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Die Erfindung betrifft ein Dickschichtelement. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Dickschichtelements.
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Gedruckte Heizstrukturen auf Edelstahl (beispielsweise vom Typ „316L“) finden breite Anwendung als Heizelemente sowohl in industriellen Applikationen wie beispielsweise Kunststoffspritzgussmaschinen, als auch in Gegenständen des täglichen Bedarfs, wie beispielsweise Wasserkochern oder Kaffeemaschinen. Die kostengünstige Herstellung dieser Heizelemente erfolgt in der Regel via Dickschichttechniken wie beispielsweise Siebdruck.
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Zur Isolation der stromdurchflossenen Heizstruktur vom ebenfalls leitfähigen Edelstahl wird eine isolierende Glasschicht auf das Edelstahlbauteil aufgedruckt. Gläser und daraus hergestellte Siebdruckpasten mit angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten, Glasübergangs-, Kristallisations- und Einbrenntemperaturen sind kommerziell erhältlich und aktueller Stand der Technik.
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Edelstahl als Trägermaterial für gedruckte Heizstrukturen birgt jedoch einige Nachteile bei Anwendungen, welche von den oben genannten abweichen. Hier sind vor allem Temperaturen oberhalb von 230°C, Anwendungen in aggressiven oder leicht kontaminationsanfälligen Medien (wie beispielsweise Säuren oder Blut), und in-vivo Applikationen zu nennen. Diese Nachteile können durch den Einsatz anderer Substratmaterialien wie beispielsweise Keramiken (zum Beispiel Aluminiumoxid) oder Metalle bzw. Legierungen umgangen werden.
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Inhärente Nachteile von Keramiken, vor allem die geringe Bruchzähigkeit, können in einigen Anwendungen jedoch nicht akzeptiert werden. Daher muss in diesen Fällen auf ein duktiles Material, das heißt ein Metall oder eine Legierung, zurückgegriffen werden. Unter den Legierungen nimmt eine Legierung aus Titan, Aluminium und Vanadium (Ti-6AI-4V, Ti64, TitanGrade5, etc.) eine herausragende Stellung ein. Sie zeichnet sich durch eine geringe thermische Leitfähigkeit, hohe chemische Beständigkeit, biologische Kompatibilität, hohe Elastizität und niedrige Dichte aus.
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Für solche Legierungen ist kommerziell keine isolierende Glaspaste verfügbar, wodurch diese momentan nicht in kostengünstigen Dickschichtverfahren prozessiert werden können.
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Ausgehend von den aufgeführten Problematiken liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Dickschichtelement anzugeben, welches sowohl bei Temperaturen über 230 °C, als auch in aggressiven oder leicht kontaminationsanfälligen Medien verwendbar ist.
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Die Aufgabe wird durch ein Dickschichtelement gelöst, welches umfasst:
- - ein Substrat bestehend aus einer Titanlegierung, und
- - eine Isolationsschicht, welche eine Oberfläche des Substrats zumindest teilweise bedeckt, wobei die Glasschicht aus einer auf die Oberfläche des Substrats aufgebrachten und eingebrannten Glaspaste gebildet ist, welche Glaspaste im ursprünglichen Zustand eine Glasfritte und einen organischen Träger aufweist, wobei die Glasfritte eine Bismutverbindung mit einem Massenanteil von 40 % bis 60 %, bevorzugt 50 %, enthält.
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Der Kern der Erfindung besteht somit aus einem Substrat mit der für die gewünschte Applikationen vorteilhaften Titanlegierung und einer Glasschicht als Isolationsschicht, welche in Bezug auf Einbrenntemperatur und Wärmeausdehnungskoeffizient mit der Titanlegierung kompatibel ist. Ein solches Dickschichtelement zeichnet sich durch die folgenden Eigenschaften aus:
- - Geringe Wärmeleitfähigkeit;
- - Hohe Elastizität und/oder Biegefestigkeit;
- - Ähnlicher Wärmeausdehnungskoeffizient der beteiligten Materialien;
- - Nutzbar in aktuellen Produktionsanlagen;
- - Einsetzbar bei Temperaturen bis maximal 500°C (kurzzeitig); Betriebstemperatur 350°C.
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Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um ein planares Substrat oder um ein prinzipiell beliebig geformtes Element mit einer geeigneten Oberfläche zum Aufbringen der Glaspaste handeln, beispielsweise eine Außen- oder Innenseite eines Rohrs. Das erfindungsgemäße Dickschichtelement ist daher vielfältig in verschiedensten Applikationen einsetzbar, beispielsweise als Trägermaterial für Sensoren, und Anwendungsbereiche, z.B. in der in-vivo Diagnostik oder in der Luftfahrt.
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Die Glasfritte enthält neben der Bismutverbindung weitere Anteile. Beispielsweise kann die Glasfritte zusätzlich eine Berylliumverbindung, eine Bariumverbindung und/oder ähnliche Verbindungen enthalten. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Glasfritte (jeweils als Massenanteil) 40-60 % Bi2O3, 10-25% B2O3, 10-20% BaO und kann zusätzlich SiO2, SrO, ZnO, CaO und Al2O3 enthalten.
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Die Bezeichnung „Massenanteil“ ist dabei äquivalent zu der Bezeichnung „Gewichtsprozent“ (Gew-%) zu betrachten.
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Als Isolationsschicht wird eine elektrische Isolationsschicht verstanden. Diese kann zusätzlich chemisch und/oder mechanisch isolierend, bzw. schützend sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dickschichtelements ist es vorgesehen, dass es sich bei der Titanlegierung um Ti-6AI-4V (6 % Al, 4 % Vanadium), Ti3AI-2.5V oder Ti-6AI-7Nb handelt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dickschichtelements ist es vorgesehen, dass das Dickschichtelement eine, insbesondere strukturierte, funktionale Schicht aufweist, wobei die funktionale Schicht aus einer auf zumindest einen Teilbereich der Isolationsschicht aufgebrachten und eingebrannten metallhaltigen Paste gebildet ist, welche metallhaltige Paste die Glasfritte der Glaspaste als Bestandteil mit einem Massenanteil von ca. 5 bis 10 % enthält. Durch Einbringen der Glasfritte in die metallhaltige Paste erhält die funktionale Schicht eine feste Anbindung an die Isolationsschicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dickschichtelements ist es vorgesehen, dass die metallhaltige Paste Edelmetallpartikel enthält. Diese bestehen vorteilhafterweise aus Platin, Gold, Silber, Palladium oder einer Legierung aus zwei oder mehrerer der vorher genannten Metalle.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dickschichtelements ist es vorgesehen, dass die funktionale Metallschicht derart ausgestaltet und strukturiert ist, dass diese als Sensorelement und/oder als Heizelement betrieben werden kann. Beispielsweise wirkt das Sensorelement als Temperatursensor. Hierfür ist die funktionale Metallschicht als Widerstandsstruktur ausgestaltet, und weist insbesondere eine Form eines Mäanders auf. Alternativ kann die funktionale Metallschicht auch derart strukturiert sein, dass das Dickschichtelement als eines der folgenden Sensorelemente betrieben werden kann: thermischer Strömungssensor, als Leitfähigkeitssensor, als Feuchtesensor, o.ä.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dickschichtelements ist es vorgesehen, dass das Dickschichtelement eine Passivierungsschicht aufweist, wobei die Passivierungsschicht aus der Glasschicht gebildet ist, welche auf zumindest einen Teilbereich der funktionalen Schicht aufgebracht und eingebrannt ist. Die Passivierungsschicht dient dem mechanischen und chemischen Schutz der funktionalen Schicht. Durch das Einbringen der Glasfritte in die metallhaltige Paste erhält die Passivierungsschicht eine feste Anbindung an die funktionale Schicht.
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Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Dickschichtelements gelöst, welches Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- - Bereitstellen eines Substrats bestehend aus einer Titanlegierung;
- - Aufbringen einer Glaspaste auf eine Oberfläche des Substrats, welche Glaspaste eine Glasfritte und einen organischen Träger aufweist, wobei die Glasfritte eine Bismutverbindung mit einem Massenanteil von 40 % bis 60 %, bevorzugt 50 %, enthält; und
- - Einbrennen der Glaspaste zum Ausbilden einer Isolationsschicht.
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Die Kombination des Substrats aus der Titanlegierung und der speziellen Ausgestaltung der Glaspaste resultiert in den obig bzgl. des Dickschichtelements aufgeführten Vorteilen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren weiter umfasst:
- - Aufbringen einer Metallpaste auf zumindest einem Teilbereich der Isolationsschicht; und
- - Einbrennen der Glaspaste zum Ausbilden einer funktionalen Schicht, welche metallhaltige Paste die Glasfritte der Glaspaste als Bestandteil mit einem Massenanteil von ca. 10 % enthält.
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Durch Einbringen der Glasfritte in die metallhaltige Paste erhält die funktionale Schicht eine feste Anbindung an die Isolationsschicht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die funktionale Metallschicht vor oder nach dem Ausheizen strukturiert wird. Insbesondere wird die funktionale Metallschicht derart strukturiert, dass diese als Widerstandstruktur ausgestaltet ist. Vor dem Ausheizen wird die funktionale Metallschicht beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens strukturiert. Es kann auch vorgesehen sein, dass die metallhaltige Paste als flächige Struktur aufgebracht wird und im Anschluss Teile der Paste mechanisch entfernt werden. Nach dem Ausheizen kann die funktionale Metallschicht beispielsweise mittels eines Lasers oder eines Ätzverfahrens strukturiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren weiter umfasst:
- - Aufbringen der Glaspaste auf zumindest einem Teilbereich der funktionalen Metallschicht; und
- - Einbrennen der Glaspaste zum Ausbilden einer Passivierungsschicht.
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Durch das Einbringen der Glasfritte in die metallhaltige Paste erhält die Passivierungsschicht eine feste Anbindung an die funktionale Schicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass für die jeweiligen Schritte des Aufbringens der Glaspaste und/oder der Metallpaste ein Dickschichtverfahren, insbesondere ein Siebdruckverfahren, verwendet wird. Dies erlaubt es, das Dickschichtelement kostengünstig in großen Mengen zu produzieren.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass für die jeweiligen Schritte des Einbrennens eine Temperatur von weniger als 700 °C verwendet wird. Das Einbrennen erfolgt hierbei in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, eines oder mehrere der erfindungsgemäßen Dickschichtelemente in einem thermischen Strömungssensor zu verwenden, wobei das Dickschichtelement, bzw. die Dickschichtelemente als Temperatursensoren und/oder Heizelemente betrieben werden. Ein solcher thermischer Strömungssensor dient zur Bestimmung eines Durchflusses, bzw. der Strömungsgeschwindigkeit eines Messmediums, bzw. eines Fluides, beispielsweise eines Gases, Gasgemisches oder einer Flüssigkeit. Thermische Strömungssensoren enthalten in der simpelsten Form ein einzelnes Dickschichtelement, welches abwechselnd als Heizelement und als Temperatursensor betrieben wird. Alternativ sind thermische Strömungssensoren mit mehreren Heizelementen und einem oder mehreren Temperatursensor aufgebaut.
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Kalorimetrische thermische Strömungssensoren bestimmen über eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperatursensoren, welche flussabwärts (engl. „downstream“) und flussaufwärts (engl. „upstream“) von einem Heizelement angeordnet sind, den Durchfluss bzw. die Flussrate des Fluids in einem Kanal. Hierzu wird ausgenutzt, dass die Temperaturdifferenz bis zu einem gewissen Punkt linear zu dem Durchfluss bzw. der Flussrate ist. Dieses Verfahren bzw. die Methode ist in der einschlägigen Literatur ausgiebig beschrieben.
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Anemometrische thermische Strömungssensoren bestehen aus zumindest einem Heizelement, welches während der Messung des Durchflusses erhitzt wird. Durch die Umströmung des Heizelements mit dem Messmedium findet ein Wärmetransport in das Messmedium statt, der sich mit der Strömungsgeschwindigkeit verändert. Durch Messung der elektrischen Größen des Heizelements kann auf die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums geschlossen werden.
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Erfindungsgemäße Dickschichtelemente können in thermischen Strömungssensoren beider Messprinzipien verwendet werden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt
- 1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dickschichtelements; und
- 2: ein Ablaufdiagramm einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt schematisch die Struktur eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dickschichtelements 1 als Querschnitt durch das Dickschichtelement 1. Ein solches Dickschichtelement 1 kann beispielsweise als Temperatursensor oder als Heizelement verwendet werden.
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Das Dickschichtelement 1 besteht aus einem Substrat 110, welches im Wesentlichen aus einer Titanlegierung besteht. In Hinsicht auf chemische Beständigkeit und thermische Leitfähigkeit hat sich eine Legierung bestehend aus Titan, Aluminium und Vanadium als vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere handelt es sich bei der Titanlegierung um Ti-6AI-4V, Ti3AI-2.5V oder Ti-6AI-7Nb.
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Das Substrat 110 ist mit einer Isolationsschicht 120, auch als „Underglaze“ bezeichnet, beschichtet, insbesondere mittels eines dickschichttechnologischen Verfahrens, beispielsweise per Siebdruck. Auf die Isolationsschicht 120 ist eine oder mehrere funktionale Schichten 130 aufgebracht. Diese funktionale Schicht 130, bzw. funktionalen Schichten sind elektrisch leitfähig ausgestaltet und enthalten Platin, Gold, Silber, Palladium oder einer Legierung aus zwei oder mehrerer der vorher genannten Metalle. Die funktionale Schicht ist 130 derart ausgestaltet, dass sie als Heizelement oder Temperatursensor verwendet werden kann. Die funktionale Schicht 130 kann darüber hinaus auch als Leiterbahnen, Kontaktpads o.ä. eingesetzt werden. Hierfür ist die funktionale Schicht 130 strukturiert, beispielsweise als Mäanderstruktur oder als ähnlich geeignete Form, so dass diese einen definierten elektrischen Widerstand aufweist. Durch Anlegen eines elektrischen Stroms, bzw. einer elektrischen Spannung erwärmt sich die funktionale Schicht 130 und emittiert die Wärme an die Umgebung. Durch Messung der Veränderung des elektrischen Widerstands kann auf die Temperatur der unmittelbaren Umgebung der funktionalen Schicht 130 geschlossen werden.
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Als Schutz vor mechanischen und chemischen Einflüssen auf die funktionale Schicht 130, bzw. die funktionalen Schichten, ist zumindest auf einem Teilbereich dieser funktionalen Schicht(en) 130 eine abschließende Passivierungsschicht 140 aufgebracht.
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Die Isolationsschicht 120 und die Passivierungsschicht 130 sind aus einer identischen Glaspaste gefertigt. Diese Glaspaste besteht vor dem Einbrennen aus einer Glasfritte und einem organischen Träger. Die Zusammensetzung der Glaspaste weist etwa 60 bis 80 Gw.-% (Massenanteil) Feststoffanteil der Glasfritte auf. Die Glasfritte weist eine Bismutverbindung mit einem Massenanteil 40 bis 60 % auf und ist durch den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit dem Substrat 110 voll kompatibel. Zusätzlich kann die Glasfritte eine Berylliumverbindung, eine Bariumverbindung und/oder ähnliche Verbindungen enthalten. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Glasfritte (jeweils als Massenanteil) 40-60 % Bi2O3, 10-25% B2O3, 10-20% BaO und kann zusätzlich SiO2, SrO, ZnO, CaO und Al2O3 enthalten.
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Für die Fertigung der funktionalen Schicht(en) 130 soll ebenfalls ein dickschichttechnologisches Verfahren verwendet werden. Dadurch wird der Einsatz einer metallhaltigen Paste erforderlich. Für eine bessere Adhäsion der elektrisch leitenden, oben beschriebenen Edelmetallpartikel auf der Isolationsschicht 120 wird dieselbe Glasfritte, welche bereits in der Glaspaste für die Isolationsschicht 120 zur Anwendung kam, in der Paste der funktionalen Schicht(en) 130 angewendet. Die Zusammensetzung dieser Paste weist die Glasfritte der Glaspaste als Bestandteil mit einem Massenanteil von ca. 5 bis 10 % auf.
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Die Fertigungsschritte eines solchen Dickschichtelements 1 sind in 2 dargestellt.
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In einem ersten Verfahrensschritt a) wird die Glaspaste auf das Substrat 110 aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt mittels eines Siebdruckverfahrens oder mittels eines ähnlichen dickschichttechnologischen Verfahrens. Im anschließenden Verfahrensschritt b) wird die Glaspaste bei einer Temperatur von weniger als 700 °C unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre auf dem Substrat 110 eingebrannt. Dadurch wird der organische Träger ausgebrannt und die Glasfritte aufgeschmolzen, wobei sich diese als Glasbeschichtung mit dem Substrat 110 verbindet und die Isolationsschicht 120 bildet.
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Die niedrige Glasübergangstemperatur (Tg <500°C) der bleifreien Zusammensetzung des Glases ermöglicht das Einbrennen der Paste bei Temperaturen unter 700°C und unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre, wobei keine wesentliche Oxidation des Substratmaterials zu beobachten ist - dies würde sonst bei höheren Temperaturen ein Problem darstellen.
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In einem Verfahrensschritt c) wird die metallpartikelenthaltende Paste auf die Isolationsschicht 120 aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt wiederum mittels eines Siebdruckverfahrens oder mittels eines ähnlichen dickschichttechnologischen Verfahrens. Im anschließenden Verfahrensschritt d) wird die metallpartikelenthaltende Paste bei einer Temperatur von weniger als 700 °C unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre auf der Isolationsschicht 120 eingebrannt. Dadurch wird der organische Träger der metallpartikelenthaltenden Glaspaste ausgebrannt und die Glasfritte aufgeschmolzen, welche aufgeschmolzene Glasfritte die Metallpartikel an die Isolationsschicht bindet, so dass die funktionale Schicht 130 gebildet wird. Die Verfahrensschritte c) und d) können wiederholt werden, um zusätzliche funktionale Schichten zu bilden. Es kann auch vorgesehen sein, zusätzliche Isolationsschichten aufzubringen.
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Durch Verwendung des Siebdruckverfahrens, bei welchem Schablonen bzw. Masken verwendet werden, ist die aufgetragene funktionale Schicht 130 bereits strukturiert worden. In einem optionalen Verfahrensschritt e) kann die funktionale Schicht weiter strukturiert werden, bspw. mittels eines Laserverfahrens. Es kann auch vorgesehen sein, die zeitliche Abfolge der Verfahrensschritte d) und e) zu tauschen, so dass die „nasse“ metallpartikelenthaltende Paste vor dem Einbrennen strukturiert wird.
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In einem Verfahrensschritt f) wird die Glaspaste derart auf das Substrat 110 aufgebracht, das mindestens ein Teilbereich der funktionalen Schicht 130 und optional zusätzlich mindestens ein Teilbereich der Isolationsschicht 120 von der Glaspaste bedeckt ist. Das Aufbringen erfolgt wiederum mittels des Siebdruckverfahrens oder mittels eines ähnlichen dickschichttechnologischen Verfahrens. In einem abschließenden Verfahrensschritt g) wird die Glaspaste bei einer Temperatur von weniger als 700 °C unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre eingebrannt. Dadurch wird der organische Träger ausgebrannt und die Glasfritte aufgeschmolzen, wobei sich diese als Glasbeschichtung mit der funktionalen Schicht 130 und der Isolationsschicht 120 verbindet und die Passivierungsschicht 140 bildet.
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Als Funktionstest des Pastensystems wurde die Leitfähigkeit der metallpartikelenthaltenden Paste experimentell überprüft, wobei die neu-entwickelte Glaspaste sowohl als Isolationsschicht 120 als auch als Passivierungsschicht 140 aufgebracht und der durchschnittliche Flächenwiderstand zu 0.0088 Ohm bestimmt wurde. Die Widerstandsmessungen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, weisen auf eine gute Kompatibilität des Glassystems sowohl mit den Edelmetallpartikeln als auch mit dem Material des Substrats 110 hin. Dies wurde durch die Anwendung der neuartigen Glasfritte erzielt, welche in allen Teilen des Dickschichtelements, nämlich in Isolationsschicht 120, funktionaler Schicht 130 und Passivierungsschicht 140, eingesetzt wurde.
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Für die Experimente wurde Gold als Edelmetallpartikel für die metallpartikelenthaltende Paste verwendet. Die Einbrenntemperatur betrug bei allen Einbrennschritten 650 °C. Es wurden vier Dickschichtelemente 1 mit jeweils einer funktionalen Schicht 130 (mäanderförmiges Widerstandselement) und mit einer aufgebrachten Passivierungsschicht 140 und drei Dickschichtelemente 1 mit jeweils einer funktionalen Schicht 130 (mäanderförmiges Widerstandselement) und ohne eine solche Passivierungsschicht 140 gefertigt und anschließend der elektrische Widerstand der jeweiligen funktionalen Schicht 130, sowie deren Flächenwiderstand (gleichbedeutend mit dem Flächenwiderstand der metallpartikelenthaltenden Paste selbst), bestimmt. Die 2. Zeile der Tabelle 1 enthält die Messwerte der vier Dickschichtelemente 1 mit aufgebrachter Passivierungsschicht 140; die 3. Zeile der Tabelle 1 enthält die Messwerte der vier Dickschichtelemente 1 ohne Passivierungsschicht 140. Tabelle 1:
| Dickschichtelement 1, Widerstand in Ohm | Dickschichtelement 2, Widerstand in Ohm | Dickschichtelement 3, Widerstand in Ohm | Dickschichtelement 4, Widerstand in Ohm | Durchschnittlicher Widerstand in Ohm | Flächenwiderstand in Ohm |
| 2,12 | 1,90 | 2,71 | 2,27 | 2,25 | 0,0088 |
| | 1,78 | 2,58 | 2,14 | 2,17 | 0,0085 |
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dickschichtelement
- 110
- Substrat
- 120
- Isolationsschicht
- 130
- funktionale Schicht
- 140
- Passivierungsschicht
