WO2024033037A1 - Verbindung eines dehnungsmessstreifens mit einem messobjekt - Google Patents

Verbindung eines dehnungsmessstreifens mit einem messobjekt Download PDF

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WO2024033037A1
WO2024033037A1 PCT/EP2023/070059 EP2023070059W WO2024033037A1 WO 2024033037 A1 WO2024033037 A1 WO 2024033037A1 EP 2023070059 W EP2023070059 W EP 2023070059W WO 2024033037 A1 WO2024033037 A1 WO 2024033037A1
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measurement object
strain gauge
layer
connecting film
film
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PCT/EP2023/070059
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Erwin Biegger
Philipp Lang
Georg TENCKHOFF
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
    • G01B7/20—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance formed by printed-circuit technique
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • G—PHYSICS
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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges

Definitions

  • the invention relates to a connection of a strain gauge to a measurement object. What is required in this context is in particular a method for attaching the strain gauge to the measurement object and an arrangement of the strain gauge on the measurement object.
  • Strain gauges are measuring devices for recording stretching and compressing deformations. They change their electrical resistance even with small deformations and are used as sensors to measure strain.
  • the measurement object can consist of different materials such as metal, silicon or an organic material.
  • the connecting layer must provide strong adhesion and be dimensionally stable to ensure good force and deformation transfer without (additional and unpredictable) damping or time delays. Sensor performance over life depends on the long-term stability of the interconnect layer, particularly temperature-humidity-chemical stability, to avoid signal drift, signal amplitude shrinkage and time delays.
  • Bonding is known for contacting the strain gauges on a larger measurement object.
  • the connecting layer is therefore an adhesive layer. This is relatively easy to achieve for industrial manufacturing, but usually requires a manual process that is time-consuming and not cost-effective. Adhesive connections are associated with different temperature gradients, moisture-chemical dependency and long-term aging. This can reduce the signal quality or even destroy the sensor. Other joining techniques are impractical due to 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 strain gauge or the measurement object.
  • the object of the present invention is to propose a novel connection between a strain gauge and a measurement object, which takes into account the problems described above and makes strain gauges usable for automotive applications.
  • the problem is solved by the subject matter of independent patent claim 1.
  • Advantageous embodiments are the subject of the subclaims, the following description and the figures.
  • a method according to the invention for connecting a strain gauge to a measurement object comprises the steps (100) Provide
  • strain gauge which is at least designed to record stretching and compressing deformations of a measurement object
  • the present invention proposes a reactive foil soldering process in order to obtain a particularly intermetallic connection for strain gauges on a larger measurement object, also called a target.
  • the joining process is based on the use of a reactive multi-layer film as a local heat source.
  • the connecting film consists of a new class of nanotechnological 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 film melts, for example, solder layers or other reactive 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. ⁇ 100pm).
  • a method for connecting a strain gauge to a measurement object is provided.
  • a measurement object is provided.
  • a strain gauge is provided, which is designed to detect expansion and/or compression on the measurement object. The collection of further measurements large with the strain gauge is also conceivable.
  • a connecting film is provided which contains metallic materials which react exothermically when activated.
  • the measurement object can in particular be significantly larger than the strain gauge.
  • the measurement object can be, for example, a target, in particular an axis, a shaft for a motor, a transmission of a motor vehicle, a robot arm segment for a robot or a cooler.
  • the measurement object can be a carrier plate or a mounting plate, which is applied to or attached to the component mentioned in a later process step.
  • the strain gauge is connected directly to the target using the method according to the invention.
  • the measurement object can alternatively be a component that is arranged between the target and the strain gauge, or by means of which the strain gauge is attached to the target.
  • the strain gauge is in particular designed to measure a strain, a compression and/or a torque that is generated by the measurement object or originates from it or is transmitted with it.
  • the strain gauge preferably comprises a carrier layer facing the measurement object and a measuring grid.
  • the strain gauge, DMS for short is preferably a foil strain gauge, that is, the measuring grid made of resistance wire, which is preferably 3 to 5, preferably up to 8 pm thick, is laminated onto a thin plastic carrier comprising a polymer and etched out as well as with electrical connections.
  • the measuring grid can be covered by a cover layer which is connected, in particular glued, to the carrier layer and which mechanically protects the measuring grid.
  • Several measuring grids can also be arranged on the carrier layer.
  • the carrier layer and/or the cover layer is advantageously designed in the form of a film.
  • the carrier layer is therefore preferably a carrier film and/or the cover layer is a cover film.
  • the carrier layer is preferably made of polyimide. If a cover layer is provided, this can also be made of polyimide.
  • a so-called NanoFoil® from Indium Corporation can be used as the connecting film.
  • the NanoFoil® is a reactive multi-layer foil that is produced by vapor deposition of thousands of alternating nanoscale layers made of aluminum and nickel, for example.
  • Other binary layer systems are also conceivable, such as titanium and aluminum, zirconium and silicon or paladium and aluminum.
  • ternary systems for forming the multilayer film are also conceivable.
  • the formation of the connecting film is essentially dependent on the desired reaction when activating the connecting film, in particular the reaction temperature during activation.
  • the film When activated by a small pulse of local energy from electrical, optical or thermal sources, the film reacts exothermically to produce precise local heat up to temperatures of 1500°C in a fraction of a second.
  • the thickness of the connecting film can be adjusted according to the requirements. In particular, the thickness of the connecting film can be adjusted depending on the material of the measurement object and/or the carrier layer of the strain gauge. The thinner the connecting film, the less energy is required to initiate or carry out activation of the connecting film. The total energy must be adjusted in such a way that there is a secure connection between the strain gauge and the measurement object.
  • the connecting film is placed between the strain gauge and the measurement object in a second process step (200).
  • the placement can be done in such a way that the connecting film lies in a sandwich configuration either directly on facing surfaces of the strain gauge and the measurement object.
  • the placement can be carried out in such a way that the connection foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, with the solder layers being applied to opposite surfaces of the electronic module and the strain gauge.
  • the placement can be carried out such that the connection foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, with the solder layers being applied to opposite surfaces of the connection foil.
  • These surfaces of the connecting film are in particular flat surfaces which, in the second method step (200), accommodate the strain gauge or the measurement object between the Strain gauges and the measurement object are arranged in order to be welded or soldered in the third step of the process.
  • the connecting film When activated, the connecting film forms a joining surface between the measurement object and the strain gauge. If this does not already occur on the joining section forming the joining surface, the connecting film can also have an activation section on which the metallic material of the connecting film is activated. Activating means can be arranged on the activation section in order to be able to activate the connecting film.
  • the joining section and, if applicable, the activation section are formed between the strain gauge and the measurement object.
  • the activated connecting film connects the measurement object with the strain gauge at least in the joining surface, preferably in the joining surface and, if necessary, in the activation section in a materially bonded manner. If an activation section is provided, it lies outside the joining surface between the strain gauge and the measurement object.
  • At least one, preferably several, activation means is electrically connected to the connecting film, in particular to the activation section, if one is provided.
  • the activating means can have one or more wires, preferably two wires, one with a positive pole, i.e. a plus pole, and one with a negative pole, i.e. a negative pole, with a potential difference between the poles.
  • the wires can be designed 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.
  • the activation means can be designed to be connected to the voltage source to activate the connecting film.
  • Preamplifier electronics can also be arranged between the activation means and the voltage source.
  • the metallic materials of the connecting film are activated via the respective activation agent, so that the connecting film is heated in such a way that the strain gauge is bonded to the measurement object.
  • Activation can be done, for example, by ignition. The process requires no special heat, no vacuum and no gas atmosphere.
  • the connecting film can be ignited, for example, with a commercially available 9V battery, the battery being at least indirectly connected to the connecting film via the respective activation means.
  • the material of the measurement object can be melted or melted so that the strain gauge is welded directly to the measurement object.
  • the strain gauge can be indirectly soldered to the measurement object by melting solder layers on the measurement object and/or on the strain gauge and/or on the connecting foil.
  • method step (300) is carried out in such a way that the material of the carrier layer of the strain gauge does not melt when the connecting film is activated.
  • a metal plate or other material with high heat capacity can be attached to the rear end of the strain gauge during the bonding process.
  • the strain gauge is additionally positioned between the connecting film and a heat sink.
  • the heat sink is advantageously made of a metal.
  • the heat sink is plate-shaped or disk-shaped. Other materials that have a high heat capacity are also conceivable for forming the heat sink.
  • the heat sink prevents the carrier layer of the strain gauge from melting.
  • the continuous, metallic connecting layer or bonding surface between the strain gauge and the measurement object resulting from the activation of the metallic materials of the connecting film has, in particular, a high dimensional stability as well as a high thermal conductivity and electrical conductivity due to the improved contacting. 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 connection. These lower stresses induce less prestress in the strain gauge and increase the performance and stability of the strain gauge. In addition, the low temperatures and low pressure enable a wide use of materials such as polymers.
  • the bond between strain gauges and measurement object created by the method according to the invention does not age with time and temperatures. Steam, pressure or the like do not cause any change in 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, in particular due to temperature, humidity, pressure or the like.
  • the composite material (particularly metal) further provides elastic deformation for repeatability.
  • the electrical connection between the activating agent and the connecting film can be carried out using the same device with which the strain gauge is placed on the measurement object and the pressure is exerted for a material connection.
  • the connecting film is processed by laser cutting in such a way that the connecting film takes on a shape and dimensions that cover an intended joining surface between the strain gauge and the measurement object.
  • the connecting film can thus be shaped particularly precisely and efficiently to the desired dimensions before the connecting film is placed between the two surfaces becomes.
  • the laser cutting therefore takes place before the connecting film is placed between the strain gauge and the measurement object in step (200).
  • connection method according to the present invention is particularly suitable for strain gauges due to the elimination or reduction of compressive stresses.
  • the installation of the strain gauge on the measurement object can be simplified and accelerated and can be carried out with reproducible quality.
  • the assembly can be at least partially automated, preferably fully automated.
  • one or more solder layers are applied to the connecting foil and/or the strain gauge and/or the measurement object.
  • the carrier layer of the strain gauge preferably has a metallized first solder layer facing the connecting film.
  • the first solder layer is therefore to be understood as the first coating of the strain gauge, which can be divided into several individual layers.
  • the connecting film has a metallized first solder layer facing the strain gauge.
  • the connecting film and/or the measurement object preferably has a metallized second solder layer. Accordingly, for example, only the connecting foil has a metallized second solder layer facing the measurement object. Alternatively, only the measurement object has a metallized second solder layer facing the connecting foil. Furthermore, as an alternative, both the measurement object and the connecting foil each have a metallized second solder layer on surfaces facing one another.
  • the second solder layer is to be understood as a second coating, which can be divided into several individual layers.
  • the respective soldering layer is a metallized layer that enables an effective, cohesive connection between the strain gauge and the measurement object.
  • the respective solder layer is applied in particular before the connecting film is placed between the strain gauge and the measurement object in the second method step (200). By then activating the connecting foil Sufficient heat is generated to melt the respective solder layer and solder the strain gauge to the measurement object.
  • the connecting foil Sufficient heat is generated to melt the respective solder layer and solder the strain gauge to the measurement object.
  • the strain gauge in particular the carrier layer of the strain gauge
  • the second soldering layer is applied to the measurement object and/or to the connecting foil
  • step (200) the connecting film is placed in step (200) between the strain gauge and the measurement object, and
  • step (300) the metallic materials of the connecting foil are activated in step (300), so that the connecting foil is heated in such a way that the first soldering layer and the second soldering layer melt and the strain gauge is soldered to the measurement object through the melted first soldering layer and the melted second soldering layer, to create the cohesive connection.
  • the material of the carrier layer of the strain gauge for example designed as a polymer film made of polyimide, is then glued directly to the substrate or the measurement object.
  • the metallization of the carrier film i.e. the application of the solder layer to the strain gauge, is important to enable the nanobond process.
  • an intermetallic, cohesive bond can be created between the strain gauge and the measurement object, which does not require high temperatures, pressures, electromagnetic fields, etc. for production.
  • the intermetallic connection enables a 1:1 signal transmission from the measurement object to the strain gauge.
  • solder layers can be applied as metallic starting layers (first and second solder layers) particularly advantageously by plasma processes, sputtering processes or vapor deposition on the respective surface of the parts to be connected (strain gauges, measurement object, connecting foil).
  • Other options include two-shot injection molding, additive manufacturing, etc.
  • the material of the soldering layer is adapted to the dimensions and material of the connecting foil, the strain gauge and/or the measurement object.
  • the respective solder layer comprises a nickel layer and a gold layer.
  • the respective coating is designed in multiple layers.
  • the layer structure can be designed in any way.
  • the gold layer faces the connecting foil.
  • the nickel layer faces the measurement object and/or the strain gauge and thus faces away from the connecting film.
  • a fixing pad can be placed on the layers with low pressure.
  • deformation of the soldering layers and the connecting foil during activation and connection in step (300) is preferably counteracted by means of a fixing pad, which at least indirectly exerts pressure on the strain gauge and/or the measurement object.
  • the pressure is so low that it does not lead to any tensions within the strain gauge and/or the measurement object, which could affect the strength of the connection between the strain gauge and the measurement object or the measurement accuracy.
  • “At least indirectly” in this context means that further, in particular plate-shaped components, such as the heat sink mentioned, can be arranged between the fixing pad and the strain gauge and/or the measurement object.
  • the fixing pad can also be arranged directly on the strain gauge and/or the measurement object.
  • an arrangement of a strain gauge on a measurement object wherein the strain gauge 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 longitudinal sectional view of an arrangement according to the invention of a strain gauge on a measurement object according to a first embodiment, wherein the strain gauge is attached to the measurement object by means of a connecting film - shown here in a very simplified manner
  • FIG. 2 shows a detailed longitudinal sectional view of the arrangement according to the invention according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a detailed longitudinal sectional view of the arrangement according to the invention according to a second embodiment
  • FIG. 4 shows an exploded view of layers and tools for connecting the strain gauge to a measurement object using the connecting film and the arrangement resulting from the connection according to the second embodiment according to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a sequence of a method according to the invention for connecting the strain gauge to the measurement object according to FIGS. 1 to 4, and 6 is a greatly enlarged cross-sectional view of the connecting film for the arrangement according to FIGS. 1 to 5.
  • the strain gauge 1 shows a first embodiment of an arrangement of an electrical strain gauge 1 on a measurement object 2, the strain gauge 1 being connected to the measurement object 2 by a method according to FIG. 5 by means of a connecting film 10.
  • the strain gauge 1 is shown in FIGS. 2 and 3 and comprises a carrier layer 1a and a meandering measuring grid 1b arranged thereon. 2 and 3, the strain gauge 1 has a metallized first solder layer 13 facing the connecting film 10 on a strain gauge surface 4 and the measurement object 2 has one of the connecting film 10 on a measurement object surface 6 facing, metallized second solder layer 14.
  • the measurement object 2 is significantly larger than the strain gauge 1.
  • the measurement object 2 can be, for example, a shaft of a motor, an axle or a transmission for a motor vehicle.
  • the strain gauge 1 is set up to record expansions and compressions on the measurement object 2.
  • the resistance of the strain gauge 1 changes with a force applied to the measurement object 2. It converts mechanical quantities such as force, pressure, tension, weight, and the like into a measurable change in electrical resistance.
  • mechanical tension is the resistance that the object offers to the force
  • strain is the displacement and deformation that results from the force.
  • the strain gauge 1 is therefore at least set up to record stretching and compressing deformations, preferably other measured variables, of the measurement object 2.
  • a firm, here a material connection, of the strain gauge 1 with the measurement object 2 is realized.
  • This connection transmits forces of the measured variable as well as disturbances caused by thermal expansion.
  • the type of connection places demands on the surface quality of measurement object 2 and strain gauge 1.
  • Two on the far right in Fig. 1 The force arrows F shown illustrate an exchange of forces through deformation, which represents the actual measurement variable.
  • To the left of it is a bidirectional force arrow F, which illustrates an exchange of forces through stresses and through different thermal expansion, which represents a disturbance variable.
  • the measurement object 2 can, as mentioned above, have a metallized surface or be made of a metallic material.
  • the strain gauge 1, the measurement object 2 and the connecting film 10 are provided.
  • the connecting foil 10 is a so-called NanoFoil®, i.e. a reactive multilayer foil that is produced by vapor deposition of thousands of alternating nanoscale layers of aluminum 11 and nickel 12.
  • NanoFoil® i.e. a reactive multilayer foil that is produced by vapor deposition of thousands of alternating nanoscale layers of aluminum 11 and nickel 12.
  • FIG. 6 A greatly enlarged cross-sectional view of the connecting foil 10 with the aluminum 11 and nickel layers 12 is shown in FIG. 6.
  • the bonding film 10 reacts exothermically to produce precise local heat up to temperatures of 1500 ° C in a fraction of a second.
  • a second method step 200 the connecting film 10 is placed between the strain gauge 1 and the measurement object 2, as shown by FIGS. 1 to 4.
  • the connecting foil 10 touches the first soldering layer 13 on the carrier layer 1a of the strain gauge 1 on one side and the second soldering layer 14 on the measurement object 2 on the other side.
  • the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the connecting foil 10 are still alternating arranged next to each other, as shown by Fig. 6.
  • Both solder layers 13, 14 include nickel.
  • one of the layers 13, 14 or both layers 13, 14 can comprise further layers.
  • both layers 13, 14 also have a gold layer, the gold layer being arranged facing the connecting foil 10.
  • the respective soldering layer 13, 14 can also include copper, silver, silicon nitride (SisN4), silicon dioxide (SiÜ2), titanium tungsten (TiW), palladium or the like.
  • the connecting film 10 is processed by laser cutting in such a way that the connecting film 10 takes on a shape and dimensions that form an intended joining surface 7 between the strain gauge 1 and the measurement object 2.
  • a battery 15 is provided as an activation means 16, which is electrically connected to the connecting film 10.
  • a third method step 300 the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the connecting foil 10 according to FIG. 6 are activated by means of a battery 15 shown by way of example in FIG. 4.
  • a DC voltage source can be used to activate the connecting film 10.
  • the aluminum layers 11 and 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 13 and the second soldering layer 14 melt and the strain gauge 1 is soldered to the measurement object 2 through the melted soldering layers 13, 14 . This creates, as indicated on the right in Fig. 4, a stable bonding or joining surface 7 between the strain gauge 1 and the measurement object 2.
  • the measurement object surface 6 can have a surface structure such that molten material of the aluminum layers 11 and/or the nickel layers 12 can penetrate into spaces in the measurement object surface 6 and, after solidification, can cause a positive connection between the strain gauge 1 and the measurement object 2.
  • the detectable measurement variable can be increased by special structures (force shunt) of the measurement object 2.
  • the measurement object 2 can, for example, form depressions, ribs, beads or the like that increase or reduce forces in certain spatial directions.
  • FIG. 4 shows in the left part a state in which no connection has yet been created between the measurement object 2 and the strain gauge 1.
  • the right part of Fig. 4 shows the state after formation of the cohesive connection between the measurement object 2 and the strain gauge 1, i.e. after the strain gauge 1 has been soldered to the measurement object 2 through the melted solder layers 13, 14.
  • the connecting film 10 is cut by laser cutting in such a way that it has an activation section 8, which in the exemplary embodiment shown is not covered by the strain gauge 1 and is therefore freely accessible for applying the activation agent 16.
  • the activation section 8 therefore protrudes, as can be clearly seen in the left part of FIG. 4, from the stack formed by the strain gauge 1, the measurement object 2 and the two soldering layers 13, 14 when all layers are adjacent to one another.
  • a fixing pad 9 which comprises a flexible layer, exerts a pressure p on the stack formed by the strain gauge 1, the measurement object 2 and by the two solder layers 13, 14. This pressure is very low and acts perpendicularly on an outer surface of the strain gauge 1. The pressure serves to counteract deformation of the solder layers 13, 14 and the connecting film 10 during activation and connection in step 300.
  • a heat sink 5 designed as a metal plate is also arranged between the fixing pad 9 and the strain gauge 1, which additionally positions the strain gauge 1 between the connecting film 10 and a heat sink 5 during the placement 200 of the connecting film 10 between the strain gauge 1 and the measurement object 2.
  • the heat sink 5 is also shown in FIG. 3 and serves to avoid damage to the carrier layer 1a of the strain gauge 1 during the activation of the connecting film 10. With the heat sink 5, the heat generated during the exothermic reaction of the connecting film 10 should be dissipated as quickly as possible in order to keep thermal stress on the carrier layer 1a of the strain gauge 1 as low as possible.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments disclosed here. These are merely exemplary configurations, although other variants are also possible.
  • the second solder layer 14 on the measurement object 2 can be dispensed with if that Measurement object 2 consists of a solderable material or has an already metallized surface.

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Abstract

Verbindung eines Dehnungsmessstreifens mit einem Messobjekt Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines Dehnungsmessstreifens (1) mit einem Messobjekt (2), das Verfahren umfassend die Schritte (100) Bereitstellen - eines Messobjekts (2), - eines Dehnungsmessstreifens (1), der zumindest dazu eingerichtet ist, dehnende und stauchende Verformungen 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 Dehnungsmessstreifen (1) und dem Messobjekt (2), und (300) Aktivieren der metallischen Materialien (11, 12) der Verbindungsfolie (10), sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1) und dem Messobjekt (2) eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung eines Dehnungsmessstreifens (1) an einem Messobjekt (2), wobei der Dehnungsmessstreifen (1) durch ein solches Verfahren mit dem Messobjekt (2) verbunden worden ist.

Description

Verbindung eines Dehnungsmessstreifens mit einem Messobjekt
Die Erfindung betrifft eine Verbindung eines Dehnungsmessstreifens mit einem Messobjekt. Beansprucht werden in diesem Zusammenhang insbesondere ein Verfahren zur Befestigung des Dehnungsmessstreifens an dem Messobjekt sowie eine Anordnung des Dehnungsmessstreifens an dem Messobjekt.
Für verschiedene Anwendungsfälle ist es notwendig, einen Dehnungsmessstreifen 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. Dehnungsmessstreifen sind Messeinrichtungen zur Erfassung von dehnenden und stauchenden Verformungen. Sie ändern bereits bei geringen Verformungen ihren elektrischen Widerstand und werden als Sensoren zur Dehnungsmessung eingesetzt.
Sensoren zur Kraft- oder Verformungsmessung sind stark von der Verbindungs- bzw. Klebeschicht zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt abhängig. Das Messobjekt kann 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-ZFeuchtigkeits- ZChemikalienstabilität, um Signaldrift, Signalamplitudenschrumpfung und Zeitverzögerungen zu vermeiden.
Für die Kontaktierung der Dehnungsmessstreifen auf einem größeren Messobjekt ist Kleben bekannt. Die Verbindungsschicht ist also eine Klebeschicht. Dies ist für die industrielle Fertigung relativ einfach zu realisieren, erfordert aber meist einen manuellen Prozess, der zeitaufwendig und nicht kosteneffizient ist. Klebeverbindungen sind mit unterschiedlichen Temperaturgradienten, Feuchtigkeits-ZChemikalienabhän- gigkeit 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 Dehnungsmessstreifen oder das Messobjekt zerstören.
Aus der DE 10 2013 002 144 A1 geht ein Fügeverfahren für thermisch empfindliche Strukturen hervor, wobei zwei Bauteile unter Nutzung eines als reaktive Nanofolie ausgestalteten Fügehilfsmittels funktionell in Wirkverbindung gebracht werden, indem die Nanofolie zunächst zwischen zugeordnete Flächenabschnitte der miteinander zu fügenden Bauteile eingebracht wird und hier nachfolgend eine zumindest abschnittsweise Ausbildung einer Verbindungsstruktur bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Aktivierung der Nanofolie zunächst ein Aufschmelzen einer weitgehend festen Lot-Verbindungsschicht auf beiden einander zugeordneten Flächenabschnitten der miteinander zu fügenden Bauteile erfolgt und dass nachfolgend das jeweils lokal auf einen Flächenabschnitt begrenzte Schmelzgut mit dem ebenfalls lokal begrenzten Schmelzgut des gegenüberliegenden Flächenabschnittes und den Resten der Reaktanten des nanoreaktiven Foliensystems derart vermischt wird, dass nach Abkühlung und Verfestigung des gesamten Schmelzgutes eine funktionale Hartlotverbindung ausgestaltet wird, wobei die für das Aufschmelzen notwendige thermische Belastung lediglich innerhalb der Konturabschnitte der zu fügenden Kontakte ausschließlich auf Lotverbindungsschichten des Lotschichtsystems eingebracht wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige Verbindung zwischen einem Dehnungsmessstreifen und einem Messobjekt vorzuschlagen, welche den vorstehend beschriebenen Problemen Rechnung trägt sowie Dehnungsmessstreifen für Automobilanwendungen einsetzbar macht. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verbindung eines Dehnungsmessstreifens mit einem Messobjekt umfasst die Schritte (100) Bereitstellen
- eines Messobjekts,
- eines Dehnungsmessstreifens, der zumindest dazu eingerichtet ist, dehnende und stauchende Verformungen eines Messobjekts zu erfassen, und
- einer Verbindungsfolie, die metallische Materialien enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren,
(200) Platzieren der Verbindungsfolie zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt, und
(300) Aktivieren der metallischen Materialien der Verbindungsfolie, sodass sich die Verbindungsfolie derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen reaktiven Folienlötprozess vor, um eine insbesondere intermetallische Verbindung für Dehnungsmessstreifen auf einem größeren Messobjekt, auch Target genannt, zu erhalten. Der Fügeprozess basiert auf der Verwendung einer reaktiven Multischichtfolie als lokale Wärmequelle. Die Verbindungsfolie 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 zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt schmilzt die durch die Reaktion in der Folie erzeugte Wärme beispielsweise Lötschichten oder andere reaktive Schichten 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 Dehnungsmessstreifens mit einem Messobjekt bereitgestellt. In einem ersten Schritt (100) des Verfahrens wird ein Messobjekt bereitgestellt. Weiterhin wird ein Dehnungsmessstreifen bereitgestellt, der dazu eingerichtet ist, eine Dehnung und/oder Stauchung am Messobjekt zu erfassen. Die Erfassung weiterer Mess- großen mit dem Dehnungsmessstreifen ist ebenfalls denkbar. Ferner wird eine Verbindungsfolie bereitgestellt, die metallische Materialien enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren.
Das Messobjekt kann insbesondere deutlich größer sein als der Dehnungsmessstreifen. Bei dem Messobjekt kann es sich beispielsweise um ein Target, insbesondere eine Achse, eine Welle für einen Motor, ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs, ein Roboterarmsegment für einen Roboter oder ein Kühler, handeln. Alternativ kann das Messobjekt eine Trägerplatte oder eine Montageplatte sein, das in einem späteren Prozessschritt auf das genannte Bauteil aufgebracht bzw. daran befestigt wird. In diesem Fall wird der Dehnungsmessstreifen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens direkt mit dem Target verbunden. Das Messobjekt kann alternativ ein Bauteil sein, das zwischen dem Target und dem Dehnungsmessstreifen angeordnet ist, bzw. mittels dessen der Dehnungsmessstreifen am Target befestigt wird.
Der Dehnungsmessstreifen ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Dehnung, eine Stauchung und/oder ein Drehmoment zu messen, die bzw. das von dem Messobjekt erzeugt wird bzw. davon ausgeht bzw. damit übertragen wird. Der Dehnungsmessstreifen umfasst vorzugsweise eine dem Messobjekt zugewandte Trägerschicht sowie ein Messgitter. Der Dehnungsmessstreifen, kurz DMS, ist vorzugsweise ein Fo- lien-DMS, das heißt, das Messgitter aus Widerstandsdraht, der vorzugsweise 3 bis 5, vorzugsweise bis 8 pm dick ist, wird auf einen dünnen, ein Polymer umfassenden Kunststoffträger kaschiert und ausgeätzt sowie mit elektrischen Anschlüssen versehen. Zusätzlich kann das Messgitter durch eine Abdeckschicht bedeckt sein, die mit der Trägerschicht verbunden, insbesondere verklebt ist, und die das Messgitter mechanisch schützt. Es können auch mehrere Messgitter auf der Trägerschicht angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist die Trägerschicht und/oder die Abdeckschicht in Form einer Folie ausgebildet. Mithin ist die Trägerschicht bevorzugt eine Trägerfolie und/oder die Abdeckschicht eine Abdeckfolie. Die Trägerschicht ist bevorzugt aus Polyimid ausgebildet. Sofern eine Abdeckschicht vorgesehen ist, kann auch dieses aus Polyimid ausgebildet sein. Als Verbindungsfolie kann beispielsweise eine sogenannte NanoFoil® der Indium Corporation zum Einsatz kommen. Die NanoFoil® ist eine reaktive Multischichtfolie, die durch Aufdampfen von Tausenden von abwechselnden nanoskaligen Schichten beispielsweise aus Aluminium und Nickel hergestellt wird. Denkbar sind auch andere binäre Schichtsysteme, wie Titan und Aluminium, Zirkonium und Silizium oder Pala- dium und Aluminium. Darüber hinaus sind auch ternäre Systeme zur Ausbildung der Multischichtfolie denkbar. Die Ausbildung der Verbindungsfolie, insbesondere die Auswahl der Materialien, ist im Wesentlichen abhängig von der gewünschten Reaktion beim Aktivieren der Verbindungsfolie, insbesondere der Reaktionstemperatur während der Aktivierung. 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 Dicke der Verbindungsfolie kann an die Anforderungen angepasst werden. Insbesondere kann die Dicke der Verbindungsfolie in Abhängigkeit des Materials des Messobjekts und/oder der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens angepasst werden. Je dünner die Verbindungsfolie, desto weniger Energie ist erforderlich, um das Aktivieren der Verbindungsfolie einzuleiten bzw. auszuführen. Die Gesamtenergie ist derart einzustellen, dass eine sichere Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt erfolgt.
Die Verbindungsfolie wird in einem zweiten Verfahrensschritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt platziert. Das Platzieren kann derart erfolgen, dass die Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration entweder direkt an einander zugewandten Oberflächen des Dehnungsmessstreifens 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 auf gegenüberliegenden Oberflächen des Elektronikmoduls und des Dehnungsmessstreifens aufgetragen sind. Ferner alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten auf entgegengesetzten Oberflächen der Verbindungsfolie aufgetragen sind. Diese Oberflächen der Verbindungsfolie sind insbesondere ebene Oberflächen, die im zweiten Verfahrensschritt (200) den Dehnungsmessstreifen bzw. das Messobjekt aufnehmend zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt angeordnet werden, um im dritten Verfahrensschritt verschweißt oder verlötet zu werden.
Die Verbindungsfolie bildet im aktivierten Zustand eine Fügefläche zwischen dem Messobjekt und dem Dehnungsmessstreifen. Die Verbindungsfolie kann, wenn dies nicht bereits am die Fügefläche bildenden Fügeabschnitt erfolgt, ferner einen Aktivierungsabschnitt aufweisen, an dem die Aktivierung des metallischen Materials der Verbindungsfolie erfolgt. Am Aktivierungsabschnitt können Aktivierungsmittel angeordnet sein, um die Verbindungsfolie aktivieren zu können. Der Fügeabschnitt und ggfs. der Aktivierungsabschnitt sind zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt ausgebildet. Die aktivierte Verbindungsfolie verbindet das Messobjekt mit dem Dehnungsmessstreifen zumindest in der Fügefläche, vorzugsweise in der Fügefläche sowie ggfs. im Aktivierungsabschnitt stoffschlüssig. Sofern ein Aktivierungsabschnitt vorgesehen ist, liegt dieser damit außerhalb der Fügefläche zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt.
Mit der Verbindungsfolie, insbesondere mit dem Aktivierungsabschnitt, sofern ein solcher vorgesehen ist, ist wenigstens ein, vorzugsweise mehrere Aktivierungsmittel elektrisch verbunden. Das Aktivierungsmittel kann einen oder mehrere Drähte aufweisen, vorzugsweise zwei Drähte, einer mit positivem Pol, also einem Pluspol, und einer mit negativem Pol, also einem Minuspol, wobei zwischen den Polen eine Po- tentialdifferenz vorliegt. Die Drähte können separat ausgebildet sein und hantiert werden. Alternativ können die beiden Drähte an ihren Enden zu einer Art Stecker zusammengefasst sein, 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. Alternativ kann das Aktivierungsmittel dazu ausgebildet sein, zur Aktivierung der Verbindungsfolie mit der Spannungsquelle verbunden zu werden. Zwischen dem Aktivierungsmittel und der Spannungsquelle kann zudem eine Vorverstärker-Elektronik angeordnet sein. 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 Dehnungsmessstreifen mit dem Messobjekt stoffschlüssig verbunden wird. Zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt liegt nach dem Aktivieren der Verbindungsfolie eine stoffschlüssige Verbindung vor. 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 zumindest mittelbar mit der Verbindungsfolie verbunden ist. In dem Verfahrensschritt (300) kann das Material des Messobjekts aufgeschmolzen oder angeschmolzen werden, sodass der Dehnungsmessstreifen direkt mit dem Messobjekt verschweißt wird. Alternativ kann der Dehnungsmessstreifen durch Aufschmelzen von Lötschichten am Messobjekt und/oder am Dehnungsmessstreifen und/oder an der Verbindungsfolie indirekt mit dem Messobjekt verlötet werden. Insbesondere erfolgt der Verfahrensschritt (300) derart, dass das Material der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens beim Aktivieren der Verbindungfolie nicht aufschmilzt.
Zur Wärmeableitung aufgrund der exothermen Reaktion der Nanofolie beim Bonding- Vorgang kann eine Metallplatte oder ein anderes Material mit hoher Wärmekapazität am hinteren Ende des Dehnungsmessstreifens während des Klebevorgangs angebracht werden. In diesem Sinn wird während des zweiten Verfahrensschritts (200) zusätzlich der Dehnungsmessstreifen zwischen der Verbindungsfolie und einer Wärmesenke positioniert. Die Wärmesenke ist vorteilhaft aus einem Metall ausgebildet. Die Wärmesenke ist platten- oder scheibenförmig ausgebildet. Auch andere Materialien sind zur Ausbildung der Wärmesenke denkbar, die eine hohe Wärmekapazität aufweisen. Die Wärmesenke verhindert, dass die Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens aufschmilzt.
Während des Bonding-Verfahrens müssen keine hohen Drücke und keine hohen Temperaturen auf den Dehnungsmessstreifen und/oder das Messobjekt ausgeübt werden. Auch auf hohe elektromagnetische Felder kann verzichtet werden. Die durch das Aktivieren der metallischen Materialien der Verbindungsfolie entstehende durchgängige, metallische Verbindungsschicht oder Bondfläche zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt weist aufgrund der verbesserten Kontaktierung 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 Dehnungsmessstreifen und erhöhen die Leistung und die Stabilität des Dehnungsmessstreifens. Darüber hinaus ermöglichen die niedrigen Temperaturen und der niedrige Druck einen breiten Einsatz von Materialien, wie beispielsweise Polymere. Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Verbund zwischen Dehnungsmessstreifen 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 Dehnungsmessstreifen auf dem Messobjekt platziert und der Druck zur stoffschlüssigen Verbindung ausgeübt wird.
Die Verbindungsfolie wird durch Laserschneiden derart bearbeitet, dass die Verbindungsfolie eine Form und Maße annimmt, die eine vorgesehene Fügefläche zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt abdeckt. Die Verbindungsfolie kann damit besonders genau und effizient in den gewünschten Abmessungen geformt werden, bevor die Verbindungsfolie zwischen den beiden Oberflächen platziert wird. Mithin erfolgt das Laserschneiden bevor die Verbindungsfolie in dem Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt platziert wird.
Das Verbindungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich aufgrund der Eliminierung oder Reduzierung von Druckspannungen besonders für Dehnungsmessstreifen. Die Montage des DMS an das Messobjekt kann dadurch vereinfacht und beschleunigt werden sowie mit reproduzierbarer Qualität erfolgen. Insbesondere kann die Montage zumindest teilautomatisiert, vorzugsweise vollautomatisiert werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird eine oder mehrere Lötschichten auf der Verbindungsfolie und/oder dem Dehnungsmessstreifen und/oder dem Messobjekt aufgetragen. Vorzugsweise weist die Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens eine der Verbindungsfolie zugewandte, metallisierte erste Lötschicht auf. Die erste Lötschicht ist demnach als erste Beschichtung des Dehnungsmessstreifens zu verstehen, die in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann. Alternativ oder ergänzend weist die Verbindungsfolie eine dem Dehnungsmessstreifen zugewandte, metallisierte erste Lötschicht auf.
Bevorzugt weist die Verbindungsfolie und/oder das Messobjekt eine metallisierte zweite Lötschicht auf. Demnach weist beispielsweise nur die Verbindungsfolie eine dem Messobjekt zugewandte, metallisierte zweite Lötschicht auf. Alternativ weist nur das Messobjekt eine der Verbindungsfolie zugewandte, metallisierte zweite Lötschicht auf. Ferner alternativ weisen sowohl das Messobjekt als auch die Verbindungsfolie an einander zugewandten Flächen jeweils eine metallisierte zweite Lötschicht auf. Die zweite Lötschicht ist als zweite Beschichtung zu verstehen, die in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann. Die jeweilige Lötschicht ist eine metallisierte Schicht, die eine wirksame stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt ermöglicht.
Die jeweilige Lötschicht wird insbesondere aufgetragen, bevor die Verbindungsfolie in dem zweiten Verfahrensschritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt platziert wird. Durch anschließendes Aktivieren der Verbindungsfolie entsteht ausreichend Wärme, um die jeweilige Lötschicht aufzuschmelzen und den Dehnungsmessstreifen mit dem Messobjekt zu verlöten. In diesem Sinne ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass
- die erste Lötschicht auf dem Dehnungsmessstreifen, insbesondere der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifen aufgetragen wird,
- die zweite Lötschicht auf dem Messobjekt und/oder auf der Verbindungsfolie aufgetragen wird,
- die Verbindungsfolie im Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt 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 Dehnungsmessstreifen durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht mit dem Messobjekt verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen.
Das Material der Trägerschicht des DMS, zum Beispiel ausgebildet als Polymerfolie aus Polyimid, wird damit direkt auf das Substrat bzw. das Messobjekt geklebt. Die Metallisierung der Trägerfolie, also das Aufbringen der Lötschicht auf den Dehnungsmessstreifen, ist wichtig, um den Nanobond-Prozess zu ermöglichen.
Mittels der Verbindungsfolie und der Lötschichten kann zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt eine intermetallische, stoffschlüssige Bindung geschaffen werden, die keine hohen Temperaturen, Drücke, elektromagnetische Felder, etc. zur Herstellung benötigt. Durch die intermetallische Verbindung wird eine 1 :1 -Signalübertragung vom Messobjekt zum Dehnungsmessstreifen ermöglicht.
Die Lötschichten können als metallische Startschichten (erste und zweite Lötschicht) besonders vorteilhaft durch Plasmaverfahren, Sputterverfahren oder Aufdampfen auf der jeweiligen Oberfläche der zu verbindenden Teile (Dehnungsmessstreifen, Messobjekt, Verbindungsfolie) aufgebracht werden. Weitere Möglichkeiten sind durch Zwei-Schuss-Spritzgießen, additive Fertigung usw. gegeben. Wenigstens eine der Lötschichten, vorzugsweise beide Lötschichten, umfassen bevorzugt Nickel. Ferner bevorzugt umfasst eine der Lötschichten, vorzugsweise beiden Lötschichten, Gold. Auch Kupfer oder Palladium eignen sich als Material für die jeweilige Lötschicht. Das Material der Lötschicht ist an die Abmessungen sowie den Werkstoff der Verbindungsfolie, des DMS und/oder des Messobjekts angepasst.
Nach einem Ausführungsbeispiel umfasst die jeweilige Lötschicht eine Nickelschicht sowie eine Goldschicht. Mit anderen Worten ist die jeweilige Beschichtung mehrschichtig ausgebildet. Der Schichtaufbau kann beliebig ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist die Goldschicht der Verbindungsfolie zugewandt. Bevorzugt ist Nickelschicht dem Messobjekt und/oder dem Dehnungsmessstreifen zugewandt und somit der Verbindungsfolie abgewandt.
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 zumindest mittelbar auf den Dehnungsmessstreifen 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 Dehnungsmessstreifens und/oder des Messobjekts führt, welche die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt oder die Messgenauigkeit beinträchtigen könnten.
„Zumindest mittelbar“ heißt in diesem Zusammenhang, dass zwischen dem Fixierpad und dem Dehnungsmessstreifen und/oder dem Messobjekt weitere, insbesondere plattenförmige Bauteile, wie beispielsweise die genannte Wärmesenke, angeordnet sein können. Das Fixierpad kann auch direkt auf dem Dehnungsmessstreifen und/oder dem Messobjekt angeordnet sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung eines Dehnungsmessstreifens an einem Messobjekt bereitgestellt, wobei der Dehnungsmessstreifen durch ein Verfahren nach einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mit dem Messobjekt verbunden worden ist. Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten sinngemäß ebenfalls für die erfindungsgemäße Anordnung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung eines Dehnungsmessstreifens an einem Messobjekt gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei der Dehnungsmessstreifen mittels einer - hier stark vereinfacht dargestellten - Verbindungsfolie an dem Messobjekt befestigt ist,
Fig. 2 eine detaillierte Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 eine detaillierte Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 4 eine Explosionsdarstellung von Schichten und Werkzeugen zur Verbindung des Dehnungsmessstreifens mit einem Messobjekt mittels der Verbindungsfolie sowie die durch das Verbinden entstehende Anordnung nach der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 3,
Fig. 5 einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbindung des Dehnungsmessstreifens mit dem Messobjekt nach Fig. 1 bis Fig. 4, und Fig. 6 eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der Verbindungsfolie für die Anordnung nach Fig. 1 bis Fig. 5.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Anordnung eines elektrischen Dehnungsmessstreifens 1 an einem Messobjekt 2, wobei der Dehnungsmessstreifen 1 durch ein Verfahren nach Fig. 5 mittels einer Verbindungsfolie 10 mit dem Messobjekt 2 verbunden worden ist. Der Dehnungsmessstreifen 1 ist in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt und umfasst eine Trägerschicht 1a sowie ein darauf angeordnetes, mäanderförmiges Messgitter 1 b. Wie ebenfalls in Fig. 2 und Fig. 3 zu sehen ist, weist der Dehnungsmessstreifen 1 an einer Dehnungsmessstreifen-Oberfläche 4 eine der Verbindungsfolie 10 zugewandte, metallisierte erste Lötschicht 13 auf und das Messobjekt 2 weist an einer Messobjekt-Oberfläche 6 eine der Verbindungsfolie 10 zugewandte, metallisierte zweite Lötschicht 14 auf. Das Messobjekt 2 ist vorliegend deutlich größer als der Dehnungsmessstreifen 1 . Bei dem Messobjekt 2 kann es sich beispielsweise um eine Welle eines Motors, einer Achse oder eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug handeln. Der Dehnungsmessstreifen 1 ist dazu eingerichtet, Dehnungen und Stauchungen am Messobjekt 2 zu erfassen. Der Widerstand des Dehnungsmessstreifens 1 ändert sich mit einer am Messobjekt 2 angelegten Kraft. Er wandelt mechanische Größen wie Kraft, Druck, Zug, Gewicht, und dergleichen in eine messbare Änderung des elektrischen Widerstands um. Wenn eine externe Kraft auf das Messobjekt 2 einwirkt, bewirkt sie eine mechanische Spannung und Dehnung. Die mechanische Spannung ist der Widerstand, den das Objekt der Kraft entgegensetzt, und die Dehnung ist der Versatz und die Verformung, die aus der Kraft resultiert. Mithin ist der Dehnungsmessstreifen 1 zumindest dazu eingerichtet, dehnende und stauchende Verformungen, vorzugsweise weitere Messgrößen, des Messobjekts 2 zu erfassen.
Mittels der Verbindungsfolie 10 wird eine feste, hier eine stoffschlüssige Verbindung des Dehnungsmessstreifens 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 Dehnungsmessstreifen 1. Zwei rechts außen in Fig. 1 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 kann, wie oben erwähnt, eine metallisierte Oberfläche aufweisen oder aus einem metallischen Material ausgebildet sein.
In einem ersten Verfahrensschritt 100 werden der Dehnungsmessstreifen 1 , das Messobjekt 2 und die Verbindungsfolie 10 bereitgestellt. Die Verbindungsfolie 10 ist in allen Ausführungsbeispielen eine sogenannte NanoFoil®, also eine reaktive Multischichtfolie, die durch Aufdampfen von Tausenden von abwechselnden nanoskali- gen 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. 6 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 Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2 platziert, wie dies durch Fig. 1 bis Fig. 4 gezeigt ist. Dabei berührt die Verbindungsfolie 10 auf einer Seite die erste Lötschicht 13 an der Trägerschicht 1a des Dehnungsmessstreifens 1 und auf der anderen Seite die zweite Lötschicht 14 am Messobjekt 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. 6 gezeigt ist. Beide Lötschichten 13, 14 umfassen Nickel. Zudem kann eine der Schichten 13, 14 oder beide Schichten 13, 14 weitere Schichten umfassend. Vorliegend weisen beide Schichten 13, 14 zudem eine Goldschicht auf, wobei die Goldschicht der Verbindungsfolie 10 zugewandt angeordnet ist. Die jeweilige Lötschicht 13, 14 kann ferner Kupfer, Silber, Siliciumnitrid (SisN4), Siliciumdioxid (SiÜ2), Titanwolfram (TiW), Palladium oder dergleichen umfassen. Die Verbindungsfolie 10 ist durch Laserschneiden derart bearbeitet, dass die Verbindungsfolie 10 die eine Form und Maße annimmt, die eine vorgesehene Fügefläche 7 zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2 bildet. Eine Batterie 15 ist als Aktivierungsmittel 16 vorgesehen, das elektrisch mit der Verbindungsfolie 10 verbunden ist.
In einem dritten Verfahrensschritt 300 werden die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 nach Fig. 6 mittels einer beispielhaft in Fig. 4 gezeigten Batterie 15 aktiviert. Anstelle der Batterie 15 kann eine Gleichspannungsquelle genutzt werden, um die Verbindungsfolie 10 zu aktivieren. Die Aluminiumschichten 11 und Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 reagieren daraufhin stark exotherm, sodass sich die Verbindungsfolie 10 derart erhitzt, dass die erste Lötschicht 13 und die zweite Lötschicht 14 schmelzen und der Dehnungsmessstreifen 1 durch die aufgeschmolzenen Lötschichten 13, 14 mit dem Messobjekt 2 verlötet wird. Dabei entsteht, wie rechts in Fig. 4 angedeutet, eine stabile Bond- bzw. Fügefläche 7 zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2.
Mithin wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2 realisiert. Die Messobjekt-Oberfläche 6 kann eine derartige Oberflächenstruktur aufweisen, dass aufgeschmolzenes Material der Aluminiumschichten 11 und/oder der Nickelschichten 12 in Zwischenräume der Messobjekt- Oberfläche 6 eindringen und nach der Erstarrung einen Formschluss zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2 bewirken kann. Die detektierbare Messgröße kann durch besondere Strukturen (Kraftnebenschluss) des Messobjekts 2 erhöht werden. Das Messobjekt 2 kann beispielsweise Vertiefungen, Rippen, Sicken oder ähnliches bilden, die Kräfte in bestimmten Raumrichtungen verstärken oder verringern.
In einer weiteren in Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist eine Weiterbildung der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Fig. 4 zeigt im linken Teil einen Zustand, bei dem noch keine Verbindung zwischen dem Messobjekt 2 und dem Dehnungsmessstreifen 1 erzeugt wurde. Der rechte Teil von Fig. 4 zeigt den Zustand nach Bildung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Messobjekt 2 und dem Dehnungsmessstreifen 1 , also nachdem der Dehnungsmessstreifen 1 durch die aufgeschmolzenen Lötschichten 13, 14 mit dem Messobjekt 2 verlötet wurde. Die Verbindungsfolie 10 ist nach Fig. 4 durch Laserschneiden derart zugeschnitten, dass sie einen Aktivierungsabschnitt 8 aufweist, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht von dem Dehnungsmessstreifen 1 verdeckt ist und somit zum Anlegen des Aktivierungsmittels 16 frei zugänglich ist. Mithin ragt der Aktivierungsabschnitt 8, wie im linken Teil von Fig. 4 deutlich zu sehen ist, aus dem durch den Dehnungsmessstreifen 1 , dem Messobjekt 2 sowie den beiden Lötschichten 13, 14 gebildeten Stapel heraus, wenn alle Schichten aneinander liegen.
Ein Fixierpad 9, das eine nachgiebige Schicht umfasst, übt einen Druck p auf den durch den Dehnungsmessstreifen 1 , das Messobjekt 2 sowie durch die beiden Lötschichten 13, 14 gebildeten Stapel aus. Dieser Druck ist sehr gering und wirkt senkrecht auf eine äußere Oberfläche des Dehnungsmessstreifens 1. Der Druck dient dazu, einer Verformung der Lötschichten 13, 14 und der Verbindungsfolie 10 während des Aktivierens und Verbindens in Schritt 300 entgegenzuwirken.
Zwischen dem Fixierpad 9 und dem Dehnungsmessstreifen 1 ist zudem eine als Metallplatte ausgebildete Wärmesenke 5 angeordnet, die während des Platzierens 200 der Verbindungsfolie 10 zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2 zusätzlich der Dehnungsmessstreifen 1 zwischen der Verbindungsfolie 10 und einer Wärmesenke 5 positioniert wird. Die Wärmesenke 5 ist zudem in Fig. 3 gezeigt und dient dazu, während des Aktivierens der Verbindungsfolie 10 eine Beschädigung der Trägerschicht 1a des Dehnungsmessstreifens 1 zu vermeiden. Mit der Wärmesenke 5 soll die erzeugte Wärme während der exothermen Reaktion der Verbindungsfolie 10 schnellstmöglich abgeführt werden, um eine thermische Belastung der Trägerschicht 1 a des Dehnungsmessstreifens 1 möglichst gering zu halten.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die hier offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Es handelt sich lediglich um beispielhafte Ausgestaltungen, wobei auch weitere Varianten möglich sind. Insbesondere kann auf die zweite Lötschicht 14 am Messobjekt 2 verzichtet werden, wenn das Messobjekt 2 aus einem lötbaren Material besteht oder eine bereits metallisierte Oberfläche aufweist.
Bezugszeichen
F Kraft
P Druck
1 Dehnungsmessstreifen
1a Trägerschicht
1 b Messgitter
2 Messobjekt
4 Dehnungsmessstreifen-Oberfläche
5 Wärmesenke
6 Messobjekt-Oberfläche
7 Fügefläche
8 Aktivierungsabschnitt
9 Fixierpad
10 Verbindungsfolie
11 Aluminiumschicht
12 Nickelschicht
13 Erste Lötschicht
14 Zweite Lötschicht
15 Batterie
16 Aktivierungsmittel
100 Erster Verfahrensschritt
200 Zweiter Verfahrensschritt
300 Dritter Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbindung eines Dehnungsmessstreifens (1 ) mit einem Messobjekt (2), das Verfahren umfassend die Schritte
(100) Bereitstellen
- eines Messobjekts (2),
- eines Dehnungsmessstreifens (1 ), der zumindest dazu eingerichtet ist, dehnende und stauchende Verformungen 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 Dehnungsmessstreifen (1 ) und dem Messobjekt (2), und
(300) Aktivieren der metallischen Materialien (11 , 12) der Verbindungsfolie (10), sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und dem Messobjekt (2) eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei während des Platzierens (200) der Verbindungsfolie (10) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und dem Messobjekt (2) zusätzlich der Dehnungsmessstreifen (1 ) zwischen der Verbindungsfolie (10) und einer Wärmesenke (5) positioniert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungsfolie (10) durch Laserschneiden derart bearbeitet wird, dass die Verbindungsfolie (10) eine Form und Maße annimmt, die eine vorgesehene Fügefläche (7) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und dem Messobjekt (2) abdeckt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dehnungsmessstreifen (1 ) eine dem Messobjekt (2) zugewandte Trägerschicht (1 a) sowie ein Messgitter (1 b) umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Dehnungsmessstreifen (1 ) eine der Verbindungsfolie (10) zugewandte, metallisierte erste Lötschicht (13) aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsfolie (10) und/oder das Messobjekt (2) ein metallisierte zweite Lötschicht (14) aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 in Verbindung mit Anspruch 6, wobei
- die erste Lötschicht (13) auf dem Dehnungsmessstreifen (1 ) aufgetragen wird,
- die zweite Lötschicht (14) auf dem Messobjekt und/oder der Verbindungsfolie (10) aufgetragen wird,
- die Verbindungsfolie (10) mit den Lötschichten (13, 14) in dem Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und dem Messobjekt (2) platziert wird, und
- die metallischen Materialien (1 1 , 12) der Verbindungsfolie (10) in dem Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass die erste Lötschicht (13) und die zweite Lötschicht (14) schmelzen und der Dehnungsmessstreifen (1 ) durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht (13) und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht (14) mit dem Messobjekt (2) verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei mittels eines Fixierpads (9), das zumindest mittelbar auf den Dehnungsmessstreifen (1 ) und/oder auf das Messobjekt (2) einen Druck (p) ausübt, einer Verformung der Lötschichten (13, 14) und der Verbindungsfolie (10) während des Aktivierens und Verbindens in Schritt (300) entgegengewirkt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die jeweilige Lötschicht (13, 14) aus einem Nickel umfassenden Material ausgebildet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die jeweilige Lötschicht (13, 14) eine Nickelschicht sowie eine Goldschicht umfasst.
10. Anordnung eines Dehnungsmessstreifens (1 ) an einem Messobjekt (2), wobei der Dehnungsmessstreifen (1 ) durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem Messobjekt (2) verbunden worden ist.
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