WO2023152097A1 - Verbindung eines sensorchips mit einem messobjekt - Google Patents

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WO2023152097A1
WO2023152097A1 PCT/EP2023/052892 EP2023052892W WO2023152097A1 WO 2023152097 A1 WO2023152097 A1 WO 2023152097A1 EP 2023052892 W EP2023052892 W EP 2023052892W WO 2023152097 A1 WO2023152097 A1 WO 2023152097A1
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WO
WIPO (PCT)
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sensor chip
measurement object
foil
layer
activation
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/052892
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English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Lang
Erwin Biegger
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zf Friedrichshafen Ag filed Critical Zf Friedrichshafen Ag
Publication of WO2023152097A1 publication Critical patent/WO2023152097A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/145—Housings with stress relieving means
    • G01L19/146—Housings with stress relieving means using flexible element between the transducer and the support

Definitions

  • the invention relates to connecting a sensor chip to a measurement object.
  • a method for attaching the sensor chip to the measurement object and an arrangement of the sensor chip on the measurement object are claimed in particular.
  • the measurement object For various applications it is necessary to attach a sensor chip to a larger mechanical component, the measurement object. This is important for the placement of the sensor system and for interconnecting the physical signals to be measured. Sensors for force measurement or for measuring deformation are heavily dependent on the connection layer between the sensor chip and the measurement object.
  • the measurement object and the sensor chip can consist of different materials such as metal, silicon or an organic material.
  • the tie layer must provide strong adhesion and be dimensionally stable to ensure good force and deformation transfer without (additional and unpredictable) cushioning or time delays. Sensor performance over lifetime depends on long-term stability of compound layer, especially temperature/humidity/chemical stability to avoid signal drift, signal amplitude shrinkage and time lag.
  • Gluing and soldering are known for contacting these sensors on a larger measurement object. These methods are relatively easy to implement for industrial manufacturing, but mostly require a manual process that is time-consuming and not cost-effective.
  • the adhesive/soldered joints are associated with different temperature gradients, humidity/chemical dependency, and long-term aging. This can reduce the signal quality or even destroy the sensor.
  • Other joining techniques are impractical due to the process parameters involving high temperatures, mechanical pressures, or high vacuum or inert gas. Other methods require strong electromagnetic fields. In this context, impractical means that it could destroy the sensor chip or the measurement object.
  • the object of the present invention is to provide an alternative connection between a sensor chip and a measurement object that takes into account the problems described above. The object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims, the following description and the figures.
  • the present invention proposes a reactive foil soldering process in order to obtain a particularly intermetallic connection for sensor chips on a larger measurement object.
  • the joining process is based on the use of a reactive multi-layer film as a local heat source.
  • the foil consists of a new class of nanotechnology material in which self-propagating exothermic reactions can be triggered at room temperature by an ignition process.
  • the heat generated by the reaction in the foil melts the solder layers, so that the connections are completed in about one second at room temperature.
  • the heat induced during the reaction is very low due to the fast reaction speed (e.g. 10 m/s) and the small material thickness (e.g. ⁇ 100 pm).
  • a method for connecting a sensor chip to a measurement object is provided.
  • a measurement object is provided.
  • a sensor chip is provided which is set up to record a physical property of a measurement object.
  • a connecting foil is provided which contains metallic materials which react exothermally when activated.
  • the measurement object can be significantly larger than the sensor chip.
  • the measurement object can be, for example, an axle or a shaft for an engine or a transmission of a motor vehicle or a robot arm segment for a robot.
  • the sensor chip can be set up to measure a deformation, an elongation, a force and/or a torque which which is generated by the measurement object, in particular by the axis, by the motor shaft or by the gear shaft.
  • NanoFoil® is a reactive multilayer foil made by evaporating thousands of alternating nanoscale layers of aluminum and nickel. When activated by a small pulse of localized energy from electrical, optical or thermal sources, the foil reacts exothermically to generate precise localized heat up to temperatures of 1500°C in fractions of a second.
  • the connecting foil is placed between the sensor chip and the measurement object.
  • the placement can take place in such a way that the connecting foil rests in a sandwich configuration either directly on surfaces of the sensor chip and the measurement object that face one another.
  • the placement can take place in such a way that the connecting foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, the solder layers being applied to surfaces of the sensor chip and the measurement object that face one another.
  • These surfaces of the sensor chip and the measurement object are, in particular, flat surfaces that can be brought into contact with one another in order to be welded or soldered.
  • the connecting foil essentially has two sections, namely a joining section, on which a joining surface is formed between the measurement object and the sensor chip, and an activation section, on which the metallic material of the connecting foil is activated.
  • the joining section and the activation section are arranged between the sensor chip and the measurement object.
  • the activated connecting film connects the measurement object to the sensor chip at least in the joining area, preferably in the joining area and in the activation section.
  • the activation section is therefore outside of the joint area between the sensor chip and the measurement object.
  • At least one passage opening is formed on the sensor chip, through which a respective activation agent is guided and electrically connected to the connecting film.
  • the respective through-opening is to be understood as an opening through the sensor chip, which in each case spatially connects a first end face of the sensor chip to an opposite second end face of the sensor chip, on which the connecting film rests.
  • An activating means for example in the form of a pin or a wire, is passed axially through the respective through-opening in order to electrically connect the respective activating means to the connecting film.
  • the activation section of the connecting film is thus freely accessible for applying the respective activation agent via the through-openings.
  • the activating means comprises at least two wires, namely a first wire with a positive pole, ie a positive pole, and a second wire with a negative pole, ie a negative pole, with a potential difference being present between the poles.
  • the wires can be formed and handled separately. Alternatively, the two wires can be combined at their ends to form a type of connector in order to maintain or not fall below a defined distance between the wires.
  • the activation means can also be or include a voltage source, in particular a battery, or a heat needle.
  • a first through-opening and a second through-opening are formed on the sensor chip, wherein in step (200) a first wire of the activating agent is passed through the first through-opening and a second wire of the activating agent is passed through the second through-opening and connected to the activation section of the connecting film.
  • the through openings are preferably arranged axially parallel. If two through-openings are provided, the wires of the activation means can be securely connected to the connecting film, with a defined distance between the through-openings specifying a defined distance between the wires. In other words, defined connection points are created on the connecting foil, which ensures that no unwanted short circuit occurs between the wires. Furthermore, the position of the respective passage opening specifies a defined distance from the joint surface, so that a short circuit in the measurement object is also prevented. The distance between the connection points of the wires on the connecting film is thus precisely defined by the spaced through openings.
  • the activation means By passing the activation means through the through-openings of the sensor chip for connection to the connection film, it is possible to reproducibly connect the connection film to the respective activation means or the wires of the activation means at precisely defined positions.
  • the sensor chip and the measurement object can be connected with a reliable pressure. This is possible without arranging an activation means in the form of a wire, for example, spatially as an obstacle between the sensor chip and the connecting film.
  • a third method step (300) the metallic materials of the connecting foil are activated via the respective activating agent, so that the connecting foil heats up in such a way that the sensor chip is firmly bonded to the measurement object.
  • the activation can take place, for example, by an ignition. The process requires no special heat, no vacuum and no gas atmosphere.
  • the connecting foil can be ignited, for example, with a commercially available 9V battery, the battery being connected to the connecting foil via the respective activating agent.
  • the material of the sensor chip and/or the measurement object can be melted or partially melted, so that the sensor chip is welded directly to the measurement object.
  • the sensor chip can be indirectly soldered to the measurement object by melting solder layers on the measurement object and/or on the sensor chip.
  • the metallic connecting layer between the sensor chip and the measurement object that is created by activating the metallic materials of the connecting film has, in particular, high dimensional stability and high thermal conductivity and electrical conductivity. Furthermore, the manufacturing process or the bonding process is simplified, which enables particularly cost-effective production.
  • the method according to the invention is characterized by lower temperatures and stresses during the connection. These lower voltages induce less bias into the sensor chip and increase the performance and stability of the sensor chip. In addition, the low temperatures and low pressure allow for a wider range of materials such as polymers.
  • the bond between the sensor chip and the measurement object produced by the method according to the invention does not age with time and temperatures. Steam, pressure or the like do not change the parameters of the connection.
  • the composite material metal is particularly resistant to moisture, chemicals, high/low temperatures and rapid temperature changes. The composite therefore does not change its parameters, particularly as a result of temperature, humidity, pressure or the like.
  • the composite material particularly metal still offers elastic deformation for repeatability.
  • the electrical connection between the activation means and the connecting film can be made with the same device with which the sensor chip is placed on the measurement object and the pressure for the material connection is exerted.
  • the sensor chip is connected to two pins which are spaced apart from one another and are arranged essentially axially parallel on the sensor chip.
  • the first pin is designed as a positive pole and the second pin is designed as a negative pole.
  • the pins are aligned parallel to one another and extend at least from one end face of the sensor chip, to which the activation means is connected, to the opposite end face, where the respective pin can contact the connecting film. It is conceivable that the pins are provided exclusively for connecting the respective activation means to the connecting film.
  • pins already present on the sensor chip or electrically conductive sections or components can be used to electrically connect the activation means to the connecting film.
  • the pins are firmly connected to the sensor chip, are arranged at a distance from one another and from the joint surface or joint section.
  • the pins can protrude slightly beyond the end face of the sensor chip.
  • the pins on the front side of the sensor chip facing the connecting film can protrude or protrude slightly beyond the front side of the sensor chip.
  • the extent of this elevation on the sensor chip is preferably selected in such a way that when pressure is applied to the sensor chip in the direction of the measurement object and/or vice versa, on the one hand a tilting of the sensor chip relative to the measurement object is prevented and on the other hand sufficient contact is made between the activation means, in particular wires of the activation means or the like, and the pins is realized.
  • the distance between the respective activating agent and the joint surface is selected to be large enough to prevent a short circuit and small enough to the sensor chip or the joint can be designed as small or compact as possible. Equally, the distances between the positive and negative poles of the activating agent are spaced so far apart that a short circuit is prevented, and so close together that the sensor chip or the joint is designed to be as small and compact as possible.
  • connection foil is completely covered by the sensor chip and the measurement object.
  • the activation means can be electrically connected directly or indirectly to the connecting film only via the through-opening or the through-openings or the pins.
  • Solder layers are preferably applied to the sensor chip and the measurement object. This takes place in particular before the connecting film is placed between the sensor chip and the measurement object in the second method step (200). Subsequent activation of the connection foil generates sufficient heat to melt the solder layers and to solder the sensor chip to the measurement object.
  • a first layer of solder is applied to the sensor chip and a second layer of solder is applied to the measurement object,
  • step (200) the connecting foil is placed in step (200) between the first layer of solder and the second layer of solder
  • step (300) the metallic materials of the connecting foil are activated in step (300), so that the connecting foil heats up in such a way that the first soldering layer and the second soldering layer melt and the sensor chip is soldered to the measurement object by the melted first soldering layer and the melted second soldering layer.
  • solder layers can consist of copper, gold, palladium or nickel, for example. These materials can be applied particularly advantageously as metallic starting layers (first and second soldering layer) by plasma methods, sputtering methods or vapor deposition on surfaces of the parts to be connected (sensor chip, measurement object) that face one another. Other options are two-shot injection molding, additive manufacturing, etc.
  • the connecting foil can be formed in the desired dimensions particularly precisely and efficiently by laser cutting and placed between the two surfaces. This takes place in particular before the connecting film is placed between the sensor chip and the measurement object in step (200). In this sense, it is preferably provided that the connecting film is processed by laser cutting in such a way that the connecting film assumes a shape and dimensions that cover an intended joining surface and an activation section between the sensor chip and the measurement object.
  • a fixing pad can be placed on the layers with little pressure. In this sense, deformation of the solder layers and the connecting foil during the activation and connection in step (300) is preferably counteracted by means of a fixing pad that exerts pressure on the sensor chip and/or the measurement object. In this case, the pressure is so low that it does not lead to any stresses within the sensor chip and/or the measurement object, which could impair the strength of the connection between the sensor chip and the measurement object or the measurement accuracy.
  • the sensor chip can have a metal surface in order to ensure an optimal connection between the metal measurement object and the sensor chip.
  • the first soldering layer is preferably applied to a metallic surface of the sensor chip, with the second soldering layer being applied to a metallic surface of the measurement object.
  • an intermetallic bond (“material bond”) can be created between the sensor chip and the measurement object, which does not require high temperatures, pressures, electromagnetic fields, etc. for production.
  • This intermetallic connection can be created in particular between a metallic housing part of the sensor chip and a metallic part of the measurement object (which can also consist entirely of metal).
  • the intermetallic compound enables 1:1 signal transmission from the measurement object to the sensor chip. Provision is therefore preferably made for the sensor chip to have a housing with a first metallic surface, to which the first soldering layer is applied, and for the measurement object to have a second metallic surface to which the second soldering layer is applied. In the case of at least one through-opening formed on the sensor chip, the respective through-opening extends through the housing. In the alternative case of two pins arranged spaced apart on the sensor chip, these also extend through the housing.
  • the connection method according to the present invention is also suitable for so-called “bare die” silicon sensor chips (micro electro mechanical systems MEMS) due to the elimination or reduction of compressive stresses. Such sensor chips can have an outer layer of silicon facing the measurement object. Such sensor chips are not installed in a housing, but can be connected to the measurement object via the silicon layer to which the silver particles are applied. In this sense, it is preferably provided that
  • the sensor chip has no housing
  • the sensor chip has a silicon layer facing the measurement object
  • the connecting foil is placed in step between the silicon layer and the measurement object
  • step 10 The metallic materials of the connecting film are activated in step 10, so that the connecting film heats up in such a way that the silicon layer of the sensor chip is connected to the measurement object in a materially bonded manner.
  • the measurement object can be provided with a form-fitting surface structure, which is not only connected in a material-to-material manner, but also in a form-fitting manner, by means of the connecting film and/or the soldering layers.
  • the form-fitting surface structure can have channels with or without undercuts, for example.
  • This form-fitting surface structure can be created consciously or actively, e.g. B. by known methods for treating MEMS surfaces.
  • the molten layer produced by the activation in step (300) can penetrate into interstices of the interlocking surface structure and get caught or anchored therein during the subsequent solidification (interlocking). This can be done by arranging the connecting film between the sensor chip and the form-fitting surface structure of the measurement object.
  • the connecting film can be arranged between the first soldering layer and the second soldering layer, with the first soldering layer being in contact with the sensor chip and the second soldering layer being in contact with the form-fitting surface structure of the measurement object.
  • the measurement accuracy can be improved to a large extent by the positive fit described above. In this sense, it is provided in a further embodiment that
  • a surface of the measurement object to be connected to the sensor chip is provided with a form-fitting surface structure before step (100),
  • step (200) the connecting film is placed between the sensor chip and the form-fitting surface structure of the measurement object, and
  • step (300) the metallic materials of the connecting film are activated so that the connecting film heats up in such a way that the sensor chip is connected to the form-fitting surface structure of the measurement object in a material-to-material and form-fitting manner.
  • the measurement object can have a macroscopic form-fitting structure, e.g. in the form of a recess matching the sensor chip, into which the sensor chip can be embedded.
  • the detectable measured variable can also be increased by special structures (force shunt) of the measurement object.
  • Special structures in the measurement object can be used to increase, reduce or filter the forces in certain directions. Similar to connection techniques or in gear design, forces can be distributed or directed in this way.
  • the measurement object can form a base that protrudes from an outer surface of the measurement object to which the sensor chip is attached and which causes a reduction in force.
  • depressions, ribs or beads are also possible, for example, which increase or reduce forces in certain spatial directions, as is the case, for example, with a bead in a metal sheet.
  • the advantage lies in a particularly precise control of the sensor chip by amplifying or reducing a desired direction of force.
  • an arrangement of a sensor chip on a measurement object is provided, wherein the sensor chip has been connected to the measurement object by a method according to a method according to the first aspect of the invention.
  • FIG. 1 shows a first longitudinal sectional representation of an arrangement according to the invention of a sensor chip on a measurement object according to a first embodiment, the sensor chip being attached to the measurement object by means of a connecting film,
  • FIG. 2 shows a second longitudinal sectional representation of the inventive arrangement of the sensor chip on the measurement object according to a second embodiment, the sensor chip being attached to the measurement object by means of the connecting film,
  • FIG. 3 shows a first perspective view of an upper side of a housing for the sensor chip according to FIG. 1 ,
  • FIG. 4 shows a second perspective view of an underside of the housing for the sensor chip according to FIG. 3, with the position of the connecting foil being indicated,
  • FIG. 5 shows an exploded view of layers and tools for connecting the sensor chip to a measurement object by means of the connecting film and the arrangement resulting from the connecting according to a third embodiment
  • FIG. 6 shows a sequence of a method according to the invention for connecting the sensor chip to the measurement object according to FIG. 1 , FIG. 2 or FIG. 5 , and 7 shows a greatly enlarged cross-sectional view of the connecting film for the arrangement according to FIG. 1, FIG. 2 or FIG. 5.
  • FIG. 1 and FIG. 2 show two different embodiments of an arrangement of a sensor chip 1 on a measurement object 2, the sensor chip 1 having been connected to the measurement object 2 by a method according to FIG.
  • the sensor chip 1 shown in FIG. 1 has a housing 3 which at least partially surrounds the sensor chip 1 .
  • a sensor chip surface 4 of the housing 3 facing the measurement object 2 has a metallic layer 5 .
  • the measurement object 2 is significantly larger than the sensor chip 1 .
  • the measurement object 2 can be, for example, a shaft of an engine or a transmission for a motor vehicle.
  • the sensor chip 1 is set up to measure a deformation, a strain, a stress, a force and/or a torque which is generated by the shaft.
  • the sensor chip 1 may be a silicon chip having variable resistances responsive to deformation. This allows conclusions to be drawn about the deformation in the measurement object 2 in proportion to the quality of the connection with the measurement object 2 .
  • a firm, here at least materially bonded connection of the sensor chip 1 to the measurement object 2 is realized.
  • This connection transmits forces of the measured variable as well as disturbance variables due to thermal expansion.
  • the type of connection places demands on the surface quality of the measurement object 2 and sensor chip 1.
  • Two force arrows F shown on the far right in FIGS. 1 and 2 illustrate an exchange of forces through deformation, which represents the actual measurement variable.
  • a bidirectional force arrow F is shown to the left, which illustrates an exchange of forces through stresses and through different thermal expansion, which represents a disturbance variable.
  • the measurement object 2 has a measurement object surface 6 which faces the metallic layer 5 and is provided with a form-fitting surface structure 7 .
  • the measurement object surface 6 and the form-fitting surface structure 7 consist of a metal, in particular the same metal from which the remaining part of the measurement object 2 is made, and is located on a base 8.
  • the base 8 is formed by the measurement object 2.
  • the base 8 protrudes radially from an outer surface 9 of the measurement object 2 .
  • the sensor chip 1, the measurement object 2 and the connecting film 10 are provided.
  • the connecting foil 10 is a so-called NanoFoil®, ie a reactive multi-layer foil which is produced by vapor deposition of thousands of alternating nanoscale layers of aluminum 11 and nickel 12 .
  • a greatly enlarged cross-sectional view of the bonding foil 10 with the aluminum 11 and nickel 12 layers is shown in FIG.
  • the bonding foil 10 reacts exothermically to generate precise localized heat up to temperatures of 1500°C in fractions of a second.
  • a second method step 200 the connecting foil 10 is placed between the sensor chip 1 and the measurement object 2, as is shown by FIGS. 1, 2 and 5 in conjunction with FIG.
  • the connecting foil 10 touches the metallic layer 5 of the sensor chip surface 4 of the housing 3 according to Fig. 4 on one side and the form-fitting surface structure 7 of the base 8 of the measurement object 2 on the other side the nickel layers 12 of the connecting foil 10 are arranged next to one another in alternation, as shown by FIG.
  • the connecting film 10 has an activation section 16 and a joining section 17, the sections 16, 17 being arranged between the sensor chip 1 and the measurement object 2 and being completely covered by the sensor chip 1 after the material connection of the sensor chip 1 to the measurement object.
  • the shape and dimensions of the joining section 17 are defined by the respective design of the metallic layer 5 of the sensor chip surface 4 of the housing 3 and the form-fitting surface structure 7 of the base 8 of the measurement object 2. ned.
  • the activation section 16 is formed by the remaining connecting film 10 which is not a joining section 17 .
  • the connecting film 10 is activated at the activation section 16 by means of the activation means 18 shown as an example in Fig. 2.
  • the two wires 15a, 15b are shown in FIG. 2 using an alternative exemplary embodiment, one of the two wires 15a, 15b forming a positive pole and the other of the two wires 15a, 15b forming a negative pole.
  • the wires 15a, 15b are connected to a battery 20 which, as an ignition source, provides the electric current for activating the metallic materials 11, 12 of the connecting foil 10.
  • Activating means 18, which is not shown in FIG. 1, is of essentially identical design to the embodiment according to FIG. Only the first through-opening 13a is shown in FIG. 1, the second through-opening 13b being covered by the first through-opening 13a.
  • a third method step 300 the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the connecting foil 10 are activated by means of the battery 20.
  • FIG. The nickel layers 12 of the connecting foil 10 then react strongly exothermically, so that the metallic layer 5 of the housing 3 of the sensor chip 1 with the form-fitting upper surface structure 7 of the measurement object 2 is welded. A material connection between the sensor chip 1 and the measurement object 2 is thus realized. Furthermore, melted material of the aluminum layers 11 and/or the nickel layers 12 can penetrate into gaps in the form-fitting surface structure 7 of the measurement object 2 and, after solidification, cause a form-fitting connection between the housing 3 of the sensor chip 1 and the measurement object 2 .
  • the detectable measurement variable can be increased by special structures (force shunt) of the measurement object 2.
  • the base 8 causes a reduction in force.
  • the measurement object 2 can also form indentations, ribs, beads or the like, for example, which increase or decrease forces in certain spatial directions.
  • Both the pins 14a, 14b and the through openings 13a, 13b are at a defined distance from each other and from a joint surface 19, which is formed in the area of the metallic layer 5 of the housing 3 of the sensor chip 1 and the form-fitting surface structure 7 of the measurement object 2 , Arranged in order to avoid short circuits and to ensure reliable activation of the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the connecting foil 10 .
  • the sensor chip 1 does not have a housing 3 in contrast to FIGS. 1 and 2 , the sensor chip 1 having a silicon layer 5 ′ facing the measurement object 2 , which replaces the metallic layer 5 .
  • the connecting film 10 can be placed between the silicon layer 5' of the sensor chip 1 and are arranged in the form-fitting surface structure 7 of the measurement object 2, are then activated and are connected to the silicon layer 5' and to the form-fitting surface structure 7 in a material-to-material and form-fitting manner.
  • the sensor chip 1 is at least cohesively connected to the measurement object 2 .
  • the measurement object 2 is designed to be significantly larger than the sensor chip 1, with the measurement object 2 not having a base 8 according to the previous examples.
  • the measurement object 2, the connecting film 10 and the sensor chip 1 can otherwise be configured identically to the first two exemplary embodiments.
  • a first method step 100 the sensor chip 1, the measurement object 2 and the connecting film 10 are initially provided.
  • Fig. 5 shows this state in the left part, in which no at least material connection between the measurement object 2 and the sensor chip 1 has been produced, the right part showing the state after formation of the at least material connection between the measurement object 2 and the sensor chip 1.
  • a first soldering layer 21 made of copper is applied to the sensor chip 1 .
  • This can be applied to the metallic surface 5 of the housing 3 of the sensor chip 1 in the exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 2 .
  • a second soldering layer 22 also made of copper, is applied to the measurement object 2 .
  • This can be applied to a metallic surface of the measurement object 2 .
  • the surface of the measurement object 2 can have a form-fitting surface structure 7 analogously to the exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 2 .
  • the connecting foil 10 was previously processed by laser cutting in such a way that the connecting foil 10 assumes a shape and dimensions that cover the intended joining surface 19 or the joining section 17 and the activation section 16 between the sensor chip 1 and the measurement object 2 .
  • the activation section 16 is electrically connected to the activation means 18 via two pins 14a, 14b, analogously to FIG.
  • the sensor chip 1 shown here can have two passage openings 13a, 13b analogous to FIG. 1, FIG. 3 and FIG. 4, so that the activation section 16 is freely accessible via the through-openings 13a, 13b for the connection of the activating agent.
  • the activation means 18 here also includes a voltage source in the form of a battery 20, which is electrically connected to the connecting film 10 via wires 15a, 15b. Only one of the pins 14a and the associated wire 15a are shown here. The other pin 14b and the other wire 15b are covered here.
  • the connecting foil 24 is placed between the first solder layer 21 and the second solder layer 22 in step 200 .
  • the pins 14a, 14b make contact with the connecting foil 10.
  • a fixing pad 23 exerts a pressure p via a flexible layer 24 on the sensor chip 1, the measurement object 2 and the two solder layers 21, 22 formed stack. This pressure is very low and acts perpendicularly on an outer surface of the sensor chip 1 . If a housing 3 is provided, the pressure acts perpendicularly to the outer surface of the housing 3. The pressure serves to counteract deformation of the solder layers 21, 22 and the connecting foil 10 during the activation and connection in step (300).
  • the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the connecting foil 10 are activated by means of the activating means 18 via the wires 15a, 15b and pins 14a, 14b.
  • the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the connecting foil 10 then react strongly exothermically, so that the connecting foil 10 heats up in such a way that the first soldering layer 21 and the second soldering layer 22 melt and the sensor chip 1 is soldered to the measurement object 2 through the melted soldering layers 21, 22 as shown by the right part of FIG. This creates a stable connection layer 25 between the sensor chip 1 and the measurement object 2.
  • solder layers 21 , 22 can be used analogously in the exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 2 . Reference sign

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines Sensorchips (1) mit einem Messobjekt (2). Gemäß dem Verfahren werden ein Messobjekt (2), ein Sensorchip (1) und eine Verbindungsfolie (10) bereitgestellt, wobei die Verbindungsfolie (10) metallische Materialien (11, 12) enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren. Die Verbindungsfolie (10) wird zwischen dem Sensorchip (1) und dem Messobjekt (2) platziert, wobei die Verbindungsfolie (10) einen Aktivierungsabschnitt (16) aufweist, der zwischen dem Sensorchip (1) und dem Messobjekt (2) angeordnet ist, wobei am Sensorchip (1) wenigstens eine Durchgangsöffnung (13a) ausgebildet ist, durch die ein jeweiliges Aktivierungsmittel (18) hindurchgeführt und mit der Verbindungsfolie (10) elektrisch verbunden wird. Die metallischen Materialien (11, 12) der Verbindungsfolie (10) werden über das jeweilige Aktivierungsmittel (18) aktiviert, sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass der Sensorchip (1) mit dem Messobjekt (2) stoffschlüssig verbunden wird.

Description

Verbindung eines Sensorchips mit einem Messobjekt
Die Erfindung betrifft eine Verbindung eines Sensorchips mit einem Messobjekt. Beansprucht werden in diesem Zusammenhang insbesondere ein Verfahren zur Befestigung des Sensorchips an dem Messobjekt sowie eine Anordnung des Sensorchips an dem Messobjekt.
Für verschiedene Anwendungsfälle ist es notwendig, einen Sensorchip an einem größeren mechanischen Bauteil, dem Messobjekt, zu befestigen. Dies ist wichtig für die Platzierung des Sensorsystems und für eine Verschaltung der physikalischen Signale, die gemessen werden sollen. Sensoren zur Kraftmessung oder zur Verformungsmessung sind dabei stark von der Verbindungsschicht zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt abhängig. Das Messobjekt und der Sensorchip können aus verschiedenen Materialien wie Metall, Silizium oder einem organischen Material bestehen. Die Verbindungsschicht muss eine starke Haftung bieten und formstabil sein, um eine gute Kraft- und Deformationsübertragung ohne eine (zusätzliche und unvorhersehbare) Dämpfung oder Zeitverzögerungen zu gewährleisten. Die Sensorleistung über die Lebensdauer hängt von der Langzeitstabilität der Verbindungsschicht ab, insbesondere von der Temperatur-/Feuchtigkeits-/Chemikalienstabilität, um Signaldrift, Signalamplitudenschrumpfung und Zeitverzögerungen zu vermeiden.
Für die Kontaktierung dieser Sensoren auf einem größeren Messobjekt sind Kleben und Löten bekannt. Diese Methoden sind für die industrielle Fertigung relativ einfach zu realisieren, erfordern aber meist einen manuellen Prozess, der zeitaufwendig und nicht kosteneffizient ist. Die Klebe-/Lötverbindungen sind mit unterschiedlichen Temperaturgradienten, Feuchtigkeits-ZChemikalienabhängigkeit und Langzeitalterung verbunden. Dies kann die Signalqualität verringern oder den Sensor sogar zerstören. Andere Verbindungstechniken sind aufgrund der Prozessparameter mit hohen Temperaturen, mechanischen Drücken oder hohem Vakuum bzw. Schutzgas unpraktisch. Andere Methoden benötigen starke elektromagnetische Felder. Unpraktisch heißt in diesem Zusammenhang, es könnte den Sensorchip oder das Messobjekt zerstören. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative Verbindung zwischen einem Sensorchip und einem Messobjekt bereitzustellen, welche den vorstehend beschriebenen Problemen Rechnung trägt. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen reaktiver Folienlötprozess vor, um eine insbesondere intermetallische Verbindung für Sensorchips auf einem größeren Messobjekt zu erhalten. Der Fügeprozess basiert auf der Verwendung einer reaktiven Mehrschichtfolie als lokale Wärmequelle. Die Folie besteht aus einer neuen Klasse von nanotechnologischem Material, in dem sich selbst ausbreitende exotherme Reaktionen bei Raumtemperatur durch einen Zündprozess auslösen lassen. Durch das Einbringen einer solchen Folie beispielsweise zwischen zwei Lötschichten und dem Sensorchip sowie dem Messobjekt schmilzt die durch die Reaktion in der Folie erzeugte Wärme die Lötschichten auf, sodass die Verbindungen bei Raumtemperatur in etwa einer Sekunde abgeschlossen sind. Die induzierte Wärme während der Reaktion ist aufgrund der schnellen Reaktionsgeschwindigkeit (beispielsweise 10 m/s) und der geringen Materialdicke (beispielsweise <100pm) sehr gering.
In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Verbindung eines Sensorchips mit einem Messobjekt bereitgestellt. In einem ersten Schritt (100) des Verfahrens wird ein Messobjekt bereitgestellt. Weiterhin wird ein Sensorchip bereitgestellt, der dazu eingerichtet ist, eine physikalische Eigenschaft eines Messobjekts zu erfassen. Ferner wird eine Verbindungsfolie bereitgestellt, die metallische Materialien enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren.
Das Messobjekt kann insbesondere deutlich größer sein als der Sensorchip. Bei dem Messobjekt kann es sich beispielsweise um eine Achse oder eine Welle für einen Motor oder ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs oder ein Roboterarmsegment für einen Roboter handeln. Der Sensorchip kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Verformung, eine Dehnung, eine Kraft und/oder ein Drehmoment zu messen die bzw. das von dem Messobjekt erzeugt wird, insbesondere von der Achse, von der Motorwelle oder von der Getriebewelle.
Als Verbindungsfolie kann beispielsweise eine sogenannte NanoFoil® der Indium Corporation zum Einsatz kommen. Die NanoFoil® ist eine reaktive Mehrschichtfolie, die durch Aufdampfen von Tausenden von abwechselnden nanoskaligen Schichten aus Aluminium und Nickel hergestellt wird. Wenn die Folie durch einen kleinen Impuls lokaler Energie aus elektrischen, optischen oder thermischen Quellen aktiviert wird, reagiert sie exotherm, um in Bruchteilen einer Sekunde präzise lokale Hitze bis zu Temperaturen von 1500 °C zu erzeugen.
Die Verbindungsfolie wird in einem zweiten Verfahrensschritt (200) zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt platziert. Das Platzieren kann derart erfolgen, dass die Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration entweder direkt aneinander zugewandten Oberflächen des Sensorchips und des Messobjekts anliegt. Alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die Verbindungsfolie in einer Sandwich- Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten aufeinander zugewandten Oberflächen des Sensorchips und des Messobjekts aufgetragen sind. Diese Oberflächen des Sensorchips und des Messobjekts sind insbesondere ebene Oberflächen, die aneinander in Anlage gebracht werden können, um verschweißt oder verlötet zu werden.
Die Verbindungsfolie weist im Wesentlichen zwei Abschnitte auf, nämlich einen Fügeabschnitt, an dem eine Fügefläche zwischen dem Messobjekt und dem Sensorchip gebildet wird, sowie einen Aktivierungsabschnitt, an dem die Aktivierung des metallischen Materials der Verbindungsfolie erfolgt. Der Fügeabschnitt und der Aktivierungsabschnitt sind zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt angeordnet. Die aktivierte Verbindungsfolie verbindet das Messobjekt mit dem Sensorchip zumindest in der Fügefläche, vorzugsweise in der Fügefläche sowie im Aktivierungsabschnitt. Der Aktivierungsabschnitt liegt damit außerhalb der Fügefläche zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt. Am Sensorchip ist wenigstens eine Durchgangsöffnung ausgebildet, durch die ein jeweiliges Aktivierungsmittel hindurchgeführt und mit der Verbindungsfolie elektrisch verbunden wird. Die jeweilige Durchgangsöffnung ist als Durchbruch durch den Sensorchip zu verstehen, die jeweils eine erste Stirnseite des Sensorchips mit einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Sensorchips, an der die Verbindungsfolie anliegt, räumlich verbindet. Durch die jeweilige Durchgangsöffnung wird ein Aktivierungsmittel, beispielsweise in Form eines Pins oder eines Drahtes, axial hindurchgeführt, um das jeweilige Aktivierungsmittel mit der Verbindungsfolie elektrisch zu verbinden. Damit ist der Aktivierungsabschnitt der Verbindungsfolie zum Anlegen des jeweiligen Aktivierungsmittels über die Durchgangsöffnungen frei zugänglich.
Das Aktivierungsmittel umfasst in diesem Sinn wenigstens zwei Drähte, nämlich einen ersten Draht mit positivem Pol, also einem Pluspol, und einen zweiten Draht mit negativem Pol, also einem Minuspol, wobei zwischen den Polen eine Potentialdiffe- renz vorliegt. Die Drähte können separat ausgebildet sein und hantiert werden. Alternativ können die beiden Drähte an ihren Enden zu einer Art Stecker zusammengefasst werden, um einen definierten Abstand der Drähte beizubehalten bzw. nicht zu unterschreiten. Das Aktivierungsmittel kann ferner eine Spannungsquelle, insbesondere eine Batterie, oder eine Wärmenadel sein oder umfassen.
Nach einem Ausführungsbeispiel sind am Sensorchip eine erste Durchgangsöffnung und eine zweite Durchgangsöffnung ausgebildet, wobei in Schritt (200) durch die erste Durchgangsöffnung ein erster Draht des Aktivierungsmittels und durch die zweite Durchgangsöffnung ein zweiter Draht des Aktivierungsmittels hindurchgeführt und mit dem Aktivierungsabschnitt der Verbindungsfolie verbunden werden. Die Durchgangsöffnungen sind vorzugsweise achsparallel angeordnet. Werden zwei Durchgangsöffnungen vorgesehen, können die Drähte des Aktivierungsmittels sicher mit der Verbindungsfolie verbunden werden, wobei ein definierter Abstand der Durchgangsöffnungen einen definierten Abstand der Drähte vorgibt. Mit anderen Worten werden definierte Anschlussstellen an der Verbindungsfolie geschaffen, wodurch sichergestellt wird, dass kein ungewollter Kurzschluss zwischen den Drähten erfolgt. Ferner gibt die Position der jeweiligen Durchgangsöffnung einen definierten Abstand zur Fügefläche vor, sodass auch ein Kurzschluss in das Messobjekt verhindert wird. Der Abstand der Anschlussstellen der Drähte an der Verbindungsfolie ist durch die beabstandeten Durchgangsöffnungen somit genau definiert.
Indem die Aktivierungsmittel zur Anbindung an die Verbindungsfolie durch die Durchgangsöffnungen des Sensorchips hindurchgeführt sind, ist es möglich, die Verbindungsfolie reproduzierbar an genau definierten Positionen mit dem jeweiligen Aktivierungsmittel, bzw. den Drähten des Aktivierungsmittel, zu verbinden. Zudem können der Sensorchip und das Messobjekt so mit einem zuverlässigen Druck verbunden werden. Dies ist möglich, ohne dass ein beispielsweise als Draht ausgebildetes Aktivierungsmittel räumlich zwischen dem Sensorchip und der Verbindungsfolie als Hindernis angeordnet wird.
In einem dritten Verfahrensschritt (300) erfolgt ein Aktivieren der metallischen Materialien der Verbindungsfolie über das jeweilige Aktivierungsmittel, sodass sich die Verbindungsfolie derart erhitzt, dass der Sensorchip mit dem Messobjekt stoffschlüssig verbunden wird. Das Aktivieren kann beispielsweise durch eine Zündung erfolgen. Das Verfahren benötigt keine besondere Hitze, kein Vakuum und keine Gasatmosphäre. Die Zündung der Verbindungsfolie kann beispielsweise mit einer handelsüblichen 9V-Batterie erfolgen, wobei die Batterie über das jeweilige Aktivierungsmittel mit der Verbindungsfolie verbunden ist. In dem Verfahrensschritt (300) kann das Material des Sensorchips und/oder des Messobjekts aufgeschmolzen oder angeschmolzen werden, sodass der Sensorchip direkt mit dem Messobjekt verschweißt wird. Alternativ kann der Sensorchip durch Aufschmelzen von Lötschichten am Messobjekt und/oder am Sensorchip indirekt mit dem Messobjekt verlötet werden.
Während des Verfahrens müssen keine hohen Drücke und keine hohen Temperaturen auf den Sensorchip und/oder das Messobjekt ausgeübt werden. Auch auf hohe elektromagnetische Felder kann verzichtet werden. Die durch das Aktivieren der metallischen Materialien der Verbindungsfolie entstehende metallische Verbindungsschicht zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt weist insbesondere eine hohe Formstabilität sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit auf. Weiterhin vereinfacht sich der Herstellungsprozess bzw. der Bondprozess, was eine besonders kostengünstige Produktion ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch geringere Temperaturen und Spannungen während des Verbindens aus. Diese geringeren Spannungen induzieren weniger Vorspannungen in den Sensorchip und erhöhen die Leistung und die Stabilität des Sensorchips. Darüber hinaus ermöglichen die niedrigen Temperaturen und der niedrige Druck eine breitere Palette von Materialien wie beispielsweise Polymere. Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Verbund zwischen Sensorchip und Messobjekt altert nicht mit der Zeit und Temperaturen. Dampf, Druck oder ähnliches bewirken keine Veränderung von Parametern der Verbindung. Das Verbundmaterial (Metall) ist insbesondere beständig gegen Feuchtigkeit, Chemikalien, hohe/niedrige Temperaturen und schnelle Temperaturwechsel. Der Verbund verändert deshalb seine Parameter nicht, insbesondere durch Temperatur, Feuchtigkeit, Druck oder Ähnliches. Das Verbundmaterial (insbesondere Metall) bietet weiterhin eine elastische Verformung für Wiederholbarkeit.
Vorteilhafterweise kann die elektrische Verbindung zwischen dem Aktivierungsmittel und der Verbindungsfolie mit der gleichen Vorrichtung erfolgen, mit der der Sensorchip auf dem Messobjekt platziert und der Druck zur stoffschlüssigen Verbindung ausgeübt wird.
Nach einem zweiten Erfindungsaspekt sind an Stelle der jeweiligen Durchgangsöffnungen zwei Pins am Sensorchip fest angeordnet, über die ein Aktivierungsmittel mit der Verbindungsfolie elektrisch verbunden wird. In diesem Sinn ist gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung der Sensorchip mit zwei Pins verbunden, die beab- standet zueinander, im Wesentlichen achsparallel am Sensorchip angeordnet sind. Der erste Pin ist als positiver Pol ausgebildet und der zweite Pin ist als negativer Pol ausgebildet. Die Pins sind parallel zueinander ausgerichtet und erstrecken sich zumindest von einer Stirnseite des Sensorchips, an der das Aktivierungsmittel angeschlossen ist, zur gegenüberliegenden Stirnseite, wo der jeweilige Pin die Verbindungsfolie kontaktieren kann. Denkbar ist, dass die Pins ausschließlich zu Verbindung des jeweiligen Aktivierungsmittels mit der Verbindungsfolie vorgesehen sind. Alternativ können bereits am Sensorchip vorhandene Pins oder elektrisch leitende Abschnitte oder Bauteile genutzt werden, um das Aktivierungsmittel elektrisch mit der Verbindungsfolie zu verbinden. Jedenfalls sind die Pins fest mit dem Sensorchip verbunden, sind beabstandet zueinander sowie zur Fügefläche bzw. zum Fügeabschnitt angeordnet.
Zumindest an der dem Aktivierungsmittel, beispielsweise einer Batterie, zugewandten Stirnseite des Sensorchips können die Pins etwas über die Stirnseite des Sensorchips hervorstehen oder hervorragen. Alternativ oder ergänzend können die Pins an der der Verbindungsfolie zugewandten Stirnseite des Sensorchips etwas über die Stirnseite des Sensorchips hervorstehen bzw. hervorragen. Das Maß dieser Erhebung am Sensorchip ist vorzugsweise derart gewählt, dass bei Druckbeaufschlagung des Sensorchips in Richtung des Messobjekts, und/oder umgekehrt, einerseits eine Schiefstellung des Sensorchips gegenüber dem Messobjekt verhindert wird und andererseits eine ausreichende Kontaktierung zwischen dem Aktivierungsmittel, insbesondere Drähten des Aktivierungsmittels oder dergleichen, und den Pins realisiert wird.
Unabhängig davon, ob eine oder mehrere Durchgangsöffnungen vorgesehen sind oder ob Pins vorgesehen sind, um das jeweilige Aktivierungsmittel mit der Verbindungsfolie zu verbinden, ist der Abstand des jeweiligen Aktivierungsmittels zur Fügefläche derart groß gewählt, dass ein Kurzschluss verhindert wird, und derart klein gewählt, dass der Sensorchip bzw. die Fügestelle möglichst klein bzw. kompakt ausgebildet sein kann. Gleichermaßen sind die Abstände des Plus- und Minuspol des Aktivierungsmittels derart weit voneinander beabstandet, dass ein Kurzschluss verhindert wird, und derart nah beabstandet zueinander angeordnet, dass der Sensorchip bzw. die Fügestelle möglichst klein bzw. kompakt ausgebildet ist.
Die Verbindungsfolie ist vollständig von dem Sensorchip und dem Messobjekt verdeckt. Lediglich über die Durchgangsöffnung oder die Durchgangsöffnungen bzw. die Pins kann das Aktivierungsmittel direkt bzw. indirekt mit der Verbindungsfolie elektrisch verbunden werden. Vorzugsweise werden Lötschichten auf den Sensorchip und das Messobjekt aufgetragen. Dies erfolgt insbesondere, bevor die Verbindungsfolie in dem zweiten Verfahrensschritt (200) zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt platziert wird. Durch anschließendes Aktivieren der Verbindungsfolie entsteht ausreichend Wärme, um die Lötschichten aufzuschmelzen und den Sensorchip mit dem Messobjekt zu verlöten.
In diesem Sinne ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass
- eine erste Lötschicht auf dem Sensorchip aufgetragen wird und eine zweite Lötschicht auf dem Messobjekt aufgetragen wird,
- die Verbindungsfolie in dem Schritt (200) zwischen der ersten Lötschicht und der zweiten Lötschicht platziert wird, und
- die metallischen Materialien der Verbindungsfolie in dem Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die Verbindungsfolie derart erhitzt, dass die erste Lötschicht und die zweite Lötschicht schmelzen und der Sensorchip durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht mit dem Messobjekt verlötet wird.
Die Lötschichten können beispielsweise aus Kupfer, Gold Palladium oder Nickel bestehen. Diese Materialien können als metallische Startschichten (erste und zweite Lötschicht) besonders vorteilhaft durch Plasmaverfahren, Sputterverfahren oder Aufdampfen aufeinander zugewandten Oberflächen der zu verbindenden Teile (Sensorchip, Messobjekt) aufgebracht werden. Weitere Möglichkeiten sind durch Zwei- Schuss-Spritzgießen, additive Fertigung usw. gegeben.
Die Verbindungsfolie kann besonders genau und effizient durch Laserschneiden in den gewünschten Abmessungen geformt und zwischen den beiden Oberflächen platziert werden. Dies erfolgt insbesondere, bevor die Verbindungsfolie in dem Schritt (200) zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt platziert wird. In diesem Sinne ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verbindungsfolie durch Laserschneiden derart bearbeitet wird, dass die Verbindungsfolie eine Form und Maße annimmt, die eine vorgesehene Fügefläche sowie einen Aktivierungsabschnitt zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt abdeckt. Um eine unvorhersehbare Verformung des Verbundes zu verhindern, kann ein Fixierpad mit geringem Druck auf die Schichten gelegt werden. In diesem Sinne wird bevorzugt mittels eines Fixierpads, das auf den Sensorchip und/oder das Messobjekt einen Druck ausübt, einer Verformung der Lötschichten und der Verbindungsfolie während des Aktivierens und Verbindens in Schritt (300) entgegengewirkt. Der Druck ist dabei derart gering, dass er zu keinen Spannungen innerhalb des Sensorchips und/oder des Messobjekts führt, welche die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt oder die Messgenauigkeit beinträchtigen könnten.
Der Sensorchip kann eine Metalloberfläche aufweisen, um eine optimale Verbindung zwischen dem metallischen Messobjekt und dem Sensorchip zu gewährleisten.
Diese Verbindung ist besonders relevant für die Messgenauigkeit des Sensorchips. Vorzugsweise wird in diesem Sinn die erste Lötschicht auf eine metallische Oberfläche des Sensorchips aufgetragen, wobei die zweite Lötschicht auf eine metallische Oberfläche des Messobjekts aufgetragen wird.
Mittels der Verbindungsfolie und der Lötschichten kann zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt eine intermetallische Bindung ("stoffschlüssig") geschaffen werden, die keine hohen Temperaturen, Drücke, elektromagnetische Felder, etc. zur Herstellung benötigt. Diese intermetallische Verbindung kann insbesondere zwischen einem metallischen Gehäuseteil des Sensorchips und einem metallischen Teil des Messobjekts (das auch ganz aus einem Metall bestehen kann) geschaffen werden.
Durch die intermetallische Verbindung wird eine 1 :1 -Signalübertragung vom Messobjekt zum Sensorchip ermöglicht. Bevorzugt ist daher vorgesehen, dass der Sensorchip ein Gehäuse mit einer ersten metallischen Oberfläche aufweist, auf welche die erste Lötschicht aufgetragen wird, und dass das Messobjekt eine zweite metallische Oberfläche aufweist, auf welche die zweite Lötschicht aufgetragen wird. Im Fall wenigstens einer am Sensorchip ausgebildeten Durchgangsöffnung erstreckt sich die jeweilige Durchgangsöffnung durch das Gehäuse hindurch. Im alternativen Fall von zwei am Sensorchip beabstandet angeordneten Pins erstrecken sich diese ebenfalls durch das Gehäuse hindurch. Alternativ eignet sich das Verbindungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung aufgrund der Eliminierung oder Reduzierung von Druckspannungen auch für sogenannte "bare die" Silizium-Sensorchips (micro electro mechanical systems MEMS). Solche Sensorchips können eine dem Messobjekt zugewandte Außenschicht aus Silizium aufweisen. Derartige Sensorchips sind nicht in einem Gehäuse verbaut, sondern können über die Siliziumschicht, auf welche die Silberpartikel aufgebracht werden, mit dem Messobjekt verbunden werden. In diesem Sinne ist vorzugsweise vorgesehen, dass
- der Sensorchip kein Gehäuse aufweist,
- der Sensorchip eine dem Messobjekt zugewandte Siliziumschicht aufweist,
- die Verbindungsfolie in Schritt zwischen der Siliziumschicht und dem Messobjekt platziert wird, und
- die metallischen Materialien der Verbindungsfolie in Schritt aktiviert werden, sodass sich die Verbindungsfolie derart erhitzt, dass die Siliziumschicht des Sensorchips mit dem Messobjekt stoffschlüssig verbunden wird.
Das Messobjekt kann mit einer Formschluss-Oberflächenstruktur versehen werden, die mittels der Verbindungsfolie und/oder der Lötschichten nicht nur stoffschlüssig, sondern auch formschlüssig verbunden wird. Die Formschluss-Oberflächenstruktur kann beispielsweise Kanäle mit oder ohne Hinterschneidungen aufweisen. Diese Formschluss-Oberflächenstruktur kann bewusst bzw. aktiv erzeugt werden, z. B. durch bekannte Verfahren zur Behandlung von MEMS-Oberflächen. Die durch das Aktivieren in Schritt (300) erzeugte Schmelzschicht kann in Zwischenräume der Formschluss-Oberflächenstruktur eindringen und sich in der sich anschließenden Verfestigung darin verhaken oder verankern (Formschluss). Dies kann geschehen, indem die Verbindungsfolie zwischen dem Sensorchip und der Formschluss-Oberflächenstruktur des Messobjekts angeordnet wird. Dabei kann die Verbindungsfolie zwischen der ersten Lötschicht und der zweiten Lötschicht angeordnet sein, wobei die erste Lötschicht an dem Sensorchip und die zweite Lötschicht an der Formschluss- Oberflächenstruktur des Messobjekts anliegt. Durch den vorstehend beschriebenen Formschluss kann die Messgenauigkeit in hohem Maße verbessert werden. In diesem Sinne ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass
- eine mit dem Sensorchip zu verbindende Oberfläche des Messobjekts zeitlich vor dem Schritt (100) mit einer Formschluss-Oberflächenstruktur versehen wird,
- in Schritt (200) die Verbindungsfolie zwischen dem Sensorchip und der Formschluss-Oberflächenstruktur des Messobjekts platziert wird, und
- in Schritt (300) die metallischen Materialien der Verbindungsfolie aktiviert werden, sodass sich die Verbindungsfolie derart erhitzt, dass der Sensorchip mit der Formschluss-Oberflächenstruktur des Messobjekts stoffschlüssig und formschlüssig verbunden wird.
Alternativ oder zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen insbesondere mikroskopischen Formschlussstruktur, kann das Messobjekt eine makroskopische Formschlussstruktur aufweisen, z.B. in Form einer zu dem Sensorchip passenden Vertiefung, in welche der Sensorchip eingelassen werden kann.
Die detektierbare Messgröße kann weiterhin durch besondere Strukturen (Kraftnebenschluss) des Messobjekts erhöht werden. Durch spezielle Strukturen im Messobjekt können die Kräfte in bestimmten Richtungen verstärkt, verringert oder gefiltert werden. Ähnlich wie bei Verbindungstechniken oder auch im Getriebedesign können auf diese Weise Kräfte verteilt oder gelenkt werden. Beispielsweise kann das Messobjekt einen Sockel bilden, der von einer äußeren Oberfläche des Messobjekts absteht, an dem der Sensorchip befestigt wird und der eine Kraftverringerung bewirkt. Möglich sind aber auch beispielsweise Vertiefungen, Rippen oder Sicken, die Kräfte in bestimmten Raumrichtungen verstärken oder verringern, so wie dies beispielsweise bei einer Sicke in einem Blech der Fall ist. Der Vorteil liegt in einer besonders präzisen Ansteuerung des Sensorchips, indem eine gewünschte Kraftrichtung verstärkt oder verringert wird. Dadurch kann derselbe Sensorchip für unterschiedliche Messbereiche eingesetzt werden, ohne dass der Sensorchip selbst angepasst werden muss. Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung eines Sensorchips an einem Messobjekt bereitgestellt, wobei der Sensorchip durch ein Verfahren nach einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mit dem Messobjekt verbunden worden ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
Fig. 1 eine erste Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung eines Sensorchips an einem Messobjekt gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei der Sensorchip mittels einer Verbindungsfolie an dem Messobjekt befestigt ist,
Fig. 2 eine zweite Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung des Sensorchips am Messobjekt gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei der Sensorchip mittels der Verbindungsfolie an dem Messobjekt befestigt ist,
Fig. 3 eine erste perspektivische Ansicht einer Oberseite eines Gehäuses für den Sensorchip nach Fig. 1 ,
Fig. 4 eine zweite perspektivische Ansicht einer Unterseite des Gehäuses für den Sensorchip nach Fig. 3, wobei die Position der Verbindungsfolie angedeutet ist,
Fig. 5 eine Explosionsdarstellung von Schichten und Werkzeugen zur Verbindung des Sensorchips mit einem Messobjekt mittels der Verbindungsfolie sowie die durch das Verbinden entstehende Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform,
Fig. 6 einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbindung des Sensorchips mit dem Messobjekt nach Fig. 1 , Fig. 2 oder Fig. 5, und Fig. 7 eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der Verbindungsfolie für die Anordnung nach Fig. 1 , Fig. 2 oder Fig. 5.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen einer Anordnung eines Sensorchips 1 an einem Messobjekt 2, wobei der Sensorchip 1 durch ein Verfahren nach Fig. 6 mit dem Messobjekt 2 verbunden worden ist. Der in Fig. 1 gezeigte Sensorchip 1 weist ein Gehäuse 3 auf, welches den Sensorchip 1 zumindest teilweise umgibt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weist eine dem Messobjekt 2 zugewandte Sensorchip-Oberfläche 4 des Gehäuses 3 dabei eine metallische Schicht 5 auf. Das Messobjekt 2 ist vorliegend deutlich größer als der Sensorchip 1 . Bei dem Messobjekt 2 kann es sich beispielsweise um Welle eines Motors oder eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug handeln. Der Sensorchip 1 ist dazu eingerichtet, eine Verformung, eine Dehnung, eine Spannung, eine Kraft und/oder ein Drehmoment zu messen, die bzw. das von der Welle erzeugt wird. Der Sensorchip 1 kann ein Siliziumchip sein, der veränderliche Widerstände aufweist, die auf Verformung reagieren. Das lässt proportional zur Qualität der Verbindung mit dem Messobjekt 2 auf die Verformung im Messobjekt 2 schließen.
Mittels einer weiter unten näher beschriebenen Verbindungsfolie 10 wird eine feste, hier wenigstens stoffschlüssige Verbindung des Sensorchips 1 mit dem Messobjekt 2 realisiert. Diese Verbindung überträgt Kräfte der Messgröße sowie auch Störgrößen durch thermische Ausdehnung. Die Art der Verbindung stellt dabei Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit von Messobjekt 2 und Sensorchip 1. Zwei rechts außen in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Kraftpfeile F verdeutlichen einen Austausch von Kräften durch Verformung, was die eigentliche Messgröße darstellt. Links daneben ist ein bidirektionaler Kraftpfeil F dargestellt, welcher einen Austausch von Kräften durch Spannungen sowie durch unterschiedliche Wärmeausdehnung verdeutlicht, was eine Störgröße darstellt.
Das Messobjekt 2 weist eine der metallischen Schicht 5 zugewandte Messobjekt- Oberfläche 6 auf, die mit einer Formschluss-Oberflächenstruktur 7 versehen ist. Die Messobjekt-Oberfläche 6 und die Formschluss-Oberflächenstruktur 7 bestehen aus einem Metall, insbesondere das gleiche Metall, aus dem auch der übrige Teil des Messobjekts 2 hergestellt ist, und befindet sich auf einem Sockel 8. Der Sockel 8 wird durch das Messobjekt 2 geformt. Der Sockel 8 steht radial von einer äußeren Oberfläche 9 des Messobjekts 2 ab.
In einem ersten Verfahrensschritt 100 werden der Sensorchip 1 , das Messobjekt 2 und die Verbindungsfolie 10 bereitgestellt. Die Verbindungsfolie 10 ist in allen Ausführungsbeispielen eine sogenannte NanoFoil®, also eine reaktive Mehrschichtfolie, die durch Aufdampfen von Tausenden von abwechselnden nanoskaligen Schichten aus Aluminium 11 und Nickel 12 hergestellt wird. Eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der Verbindungsfolie 10 mit den Aluminium- 11 und Nickelschichten 12 ist in Fig. 7 gezeigt. Wenn die Verbindungsfolie 10 durch einen kleinen Impuls lokaler Energie aus elektrischen, optischen oder thermischen Quellen aktiviert wird, reagiert sie exotherm, um in Bruchteilen einer Sekunde präzise lokale Hitze bis zu Temperaturen von 1500 °C zu erzeugen.
In einem zweiten Verfahrensschritt 200 wird die Verbindungsfolie 10 zwischen dem Sensorchip 1 und dem Messobjekt 2 platziert, wie dies durch Fig. 1 , Fig. 2 und Fig. 5 in Verbindung mit Fig. 4 gezeigt ist. Dabei berührt die Verbindungsfolie 10 auf einer Seite die metallische Schicht 5 der Sensorchip-Oberfläche 4 des Gehäuses 3 gemäß Fig. 4 und auf der anderen Seite die Formschluss-Oberflächenstruktur 7 des Sockels 8 des Messobjekts 2. Während des Verfahrensschritts 200 sind die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 noch so abwechselnd nebeneinander angeordnet, wie dies durch Fig. 7 gezeigt ist.
Die Verbindungsfolie 10 weist gemäß Fig. 4 einen Aktivierungsabschnitt 16 sowie einen Fügeabschnitt 17 auf, wobei die Abschnitte 16, 17 zwischen dem Sensorchip 1 und dem Messobjekt 2 angeordnet und nach dem stoffschlüssigen Verbinden des Sensorchips 1 mit dem Messobjekt vollständig vom Sensorchip 1 verdeckt sind. Die Form und Abmessungen des Fügeabschnitts 17 werden durch die jeweilige Ausgestaltung der metallischen Schicht 5 der Sensorchip-Oberfläche 4 des Gehäuses 3 sowie der Formschluss-Oberflächenstruktur 7 des Sockels 8 des Messobjekts 2 defi- niert. Die Aktivierungsabschnitt 16 wird durch die übrige Verbindungsfolie 10 gebildet, die kein Fügeabschnitt 17 ist. Am Aktivierungsabschnitt 16 erfolgt die Aktivierung der Verbindungsfolie 10 mittels des in Fig. 2 exemplarisch dargestellten Aktivierungsmittels 18.
Um die metallischen Materialien 11 , 12 der Verbindungsfolie 10 sicher zu aktivieren und gleichzeitig eine Beschädigung der Verbindungsfolie 1 und ungewollte Verformungen der Fügefläche 19 zu vermeiden, sind im ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 , Fig. 3 und Fig. 4 am Sensorchip 1 zwei Durchgangsöffnungen 13a, 13b ausgebildet, durch die jeweils ein Draht 15a, 15b eines Aktivierungsmittels 18 hindurchgeführt und mit der Verbindungsfolie 10 elektrisch verbunden werden. In diesem Sinn werden durch die erste Durchgangsöffnung 13a ein erster Draht 15a des Aktivierungsmittels 18 und durch die zweite Durchgangsöffnung 13b ein zweiter Draht 15b des Aktivierungsmittels 18 hindurchgeführt und mit dem Aktivierungsabschnitt 16 der Verbindungsfolie 10 verbunden. Dadurch kann ein vollflächiges und fehlerfreies zur Anlage kommen der Formschluss-Oberflächenstruktur 7 an die metallische Schicht 5 der Sensorchip-Oberfläche 4 sichergestellt werden.
Die beiden Drähte 15a, 15b sind in Fig. 2 anhand eines alternativen Ausführungsbeispiels gezeigt, wobei einer der beiden Drähte 15a, 15b einen positiven Pol und der jeweils andere der beiden Drähte 15a, 15b einen negativen Pol bilden. Die Drähte 15a, 15b sind mit einer Batterie 20 verbunden, die als Zündquelle den elektrischen Strom zur Aktivierung der metallischen Materialien 11 , 12 der Verbindungsfolie 10 bereitstellt. Das in Fig. 1 nicht gezeigte Aktivierungsmittel 18 ist im Wesentlichen identisch zur Ausführungsform nach Fig. 2 ausgebildet. In Fig. 1 ist lediglich die erste Durchgangsöffnung 13a gezeigt, wobei die zweite Durchgangsöffnung 13b durch die erste Durchgangsöffnung 13a verdeckt ist.
In einem dritten Verfahrensschritt 300 werden die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 mittels der Batterie 20, aktiviert. Die Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 reagieren daraufhin stark exotherm, sodass die metallische Schicht 5 des Gehäuses 3 des Sensorchips 1 mit der Formschluss-Ober- flächenstruktur 7 des Messobjekts 2 verschweißt wird. Mithin wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Sensorchip 1 und dem Messobjekt 2 realisiert. Weiterhin kann aufgeschmolzenes Material der Aluminiumschichten 11 und/oder der Nickelschichten 12 in Zwischenräume der Formschluss-Oberflächenstruktur 7 des Messobjekts 2 eindringen und nach der Erstarrung einen Formschluss zwischen dem Gehäuse 3 des Sensorchips 1 und dem Messobjekt 2 bewirken.
Die detektierbare Messgröße kann durch besondere Strukturen (Kraftnebenschluss) des Messobjekts 2 erhöht werden. In dem jeweiligen Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und Fig. 2 bewirkt der Sockel 8 eine Kraftverringerung. Alternativ oder zusätzlich kann das Messobjekt 2 auch beispielsweise Vertiefungen, Rippen, Sicken oder ähnliches bilden, die Kräfte in bestimmten Raumrichtungen verstärken oder verringern.
In der zweiten Ausführungsform nach Fig. 2 sind an Stelle der beiden Durchgangsöffnungen 13a, 13b am Sensorchip 1 zwei Pins 14a, 14b fest angeordnet, über die das Aktivierungsmittel 18 mit der Verbindungsfolie 10 elektrisch verbunden wird. Der erste Draht 15a ist vorliegend mit dem ersten Pin 14a und der zweite Draht 15b ist vorliegend mit dem zweiten Pin 14b verbunden, wobei die Pins 14a, 14b beidseitig über die Stirnflächen des übrigen Sensorchips 1 axial hervorstehen, um eine sichere Anbindung an die Zündquelle sowie an die Verbindungsfolie 10 zu gewährleisten.
Sowohl die Pins 14a, 14b als auch die Durchgangsöffnungen 13a, 13b sind mit einem definierten Abstand jeweils zueinander sowie zu einer Fügefläche 19, die im Bereich der metallischen Schicht 5 des Gehäuses 3 des Sensorchips 1 und der Formschluss-Oberflächenstruktur 7 des Messobjekts 2 gebildet ist, angeordnet, um Kurzschlüsse zu vermeiden und eine sichere Aktivierung der Aluminiumschichten 11 und der Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 sicherzustellen.
In einer dritten Ausführung weist der Sensorchip 1 im Gegensatz zu Fig. 1 und Fig. 2 kein Gehäuse 3 auf, wobei der Sensorchip 1 eine dem Messobjekt 2 zugewandte Siliziumschicht 5‘ aufweist, welche die metallische Schicht 5 ersetzt. Die Verbindungsfolie 10 kann in diesem Fall zwischen der Siliziumschicht 5‘ des Sensorchips 1 und der Formschluss-Oberflächenstruktur 7 des Messobjekts 2 angeordnet werden, anschließend aktiviert werden und mit der Siliziumschicht 5‘ sowie mit der Formschluss- Oberflächenstruktur 7 stoffschlüssig und formschlüssig verbunden werden.
Fig. 5 zeigt dieses Ausführungsbeispiel stark schematisch. Vorliegend wird der Sensorchip 1 mit dem Messobjekt 2 zumindest stoffschlüssig verbunden. Das Messobjekt 2 ist auch in diesem Fall deutlich größer als der Sensorchip 1 ausgebildet, wobei das Messobjekt 2 keinen Sockel 8 gemäß den vorherigen Beispielen aufweist. Das Messobjekt 2, die Verbindungsfolie 10 und der Sensorchip 1 können im Übrigen identisch zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen ausgebildet sein.
In einem ersten Verfahrensschritt 100 werden zunächst der Sensorchip 1 , das Messobjekt 2 und die Verbindungsfolie 10 bereitgestellt. Fig. 5 zeigt diesen Zustand im linken Teil, bei dem noch keine zumindest stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Messobjekt 2 und dem Sensorchip 1 erzeugt wurde, wobei der rechte Teil den Zustand nach Bildung der zumindest stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Messobjekt 2 und dem Sensorchip 1 zeigt. Wie aus dem linken Teil der Fig. 5 hervorgeht, ist auf dem Sensorchip 1 eine aus Kupfer ausgebildete erste Lötschicht 21 aufgetragen. Diese kann in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und Fig 2 auf der metallischen Oberfläche 5 des Gehäuses 3 des Sensorchips 1 aufgetragen sein. Ferner ist eine ebenfalls aus Kupfer ausgebildete zweite Lötschicht 22 auf dem Messobjekt 2 aufgetragen. Diese kann auf einer metallischen Oberfläche des Messobjekts 2 aufgetragen sein. Die Oberfläche des Messobjekts 2 kann analog zu den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und Fig 2 eine Formschluss-Oberflächenstruktur 7 aufweisen.
Die Verbindungsfolie 10 wurde zuvor durch Laserschneiden derart bearbeitet, dass die Verbindungsfolie 10 eine Form und Maße annimmt, die die vorgesehene Fügefläche 19 bzw. den Fügeabschnitt 17 sowie den Aktivierungsabschnitt 16 zwischen dem Sensorchip 1 und dem Messobjekt 2 abdeckt. Der Aktivierungsabschnitt 16 ist analog zu Fig. 2 über zwei Pins 14a, 14b mit dem Aktivierungsmittel 18 elektrisch verbunden. Alternativ kann der hier gezeigte Sensorchip 1 zwei Durchgangsöffnungen 13a, 13b analog zu Fig. 1 , Fig. 3 und Fig. 4 aufweisen, sodass der Aktivierungs- abschnitt 16 über die Durchgangsöffnungen 13a, 13b zur Anbindung des Aktivierungsmittels frei zugänglich ist. Das Aktivierungsmittel 18 umfasst hier ebenfalls eine Spannungsquelle in Form einer Batterie 20, die über Drähte 15a, 15b mit der Verbindungsfolie 10 elektrisch verbunden ist. Vorliegend ist lediglich einer der Pins 14a sowie der dazugehörige Draht 15a dargestellt. Der anderen Pin 14b und der andere Draht 15b sind hier verdeckt.
Die Verbindungsfolie 24 wird in dem Schritt 200 zwischen der ersten Lötschicht 21 und der zweiten Lötschicht 22 platziert. Wenn alle Schichten aneinander liegen, kontaktieren die Pins 14a, 14b die Verbindungsfolie 10. Ein Fixierpad 23 übt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über eine nachgiebige Schicht 24 einen Druck p auf den durch den Sensorchip 1 , das Messobjekt 2 sowie durch die beiden Lötschichten 21 , 22 gebildeten Stapel aus. Dieser Druck ist sehr gering und wirkt senkrecht auf eine äußere Oberfläche des Sensorchips 1 aus. Wenn ein Gehäuse 3 vorgesehen ist, wirkt der Druck senkrecht auf die äußere Oberfläche des Gehäuses 3. Der Druck dient dazu, einer Verformung der Lötschichten 21 , 22 und der Verbindungsfolie 10 während des Aktivierens und Verbindens in Schritt (300) entgegenzuwirken.
Im dritten Verfahrensschritt 300 werden die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 mittels des Aktivierungsmittels 18 über die Drähte 15a, 15b und Pins 14a, 14b aktiviert. Die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 reagieren daraufhin stark exotherm, sodass sich die Verbindungsfolie 10 derart erhitzt, dass die erste Lötschicht 21 und die zweite Lötschicht 22 schmelzen und der Sensorchip 1 durch die aufgeschmolzenen Lötschichten 21 , 22 mit dem Messobjekt 2 verlötet wird, wie dies durch den rechten Teil der Fig. 5 gezeigt ist. Dabei entsteht eine stabile Verbindungsschicht 25 zwischen dem Sensorchip 1 und dem Messobjekt 2. Weiterhin kann aufgeschmolzenes Material insbesondere der zweiten Lötschicht 22 in Zwischenräume der Formschluss- Oberflächenstruktur 7 des Messobjekts 2 eindringen und nach der Erstarrung einen Formschluss zwischen dem Sensorchips 1 und dem Messobjekt 2 bewirken. Die Lötschichten 21 , 22 können analog in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und Fig. 2 eingesetzt werden. Bezugszeichen
F Kraft
P Druck
1 Sensorchip
2 Messobjekt
3 Gehäuse
4 Sensorchip-Oberfläche
5 metallische Schicht
5‘ Siliziumschicht
6 Messobjekt-Oberfläche
7 Formschluss-Oberflächenstruktur
8 Sockel
9 äußere Oberfläche des Messobjekts
10 Verbindungsfolie
11 Aluminiumschicht
12 Nickelschicht
13a Erste Durchgangsöffnung
13b Zweite Durchgangsöffnung
14a Erster Pin
14b Zweiter Pin
15a Erster Draht
15b Zweiter Draht
16 Aktivierungsabschnitt
17 Fügeabschnitt
18 Aktivierungsmittel
19 Fügefläche
20 Batterie
21 erste Lötschicht
22 zweite Lötschicht
23 Fixierpad
24 nachgiebige Schicht
25 Verbindungsschicht erster Verfahrensschritt zweiter Verfahrensschritt dritter Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbindung eines Sensorchips (1 ) mit einem Messobjekt (2), das Verfahren umfassend die Schritte
(100) Bereitstellen
- eines Messobjekts (2),
- eines Sensorchips (1 ), der dazu eingerichtet ist, eine physikalische Eigenschaft eines Messobjekts (2) zu erfassen, und
- einer Verbindungsfolie (10), die metallische Materialien (11 , 12) enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren,
(200) Platzieren der Verbindungsfolie (10) zwischen dem Sensorchip (1 ) und dem Messobjekt (2), wobei die Verbindungsfolie (10) einen Aktivierungsabschnitt (16) aufweist, der zwischen dem Sensorchip (1 ) und dem Messobjekt (2) angeordnet ist, wobei am Sensorchip (1 ) wenigstens eine Durchgangsöffnung (13a) ausgebildet ist, durch die ein jeweiliges Aktivierungsmittel (18) hindurchgeführt und mit der Verbindungsfolie (10) elektrisch verbunden wird, und
(300) Aktivieren der metallischen Materialien (11 , 12) der Verbindungsfolie (10) über das jeweilige Aktivierungsmittel (18), sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass der Sensorchip (1 ) mit dem Messobjekt (2) stoffschlüssig verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei am Sensorchip (1 ) eine erste Durchgangsöffnung (13a) und eine zweite Durchgangsöffnung (13b) ausgebildet sind, wobei in Schritt (200) durch die erste Durchgangsöffnung (13a) ein erster Draht (15a) des Aktivierungsmittels (18) und durch die zweite Durchgangsöffnung (13b) ein zweiter Draht (15b) des Aktivierungsmittels (18) hindurchgeführt und mit dem Aktivierungsabschnitt (16) der Verbindungsfolie (10) verbunden werden.
3. Verfahren zur Verbindung eines Sensorchips (1 ) mit einem Messobjekt (2), das Verfahren umfassend die Schritte
(100) Bereitstellen
- eines Messobjekts (2), - eines Sensorchips (1 ), der dazu eingerichtet ist, eine physikalische Eigenschaft eines Messobjekts (2) zu erfassen, und
- einer Verbindungsfolie (10), die metallische Materialien (11 , 12) enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren,
(200) Platzieren der Verbindungsfolie (10) zwischen dem Sensorchip (1 ) und dem Messobjekt (2), wobei die Verbindungsfolie (10) einen Aktivierungsabschnitt (16) aufweist, der zwischen dem Sensorchip (1 ) und dem Messobjekt (2) angeordnet ist, wobei am Sensorchip (1 ) zwei Pins (14a, 14b) angeordnet sind, über die ein Aktivierungsmittel (18) mit der Verbindungsfolie (10) elektrisch verbunden wird, und
(300) Aktivieren der metallischen Materialien (11 , 12) der Verbindungsfolie (10) über die Aktivierungsmittel (18), sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass der Sensorchip (1 ) mit dem Messobjekt (2) stoffschlüssig verbunden wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- eine erste Lötschicht (21 ) auf dem Sensorchip (1 ) aufgetragen wird und eine zweite Lötschicht (22) auf dem Messobjekt (2) aufgetragen wird,
- die Verbindungsfolie (10) in dem Schritt (200) zwischen der ersten Lötschicht (21 ) und der zweiten Lötschicht (22) platziert wird, und
- die metallischen Materialien (11 , 12) der Verbindungsfolie (10) in dem Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass die erste Lötschicht (21 ) und die zweite Lötschicht (22) schmelzen und der Sensorchip (1 ) durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht (21 ) und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht (22) mit dem Messobjekt (2) verlötet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsfolie (10) durch Laserschneiden derart bearbeitet wird, dass die Verbindungsfolie (10) eine Form und Maße annimmt, die eine vorgesehene Fügefläche (17) sowie einen Aktivierungsabschnitt (16) zwischen dem Sensorchip (1 ) und dem Messobjekt (2) abdeckt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei mittels eines Fixierpads (23), das auf den Sensorchip (1 ) und/oder das Messobjekt (2) einen Druck (p) ausübt, einer Verformung der Lötschichten (21 , 22) und der Verbindungsfolie (10) während des Aktivierens und Verbindens in Schritt (300) entgegengewirkt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei
- die erste Lötschicht (21 ) auf eine metallische Oberfläche des Sensorchips (1 ) aufgetragen wird, und
- die zweite Lötschicht (22) auf eine metallische Oberfläche des Messobjekts (2) aufgetragen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei
- der Sensorchip (1 ) ein Gehäuse (3) mit einer ersten metallischen Oberfläche aufweist, auf welche die erste Lötschicht (21 ) aufgetragen wird, und
- das Messobjekt (2) eine zweite metallische Oberfläche aufweist, auf welche die zweite Lötschicht (22) aufgetragen wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
- der Sensorchip (1 ) kein Gehäuse aufweist,
- der Sensorchip (1 ) eine dem Messobjekt zugewandte Siliziumschicht (5‘) aufweist,
- die Verbindungsfolie (10) in Schritt (200) zwischen der Siliziumschicht (5‘) und dem Messobjekt (2) platziert wird,
- die metallischen Materialien (11 , 12) der Verbindungsfolie (10) in Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass die Siliziumschicht (5‘) des Sensorchips (1 ) mit dem Messobjekt (2) stoffschlüssig verbunden wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
- eine mit dem Sensorchip (1 ) zu verbindende Oberfläche (6) des Messobjekts (2) zeitlich vor dem Schritt (100) mit einer Formschluss-Oberflächenstruktur (7) versehen wird,
- in Schritt (200) die Verbindungsfolie (10) zwischen dem Sensorchip (1 ) und der Formschluss-Oberflächenstruktur (7) des Messobjekts (2) platziert wird, und - in Schritt (300) die metallischen Materialien (11 , 12) der Verbindungsfolie (10) aktiviert werden, sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass der Sensorchip (1 ) mit der Formschluss-Oberflächenstruktur (7) des Messobjekts (2) stoffschlüssig und formschlüssig verbunden wird.
11 . Anordnung eines Sensorchips (1 ) an einem Messobjekt (2), wobei der Sensorchip (1 ) durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem Messobjekt (2) verbunden worden ist.
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