WO2024056572A1 - Connecting a sensor assembly arranged on a mounting plate to a device under test - Google Patents

Connecting a sensor assembly arranged on a mounting plate to a device under test Download PDF

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WO2024056572A1
WO2024056572A1 PCT/EP2023/074838 EP2023074838W WO2024056572A1 WO 2024056572 A1 WO2024056572 A1 WO 2024056572A1 EP 2023074838 W EP2023074838 W EP 2023074838W WO 2024056572 A1 WO2024056572 A1 WO 2024056572A1
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WO
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mounting plate
measurement object
connecting film
strain gauge
electronic module
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/074838
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German (de)
French (fr)
Inventor
Philipp Lang
Erwin Biegger
Georg TENCKHOFF
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18Measuring 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
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring 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
    • G01L1/22Measuring 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
    • G01L1/2287Measuring 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
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B23K1/0016Brazing of electronic components

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, especially 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 task 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 sensor arrangement arranged on a mounting plate to a measurement object comprises the steps (100) Provide
  • a sensor arrangement comprising a strain gauge, which is at least set up to detect expanding and compressing deformations of a measurement object, as well as an electronic module connected thereto,
  • 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 sealed in about a second at room temperature. are closed.
  • the heat induced during the reaction is very low due to the fast reaction rate (e.g. 10 m/s) and the low material thickness (e.g. ⁇ 100pm).
  • a method for connecting a sensor arrangement arranged on a mounting plate to a measurement object is provided.
  • a measurement object is provided.
  • a sensor arrangement comprising a strain gauge, which is at least set up to detect expanding and compressing deformations of a measurement object. It is also conceivable to record other measured variables with the strain gauge.
  • the sensor arrangement further includes an electronic module connected to the strain gauge.
  • the electronic module in particular has preamplifier electronics, which is suitably connected to the strain gauge and an evaluation unit.
  • the strain gauge and the electronic module are or will each be arranged on the mounting plate also provided and encapsulated in a common housing.
  • the strain gauge and the electronic module are encapsulated in the housing after step (500), i.e. after the strain gauge or the electronic module has been materially connected to the mounting plate.
  • the strain gauge and the electronic module are spatially surrounded by the mounting plate and the housing.
  • the strain gauge and the electronic module are preferably completely surrounded by the mounting plate and a casting compound or an injection molding compound before method step (200) and preferably after step (500).
  • the sensor arrangement can advantageously be manufactured under clean room conditions.
  • the strain gauge and the electronic module can be arranged on the mounting plate and encapsulated in the housing without contaminants getting into the housing. “Encapsulated” or “encapsulated” means that the strain gauge and the electronic module are essentially completely surrounded by, for example, a module housing, in particular sealed, for example, against the ingress of air and/or moisture.
  • the strain gauge and the electronic module are completely and seamlessly encapsulated and in particular without contact elements - that is, free of contact elements. Only cabling can be led out of the housing for connection to the evaluation unit. In this sense, a completely surrounded state also exists when cabling is led out of the housing.
  • the strain gauge and the electronic module are preferably completely surrounded by a potting compound or an injection molding compound. In this case, the casting compound forms the module housing or the housing of the sensor arrangement. This configuration prevents mechanical and/or unwanted electrical influences on the strain gauge and the electronic module, for example due to moisture or dirt.
  • first connecting film and at least one second connecting film are provided, each connecting film containing metallic materials that react exothermically when activated.
  • the first connecting film is assigned to the mounting plate, the mounting plate being connected to the measurement object in a materially bonded manner by means of the first connecting film.
  • the second connecting film is assigned to either the strain gauge or the electronic module, with the strain gauge or the electronic module being connected to the mounting plate in a materially bonded manner by means of the second connecting film.
  • the measurement object can in particular be significantly larger than the sensor arrangement.
  • 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 mounting plate on which the parts of the sensor arrangement are arranged after step (500) enables simple and insensitive handling of the sensor arrangement.
  • the mounting plate can be part of the sensor arrangement.
  • the mounting plate is formed Strain gauges and the electronic module form a coherent component, namely the sensor arrangement.
  • the sensor arrangement can be stored, transported and processed separately and only be materially connected to the measurement object using the method according to the invention.
  • the mounting plate is then arranged between the measurement object and the strain gauge and the electronic module.
  • the mounting plate also enables a secure connection of the sensor arrangement to the measurement object, since unwanted damage to the strain gauge or the electronic module during activation of the first connecting film, in particular during heating of the materials of the connecting film, can be ruled out.
  • 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 that enable an electronic connection to the electronic module.
  • 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.
  • the cover layer can also be omitted since the strain gauge is encapsulated in the housing. 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.
  • NanoFoil® a so-called NanoFoil® from Indium Corporation can be used as the connecting film.
  • the NanoFoil® is a reactive multi-layer foil created by vapor deposition of thousands of alternating nanoscale layers for example made of aluminum and nickel.
  • 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 in particular the selection of materials, 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 mounting plate 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 first connecting film is placed between the mounting plate and the measurement object in a second process step (200).
  • the placement can be done in such a way that the first connecting film lies in a sandwich configuration either directly on surfaces of the mounting plate and the measurement object that face one another.
  • the placement can be carried out in such a way that the first connection foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, with the solder layers being applied to opposite surfaces of the mounting plate and the measurement object.
  • the placement can be carried out such that the first connection foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, with the solder layers being applied to opposite surfaces of the first connection foil.
  • These surfaces of the first connecting film are in particular flat surfaces which, in the second method step (200), are arranged to accommodate the mounting plate or the measurement object between the mounting plate and the measurement object in order to be welded or soldered in the subsequent third method step (300).
  • the second connecting film is placed in a fourth method step (400) between the mounting plate and the strain gauge or between the mounting plate and the electronic module.
  • the placement can be done in such a way that the second connecting film rests in a sandwich configuration either directly on facing surfaces of the mounting plate and the strain gauge or the electronic module.
  • the placement can be done such that the second connection foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, with the solder layers being applied to opposite surfaces of the mounting plate and the strain gauge or the electronic module.
  • the placement can be carried out such that the second connection foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, with the solder layers being applied to opposite surfaces of the second connection foil.
  • These surfaces of the second connecting film are in particular flat surfaces which, in the fourth method step (400), are arranged between the mounting plate and the strain gauge or the electronic module, receiving the mounting plate or the strain gauge or the electronic module, in order to be welded in the subsequent fifth method step (500). or to be soldered.
  • the strain gauge or the electronic module which was not cohesively connected to the mounting plate via the second connecting film, is glued to the mounting plate.
  • the respective connecting film When activated, the respective connecting film forms a joining surface between the parts to be cohesively connected to one another.
  • the respective connecting film can, if this does not already take place on the joining section forming the joining surface, also have an activation section on which the activation of the metallic material of the respective connecting film takes place.
  • Activation means can be arranged on the activation section in order to be able to activate the respective connecting film.
  • the respective joining section and, if necessary, the activation section are on the one hand between the mounting plate and the measurement object and on the other hand between See the mounting plate and the strain gauge or formed between the mounting plate and the electronic module.
  • the respective connecting film activated in step (300) or (500) connects the measurement object to the mounting plate or the mounting plate to the strain gauge or the electronic module in a materially bonded manner at least in a respective joining surface, preferably in the respective joining surface and, if necessary, in the activation section. If an activation section is provided, it lies outside the respective joining surface.
  • At least one, preferably several, activation means is electrically connected to the respective 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 minus 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.
  • the activation means and/or the voltage sources can be connected to the electronic module. If both activation steps take place simultaneously, the connecting films can be connected to a common activating agent. If steps (300) and (500) take place one after the other, it is advantageous to assign each connecting film to an associated, separate activating agent.
  • a third method step (300) the metallic materials of the first connecting film are activated via the respective activation means, so that the first connecting film is heated in such a way that the mounting plate is connected to the measurement object in a materially bonded manner.
  • 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 and/or the mounting plate can be melted or melted so that the mounting plate is welded directly to the measurement object.
  • the mounting plate can be indirectly soldered to the measurement object by melting solder layers on the measurement object and/or on the mounting plate and/or on the first connecting foil.
  • a fifth method step (500) the metallic materials of the second connecting film are activated via the respective activation agent, so that the second connecting film is heated in such a way that the mounting plate is cohesively connected to the strain gauge or the electronic module.
  • Activation can be carried out analogously to the above statements regarding the first connecting film.
  • method step (500) takes place in such a way that the material of the carrier layer of the strain gauge does not melt when the second connecting film is activated.
  • the mounting plate can have a material that is melted or melted during activation of the second connecting film, so that the mounting plate is welded directly to the strain gauge.
  • the strain gauge or the electronic module can be indirectly soldered to the mounting plate by melting solder layers on the strain gauge or on the electronic module and/or on the mounting plate and/or on the second connecting film.
  • 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 mounting plate, increasing 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 created by the method according to the invention between the mounting plate and the measurement object or between the mounting plate and strain gauges or electronic module 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 individual components are placed one above the other and the pressure is exerted for a material connection.
  • the respective connecting film is processed by laser cutting in such a way that the respective connecting film takes on a shape and dimensions that cover an intended joining surface between the mounting plate and the measurement object or between the mounting plate and strain gauges or electronic module.
  • the respective connecting film can thus be formed particularly precisely and efficiently in the desired dimensions before the respective connecting film is between the two surfaces is placed.
  • the laser cutting therefore takes place before the first connecting film is placed between the mounting plate and the measurement object in step (200) or before the second connecting film is placed between the mounting plate and the strain gauge or the electronic module in step (400).
  • connection method according to the present invention is particularly suitable for sensor arrangements with 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 of the mounting plate with the sensor arrangement arranged thereon on the measurement object can be at least partially automated, preferably fully automated.
  • steps (200) and (400) take place simultaneously or immediately one after the other.
  • step (200) may occur before step (400), or vice versa.
  • the respective connecting film can therefore be placed between the two components to be connected in any order.
  • Steps (300) and (500) preferably take place simultaneously.
  • step (500) occurs after step (300).
  • the strain gauge or the electronic module is materially connected to the mounting plate after the mounting plate has been materially connected to the measurement object.
  • steps (400) and (500) take place before step (200).
  • the sensor arrangement is first completely manufactured before it is arranged on the measurement object. Step (300), which follows step (200), therefore takes place after step (500), which follows step (400).
  • One advantage is that the encapsulation can take place before step (300), i.e. the material connection of the mounting plate to the measurement object.
  • the sensor arrangement can first be formed into a coherent component that can be handled separately before the sensor arrangement is fastened to the measurement object in a materially bonded manner via the mounting plate. This is intended to make it clear that the interrelated steps (200) and (300) or (400) and (500) can in principle take place in any order.
  • one or more solder layers are applied to the first and/or second connecting foil and/or the mounting plate and/or the measurement object and/or the strain gauge or the electronic module.
  • the mounting plate and/or the first connecting foil has a metallized first solder layer, which is arranged in step (200) between the mounting plate and the connecting foil.
  • the first soldering layer is to be understood as the first coating of the mounting plate and/or the first connecting film, which can be divided into several individual layers.
  • the first connecting foil and/or the measurement object has a metallized second soldering layer, which is arranged in step (200) between the measurement object and the connecting foil.
  • the second soldering layer is to be understood as the second coating of the measurement object and/or the first connecting film, which can also be divided into several individual layers.
  • the first or second soldering layer is applied in particular before the first connecting film is placed between the mounting plate and the measurement object in the second method step (200).
  • first connecting foil By subsequently activating the first connecting foil, sufficient heat is generated to melt the first or second solder layer and solder the mounting plate to the measurement object.
  • the first soldering layer is applied to the mounting plate and/or the first connecting foil
  • the second soldering layer is applied to the measurement object and/or the first connecting foil
  • step (200) between the mounting plate and the measurement object, and - the metallic materials of the first connecting foil are activated in step (300), so that the first connecting foil is heated in such a way that the first soldering layer and the second soldering layer melt and the mounting plate is soldered to the measurement object through the melted first soldering layer and the melted second soldering layer is used to create the cohesive connection.
  • the metallization of the measurement object, the mounting plate and/or the first connecting foil i.e. the application of the first or second soldering layer to the measurement object, the mounting plate and/or the connecting foil, is important in order to enable the nanobond process.
  • the mounting plate and/or the second connecting foil has a metallized third solder layer, which is arranged in step (400) between the mounting plate and the second connecting foil.
  • the third soldering layer is to be understood as the third coating of the mounting plate and/or the second connecting film, which can be divided into several individual layers.
  • the second connecting film and/or the strain gauge or the electronic module has a metallized fourth solder layer, which is arranged in step (400) between the strain gauge or the electronic module and the second connecting film.
  • the fourth solder layer is to be understood as the fourth coating of the strain gauge or the electronic module and/or the second connecting film, which can also be divided into several individual layers.
  • the third or fourth solder layer is applied in particular before the second connecting film is placed between the mounting plate and the strain gauge or the electronic module in the fourth method step (400).
  • the second connecting foil By subsequently activating the second connecting foil, sufficient heat is generated to melt the third or fourth solder layer and solder the mounting plate to the strain gauge or the electronic module.
  • the third soldering layer is applied to the mounting plate and/or the second connecting foil
  • - the fourth solder layer is applied to the strain gauge or the electronic module and/or the second connecting film
  • step (400) the second connecting film with the solder layers is placed in step (400) between the mounting plate and the strain gauge or the electronic module, and
  • step (500) the metallic materials of the second connecting foil are activated in step (500), so that the second connecting foil is heated in such a way that the third soldering layer and the fourth soldering layer melt and the mounting plate is protected by the melted third soldering layer and the melted fourth soldering layer with the strain gauge or is soldered to the electronic module to create the cohesive connection.
  • the respective soldering layer is a metallized layer that enables an effective, cohesive connection between the measurement object and the mounting plate or between the mounting plate and the strain gauge.
  • an intermetallic, cohesive bond can be created between the parts to be cohesively connected to one another, 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 particularly advantageously by plasma processes, sputtering processes or vapor deposition on the respective surface of the parts to be connected (mounting plate, measurement object, connecting film, strain gauge or electronic module). Other options include two-shot injection molding, additive manufacturing, etc. At least one of the solder layers, preferably all solder layers, preferably comprise nickel. Furthermore, one of the solder layers, preferably all solder layers, preferably comprises gold. Copper or palladium are also suitable materials for the respective soldering layer. The material of the respective soldering layer is adapted to the dimensions and the material of the connecting film, the mounting plate, the measurement object, the strain gauge and/or electronic module. According to one embodiment, 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 of the respective connecting foil faces the measurement object and/or the mounting plate and/or the strain gauge or the electronic module and thus faces away from the respective connecting foil.
  • a fixing pad can be placed on the layers with low pressure. In this sense, it is preferred to deform the soldering layers and the respective connecting foil during activation and connection in step (300) by means of a fixing pad, which at least indirectly exerts pressure on the mounting plate and/or the measurement object and/or the strain gauge or the electronic module. or step (500).
  • the pressure is so low that it does not lead to any tensions within the mounting plate and/or the strain gauge and/or the electronic module and/or the measurement object, which would affect the strength of the connection between the mounting plate and the measurement object or between the mounting plate and the Strain gauges or the electronic module or the measurement accuracy could be affected.
  • “At least indirectly” in this context means that further, in particular plate-shaped components, such as a heat sink, can be arranged between the fixing pad and the mounting plate and/or the strain gauge or the electronic module and/or the measurement object.
  • the fixing pad can also be arranged directly on the mounting plate and/or the strain gauge or the electronic module and/or the measurement object.
  • an arrangement of a sensor arrangement arranged on a mounting plate on a measurement object wherein the sensor arrangement has been connected to the measurement object by 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 sensor arrangement arranged on a mounting plate on a measurement object according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a detailed longitudinal sectional view of the arrangement according to the invention according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an exploded view of layers and tools for connecting a strain gauge of the sensor arrangement to a mounting plate by means of a second connecting film and the sensor arrangement resulting from the connection,
  • FIGS. 1 and 2 shows an exploded view of layers and tools for connecting the sensor arrangement to the measurement object by means of a first connecting film and the arrangement according to FIGS. 1 and 2 resulting from the connection,
  • FIG. 5 shows a sequence of a method according to the invention for connecting the sensor arrangement 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.
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of an arrangement of a sensor arrangement 5 arranged on a mounting plate 17 on a measurement object 2.
  • the sensor arrangement 5 comprises a strain gauge 1 and an electronic module 19 electrically connected to it.
  • the electronic module 19 is glued to the mounting plate 17.
  • the strain gauge 1 is materially connected to the mounting plate 17 via a second connecting film 10b by means of a method shown in FIG. 3 in conjunction with FIG. 5.
  • the mounting plate 17 is materially connected to the measurement object 2 via a first connecting film 10a by means of a method shown in FIG. 4 in conjunction with FIG. 5.
  • the strain gauge 1 and the electronic module 19 are encapsulated in a common housing 18 made of potting material.
  • the strain gauge 1 is shown in more detail in FIG. 2 and comprises a carrier layer 1a facing the mounting plate 17 and a meandering measuring grid 1b arranged thereon.
  • the measuring grid 1 b is connected to the electronic module 19 designed as a preamplifier module via a first cabling 20, which is also encapsulated in the housing 18.
  • a second wiring 23 is led out of the housing 18 and connects the electronic module 19 to an evaluation unit - not shown here - and/or a voltage source, such as the battery 15 shown in FIG. 3 or FIG. 4.
  • the mounting plate 17 has a metallized first solder layer 13 facing the first connecting film 10a on a first mounting plate surface 4a, and the measurement object 2 has a first connecting film 10a facing the first connecting film 10a on a measurement object surface 6 , metallized second solder layer 14.
  • the mounting plate 17 has on a second mounting plate surface 4b a metallized third solder layer 21 facing the second connecting film 10b, wherein the strain gauge 1, in particular its carrier layer 1 a, has a metallized fourth soldering layer 21 facing the second connecting film 10b.
  • the strain gauge 1 in particular its carrier layer 1 a
  • the solder layers 21, 22 can also be applied to the second connecting film 10b.
  • the measurement object 2 is significantly larger than the sensor arrangement 5.
  • the measurement object 2 can, for example, be 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.
  • an external force acts on the measurement object 2, it causes mechanical tension and stretching.
  • 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.
  • first connecting film 10a By means of the first connecting film 10a, a firm, here a cohesive connection of the mounting plate 17 with the measurement object 2 is realized and by means of the second connecting film 10b, a firm, here a cohesive connection of the mounting plate 17 with the strain gauge 1 is realized.
  • the respective 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, strain gauge 1 and mounting plate 17.
  • Two force arrows F shown on the far right in Fig. 1 illustrate an exchange of forces through deformation, which represents the actual measurement variable.
  • 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 measurement object 2, the sensor arrangement 5, comprising the strain gauge 1 and the electronic module 19, the mounting plate 17 and the first and second connecting films 10a, 10b are provided.
  • the respective connecting foil 10a, 10b is a so-called NanoFoil®, i.e.
  • FIG. 1 A greatly enlarged cross-sectional view of the respective connecting foil 10a, 10b with the aluminum 11 and nickel layers 12 is shown in FIG.
  • the respective connecting film 10a, 10b When the respective connecting film 10a, 10b is activated by a small pulse of local energy from electrical, optical or thermal sources, it reacts exothermically to generate precise local heat up to temperatures of 1500 ° C in fractions of a second.
  • step 100 is initially followed by the production of the sensor arrangement.
  • Step 400 therefore follows step 100, with the second connecting film 10b being placed between the mounting plate 17 and the strain gauge 1 in step 400.
  • the second connecting film 10b touches on one side a third soldering layer 21 on the mounting plate 17 and on the other side a fourth soldering layer 22 on the strain gauge 1, in particular on the carrier layer 1a of the strain gauge 1.
  • the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the second connecting foil 10b are still arranged alternately next to one another, as shown in FIG. 6.
  • Both solder layers 21, 22 include nickel.
  • both layers 21, 22 also have a gold layer, with the gold layer being arranged facing the second connecting foil 10b.
  • the respective soldering layer 21, 22 can also include copper, silver, silicon nitride SiSN4, silicon dioxide SiÜ2, titanium tungsten TiW, palladium or the like.
  • the strain gauge 1 and the electronic module 19 are completely surrounded by the mounting plate 17 and a casting compound or an injection molding compound.
  • the strain gauge 1 and the electronic module 19 are therefore completely surrounded on the one hand by the mounting plate 17 and on the other hand by a potting compound or an injection molding compound.
  • the encapsulation forms a housing 18 that accommodates the strain gauge 1 and the electronic module 19.
  • the sensor arrangement 5 can be stored, transported and handled separately, with the strain gauge 1 and the electronic module 19 being protected from external influences.
  • Step 400 is followed by step 500, after which the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the second connecting foil 10b according to FIG. 6 are activated by means of the battery 15 shown by way of example in FIG. 3.
  • a DC voltage source can be used to activate the second connecting film 10b.
  • the aluminum layers 11 and nickel layers 12 of the second connecting foil 10b then react strongly exothermically, so that the second connecting foil 10b heats up in such a way that the third soldering layer 21 and the fourth soldering layer 22 melt and the mounting plate 17 is connected to the strain gauge 1 by the melted soldering layers 21, 22 is soldered. This creates, as indicated on the right in Fig. 3, a stable bonding or joining surface 7b between the mounting plate 17 and the strain gauge 1.
  • the electronics module 19 is glued to the mounting plate 17 and the strain gauge 1 and the electronics module 19 are encapsulated, so that a coherent component of the sensor arrangement 5 is created, which according to Fig. 4 is connected to the measurement object 2.
  • Step 500 is thus followed by step 200, after which the first connecting film 10a is placed between the mounting plate 17 and the measurement object 2, as shown by FIG. 4 on the left.
  • the first connecting foil 10a touches the first soldering layer 13 on the mounting plate 17 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 first connecting foil 10a are still alternately next to each other arranged as shown by Fig. 6.
  • Both solder layers 13, 14 include nickel.
  • both layers 13, 14 also have a gold layer, the gold layer being arranged facing the first connecting foil 10a.
  • the respective soldering layer 13, 14 can be designed analogously to the third or fourth soldering layer 21, 22.
  • a step 300 following step 200 the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the first connecting foil 10a according to FIG. 6 are activated by means of the battery 15 shown by way of example in FIG. 4.
  • a DC voltage source can be used to activate the first connecting film 10a.
  • the aluminum layers 11 and nickel layers 12 of the first connecting foil 10a then react strongly exothermically, so that the first connecting foil 10a heats up in such a way that the first soldering layer 13 and the second soldering layer 14 melt and the mounting plate 17 is connected to the measurement object 2 through the melted soldering layers 13, 14 is soldered. This creates, as indicated on the right in Fig. 4, a stable bonding or joining surface 7a between the mounting plate 17 and the measurement object 2.
  • the connecting foils 10a, 10b are processed by laser cutting in such a way that the respective connecting foil 10a, 10b takes on a shape and dimensions that provide an intended joining surface 7a, 7b between the mounting plate 17 and the measurement object 2 or between the mounting plate 17 and the strain gauge 1 as well forms a respective activation section 8a, 8b.
  • the first activation section 8a according to FIG. 4 is not covered by the mounting plate 17 and the second activation section 8b is not covered by the strain gauge 1 according to FIG. 3.
  • the respective activation section 8a, 8b therefore projects, as can be clearly seen in the left part of FIGS. 3 and 4, through the sensor arrangement 5, the mounting plate 17, the measurement object 2 and the soldering layers 13, 14, 21, 22 stack formed when all layers are next to each other.
  • the mounting plate surfaces 4a, 4b and/or measurement object surface 6 and/or the carrier layer surface can or can have such a surface structure that molten material of the aluminum layers 11 and/or the nickel layers 12 penetrate into spaces in the respective surface and after solidification cause a positive connection between the two components to be connected in a materially bonded manner can.
  • the detectable measurement variable can be increased by special force shunt structures 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.
  • a fixing pad 9 with a resilient layer 24 is provided, which applies a pressure p exercises the respective stack.
  • This pressure is very low and acts vertically on an outer surface of the respective component. The pressure serves to counteract deformation of the solder layers 13, 14 or 21, 22 and the respective connecting foil 10a, 10b during activation and connection in step 500 or 300.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments disclosed here. These are merely exemplary configurations, although other variants are also possible.
  • the second soldering layer 14 on the measurement object 2 can be dispensed with if the measurement object 2 consists of a solderable material or has an already metallized surface.
  • steps 200 and 400 can take place simultaneously or immediately one after the other.
  • steps 300 and 500 can occur simultaneously.
  • step 500 can occur after step 300.
  • steps 400 and 500 may occur before step 200.

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Abstract

The invention relates to a method for connecting a sensor assembly arranged on a mounting plate to a device under test, with said method comprising the steps of (100) providing - a device under test, - a sensor assembly having a strain gauge that is at least designed to detect extending and compressing deformations of a device under test, as well as a connected electronics module, - a first connecting film and at least one second connecting film, each containing metal materials, which react exothermically when activated, (200) placing the first connecting film between the mounting plate and the device under test, (300) activating the metal materials of the first connecting film, such that the first connecting film is heated in such a way that an integral connection is generated between the mounting plate and the device under test; (400) placing the second connecting film between the mounting plate and the strain gauge or the electronics module; and (500) activating the metal materials of the second connecting film such that the second connecting film is heated in such a way that an integral connection is generated between the strain gauge or the electronics module and the mounting plate. The invention also relates to an arrangement of a sensor assembly on a device under test, wherein the sensor assembly is connected to the device under test using the method according to the invention.

Description

Verbindung eines auf einer Montaqeplatte anqeordneten Sensoranordnunq mit einem Messobjekt Connection of a sensor arrangement arranged on a mounting plate with a measurement object
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. 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.
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. For various applications it is necessary to attach a strain gauge to a larger mechanical component, the measurement object. This is important for the placement of the sensor system and for interconnecting the physical signals that are to be measured. 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.
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. Sensors for force or deformation measurement are heavily dependent on the connection or adhesive layer between the strain gauge and the measurement object. 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, especially temperature-humidity-chemical stability, to avoid signal drift, signal amplitude shrinkage and time delays.
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. 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.
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. From DE 10 2013 002 144 A1 there is a joining method for thermally sensitive structures, whereby two components are brought into functional connection using a joining aid designed as a reactive nanofilm by first introducing the nanofoil between assigned surface sections of the components to be joined together and here subsequently causes at least a sectional formation of a connection structure, characterized in that by activating the nanofilm, a largely solid solder connection layer is first melted on both mutually assigned surface sections of the components to be joined together and that the melting material is then locally limited to a surface section the also locally limited melting material of the opposite surface section and the remains of the reactants of the nanoreactive film system are mixed in such a way that after cooling and solidification of the entire melting material, a functional brazed connection is formed, with the thermal load necessary for melting only within the contour sections of the contacts to be joined is applied exclusively to solder connection layers of the solder layer system.
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. 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 task 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.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verbindung einer auf einer Montageplatte angeordneten Sensoranordnung mit einem Messobjekt umfasst die Schritte (100) Bereitstellen A method according to the invention for connecting a sensor arrangement arranged on a mounting plate to a measurement object comprises the steps (100) Provide
- eines Messobjekts, - a measurement object,
- einer Sensoranordnung, umfassend einen Dehnungsmessstreifen, der zumindest dazu eingerichtet ist, dehnende und stauchende Verformungen eines Messobjekts zu erfassen, sowie ein damit verbundenes Elektronikmodul,- a sensor arrangement, comprising a strain gauge, which is at least set up to detect expanding and compressing deformations of a measurement object, as well as an electronic module connected thereto,
- der Montageplatte, - the mounting plate,
- einer ersten Verbindungsfolie und mindestens einer zweiten Verbindungsfolie, die jeweils metallische Materialien enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren, - a first connecting film and at least one second connecting film, each containing metallic materials that react exothermically when activated,
(200) Platzieren der ersten Verbindungsfolie zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt, (200) placing the first connecting film between the mounting plate and the measurement object,
(300) Aktivieren der metallischen Materialien der ersten Verbindungsfolie, sodass sich die erste Verbindungsfolie derart erhitzt, dass zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird, (300) activating the metallic materials of the first connecting film so that the first connecting film heats up in such a way that a cohesive connection is created between the mounting plate and the measurement object,
(400) Platzieren der zweiten Verbindungsfolie zwischen der Montageplatte und dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul, und (400) Placing the second connecting film between the mounting plate and the strain gauge or the electronic module, and
(500) Aktivieren der metallischen Materialien der zweiten Verbindungsfolie, sodass sich die zweite Verbindungsfolie derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul und der Montageplatte eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird. (500) Activating the metallic materials of the second connecting film so that the second connecting film heats up in such a way that a cohesive connection is created between the strain gauge or the electronic module and the mounting plate.
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 der Montageplatte 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 abge- schlossen sind. Die induzierte Wärme während der Reaktion ist aufgrund der schnellen Reaktionsgeschwindigkeit (beispielsweise 10 m/s) und der geringen Matena Id icke (beispielsweise <100pm) sehr gering. 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. By inserting such a film between the mounting plate and the measurement object, the heat generated by the reaction in the film melts, for example, solder layers or other reactive layers, so that the connections are sealed in about a second at room temperature. are closed. The heat induced during the reaction is very low due to the fast reaction rate (e.g. 10 m/s) and the low material thickness (e.g. <100pm).
In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Verbindung einer auf einer Montageplatte angeordneten Sensoranordnung mit einem Messobjekt bereitgestellt. In einem ersten Schritt (100) des Verfahrens wird ein Messobjekt bereitgestellt. Weiterhin wird eine Sensoranordnung bereitgestellt, umfassend einen Dehnungsmessstreifen, der zumindest dazu eingerichtet ist, dehnende und stauchende Verformungen eines Messobjekts zu erfassen. Die Erfassung weiterer Messgrößen mit dem Dehnungsmessstreifen ist ebenfalls denkbar. Die Sensoranordnung umfasst ferner ein mit dem Dehnungsmessstreifen verbundenes Elektronikmodul. Das Elektronikmodul weist insbesondere eine Vorverstärkerelektronik auf, das mit dem Dehnungsmessstreifen sowie einer Auswerteeinheit in geeigneter Weise verbunden ist. Der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul sind oder werden jeweils auf der ebenfalls bereitgestellten Montageplatte angeordnet und in einem gemeinsamen Gehäuse eingekapselt. Bevorzugt werden der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul nach dem Schritt (500), also nachdem der Dehnungsmessstreifen oder das Elektronikmodul stoffschlüssig mit der Montageplatte verbunden worden ist, in dem Gehäuse eingekapselt. Dadurch werden der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul von der Montageplatte und dem Gehäuse räumlich umgeben. In this sense, according to a first aspect of the invention, a method for connecting a sensor arrangement arranged on a mounting plate to a measurement object is provided. In a first step (100) of the method, a measurement object is provided. Furthermore, a sensor arrangement is provided, comprising a strain gauge, which is at least set up to detect expanding and compressing deformations of a measurement object. It is also conceivable to record other measured variables with the strain gauge. The sensor arrangement further includes an electronic module connected to the strain gauge. The electronic module in particular has preamplifier electronics, which is suitably connected to the strain gauge and an evaluation unit. The strain gauge and the electronic module are or will each be arranged on the mounting plate also provided and encapsulated in a common housing. Preferably, the strain gauge and the electronic module are encapsulated in the housing after step (500), i.e. after the strain gauge or the electronic module has been materially connected to the mounting plate. As a result, the strain gauge and the electronic module are spatially surrounded by the mounting plate and the housing.
In diesem Sinn werden der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul bevorzugt vor dem Verfahrensschritt (200) und bevorzugt nach dem Schritt (500) von der Montageplatte sowie einer Vergussmasse oder einer Spritzgussmasse vollständig umgeben. Dadurch wird das Gehäuse ausgebildet und die Sensoranordnung ist vor ungewollter Beeinflussung, insbesondere Beschädigung, geschützt. Zudem kann die Sensoranordnung vorteilhaft unter Reinraumbedingungen hergestellt werden. So können der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul auf der Montageplatte angeordnet und im Gehäuse eingekapselt werden, ohne dass Verunreinigungen in das Gehäuse gelangen können. Unter „gekapselt“ oder „eingekapselt“ ist zu verstehen, dass der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul im Wesentlichen vollständig von beispielsweise einem Modulgehäuse umgeben sind, insbesondere abdichtend z.B. gegenüber dem Eintritt von Luft und/oder Feuchtigkeit umgeben ist. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform sind der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul vollständig und nahtlos sowie insbesondere kontaktelementlos - also frei von Kontaktelementen - gekapselt. Lediglich eine Verkabelung kann aus dem Gehäuse zum Anschluss an die Auswerteeinheit herausgeführt sein. In diesem Sinn liegt ein vollständig umgebener Zustand auch dann vor, wenn aus dem Gehäuse eine Verkabelung herausgeführt ist. Beispielsweise sind der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul von einer Vergussmasse oder einer Spritzgussmasse vorzugsweise vollständig umgeben. In diesem Fall bildet die Vergussmasse das Modulgehäuse bzw. das Gehäuse der Sensoranordnung. Durch diese Ausgestaltung ist eine mechanische und/oder eine ungewollte elektrische Beeinflussung des Dehnungsmessstreifens und des Elektronikmoduls, beispielsweise durch Feuchtigkeit oder Schmutz, verhindert. In this sense, the strain gauge and the electronic module are preferably completely surrounded by the mounting plate and a casting compound or an injection molding compound before method step (200) and preferably after step (500). This creates the housing and protects the sensor arrangement from unwanted influences, especially damage. In addition, the sensor arrangement can advantageously be manufactured under clean room conditions. In this way, the strain gauge and the electronic module can be arranged on the mounting plate and encapsulated in the housing without contaminants getting into the housing. “Encapsulated” or “encapsulated” means that the strain gauge and the electronic module are essentially completely surrounded by, for example, a module housing, in particular sealed, for example, against the ingress of air and/or moisture. In a preferred embodiment, the strain gauge and the electronic module are completely and seamlessly encapsulated and in particular without contact elements - that is, free of contact elements. Only cabling can be led out of the housing for connection to the evaluation unit. In this sense, a completely surrounded state also exists when cabling is led out of the housing. For example, the strain gauge and the electronic module are preferably completely surrounded by a potting compound or an injection molding compound. In this case, the casting compound forms the module housing or the housing of the sensor arrangement. This configuration prevents mechanical and/or unwanted electrical influences on the strain gauge and the electronic module, for example due to moisture or dirt.
Ferner wird eine erste Verbindungsfolie und mindestens eine zweite Verbindungsfolie bereitgestellt, wobei jede Verbindungsfolie metallische Materialien enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren. Die erste Verbindungsfolie ist der Montageplatte zugeordnet, wobei die Montageplatte mittels der ersten Verbindungsfolie stoffschlüssig mit dem Messobjekt verbunden wird. Die zweite Verbindungsfolie ist entweder dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul zugeordnet, wobei der Dehnungsmessstreifen oder das Elektronikmodul mittels der zweiten Verbindungsfolie stoffschlüssig mit der Montageplatte verbunden wird. Furthermore, a first connecting film and at least one second connecting film are provided, each connecting film containing metallic materials that react exothermically when activated. The first connecting film is assigned to the mounting plate, the mounting plate being connected to the measurement object in a materially bonded manner by means of the first connecting film. The second connecting film is assigned to either the strain gauge or the electronic module, with the strain gauge or the electronic module being connected to the mounting plate in a materially bonded manner by means of the second connecting film.
Das Messobjekt kann insbesondere deutlich größer sein als die Sensoranordnung. 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. Die Montageplatte, auf der die Teile der Sensoranordnung nach Schritt (500) angeordnet sind, ermöglicht eine einfache und unempfindliche Handhabung der Sensoranordnung. Die Montageplatte kann Teil der Sensoranordnung sein. In diesem Fall bilden die Montageplatte, der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul ein zusammenhängendes Bauteil, nämlich die Sensoranordnung. Die Sensoranordnung kann separat gelagert, transportiert und verarbeitet werden und erst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren stoffschlüssig mit dem Messobjekt verbunden werden. Die Montageplatte ist sodann zwischen dem Messobjekt sowie dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul angeordnet. Die Montageplatte ermöglicht zudem eine sichere Verbindung der Sensoranordnung mit dem Messobjekt, da eine ungewollte Beschädigung des Dehnungsmessstreifens oder des Elektronikmoduls während der Aktivierung der ersten Verbindungsfolie, insbesondere während des Erhitzens der Materialien der Verbindungsfolie, ausgeschlossen werden kann. The measurement object can in particular be significantly larger than the sensor arrangement. 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 mounting plate on which the parts of the sensor arrangement are arranged after step (500) enables simple and insensitive handling of the sensor arrangement. The mounting plate can be part of the sensor arrangement. In this case, the mounting plate is formed Strain gauges and the electronic module form a coherent component, namely the sensor arrangement. The sensor arrangement can be stored, transported and processed separately and only be materially connected to the measurement object using the method according to the invention. The mounting plate is then arranged between the measurement object and the strain gauge and the electronic module. The mounting plate also enables a secure connection of the sensor arrangement to the measurement object, since unwanted damage to the strain gauge or the electronic module during activation of the first connecting film, in particular during heating of the materials of the connecting film, can be ruled out.
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, die eine elektronische Verbindung mit dem Elektronikmodul ermöglichen. Zusätzlich kann das Messgitter durch eine Abdeckschicht bedeckt sein, die mit der Trägerschicht verbunden, insbesondere verklebt ist, und die das Messgitter mechanisch schützt. Auch die Abdeckschicht kann auch verzichtet werden, da der Dehnungsmessstreifen im Gehäuse eingekapselt wird. 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. 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 that enable an electronic connection to the electronic module. In addition, 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. The cover layer can also be omitted since the strain gauge is encapsulated in the housing. 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.
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 Montageplatte 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. For example, a so-called NanoFoil® from Indium Corporation can be used as the connecting film. The NanoFoil® is a reactive multi-layer foil created by vapor deposition of thousands of alternating nanoscale layers for example made of aluminum and nickel. Other binary layer systems are also conceivable, such as titanium and aluminum, zirconium and silicon or paladium and aluminum. In addition, ternary systems for forming the multilayer film are also conceivable. The formation of the connecting film, in particular the selection of materials, is essentially dependent on the desired reaction when activating the connecting film, in particular the reaction temperature during activation. 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 mounting plate 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.
Die erste Verbindungsfolie wird in einem zweiten Verfahrensschritt (200) zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt platziert. Das Platzieren kann derart erfolgen, dass die erste Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration entweder direkt an einander zugewandten Oberflächen der Montageplatte und des Messobjekts anliegt. Alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die erste Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten auf gegenüberliegenden Oberflächen der Montageplatte und des Messobjekts aufgetragen sind. Ferner alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die erste Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten auf entgegengesetzten Oberflächen der ersten Verbindungsfolie aufgetragen sind. Diese Oberflächen der ersten Verbindungsfolie sind insbesondere ebene Oberflächen, die im zweiten Verfahrensschritt (200) die Montageplatte bzw. das Messobjekt aufnehmend zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt angeordnet werden, um im nachgelagerten dritten Verfahrensschritt (300) verschweißt oder verlötet zu werden. Die zweite Verbindungsfolie wird in einem vierten Verfahrensschritt (400) zwischen der Montageplatte und dem Dehnungsmessstreifen oder zwischen der Montageplatte und dem Elektronikmodul platziert. Das Platzieren kann derart erfolgen, dass die zweite Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration entweder direkt an einander zugewandten Oberflächen der Montageplatte und des Dehnungsmessstreifens bzw. des Elektronikmoduls anliegt. Alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die zweite Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten auf gegenüberliegenden Oberflächen der Montageplatte und des Dehnungsmessstreifens oder des Elektronikmoduls aufgetragen sind. Ferner alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die zweite Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten auf entgegengesetzten Oberflächen der zweiten Verbindungsfolie aufgetragen sind. Diese Oberflächen der zweiten Verbindungsfolie sind insbesondere ebene Oberflächen, die im vierten Verfahrensschritt (400) die Montageplatte bzw. den Dehnungsmessstreifen bzw. das Elektronikmodul aufnehmend zwischen der Montageplatte und dem Dehnungsmessstreifen bzw. dem Elektronikmodul angeordnet werden, um im nachgelagerten fünften Verfahrensschritt (500) verschweißt oder verlötet zu werden. The first connecting film is placed between the mounting plate and the measurement object in a second process step (200). The placement can be done in such a way that the first connecting film lies in a sandwich configuration either directly on surfaces of the mounting plate and the measurement object that face one another. Alternatively, the placement can be carried out in such a way that the first connection foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, with the solder layers being applied to opposite surfaces of the mounting plate and the measurement object. Furthermore, alternatively, the placement can be carried out such that the first connection foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, with the solder layers being applied to opposite surfaces of the first connection foil. These surfaces of the first connecting film are in particular flat surfaces which, in the second method step (200), are arranged to accommodate the mounting plate or the measurement object between the mounting plate and the measurement object in order to be welded or soldered in the subsequent third method step (300). The second connecting film is placed in a fourth method step (400) between the mounting plate and the strain gauge or between the mounting plate and the electronic module. The placement can be done in such a way that the second connecting film rests in a sandwich configuration either directly on facing surfaces of the mounting plate and the strain gauge or the electronic module. Alternatively, the placement can be done such that the second connection foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, with the solder layers being applied to opposite surfaces of the mounting plate and the strain gauge or the electronic module. Furthermore, alternatively, the placement can be carried out such that the second connection foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, with the solder layers being applied to opposite surfaces of the second connection foil. These surfaces of the second connecting film are in particular flat surfaces which, in the fourth method step (400), are arranged between the mounting plate and the strain gauge or the electronic module, receiving the mounting plate or the strain gauge or the electronic module, in order to be welded in the subsequent fifth method step (500). or to be soldered.
Dementsprechend ist der Dehnungsmessstreifen bzw. das Elektronikmodul, der bzw. das nicht über die zweite Verbindungsfolie mit der Montageplatte stoffschlüssig verbunden wurde, jeweils auf der Montageplatte angeklebt. Accordingly, the strain gauge or the electronic module, which was not cohesively connected to the mounting plate via the second connecting film, is glued to the mounting plate.
Die jeweilige Verbindungsfolie bildet im aktivierten Zustand eine Fügefläche zwischen den miteinander stoffschlüssig zu verbindenden Teilen. Die jeweilige Verbindungsfolie kann, wenn dies nicht bereits am die Fügefläche bildenden Fügeabschnitt erfolgt, ferner einen Aktivierungsabschnitt aufweisen, an dem die Aktivierung des metallischen Materials der jeweiligen Verbindungsfolie erfolgt. Am Aktivierungsabschnitt können Aktivierungsmittel angeordnet sein, um die jeweilige Verbindungsfolie aktivieren zu können. Der jeweilige Fügeabschnitt und ggfs. der Aktivierungsabschnitt sind einerseits zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt und andererseits zwi- sehen der Montageplatte und dem Dehnungsmessstreifen oder zwischen der Montageplatte und dem Elektronikmodul ausgebildet. Die jeweilige im Schritt (300) bzw. (500) aktivierte Verbindungsfolie verbindet das Messobjekt mit der Montageplatte bzw. die Montageplatte mit dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul zumindest in einer jeweiligen Fügefläche, vorzugsweise in der jeweiligen Fügefläche sowie ggfs. im Aktivierungsabschnitt, stoffschlüssig. Sofern ein Aktivierungsabschnitt vorgesehen ist, liegt dieser damit außerhalb der jeweiligen Fügefläche. When activated, the respective connecting film forms a joining surface between the parts to be cohesively connected to one another. The respective connecting film can, if this does not already take place on the joining section forming the joining surface, also have an activation section on which the activation of the metallic material of the respective connecting film takes place. Activation means can be arranged on the activation section in order to be able to activate the respective connecting film. The respective joining section and, if necessary, the activation section are on the one hand between the mounting plate and the measurement object and on the other hand between See the mounting plate and the strain gauge or formed between the mounting plate and the electronic module. The respective connecting film activated in step (300) or (500) connects the measurement object to the mounting plate or the mounting plate to the strain gauge or the electronic module in a materially bonded manner at least in a respective joining surface, preferably in the respective joining surface and, if necessary, in the activation section. If an activation section is provided, it lies outside the respective joining surface.
Mit der jeweiligen 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 Potentialdifferenz 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. Das Aktivierungsmittel und/oder die Spannungsquellen kann bzw. können mit dem Elektronikmodul verbunden sein. Sofern beide Aktivierungsschritte gleichzeitig erfolgen, können die Verbindungsfolien mit einem gemeinsamen Aktivierungsmittel verbunden sein. Finden die Schritte (300) und (500) nacheinander statt, ist es vorteilhaft, jede Verbindungsfolie einem dazugehörigen, separaten Aktivierungsmittel zuzuordnen. At least one, preferably several, activation means is electrically connected to the respective 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 minus 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. Alternatively, the activation means can be designed to be connected to the voltage source to activate the connecting film. The activation means and/or the voltage sources can be connected to the electronic module. If both activation steps take place simultaneously, the connecting films can be connected to a common activating agent. If steps (300) and (500) take place one after the other, it is advantageous to assign each connecting film to an associated, separate activating agent.
In einem dritten Verfahrensschritt (300) erfolgt ein Aktivieren der metallischen Materialien der ersten Verbindungsfolie über das jeweilige Aktivierungsmittel, sodass sich die erste Verbindungsfolie derart erhitzt, dass die Montageplatte mit dem Messobjekt stoffschlüssig verbunden wird. Zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt liegt nach dem Aktivieren der ersten 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 und/oder der Montageplatte aufgeschmolzen oder angeschmolzen werden, sodass die Montageplatte direkt mit dem Messobjekt verschweißt wird. Alternativ kann die Montageplatte durch Aufschmelzen von Lötschichten am Messobjekt und/oder an der Montageplatte und/oder an der ersten Verbindungsfolie indirekt mit dem Messobjekt verlötet werden. In a third method step (300), the metallic materials of the first connecting film are activated via the respective activation means, so that the first connecting film is heated in such a way that the mounting plate is connected to the measurement object in a materially bonded manner. After activating the first connecting film, there is a cohesive connection between the mounting plate and the measurement object. Activation can be done, for example, by ignition. The process requires no special heat, no vacuum and no gas atmosphere. The 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. In method step (300), the material of the measurement object and/or the mounting plate can be melted or melted so that the mounting plate is welded directly to the measurement object. Alternatively, the mounting plate can be indirectly soldered to the measurement object by melting solder layers on the measurement object and/or on the mounting plate and/or on the first connecting foil.
In einem fünften Verfahrensschritt (500) erfolgt ein Aktivieren der metallischen Materialien der zweiten Verbindungsfolie über das jeweilige Aktivierungsmittel, sodass sich die zweite Verbindungsfolie derart erhitzt, dass die Montageplatte mit dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul stoffschlüssig verbunden wird. Zwischen der Montageplatte und dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul liegt nach dem Aktivieren der zweiten Verbindungsfolie eine stoffschlüssige Verbindung vor. Das Aktivieren kann analog zu den obigen Ausführungen zur ersten Verbindungsfolie erfolgen. Insbesondere erfolgt der Verfahrensschritt (500) derart, dass das Material der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens beim Aktivieren der zweiten Verbindungfolie nicht aufschmilzt. Jedoch kann die Montageplatte ein Material aufweisen, dass während dem Aktivieren der zweiten Verbindungsfolie auf- oder angeschmolzen wird, sodass die Montageplatte direkt mit dem Dehnungsmessstreifen verschweißt wird. Alternativ kann der Dehnungsmessstreifen oder das Elektronikmodul durch Aufschmelzen von Lötschichten am Dehnungsmessstreifen bzw. am Elektronikmodul und/oder an der Montageplatte und/oder an der zweiten Verbindungsfolie indirekt mit der Montageplatte verlötet werden. In a fifth method step (500), the metallic materials of the second connecting film are activated via the respective activation agent, so that the second connecting film is heated in such a way that the mounting plate is cohesively connected to the strain gauge or the electronic module. After activating the second connecting film, there is a cohesive connection between the mounting plate and the strain gauge or the electronic module. Activation can be carried out analogously to the above statements regarding the first connecting film. In particular, method step (500) takes place in such a way that the material of the carrier layer of the strain gauge does not melt when the second connecting film is activated. However, the mounting plate can have a material that is melted or melted during activation of the second connecting film, so that the mounting plate is welded directly to the strain gauge. Alternatively, the strain gauge or the electronic module can be indirectly soldered to the mounting plate by melting solder layers on the strain gauge or on the electronic module and/or on the mounting plate and/or on the second connecting film.
Während des Bonding-Verfahrens müssen keine hohen Drücke und keine hohen Temperaturen auf die Sensoranordnung und/oder die Montageplatte und/oder das Messobjekt ausgeübt werden. Auch auf hohe elektromagnetische Felder kann verzichtet werden. Die durch das Aktivieren der metallischen Materialien der jeweiligen Verbindungsfolie entstehende durchgängige, metallische Verbindungsschicht oder Bondfläche zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt bzw. zwischen der Montageplatte und dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul weist aufgrund der verbesserten Kontaktierung insbesondere eine hohe Form Stabilität sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit auf. Weiterhin vereinfacht sich der Herstellungsprozess bzw. der Bondprozess, was eine besonders kostengünstige Produktion ermöglicht. During the bonding process, no high pressures and no high temperatures need to be exerted on the sensor arrangement and/or the mounting plate and/or the measurement object. High electromagnetic fields can also be avoided. The continuous, metallic connecting layer or bonding surface between the mounting plate and the measurement object or between the resulting by activating the metallic materials of the respective connecting film Due to the improved contacting, the mounting plate and the strain gauge or the electronic module in particular have a high level of dimensional stability as well as high thermal conductivity and electrical conductivity. Furthermore, the manufacturing process or the bonding process is simplified, which enables particularly cost-effective production.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch geringere Temperaturen und Spannungen während des Verbindens aus. Diese geringeren Spannungen induzieren weniger Vorspannungen im Dehnungsmessstreifen und der Montageplatte 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 Montageplatte und Messobjekt bzw. zwischen Montageplatte und Dehnungsmessstreifen oder Elektronikmodul 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. 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 mounting plate, increasing 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 created by the method according to the invention between the mounting plate and the measurement object or between the mounting plate and strain gauges or electronic module 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.
Vorteilhafterweise kann die elektrische Verbindung zwischen dem Aktivierungsmittel und der Verbindungsfolie mit der gleichen Vorrichtung erfolgen, mit der die einzelnen Bauteile übereinander platziert und der Druck zur stoffschlüssigen Verbindung ausgeübt wird. Advantageously, the electrical connection between the activating agent and the connecting film can be carried out using the same device with which the individual components are placed one above the other and the pressure is exerted for a material connection.
Die jeweilige Verbindungsfolie wird durch Laserschneiden derart bearbeitet, dass die jeweilige Verbindungsfolie eine Form und Maße annimmt, die eine vorgesehene Fügefläche zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt bzw. zwischen Montageplatte und Dehnungsmessstreifen oder Elektronikmodul abdeckt. Die jeweilige Verbindungsfolie kann damit besonders genau und effizient in den gewünschten Abmessungen geformt werden, bevor die jeweilige Verbindungsfolie zwischen den beiden Oberflächen platziert wird. Mithin erfolgt das Laserschneiden bevor die erste Verbindungsfolie in dem Schritt (200) zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt bzw. bevor die zweite Verbindungsfolie in dem Schritt (400) zwischen der Montageplatte und dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul platziert wird. The respective connecting film is processed by laser cutting in such a way that the respective connecting film takes on a shape and dimensions that cover an intended joining surface between the mounting plate and the measurement object or between the mounting plate and strain gauges or electronic module. The respective connecting film can thus be formed particularly precisely and efficiently in the desired dimensions before the respective connecting film is between the two surfaces is placed. The laser cutting therefore takes place before the first connecting film is placed between the mounting plate and the measurement object in step (200) or before the second connecting film is placed between the mounting plate and the strain gauge or the electronic module in step (400).
Das Verbindungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich aufgrund der Eliminierung oder Reduzierung von Druckspannungen besonders für Sensoranordnungen mit Dehnungsmessstreifen. Die Montage des DMS an das Messobjekt kann dadurch vereinfacht und beschleunigt werden sowie mit reproduzierbarer Qualität erfolgen. Insbesondere kann die Montage der Montageplatte mit der daran angeordneten Sensoranordnung am Messobjekt zumindest teilautomatisiert, vorzugsweise vollautomatisiert werden. The connection method according to the present invention is particularly suitable for sensor arrangements with 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. In particular, the assembly of the mounting plate with the sensor arrangement arranged thereon on the measurement object can be at least partially automated, preferably fully automated.
Vorzugsweise erfolgen die Schritte (200) und (400) gleichzeitig oder unmittelbar nacheinander. Alternativ kann Schritt (200) vor Schritt (400) erfolgen, oder umgekehrt. Mithin kann das Platzieren der jeweiligen Verbindungsfolie zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen in beliebiger Reihenfolge erfolgen. Preferably, steps (200) and (400) take place simultaneously or immediately one after the other. Alternatively, step (200) may occur before step (400), or vice versa. The respective connecting film can therefore be placed between the two components to be connected in any order.
Bevorzugt erfolgen die Schritte (300) und (500) gleichzeitig. Wie bereits erwähnt, kann in diesem Fall nur ein Aktivierungsmittel vorgesehen werden, welches beide Folien gleichzeitig aktiviert. Alternativ erfolgt Schritt (500) nach dem Schritt (300). Anders gesagt wird der Dehnungsmessstreifen oder das Elektronikmodul mit der Montageplatte stoffschlüssig verbunden, nachdem die Montageplatte stoffschlüssig mit dem Messobjekt verbunden wurde. Ferner alternativ erfolgen die Schritte (400) und (500) vor dem Schritt (200) erfolgen. Mit anderen Worten wird demnach erst die Sensoranordnung vollständig hergestellt, bevor diese am Messobjekt angeordnet wird. Der Schritt (300), der sich an den Schritt (200) anschließt, erfolgt damit nach dem Schritt (500), der sich an den Schritt (400) anschließt. Ein Vorteil besteht darin, dass die Kapselung vor dem Schritt (300), also dem stoffschlüssigen Verbinden der Montageplatte mit dem Messobjekt, erfolgen kann. Damit kann also zunächst die Sensoranordnung zu einem zusammenhängenden und separat hantierbaren Bauteil ausgebildet werden, bevor die Sensoranordnung über die Montageplatte am Messobjekt stoffschlüssig befestigt wird. Es soll hiermit verdeutlicht werden, dass die miteinander zusammenhängenden Schritte (200) und (300) bzw. (400) und (500) prinzipiell in beliebiger Reihenfolge erfolgen können. Steps (300) and (500) preferably take place simultaneously. As already mentioned, in this case only one activating agent can be provided, which activates both films at the same time. Alternatively, step (500) occurs after step (300). In other words, the strain gauge or the electronic module is materially connected to the mounting plate after the mounting plate has been materially connected to the measurement object. Furthermore, alternatively, steps (400) and (500) take place before step (200). In other words, the sensor arrangement is first completely manufactured before it is arranged on the measurement object. Step (300), which follows step (200), therefore takes place after step (500), which follows step (400). One advantage is that the encapsulation can take place before step (300), i.e. the material connection of the mounting plate to the measurement object. This means that the sensor arrangement can first be formed into a coherent component that can be handled separately before the sensor arrangement is fastened to the measurement object in a materially bonded manner via the mounting plate. This is intended to make it clear that the interrelated steps (200) and (300) or (400) and (500) can in principle take place in any order.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird eine oder mehrere Lötschichten auf der ersten und/oder zweiten Verbindungsfolie und/oder der Montageplatte und/oder dem Messobjekt und/oder dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul aufgetragen. Vorzugsweise weist die Montageplatte und/oder die erste Verbindungsfolie eine metallisierte erste Lötschicht auf, die im Schritt (200) zwischen der Montageplatte und der Verbindungsfolie angeordnet ist. Die erste Lötschicht ist als erste Beschichtung der Montageplatte und/oder der ersten Verbindungsfolie zu verstehen, die in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann. According to a preferred embodiment, one or more solder layers are applied to the first and/or second connecting foil and/or the mounting plate and/or the measurement object and/or the strain gauge or the electronic module. Preferably, the mounting plate and/or the first connecting foil has a metallized first solder layer, which is arranged in step (200) between the mounting plate and the connecting foil. The first soldering layer is to be understood as the first coating of the mounting plate and/or the first connecting film, which can be divided into several individual layers.
Bevorzugt weist die erste Verbindungsfolie und/oder das Messobjekt ein metallisierte zweite Lötschicht auf, die im Schritt (200) zwischen dem Messobjekt und der Verbindungsfolie angeordnet ist. Die zweite Lötschicht ist als zweite Beschichtung des Messobjekts und/oder der ersten Verbindungsfolie zu verstehen, die ebenfalls in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann. Preferably, the first connecting foil and/or the measurement object has a metallized second soldering layer, which is arranged in step (200) between the measurement object and the connecting foil. The second soldering layer is to be understood as the second coating of the measurement object and/or the first connecting film, which can also be divided into several individual layers.
Die erste bzw. zweite Lötschicht wird insbesondere aufgetragen, bevor die erste Verbindungsfolie in dem zweiten Verfahrensschritt (200) zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt platziert wird. Durch anschließendes Aktivieren der ersten Verbindungsfolie entsteht ausreichend Wärme, um die erste bzw. zweite Lötschicht aufzuschmelzen und die Montageplatte mit dem Messobjekt zu verlöten. In diesem Sinne ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass The first or second soldering layer is applied in particular before the first connecting film is placed between the mounting plate and the measurement object in the second method step (200). By subsequently activating the first connecting foil, sufficient heat is generated to melt the first or second solder layer and solder the mounting plate to the measurement object. In this sense, according to one embodiment it is provided that
- die erste Lötschicht auf der Montageplatte und/oder der ersten Verbindungsfolie aufgetragen wird, - the first soldering layer is applied to the mounting plate and/or the first connecting foil,
- die zweite Lötschicht auf dem Messobjekt und/oder der ersten Verbindungsfolie aufgetragen wird, - the second soldering layer is applied to the measurement object and/or the first connecting foil,
- die erste Verbindungsfolie mit den Lötschichten in dem Schritt (200) zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt platziert wird, und - die metallischen Materialien der ersten Verbindungsfolie in dem Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die erste Verbindungsfolie derart erhitzt, dass die erste Lötschicht und die zweite Lötschicht schmelzen und die Montageplatte durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht mit dem Messobjekt verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. Die Metallisierung des Messobjekts, der Montageplatte und/oder der ersten Verbindungsfolie, also das Aufbringen der ersten bzw. zweiten Lötschicht auf das Messobjekt, die Montageplatte und/oder die Verbindungsfolie ist wichtig, um den Nanobond-Prozess zu ermöglichen. - the first connecting film with the solder layers is placed in step (200) between the mounting plate and the measurement object, and - the metallic materials of the first connecting foil are activated in step (300), so that the first connecting foil is heated in such a way that the first soldering layer and the second soldering layer melt and the mounting plate is soldered to the measurement object through the melted first soldering layer and the melted second soldering layer is used to create the cohesive connection. The metallization of the measurement object, the mounting plate and/or the first connecting foil, i.e. the application of the first or second soldering layer to the measurement object, the mounting plate and/or the connecting foil, is important in order to enable the nanobond process.
Vorzugsweise weist die Montageplatte und/oder die zweite Verbindungsfolie eine metallisierte dritte Lötschicht auf, die im Schritt (400) zwischen der Montageplatte und der zweiten Verbindungsfolie angeordnet ist. Die dritte Lötschicht ist als dritte Beschichtung der Montageplatte und/oder der zweiten Verbindungsfolie zu verstehen, die in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann. Preferably, the mounting plate and/or the second connecting foil has a metallized third solder layer, which is arranged in step (400) between the mounting plate and the second connecting foil. The third soldering layer is to be understood as the third coating of the mounting plate and/or the second connecting film, which can be divided into several individual layers.
Bevorzugt weist die zweite Verbindungsfolie und/oder der Dehnungsmessstreifen oder das Elektronikmodul eine metallisierte vierte Lötschicht auf, die im Schritt (400) zwischen dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul und der zweiten Verbindungsfolie angeordnet ist. Die vierte Lötschicht ist als vierte Beschichtung des Dehnungsmessstreifens oder des Elektronikmoduls und/oder der zweiten Verbindungsfolie zu verstehen, die ebenfalls in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann. Preferably, the second connecting film and/or the strain gauge or the electronic module has a metallized fourth solder layer, which is arranged in step (400) between the strain gauge or the electronic module and the second connecting film. The fourth solder layer is to be understood as the fourth coating of the strain gauge or the electronic module and/or the second connecting film, which can also be divided into several individual layers.
Die dritte bzw. vierte Lötschicht wird insbesondere aufgetragen, bevor die zweite Verbindungsfolie in dem vierten Verfahrensschritt (400) zwischen der Montageplatte und dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul platziert wird. Durch anschließendes Aktivieren der zweiten Verbindungsfolie entsteht ausreichend Wärme, um die dritte bzw. vierte Lötschicht aufzuschmelzen und die Montageplatte mit dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul zu verlöten. In diesem Sinne ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass The third or fourth solder layer is applied in particular before the second connecting film is placed between the mounting plate and the strain gauge or the electronic module in the fourth method step (400). By subsequently activating the second connecting foil, sufficient heat is generated to melt the third or fourth solder layer and solder the mounting plate to the strain gauge or the electronic module. In this sense, according to one embodiment it is provided that
- die dritte Lötschicht auf der Montageplatte und/oder der zweiten Verbindungsfolie aufgetragen wird, - die vierte Lötschicht auf dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul und/oder der zweiten Verbindungsfolie aufgetragen wird, - the third soldering layer is applied to the mounting plate and/or the second connecting foil, - the fourth solder layer is applied to the strain gauge or the electronic module and/or the second connecting film,
- die zweite Verbindungsfolie mit den Lötschichten in dem Schritt (400) zwischen der Montageplatte und dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul platziert wird, und - the second connecting film with the solder layers is placed in step (400) between the mounting plate and the strain gauge or the electronic module, and
- die metallischen Materialien der zweiten Verbindungsfolie in dem Schritt (500) aktiviert werden, sodass sich die zweite Verbindungsfolie derart erhitzt, dass die dritte Lötschicht und die vierte Lötschicht schmelzen und die Montageplatte durch die aufgeschmolzene dritte Lötschicht und die aufgeschmolzene vierte Lötschicht mit dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. - the metallic materials of the second connecting foil are activated in step (500), so that the second connecting foil is heated in such a way that the third soldering layer and the fourth soldering layer melt and the mounting plate is protected by the melted third soldering layer and the melted fourth soldering layer with the strain gauge or is soldered to the electronic module to create the cohesive connection.
Die jeweilige Lötschicht ist eine metallisierte Schicht, die eine wirksame stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Messobjekt und der Montageplatte bzw. zwischen der Montageplatte und dem Dehnungsmessstreifen ermöglicht. The respective soldering layer is a metallized layer that enables an effective, cohesive connection between the measurement object and the mounting plate or between the mounting plate and the strain gauge.
Mittels der jeweiligen Verbindungsfolie und der Lötschichten kann zwischen den miteinander stoffschlüssig zu verbindenden Teilen 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. By means of the respective connecting foil and the soldering layers, an intermetallic, cohesive bond can be created between the parts to be cohesively connected to one another, 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.
Die Lötschichten können als metallische Startschichten besonders vorteilhaft durch Plasmaverfahren, Sputterverfahren oder Aufdampfen auf der jeweiligen Oberfläche der zu verbindenden Teile (Montageplatte, Messobjekt, Verbindungsfolie, Dehnungsmessstreifen oder Elektronikmodul) aufgebracht werden. Weitere Möglichkeiten sind durch Zwei-Schuss-Spritzgießen, additive Fertigung usw. gegeben. Wenigstens eine der Lötschichten, vorzugsweise alle Lötschichten, umfassen bevorzugt Nickel. Ferner bevorzugt umfasst eine der Lötschichten, vorzugsweise alle Lötschichten, Gold. Auch Kupfer oder Palladium eignen sich als Material für die jeweilige Lötschicht. Das Material der jeweiligen Lötschicht ist an die Abmessungen sowie den Werkstoff der Verbindungsfolie, der Montageplatte, des Messobjekts, des Dehnungsmessstreifens und/oder Elektronikmoduls 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 der jeweiligen Verbindungsfolie dem Messobjekt und/oder der Montageplatte und/oder dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul zugewandt und somit der jeweiligen Verbindungsfolie abgewandt. The solder layers can be applied as metallic starting layers particularly advantageously by plasma processes, sputtering processes or vapor deposition on the respective surface of the parts to be connected (mounting plate, measurement object, connecting film, strain gauge or electronic module). Other options include two-shot injection molding, additive manufacturing, etc. At least one of the solder layers, preferably all solder layers, preferably comprise nickel. Furthermore, one of the solder layers, preferably all solder layers, preferably comprises gold. Copper or palladium are also suitable materials for the respective soldering layer. The material of the respective soldering layer is adapted to the dimensions and the material of the connecting film, the mounting plate, the measurement object, the strain gauge and/or electronic module. According to one embodiment, the respective solder layer comprises a nickel layer and a gold layer. In other words, the respective coating is designed in multiple layers. The layer structure can be designed in any way. Preferably, the gold layer faces the connecting foil. Preferably, the nickel layer of the respective connecting foil faces the measurement object and/or the mounting plate and/or the strain gauge or the electronic module and thus faces away from the respective connecting foil.
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 die Montageplatte und/oder das Messobjekt und/oder den Dehnungsmessstreifen oder das Elektronikmodul einen Druck ausübt, einer Verformung der Lötschichten und der jeweiligen Verbindungsfolie während des Aktivierens und Verbindens in Schritt (300) bzw. Schritt (500) entgegengewirkt. Der Druck ist dabei derart gering, dass er zu keinen Spannungen innerhalb der Montageplatte und/oder des Dehnungsmessstreifens und/oder des Elektronikmoduls und/oder des Messobjekts führt, welche die Festigkeit der Verbindung zwischen der Montageplatte und dem Messobjekt bzw. zwischen der Montageplatte und dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul oder die Messgenauigkeit beinträchtigen könnten. To prevent unpredictable deformation of the composite, a fixing pad can be placed on the layers with low pressure. In this sense, it is preferred to deform the soldering layers and the respective connecting foil during activation and connection in step (300) by means of a fixing pad, which at least indirectly exerts pressure on the mounting plate and/or the measurement object and/or the strain gauge or the electronic module. or step (500). The pressure is so low that it does not lead to any tensions within the mounting plate and/or the strain gauge and/or the electronic module and/or the measurement object, which would affect the strength of the connection between the mounting plate and the measurement object or between the mounting plate and the Strain gauges or the electronic module or the measurement accuracy could be affected.
„Zumindest mittelbar“ heißt in diesem Zusammenhang, dass zwischen dem Fixierpad und der Montageplatte und/oder dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul und/oder dem Messobjekt weitere, insbesondere plattenförmige Bauteile, wie beispielsweise eine Wärmesenke, angeordnet sein können. Das Fixierpad kann auch direkt auf der Montageplatte und/oder dem Dehnungsmessstreifen oder dem Elektronikmodul und/oder dem Messobjekt angeordnet sein. “At least indirectly” in this context means that further, in particular plate-shaped components, such as a heat sink, can be arranged between the fixing pad and the mounting plate and/or the strain gauge or the electronic module and/or the measurement object. The fixing pad can also be arranged directly on the mounting plate and/or the strain gauge or the electronic module and/or the measurement object.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung einer auf einer Montageplatte angeordneten Sensoranordnung an einem Messobjekt bereitgestellt, wobei die Sensoranordnung durch ein 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. According to a second aspect of the invention, an arrangement of a sensor arrangement arranged on a mounting plate on a measurement object is provided, wherein the sensor arrangement has been connected to the measurement object by a method according to the first aspect of the invention. The above definitions and statements on technical effects, advantages and advantageous embodiments of the method according to the invention also apply mutatis mutandis to the arrangement according to the invention according to the second aspect of the invention. It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the schematic drawings, with the same or similar elements being provided with the same reference numerals. This shows
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung einer auf einer Montageplatte angeordneten Sensoranordnung an einem Messobjekt gemäß einer ersten Ausführungsform, 1 shows a longitudinal sectional view of an arrangement according to the invention of a sensor arrangement arranged on a mounting plate on a measurement object according to a first embodiment,
Fig. 2 eine detaillierte Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 1 , 2 shows a detailed longitudinal sectional view of the arrangement according to the invention according to FIG. 1,
Fig. 3 eine Explosionsdarstellung von Schichten und Werkzeugen zur Verbindung eines Dehnungsmessstreifens der Sensoranordnung mit einer Montageplatte mittels einer zweiten Verbindungsfolie sowie die durch das Verbinden entstehende Sensoranordnung, 3 shows an exploded view of layers and tools for connecting a strain gauge of the sensor arrangement to a mounting plate by means of a second connecting film and the sensor arrangement resulting from the connection,
Fig. 4 eine Explosionsdarstellung von Schichten und Werkzeugen zur Verbindung der Sensoranordnung mit dem Messobjekt mittels einer ersten Verbindungsfolie sowie die durch das Verbinden entstehende Anordnung nach Fig. 1 und Fig. 2, 4 shows an exploded view of layers and tools for connecting the sensor arrangement to the measurement object by means of a first connecting film and the arrangement according to FIGS. 1 and 2 resulting from the connection,
Fig. 5 einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbindung der Sensoranordnung 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. 5 shows a sequence of a method according to the invention for connecting the sensor arrangement 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.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung einer auf einer Montageplatte 17 angeordneten Sensoranordnung 5 an einem Messobjekt 2. Die Sensoranordnung 5 umfasst einen Dehnungsmessstreifen 1 und ein damit elektrisch verbundenes Elektronikmodul 19. Vorliegend ist das Elektronikmodul 19 auf der Montageplatte 17 aufgeklebt. Der Dehnungsmessstreifen 1 ist mittels eines in Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 5 gezeigten Verfahrens über eine zweite Verbindungsfolie 10b stoffschlüssig mit der Montageplatte 17 verbunden. Die Montageplatte 17 ist mittels eines in Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 5 gezeigten Verfahrens über eine erste Verbindungsfolie 10a stoffschlüssig mit dem Messobjekt 2 verbunden. In dem in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Zustand sind der Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 in einem gemeinsamen Gehäuse 18 aus Vergussmaterial eingekapselt. Fig. 1 shows a preferred embodiment of an arrangement of a sensor arrangement 5 arranged on a mounting plate 17 on a measurement object 2. The sensor arrangement 5 comprises a strain gauge 1 and an electronic module 19 electrically connected to it. In the present case, the electronic module 19 is glued to the mounting plate 17. The strain gauge 1 is materially connected to the mounting plate 17 via a second connecting film 10b by means of a method shown in FIG. 3 in conjunction with FIG. 5. The mounting plate 17 is materially connected to the measurement object 2 via a first connecting film 10a by means of a method shown in FIG. 4 in conjunction with FIG. 5. In the state shown in FIGS. 1 and 2, the strain gauge 1 and the electronic module 19 are encapsulated in a common housing 18 made of potting material.
Der Dehnungsmessstreifen 1 ist in Fig. 2 näher dargestellt und umfasst eine der Montageplatte 17 zugewandte Trägerschicht 1 a sowie ein darauf angeordnetes, mäanderförmiges Messgitter 1 b. Das Messgitter 1 b ist über eine ebenfalls im Gehäuse 18 gekapselte erste Verkabelung 20 mit dem als Vorverstärkermodul ausgebildeten Elektronikmodul 19 verbunden. Aus dem Gehäuse 18 ist eine zweite Verkabelung 23 herausgeführt, die das Elektronikmodul 19 mit einer - hier nicht gezeigten - Auswerteeinheit und/oder einer Spannungsquelle, wie beispielsweise die in Fig. 3 oder Fig. 4 gezeigte Batterie 15, verbindet. Wie ebenfalls in Fig. 2 zu sehen ist, weist die Montageplatte 17 an einer ersten Montageplatten-Oberfläche 4a eine der ersten Verbindungsfolie 10a zugewandte, metallisierte erste Lötschicht 13 auf und das Messobjekt 2 weist an einer Messobjekt-Oberfläche 6 eine der ersten Verbindungsfolie 10a zugewandte, metallisierte zweite Lötschicht 14 auf. Eine oder beide der Lötschichten 13, 14 können auch an der ersten Verbindungsfolie 10a aufgebracht sein. Ferner weist die Montageplatte 17 an einer zweiten Montageplatten-Oberfläche 4b eine der zweiten Verbindungsfolie 10b zugewandte, metallisierte dritte Lötschicht 21 auf, wobei der Dehnungsmessstreifen 1 , insbesondere dessen Trägerschicht 1 a eine der zweiten Verbindungsfolie 10b zugewandte, metallisierte vierte Lötschicht 21 aufweist. Eine oder beide der Lötschichten 21 , 22 können auch an der zweiten Verbindungsfolie 10b aufgebracht sein. The strain gauge 1 is shown in more detail in FIG. 2 and comprises a carrier layer 1a facing the mounting plate 17 and a meandering measuring grid 1b arranged thereon. The measuring grid 1 b is connected to the electronic module 19 designed as a preamplifier module via a first cabling 20, which is also encapsulated in the housing 18. A second wiring 23 is led out of the housing 18 and connects the electronic module 19 to an evaluation unit - not shown here - and/or a voltage source, such as the battery 15 shown in FIG. 3 or FIG. 4. 2, the mounting plate 17 has a metallized first solder layer 13 facing the first connecting film 10a on a first mounting plate surface 4a, and the measurement object 2 has a first connecting film 10a facing the first connecting film 10a on a measurement object surface 6 , metallized second solder layer 14. One or both of the solder layers 13, 14 can also be applied to the first connecting film 10a. Furthermore, the mounting plate 17 has on a second mounting plate surface 4b a metallized third solder layer 21 facing the second connecting film 10b, wherein the strain gauge 1, in particular its carrier layer 1 a, has a metallized fourth soldering layer 21 facing the second connecting film 10b. One or both of the solder layers 21, 22 can also be applied to the second connecting film 10b.
Das Messobjekt 2 ist vorliegend deutlich größer als die Sensoranordnung 5. 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. In the present case, the measurement object 2 is significantly larger than the sensor arrangement 5. The measurement object 2 can, for example, be 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. When an external force acts on the measurement object 2, it causes mechanical tension and stretching. Mechanical tension is the resistance that the object offers to the force, and 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.
Mittels der ersten Verbindungsfolie 10a wird eine feste, hier eine stoffschlüssige Verbindung der Montageplatte 17 mit dem Messobjekt 2 realisiert und mittels der zweiten Verbindungsfolie 10b wird eine feste, hier eine stoffschlüssige Verbindung der Montageplatte 17 mit dem Dehnungsmessstreifen 1 realisiert. Die jeweilige Verbindung überträgt Kräfte der Messgröße sowie auch Störgrößen durch thermische Ausdehnung. Die Art der Verbindung stellt dabei Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit von Messobjekt 2, Dehnungsmessstreifen 1 und Montageplatte 17. By means of the first connecting film 10a, a firm, here a cohesive connection of the mounting plate 17 with the measurement object 2 is realized and by means of the second connecting film 10b, a firm, here a cohesive connection of the mounting plate 17 with the strain gauge 1 is realized. The respective 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, strain gauge 1 and mounting plate 17.
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 das Messobjekt 2, die Sensoranordnung 5, umfassend den Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19, die Montageplatte 17 und die erste und zweite Verbindungsfolie 10a, 10b bereitgestellt. Die jeweilige Verbindungsfolie 10a, 10b ist eine sogenannte NanoFoil®, also eine reaktive Multischichtfolie, die durch Aufdampfen von Tausenden von abwechselnden nanoskaligen Schichten aus Aluminium 11 und Nickel 12 hergestellt wird. Eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der jeweiligen Verbindungsfolie 10a, 10b mit den Aluminium- 11 und Nickelschichten 12 ist in Fig. 6 gezeigt. Wenn die jeweilige Verbindungsfolie 10a, 10b 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. Two force arrows F shown on the far right in Fig. 1 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. In a first method step 100, the measurement object 2, the sensor arrangement 5, comprising the strain gauge 1 and the electronic module 19, the mounting plate 17 and the first and second connecting films 10a, 10b are provided. The respective connecting foil 10a, 10b 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. A greatly enlarged cross-sectional view of the respective connecting foil 10a, 10b with the aluminum 11 and nickel layers 12 is shown in FIG. When the respective connecting film 10a, 10b is activated by a small pulse of local energy from electrical, optical or thermal sources, it reacts exothermically to generate precise local heat up to temperatures of 1500 ° C in fractions of a second.
Auf den Schritt 100 folgt gemäß Fig. 5 vorliegend zunächst die Herstellung der Sensoranordnung. Schritt 400 folgt demnach auf Schritt 100, wobei im Schritt 400 die zweite Verbindungsfolie 10b zwischen der Montageplatte 17 und dem Dehnungsmessstreifen 1 platziert wird. Dabei berührt die zweite Verbindungsfolie 10b auf einer Seite eine dritte Lötschicht 21 an der Montageplatte 17 und auf der anderen Seite eine vierte Lötschicht 22 am Dehnungsmessstreifen 1 , insbesondere an der Trägerschicht 1 a des Dehnungsmessstreifens 1 . Während des Verfahrensschritts 400 sind die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der zweiten Verbindungsfolie 10b noch so abwechselnd nebeneinander angeordnet, wie dies durch Fig. 6 gezeigt ist. Beide Lötschichten 21 , 22 umfassen Nickel. Vorliegend weisen beide Schichten 21 , 22 zudem eine Goldschicht auf, wobei die Goldschicht der zweiten Verbindungsfolie 10b zugewandt angeordnet ist. Die jeweilige Lötschicht 21 , 22 kann ferner Kupfer, Silber, Siliciumnitrid SisN4, Siliciumdioxid SiÜ2, Titanwolfram TiW, Palladium oder dergleichen umfassen. Der Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 werden nach dem Schritt 500 und vor dem Schritt 200 von der Montageplatte 17 sowie einer Vergussmasse oder einer Spritzgussmasse vollständig umgeben. Der Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 sind damit zum einen von der Montageplatte 17 sowie zum anderen von einer Vergussmasse oder einer Spritzgussmasse vollständig umgeben. Durch die Kapselung wird ein den Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 aufnehmendes Gehäuse 18 ausgebildet. Die Sensoranordnung 5 ist so separat lagerbar, transportierbar und hantierbar, wobei der Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 vor äußeren Einwirkungen geschützt sind. According to FIG. 5, step 100 is initially followed by the production of the sensor arrangement. Step 400 therefore follows step 100, with the second connecting film 10b being placed between the mounting plate 17 and the strain gauge 1 in step 400. The second connecting film 10b touches on one side a third soldering layer 21 on the mounting plate 17 and on the other side a fourth soldering layer 22 on the strain gauge 1, in particular on the carrier layer 1a of the strain gauge 1. During method step 400, the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the second connecting foil 10b are still arranged alternately next to one another, as shown in FIG. 6. Both solder layers 21, 22 include nickel. In the present case, both layers 21, 22 also have a gold layer, with the gold layer being arranged facing the second connecting foil 10b. The respective soldering layer 21, 22 can also include copper, silver, silicon nitride SiSN4, silicon dioxide SiÜ2, titanium tungsten TiW, palladium or the like. After step 500 and before step 200, the strain gauge 1 and the electronic module 19 are completely surrounded by the mounting plate 17 and a casting compound or an injection molding compound. The strain gauge 1 and the electronic module 19 are therefore completely surrounded on the one hand by the mounting plate 17 and on the other hand by a potting compound or an injection molding compound. The encapsulation forms a housing 18 that accommodates the strain gauge 1 and the electronic module 19. The sensor arrangement 5 can be stored, transported and handled separately, with the strain gauge 1 and the electronic module 19 being protected from external influences.
Auf den Schritt 400 folgt Schritt 500, wonach die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der zweiten Verbindungsfolie 10b nach Fig. 6 mittels der beispielhaft in Fig. 3 gezeigten Batterie 15 aktiviert werden. Anstelle der Batterie 15 kann eine Gleichspannungsquelle genutzt werden, um die zweite Verbindungsfolie 10b zu aktivieren. Die Aluminiumschichten 11 und Nickelschichten 12 der zweiten Verbindungsfolie 10b reagieren daraufhin stark exotherm, sodass sich die zweite Verbindungsfolie 10b derart erhitzt, dass die dritte Lötschicht 21 und die vierte Lötschicht 22 schmelzen und die Montageplatte 17 durch die aufgeschmolzenen Lötschichten 21 , 22 mit dem Dehnungsmessstreifen 1 verlötet wird. Dabei entsteht, wie rechts in Fig. 3 angedeutet, eine stabile Bond- bzw. Fügefläche 7b zwischen der Montageplatte 17 und dem Dehnungsmessstreifen 1. Step 400 is followed by step 500, after which the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the second connecting foil 10b according to FIG. 6 are activated by means of the battery 15 shown by way of example in FIG. 3. Instead of the battery 15, a DC voltage source can be used to activate the second connecting film 10b. The aluminum layers 11 and nickel layers 12 of the second connecting foil 10b then react strongly exothermically, so that the second connecting foil 10b heats up in such a way that the third soldering layer 21 and the fourth soldering layer 22 melt and the mounting plate 17 is connected to the strain gauge 1 by the melted soldering layers 21, 22 is soldered. This creates, as indicated on the right in Fig. 3, a stable bonding or joining surface 7b between the mounting plate 17 and the strain gauge 1.
Im Anschluss an die stoffschlüssige Verbindung des Dehnungsmessstreifens 1 mit der Montageplatte 17, also nach Schritt 500, wird das Elektronikmodul 19 an die Montageplatte 17 angeklebt und der Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 werden eingekapselt, sodass ein zusammenhängendes Bauteil der Sensoranordnung 5 entsteht, die gemäß Fig. 4 mit dem Messobjekt 2 verbunden wird. Following the cohesive connection of the strain gauge 1 to the mounting plate 17, i.e. after step 500, the electronics module 19 is glued to the mounting plate 17 and the strain gauge 1 and the electronics module 19 are encapsulated, so that a coherent component of the sensor arrangement 5 is created, which according to Fig. 4 is connected to the measurement object 2.
An Schritt 500 schließt sich somit Schritt 200 an, wonach die erste Verbindungsfolie 10a zwischen der Montageplatte 17 und dem Messobjekt 2 platziert wird, wie dies durch Fig. 4 auf der linken Seite gezeigt ist. Dabei berührt die erste Verbindungsfolie 10a auf einer Seite die erste Lötschicht 13 an der Montageplatte 17 und auf der anderen Seite die zweite Lötschicht 14 am Messobjekt 2. Während des Schritts 200 sind die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der ersten Verbindungsfolie 10a noch so abwechselnd nebeneinander angeordnet, wie dies durch Fig. 6 gezeigt ist. Beide Lötschichten 13, 14 umfassen Nickel. Vorliegend weisen beide Schichten 13, 14 zudem eine Goldschicht auf, wobei die Goldschicht der erste Verbindungsfolie 10a zugewandt angeordnet ist. Die jeweilige Lötschicht 13, 14 kann analog zur dritten oder vierten Lötschicht 21 , 22 ausgebildet sein. In einem an den Schritt 200 folgenden Schritt 300 werden die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der ersten Verbindungsfolie 10a nach Fig. 6 mittels der beispielhaft in Fig. 4 gezeigten Batterie 15 aktiviert. Anstelle der Batterie 15 kann eine Gleichspannungsquelle genutzt werden, um die erste Verbindungsfolie 10a zu aktivieren. Die Aluminiumschichten 11 und Nickelschichten 12 der ersten Verbindungsfolie 10a reagieren daraufhin stark exotherm, sodass sich die erste Verbindungsfolie 10a derart erhitzt, dass die erste Lötschicht 13 und die zweite Lötschicht 14 schmelzen und die Montageplatte 17 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 7a zwischen der Montageplatte 17 und dem Messobjekt 2. Step 500 is thus followed by step 200, after which the first connecting film 10a is placed between the mounting plate 17 and the measurement object 2, as shown by FIG. 4 on the left. The first connecting foil 10a touches the first soldering layer 13 on the mounting plate 17 on one side and the second soldering layer 14 on the measurement object 2 on the other side. During step 200, the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the first connecting foil 10a are still alternately next to each other arranged as shown by Fig. 6. Both solder layers 13, 14 include nickel. In the present case, both layers 13, 14 also have a gold layer, the gold layer being arranged facing the first connecting foil 10a. The respective soldering layer 13, 14 can be designed analogously to the third or fourth soldering layer 21, 22. In a step 300 following step 200, the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the first connecting foil 10a according to FIG. 6 are activated by means of the battery 15 shown by way of example in FIG. 4. Instead of the battery 15, a DC voltage source can be used to activate the first connecting film 10a. The aluminum layers 11 and nickel layers 12 of the first connecting foil 10a then react strongly exothermically, so that the first connecting foil 10a heats up in such a way that the first soldering layer 13 and the second soldering layer 14 melt and the mounting plate 17 is connected to the measurement object 2 through the melted soldering layers 13, 14 is soldered. This creates, as indicated on the right in Fig. 4, a stable bonding or joining surface 7a between the mounting plate 17 and the measurement object 2.
Die Verbindungsfolien 10a, 10b sind durch Laserschneiden derart bearbeitet, dass die jeweilige Verbindungsfolie 10a, 10b eine Form und Maße annimmt, die eine vorgesehene Fügefläche 7a, 7b zwischen der Montageplatte 17 und dem Messobjekt 2 bzw. zwischen der Montageplatte 17 und dem Dehnungsmessstreifen 1 sowie einen jeweiligen Aktivierungsabschnitt 8a, 8b bildet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Aktivierungsabschnitt 8a nach Fig. 4 nicht von der Montageplatte 17 verdeckt und der zweite Aktivierungsabschnitt 8b ist gemäß Fig. 3 nicht von dem Dehnungsmessstreifen 1 verdeckt. Mithin ragt der jeweilige Aktivierungsabschnitt 8a, 8b, wie im linken Teil von Fig. 3 und Fig. 4 deutlich zu sehen ist, aus dem durch die Sensoranordnung 5, die Montageplatte 17, das Messobjekt 2 sowie die Lötschichten 13, 14, 21 , 22 gebildeten Stapel heraus, wenn alle Schichten aneinander liegen. The connecting foils 10a, 10b are processed by laser cutting in such a way that the respective connecting foil 10a, 10b takes on a shape and dimensions that provide an intended joining surface 7a, 7b between the mounting plate 17 and the measurement object 2 or between the mounting plate 17 and the strain gauge 1 as well forms a respective activation section 8a, 8b. In the exemplary embodiment shown, the first activation section 8a according to FIG. 4 is not covered by the mounting plate 17 and the second activation section 8b is not covered by the strain gauge 1 according to FIG. 3. The respective activation section 8a, 8b therefore projects, as can be clearly seen in the left part of FIGS. 3 and 4, through the sensor arrangement 5, the mounting plate 17, the measurement object 2 and the soldering layers 13, 14, 21, 22 stack formed when all layers are next to each other.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Montageplatte 17 und dem Messobjekt 2 sowie zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und der Montageplatte 17 realisiert. Die Montageplatten-Oberflächen 4a, 4b und/oder Messobjekt-Oberfläche 6 und/oder die Trägerschichtoberfläche kann bzw. können eine derartige Oberflächenstruktur aufweisen, dass aufgeschmolzenes Material der Aluminiumschichten 11 und/oder der Nickelschichten 12 in Zwischenräume der jeweiligen Oberfläche eindringen und nach der Erstarrung einen Formschluss zwischen den beiden stoffschlüssig zu verbindenden Bauteilen 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. With the method according to the invention, a cohesive connection between the mounting plate 17 and the measurement object 2 and between the strain gauge 1 and the mounting plate 17 is realized. The mounting plate surfaces 4a, 4b and/or measurement object surface 6 and/or the carrier layer surface can or can have such a surface structure that molten material of the aluminum layers 11 and/or the nickel layers 12 penetrate into spaces in the respective surface and after solidification cause a positive connection between the two components to be connected in a materially bonded manner can. The detectable measurement variable can be increased by special force shunt structures 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.
Sowohl bei der Verbindung des Dehnungsmessstreifens 1 mit der Montageplatte 17 gemäß den Schritten 400 und 500 sowie bei der Verbindung der Montageplatte 17 mit dem Messobjekt 2 gemäß den Schritten 200 und 300 ist ein Fixierpad 9 mit einer nachgiebigen Schicht 24 vorgesehen, die einen Druck p auf den jeweiligen Stapel ausübt. Dieser Druck ist sehr gering und wirkt senkrecht auf eine äußere Oberfläche des jeweiligen Bauteils. Der Druck dient dazu, einer Verformung der Lötschichten 13, 14 bzw. 21 , 22 und der jeweiligen Verbindungsfolie 10a, 10b während des Aktivierens und Verbindens in Schritt 500 bzw. 300 entgegenzuwirken. Both when connecting the strain gauge 1 to the mounting plate 17 according to steps 400 and 500 and when connecting the mounting plate 17 to the measurement object 2 according to steps 200 and 300, a fixing pad 9 with a resilient layer 24 is provided, which applies a pressure p exercises the respective stack. This pressure is very low and acts vertically on an outer surface of the respective component. The pressure serves to counteract deformation of the solder layers 13, 14 or 21, 22 and the respective connecting foil 10a, 10b during activation and connection in step 500 or 300.
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. Ferner können die Schritte 200 und 400 gleichzeitig oder unmittelbar nacheinander erfolgen. Außerdem können die Schritte 300 und 500 gleichzeitig erfolgen. Alternativ kann der Schritt 500 nach dem Schritt 300 erfolgen. Ferner alternativ können die Schritte 400 und 500 vor dem Schritt 200 erfolgen. It should be expressly pointed out that the invention is not limited to the exemplary embodiments disclosed here. These are merely exemplary configurations, although other variants are also possible. In particular, the second soldering layer 14 on the measurement object 2 can be dispensed with if the measurement object 2 consists of a solderable material or has an already metallized surface. Furthermore, steps 200 and 400 can take place simultaneously or immediately one after the other. Additionally, steps 300 and 500 can occur simultaneously. Alternatively, step 500 can occur after step 300. Further alternatively, steps 400 and 500 may occur before step 200.
Bezugszeichen Reference symbols
F Kraft p Druck F force p pressure
1 Dehnungsmessstreifen 1 strain gauge
1a Trägerschicht 1a carrier layer
1 b Messgitter 1 b measuring grid
2 Messobjekt 2 measurement object
4a Erste Montageplatten-Oberfläche 4a First mounting plate surface
4b Zweite Montageplatten-Oberfläche 4b Second mounting plate surface
5 Sensoranordnung 5 sensor arrangement
6 Messobjekt-Oberfläche 6 measurement object surface
7a Erste Fügefläche 7a First joining surface
7b Zweite Fügefläche 7b Second joining surface
8a Erster Aktivierungsabschnitt 8a First activation section
8b Zweiter Aktivierungsabschnitt 8b Second activation section
9 Fixierpad 9 fixing pad
10a erste Verbindungsfolie 10a first connecting film
10b zweite Verbindungsfolie 10b second connecting film
11 Aluminiumschicht 11 aluminum layer
12 Nickelschicht 12 nickel layer
13 Erste Lötschicht 13 First layer of solder
14 Zweite Lötschicht 14 Second solder layer
15 Batterie 15 battery
16 Aktivierungsmittel 16 Activating Agents
17 Montageplatte 17 mounting plate
18 Gehäuse 18 housings
19 Elektronikmodul 19 electronic module
20 Erste Verkabelung 20 First wiring
21 Dritte Lötschicht 21 Third solder layer
22 Vierte Lötschicht 22 Fourth layer of solder
23 Zweite Verkabelung 23 Second cabling
24 Nachgiebige Schicht Erster Verfahrensschritt24 Compliant layer First step of the procedure
Zweiter VerfahrensschrittSecond procedural step
Dritter VerfahrensschrittThird step of the process
Vierter VerfahrensschrittFourth step of the process
Fünfter Verfahrensschritt Fifth procedural step

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Verfahren zur Verbindung einer auf einer Montageplatte (17) angeordneten Sensoranordnung (5) mit einem Messobjekt (2), das Verfahren umfassend die Schritte (100) Bereitstellen 1 . Method for connecting a sensor arrangement (5) arranged on a mounting plate (17) to a measurement object (2), the method comprising the steps (100).
- eines Messobjekts (2), - a measurement object (2),
- einer Sensoranordnung (5), umfassend einen Dehnungsmessstreifen (1 ), der zumindest dazu eingerichtet ist, dehnende und stauchende Verformungen eines Messobjekts (2) zu erfassen, sowie ein damit verbundenes Elektronikmodul (19), - a sensor arrangement (5), comprising a strain gauge (1), which is at least designed to detect expanding and compressing deformations of a measurement object (2), and an electronic module (19) connected thereto,
- der Montageplatte (17), - the mounting plate (17),
- einer ersten Verbindungsfolie (10a) und mindestens einer zweiten Verbindungsfolie (10b), die jeweils metallische Materialien (11 , 12) enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren, - a first connecting film (10a) and at least one second connecting film (10b), each containing metallic materials (11, 12) which react exothermically when activated,
(200) Platzieren der ersten Verbindungsfolie (10a) zwischen der Montageplatte (17) und dem Messobjekt (2), (200) placing the first connecting film (10a) between the mounting plate (17) and the measurement object (2),
(300) Aktivieren der metallischen Materialien (11 , 12) der ersten Verbindungsfolie (10a), sodass sich die erste Verbindungsfolie (10a) derart erhitzt, dass zwischen der Montageplatte (17) und dem Messobjekt (2) eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird, (300) activating the metallic materials (11, 12) of the first connecting film (10a) so that the first connecting film (10a) heats up in such a way that a cohesive connection is created between the mounting plate (17) and the measurement object (2),
(400) Platzieren der zweiten Verbindungsfolie (10b) zwischen der Montageplatte (17) und dem Dehnungsmessstreifen (1 ) oder dem Elektronikmodul (19), und (400) placing the second connecting film (10b) between the mounting plate (17) and the strain gauge (1) or the electronic module (19), and
(500) Aktivieren der metallischen Materialien (11 , 12) der zweiten Verbindungsfolie (10b), sodass sich die zweite Verbindungsfolie (10b) derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) oder dem Elektronikmodul (19) und der Montageplatte (17) eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird. (500) Activating the metallic materials (11, 12) of the second connecting film (10b), so that the second connecting film (10b) heats up in such a way that there is a between the strain gauge (1) or the electronic module (19) and the mounting plate (17). cohesive connection is created.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei nach dem Schritt (500) der Dehnungsmessstreifen (1 ) und das Elektronikmodul (19) in einem Gehäuse (18) eingekapselt werden. 2. The method according to claim 1, wherein after step (500) the strain gauge (1) and the electronic module (19) are encapsulated in a housing (18).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schritte (200) und (400) gleichzeitig oder unmittelbar nacheinander erfolgen. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein steps (200) and (400) take place simultaneously or immediately one after the other.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schritte (300) und (500) gleichzeitig erfolgen. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein steps (300) and (500) occur simultaneously.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt (500) nach dem Schritt (300) erfolgt. 5. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein step (500) takes place after step (300).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schritte (400) und (500) vor dem Schritt (200) erfolgen. 6. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein steps (400) and (500) take place before step (200).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dehnungsmessstreifen (1 ) eine der Montageplatte (17) zugewandte Trägerschicht (1 a) sowie ein Messgitter (1 b) umfasst. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the strain gauge (1) comprises a carrier layer (1a) facing the mounting plate (17) and a measuring grid (1b).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Montageplatte (17) und/oder die erste Verbindungsfolie (10a) eine metallisierte erste Lötschicht (13) aufweist, die im Schritt (200) zwischen der Montageplatte (17) und der ersten Verbindungsfolie (10a) angeordnet ist. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the mounting plate (17) and / or the first connecting film (10a) has a metallized first solder layer (13) which in step (200) between the mounting plate (17) and the first connecting film ( 10a) is arranged.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Verbindungsfolie (10a) und/oder das Messobjekt (2) eine metallisierte zweite Lötschicht (14) aufweist, die im Schritt (200) zwischen dem Messobjekt (2) und der ersten Verbindungsfolie (10a) angeordnet ist. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first connecting film (10a) and / or the measurement object (2) has a metallized second solder layer (14) which in step (200) between the measurement object (2) and the first connection film ( 10a) is arranged.
10. Verfahren nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 9, wobei 10. The method according to claim 8 in conjunction with claim 9, wherein
- die erste Lötschicht (13) auf der Montageplatte (17) und/oder der ersten Verbindungsfolie (10a) aufgetragen wird, - the first soldering layer (13) is applied to the mounting plate (17) and/or the first connecting film (10a),
- die zweite Lötschicht (14) auf dem Messobjekt (2) und/oder der ersten Verbindungsfolie (10a) aufgetragen wird, - the second soldering layer (14) is applied to the measurement object (2) and/or the first connecting film (10a),
- die erste Verbindungsfolie (10a) mit den Lötschichten (13, 14) in dem Schritt (200) zwischen der Montageplatte (17) und dem Messobjekt (2) platziert wird, und - die metallischen Materialien (11 , 12) der ersten Verbindungsfolie (1 Oa) in dem Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die erste Verbindungsfolie (10a) derart erhitzt, dass die erste Lötschicht (13) und die zweite Lötschicht (14) schmelzen und die Montageplatte (17) durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht (13) und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht (14) mit dem Messobjekt (2) verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. - the first connecting film (10a) with the soldering layers (13, 14) is placed in step (200) between the mounting plate (17) and the measurement object (2), and - the metallic materials (11, 12) of the first connecting foil (10a) are activated in step (300), so that the first connecting foil (10a) heats up in such a way that the first soldering layer (13) and the second soldering layer (14) melt and the mounting plate (17) is soldered to the measurement object (2) through the melted first solder layer (13) and the melted second solder layer (14) in order to create the cohesive connection.
11 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Montageplatte (17) und/oder die zweite Verbindungsfolie (10b) eine metallisierte dritte Lötschicht (21 ) aufweist, die im Schritt (400) zwischen der Montageplatte (17) und der zweiten Verbindungsfolie (10b) angeordnet ist. 11. Method according to one of the preceding claims, wherein the mounting plate (17) and/or the second connecting foil (10b) has a metallized third soldering layer (21) which in step (400) between the mounting plate (17) and the second connecting foil (10b) is arranged.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Verbindungsfolie (10b) und/oder der Dehnungsmessstreifen (1 ) oder das Elektronikmodul (19) eine metallisierte vierte Lötschicht (22) aufweist, die im Schritt (400) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) oder dem Elektronikmodul (19) und der zweiten Verbindungsfolie (10b) angeordnet ist. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the second connecting film (10b) and / or the strain gauge (1) or the electronic module (19) has a metallized fourth solder layer (22) which in step (400) between the strain gauge (1 ) or the electronic module (19) and the second connecting film (10b) is arranged.
13. Verfahren nach Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 12, wobei 13. The method according to claim 11 in conjunction with claim 12, wherein
- die dritte Lötschicht (21 ) auf der Montageplatte (17) und/oder der zweiten Verbindungsfolie (10b) aufgetragen wird, - the third soldering layer (21) is applied to the mounting plate (17) and/or the second connecting film (10b),
- die vierte Lötschicht (22) auf dem Dehnungsmessstreifen (1 ) oder dem Elektronikmodul (19) und/oder der zweiten Verbindungsfolie (10b) aufgetragen wird, - the fourth solder layer (22) is applied to the strain gauge (1) or the electronic module (19) and/or the second connecting film (10b),
- die zweite Verbindungsfolie (10b) mit den Lötschichten (21 , 22) in dem Schritt (400) zwischen der Montageplatte (17) und dem Dehnungsmessstreifen (1 ) oder dem Elektronikmodul (19) platziert wird, und - the second connecting film (10b) with the soldering layers (21, 22) is placed in step (400) between the mounting plate (17) and the strain gauge (1) or the electronic module (19), and
- die metallischen Materialien (11 , 12) der zweiten Verbindungsfolie (10b) in dem Schritt (500) aktiviert werden, sodass sich die zweite Verbindungsfolie (10b) derart erhitzt, dass die dritte Lötschicht (21 ) und die vierte Lötschicht (22) schmelzen und die Montageplatte (17) durch die aufgeschmolzene dritte Lötschicht (21 ) und die aufgeschmolzene vierte Lötschicht (22) mit dem Dehnungsmessstreifen (1 ) oder dem Elektronikmodul (19) verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. - the metallic materials (11, 12) of the second connecting foil (10b) are activated in step (500), so that the second connecting foil (10b) heats up in such a way that the third soldering layer (21) and the fourth soldering layer (22) melt and the mounting plate (17) is soldered to the strain gauge (1) or the electronic module (19) through the molten third solder layer (21) and the molten fourth solder layer (22) in order to create the cohesive connection.
14. Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 13, wobei mittels eines Fixierpads (9), das zumindest mittelbar auf die Sensoranordnung (5) und/oder auf das Messobjekt (2) einen Druck (p) ausübt, einer Verformung der Lötschichten (13, 14, 21 , 22) und der jeweiligen Verbindungsfolie (10a, 10b) während des Aktivierens und Verbindens in Schritt (300) bzw. Schritt (500) entgegengewirkt wird. 14. The method according to claim 10 or claim 13, wherein by means of a fixing pad (9), which at least indirectly exerts a pressure (p) on the sensor arrangement (5) and / or on the measurement object (2), a deformation of the soldering layers (13, 14, 21, 22) and the respective connecting film (10a, 10b) is counteracted during activation and connection in step (300) or step (500).
15. Anordnung einer auf einer Montageplatte (17) angeordneten Sensoranordnung (5) an einem Messobjekt (2), wobei die Sensoranordnung (5) durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem Messobjekt (2) verbunden worden ist. 15. Arrangement of a sensor arrangement (5) arranged on a mounting plate (17) on a measurement object (2), the sensor arrangement (5) being connected to the measurement object (2) by a method according to one of the preceding claims.
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