Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Glasschicht mit einem metallischen Substrat. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch isolierenden Schicht für eine Dünnschicht-Messanordnung sowie eine

Dünnschicht-Messanordnung mit mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht aus Glas.

Aus dem Stand der Technik ist das Verschweißen von Glas mit Metallen bekannt, wo- bei die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden zu verbindenden Werkstoffe aufeinander angepasst werden. Durch die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird verhindert, dass nach dem Schweißvorgang oder bei einem nachträglichen Wärmeeintrag die Verbindung zwischen Glas und Metall versagt. Beispielsweise geht aus der DE 10 2012 206 201 A1 ein Bauteil hervor, das ein erstes Teil aus Glas und ein zweites Teil aus Metall sowie eine Glas-Metall-Verbindung enthält. Das Glas weist dabei die folgende Zusammensetzung auf: 0-3 Gew.-% B2O3, 1- 4 Gew.-% AI2O3, 8-16 Gew.-% Na ₂ 0, 1-9 Gew.-% K2O, 0-5 Gew.-% CaO, 0-5 Gew.- % MgO, 0-2 Gew.-% BaO, 0-4 Gew.-% SrO und der Rest ist S1O2. Ferner beträgt der Eisenanteil im Glas weniger als 400 ppm. Darüber hinaus unterscheiden sich das Glas und Metall im thermischen Ausdehnungskoeffizienten um nicht mehr als 10%.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Verbinden einer Glasschicht mit einem metallischen Substrat derart weiterzuentwickeln, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Werkstoffe, nämlich des Glases und des Metalls nicht aufeinander angepasst werden müssen.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen An- sprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden einer Glasschicht mit einem metallischen Substrat wird als Glasschicht ein Dünnglas mit einer Dicke von weniger als 200 pm verwendet, wobei das Dünnglas auf das metallische Substrat ge- presst wird, und wobei Laserstrahlung zur Herstellung einer zumindest stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Dünnglas und dem metallischen Substrat verwendet wird. Dabei wird unter einem„Dünnglas" eine Lage aus Glas verstanden, die selbst- tragend ist und als eine Einheit gehandhabt und auf das metallische Substrat aufgelegt werden kann. Derzeit ist solches Dünnglas in einer minimalen Dicke von etwa 20 pm verfügbar.

Eine Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Werkstoffe, nämlich des Glases und des Metalls, ist aufgrund der Verwendung der Laserstrahlung und des Dünnglases nicht notwendig. Es erfolgt ein kraft- und vibrationsfreies Fügen von Metall und Dünnglas. Zumindest einer der beiden Fügepartner oder beide Fügepartner werden mittels Laserstrahlung erwärmt und in eine teils stoff- und teils formschlüssige Verbindung miteinander gebracht. Die Verwendung von Laserstrahlung zum Fügen der beiden Werkstoffe ermöglicht deutliche kürzere Prozesszeiten, wobei die Verbindung zwischen den beiden Werkstoffen präzise und ortsgenau hergestellt wird.

Insbesondere weist das Dünnglas eine Dicke von weniger als 50 m auf. Derart dün- ne selbsttragende Lagen aus Glas werden auch als„Dünnstglas" bezeichnet. Der Einsatz von derart dünnen Gläsern kann es ermöglichen, dass bis zu einem höheren Grad Unterschiede in der thermischen Längenausdehnungen der unterschiedlichen zu verbindenden Werkstoffe toleriert werden. Durch die Laserstrahlung und die Verwendung von Dünnglas, insbesondere Dünnstglas, sind auch Verbindungen mit nicht-ebenen Oberflächen von metallischen Substraten möglich. Insbesondere weist das metallische Substrat mindestens eine gekrümmte Oberfläche auf, mit welcher das Dünnglas, insbesondere Dünnstglas, verbunden wird. Beispielsweise kann das Dünnglas mittels des erfindungsgemäßen Ver- fahrens auf eine gekrümmte metallische Oberfläche aufgebracht werden.

Vorzugsweise wird das Dünnglas, insbesondere Dünnstglas, berührungslos auf das metallische Substrat gepresst. Insbesondere wird das Dünnglas, insbesondere Dünnstglas, berührungslos mittels Druckluft auf das metallische Substrat gepresst. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Laserstrahlung von einem C02-Laser bereitgestellt. Bevorzugt wird das Dünnglas mittels der Laserstrahlung des C02-Lasers erwärmt. Durch Wärmeleitung zwischen dem Dünnglas und dem metalli- sehen Substrat wird indirekt auch das metallische Substrat erwärmt. Die Prozesszeit zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Dünnglas und dem metallischen Substrat mittels der Laserstrahlung des C02-Lasers beträgt insbesondere weniger als 10 Sekunden. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Laserstrahlung von einem Festkörperlaser bereitgestellt.

Vorzugsweise wird eine an dem Dünnglas und/oder an dem metallischen Substrat ausgebildete Zwischenschicht, die zwischen dem Dünnglas und dem metallischen Substrat angeordnet wird, mittels der Laserstrahlung direkt oder indirekt erwärmt. Die Prozesszeit zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Dünnglas und dem metallischen Substrat beispielsweise mittels der Laserstrahlung des Festkörperlasers, wobei die Zwischenschicht direkt erwärmt wird, beträgt insbesondere weniger als eine halbe Sekunde.

Bevorzugt wird die Zwischenschicht an dem Dünnglas und/oder an dem metallischen Substrat vor dem Fügen, insbesondere durch Materialabtrag mittels Laserstrahlung, aufgeraut. Dabei erfolgt eine Veränderung, insbesondere laserbasierte Ablation, vorzugsweise an der Oberfläche des metallischen Substrats, sodass eine Art Verzahnung ausgebildet wird, die eine zumindest teilweise formschlüssige Verbindung der beiden Fügepartner ermöglicht. Mithin wird durch diese Veränderung der Oberfläche^) die stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern unterstützt.

Ferner bevorzugt wird zwischen dem Dünnglas und dem metallischen Substrat eine Zwischenschicht in Form eines Glaslots vorgesehen, wobei das Glaslot mittels der Laserstrahlung erwärmt wird. Insbesondere wird das Glaslot zur Verringerung der Fügetemperatur zwischen dem Dünnglas und dem metallischen Substrat verwendet. Zur Erwärmung des Glaslotes wird die Wellenlänge der Laserstrahlung derart eingestellt, dass diese für das Dünnglas transparent ist und somit das Dünnglas nicht erwärmt. Mithin wird vorzugsweise nur das Glaslot erwärmt, wobei eine Schmelztemperatur des Glaslotes kleiner als eine jeweilige Schmelztemperatur der beiden Fügepartner ist. Das Glaslot ist insbesondere als Vermittlerschicht zwischen dem metallischen Substrat und dem Dünnglas vorgesehen und verringert zusätzlich den Einfluss der beiden unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Fügepartner.

Glaslote besitzen eine niedrige Erweichungstemperatur, so dass eine Verbindung von unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden kann, ohne dass die zu verbindenden Bauteile dabei thermisch geschädigt werden. Ein hier geeignetes Glaslot ist beispielsweise unter der Bezeichnung G018-249 von der Fa. Schott AG erhältlich. Es handelt sich um ein bleifreies Lotglas mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten a2o-3oo (IS07991 ) von 10, 1 * 10 ^"6 Κ ^"1 und enthält AI2O3, B2O3, S 1O2, ZnO

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer elektrisch iso- lierenden Schicht für eine Dünnschicht-Messanordnung wird als elektrisch isolierende Schicht eine Glasschicht aus Dünnglas mit einer Dicke von weniger als 200 pm verwendet, wobei die elektrisch isolierende Schicht auf ein metallisches Substrat ge- presst wird, und wobei Laserstrahlung zur Herstellung einer zumindest stoffschlüssigen Verbindung zwischen der elektrisch isolierenden Schicht und dem metallischen Substrat verwendet wird, wobei die elektrisch isolierende Schicht dazu vorgesehen ist, an einer von dem metallischen Substrat abgewandten Seite mindestens einen Dehnungsmessstreifen aufzunehmen.

Ein solcher Dehnungsmessstreifen ist insbesondere durch eine strukturierte metallische Dünnschicht auf der elektrisch isolierenden Schicht gebildet. Als Verfahren zur Ausbildung eines Dehnungsmessstreifens in Dünnschichttechnik kommt beispielsweise ein PVD-, CVD- oder PACVD-Verfahren in Betracht.

Eine erfindungsgemäße Dünnschicht-Messanordnung weist mindestens eine elektrisch isolierende Schicht aus Dünnglas mit einer Dicke von weniger als 200 pm auf, wobei die Dünnschicht-Messanordnung nach dem zuvor genannten Verfahren hergestellt ist. Weiterhin weist die Dünnschicht-Messanordnung mindestens einen Dehnungsmesstreifen und das metallische Substrat auf, optional weiterhin eine Zwischenschicht zwischen Dünnglas und Substrat. Das erfindungsgemäße Verfahren wir somit bevorzugt für die Herstellung von Senso- rik verwendet, beispielsweise zur Herstellung von Isolatorschichten auf Glasbasis. Insbesondere kann die Isolatorschicht aus Dünnglas zur Aufnahme von Dehnungs- messstreifen auf Stahlwellen eingesetzt werden. Ferner ist es aber auch denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren zur Verkapselung von organischen LEDs zu verwenden. Dadurch kann insbesondere die Lebensdauer der organischen LEDs verlängert werden.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Dabei zeigt

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des

Aufbaus einer erfindungsgemäßen Dünnschicht-Messanordnung;

Figur 2 eine Dünnschicht-Messanordnung auf einem gekrümmten metallischen

Substrat; und

Figur 3 eine weitere schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des

Aufbaus einer erfindungsgemäßen Dünnschicht-Messanordnung.

Gemäß der Figur 1 weist die erfindungsgemäße Dünnschicht-Messanordnung ein metallisches Substrat 2 (gezeigt im Schnittbild) auf, wobei auf dem metallischen Substrat 2 eine elektrisch isolierende Schicht 1 aus Glas ausgebildet ist. Ferner sind an einer von dem metallischen Substrat 2 abgewandten Seite der elektrisch isolierenden Schicht 1 mehrere Dehnungsmessstreifen 3 angeordnet.

Vorliegend ist das metallische Substrat 2 als - nicht weiter dargestellte - Getriebewelle ausgebildet. Mittels der Dünnschicht-Messanordnung, die auf der Getriebewelle integriert ist, können auf die Getriebewelle einwirkende Kräfte oder Drehmomente schnell und mit einer hohen Präzision erfasst werden. Insbesondere werden durch die erfindungsgemäße Dünnschicht-Messanordnung Möglichkeiten der Dehnungs- und Kraftmessung möglich, die mit geklebten Dehnungsmessstreifen auf Grund der begrenzten Lebensdauer unmöglich sind. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der elektrisch isolierenden Schicht 1 für die Dünnschicht-Messanordnung, wird Dünnglas mit einer Dicke von weniger als 200 pm berührungslos mittels Druckluft auf das metallische Substrat 2 gepresst. Laserstrahlung wird zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwi- sehen dem Dünnglas und dem metallischen Substrat 2 verwendet. Beispielsweise wird die Laserstrahlung von einem C02-Laser bereitgestellt, wobei das Dünnglas mittels der Laserstrahlung des C02-Lasers erwärmt wird, um die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Dünnglas und dem metallischen Substrat 2 auszubilden. Im Falle einer alternativen Erwärmung über Festkörperlaser erfolgt eine Erwärmung indirekt über das Substrat. Mithin wird die Verbindung zwischen dem metallischen Substrat 2 und der elektrisch isolierenden Schicht 1 aus Glas mittels Laserfügen hergestellt. Ferner werden auch die Dehnungsmessstreifen 3 mittels Laserfügen mit der elektrisch isolierenden Schicht 1 verbunden.

Die Figur 2 zeigt eine weitere Dünnschicht-Messanordnung mit einem metallischen Substrat 2, wobei auf einer gekrümmten Oberfläche 2a des metallischen Substrats 2 eine elektrisch isolierende Schicht 1 aus Dünnglas ausgebildet ist. Das metallische Substrat 2 ist hier in Form eines Lagerrings für ein Wälz- oder Gleitlager ausgebildet. Das metallische Substrat kann aber auch als Wälzkörperkäfig oder Wälzkörper vorliegen, beispielsweise als Wälzkörper in Kugelform, Tonnenform, Kegelstumpfform, Zylinderform und dergleichen. Ferner ist an einer von dem metallischen Substrat 2 abgewandten Seite der elektrisch isolierenden Schicht 1 ein mäanderförmig ausgebildeter Dehnungsmessstreifen 3 angeordnet. Der Dehnungsmessstreifen 3 ist in Dünnschichttechnik mittels eines PVD- oder CVD- oder PACVD-Verfahrens auf der elektrisch isolierenden Schicht 1 aufgebracht.

Figur 3 zeigt eine Dünnschicht-Messanordnung mit einem metallischen Substrat 2 im Schnittbild, wobei auf dem metallischen Substrat 2 eine elektrisch isolierende Schicht 1 aus Glas ausgebildet ist. Ferner sind an einer von dem metallischen Substrat 2 ab- gewandten Seite der elektrisch isolierenden Schicht 1 mehrere Dehnungsmessstreifen 3 angeordnet. Zwischen der elektrisch isolierenden Schicht 1 aus Dünnglas und dem metallischen Substrat 2 ist eine Zwischenschicht 4, hier aus einem Glaslot angeordnet. Das Glaslot wurde mittels eines Festkörperlasers direkt erwärmt und erschmolzen, um das elektrische Substrat 2 und das Dünnglas zu fügen. Bezugszeichenliste

1 elektrisch isolierende Schicht

2 metallisches Substrat

2a gekrümmte Oberfläche

3 Dehnungsmessstreifen

4 Zwischenschicht