通过活性硬焊料连结陶瓷体的方法、包括至少两个连结的陶瓷体的组件、特别是压力测量单元

摘要

本发明涉及一种组件，该组件包括通过接合部(3-5)连接的两个陶瓷体(1、2)，该接合部具有活性硬焊料(5)，所述活性硬焊料(5)具有结合性的核心体积，该核心提及与各陶瓷体(1、2)距离至少1μm，特别是至少2μm，接合部(3-5)具有边界层(3、4)，边界层邻接陶瓷体(1、2)。包括接合部(3-5)的体积的至少50％的核心体积没有尺寸大于6μm的结晶相，特别是没有大于4μm的结晶相，优选没有大于2μm的结晶相。

说明书

技术领域

本发明涉及一种组件，其具有至少两个相互连结的陶瓷体，特别 是压力测量单元，以及一种通过活性硬焊料或钎料连结陶瓷体的方法。

背景技术

由于本发明对于压力测量单元的特殊相关性，所以基于压力测量 单元作为其应用实例对本发明进行说明。

现有技术的压力测量单元组合陶瓷测量膜和陶瓷平台，其中测量 膜与平台沿着周边接合部压密连结，周边接合部包括活性硬焊料或钎 料，其中在测量膜和平台之间形成压力腔，其中测量膜的平衡位置由 位于压力腔内的压力和作用于测量膜面对的外表面的压力之间的差而 产生，从而其表面背向压力腔。

特别地，氧化铝陶瓷作为平台和测量膜的材料，由于它们的弹性 性能和耐介质性，适合压力测量单元的制造。特别是上述陶瓷部件采 用活性硬焊料或钎料连结，优选是包含锆、镍和钛的活性硬焊料或钎 料。例如，这样一种活性硬焊料或钎料的制造在欧洲公开说明书 EP0490807A2中公开。根据其所公开的方法，位于测量膜和平台之间 的活性钎料的环可被制造，使得将其相互硬焊接或钎接到一起。

例如，为了连结组件，陶瓷体与放在中间的焊剂预型在高真空中 加热到一定温度，其熔化活性硬焊料或钎料，从而在活性硬焊料或钎 料与陶瓷体之间开始反应。通过冷却，活性硬焊料或钎料凝固，活性 硬焊料或钎料与陶瓷体之间的反应停止。然而，在冷却过程中，不同 的相从熔化的活性硬焊料或钎料中结晶析出，其中相有不同的热机械 性能，例如，膨胀系数，从而在不同相的晶界处就产生相当大的机械 应力集中。这样一方面降低了结合力，另一方面由于结构的塑性变形 而在测量中产生滞后现象。应该注意，考虑到活性硬焊料或钎料在焊 接之前通常为足够均匀的即无定形或细晶材料，其可免于此类问题。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种组件和一种压力测量单元及其制 造工艺，从而上述现有技术的缺点可以得到克服。

根据本发明的的目的通过独立权利要求1所限定的组件、独立权 利要求14限定的压力测量单元和独立权利要求15限定的方法来实现。

本发明的组件包括第一陶瓷体和第二陶瓷体，其中第一陶瓷体和 第二陶瓷体通过接合部连接，其中接合部包含活性硬焊料或钎料，其 中活性硬焊料或钎料有连续的核心体积，在每种情况下，核心体积与 第一陶瓷体和第二陶瓷体间隔开至少1μm，特别地至少2μm，其中接 合部有第一边界层和第二边界层，邻接第一陶瓷体或第二陶瓷体，其 中根据本发明的核心体积包括至少50％的接合部体积并没有尺寸大于 6μm的结晶相，特别没有大于4μm的结晶相，优选没有大于2μm的结 晶相。

另一方面，本发明的组件包括第一陶瓷体和第二陶瓷体，其中第 一陶瓷体和第二陶瓷体通过一个接合部连接，接合部包含活性硬焊料 或钎料，其中活性硬焊料或钎料平均分配在整个连续的核心体积，在 每种情况下，核心体积与第一陶瓷体和第二陶瓷体间隔开至少1μm， 特别地至少2μm。活性硬焊料或钎料具有液相线温度为T₁(C_K)的平均成 分(average composition)C_K，其中C_K：＝(c_K1，...，c_KN)，其中|C_K|＝1， 其中，C_Ki是核心体积中活性硬焊料或钎料的平均成分的各成分K_i的化 学计量份额，i＝1，...，N，其中接合部有第一边界层和第二边界层，其 邻接第一陶瓷体或第二陶瓷体。根据本发明，至少一个位于核心体积 之外的边界层有液相线温度为T₁(C_G)的平均成分C_G，液相线温度T₁(C_G) 在核心体积平均成分C_K的液相线温度T₁(C_K)以下，不小于20K，优选 地是不小于40K，特别优选地是不小于80K，其中C_G：＝(c_G1，...，c_GN)， 其中|C_G|＝1，其中，C_Gi是边界层中活性硬焊料或钎料的平均成分的各 成分K_i的化学计量份额，i＝1，...，N。

在本发明的进一步的改进中，至少一个边界层的厚度不大于3μm， 特别地不大于2μm，优选地不大于1μm。

在本发明的进一步的改进中，接合部是环形，其中核心体积由旋 转体限定，旋转体由凸多边形，特别是矩形，绕环形的旋转主轴的旋 转而形成。

在本发明的进一步的改进中，随着成分从C_G到C_K的变化液相线 温度从T₁(C_G)单调上升至T₁(C_K)。

在本发明的进一步的改进中，成分C_G有液相线温度T₁(C_G)，所述 液相线温度T₁(C_G)位于成分空间中具有成分C_e的共晶点或与共晶谷最 近的交叉点的液相线温度T₁(C_e)之上，不大于300K，特别地不大于 150K，优选地不大于50K，其中C_e：＝(c_e1，...，c_eN)，其中|Ce|＝1，其中， C_ei是在共晶点处或与共晶谷最近的交叉点处的各成分Ki的化学计量 份额，i＝1，...，N。

在本发明的进一步的改进中，接合部的合金在成分空间中的共晶 点处或与共晶谷最近的交叉点处具有成分C_e，其中，C_e：＝(c_e1，...，c_eN)， 其中，|C_e|＝1，其中，C_ei是在共晶点处或与共晶谷最近的交叉点处的各 成分Ki的化学计量份额，i＝1，...，N，其中，成分C_e和成分C_G之间的 差利用归一化向量差D_eG表示，其中：C_e＝C_G+a_eG*D_eG，|D_eG|＝1，其 中，所述成分C_K和成分C_G之间的差利用归一化向量差D_KG表示，其 中：C_K＝C_G+a_KG*D_KG，|D_KG|＝1，其中，a_eG和a_KG是正标量，其中， 对内积S_eK＝D_eG·D_KG：S_eK＜0，特别S_eK＜-0.5，优选S_eK＜-0.8。

在本发明的进一步的改进中，核心体积的成分C_k包含边界层的成 分C_G也包含的金属。

在本发明的进一步的改进中，第一陶瓷体和/或第二陶瓷体包含三 氧化二铝。

在本发明的进一步的改进中，活性硬焊料或钎料包含锆、镍和钛。

在本发明的进一步的改进中，成分C_k主要包含锆和镍，例如，特 别地化学计量配比值是3∶1，锆份额例如占比76at％(原子百分比)， 镍份额例如占比24at％。

在本发明的进一步的改进中，边界层具有成分C_G，例如，其包括 42-52at％的锆、23-28at％的镍和24-30at％的钛，特别地，47at％的 锆、26at％的镍和27at％的钛，在给定的情况下，铝扩散进去，其中 在一些铝存在的情形中，特别地钛份额从上述的规格降低。

在本发明的进一步的改进中，接合部的两个边界层具有成分C_G。

本发明的压力测量单元包括本发明的组件，其中第一陶瓷体是压 力测量单元测量膜的膜主体，第二陶瓷体是压力测量单元的平台，平 台和测量膜通过环形接合部压密地相互连结在一起。

用于制造本发明的特殊组件的本发明的方法，其中组件包括第一 陶瓷体和第二陶瓷体，其中第一陶瓷体和第二陶瓷体通过利用活性硬 焊或钎料的方法连结，该方法包括以下步骤：

在所述陶瓷体之间提供所述活性硬焊料或钎料，其中，所述活性 硬焊料或钎料平均分配在连续核心体积上，平均成分C_K0具有液相线温 度T₁(C_K0)，其中C_K0：＝(c_K01，...，c_K0N)，其中|C_K0|＝1，并且其中C_Ki是 所述核心体积中的活性硬焊料或钎料的平均成分的各成分K_i的化学计 量份额，i＝1，...，N，其中，所述活性硬焊料或钎料在其朝向所述陶瓷 体的至少一个表面具有边界层，该边界层具有平均成分C_G0，其中，所 述成分C_G0具有液相线温度T₁(C_G0)，所述液相线温度T₁(C_G0)位于主要 体积的平均成分C_K0液相线温度T₁(C_K0)以下，不小于20K，优选地不 小于40K，并且特别优选地不小于80K，其中，C_G0：＝(c_G01，...，c_G0N)， 其中|C_G0|＝1，并且其中，C_G0i是所述边界层中的活性硬焊料或钎料的平 均成分的各成分Ki的化学计量份额，i＝1，...，N；以及

用真空硬焊接、钎接工艺加热陶瓷体和活性硬焊料或钎料，直到 熔化成分C_G0，边界层熔化，向核心体积转移，使与核心体积的材料混 合，因此边界层的液相线温度增高，使得边界层至少部分地等温凝固 或变得更有黏性。

在本发明的进一步的改进中，提供的活性硬焊料或钎料包括：利 用具有成分C_G0的边界层，具有成分C_K0的焊剂预型通过气相沉淀—— 例如通过溅射——涂覆在至少一个表面上，优选地在两个相对的表面 上。

在本发明的进一步的改进中，提供活性硬焊料或钎料包括陶瓷体 的至少一个表面部分，特别地两个陶瓷体的相对的两个面，涂覆有具 有成分为C_G0的边界层，例如通过气相沉淀，特别通过溅射进行涂覆。 在本方法进一步改进的实施例中，在设有边界层的陶瓷体之间布置一 个焊剂预型，其包括成分为C_K0的核心体积，在给定情况下，焊剂预型 涂有成分为C_G0的边界层。

在本发明的进一步的改进中，成分C_K0包括化学计量比为3比1 的锆和镍，例如，20at％-30at％的镍和其余的锆，特别例如22at％-26 at％的镍，优选24at％的镍。

在本发明的进一步的改进中，成分C_G0包括，例如，42-52at％的 锆，23-28at％比例的镍和24-30at％的钛，例如，45-49at％的锆， 24.5_-27at％比例的镍和26-29.5at％的钛，优选地是47at％的锆，26at ％的镍和27at％的钛。

附图说明

现在将根据附图中示出的实施例的示例进行说明，其中：

图1镍-钛-锆三元组简化图(见Gupta，K.P.：The Ni-Ti-Zr  system(nickel-titanium-zirconium).Journal of Phase Equilibria， 20(4)：441-448，Aug 1999)；

图2本发明压力测量单元的纵截面；

具体实施方式

图1中所示的镍-钛-锆三元组简化图基于Gupta的数据(Journal of  Phase Equilibria，20(4)，P441-448，1999，8)。该图示出了共晶点E的位 置和不同的共晶谷。共晶谷中的箭头指向较低的液相线温度。

基于这些数据，根据本发明，提供活性硬焊料或钎料的核心体积， 这决定了以之形成的接合部的机械性能，核心体积具有成分C_K0，例如 作为焊剂预型，其中核心体积的表面被涂覆有成分为C_G0的边界层，其 中后者的成分较之核心体积的成分具有显著低的熔点。

特别是边界层的成分C_G0可被选择位于或靠近共晶点，如图1中 所示。适当的成分C_G0包含如47at％的锆、26at％的镍和27at％的钛。 相关联的液相线温度例如可达770℃。

与此不同，具有76at％的锆和24at％的镍的核心体积成分的液相 线温度例如是960℃。

相应地，以800℃至850℃的焊接温度，边界层能够容易地熔化， 而不熔化活性硬焊料或钎料的核心体积。

因此，在焊接时，核心体积的细晶或非晶结构能够被保持。在给 定情况下，仅仅在边界层和核心体积之间的界面，在核心体积和边界 层之间发生材料互换，使得边界层的局部经历液相线温度上升，这取 决于选择的焊接温度，实现边界层的一些区域变为等温凝固或黏化。 然而，在任何情况下，核心体积的结构几乎不变化。

作为这个过程应用的实例，压力测量单元的各部件被连结。图2 显示连结前的布置。压力测量单元包括陶瓷平台1和测量膜2。它们每 个由氧化铝组成。测量膜2和平台将通过活性硬焊料或钎料接合，其 中活性硬焊料或钎料以环形焊剂预型3提供，例如具有20μm的厚度， 其中边界层4、5通过溅射沉积在焊料环的两个端面，厚度为1μm至 2μm。

焊剂预型具有上面描述的成分为C_K0的核心体积，锆和镍的化学 计量比值例如3∶1。与此不同，边界层具有成分C_G0，其靠近或位于共 晶点E处。

通过在高真空中焊接，例如，850℃，边界层3、4与平台1和测 量膜2反应，使得形成接合部，其中活性硬焊料或钎料的核心体积没 有熔化，并且基本保持其非晶结构。测量膜和平台各承载电容换能器 的电极7、6，其中例如通过沉积镍来制备电极。