartlot ist.
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