[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontaktierungsvorrichtung, insbesondere zur
temperaturfesten und später leicht wieder lösbaren, elektrischen Kontaktierung in
Bereichen in denen durch anwendungsbedingte Gegebenheiten hohe Temperaturen herrschen.
Die Bauart der Vorrichtung ermöglicht eine lösbare Kontaktierung vieler hinter- und
nebeneinander angeordneter Kontaktpunkte mit von den Umgebungsbedingungen unabhängiger,
konstanter Anpresskraft.
Beschreibung und Einleitung des allgemeinen Gebietes der Erfindung
[0002] Elektrische Kontaktierungen haben die Aufgabe Strom von einem Bauteil zum nächsten
weiterzuleiten und dabei einen möglichst kleinen Eigenwiderstand aufzuweisen. Für
Bauteile, die nicht fest mit einer Anlage verbunden sein sollen ist es wichtig, diese
Kontakte schließ- und lösbar zu gestalten. So können Teile nach Belieben ein- und
ausgebaut, sowie gewechselt werden. In einem solchen Fall wird die elektrisch leitende
Verbindung durch eine Anpresskraft erzeugt. Quelle dieser Kraft sind meist die elastischen
Eigenschaften eines verformten Metallbauteils (Federkraft). Ein Druckkontakt hat weiterhin
den Vorteil eine direkte Verbindung aus zwei Materialien zu sein. Lot, Flussmittel
oder andere flüchtige Substanzen kommen nicht zum Einsatz. Die Möglichkeit des Wire
Bonding ist ebenfalls eine direkte Verbindungsart, jedoch erfordert sie teures Equipment,
ist zeitaufwendig und die Verbindung ist nicht zerstörungsfrei lösbar. In diesem speziellen
Fall wurde eine Vielfachdruckkontaktvorrichtung für ein differentiell messendes Chipkalorimeter
benötigt, die ihre Funktion, unabhängig von der Temperatur im Bereich des Kontaktes,
konstant beibehält. Zu kontaktieren waren auf Standard-Chip-Trägerplatten aufgebrachte,
metallene Leiterbahnkontaktflächen, auf die der Anpressdruck ausgeübt werden muss.
In der Messkammer werden am Kontaktpunkt auswechselbare Sensor-Chips mit Leitungen
verbunden, die die Messsignale der Chips an die Messperipherie weiterleiten. Da nach
jeder Messung neue Messchips verwendet werden, müssen die Kontakte lösbar sein. Ferner
soll die Apparatur unter Vakuumbedingungen operabel sein, so dass keine verdampfenden
Substanzen verwendet werden dürfen.
Stand der Technik
[0003] Zur Kontaktierung von Verbindungsleitungen mit Messsonden, die unter Hochtemperaturbedingungen
arbeiten ist bekannt, den Kontaktpunkt in einen kalten Bereich zu verlegen, um dort
den Kontaktdruck mit metallischen Federn unterschiedlicher Ausführung zu erzeugen.
Ist der Kontaktpunkt bauartbedingt hohen Temperaturen ausgesetzt, so werden Federn
aus temperaturstabilen Legierungen verwendet, die ihre elastischen Eigenschaften erst
bei höheren Temperaturen verlieren. Bis ca. 500 °C gibt es hierfür geeignete Legierungen.
Für noch höhere Temperaturen ist bekannt, Keramikteile für die Klemmwirkung zu verwenden,
da diese eine noch höhere Temperaturstabilität aufweisen. Allerdings ist bei Keramiken
der elastisch verformende Bereich sehr gering, so dass die Kontakte sehr genau gefertigt
werden müssen. Problematisch ist auch ein Betrieb über einen weiten Temperaturbereich
hinweg, da durch unterschiedliche thermische Ausdehnung der Keramik und des Metalls
der Anpressdruck abnehmen oder der Kontakt sogar gänzlich abbrechen kann. Dies führt
zu Messfehlern oder Signalausfällen. Beim Einbauen der Messsonde werden durch enge
Passung und den wirkenden Anpressdruck die Kontaktpunkte zerkratzt, was auch zu Kontaktproblemen
während des Betriebs führen kann. In der bekannten Ausführungsform (
DE000019740456A1) muss der Kontakt außerdem gefügt werden, wodurch er schwer zu lösen ist. Das Funktionsprinzip
dieser Erfindung lässt sich außerdem nicht ohne weiteres von dem stabförmigen Sensorelement
auf eine flache Kontaktplatte, die vertikalen Anpressdruck erfordert übertragen. Der
Bedarf einer Vorrichtung, die mindestens einen schnell lösbaren, elektrischen Kontakt
herstellt, der bei Temperaturen über 500°C dauerhaft funktionstüchtig bleibt ist derzeit
nicht gedeckt.
Aufgabe
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es mindestens einen, gut aber auch viele elektrische,
leicht lösbare Kontakte zu erzeugen, die bei Umgebungstemperatur bis hin zu hohen
Temperaturen dauerhaft, konstant funktionsfähig bleiben. Es sollen so insbesondere
standardisierte Trägerplatten mit üblichem 1 inch (2,54mm) Kontaktflächenabstand kontaktiert
werden. Der Kontakt soll dabei bis mindestens 1000 °C funktionieren. Für die differentielle
Messung ist es außerdem erforderlich zwei Sensorchips absolut symmetrisch einzubauen
und mit jeweils 12 Kontakten anschließen zu können. Die Chips befinden sich im Inneren
eines Hochtemperaturofens mit zwei seitlichen Ein-/Auslässen für Gas/Vakuum und die
elektrischen Leitungen. Die Leiterbahnkontaktflächen der Grundplatte müssen mit zur
Platte senkrechtem Druck kontaktiert werden, was bei symmetrischer Einbaulage und
zur Grundplatte horizontalen Einlässen ein weiteres zu lösendes Problem darstellt.
Lösung der Aufgabe
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung, in der temperaturfeste
Materialien mit verschiedenen mechanischen und elektrischen Eigenschaften kombiniert
werden, um eine später leicht wieder lösbare Druckkontaktierung für mindestens einen
elektrischen Kontakt zu erzeugen. Es ist vorgesehen, dass die wichtigen Funktionen
eines Druckkontaktes, nämlich der mechanische Druck und die elektrische Weiterleitung
entkoppelt werden. Die nötige Druckkraft für den Kontakt wird außerhalb des heißen
Bereichs durch Federn (11), Schrauben, Aktoren oder Schwerkraft aufgebaut. Dadurch
bleibt der Druck auch bei Temperaturänderungen im Kontaktbereich konstant und kann
beliebig eingestellt werden. Bei hohen Temperaturen mechanisch stabile Keramikrohre
(6) übertragen die Kraft in den Hochtemperaturbereich. Neben Keramiken sind hier auch
hochtemperaturfeste Legierungen möglich. Von mechanischer Seite wird die maximale
Betriebstemperatur durch die Hochtemperaturkriechfähigkeit des Baustoffes beschränkt.
Die Bauform ist nicht auf Rohre beschränkt, sondern kann den baulichen Gegebenheiten
angepasst werden. Ein elektrisch leitfähiger Platindraht (13) verläuft unbelastet
im Keramikrohr (6) und sorgt für eine konstante Stromleitung. Am Kontaktpunkt (15)
wird er mit definierter Druckkraft aufgepresst. Jegliche hochschmelzenden, gut leitfähigen
Metalle können hier zum Einsatz kommen. In dem Ausführungsbeispiel liegen insgesamt
24 Kontakte mit jeweils eigenem Keramikrohr (6) und Platindraht (13) vor. Alternativ
kann die Kraft aber auch durch ein Bauteil für mehrere Kontakte gleichzeitig übertragen
werden. Das Funktionsprinzip ist nicht auf Sensorchips beschränkt, sondern funktioniert
auch für jegliche andere, elektrisch zu kontaktierende Bauteile.
[0006] Die erfindungsgemäße Lösung die horizontal zu den Leiterbahnkontaktflächen (16) eintreffende
Kraft der Schubstangen (6) in den nötigen senkrechten Anpressdruck umzuwandeln besteht
darin, dass die Kontaktplatten (1,2) an einem fixen Gelenkstift (8) drehbar gelagert
sind und so den horizontal einwirkenden Druck der Schubstangen (6) in einen senkrechten
Anpressdruck auf die Kontaktpunkte (15) umlenken. Zudem kann der Anpressdruck über
das Hebelverhältnis der Druckplatten eingestellt werden. Die Kraftumlenkung ermöglicht
den symmetrischen und zum Ofeneinlass horizontalen Einbau zweier Sensorchips - die
Voraussetzung für differentielle Messungen.
[0007] Die erfindungsgemäße Kontaktierungsvorrichtung kann sehr schmal gebaut sein und erlaubt
so die Kontaktierung mit standardmäßigem 1 Zoll (2,54 mm) Kontaktflächenabstand (Mitte
zu Mitte). Dieser Abstand kann weiter verkleinert werden, wenn die Schubstangen schmaler
ausgeführt werden, sowie die Platindrähte dünner werden oder durch dünnschichtige
Leiterbahnen ersetzt werden. Um die Kontaktdichte weiter zu erhöhen, können auf der
Trägerplatte zwei oder mehr Reihen seitlich versetzter Kontaktflächen sein. Damit
trotzdem alle Kontakte nach dem erfindungsgemäßen Prinzip erreicht werden, kommen
unterschiedliche Kontaktplatten zum Einsatz. Sie unterscheiden sich in der Position
des Verbindungspunktes zwischen Schubstange (6) und Druckplatte (1,2). Der Verbindungspunkt
liegt unterschiedlich hoch, damit zum einen die Stangen räumlich übereinander verlaufen
können und zum anderen die Hebelverhältnisse bei jeder Kontaktreihe gleich sind. Außerdem
sind die Verbindungspunkte nach vorne bzw. nach hinten verschoben, damit Drähte bei
Kippbewegungen von anliegenden Druckplatten keine Reibung erfahren. Insbesondere handelt
es sich im Ausführungsbeispiel um 2x 12 Kontakte, die in zwei um den halben Kontaktflächenabstand
versetzten Reihen angeordneten sind.
[0008] Ein weiteres Merkmal sind die zwei Bohrungen in den Druckplatten. Die kleinere Bohrung
ist passgenau für den Gelenkstift (8). Alle Druckplatten, die zur Kontaktierung der
oben liegenden Trägerplatte dienen, schwenken um den unteren Gelenkstift. Dadurch,
dass der Drehpunkt unten liegt, wird ein größerer Hebel erzeugt. Die größere Bohrung
ist so positioniert und dimensioniert, dass der obere Gelenkstift den Schwenkradius
auf wenige Grad begrenzt. Für die unten liegende Trägerplatte und ihre Druckplatten
gilt das gleiche Prinzip, nur um 180° gedreht. Oben und unten kontaktierende Druckplatten
sind auf den Gelenkstiften aufgereiht und wechseln sich ab. Die Breite der Druckplatten
ist so angepasst, dass eine Druckplatte einer Seite gleichzeitig als Abstandhalter
zwischen zwei Druckplatten der anderen Seite fungiert.
[0009] Der Einbau von Trägerplatten mit Sensor-Chips erfolgt so, dass die Druckplatten gegen
die Federkraft angehoben werden, die Trägerplatte seitlich geführt bis zum Anschlagpunkt
unter die Druckplatten geschoben wird und zum Schluss die Druckplatten losgelassen
werden. Daraufhin drücken sie auf die entsprechenden Leiterbahnkontaktflächen. Beim
Ausbau werden die Druckplatten abermals angehoben, damit die Trägerplatte herausgezogen
werden kann. Diese sehr schnelle und einfache Methode ist geeignet für den häufigen
Ein- und Ausbau. Sie hat weiterhin den Vorteil, dass die Druckkraft erst wirkt, wenn
die Kontaktflächen in Position sind. So werden diese nicht zerkratzt und Kontaktprobleme
durch beschädigte Kontaktflächen werden vermieden.
[0010] Je nach konstruktiver Anforderung kann die Kraft-Leitungsentkopplung frei mit der
Kraftumlenkung und der wechselnd versetzten Kontaktierung kombiniert werden, um auf
verschiedenste Kontaktausführungen für mindestens ein zu kontaktierendes Bauteil angepasst
zu werden.
[0011] Wichtig ist auch die Materialwahl. Die Nutzung von keramischen Werkstoffen bietet
nicht nur den Vorteil, dass sie hochtemperaturstabil sind, sondern die meisten Keramiken
(hier Aluminiumoxid) sind gleichzeitig exzellente elektrische Isolatoren. Dadurch
verhindern die keramischen Schubstangen und Druckplatten auch elektrische Kurzschlüsse
und schirmen die Messleitungen sehr gut gegeneinander ab. Von elektrischer Seite wird
die maximale Betriebstemperatur der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch sich ändernde
Leitungseigenschaften der Isolierenden Teile begrenzt (hier bei Aluminiumoxid ca.
1200°C).
Ausführungsbeispiele
[0012] Figur 2 zeigt die vereinfachte Darstellungen eines Ausführungsbeispiels für einen
lösbaren Hochtemperaturvielfachkontakt, wie er in einem differentiell messenden Chipkalorimeter
zur Anwendung kommt. Es sind 24 Kontakte (16), 12 pro Seite, in einem Kontakt- und
Gestängeaufnahmerohr (3) von 28mm Durchmesser realisiert. Die kleinen Druckplatten
(1) erreichen die Leiterbahnkontaktflächen (16) der vorderen Kontaktreihe. Ihre Schubstangen
(6) setzten unten, hinten an. Die großen Druckplatten (2) sind für die hintere Leiterbahnkontaktflächenreihe.
Ihre Schubstangen (6) verlaufen weiter oben und enden weiter vorne. Damit behindern
sich weder Schubstangen noch Platindrähte (13) bei Kippbewegungen um die jeweiligen
Gelenkstifte (8). Die Platindrähte (13) verlaufen geschützt und isoliert in Kapillaren
der Schubstangen (6), treten an deren Ende aus und sind an den Drahtdurchführungsbohrungen
(9) der Druckplatten (1,2) so befestigt, dass sie sich am Kontaktpunkt zwischen Druckplatte
(1,2) und Kontaktfläche (16) befinden. In diesem Fall wird die Kraft durch Spiraldruckfedern
(11) erzeugt, durch die Schubstangen (6) weitergeleitet und an den Druckplatten (1,2)
in einen vertikal zur Chipträgerplatte (7) wirkenden Druck umgelenkt. Dieser presst
den Platindraht (13) auf den Kontaktpunkt (15) der Chipträgerplatte (7) auf der der
Hochtemperatur Sensor-Chip (10) montiert ist. Die Druckplatten sind mit einer kleinen
Einkerbung vom halben Drahtdurchmesser versehen, so dass der Platindraht beim Chipeinbau
nicht unbeabsichtigt aus seiner Position verrutschen kann. Druckplatten für den oberen
und den unteren Sensor-Chip wechseln sich ab. Zentrierscheiben (4) halten das Druckplattenpaket
mittig im Aufnahmerohr (3). Während die Druckplatten (1,2) hoch gedrückt werden, hilft
der Schieber (5) beim Einführen der beiden Chipträgerplatten (7) und verhindert danach,
dass die positionierten Platten nach unten gedrückt werden. Das Kontakt- und Gestängeaufnahmerohr
(3) ist an einem Gegenlager (14) aus Aluminium befestigt, in dem auch die Spiralfedern
(11) gehalten sind. Isolationshülsen verhindern elektrischen Kontakt der Platindrähte
(13) mit dem Gegenlager (14) und den Federn (11). Die gesamte Vorrichtung ist so positioniert,
dass sich die Sensor-Chips (10) auf den Standard-Trägerplatten (7) mittig in einem
Hochtemperaturofen befinden. Die Spiralfedern (11) befinden sich deutlich an Raumtemperatur,
außerhalb des Ofens, wo sie konstanten Druck ausüben, der über die beschriebene Vorrichtung
in den heißen Bereich übertragen wird. Das Ausführungsbeispiel ist größten Teils aus
Aluminiumoxid gefertigt. Damit liegt die Betriebstemperatur bei ca. 1200°C. Mit anderen
Materialien ließe sich diese Temperatur noch weiter erhöhen ohne das Funktionsprinzip
zu ändern.
[0013] In der Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt. Im kalten
Bereich (-200 °C bis 800 °C bevorzugt 500 °C) wird gegen eine Grundplatte
107 eine Krafterzeugungseinrichtung
101 (federelastisches Element z.B. Spiralfeder oder gebogene Bleche aus Metall oder Metalllegierungen)
mit einer Kraftübertragungseinrichtung
102 (z.B. Schubstange aus Keramik) verbunden. Die Kraft der Feder
101 wirkt dabei in Richtung
108. Die Kraftübertragungseinrichtung
102 ermöglicht den Übergang vom kalten Bereich in einen heißen Bereich (800 °C bis 1500
°C). Im heißen Bereich befindet sich ein Element
103 (z.B. Kontaktplatte), dass eine zur Krafteinwirkung exzentrische Bohrung
105 aufweist. Damit entsteht ein Drehmoment, dass dafür ausgenutzt wird, um eine Kraftumlenkung
in Richtung
109 zu bewirken. Es entstehen dadurch eine Anpresskraft und ein Anpressdruck auf das
Element
104 (z.B. ein Sensor) an der Kontaktstelle
110. Dieser Druck wird dafür verwendet, um ein elektrisch leitfähiges Material
106 auf das Element
104 zu pressen. Bei mehreren Kontaktstellen
110 auf dem Element
104 werden mindestens ein Element
105 mit mindestens zwei Kontaktstellen
110 oder mehrere Elemente
105 mit mindestens einer Kontaktstelle
110 verwendet. Damit ist es möglich das Element
104 (z.B. ein Sensor) in einem heißen Bereich (1000 °C bis 1500 °C bevorzugt 1200 °C)
zu kontaktieren. Die Kontaktstellen sind bevorzugt versetzt zueinander angeordnet.
Abbildungslegenden
[0014]
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht und einen A-B Schnitt
Fig. 3 zeigt die Kontaktierung des Chipträgerplatte mit mehreren Kontaktplatten
Fig. 4 zeigt die Gesamtübersicht der Hochtemperaturkontaktierungsvorrichtung
Bezugszeichenliste
[0015]
(1) - Kontaktplatte klein (Keramik)
(2) - Kontaktplatte groß (Keramik)
(3) - Kontakt- und Gestängeaufnahmerohr (Keramik)
(4) - Zentrierscheiben (Keramik)
(5) - Schieber (Keramik)
(6) - Schubstangen (Keramik)
(7) - Chipträgerplatte (Keramik)
(8) - Gelenkstift (Keramik)
(9) - Drahtdurchführungsbohrung
(10) - Hochtemperatur Sensor-Chip
(11) - Spiralfeder
(12) - Isolierhülse
(13) - Platindraht
(14) - Gegenlager
(15) - Kontaktpunkte
(16) - Leiterbahnkontaktflächen
- 101
- Krafterzeugungseinrichtung
- 102
- Kraftübertragungseinrichtung
- 103
- Element
- 104
- Element
- 105
- Bohrung
- 106
- elektrischer Leiter
- 107
- Grundplatte
- 108
- Kraftrichtung
- 109
- Kraftrichtung
- 110
- Kontaktstelle
1. Eine Anordnung zur elektrischen Kontaktierung dadurch gekennzeichnet dass die Anordnung mindestens eine Krafterzeugung (11,101), mindestens eine Kraftübertragungseinrichtung
(6,102), mindestens eine Einrichtung zur Kraftumlenkung (1,2,8,103,105), mindestens
eine Kontaktstelle (15,110) und einen kalten Bereich sowie einen heißen Bereich aufweist.
2. Eine Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass die Anordnung eine Kraftübertragungseinrichtung (6,102) von einem kalten Bereich
in einen heißen Bereich aufweist.
3. Eine Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet dass der kalte Bereich -200 °C bis 800 °C bevorzugt 500 °C und der heiße Bereich 900 °C
bis 1500 °C bevorzugt 1200 °C umfasst.
4. Eine Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass mindestens eine Kontaktstelle (15,110) im heißen Bereich 900 °C bis 1500 °C bevorzugt
1200 °C angeordnet ist.
5. Eine Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet dass die Kraftübertragungseinrichtung (6,102) ein Rohr oder eine Stange aus Keramik umfasst.
6. Eine Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet dass die Einrichtung zur Kraftumlenkung (1,2,8,103,105) mindestens eine Keramikplatte
oder mindestens einen Keramikblock mit mindestens einer Kontaktstelle (15,110) und
mindestens einer Bohrung umfasst.
7. Eine Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet dass bei mehreren Kontaktstellen (15,110) diese versetzt angeordnet sind.
8. Eine Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet dass die Anordnung bei mehreren Keramikplatten (1,2,103) so ist, diese als Abstandhalter
wirken.
9. Ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung dadurch gekennzeichnet dass die in einem kalten Bereich erzeugte Kraft mittels mindestens einer Kraftübertragungseinrichtung
(6,102) in einen heißen Bereich geleitet wird.
10. Ein Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet dass der kalte Bereich -200 °C bis 800 °C bevorzugt 500 °C und der heiße Bereich 900 °C
bis 1500 °C bevorzugt 1200 °C umfasst.
11. Ein Verfahren nach Ansprüchen 9 bis 10 dadurch gekennzeichnet dass die übertrage Kraft in eine Anpresskraft einer Kontaktstelle (15,110) umgelenkt wird.