WO2024056574A1 - Connection of a sensor assembly to a measurement object - Google Patents

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WO2024056574A1
WO2024056574A1 PCT/EP2023/074840 EP2023074840W WO2024056574A1 WO 2024056574 A1 WO2024056574 A1 WO 2024056574A1 EP 2023074840 W EP2023074840 W EP 2023074840W WO 2024056574 A1 WO2024056574 A1 WO 2024056574A1
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WO
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strain gauge
measurement object
connecting film
layer
electronic module
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Application number
PCT/EP2023/074840
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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
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0006Exothermic brazing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B23K1/0016Brazing of electronic components
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a connection of a strain gauge to a measurement object. What is required in this context is in particular a method for attaching the strain gauge to the measurement object and an arrangement of the strain gauge on the measurement object.
  • Strain gauges are measuring devices for recording stretching and compressing deformations. They change their electrical resistance even with small deformations and are used as sensors to measure strain.
  • the measurement object can consist of different materials such as metal, silicon or an organic material.
  • the connecting layer must provide strong adhesion and be dimensionally stable to ensure good force and deformation transfer without (additional and unpredictable) damping or time delays. Sensor performance over life depends on the long-term stability of the interconnect layer, particularly temperature-humidity-chemical stability, to avoid signal drift, signal amplitude shrinkage and time delays.
  • Bonding is known for contacting the strain gauges on a larger measurement object.
  • the connecting layer is therefore an adhesive layer. This is relatively easy to achieve for industrial manufacturing, but usually requires a manual process that is time-consuming and not cost-effective. Adhesive connections are associated with different temperature gradients, moisture-chemical dependency and long-term aging. This can reduce the signal quality or even destroy the sensor. Other joining techniques are impractical due to process parameters involving high temperatures, mechanical pressures or high vacuum or inert gas. Other methods require strong electromagnetic fields. In this context, impractical means that it could destroy the strain gauge or the measurement object.
  • the object of the present invention is to propose a novel connection between a strain gauge and a measurement object, which takes into account the problems described above and makes strain gauges usable for automotive applications.
  • the 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 (20) to a measurement object comprises the following 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, and an electronic module,
  • 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 made in about one 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 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 is arranged on the measurement object, with the electronic module being arranged on the strain gauge. The strain gauge and the electronic module are then encapsulated in a common housing.
  • the strain gauge and the electronic module are preferably encapsulated in the housing if both the electronic module has been materially connected to the strain gauge and the strain gauge has been materially connected to the measurement object.
  • the encapsulation therefore takes place in a step (600), which takes place after step (300) and after step (500).
  • the strain gauge and the electronic module are spatially surrounded by the measurement object and 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 - i.e. free of contact elements. since. 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. The sensor arrangement is therefore protected from unwanted damage.
  • 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 electronic module, with the electronic module being connected to the strain gauge in a materially bonded manner by means of the first connecting film.
  • the second connecting film is assigned to the measurement object, with the measurement object being cohesively connected to the strain gauge 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 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 hen 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® is a reactive multi-layer foil that is produced by vapor deposition of thousands of alternating nanoscale layers made of aluminum and nickel, for example.
  • Other binary layer systems are also conceivable, such as titanium and aluminum, zirconium and silicon or paladium and aluminum.
  • ternary systems for forming the multilayer film are also conceivable.
  • the formation of the connecting film 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 respective connecting film can be adjusted depending on the material of the measurement object and/or the carrier layer of the strain gauge and/or the electronic module. The thinner the respective connecting film, the less energy is required to initiate or carry out the 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 strain gauge and the electronic module 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 facing surfaces of the strain gauge and the electronic module.
  • 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 electronic module and the strain gauge.
  • 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 strain gauge or the electronic module between the strain gauge and the electronic module in order to be welded or soldered in the subsequent third method step (300).
  • the first connecting film is preferably designed in such a way that, after activation in step (300), it creates an electrical connection between the strain gauge and the electronic module. This eliminates the need for additional, if necessary manual, wiring of the strain gauge to the electronic module, which must be done before step (600).
  • the cohesive connection and the electrical connection between the strain gauge and the electronic module are carried out in a single step, namely during step (300).
  • the second connecting film is placed between the strain gauge and the measurement object in a fourth method step (400).
  • the placement can be done in such a way that the connecting film lies in a sandwich configuration either directly on facing surfaces of the strain gauge and the measurement object.
  • the placement can be done such that the connecting foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers is, wherein the solder layers are applied to opposite surfaces of the electronic module and the strain gauge.
  • the placement can be carried out in such a way 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 to accommodate the strain gauge or the measurement object between the strain gauge and the measurement object in order to be welded or soldered in the third method step (300).
  • 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 applicable, the activation section are formed on the one hand between the strain gauge and the electronic module and on the other hand between the strain gauge and the measurement object.
  • the respective connecting film activated in step (300) or (500) connects the measurement object with the strain gauge or the strain gauge with the electronic module at least in a respective joining surface, preferably in the respective joining surface and possibly in the activation section, in a materially bonded manner. 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. one Positive pole, and one with a negative pole, i.e. a negative pole, with a potential difference between the poles.
  • the wires can be designed and handled separately. Alternatively, the two wires can be combined at their ends to form a type of connector in order to maintain or not fall below a defined distance between the wires.
  • the activation means can also be or include a voltage source, in particular a battery, or a heat needle.
  • the activation means can be designed to be connected to the voltage source to activate the connecting film.
  • the activation means and/or the voltage sources can be connected to the electronic module. If both activation steps (300) and (500) 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 agent, so that the first connecting film is heated in such a way that the strain gauge is connected to the electronic module 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 method step (300) is designed such that the material of the carrier layer of the strain gauge does not melt when the first connecting film is activated.
  • the electronic module can have a material that is melted or melted during activation of the first connecting film, so that the electronic module is welded directly to the strain gauge.
  • the strain gauge can be indirectly soldered to the electronic module by melting solder layers on the strain gauge and/or on the electronic module and/or on the first connecting film.
  • 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 strain gauge is bonded to the measurement object. After activating the second connecting film, there is a cohesive connection between the strain gauge and the measurement object. 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 measurement object can have a material that is melted or melted during activation of the second connecting film, so that the measurement object is welded directly to the strain gauge.
  • the strain gauge or the measurement object can be indirectly soldered to the measurement object by melting solder layers on the strain gauge and/or on the measurement object and/or on the second connecting film.
  • the continuous, metallic connection layer or bonding surface between the strain gauge and the electronic module or between the strain gauge and the measurement object resulting from the activation of the metallic materials of the respective connecting film has, in particular, high dimensional stability as well as high thermal conductivity and electrical conductivity due to the improved contacting. Furthermore, the manufacturing process or the bonding process is simplified, which enables particularly cost-effective production.
  • the method according to the invention is characterized by lower temperatures and stresses during connection. These lower stresses induce less prestress in the strain gauge and increase the performance and stability of the strain gauge. In addition, the low temperatures and low pressure enable a wide use of materials, such as polymers.
  • the bond created by the method according to the invention between strain gauges and electronic module or between strain gauges and measurement object does not age with time and temperatures.
  • the composite material 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 respective 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 strain gauge and the electronic module or between the strain gauge and the measurement object.
  • the respective connecting film can thus be shaped particularly precisely and efficiently to the desired dimensions before the respective connecting film is placed between the two surfaces.
  • the laser cutting therefore takes place before the first connecting film is placed between the strain gauge and the electronic module in step (200) or before the second connecting film is placed between the strain gauge and the measurement object 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 sensor arrangement on the measurement object can be at least partially automated, preferably fully automated.
  • steps (400) and (500) take place after step (300), with step (300) following step (200).
  • step (400) can occur before step (200).
  • the strain gauge can be connected to the measurement object before the strain gauge is materially connected to the electronic module.
  • the respective connecting film can therefore be placed between the two components to be connected in any order.
  • steps (400) and (500) take place before step (200) and correspondingly also step (300). 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 measurement object and/or the strain gauge and/or the electronic module.
  • the strain gauge in particular the carrier layer of the strain gauge, and/or the first connecting film has a metallized first solder layer, which is arranged in step (200) between the strain gauge and the first connecting film.
  • the first solder layer is to be understood as the first coating of the strain gauge and/or the first connecting film, which can be divided into several individual layers.
  • the first connecting film and/or the electronic module has a metallized second solder layer, which is arranged in step (200) between the electronic module and the first connecting film.
  • the second solder layer is to be understood as a second coating of the electronic module and/or the first connecting film, which can also be divided into several individual layers.
  • the first or second solder layer is applied in particular before the first connecting film is placed between the strain gauge and the electronic module in the second method step (200). By then activating the The first connecting film generates sufficient heat to melt the first or second solder layer and solder the strain gauge to the electronic module. In this sense, according to one embodiment it is provided that
  • the first solder layer is applied to the strain gauge, in particular the carrier layer of the strain gauge, and/or the first connecting film,
  • the second soldering layer is applied to the electronic module and/or the first connecting film
  • step (200) the first connecting film with the solder layers is placed in step (200) between the strain gauge and the electronic module, and
  • the metallic materials of the first connecting film are activated in step (300), so that the first connecting film is heated in such a way that the first solder layer and the second solder layer melt and the strain gauge, in particular the carrier layer of the strain gauge, through the melted first solder layer and the melted second solder layer is soldered to the electronic module in order to create the cohesive connection.
  • the metallization of the strain gauge and/or the electronic module and/or the first connecting film i.e. the application of the first or second solder layer to the strain gauge, the electronic module and/or the connecting film, is important in order to enable the nanobond process.
  • the measurement object and/or the second connection foil has a metallized third solder layer, which is arranged in step (400) between the measurement object and the second connection foil.
  • the third soldering layer is to be understood as the third coating of the measurement object and/or the second connecting film, which can be divided into several individual layers.
  • the second connecting film and/or the strain gauge in particular the carrier layer of the strain gauge, has a metallized fourth solder layer, which is arranged in step (400) between the strain gauge and the second connecting film.
  • the fourth solder layer is to be understood as the fourth coating of the strain gauge 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 measurement object 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 measurement object to the strain gauge. In this sense, according to one embodiment it is provided that
  • the third soldering layer is applied to the measurement object and/or the second connecting foil
  • the fourth solder layer is applied to the strain gauge, in particular the carrier layer of the strain gauge, and/or the second connecting film,
  • step (400) the second connecting film with the solder layers is placed in step (400) between the measurement object and the strain gauge, 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 measurement object passes through the melted third soldering layer and the melted fourth soldering layer with the strain gauge, in particular the carrier layer of the strain gauge, is soldered to create the cohesive connection.
  • the respective soldering layer is a metallized layer that enables an effective, cohesive connection between the strain gauge and the electronic module or between the strain gauge and the measurement object.
  • soldering 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 (measured object, connecting foil, strain gauges and 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 material of the connecting foil, the measurement object, the strain gauge and the electronic module.
  • 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 strain gauge and/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.
  • a deformation of the soldering layers and the respective connecting foil during activation and connection in step (300) or step is preferred by means of a fixing pad, which at least indirectly exerts pressure on the measurement object and/or the strain gauge and/or the electronic module (500) counteracted.
  • the pressure is so low that it does not lead to any tensions within the strain gauge and/or the electronic module and/or the measurement object, which would affect the strength of the connection between the strain gauge and the measurement object or between the strain gauge and the electronic module or the measurement accuracy could.
  • “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 strain gauge and/or the electronic module and/or the measurement object.
  • the fixing pad can also be arranged directly on the strain gauge and/or the electronic module and/or the measurement object.
  • an arrangement of a sensor arrangement 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.
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of an arrangement according to the invention of a sensor arrangement arranged 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 is an exploded view of layers and tools for connecting a strain gauge of the sensor arrangement to one Electronic module of the sensor arrangement by means of a first connecting film and the sensor component of the sensor arrangement resulting from the connection,
  • FIGS. 1 to 4 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
  • FIGS. 1 to 5 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 measurement object 2.
  • the sensor arrangement 5 comprises a strain gauge 1 and an electronic module 19 electrically connected thereto.
  • the strain gauge 1 is by means of a in Fig. 3 in conjunction with Fig. 5 shown Method connected to the electronic module 19 via a first connecting film 10a.
  • the strain gauge 1 is cohesively connected to the measurement object 2 via a second connecting film 10b 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 1 a facing the measurement object 2 and a meandering measuring grid 1 b arranged thereon.
  • the measuring grid 1 b is connected to the electronic module 19 designed as a preamplifier module via the first connecting film 10a. This is explained in more detail below.
  • a cabling 20 is led out of the housing 18 and connects the electronic module 19 with an evaluation unit - not shown here - and/or a voltage source, such as that in Fig. 3 or Fig. 4 shown battery 15, connects.
  • a voltage source such as that in Fig. 3 or Fig. 4 shown battery 15 connects.
  • the strain gauge 1 in particular its carrier layer 1a, has a metallized first solder layer 13 facing the first connecting film 10a on a first surface 4a and the electronic module 19 has on a surface 17 a metallized second solder layer 14 facing the first connecting foil 10a.
  • solder layers 13, 14 can also be applied to the first connecting film 10a.
  • 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, cohesive connection of the strain gauge 1 with the electronic module 19 is realized and by means of the second connecting film 10b, a firm, cohesive connection of the strain gauge 1 with the measurement object 2 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 the measurement object 2, strain gauges 1 and the electronic module 19.
  • 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.
  • Left dane- Bene a bidirectional force arrow F is shown, 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • the first connecting film 10a touches on one side a first soldering layer 13 on the strain gauge 1, here on the carrier layer 1a of the strain gauge 1, and on the other side a second soldering layer 14 on the electronic module 19.
  • the aluminum layers 11 and the Nickel layers 12 of the first connecting foil 10a are arranged alternately next to one another, as shown in FIG.
  • 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.
  • step 300 is followed by step 300, after which the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the first connecting foil 10a 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 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 electronic module 19 is connected to the strain gauge 1 through the melted soldering layers 13, 14 , i.e. the carrier layer 1a of the strain gauge 1, is soldered.
  • the advantage of this design is, among other things, that due to the materials of the first connecting film 10a, an electrical connection can be established between the measuring grid 1b of the strain gauge 1 and the electronic module 19 after activating the first connecting film 10a.
  • the electrical connection between the measuring grid 1b of the strain gauge 1 and the electronic module 19 is realized by the joining surface 7a remaining after activation. Additional cabling or an additional connection of the strain gauge 1 to the electronic module 19 is therefore no longer required.
  • step 400 the second connecting film 10b is placed between the strain gauge 1, here the carrier layer 1a of the strain gauge 1, and the measurement object 2.
  • the second connecting film 10b touches on one side a third soldering layer 21 on the measurement object 2 and on the other side a fourth soldering layer 22 on the strain gauge 1, here 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, the gold layer being arranged facing the second connecting foil 10b.
  • Step 400 is followed by step 500, after which the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the second connecting foil 10b are activated by means of the battery 15 shown by way of example in FIG. 4.
  • the same battery according to FIG. 3 or another voltage source can be used to activate the second connection 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 measurement object 2 is connected to the strain gauge 1 through the melted soldering layers 21, 22 , i.e. the carrier layer 1a of the strain gauge 1, is soldered.
  • the strain gauge 1 and the electronics module 19 are encapsulated in a step 600 after step 500, the strain gauge 1 and the electronics module 19 being completely surrounded on the one hand by a measurement object 2 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 and protects the strain gauge 1 and the electronic module 19 from external influences.
  • the respective soldering layer 13, 14, 21, 22 can further comprise copper, silver, silicon nitride SisN4, silicon dioxide SiC>2, titanium tungsten TiW, palladium or the like.
  • the soldering layers 13, 14, 21, 22 can be identical, that is, made of the same material.
  • 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 correspond to one seen joining surface 7a, 7b between the strain gauge 1 and the electronic module 19 or between the strain gauge 1 and the measurement object 2 and a respective activation section 8a, 8b.
  • the first activation section 8a according to FIG. 3 is not covered by the electronic module 19 and the second activation section 8b is not covered by the strain gauge 1 according to FIG. 4.
  • the respective activation section 8a, 8b therefore protrudes, as can be clearly seen in the left part of FIGS. 3 and 4, from the stack formed by the sensor arrangement 5, the measurement object 2 and the soldering layers 21 - 26 when all layers lie next to each other.
  • a cohesive connection is realized between the strain gauge 1 and the measurement object 2 and between the strain gauge 1 and the electronic module 19.
  • the surfaces 4a, 4b of the carrier layer 1a and/or the measurement object surface 6 and/or the surface 20 of the electronic module 19 can or can have such a surface structure that melted material of the aluminum layers 11 and/or the nickel layers 12 can be inserted into the spaces between the respective ones Penetrate the surface and, after solidification, can cause a positive connection between the two components to be cohesively connected.
  • 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 23 is provided, which has a pressure p on 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, 21, 22 and the respective connecting foil 10a, 10b during activation and connection in step 300 or 500. 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.
  • the third soldering layer 21 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.
  • the interconnected steps 400 and 500 can occur after the interconnected steps 200 and .

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Abstract

The invention relates to a method for connecting a sensor assembly to a measurement object, the method comprising the following steps: (100) providing •- a measurement object, •- a sensor assembly, comprising a strain gauge, which is designed at least to sense stretching and compressing deformations of a measurement object, and also an electronics module, •- two connecting foils, which each contain metallic materials that react exothermically when activated, (200) placing the first connecting foil between the strain gauge and the electronics module, (300) activating the metallic materials of the first connecting foil so as to produce a material-bonding connection between the strain gauge and the electronics module, wherein, after the metallic materials of the first connecting foil have been activated, there is an electronic connection between the strain gauge and the electronics module, (400), placing the second connecting foil between the strain gauge and the measurement object, and (500) activating the metallic materials of the second connecting foil so as to produce a material-bonding connection between the strain gauge and the measurement object. The invention also relates to an arrangement of a sensor assembly on a measurement object, wherein the sensor assembly has been connected to the measurement object by the method according to the invention.

Description

Verbindung einer Sensoranordnunq mit einem Messobjekt Connection of a sensor arrangement 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, particularly 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 Sensoranordnung (20) mit einem Messobjekt umfasst die Schritte (100) Bereitstellen A method according to the invention for connecting a sensor arrangement (20) to a measurement object comprises the following 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 Elektronikmodul, - a sensor arrangement, comprising a strain gauge, which is at least set up to detect expanding and compressing deformations of a measurement object, and an electronic module,
- einer ersten Verbindungsfolie und einer zweiten Verbindungsfolie, die jeweils metallische Materialien enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren,- a first connecting film and a second connecting film, each containing metallic materials that react exothermically when activated,
(200) Platzieren der ersten Verbindungsfolie zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul, (200) placing the first connecting film between the strain gauge and the electronic module,
(300) Aktivieren der metallischen Materialien der ersten Verbindungsfolie, sodass sich die erste Verbindungsfolie derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird, wobei nach dem Aktivieren der metallischen Materialien der ersten Verbindungsfolie eine elektronische Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul vorliegt, (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 strain gauge and the electronic module, wherein after activating the metallic materials of the first connecting film, an electronic connection between the strain gauge and the electronic module is present,
(400) Platzieren der zweiten Verbindungsfolie zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt, und (400) Placing the second connecting film between the strain gauge and the measurement object, and
(500) Aktivieren der metallischen Materialien der zweiten Verbindungsfolie, sodass sich die zweite Verbindungsfolie derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt 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 and the measurement object.
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 den miteinander zu verbindenden Bauteilen 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 introducing such a film between the components to be connected to one another, the heat generated by the reaction in the film melts, for example, solder layers or other reactive layers, so that the connections are made in about one 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 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 wird auf dem Messobjekt angeordnet, wobei das Elektronikmodul auf dem Dehnungsmessstreifen angeordnet wird. Der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul werden anschließend in einem gemeinsamen Gehäuse eingekapselt. In this sense, according to a first aspect of the invention, a method for connecting a sensor arrangement 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 is arranged on the measurement object, with the electronic module being arranged on the strain gauge. The strain gauge and the electronic module are then encapsulated in a common housing.
Bevorzugt werden der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul im Gehäuse eingekapselt, wenn sowohl das Elektronikmodul stoffschlüssig mit dem Dehnungsmessstreifen sowie der Dehnungsmessstreifen stoffschlüssig mit dem Messobjekt verbunden worden sind. Mithin erfolgt die Kapselung in einem Schritt (600), der nach Schritt (300) sowie nach Schritt (500) erfolgt. Dadurch werden der Dehnungsmessstreifen und das Elektronikmodul von dem Messobjekt und dem Gehäuse räumlich umgeben. The strain gauge and the electronic module are preferably encapsulated in the housing if both the electronic module has been materially connected to the strain gauge and the strain gauge has been materially connected to the measurement object. The encapsulation therefore takes place in a step (600), which takes place after step (300) and after step (500). As a result, the strain gauge and the electronic module are spatially surrounded by the measurement object and the housing.
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 - gekap- seit. 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. Mithin ist die Sensoranordnung vor ungewollter Beschädigung geschützt. “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 - i.e. free of contact elements. since. 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. The sensor arrangement is therefore protected from unwanted damage.
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 dem Elektronikmodul zugeordnet, wobei das Elektronikmodul mittels der ersten Verbindungsfolie stoffschlüssig mit dem Dehnungsmessstreifen verbunden wird. Die zweite Verbindungsfolie ist dem Messobjekt zugeordnet, wobei das Messobjekt mittels der zweiten Verbindungsfolie stoffschlüssig mit dem Dehnungsmessstreifen 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 electronic module, with the electronic module being connected to the strain gauge in a materially bonded manner by means of the first connecting film. The second connecting film is assigned to the measurement object, with the measurement object being cohesively connected to the strain gauge 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. 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.
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 verse- hen, 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 hen 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 jeweiligen Verbindungsfolie in Abhängigkeit des Materials des Messobjekts und/oder der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens und/oder des Elektronikmoduls angepasst werden. Je dünner die jeweilige Verbindungsfolie, desto weniger Energie ist erforderlich, um das Aktivieren der Verbindungsfolie einzuleiten bzw. auszuführen. Die Gesamtenergie ist derart einzustellen, dass eine sichere Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt erfolgt. Die erste Verbindungsfolie wird in einem zweiten Verfahrensschritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul platziert. Das Platzieren kann derart erfolgen, dass die erste Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration entweder direkt an einander zugewandten Oberflächen des Dehnungsmessstreifens und des Elektronikmoduls 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 des Elektronikmoduls und des Dehnungsmessstreifens 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) den Dehnungsmessstreifen bzw. das Elektronikmodul aufnehmend zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul angeordnet werden, um im nachgelagerten dritten Verfahrensschritt (300) verschweißt oder verlötet zu werden. For example, a so-called NanoFoil® from Indium Corporation can be used as the connecting film. The NanoFoil® is a reactive multi-layer foil that is produced by vapor deposition of thousands of alternating nanoscale layers made of aluminum and nickel, for example. Other binary layer systems are also conceivable, such as titanium and aluminum, zirconium and silicon or paladium and aluminum. 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 respective connecting film can be adjusted depending on the material of the measurement object and/or the carrier layer of the strain gauge and/or the electronic module. The thinner the respective connecting film, the less energy is required to initiate or carry out the 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 strain gauge and the electronic module 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 facing surfaces of the strain gauge and the electronic module. 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 electronic module and the strain gauge. 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 strain gauge or the electronic module between the strain gauge and the electronic module in order to be welded or soldered in the subsequent third method step (300).
Die erste Verbindungsfolie ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie nach dem Aktivieren in Schritt (300) eine elektrische Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul realisiert. Auf eine zusätzliche, ggfs. manuelle, Verkabelung des Dehnungsmessstreifen mit dem Elektronikmodul, die vor Schritt (600) erfolgen muss, kann dadurch verzichtet werden. Die stoffschlüssige Verbindung sowie die elektrische Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul erfolgt entsprechend in einem einzigen Schritt, nämlich während des Schritts (300). The first connecting film is preferably designed in such a way that, after activation in step (300), it creates an electrical connection between the strain gauge and the electronic module. This eliminates the need for additional, if necessary manual, wiring of the strain gauge to the electronic module, which must be done before step (600). The cohesive connection and the electrical connection between the strain gauge and the electronic module are carried out in a single step, namely during step (300).
Die zweite Verbindungsfolie wird in einem vierten Verfahrensschritt (400) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt platziert. Das Platzieren kann derart erfolgen, dass die Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration entweder direkt an einander zugewandten Oberflächen des Dehnungsmessstreifens und des Messobjekts anliegt. Alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten auf gegenüberliegenden Oberflächen des Elektronikmoduls und des Dehnungsmessstreifens aufgetragen sind. Ferner alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die zweite Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfi- guration 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) den Dehnungsmessstreifen bzw. das Messobjekt aufnehmend zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt angeordnet werden, um im dritten Verfahrensschritt (300) verschweißt oder verlötet zu werden. The second connecting film is placed between the strain gauge and the measurement object in a fourth method step (400). The placement can be done in such a way that the connecting film lies in a sandwich configuration either directly on facing surfaces of the strain gauge and the measurement object. Alternatively, the placement can be done such that the connecting foil is arranged in a sandwich configuration between two solder layers is, wherein the solder layers are applied to opposite surfaces of the electronic module and the strain gauge. Furthermore, alternatively, the placement can be carried out in such a way 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 to accommodate the strain gauge or the measurement object between the strain gauge and the measurement object in order to be welded or soldered in the third method step (300).
Dementsprechend kann auf Klebeverbindungen zwischen den Bauteilen der Anordnung gänzlich verzichtet werden. Accordingly, adhesive connections between the components of the arrangement can be completely dispensed with.
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 dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul und andererseits zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt ausgebildet. Die jeweilige im Schritt (300) bzw. (500) aktivierte Verbindungsfolie verbindet das Messobjekt mit dem Dehnungsmessstreifen bzw. den Dehnungsmessstreifen mit 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 applicable, the activation section are formed on the one hand between the strain gauge and the electronic module and on the other hand between the strain gauge and the measurement object. The respective connecting film activated in step (300) or (500) connects the measurement object with the strain gauge or the strain gauge with the electronic module at least in a respective joining surface, preferably in the respective joining surface and possibly in the activation section, in a materially bonded manner. 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 (300) und (500) 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. one Positive pole, and one with a negative pole, i.e. a negative pole, with a potential difference between the poles. The wires can be designed and handled separately. Alternatively, the two wires can be combined at their ends to form a type of connector in order to maintain or not fall below a defined distance between the wires. The activation means can also be or include a voltage source, in particular a battery, or a heat needle. 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 (300) and (500) 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 der Dehnungsmessstreifen mit dem Elektronikmodul stoffschlüssig verbunden wird. Zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul 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. Der Verfahrensschritt (300) ist derart ausgelegt, dass das Material der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens beim Aktivieren der ersten Verbindungfolie nicht aufschmilzt. Jedoch kann das Elektronikmodul ein Material aufweisen, dass während dem Aktivieren der ersten Verbindungsfolie auf- oder angeschmolzen wird, sodass das Elektronikmodul direkt mit dem Dehnungsmessstreifen verschweißt wird. Alternativ kann der Dehnungsmessstreifen durch Aufschmelzen von Lötschichten am Dehnungsmessstreifen und/oder am Elektronikmodul und/oder an der ersten Verbindungsfolie indirekt mit dem Elektronikmodul verlötet werden. 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 der Dehnungsmessstreifen mit dem Messobjekt stoffschlüssig verbunden wird. Zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt 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 das Messobjekt ein Material aufweisen, dass während dem Aktivieren der zweiten Verbindungsfolie auf- oder angeschmolzen wird, sodass das Messobjekt direkt mit dem Dehnungsmessstreifen verschweißt wird. Alternativ kann der Dehnungsmessstreifen oder das Messobjekt durch Aufschmelzen von Lötschichten am Dehnungsmessstreifen und/oder am Messobjekt und/oder an der zweiten 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 agent, so that the first connecting film is heated in such a way that the strain gauge is connected to the electronic module in a materially bonded manner. After activating the first connecting film, there is a cohesive connection between the strain gauge and the electronic module. 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 method step (300) is designed such that the material of the carrier layer of the strain gauge does not melt when the first connecting film is activated. However, the electronic module can have a material that is melted or melted during activation of the first connecting film, so that the electronic module is welded directly to the strain gauge. Alternatively, the strain gauge can be indirectly soldered to the electronic module by melting solder layers on the strain gauge and/or on the electronic module and/or on the first connecting film. 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 strain gauge is bonded to the measurement object. After activating the second connecting film, there is a cohesive connection between the strain gauge and the measurement object. 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 measurement object can have a material that is melted or melted during activation of the second connecting film, so that the measurement object is welded directly to the strain gauge. Alternatively, the strain gauge or the measurement object can be indirectly soldered to the measurement object by melting solder layers on the strain gauge and/or on the measurement object and/or on the second connecting film.
Während des Bonding-Verfahrens müssen keine hohen Drücke und keine hohen Temperaturen auf die Sensoranordnung 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 dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul bzw. zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt weist aufgrund der verbesserten Kontaktierung insbesondere eine hohe Formstabilität sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit auf. Weiterhin vereinfacht sich der Herstellungsprozess bzw. der Bondprozess, was eine besonders kostengünstige Produktion ermöglicht. During the bonding process, no high pressures or high temperatures need to be exerted on the sensor arrangement and/or the measurement object. High electromagnetic fields can also be avoided. The continuous, metallic connection layer or bonding surface between the strain gauge and the electronic module or between the strain gauge and the measurement object resulting from the activation of the metallic materials of the respective connecting film has, in particular, high dimensional stability as well as high thermal conductivity and electrical conductivity due to the improved contacting. Furthermore, the manufacturing process or the bonding process is simplified, which enables particularly cost-effective production.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch geringere Temperaturen und Spannungen während des Verbindens aus. Diese geringeren Spannungen induzieren weniger Vorspannungen im Dehnungsmessstreifen und erhöhen die Leistung und die Stabilität des Dehnungsmessstreifens. Darüber hinaus ermöglichen die niedrigen Temperaturen und der niedrige Druck einen breiten Einsatz von Materialien, wie beispielsweise Polymere. Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Verbund zwischen Dehnungsmessstreifen und Elektronikmodul bzw. zwischen Dehnungsmessstreifen und Messobjekt altert nicht mit der Zeit und Temperaturen. The method according to the invention is characterized by lower temperatures and stresses during connection. These lower stresses induce less prestress in the strain gauge and increase the performance and stability of the strain gauge. In addition, the low temperatures and low pressure enable a wide use of materials, such as polymers. The bond created by the method according to the invention between strain gauges and electronic module or between strain gauges and measurement object does not age with time and temperatures.
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. 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 jeweiligen 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 respective 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 dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul bzw. zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt 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 dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul bzw. bevor die zweite Verbindungsfolie in dem Schritt (400) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt 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 strain gauge and the electronic module or between the strain gauge and the measurement object. The respective connecting film can thus be shaped particularly precisely and efficiently to the desired dimensions before the respective connecting film is placed between the two surfaces. The laser cutting therefore takes place before the first connecting film is placed between the strain gauge and the electronic module in step (200) or before the second connecting film is placed between the strain gauge and the measurement object 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 Sensoranordnung am Messobjekt zumindest teilautomatisiert, vorzugsweise vollautomatisiert werden. Vorzugsweise erfolgen die Schritte (400) und (500) nach Schritt (300), wobei sich Schritt (300) dem Schritt (200) anschließt. Alternativ kann Schritt (400) vor Schritt (200) erfolgen. Demnach kann der Dehnungsmessstreifen mit dem Messobjekt verbunden werden, bevor der Dehnungsmessstreifen mit dem Elektronikmodul stoffschlüssig verbunden wird. Mithin kann das Platzieren der jeweiligen Verbindungsfolie zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen in beliebiger Reihenfolge erfolgen. In diesem Sinn erfolgen die Schritte (400) und (500) vor Schritt (200) und entsprechend auch Schritt (300). Es soll hiermit verdeutlicht werden, dass die miteinander zusammenhängenden Schritte (200) und (300) bzw. (400) und (500) prinzipiell in beliebiger Reihenfolge erfolgen können. 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 sensor arrangement on the measurement object can be at least partially automated, preferably fully automated. Preferably, steps (400) and (500) take place after step (300), with step (300) following step (200). Alternatively, step (400) can occur before step (200). Accordingly, the strain gauge can be connected to the measurement object before the strain gauge is materially connected to the electronic module. The respective connecting film can therefore be placed between the two components to be connected in any order. In this sense, steps (400) and (500) take place before step (200) and correspondingly also step (300). 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 dem Messobjekt und/oder dem Dehnungsmessstreifen und/oder dem Elektronikmodul aufgetragen. According to a preferred embodiment, one or more solder layers are applied to the first and/or second connecting foil and/or the measurement object and/or the strain gauge and/or the electronic module.
Vorzugsweise weist der Dehnungsmessstreifen, insbesondere die Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, und/oder die erste Verbindungsfolie eine metallisierte erste Lötschicht auf, die im Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und der ersten Verbindungsfolie angeordnet ist. Die erste Lötschicht ist als erste Beschichtung des Dehnungsmessstreifens und/oder der ersten Verbindungsfolie zu verstehen, die in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann. Preferably, the strain gauge, in particular the carrier layer of the strain gauge, and/or the first connecting film has a metallized first solder layer, which is arranged in step (200) between the strain gauge and the first connecting film. The first solder layer is to be understood as the first coating of the strain gauge and/or the first connecting film, which can be divided into several individual layers.
Bevorzugt weist die erste Verbindungsfolie und/oder das Elektronikmodul eine metallisierte zweite Lötschicht auf, die im Schritt (200) zwischen dem Elektronikmodul und der ersten Verbindungsfolie angeordnet ist. Die zweite Lötschicht ist als zweite Beschichtung des Elektronikmoduls und/oder der ersten Verbindungsfolie zu verstehen, die ebenfalls in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann. Preferably, the first connecting film and/or the electronic module has a metallized second solder layer, which is arranged in step (200) between the electronic module and the first connecting film. The second solder layer is to be understood as a second coating of the electronic module 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 dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul platziert wird. Durch anschließendes Aktivieren der ersten Verbindungsfolie entsteht ausreichend Wärme, um die erste bzw. zweite Lötschicht aufzuschmelzen und den Dehnungsmessstreifen mit dem Elektronikmodul zu verlöten. In diesem Sinne ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass The first or second solder layer is applied in particular before the first connecting film is placed between the strain gauge and the electronic module in the second method step (200). By then activating the The first connecting film generates sufficient heat to melt the first or second solder layer and solder the strain gauge to the electronic module. In this sense, according to one embodiment it is provided that
- die erste Lötschicht auf dem Dehnungsmessstreifen, insbesondere der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, und/oder der ersten Verbindungsfolie aufgetragen wird, - the first solder layer is applied to the strain gauge, in particular the carrier layer of the strain gauge, and/or the first connecting film,
- die zweite Lötschicht auf dem Elektronikmodul und/oder der ersten Verbindungsfolie aufgetragen wird, - the second soldering layer is applied to the electronic module and/or the first connecting film,
- die erste Verbindungsfolie mit den Lötschichten in dem Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul platziert wird, und - the first connecting film with the solder layers is placed in step (200) between the strain gauge and the electronic module, and
- 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 den Dehnungsmessstreifen, insbesondere die Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht mit dem Elektronikmodul verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. Die Metallisierung des Dehnungsmessstreifens und/oder des Elektronikmoduls und/oder der ersten Verbindungsfolie, also das Aufbringen der ersten bzw. zweiten Lötschicht auf den Dehnungsmessstreifen, das Elektronikmodul und/oder die Verbindungsfolie ist wichtig, um den Nanobond-Prozess zu ermöglichen. - the metallic materials of the first connecting film are activated in step (300), so that the first connecting film is heated in such a way that the first solder layer and the second solder layer melt and the strain gauge, in particular the carrier layer of the strain gauge, through the melted first solder layer and the melted second solder layer is soldered to the electronic module in order to create the cohesive connection. The metallization of the strain gauge and/or the electronic module and/or the first connecting film, i.e. the application of the first or second solder layer to the strain gauge, the electronic module and/or the connecting film, is important in order to enable the nanobond process.
Vorzugsweise weist das Messobjekt und/oder die zweite Verbindungsfolie eine metallisierte dritte Lötschicht auf, die im Schritt (400) zwischen dem Messobjekt und der zweiten Verbindungsfolie angeordnet ist. Die dritte Lötschicht ist als dritte Beschichtung des Messobjekts und/oder der zweiten Verbindungsfolie zu verstehen, die in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann. Preferably, the measurement object and/or the second connection foil has a metallized third solder layer, which is arranged in step (400) between the measurement object and the second connection foil. The third soldering layer is to be understood as the third coating of the measurement object and/or the second connecting film, which can be divided into several individual layers.
Bevorzugt weist die zweite Verbindungsfolie und/oder der Dehnungsmessstreifen, insbesondere die Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, eine metallisierte vierte Lötschicht aufweist, die im Schritt (400) zwischen dem Dehnungsmessstreifen und der zweiten Verbindungsfolie angeordnet ist. Die vierte Lötschicht ist als vierte Beschichtung des Dehnungsmessstreifens und/oder der zweiten Verbindungsfolie zu verstehen, die ebenfalls in mehrere Einzelschichten unterteilt sein kann. Die dritte bzw. vierte Lötschicht wird insbesondere aufgetragen, bevor die zweite Verbindungsfolie in dem vierten Verfahrensschritt (400) zwischen dem Messobjekt 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 das Messobjekt mit dem Dehnungsmessstreifen zu verlöten. In diesem Sinne ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass Preferably, the second connecting film and/or the strain gauge, in particular the carrier layer of the strain gauge, has a metallized fourth solder layer, which is arranged in step (400) between the strain gauge and the second connecting film. The fourth solder layer is to be understood as the fourth coating of the strain gauge 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 measurement object 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 measurement object to the strain gauge. In this sense, according to one embodiment it is provided that
- die dritte Lötschicht auf dem Messobjekt und/oder der zweiten Verbindungsfolie aufgetragen wird, - the third soldering layer is applied to the measurement object and/or the second connecting foil,
- die vierte Lötschicht auf dem Dehnungsmessstreifen, insbesondere der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, und/oder der zweiten Verbindungsfolie aufgetragen wird, - the fourth solder layer is applied to the strain gauge, in particular the carrier layer of the strain gauge, and/or the second connecting film,
- die zweite Verbindungsfolie mit den Lötschichten in dem Schritt (400) zwischen dem Messobjekt und dem Dehnungsmessstreifen platziert wird, und - the second connecting film with the solder layers is placed in step (400) between the measurement object and the strain gauge, 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 das Messobjekt durch die aufgeschmolzene dritte Lötschicht und die aufgeschmolzene vierte Lötschicht mit dem Dehnungsmessstreifen, insbesondere der Trägerschicht des Dehnungsmessstreifens, 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 measurement object passes through the melted third soldering layer and the melted fourth soldering layer with the strain gauge, in particular the carrier layer of the strain gauge, is soldered to create the cohesive connection.
Die jeweilige Lötschicht ist eine metallisierte Schicht, die eine wirksame stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul bzw. zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt ermöglicht. The respective soldering layer is a metallized layer that enables an effective, cohesive connection between the strain gauge and the electronic module or between the strain gauge and the measurement object.
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. Die Lötschichten können als metallische Startschichten besonders vorteilhaft durch Plasmaverfahren, Sputterverfahren oder Aufdampfen auf der jeweiligen Oberfläche der zu verbindenden Teile (Messobjekt, Verbindungsfolie, Dehnungsmessstreifen und 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, des Messobjekts, des Dehnungsmessstreifens und des Elektronikmoduls angepasst. 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. The soldering 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 (measured object, connecting foil, strain gauges and 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 material of the connecting foil, the measurement object, the strain gauge and the electronic module.
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 dem Dehnungsmessstreifen und/oder dem Elektronikmodul zugewandt und somit der jeweiligen Verbindungsfolie abgewandt. 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 strain gauge and/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 das Messobjekt und/oder den Dehnungsmessstreifen und/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 des Dehnungsmessstreifens und/oder des Elektronikmoduls und/oder des Messobjekts führt, welche die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Messobjekt bzw. zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem Elektronikmodul oder die Messgenauigkeit beinträchtigen könnten. „Zumindest mittelbar“ heißt in diesem Zusammenhang, dass zwischen dem Fixierpad und dem Dehnungsmessstreifen und/oder dem Elektronikmodul und/oder dem Messobjekt weitere, insbesondere plattenförmige Bauteile, wie beispielsweise eine Wärmesenke, angeordnet sein können. Das Fixierpad kann auch direkt auf dem Dehnungsmessstreifen und/oder dem Elektronikmodul und/oder dem Messobjekt angeordnet sein. To prevent unpredictable deformation of the composite, a fixing pad can be placed on the layers with low pressure. In this sense, a deformation of the soldering layers and the respective connecting foil during activation and connection in step (300) or step is preferred by means of a fixing pad, which at least indirectly exerts pressure on the measurement object and/or the strain gauge and/or the electronic module (500) counteracted. The pressure is so low that it does not lead to any tensions within the strain gauge and/or the electronic module and/or the measurement object, which would affect the strength of the connection between the strain gauge and the measurement object or between the strain gauge and the electronic module or the measurement accuracy could. “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 strain gauge and/or the electronic module and/or the measurement object. The fixing pad can also be arranged directly on the strain gauge and/or the electronic module and/or the measurement object.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung einer Sensoranordnung an einem Messobjekt bereitgestellt, wobei die Sensoranordnung durch ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mit dem Messobjekt verbunden worden ist. According to a second aspect of the invention, an arrangement of a sensor arrangement 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.
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. 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 an einem Messobjekt angeordneten Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform, 1 shows a longitudinal sectional view of an arrangement according to the invention of a sensor arrangement arranged 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 einem Elektronikmodul der Sensoranordnung mittels einer ersten Verbindungsfolie sowie das durch das Verbinden entstehende Sensorbauteil der Sensoranordnung, Fig. 3 is an exploded view of layers and tools for connecting a strain gauge of the sensor arrangement to one Electronic module of the sensor arrangement by means of a first connecting film and the sensor component of the sensor arrangement resulting from the connection,
Fig. 4 eine Explosionsdarstellung von Schichten und Werkzeugen zur Verbindung des Dehnungsmessstreifens mit dem Messobjekt mittels einer zweiten Verbindungsfolie sowie die durch das Verbinden entstehende Anordnung, 4 shows an exploded view of layers and tools for connecting the strain gauge to the measurement object by means of a second connecting film and the arrangement 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 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
Fig. 6 eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der Verbindungsfolie für die Anordnung nach Fig. 1 bis Fig. 5. 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 an einem Messobjekt 2 angeordneten Sensoranordnung 5. Die Sensoranordnung 5 umfasst einen Dehnungsmessstreifen 1 und ein damit elektrisch verbundenes Elektronikmodul 19. Der Dehnungsmessstreifen 1 ist mittels eines in Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 5 gezeigten Verfahrens über eine erste Verbindungsfolie 10a stoffschlüssig mit dem Elektronikmodul 19 verbunden. Ferner ist der Dehnungsmessstreifen 1 mittels eines in Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 5 gezeigten Verfahrens über eine zweite Verbindungsfolie 10b 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 measurement object 2. The sensor arrangement 5 comprises a strain gauge 1 and an electronic module 19 electrically connected thereto. The strain gauge 1 is by means of a in Fig. 3 in conjunction with Fig. 5 shown Method connected to the electronic module 19 via a first connecting film 10a. Furthermore, the strain gauge 1 is cohesively connected to the measurement object 2 via a second connecting film 10b 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 dem Messobjekt 2 zugewandte Trägerschicht 1 a sowie ein darauf angeordnetes, mäanderförmiges Messgitter 1 b. Das Messgitter 1 b ist über die erste Verbindungsfolie 10a mit dem als Vorverstärkermodul ausgebildeten Elektronikmodul 19 verbunden. Dies wird weiter unten näher erläutert. Aus dem Gehäuse 18 ist eine Verkabelung 20 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 in Fig. 2 und Fig. 3 zu sehen ist, weist der Dehnungsmessstreifen 1 , insbesondere dessen Trägerschicht 1 a, an einer ersten Oberfläche 4a eine der ersten Verbindungsfolie 10a zugewandte, metallisierte erste Lötschicht 13 auf und das Elektronikmodul 19 weist an einer Oberfläche 17 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. The strain gauge 1 is shown in more detail in FIG. 2 and comprises a carrier layer 1 a facing the measurement object 2 and a meandering measuring grid 1 b arranged thereon. The measuring grid 1 b is connected to the electronic module 19 designed as a preamplifier module via the first connecting film 10a. This is explained in more detail below. A cabling 20 is led out of the housing 18 and connects the electronic module 19 with an evaluation unit - not shown here - and/or a voltage source, such as that in Fig. 3 or Fig. 4 shown battery 15, connects. As can be seen in Fig. 2 and Fig. 3, the strain gauge 1, in particular its carrier layer 1a, has a metallized first solder layer 13 facing the first connecting film 10a on a first surface 4a and the electronic module 19 has on a surface 17 a metallized second solder layer 14 facing the first connecting foil 10a. One or both of the solder layers 13, 14 can also be applied to the first connecting film 10a.
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, stoffschlüssige Verbindung des Dehnungsmessstreifens 1 mit dem Elektronikmodul 19 realisiert und mittels der zweiten Verbindungsfolie 10b wird eine feste, stoffschlüssige Verbindung des Dehnungsmessstreifens 1 mit dem Messobjekt 2 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 das Elektronikmodul 19. By means of the first connecting film 10a, a firm, cohesive connection of the strain gauge 1 with the electronic module 19 is realized and by means of the second connecting film 10b, a firm, cohesive connection of the strain gauge 1 with the measurement object 2 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 the measurement object 2, strain gauges 1 and the electronic module 19.
Zwei rechts außen in Fig. 1 dargestellte Kraftpfeile F verdeutlichen einen Austausch von Kräften durch Verformung, was die eigentliche Messgröße darstellt. Links dane- ben 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. 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. Left dane- Bene a bidirectional force arrow F is shown, 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 einem ersten Verfahrensschritt 100 werden das Messobjekt 2, die Sensoranordnung 5, umfassend den Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 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. In a first method step 100, the measurement object 2, the sensor arrangement 5, comprising the strain gauge 1 and the electronic module 19 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 5. Schritt 200 folgt demnach auf Schritt 100, wobei im Schritt 200 die erste Verbindungsfolie 10a zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Elektronikmodul 19 platziert wird. Dabei berührt die erste Verbindungsfolie 10a auf einer Seite eine erste Lötschicht 13 am Dehnungsmessstreifen 1 , hier an der Trägerschicht 1 a des Dehnungsmessstreifens 1 , und auf der anderen Seite eine zweite Lötschicht 14 am Elektronikmodul 19. Während des Verfahrensschritts 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 ersten Verbindungsfolie 10a zugewandt angeordnet ist. Auf den Schritt 200 folgt Schritt 300, wonach die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der ersten Verbindungsfolie 10a mittels der beispielhaft in Fig. 3 gezeigten Batterie 15 aktiviert werden. 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 das Elektronikmodul 19 durch die aufgeschmolzenen Lötschichten 13, 14 mit dem Dehnungsmessstreifen 1 , also der Trägerschicht 1 a des Dehnungsmessstreifens 1 , verlötet wird. Dabei entsteht, wie rechts in Fig. 3 angedeutet, eine stabile Bond- bzw. Fügefläche 7a zwischen dem Elektronikmodul 19 und dem Dehnungsmessstreifen 1. Damit wird ein Sensorbauteil erzeugt, mittels dessen in den nachfolgenden Schritten die Sensoranordnung 5 ausgebildet wird. Der Vorteil dieser Ausbildung besteht unter anderem darin, dass aufgrund der Materialien der ersten Verbindungsfolie 10a nach dem Aktivieren der ersten Verbindungsfolie 10a eine elektrische Verbindung zwischen dem Messgitter 1 b des Dehnungsmessstreifens 1 und dem Elektronikmodul 19 herstellbar ist. Anders gesagt wird die elektrische Verbindung zwischen dem Messgitter 1 b des Dehnungsmessstreifens 1 und dem Elektronikmodul 19 durch die nach dem Aktivieren verbleibende Fügefläche 7a realisiert. Eine zusätzliche Verkabelung bzw. ein zusätzlicher Anschluss des Dehnungsmessstreifens 1 an das Elektronikmodul 19 ist somit nicht mehr erforderlich. According to FIG. The first connecting film 10a touches on one side a first soldering layer 13 on the strain gauge 1, here on the carrier layer 1a of the strain gauge 1, and on the other side a second soldering layer 14 on the electronic module 19. During method step 200, the aluminum layers 11 and the Nickel layers 12 of the first connecting foil 10a are arranged alternately next to one another, as shown in FIG. 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. Step 200 is followed by step 300, after which the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the first connecting foil 10a 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 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 electronic module 19 is connected to the strain gauge 1 through the melted soldering layers 13, 14 , i.e. the carrier layer 1a of the strain gauge 1, is soldered. This creates, as indicated on the right in Fig. 3, a stable bonding or joining surface 7a between the electronic module 19 and the strain gauge 1. This creates a sensor component, by means of which the sensor arrangement 5 is formed in the following steps. The advantage of this design is, among other things, that due to the materials of the first connecting film 10a, an electrical connection can be established between the measuring grid 1b of the strain gauge 1 and the electronic module 19 after activating the first connecting film 10a. In other words, the electrical connection between the measuring grid 1b of the strain gauge 1 and the electronic module 19 is realized by the joining surface 7a remaining after activation. Additional cabling or an additional connection of the strain gauge 1 to the electronic module 19 is therefore no longer required.
Im Anschluss an die stoffschlüssige Verbindung des Dehnungsmessstreifens 1 mit dem Elektronikmodul 19, also nach Schritt 300, wird in Schritt 400 die zweite Verbindungsfolie 10b zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 , hier der Trägerschicht 1a des Dehnungsmessstreifens 1 , und dem Messobjekt 2 platziert. Dabei berührt die zweite Verbindungsfolie 10b auf einer Seite eine dritte Lötschicht 21 am Messobjekt 2 und auf der anderen Seite eine vierte Lötschicht 22 am Dehnungsmessstreifen 1 , hier an der Trägerschicht 1a 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. Following the cohesive connection of the strain gauge 1 with the electronic module 19, i.e. after step 300, in step 400 the second connecting film 10b is placed between the strain gauge 1, here the carrier layer 1a of the strain gauge 1, and the measurement object 2. The second connecting film 10b touches on one side a third soldering layer 21 on the measurement object 2 and on the other side a fourth soldering layer 22 on the strain gauge 1, here 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. Present Both layers 21, 22 also have a gold layer, the gold layer being arranged facing the second connecting foil 10b.
Auf den Schritt 400 folgt Schritt 500, wonach die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der zweiten Verbindungsfolie 10b mittels der beispielhaft in Fig. 4 gezeigten Batterie 15 aktiviert werden. Es kann die gleiche Batterie gemäß Fig. 3 oder eine andere Spannungsquelle verwendet 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 das Messobjekt 2 durch die aufgeschmolzenen Lötschichten 21 , 22 mit dem Dehnungsmessstreifen 1 , also der Trägerschicht 1 a des Dehnungsmessstreifens 1 , verlötet wird. Dabei entsteht, wie rechts in Fig. 4 angedeutet, eine stabile Bond- bzw. Fügefläche 7b zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2. Step 400 is followed by step 500, after which the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the second connecting foil 10b are activated by means of the battery 15 shown by way of example in FIG. 4. The same battery according to FIG. 3 or another voltage source can be used to activate the second connection 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 measurement object 2 is connected to the strain gauge 1 through the melted soldering layers 21, 22 , i.e. the carrier layer 1a of the strain gauge 1, is soldered. This creates, as indicated on the right in Fig. 4, a stable bonding or joining surface 7b between the strain gauge 1 and the measurement object 2.
Zur Ausbildung der Sensoranordnung 5 werden der Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 nach dem Schritt 500 in einem Schritt 600 gekapselt, wobei der Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 zum einen Messobjekt 2 sowie zum anderen von einer Vergussmasse oder einer Spritzgussmasse vollständig umgeben werden. Durch die Kapselung wird ein den Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 aufnehmendes Gehäuse 18 ausgebildet, der den Dehnungsmessstreifen 1 und das Elektronikmodul 19 vor äußeren Einwirkungen schützt. To form the sensor arrangement 5, the strain gauge 1 and the electronics module 19 are encapsulated in a step 600 after step 500, the strain gauge 1 and the electronics module 19 being completely surrounded on the one hand by a measurement object 2 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 and protects the strain gauge 1 and the electronic module 19 from external influences.
Die jeweilige Lötschicht 13, 14, 21 , 22 kann ferner Kupfer, Silber, Siliciumnitrid SisN4, Siliciumdioxid SiC>2, Titanwolfram TiW, Palladium oder dergleichen umfassen. Die Lötschichten 13, 14, 21 , 22 können identisch, das heißt aus demselben Material ausgebildet sein. The respective soldering layer 13, 14, 21, 22 can further comprise copper, silver, silicon nitride SisN4, silicon dioxide SiC>2, titanium tungsten TiW, palladium or the like. The soldering layers 13, 14, 21, 22 can be identical, that is, made of the same material.
Die Verbindungsfolien 10a, 10b sind durch Laserschneiden derart bearbeitet, dass die jeweilige Verbindungsfolie 10a, 10b eine Form und Maße annimmt, die eine vor gesehene Fügefläche 7a, 7b zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Elektronikmodul 19 bzw. zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2 sowie einen jeweiligen Aktivierungsabschnitt 8a, 8b bildet. 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 correspond to one seen joining surface 7a, 7b between the strain gauge 1 and the electronic module 19 or between the strain gauge 1 and the measurement object 2 and a respective activation section 8a, 8b.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Aktivierungsabschnitt 8a nach Fig. 3 nicht von dem Elektronikmodul 19 verdeckt und der zweite Aktivierungsabschnitt 8b ist gemäß Fig. 4 nicht von dem Dehnungsmessstreifen 1 verdeckt. Mithin ragt der jeweilige Aktivierungsabschnitt 8a, 8b, wie im linken Teil von Fig. 3 bzw. Fig. 4 deutlich zu sehen ist, aus dem durch die Sensoranordnung 5, das Messobjekt 2 sowie die Lötschichten 21 - 26 gebildeten Stapel heraus, wenn alle Schichten aneinander liegen. In the exemplary embodiment shown, the first activation section 8a according to FIG. 3 is not covered by the electronic module 19 and the second activation section 8b is not covered by the strain gauge 1 according to FIG. 4. The respective activation section 8a, 8b therefore protrudes, as can be clearly seen in the left part of FIGS. 3 and 4, from the stack formed by the sensor arrangement 5, the measurement object 2 and the soldering layers 21 - 26 when all layers lie next to each other.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Messobjekt 2 sowie zwischen dem Dehnungsmessstreifen 1 und dem Elektronikmodul 19 realisiert. Die Oberflächen 4a, 4b der Trägerschicht 1a und/oder die Messobjekt-Oberfläche 6 und/oder die Oberfläche 20 des Elektronikmoduls 19 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 is realized between the strain gauge 1 and the measurement object 2 and between the strain gauge 1 and the electronic module 19. The surfaces 4a, 4b of the carrier layer 1a and/or the measurement object surface 6 and/or the surface 20 of the electronic module 19 can or can have such a surface structure that melted material of the aluminum layers 11 and/or the nickel layers 12 can be inserted into the spaces between the respective ones Penetrate the surface and, after solidification, can cause a positive connection between the two components to be cohesively connected. 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 dem Elektronikmodul 19 gemäß den Schritten 200 und 300 als auch bei der Verbindung des Dehnungsmessstreifens 1 mit dem Messobjekt 2 gemäß den Schritten 400 und 500 ist ein Fixierpad 9 mit einer nachgiebigen Schicht 23 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, 21 , 22 und der jeweiligen Verbindungsfolie 10a, 10b während des Aktivierens und Verbindens in Schritt 300 bzw. 500 entgegenzuwirken. 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 dritte Lötschicht 21 am Messobjekt 2 verzichtet werden, wenn das Messobjekt 2 aus einem lötbaren Material besteht oder eine bereits metallisierte Oberfläche aufweist. Ferner können die miteinander verbundenen Schritte 400 und 500 nach den miteinander verbundenen Schritten 200 und erfolgen. Both when connecting the strain gauge 1 to the electronic module 19 according to steps 200 and 300 and when connecting the strain gauge 1 to the measurement object 2 according to steps 400 and 500, a fixing pad 9 with a resilient layer 23 is provided, which has a pressure p on 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, 21, 22 and the respective connecting foil 10a, 10b during activation and connection in step 300 or 500. 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 third soldering layer 21 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, the interconnected steps 400 and 500 can occur after the interconnected steps 200 and .
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 Oberfläche des Dehnungsmessstreifens4a First surface of the strain gauge
4b Zweite Oberfläche des Dehnungsmessstreifens4b Second surface of the strain gauge
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 Oberfläche des Elektronikmoduls 17 Surface of the electronic module
18 Gehäuse 18 housings
19 Elektronikmodul 19 electronic module
20 Verkabelung 20 Wiring
21 Dritte Lötschicht 21 Third solder layer
22 Vierte Lötschicht 22 Fourth layer of solder
23 Nachgiebige Schicht 23 Compliant layer
100 Erster Verfahrensschritt Zweiter Verfahrensschritt100 First procedural step Second 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 Sensoranordnung (20) mit einem Messobjekt (2), das Verfahren umfassend die Schritte 1. Method for connecting a sensor arrangement (20) to a measurement object (2), the method comprising the steps
(100) Bereitstellen (100) Provide
- eines Messobjekts (2), - a measurement object (2),
- einer Sensoranordnung (20), umfassend einen Dehnungsmessstreifen (1 ), der zumindest dazu eingerichtet ist, dehnende und stauchende Verformungen eines Messobjekts (2) zu erfassen, sowie ein Elektronikmodul (19), - a sensor arrangement (20), comprising a strain gauge (1), which is at least designed to detect stretching and compressing deformations of a measurement object (2), and an electronic module (19),
- einer ersten Verbindungsfolie (10a) und einer zweiten Verbindungsfolie (10b), die jeweils metallische Materialien (11 , 12) enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren, - a first connecting film (10a) and a second connecting film (10b), each containing metallic materials (11, 12) which react exothermically when activated,
(200) Platzieren der ersten Verbindungsfolie (10a) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und dem Elektronikmodul (19), (200) placing the first connecting film (10a) between the strain gauge (1) and the electronic module (19),
(300) Aktivieren der metallischen Materialien (11 , 12) der ersten Verbindungsfolie (10a), sodass sich die erste Verbindungsfolie (10a) derart erhitzt, dass zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und dem Elektronikmodul (19) eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird, wobei nach dem Aktivieren der metallischen Materialien (11 , 12) der ersten Verbindungsfolie (10a) eine elektronische Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und dem Elektronikmodul (19) vorliegt,(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 strain gauge (1) and the electronic module (19), whereby after activating the metallic materials (11, 12) of the first connecting film (10a), there is an electronic connection between the strain gauge (1) and the electronic module (19),
(400) Platzieren der zweiten Verbindungsfolie (10b) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und dem Messobjekt (2), und (400) placing the second connecting film (10b) between the strain gauge (1) and the measurement object (2), 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 ) und dem Messobjekt (2) 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 a cohesive connection is created between the strain gauge (1) and the measurement object (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Dehnungsmessstreifen (1 ) und das Elektronikmodul (19) in einem Schritt (600) in einem gemeinsamen Gehäuse (18) eingekapselt werden. 2. The method according to claim 1, wherein the strain gauge (1) and the electronic module (19) are encapsulated in a common housing (18) in one step (600).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Schritte (400) und (500) nach Schritt (300) erfolgen, der sich Schritt (200) anschließt. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, wherein steps (400) and (500) take place after step (300), which follows step (200).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Schritte (400) und (500) vor Schritt (200) erfolgen. 4. The method according to any one of claims 1 or 2, wherein steps (400) and (500) take place before step (200).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dehnungsmessstreifen (1 ) eine dem Messobjekt (2) zugewandte Trägerschicht (1 a) sowie ein Messgitter (1 b) umfasst. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the strain gauge (1) comprises a carrier layer (1 a) facing the measurement object (2) and a measuring grid (1 b).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dehnungsmessstreifen (1 ) und/oder die erste Verbindungsfolie (10a) eine metallisierte erste Lötschicht (13) aufweist, die im Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und der ersten Verbindungsfolie (10a) angeordnet ist. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the strain gauge (1) and / or the first connecting film (10a) has a metallized first solder layer (13), which in step (200) between the strain gauge (1) and the first connecting film ( 10a) is arranged.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Verbindungsfolie (10a) und/oder das Elektronikmodul (19) eine metallisierte zweite Lötschicht (14) aufweist, die im Schritt (200) zwischen dem Elektronikmodul (19) und der ersten Verbindungsfolie (10a) angeordnet ist. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first connecting film (10a) and / or the electronic module (19) has a metallized second soldering layer (14) which in step (200) between the electronic module (19) and the first connecting film ( 10a) is arranged.
8. Verfahren nach Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 7, wobei 8. The method according to claim 6 in conjunction with claim 7, wherein
- die erste Lötschicht (13) auf dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und/oder der ersten Verbindungsfolie (10a) aufgetragen wird, - the first soldering layer (13) is applied to the strain gauge (1) and/or the first connecting film (10a),
- die zweite Lötschicht (14) auf dem Elektronikmodul (19) und/oder der ersten Verbindungsfolie (10a) aufgetragen wird, - the second soldering layer (14) is applied to the electronic module (19) and/or the first connecting film (10a),
- die erste Verbindungsfolie (10a) mit den Lötschichten (13, 14) in dem Schritt (200) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und dem Elektronikmodul (19) platziert wird, und - the first connecting film (10a) with the solder layers (13, 14) is placed in step (200) between the strain gauge (1) and the electronic module (19), and
- die metallischen Materialien (11 , 12) der ersten Verbindungsfolie (10a) 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 den Dehnungsmessstreifen (1 ) durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht (13) und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht (14) mit dem Elektronikmodul (19) verlötet wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. - 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 strain gauge (1) is soldered to the electronic module (19) through the melted first solder layer (13) and the melted second solder layer (14) in order to create the cohesive connection.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messobjekt (2) und/oder die zweite Verbindungsfolie (10b) eine metallisierte dritte Lötschicht (21 ) aufweist, die im Schritt (400) zwischen dem Messobjekt (2) und der zweiten Verbindungsfolie (10b) angeordnet ist. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the measurement object (2) and / or the second connecting foil (10b) has a metallized third solder layer (21) which in step (400) between the measurement object (2) and the second connecting foil ( 10b) is arranged.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Verbindungsfolie (10b) und/oder der Dehnungsmessstreifen (1 ) eine metallisierte vierte Lötschicht (22) aufweist, die im Schritt (400) zwischen dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und der zweiten Verbindungsfolie (10b) angeordnet ist. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the second connecting film (10b) and / or the strain gauge (1) has a metallized fourth solder layer (22) which in step (400) between the strain gauge (1) and the second connecting film ( 10b) is arranged.
11 . Verfahren nach Anspruch 9 in Verbindung mit Anspruch 10, wobei 11. A method according to claim 9 in conjunction with claim 10, wherein
- die dritte Lötschicht (21 ) auf dem Messobjekt (2) und/oder der zweiten Verbindungsfolie (10b) aufgetragen wird, - the third soldering layer (21) is applied to the measurement object (2) and/or the second connecting film (10b),
- die vierte Lötschicht (22) auf dem Dehnungsmessstreifen (1 ) und/oder der zweiten Verbindungsfolie (10b) aufgetragen wird, - the fourth soldering layer (22) is applied to the strain gauge (1) and/or the second connecting film (10b),
- die zweite Verbindungsfolie (10b) mit den Lötschichten (21 , 22) in dem Schritt (400) zwischen dem Messobjekt (2) und dem Dehnungsmessstreifen (1 ) platziert wird, und- the second connecting film (10b) with the soldering layers (21, 22) is placed in step (400) between the measurement object (2) and the strain gauge (1), 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 das Messobjekt (2) durch die aufgeschmolzene dritte Lötschicht (21 ) und die aufgeschmolzene vierte Lötschicht (22) mit dem Dehnungsmessstreifen (1 ) 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 measurement object (2) is soldered to the strain gauge (1) through the molten third solder layer (21) and the molten fourth solder layer (22) in order to create the cohesive connection.
12. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 11 , wobei mittels eines Fixierpads (9), das zumindest mittelbar auf die Sensoranordnung (20) 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. 12. The method according to claim 8 or claim 11, wherein by means of a fixing pad (9), which at least indirectly exerts a pressure (p) on the sensor arrangement (20) 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).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die jeweilige Lötschicht (13,13. The method according to any one of claims 6 to 12, wherein the respective solder layer (13,
14, 21 , 22) aus einem Nickel umfassenden Material ausgebildet ist. 14, 21, 22) is made of a material comprising nickel.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die jeweilige Lötschicht (13, 14, 21 , 22) eine Nickelschicht sowie eine Goldschicht umfasst. 14. The method according to any one of claims 6 to 13, wherein the respective soldering layer (13, 14, 21, 22) comprises a nickel layer and a gold layer.
15. Anordnung einer Sensoranordnung (20) an einem Messobjekt (2), wobei die Sensoranordnung (20) durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Messobjekt (2) verbunden worden ist. 15. Arrangement of a sensor arrangement (20) on a measurement object (2), the sensor arrangement (20) being connected to the measurement object (2) by a method according to one of the preceding claims.
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