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