具有至少两个彼此连接的陶瓷体的组件、尤其是压力测量元件,以及利用活性硬焊料连接 ...的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有至少两个彼此连接的陶瓷体的组件、尤其是压力测量元件，以及涉及利用活性硬焊料或钎料连接陶瓷体的方法。
【背景技术】
[0002]由于本发明对压力测量元件的特殊相关性，所以将会基于作为本发明应用的实例的压力测量元件对本发明进行说明。
[0003]根据现有技术的压力测量元件使陶瓷测量膜和陶瓷平台结合，其中测量膜与平台沿含有活性硬焊料或钎料的周边接合部紧压连接，其中在测量膜与平台间形成压力室，其中压力膜的平衡位置由压力室中存在的压力与作用于测量膜的外表面上的压力之间的差所造成，因此其表面背离压力室。
[0004]作为用于平台和测量膜材料的尤其是氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷由于其弹性性能和其耐介质性而适合于压力测量元件的制造。尤其用活性硬焊料或钎料对提到的陶瓷部件进行连接，所述活性硬焊料或钎料优选为含有Zr、Ni和Ti的活性硬焊料或钎料。例如在欧洲未决公开EP 0490807A2中公开了这种活性硬焊料或钎料的制造。根据其中所述的方法，可以制造尤其是活性钎焊材料的环，将其置于测量膜与平台之间从而将测量膜与平台彼此焊接或钎焊。
[0005]为了对部件进行连接，例如在中间存在预成形焊料(solder preform)的情况下，在高度真空中将陶瓷体加热至使活性硬焊料或钎料熔化的温度，使得在活性硬焊料或钎料与陶瓷体间开始反应。通过冷却，活性硬焊料或钎料凝固，在活性硬焊料或钎料与陶瓷体间的反应停止。然而，在冷却期间，一方面陶瓷体材料的热膨胀系数与另一方面活性硬焊料或钎料的热膨胀系数不同可以导致陶瓷部件与接合部间相当大的应力，因为在焊料凝固后仍然存在几百K的冷却。
[0006]然而，在选择具有适合于陶瓷材料的热膨胀系数的活性硬焊料或钎料时，必须注意，适合的活性硬焊料或钎料不具有太高的熔点，否则就不适合于连接陶瓷部件，例如，因为设置在陶瓷体上的电极不能耐受这种温度。
【发明内容】
[0007]因此，本发明的一个目的为提供一种组件和压力测量元件，以及其制造方法，由此克服现有技术的上述缺点。
[0008]根据本发明，通过如在独立权利要求1中限定的组件、如在独立权利要求10中限定的压力测量元件和如在独立权利要求11中限定的方法实现所述目的。
[0009]本发明的组件包含第一陶瓷体和第二陶瓷体，其中第一陶瓷体和第二陶瓷体利用接合部连接，其中接合部含有活性硬焊料或钎料，其中在连续的芯体积(core volume)上均分的活性硬焊料或钎料具有液相线温度为T1(Ck)的平均组成Ck，所述芯体积与第一陶瓷体和第二陶瓷体隔开，在各自情况下隔开至少I μ m，尤其至少2 μπι，
[0010]其中组成&具有热膨胀系数a (CK)，其中a (Ck) = m.α (K)，其中m彡1.5，尤其 1.3和优选111< 1.2，其中α (K)为陶瓷材料或者是第一和第二陶瓷体的陶瓷材料的平均热膨胀系数，
[0011]其中接合部具有分别与第一陶瓷体和第二陶瓷体邻接的第一边界层和第二边界层，
[0012]其中根据本发明，位于芯体积外部的至少一个边界层具有液相线温度为T1(Ce)的平均组成Ce，所述液相温度T1 (Ce)位于芯体积的平均组成Ck的液相线温度T JCk)之下不小于50Κ，尤其不小于100Κ，优选不小于200Κ处。
[0013]在本发明进一步的发展中，所述至少一个边界层的厚度不大于3 μπι，尤其不大于2 μ m且优选不大于I μ m。
[0014]在本发明进一步的发展中，至少40%，优选至少60%且优选至少70%的接合部体积具有组成Ck。
[0015]在本发明进一步的发展中，组成0；具有液相线温度T I (Cg)，所述液相线温度T1 (Cg)位于在组成空间中具有组成C6的共晶点或者是与共晶谷最近的交叉点的液相线温度T1(Ce)之上不大于300K，尤其不大于150K，且优选不大于50K处，其中Ce: = (cel，…，ceN)，其中|C」=1，且其中Cei为在共晶点处或者是与共晶谷最近的交叉点处的成分Ki, i =1，...，Ν，的化学计量分数，其中Ce: = (cei，…，ceN)，其中|Ce| = 1，且其中cei为在边界层中活性硬焊料或钎料的平均组成的成分Ki, i = I,…，N，的化学计量分数。
[0016]在本发明进一步的发展中:
[0017]Ce= (?……，?。，其中|Cj = 1，其中Cei为在共晶点处或者是与共晶谷最近的交叉点处的成分Ki，其中i = 1，…，N，的化学计量分数；
[0018]CK: = (cK1，...，％)，其中|CK| = 1，且其中cKi为在芯体积中活性硬焊料或钎料的平均组成的成分Ki，其中i = I,…，N，的化学计量分数；以及
[0019]CG: = (cei，…，ceN)，其中|Ce| = 1，其中(^为在边界层中活性硬焊料或钎料的平均组成的成分Ki, i = l,…，N，的化学计量分数。
[0020]其中组成Ce与组成C e间的差用单位向量(normalized vector)差Dee进行描述。
[0021]其中Ce= CG+aeGXDe(；，且 |DeG| = 1，
[0022]其中组成Ck与组成C e间的差用单位向量差D Ke进行描述。
[0023]其中Ck= C G+aKG ^ Dkg, JeL Dkg = 1，
[0024]其中aeC和a KC为正标量，
[0025]其中对于标积seK: = Dec.Dkg:
[0026]seK<0，尤其 seK〈-0.5，优选 seK〈-0.8。
[0027]在本发明进一步的发展中，第一陶瓷体⑴和/或第二陶瓷体(2)包含A1A。
[0028]在本发明进一步的发展中，活性硬焊料或钎料包含Zr、Ni和Ti。
[0029]在本发明进一步的发展中，组成Ck本质上含有锆和钛，其具有(50+x)原子的钛和(50-x)原子的锆，其中x〈10，尤其x〈5，其中组成&尤其以a-(Zr，Ti)相存在。
[0030]在本发明进一步的发展中，组成(^的热膨胀系数为a (C κ)，其中a (Ck) ( 10.1(Γ6/Κ，尤其 a (Ck)彡 9.5.1(Γ6/Κ，优选 a (Ck)彡 9.2.1(Γ6/Κ。[0031 ] 在本发明进一步的发展中，边界层具有组成Ce，其包含例如42?52原子的Zr、23?28原子的Ni和24?30原子的Ti，其中在给定的情况下，Al扩散进入，其中，在Al存在的情况下，尤其钛分数降低。
[0032]本发明的压力测量元件包含本发明的组件，其中第一陶瓷体为压力测量元件的测量膜的膜体，其中第二陶瓷体为压力测量元件的平台，以及其中平台与膜体利用环状的接合部彼此紧压接合。
[0033]用于制造包含第一陶瓷体和第二陶瓷体的本发明的特殊组件的本发明的方法包括如下步骤，其中第一陶瓷体和第二陶瓷体利用活性硬焊料或钎料的方法而接合:
[0034]在陶瓷体间提供活性硬焊料或钎料，其中所述活性硬焊料或钎料具有在连续芯体积上均分的、液相线温度为T1 (Cko)的平均组成CKQ，
[0035]其中组成(^具有热膨胀系数a (CK)，其中a (Ck) = m.α (K)，其中m彡1.5，尤其 1.3且优选111< 1.2，其中α (K)为陶瓷材料或者是第一和第二陶瓷体的陶瓷材料的平均热膨胀系数，
[0036]其中活性硬焊料或钎料在其面向陶瓷体的至少一个表面上具有平均组成为CtJ勺边界层，其中组成Cetl具有液相线温度T x (Cgo)，所述液相温度T1 (Cgo)位于芯体积的平均组成Ckq的液相线温度T JCkci)之下不小于50Κ，优选不小于100Κ，尤其优选不小于200Κ处，以及
[0037]在真空焊接、钎焊处理中将陶瓷体和活性硬焊料或钎料加热至组成Cetl熔化，其中边界层的熔体在向芯体积的过渡中与芯体积的材料混合，从而边界层的液相线温度增加，使得边界层至少部分等温固化或变得更黏。
[0038]芯体积的组成Ckci和边界层的组成C Μ有利地通过向量描述，其中C K(l: = (cKCI1，…，％?)，其中Ic1J = 1，且其中cKi为在芯体积中活性硬焊料或钎料的平均组成的成分Ki, i=1，…，N，的化学计量分数，其中Cetl: = (ceQ1，…，ce(IN)，其中IcetJ = I，且其中Cetli为在边界层中活性硬焊料或钎料的平均组成的成分Ki, i = I,…，N，的化学计量分数。
[0039]在本方法进一步的发展中，活性硬焊料或钎料的提供包括利用例如通过溅射的气相沉积在组成为Ckci的预成形焊料的至少一个表面、优选在两个相对的表面上用组成为Cetl的边界层进行涂布。
[0040]在本方法进一步的发展中，活性硬焊料或钎料的提供包括将组成为Cetl的边界层涂布在陶瓷体的至少一个表面部分，尤其将组成为Cetl的边界层分别涂布在两个陶瓷体的两个相对的表面部分，其中所述涂布例如通过气相沉积，尤其通过溅射发生。在本方法这一进一步发展的实施方式中，在设置有边界层的陶瓷体间布置有预成形焊料，所述预成形焊料具有组成为Ckci的芯体积，且在给定的情况下，涂布有组成为C e(l的边界层。
[0041]在本发明进一步的发展中，组成Ck本质上含有锆和钛，其具有(50+x)原子的钛和(50-x)原子的锆，其中x〈10，尤其x〈5，其中组成Ckq尤其以a-(Zr，Ti)相存在。
[0042]在本方法进一步的发展中，组成Cai包含例如42?52原子的Zr、23?28原子的Ni和24?30原子的Ti，例如45?49原子的Zr、24.5?27原子的Ni和26?29.5原子的Ti，且优选47原子的Zr、26原子的Ni和27原子-0Z0的Ti。
【附图说明】
[0043]下面将基于在附图中说明的实施方式的实例对本发明进行解释，所述实例的图显示如下:
[0044]图1为N1-T1-Zr三元体系的简图；和
[0045]图2为穿过本发明的压力测量元件的局部纵向截面图。
【具体实施方式】
[0046]图1中所示的三元金属体系即N1-T1-Zr体系的图基于Gupta的数据(Journal ofPhase Equilibria (相平衡期刊)，20 (4)，第441-448页，1999年8月)。其显示共晶点E和各共晶谷的位置。共晶谷中的箭头指向较低的液相线温度。
[0047]根据本发明，例如提供具有组成Ckci的活性硬焊料或钎料作为预成形焊料，所述活性硬焊料或钎料决定由此形成的接合部的机械性质，其中芯体积的表面涂布有组成为Cetl的边界层，其中