专利名称：包括优选为多层的陶瓷基板的传感器及其制造方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及一种传感器，所述传感器优选地包括多层陶瓷基板和至少一个传感器元件，所述传感器元件设置在和/或配置在所述陶瓷基板内、旁或上。本发明还涉及一种用于制造所述传感器的方法。
背景技术：
虽然过去通常在传统的电路板上制造电子组件，但是而今越来越多地在陶瓷基板上和/或内制造电子组件。使用陶瓷立刻显示出几个优点。这里非常重要的是陶瓷的耐高温性。另外，在温度上升的过程中，陶瓷的膨胀性比现有技术的电路板低很多。还可以制造多层的陶瓷，将集成导体配置在所述层内或所述层之间。甚至还有可能在这些层之间设置电组件/电子组件。这使得设计非常紧凑。这样的电子组件的接触通常经由印压在基板上所谓的焊盘来实现。在现有技术的软焊方法中，在焊盘上焊接具有绞合线、金属线等形式的接触点。软焊的缺点在于，在温度达到200°C至300°C时，所使用的焊锡会熔化。这使陶瓷失去耐高温的巨大优势，即在使用传统的焊锡进行软焊时不能利用陶瓷的耐高温性。现有技术的焊接也存在缺点，因为与焊盘的连接只能是电连接。这种连接在机械应力下极不稳定。所以焊接点不能受到任何较大的机械应力作用。在受到敲击、震动或其它机械应力的情况下，这些焊接点经常会破裂或撕裂。因此，需要作另外的机械固定，例如通过粘合、接合等。除了传统的软焊之外，还可选择硬焊方法，在硬焊方法中焊接温度会超过450°C。活性钎焊是硬焊的一种具体方式。商用的活性钎焊的熔点约为850°C。另外，活性钎焊的优点是，通过活性钎焊金属，钎焊过程可以直接在陶瓷上进行。活性钎焊可省去在传统的软焊或硬焊中所需的常规陶瓷金属化步骤，这是因为焊料由于其化学成分可直接与陶瓷表面连接。通过添加诸如钛的特定焊接组分，在活性钎焊的界面上会发生反应，即在焊料的金属和/或金属合金与陶瓷的表面之间发生反应，从而材料之间直接相互连接而无需加入任何粘合剂。因此，活性钎焊的特殊优势在于连接点的高抗机械冲击性和高温稳定性。因此，通过活性钎焊可以产生适于高温的金属-陶瓷连接。一般传感器已为人所知。这种现有的传感器包括多层陶瓷。例如，可参考德国专利 DE102008016829A1和 DE10314875A1。在所讨论的传感器中，金属和陶瓷之间的连接也会出现特别的问题。因为实际的传感器元件通常设置在陶瓷和/或陶瓷基板上或设置在陶瓷和/或陶瓷基板内，例如必须使至少一个测量电极或至少一个测量线圈电接触，所以通常出现的问题是，如何能够在产生足够好的机械连接的同时实现毫无裂缝且持久的电连接。通常，传感器的金属接触点也可诸如通过焊接被施加在陶瓷上。这样的金属-陶瓷焊接连接本身也是已知的现有技术。在此，可参考德国专利DE102004024920B4。具体地说，由德国专利DE102004024920B4可知一种压力传感器，在所述压力传感器中，陶瓷基板通过活性钎焊或硬焊连接至由金属制成的支撑结构，所述支撑结构固定地连接至压力传感器的连接壳体。其缺点是，陶瓷基板只是用作实际的压力测量元件的紧固装置。这种压力测量元件相应地由金属制成，并且通过活性钎焊与陶瓷基板的一侧连接。而在陶瓷基板的另一侧设有连接销。但是，现有技术使传感器电接触的措施在实践中存在困难，这是因为一方面这些措施在处理/制造方面的成本太高，另一方面这些措施有条件地抗外来的机械影响。这种通过焊接产生的接触点极度“敏感”，因此容易发生故障。因此，本发明的目的在于提供一种传感器或传感器设计，其中传感器元件被配置在和/或相应地被制造在优选为多层的陶瓷基板旁、上或内，并且传感器元件的牢固接触可通过最简单的技术来实现。此外，所述传感器被设计得尽可能简单，由此可具成本效益地生产。
发明内容
本发明的上述目的可通过具有如权利要求1所述的特征的传感器来实现。因此，通用传感器包括位于陶瓷基板内、旁或上的实际的传感器元件和电接触点，所述电接触点通过焊接制成且做成金属接触点的形式，其中焊接连接被设计成在一侧使金属接触点与传感器元件电接触，而在另一侧使金属接触点和陶瓷基板之间形成牢固的机械连接。因此，根据本发明的方法提供一种在电学和机械方面都牢固和稳固的焊接连接，其设计非常简单。关于本发明的方法，通过从属权利要求9所述的特征实现了本发明，所述从属权利要求涉及本发明的传感器的制造方法。对于感应式距离或位置传感器，传感器元件可以包括一个或多个线圈。对于电容式距离测量，可将一个或多个电极区制成集成元件。在力传感器或压力传感器中，传感器元件可包括任何设计的膨胀元件。对于温度传感器，传感器元件包括电阻层。对于磁电阻传感器，传感器元件可配置成在基板内作为硅元件。还可以有其它传感器元件。这里应该指出的是，这涉及的是通用传感器的设计，而不涉及如何实现具体的传感器元件。在传感器系统中使用活性钎焊具有特别的优势。有些传感器必须经常在特别不利的环境条件下使用，例如在高温下或受到敲击和震动的应力作用下。这些传感器的弱点在于它们的连接，即电缆。在敲击或震动的应力作用下，电缆的金属绞合线与传感器的电子组件之间的连接很容易受损。在此，活性钎焊特别适用于制造同时具有高温稳定性和高抗机械应力的传感器。在最简单的情形中，陶瓷基板包括由陶瓷制成的单层。在这种情况下，传感器元件被施加在基板表面上。通常例如通过现有技术中的印压技术将导体施加在基板上，以实现传感器元件的接触。特别优选地，使用多层陶瓷基板，所述多层陶瓷基板通过烧结以固定的方式相互连接。可将各个传感器元件施加在各层基板中，例如通过多层的导体压印层施加距离传感器的线圈。在多层基板堆叠和烧结工艺之后，形成了巨大的陶瓷块，其包括位于其内部的传感器元件。通过这种方式，传感器元件被保护而不受环境影响并且具有机械稳定性。陶瓷基板上的传感器元件的接触是这样实现的，即通过在陶瓷基板上活性钎焊适当的金属连接件，这样同时形成了导电和机械都稳定的连接。这导致陶瓷基板上的接触点的支撑面一方面同时覆盖诸如导体或焊盘的电接触面，另一方面覆盖暴露的陶瓷表面。在焊接过程中，在接触面和金属接触点之间实现电连接，同时在陶瓷表面和所述接触点之间也实现机械连接。此外，金属接触点可以有利地在陶瓷基板上/内直接与所述基板连接。金属接触点可以配置成插入到陶瓷基板内的螺栓/销的形式，从而通过所述接触点的插入实现一定程度的位置稳定性，甚至实现一定程度的接合。金属接触点的尺寸有利地使得所述金属接触点插入到陶瓷基板内，但至少留有少许余隙，也就是说无需进行压配合。将接触点和陶瓷基板之间形成的间隙设计成活性钎焊膏和/或焊接膏能够均匀地和充分地分布在间隙内，将精确剂量的焊接膏填充在间隙内是有利的，如果有可能的话，在插入金属接触点之前填充焊接膏。另一个有利的做法是，通过金属接触点把待接触的测量电极或测量线圈设置在陶瓷基板内或陶瓷基板上与插入侧相对的一侧。此外，有利的是，将增强电接触点的材料(优选为接触膏配置在测量电极和/或测量线圈与金属接触点之间。在烧结陶瓷基板之前，优选地将所述材料施加在待接触的测量电极或测量线圈上，从而在随后的温度约为850°C的活性钎焊中，金属接触点能够产生极好的电和机械连接。根据前述的说明，不仅可以在金属接触点和传感器元件的接触面(诸如传感器元件的测量电极或测量线圈)之间实现毫无裂缝的电接触，还可以使金属接触点毫无裂缝地机械锚固和/或紧固在陶瓷基板内和/或上。根据本发明的方法用于制造上述的传感器，所述方法的基本要点是:通过烧结技术制造陶瓷基板，用作电接触的金属接触点在烧结陶瓷基板之后被插在陶瓷基板内，此处是通过活性钎焊焊接金属接触点，实现了电接触以及机械锚固的目的。用于增强电接触点的材料(例如做成接触膏形式)可在烧结陶瓷基板之前被插入到所述基板内。
实施和进一步开发本发明的内容有各种不同做法。为此，一方面可参照权利要求1的从属权利要求，另一方面可结合附图参考下面对本发明的优选示例性实施例的说明。概括地说，附图以及对本发明的优选示例性实施例的说明可阐明根据本发明内容的较佳实施例以及进一步的开发。附图如下:图1所示为根据本发明传感器的一般结构的部分截面图。图2所示为根据本发明另一示例性实施例的传感器在接触区域的详细截面图；以及图3所示为根据本发明的传感器在接触区域的详细截面图。
具体实施例方式图1所示为根据本发明的第一示例性实施例的传感器，在该实施例中金属连接件是用于紧固的具有接触表面的销6。所述接触表面形成陶瓷基板2的接触区域，销和陶瓷基板经由活性钎焊料8彼此连接。接触点的支撑区域被配置成使得它一方面一方面同时覆盖陶瓷基板2上诸如导体或焊盘的电接触区，而另一方面覆盖暴露的陶瓷表面。在焊接过程中，同时产生在陶瓷表面和所述接触点之间的机械连接以及所述接触区和金属接触点之间的电连接。
在制造过程中，用活性钎焊料8覆盖陶瓷基板2。随后，销6通过适当的装置被固定在陶瓷基板2上。在加热过程中，活性钎焊料8通过化学反应一方面将金属连接点与陶瓷连接，另一方面藉此在金属和陶瓷之间产生固定的结构连接。由于活性钎焊料8也能够导电，所以在销6和陶瓷基板上的导体之间产生电连接。然后，电缆9、电线或其它电连接可以以传统的方式被施加在销6上。这可以通过焊接或者在要求特别高温的情况下通过熔接或压接来实现。图2所示为根据本发明的另一实施例的传感器，其中金属连接元件以金属销6的形式被插入到陶瓷基板2的凹部7。在仍然受压但非烧结状态(即所谓的绿色状态)下适当地加工多个陶瓷层，因此提供通槽而形成所谓的腔。这样的处理也可用于形成在多层陶瓷基板中的所谓的导通孔(贯通连接)。为了在陶瓷层之间产生贯通连接，在初始时仍然处于柔软状态的基板冲压出小孔。这些小孔被导电的接触膏5填充。在对各层进行堆叠和烧结之后，导电膏5使层表面与底面连接，使得位于一层顶侧的导体与位于底侧的导体之间贯通连接。这种贯通连接也可延伸几层。在堆叠的过程中，必须只看到各层精确地堆叠在彼此上方。如果通槽延伸几层延续至传感器基板的表面，就会在所述表面上形成凹部(腔)，为盲孔形式。在烧结工艺之后，通常陶瓷层的厚度例如约为200 μ m。如果导通孔延伸三层，则盲孔的深度约为600 μ m。金属销6可以插入到所述盲孔内并且经由活性钎焊料8与陶瓷基板2连接。通过将金属销6焊接在陶瓷基板2和导电层内，在导通孔内产生导电连接，该导电连接同时具有特别的机械稳定性。所述机械稳定·性由活性钎焊料8的界面层和将销6插入到陶瓷基板2内来提供。这种方式增大了销6和陶瓷之间的接触区域，若非如此，必须在陶瓷表面上设置较大的接触区域。这对于陶瓷基板2本身的区域是小的情况特别有利。此外，所述插入也可提高了抵抗横向应力的机械稳定性。通过这种方式，例如当向焊接于销上的电线横向施加张力时，销6不会松开。金属连接件(例如做成金属销6的形式)特别优选地使用钛、可伐合金(kovar)或锆。在烧结工艺之后，陶瓷基板2的热膨胀系数为5-7ppm/K。钛的膨胀系数为9ppm/K，可伐合金的膨胀系数为5.3ppm/K,以及锆的膨胀系数为5.9ppm/K。因此，使用具有与诸如陶瓷相似或相同的膨胀系数的金属是有利的，因为在高温下在活性钎焊点处不会产生张力或只会产生很小的张力。钎焊工艺本身一开始就会产生诸如850°C的高温。当材料在钎焊工艺之后冷却时，由于在连接点处的膨胀系数差异很大，在金属连接件和陶瓷之间会产生较强的内部机械张力，最坏的情形是所述内部机械张力会导致焊接点裂开。此外，传感器可在高温环境条件下使用，这是因为这种传感器特别适用于这样的高温场合。因此，使用相似膨胀系数的材料以彼此适应，对于金属-陶瓷连接的稳定性特别重要。图3所示为包括传感器元件I的多层陶瓷基板2的侧视截面示意图，其中所述传感器和/或传感器元件I由多层陶瓷制成。壳体(图中未示出)可由金属制成或至少包括金属边、金属框等。在图3中，示出了最低层3，所述最低层3包括覆盖有接触膏5的测量电极4和/或测量线圈，接触膏5在烧结之前被插入到陶瓷基板2内。呈金属销6形式的金属接触点被插入到陶瓷基板2的孔/凹部7内，在接触膏5的作用下，金属接触点与测量电极4和/或测量线圈形成毫无裂缝的电接触。
图3示出了金属销6被直接焊入(即通过活性钎焊)多层陶瓷基板2内，从而通过活性钎焊并借助于接触膏5实现了电接触，也实现了与陶瓷基板2的机械连接。活性钎焊料8形成电连接以及稳固的机械连接。本发明传感器的具体优点在于:-同时实现导电连接和稳定的机械连接；-活性钎焊适用于高温环境；-传感器元件封装在陶瓷基板内；-设计紧凑，接触所需的空间很小；-选用的材料不会出现机械应力；-传感器元件对环境影响(温度、灰尘、水、化学影响等)的抵抗能力较强；-制造金属-陶瓷连接不需要采用元素铅和锡，这些元素由于有毒而诸如不能用于某些应用领域。关于根据本发明的装置和方法的其它优选的实施例，可参考本说明书的主体部分以及所附的权利要求书，不再赘述。最后，应该明确地指出的是，根据本发明的装置的上述示例性实施例只用于说明权利要求书中的内容，而本发明并不仅限于这些示例性实施例。标号列表I传感器元件2陶瓷基板3最低层4测量电极，电极区域5接触膏6接触点，销，金属销7孔/凹部8活性钎焊料9电缆、电线10 2内的导体
权利要求
1.一种传感器，所述传感器包括优选为多层的陶瓷基板(2)和至少一个传感器元件(1)，所述传感器元件(I)设置在所述陶瓷基板(2)内、旁或上，所述传感器元件(I)经由金属接触点(6)而被接触，其中所述金属接触点(6)通过焊接连接制成,所述焊接连接使所述接触点(6)与所述传感器元件(I)电连接，并且使所述接触点(6)与所述陶瓷基板(2)形成固定的机械连接。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器元件(I)用于感应式或电容式路径/距离/位置测量，与一或多个线圈和/或与一或多个电极区域(4)形成接触。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器元件(I)为力和/或压力传感器、温度传感器、或磁电阻传感器，与一或多个膨胀元件、阻抗元件、硅元件等形成接触。
4.如权利要求1至3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述金属接触点(6)通过活性钎焊在所述陶瓷基板(2)上/内直接与所述基板连接。
5.如权利要求1至4中任一项所述的传感器，其特征在于，所述金属接触点(6)做成插在所述陶瓷基板(2)内的销、螺栓等形式。
6.如权利要求1至5中任一项所 述的传感器，其特征在于，所述金属接触点(6)的尺寸使得所述金属接触点出)以留有少许间隙的方式插入到陶瓷基板内直至与所述传感器元件(I)接触，用足够的活性钎焊料(8)均匀地填满所述陶瓷基板(2)和所述接触点(6)之间任何潜在的空隙。
7.如权利要求1至6中任一项所述的传感器，其特征在于，经由所述金属接触点(6)接触的所述传感器元件(I)设置在所述陶瓷基板(2)内或设置在所述陶瓷基板(2)与所述金属接触点(6)相对的一侧上，在所述传感器元件⑴和所述金属接触点(6)之间安放增强电接触的材料，优选接触膏(5)。
8.如权利要求1至7中任一项所述的传感器，其特征在于，所述陶瓷基板(2)通过烧结技术制成，在实际烧结之前于待接触的所述传感器元件(I)的区域上施加增强电接触的的材料，优选接触膏(5)，和/或将增强电接触的的材料优选接触膏(5)插在所述陶瓷基板(2)内。
9.一种制造如权利要求1至8中任一项所述的传感器的方法，所述方法包括在陶瓷基板(2)上、旁或内产生至少一个传感器元件(I)，通过活性钎焊将金属接触点(6)插在所述陶瓷基板(2)内并且与所述陶瓷基板(2)固定连接，实现了所述金属接触点￠)的电接触和机械连接。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，增强所述传感器元件(I)的接触，在烧结所述陶瓷基板(2)之前将增强电接触的材料插入到所述陶瓷基板(2)的内部，所述材料优选地是接触膏(5)。
全文摘要
本发明公开了一种传感器，其包括优选为多层的陶瓷基板(2)和至少一个传感器元件(1)，所述传感器元件(1)设置在所述陶瓷基板(2)内、旁或上。所述传感器元件(1)可以经由金属接触点(6)而被接触，其中所述金属接触点(6)通过焊接连接制成，所述焊接连接使所述接触点(6)与所述传感器元件(1)电连接，并且使所述接触点(6)与所述陶瓷基板(2)形成固定机械连接。本发明还公开了一种制造根据本发明的传感器的方法。
文档编号H05K3/40GK103221330SQ201180055148
公开日2013年7月24日 申请日期2011年10月10日 优先权日2010年12月2日
发明者S·施米得德, T·德林曼, J·纳格尔, H·艾琛布莱纳, R·霍宁克卡 申请人:微-埃普西龙测量技术有限两合公司