DE102016107238A1 - Method for joining a differential pressure measuring cell and differential pressure measuring cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer Differenzdruckmesszelle (1) sowie eine mit dem Verfahren hergestellte Differenzdruckmesszelle (1). In dem Verfahren wird Fügematerial (FM) auf die der Messmembran (2) zugewandte Stirnfläche (13a) des ersten Stützkörpers (51) und/oder auf die der Messmembran (2) abgewandte Stirnfläche (12a) des ersten Gegenkörpers (41) und auf die der Messmembran (2) zugewandte Stirnfläche des zweiten Stützkörpers (13b) und/oder auf die der Messmembran (2) abgewandte Stirnfläche (12b) des zweiten Gegenkörpers (42) aufgebracht. Auf mindestens einer der Stirnflächen (12a; 12b; 13a; 13b) wird das Fügematerial (FM) beim Aufbringen strukturiert aufgebracht, so dass die Stirnfläche (12a; 12b; 13a; 13b) Bereiche mit (32) und Bereiche ohne (31) Fügematerial (FM) aufweist. Beim druckdichten Verbinden von Gegenkörper (41; 42) und Stützkörper (51; 52) wird durch die Vergrößerung (82) des Fügematerials (FM) in der zu der Stirnfläche (12a; 12b; 13a; 13b) ebenen Richtung die Bereiche (32) mit Fügematerial (FM) vergrößert und die Bereiche (31) ohne Fügematerial (FM) verkleinert, so dass allmählich ein im Wesentlichen einziger zusammenhängender Bereich (9) mit Fügematerial (FM) gebildet wird, und Gegenkörper (41; 42) und Stützkörper (51; 52) im Wesentlichen vollflächig gefügt sind.The invention relates to a method for joining a differential pressure measuring cell (1) and a differential pressure measuring cell (1) produced by the method. In the method joining material (FM) on the measuring membrane (2) facing end face (13a) of the first support body (51) and / or on the measuring membrane (2) facing away from the end face (12a) of the first counter body (41) and on the the measuring membrane (2) facing the end face of the second support body (13b) and / or on the measuring membrane (2) facing away from end face (12b) of the second counter body (42) applied. On at least one of the end faces (12a; 12b; 13a; 13b), the joining material (FM) is applied in a structured manner during application so that the end face (12a; 12b; 13a; 13b) has areas with (32) and areas without (31) joining material (FM). In the pressure-tight connection of counter body (41; 42) and support body (51; 52), the enlargement (82) of the joining material (FM) in the plane parallel to the end face (12a; 12b; 13a; enlarged with joining material (FM) and the areas (31) without joining material (FM) reduced so that gradually a substantially single contiguous area (9) with joining material (FM) is formed, and counter-body (41; 42) and supporting body (51 ; 52) are joined substantially over the entire surface.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer Differenzdruckmesszelle sowie eine mit dem Verfahren hergestellte Differenzdruckmesszelle.The invention relates to a method for joining a differential pressure measuring cell and a differential pressure measuring cell produced by the method.
Differenzdruckmesszellen weisen zur Messung der Differenz zweier statischer Drücke p1 und p2 eine Messmembran auf, welche unter Bildung zweier voneinander hermetisch abgetrennter Messkammern zwischen zwei Gegenkörpern angeordnet ist. Die Messkammern werden über in die Gegenkörper eingebrachte Druckkanäle jeweils mit den Drücken p1 und p2 beaufschlagt. Eine Auslenkung der Messmembran ist damit ein Maß für die Druckdifferenz |p1 – p2|, wobei die Auslenkung der Membran anhand eines Wandlers in ein elektronisches Messsignal umgewandelt wird. Beispielsweise bildet bei kapazitiven Differenzdruckmesszellen die Messmembran zusammen mit einer der Messmembran zugewandten und zu der Messmembran parallelen und leitfähigen Ebene des Gegenkörpers einen Kondensator. Somit bestimmt die Auslenkung der Messmembran den Kondensatorabstand, so dass der auf die Messmembran einwirkende Differenzdruck über Kapazitätsmessungen in ein Messsignal umgewandelt werden kann. Eine derartige Druckdifferenzmesszelle ist beispielsweise in der Patentschrift
Da Differenzdruckmesszellen darauf ausgelegt sind, geringe Druckdifferenzen |p1 – p2| bei gleichzeitigen hohen statischen Drücken p1, p2 zu messen, ist die richtige Balance zwischen Empfindlichkeit und Überlastsicherung von zentraler Bedeutung. So kann beispielsweise für den Messbereich der Druckdifferenz |p1 – p2| folgender Zusammenhang gelten: |p1 – p2|/p1 < 1%. Entfällt in einer Prozessanlage einer der beiden Drücke (z.B. p2) erreicht |p1 – p2|/p1 nahezu 100%. In diesem Fall wird die Differenzdruckmesszelle also mit mehr als dem 100-fachen des Messbereichs belastet, was einer sehr hohen einseitigen Druckbelastung entspricht. Für Differenzdruckmesszellen mit einem sehr feinen Messbereich von |p1 – p2| ~ 10 mbar ist bei einem typischen Prozessdruck von 160 bar die einseitige Druckbelastung im Verhältnis zum Messbereich entsprechend höher.Because differential pressure cells are designed to have low pressure differences | p1 - p2 | With simultaneous high static pressures p1, p2, the right balance between sensitivity and overload protection is of central importance. For example, for the measuring range of the pressure difference | p1 - p2 | the following relationship applies: | p1 - p2 | / p1 <1%. Not applicable in a process plant of either pressure (e.g., p2), | p1 - p2 | / p1 reaches nearly 100%. In this case, the differential pressure measuring cell is thus loaded with more than 100 times the measuring range, which corresponds to a very high unilateral pressure load. For differential pressure cells with a very fine measuring range of | p1 - p2 | ~ 10 mbar is the one-sided pressure load in relation to the measuring range correspondingly higher at a typical process pressure of 160 bar.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ausgestaltungen zur Überlastsicherung von Differenzdruckmesszellen bei hohen statischen Drücken p1, p2 offenbart, darunter beispielsweise Überlastmembranen (
Eine sehr hohe Druckbelastung kann auch zu einer Verformung des Gegenkörpers selbst führen. Dadurch wird die Stabilität der Differenzdruckmesszelle maßgeblich beeinflusst, beispielsweise indem die Stützfunktion der Membranbetten beeinträchtigt wird. Im Rahmen der Aufbau- und Verbindungstechnik einer Differenzdruckmesszelle ist es daher vorgesehen, die Gegenkörper zwischen zwei Stützkörper einzufassen, wobei der Stützkörper der Stabilisierung dient und einer Verformung des Gegenkörpers entgegenwirken kann. Dabei ist typischerweise der Stützkörper aus einem Werkstoff mit einem Elastizitätsmodul gefertigt, welcher mindestens so groß wie das des Gegenkörpers ist. Für ein möglichst gutes Abstützen des Gegenkörpers am Stützkörper ist es hierbei von Vorteil, wenn eine möglichst steife Verbindung zwischen Gegenkörper und Stützkörper besteht. Beispiele für eine Versteifung der Stützkörper/Gegenkörper Grenzfläche sind in der
In der Aufbau- und Verbindungstechnik von auf Silizium basierenden mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS) werden die einzelnen Komponenten mit einem Glaslot gefügt. Bei diesem als Glaslot-Bonden bezeichneten Prozess wird das Fügematerial in der Regel nicht vollflächig aufgetragen, sondern in Form eines feinen Rahmens, dem sogenannten Bond-Rahmen aufgebracht. Auf diese Art wird keine vollflächig gefügte Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten erreicht. Im Gegensatz dazu ist es bei einer auf einem MEMS-Sensor basierenden Differenzdruckmesszelle wünschenswert, dass die Verbindungsebene zwischen Gegenkörper und Stützkörper vollflächig gefügt sind. Dadurch kann eine möglichst steife Verbindung zwischen Gegenkörper und Stützkörper erhalten werden, welche für die Stabilität der Differenzdruckmesszelle bzw. die Überlastsicherung von großer Bedeutung ist.In the assembly and connection technology of silicon-based microelectromechanical systems (MEMS), the individual components are joined with a glass solder. In this process, referred to as glass solder bonding, the joining material is generally not applied over the entire surface, but applied in the form of a fine frame, the so-called bond frame. In this way, no full-surface connection between the individual components is achieved. In contrast, in a differential pressure measuring cell based on a MEMS sensor, it is desirable that the connecting plane between the mating body and the supporting body be joined over the entire surface. As a result, the most rigid possible connection between the mating body and the support body can be obtained, which is of great importance for the stability of the differential pressure measuring cell or the overload protection.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Fügen einer Differenzdruckmesszelle anzugeben, um eine stabile Differenzdruckmesszelle zu erhalten.The invention is based on the object to provide a method for joining a differential pressure measuring cell in order to obtain a stable differential pressure measuring cell.
Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren zum Fügen einer Differenzdruckmesszelle, welche Differenzdruckmesszelle umfasst: eine Messmembran; einen Wandler, einen ersten und einen zweiten Gegenkörper sowie einen ersten und einen zweiten Stützkörper wobei die Messmembran zwischen dem ersten Gegenkörper und dem zweiten Gegenkörper angeordnet und mit beiden Gegenkörpern druckdicht verbunden ist,
- – wobei zwischen der Messmembran und dem ersten Gegenkörper eine erste Messkammer und zwischen der Messmembran und dem zweiten Gegenkörper (
42 ) eine zweite Messkammer gebildet wird, - – wobei der erste Gegenkörper und erste Stützkörper sowie der zweite Gegenkörper und zweite Stützkörper einen Druckkanal aufweisen, durch den die erste Messkammer mit einem ersten Druck und die zweite Messkammer mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist und
- – wobei der Wandler dazu ausgestaltet ist, ein elektrisches Messsignal aus einer durch die Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck bedingte Verformung der Messmembran zu erzeugen; wobei sich das Fügen in folgende Verfahrensschritte unterteilt:
- – Vorfertigung der beiden Gegenkörper und druckdichtes Verbinden der Messmembran mit den beiden Gegenkörpern
- – Aufbringen eines Fügematerials auf die der Messmembran zugewandte Stirnfläche des ersten Stützkörpers und/oder auf die der Messmembran abgewandte Stirnfläche des ersten Gegenkörpers und auf die der Messmembran zugewandte Stirnfläche des zweiten Stützkörpers und/oder auf die der Messmembran abgewandte Stirnfläche des zweiten Gegenkörpers, wobei auf mindestens einer der Stirnflächen das Fügematerial bereichsweise aufgetragen wird, so dass Bereiche mit Fügematerial und Bereiche ohne Fügematerial gebildet werden,
- – Druckdichtes Verbinden der jeweils der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers mit der der Messmembran zugewandten Stirnfläche des Stützkörpers, wobei während dem Verbinden von zumindest einem der Gegenkörper mit dem angrenzenden Stützkörper das Fügematerial in der Stirnfläche mit dem bereichsweise aufgetragenen Fügematerial in der zu der Stirnfläche senkrechten Richtung verkleinert und in mindestens einer zu der Stirnfläche ebenen Richtungen vergrößert wird, wobei durch die Vergrößerung des Fügematerials in der zu der Stirnfläche ebenen Richtung die Bereiche mit Fügematerial vergrößert und die Bereiche ohne Fügematerial verkleinert werden, so dass allmählich ein einziger zusammenhängender Bereich mit Fügematerial gebildet wird, welcher Bereich sich bis auf eine den Druckkanal umgebende innere Ausparung über die gesamte Stirnfläche erstreckt, so dass nach dem druckdichten Verbinden Gegenkörper und Stützkörper im Wesentlichen vollflächig gefügt sind.
- Wherein between the measuring diaphragm and the first mating body a first measuring chamber and between the measuring diaphragm and the second mating body (
42 ) a second measuring chamber is formed, - - Wherein the first counter-body and the first support body and the second counter-body and the second support body have a pressure channel through which the first measuring chamber with a first pressure and the second measuring chamber can be acted upon with a second pressure and
- - wherein the transducer is adapted to generate an electrical measurement signal from a caused by the difference between the first pressure and the second pressure deformation of the measuring diaphragm; wherein the joining is subdivided into the following method steps:
- - Prefabrication of the two counter-body and pressure-tight connection of the measuring membrane with the two counter-bodies
- Applying a joining material to the end face of the first support body facing the measuring membrane and / or to the end face of the first opposing body facing away from the measuring membrane and to the end face of the second support body facing the measuring membrane and / or to the end face of the second opposing body facing away from the measuring membrane at least one of the faces of the joining material is applied in areas, so that areas are formed with joining material and areas without joining material,
- - Pressure-tight connection of each of the measuring membrane facing away from the end face of the mating body with the measuring membrane facing end face of the support body, wherein during the joining of at least one of the mating body with the adjacent support body, the joining material in the end face with the partially applied joining material in the direction perpendicular to the end face direction is reduced in size and enlarged in at least one direction to the end face, wherein the enlargement of the joining material in the direction flat to the end face increases the areas with joining material and the areas are reduced without joining material, so that gradually a single contiguous area is formed with joining material , Which region extends up to an inner recess surrounding the pressure channel over the entire end face, so that, after the pressure-tight connection, the opposing body and the supporting body essentially cover the entire surface are joined.
In ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden also zunächst die beiden Gegenkörper vorgefertigt. Während des druckdichten Verbindens der Messmembran mit den beiden Gegenkörpern wird die Messmembran zwischen den beiden Gegenkörpern angeordnet und die Messkammern gebildet. Die Vorfertigung im ersten Verfahrensschritt umfasst dabei auch die Anordnung all derjenigen Komponenten zwischen den Gegenkörpern, welche für die Erzeugung bzw. Wandlung des Messsignals benötigt werden, wie beispielsweise die Membranelektroden und der Wandler. Auch die beiden Stützkörper werden vorgefertigt.In the first step of the method according to the invention, therefore, the two counter-bodies are first prefabricated. During the pressure-tight connection of the measuring diaphragm with the two counter-bodies, the measuring diaphragm is arranged between the two counter-bodies and the measuring chambers are formed. The prefabrication in the first method step also includes the arrangement of all those components between the counter bodies, which are required for the generation or conversion of the measurement signal, such as the membrane electrodes and the transducer. The two support bodies are prefabricated.
Im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fügematerial in der Stirnfläche eines Gegenkörpers und/oder Stützkörpers strukturiert aufgebracht. Die Strukturierung wird dabei so vorgenommen, dass es nach dem Auftragen des Fügematerials voneinander getrennte Bereiche mit und ohne Fügematerial gibt. Die vollflächige gefügte Verbindung wird nicht dadurch erhalten, dass das Fügematerial flächig aufgetragen wird, sondern das Fügematerial wird zunächst nur in bestimmten Bereichen aufgetragen und dann bei dem druckdichten Verbinden in einer zu der Stirnfläche ebenen Richtung vergrößert. Auf diese Weise wird bei der Verbindung von Gegenkörper und Stützkörper letztendlich einen einziger zusammenhängender, sehr homogener Bereich mit Fügematerial in der Verbindung von Gegenkörper und Stützkörper gebildet.In the second step of the method according to the invention, the joining material is applied structured in the end face of a counter body and / or support body. The structuring is carried out so that there are separate areas with and without joining material after application of the joining material. The full-surface joined compound is not obtained by the fact that the joining material is applied flat, but the joining material is initially applied only in certain areas and then increased in the pressure-tight connection in a plane to the end face direction. In this way, in the connection of the mating body and the supporting body, finally, a single contiguous, very homogeneous area with joining material is formed in the connection between the mating body and the supporting body.
Dadurch wird eine im Wesentlichen (bis auf eine den Druckkanal umgebende Ausparung) vollverfügte Fläche zwischen Gegenkörper und Stützkörper erreicht. Als Resultat wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Differenzdruckmesszelle mit einer sehr stabilen Verbindung zwischen Gegenkörper und Stützkörper, und damit insgesamt eine Differenzdruckmesszelle von hoher Stabilität erhalten.As a result, a surface which is essentially completely empty (except for a recess surrounding the pressure channel) is achieved between the mating body and the support body. As a result, a differential pressure measuring cell with a very stable connection between the mating body and the support body, and thus a total of a differential pressure measuring cell of high stability is obtained with the inventive method.
Wird im erfindungsgemäßen Verfahren das Fügematerial auf die Stirnfläche des Stützkörpers aufgebracht, so erfolgt die druckdichte Verbindung von Stützkörper und Gegenkörper in einem nachfolgenden Verfahrensschritt. Dabei handelt es sich um einen Zeitpunkt, welcher vor dem Verfahrensschritt des druckdichten Verbindens liegt. Im Rahmen dieser Anmeldung ist in diesem Fall „die der Messmembran zugewandte Stirnfläche des Stützkörpers“ diejenige Stirnfläche, welche zu der Verbindung mit der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörper vorgesehen ist. Die der Messmembran zugewandte Stirnfläche des Stützkörpers ist also die, welche bei der Positionierung von Gegenkörper und Stützkörper mit der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers kombiniert werden soll. Die Stirnfläche von Gegenkörper und Stützkörper ist dabei im Wesentlichen in einer zur Messmembranebene parallelen Ebene.If the joining material is applied to the end face of the support body in the method according to the invention, then the pressure-tight connection between the support body and the counter body takes place in a subsequent method step. This is a point in time which lies before the process step of the pressure-tight connection. In the context of this application, in this case "the end face of the support body facing the measuring diaphragm" is that end face which is provided for connection to the end face of the counter body remote from the measuring diaphragm. The measuring membrane facing the end face of the support body is thus the one which is to be combined in the positioning of the counter body and support body with the measuring membrane facing away from the end face of the counter body. The end face of the mating body and the supporting body is substantially in a plane parallel to the measuring diaphragm plane.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fügematerial zumindest bereichsweise in Form von mindestens einem Kreisring aufgebracht, wobei die innere Ausparung im Zentrum des Kreisrings liegt. Ein Kreisring ist im Rahmen dieser Anmeldung definiert als die Fläche, welche von zwei konzentrischen Kreisen begrenzt wird. Ein Kreisring hat dabei eine Kreisringbreite, die durch die Differenz der Radien der beiden konzentrischen Kreise gegeben ist. Im Falle von mehreren konzentrischen Kreisringen können die Kreisringe auch von unterschiedlicher Kreisringbreite sein. Wird das Fügematerial nur bereichsweise aufgetragen, liegen Segmente von Kreisringen vor.In one embodiment of the method according to the invention, the joining material is at least partially in the form of at least one Annular ring applied, wherein the inner recess is located in the center of the annulus. A circular ring is defined in this application as the area bounded by two concentric circles. A circular ring has a circular ring width, which is given by the difference of the radii of the two concentric circles. In the case of several concentric circular rings, the circular rings can also be of different circular ring width. If the joining material is applied only in certain areas, segments of circular rings are present.
Das Ziel im Vorgehen zum Erreichen der vollflächig gefügten Verbindung von Gegenkörper und Stützkörper ist dabei, dass das durch die Vergrößerung des Fügematerials in der zur Stirnfläche ebenen Richtung das zunächst nur bereichsweise aufgetragene Fügematerial im Wesentlichen die Form einer Kreisfläche bildet, wobei die innere Ausparung im Zentrum der Kreisfläche liegt. Bei dem druckdichten Verbinden wird dann durch die weitere Vergrößerung des kreisflächenförmigen Fügematerials in der zur Stirnfläche ebenen Richtung das Fügematerial gleichmäßig über die ganze Verbindungsebene zwischen Gegenkörper und Stützkörper verteilt.The aim in the procedure for achieving the full-surface joint connection of the counter body and support body is that the joining material by the enlargement of the joining material in the direction flat to the end surface forms the first only partially applied joining material substantially the shape of a circular surface, the inner Ausparung in the center the circular area lies. In the pressure-tight bonding, the joining material is then evenly distributed over the entire connecting plane between the mating body and the support body by the further enlargement of the circular surface-shaped joining material in the direction flat to the end face.
In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fügematerial in Form von mehreren konzentrischen Kreisringen auf die Stirnfläche aufgebracht, wobei die innere Ausparung im Zentrum der Kreisfläche liegt.In a development of this embodiment of the method according to the invention, the joining material is applied in the form of several concentric circular rings on the end face, wherein the inner recess is located in the center of the circular surface.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist ein Bereich ohne Fügematerial als Entlüftungsbereich vorgesehen. Der Entlüftungsbereich erstreckt sich von der inneren Ausparung ausgehend bis zu einem Randbereich der Stirnfläche. Während des druckdichten Verbindens wird der Entlüftungsbereich kontinuierlich verkleinert, indem der Entlüftungsbereich von der inneren Ausparung ausgehend bis zum Randbereich kontinuierlich mit Fügematerial aufgefüllt wird. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird durch das kontinuierliche Auffüllen mit Fügematerial von der inneren Ausparung ausgehend der Entlüftungsbereich allmählich geschlossen. Die Luft, welche im Entlüftungsbereich eingeschlossen ist, kann über den innerhalb der inneren Ausparung angeordneten Druckkanal und/oder den Randbereich entweichen. Dadurch wird sichergestellt, dass sich keine Lufteinschlüsse im Fügematerial bilden. Beispielsweise ist der Entlüftungsbereich ein keilförmiger Bereich ohne Fügematerial zwischen zwei Kreisringabschnitten eines Kreisrings aus Fügematerial.In a further embodiment of the method, a region without joining material is provided as the venting region. The venting area extends from the inner recess to an edge area of the end face. During the pressure-tight connection, the ventilation area is continuously reduced in size by continuously filling the ventilation area from the inner recess to the edge area with joining material. In this advantageous embodiment, the ventilation area is gradually closed by the continuous filling with joining material starting from the inner recess. The air which is enclosed in the vent area can escape via the pressure channel and / or the edge area arranged inside the inner recess. This ensures that no air pockets form in the joining material. For example, the vent area is a wedge-shaped area without joining material between two circular ring sections of a circular ring of joining material.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fügematerial auf der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers in einem ersten Bereich und auf der Stirnfläche des angrenzenden Stützkörpers in einem zweiten, zum ersten Bereich komplementären Bereich aufgebracht. Die beiden zueinander komplementären Bereiche ergänzen sich zu einer vorgegebenen geometrischen Form. Als angrenzender Stützkörper wird im Rahmen dieser Anmeldung derjenige Stützkörpers bezeichnet, welche zu der Positionierung an der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers vorgesehen ist. Da sich die beiden komplementären Bereiche zu einer vorgegebenen Form ergänzen, stellt der erste Bereich das Negativ des zweiten Bereichs dar und umgekehrt.In a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention, the joining material is applied on the end face of the opposing body facing away from the measuring membrane in a first region and on the end face of the adjoining support body in a second region complementary to the first region. The two complementary areas complement each other to a given geometric shape. In the context of this application, the adjoining supporting body is that supporting body which is provided for positioning on the end face of the counter-body facing away from the measuring membrane. Since the two complementary areas complement each other to a predetermined shape, the first area represents the negative of the second area and vice versa.
In dieser besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können Gegenkörper und Stützkörper beim druckdichten Verbinden zueinander ausgerichtet werden, indem die zueinander komplementären Bereiche aus Fügematerial passförmig ineinander einrasten, um die vorgegebene geometrische Form zu bilden. Je nach Art des Fügematerials gestaltet sich die genaue Auftragung und Dosierung des Fügematerials einfacher als die genaue Ausrichtung von Gegenkörper und Stützkörper zueinander. Anhand der Strukturierung des Fügematerials in vorgegebenen Bereichen der Stirnfläche kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren daher eine Selbstausrichtung (self-alignment) von Gegenkörper und Stützkörper zueinander erreicht werden.In this particularly advantageous embodiment of the method counter-body and support body can be aligned with each other during pressure-tight connection by the mutually complementary regions of joining material snugly fit into each other to form the predetermined geometric shape. Depending on the nature of the joining material, the exact application and metering of the joining material is easier than the exact alignment of the mating body and support body to each other. On the basis of the structuring of the joining material in predetermined areas of the end face, a self-alignment of the counter body and the supporting body relative to one another can therefore be achieved with the method according to the invention.
In einer Weiterbildung haben die zueinander komplementären Bereiche die Form von konzentrischen Kreisringen und/oder Abschnitten von konzentrischen Kreisringen. Die vorgegebene geometrische Form ist also im Wesentlichen eine Kreisfläche ist oder die Gesamtheit von konzentrischen Kreisringen.In a further development, the mutually complementary regions have the form of concentric circular rings and / or sections of concentric circular rings. The given geometric shape is thus essentially a circular area or the totality of concentric circular rings.
Das Fügematerial wird beispielsweise in Form von zueinander komplementären Abschnitten konzentrischer Kreisringe auf der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers und auf der der Messmembran zugewandten Stirnfläche des angrenzenden Stützkörpers aufgetragen. Auf diese Art werden durch das passförmige Einrasten der zueinander komplementären Abschnitte von konzentrischen Kreisringen vollständige konzentrische Kreisringe aus Fügematerial gebildet. Die vollständigen konzentrischen Kreisringe bilden dann beim druckdichten Verbinden den zusammenhängenden Bereich mit Fügematerial.The joining material is applied, for example, in the form of mutually complementary sections of concentric circular rings on the end face of the counterpart body facing away from the measuring diaphragm and on the end face of the adjacent supporting body facing the measuring diaphragm. In this way, complete concentric circular rings of joining material are formed by the fitting-like engagement of the mutually complementary sections of concentric circular rings. The complete concentric circular rings then form the coherent area with joining material during pressure-tight bonding.
Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, auf der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers erste konzentrische Kreisringe und auf der der Messmembran zugwandten Stirnfläche des angrenzenden Gegenkörpers zweite konzentrische Kreisringe des Fügematerials aufzubringen. Die ersten und zweiten konzentrischen Kreisringe ergänzen sich zu gemeinsamen konzentrischen Kreisringen, wobei die Kreisringbreite der gemeinsamen konzentrischen Kreise die Summe der Kreisringbreiten der ersten und zweiten konzentrischen Kreise ist. Beispielsweise können die ersten konzentrischen Kreisringe innerhalb der zweiten konzentrischen Kreisringe angeordnet sein. Auf diese Art werden die gemeinsamen konzentrischen Kreisringen gebildet. Dabei können zwischen den gemeinsamen konzentrischen Kreisringen weiterhin Bereiche ohne Fügematerial vorgesehen sein, solange beim druckdichten Verbinden durch die Vergrößerung des Fügematerials in der zu der Stirnfläche ebenen Richtung ein einziger zusammenhängender Bereich mit Fügematerial gebildet wird, welcher sich im Wesentlichen über die ganze Stirnfläche erstreckt.It is also possible within the scope of the invention to apply first concentric circular rings on the end face of the mating body facing away from the measuring diaphragm and second concentric annular rings of the joining material on the end face of the adjacent mating body facing the diaphragm. The first and second concentric circular rings complement each other to form common concentric circular rings, wherein the annular width of the common concentric circles is the sum of the annular widths of the first and second is concentric circles. For example, the first concentric circular rings can be arranged within the second concentric circular rings. In this way, the common concentric circular rings are formed. In this case, areas without joining material can continue to be provided between the common concentric circular rings as long as a single contiguous area with joining material is formed during the pressure-tight bonding by the enlargement of the joining material in the direction flat to the end face, which extends substantially over the entire end face.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Fügematerial anhand eines Siebdruckverfahrens aufgebracht. Da bei Siebdruckverfahren die Dosierung und/oder Strukturierung des Fügematerials sehr gut einstellbar bzw. steuerbar ist, eignen sich diese in besonders hohem Maße für das erfindungsgemäße Verfahren. Im Siebdruckverfahren ist es beispielsweise möglich, dass anhand von computerunterstützten Methoden automatisiert hergestellte Siebdruckmatrizen erzeugt werden. Somit können sehr genau definierte Muster von Fügematerial auf der Stirnfläche aufgetragen werden und anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ein hoher Automatisierungsgrad bei der Herstellung von Differenzdruckmesszellen erreicht werden.In a further embodiment of the method, the joining material is applied by means of a screen printing process. Since in screen printing process the metering and / or structuring of the joining material is very easily adjustable or controlled, these are particularly suitable for the inventive method. For example, in the screen-printing process, it is possible to use computer-aided methods to produce automatically produced screen-printing matrices. Thus, very well-defined patterns of joining material can be applied to the end face and a high degree of automation in the production of differential pressure measuring cells can be achieved by means of the method according to the invention.
Als Fügematerial wird in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Glaslot, Klebstoff oder metallisches Lot verwendet. Das Glaslot wird insbesondere beim Fügen von auf MEMS basierenden Differenzdruckmesszellen verwendet.As joining material, in one embodiment of the method according to the invention, a glass solder, adhesive or metallic solder is used. The glass solder is especially used when joining MEMS-based differential pressure cells.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Fügematerial mit einer vorgebbaren Schichtdicke aufgebracht, wobei sich bei dem druckdichten Verbinden die vorgebbare Schichtdicke in der zu der Stirnfläche senkrechten Richtung auf eine resultierende vorgebbare Schichtdicke verkleinert. Das Fügematerial weist nach dem Aufbringen eine Schichtdicke dv auf. Beispielsweise wird die Schichtdicke dv nach der Verkleinerung des Fügematerials in der zur Stirnfläche senkrechten Richtung um 20–40% kleiner. Damit ist die resultierende Schichtdicke um 20–40% kleiner als die vorgebbare Schichtdicke dv. Die vorgebbare resultierende Schichtdicke dr beträgt dabei etwa zwischen 5–50 Mikrometern. Für den Fall eines Glaslots beträgt die resultierende Schichtdicke des Fügematerials im Wesentlichen zwischen 10–20 Mikrometern.In a further embodiment of the method, the joining material is applied with a predeterminable layer thickness, whereby in the pressure-tight bonding the predefinable layer thickness decreases in the direction perpendicular to the end face to a resulting predefinable layer thickness. The joining material has a layer thickness dv after application. For example, the layer thickness dv after the reduction of the joining material in the direction perpendicular to the end face by 20-40% smaller. Thus, the resulting layer thickness is 20-40% smaller than the predefinable layer thickness dv. The predeterminable resulting layer thickness dr is approximately between 5-50 micrometers. In the case of a glass solder, the resulting layer thickness of the joining material is substantially between 10-20 microns.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Gegenkörper mit dem angrenzenden Stützkörper mit einer näherungsweise homogenen Anpressdruckverteilung und mit einem vorgebbaren Anpressdruck Pf druckdicht verbunden wird. Ist die Anpressdruckverteilung im Wesentlichen homogen, wird eine im Wesentlichen konstante resultierende Schichtdicke des Fügematerials nach dem druckdichten Verbinden erreicht. Da der Anpressdruck in der Regel noch besser einstellbar bzw. steuerbar ist als die Schichtdicke des Fügematerials beim Auftragen und/oder die Oberflächenstruktur der vorgefertigten Gegenkörper und Stützkörper, wird in dieser Ausgestaltung eine besonders homogene vollflächige Verbindung von Stützkörper und Gegenkörper erreicht.In a further embodiment of the method, the counterpart body is connected in a pressure-tight manner to the adjoining support body with an approximately homogeneous contact pressure distribution and with a predeterminable contact pressure Pf. If the contact pressure distribution is substantially homogeneous, a substantially constant resulting layer thickness of the joining material is achieved after the pressure-tight bonding. Since the contact pressure is usually even better adjustable or controllable than the layer thickness of the joining material during application and / or the surface structure of the prefabricated counter body and support body, a particularly homogeneous full-surface connection of the support body and the counter body is achieved in this embodiment.
In der Regel weisen der Gegenkörper und/oder der Stützkörper mindestens eine Symmetrieachse auf, wobei der Gegenkörper und/oder der Stützkörper im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse ist. Die Symmetrieachse kann beispielsweise die Spiegelachse einer Spiegelsymmetrie sein, oder auch die Rotationsachse einer Rotationssymmetrie. Die Symmetrieachse kann dabei in der Ebene der Stirnfläche liegen, oder senkrecht zu der Stirnfläche sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Fügematerial in mindestens einer der Stirnflächen so strukturiert wird, dass das Fügematerial im Wesentlichen symmetrisch um mindestens eine Symmetrieachse angeordnet wird. Die Symmetrieachse ist damit eine gemeinsame Symmetrieachse von Stützkörper und/oder Gegenkörper und dem Fügematerial.In general, the counter body and / or the support body on at least one axis of symmetry, wherein the counter body and / or the support body is substantially symmetrical with respect to the axis of symmetry. The axis of symmetry may be, for example, the mirror axis of a mirror symmetry, or else the axis of rotation of a rotational symmetry. The symmetry axis can lie in the plane of the end face, or be perpendicular to the end face. In an advantageous development of the method, the joining material is structured in at least one of the end surfaces so that the joining material is arranged substantially symmetrically about at least one axis of symmetry. The axis of symmetry is thus a common axis of symmetry of the support body and / or counter-body and the joining material.
Die Erfindung beinhaltet eine Differenzdruckmesszelle, wobei die Differenzdruckmesszelle aus dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde, umfassend; eine Messmembran; einen Wandler, einen ersten und einen zweiten Gegenkörper, sowie einen ersten und einen zweiten Stützkörper,
- – wobei die Messmembran zwischen dem ersten Gegenkörper und dem zweiten Gegenkörper angeordnet und mit beiden Gegenkörpern druckdicht verbunden ist,
- – wobei zwischen der Messmembran und dem ersten Gegenkörper eine erste Messkammer und zwischen der Messmembran und dem zweiten Gegenkörper eine zweite Messkammer gebildet ist,
- – wobei der erste Gegenkörper und Stützkörper und der zweite Gegenkörper und Stützkörper jeweils einen Druckkanal aufweisen, durch den die erste Messkammer mit einem ersten Druck (p1) und die zweite Messkammer mit einem zweiten Druck (p2) beaufschlagbar ist und
- – wobei der Wandler dazu ausgestaltet ist, ein elektrisches Messsignal aus einer durch die Differenz zwischen dem ersten Druck (p1) und dem zweiten Druck (p2) bedingte Verformung der Messmembran zu erzeugen;
- Wherein the measuring diaphragm is arranged between the first counter-body and the second counter-body and is pressure-tightly connected to both counter-bodies,
- Wherein a first measuring chamber is formed between the measuring diaphragm and the first counterbody and a second measuring chamber is formed between the measuring diaphragm and the second counterbody,
- - Wherein the first mating body and support body and the second mating body and support body each have a pressure channel through which the first measuring chamber with a first pressure (p1) and the second measuring chamber with a second pressure (p2) can be acted upon and
- - wherein the transducer is adapted to generate an electrical measurement signal from a caused by the difference between the first pressure (p1) and the second pressure (p2) deformation of the measuring diaphragm;
In einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der Stützkörper und/oder der Gegenkörper aus einem keramischen Material. In one embodiment of the invention, the support body and / or the counter body consists of a ceramic material.
In einer weiteren Ausgestaltung besteht der Stützkörper und/oder der Gegenkörper im Wesentlichen aus Silizium (Si), aus einem amorphen oder kristallinem Oxid (SiO2), Carbid (SiC) und/oder Nitrid (Si3N4) des Siliziums und/oder aus einem amorphen oder kristallinem Oxid (Al2O3) und/oder Nitrid des Aluminiums (AlN). Das Carbid des Siliziums, welches in vielen, energetisch fast gleichwertigen Polytopen vorliegen kann, eignet sich dabei aufgrund seiner großen Härte. Demgegenüber weist Siliziumnitrit eine leicht geringere Härte, dafür aber eine hohe Bruchfestigkeit in Kombination mit einem niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen relativ kleinen Elastizitätsmodul auf. Siliziumdioxid bildet sich in der Regel als native, zumindest nanometerdicke Oxidationsschicht auf Silizium, Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid in Kontakt mit Umgebungsluft.In a further embodiment, the support body and / or the counter body consists essentially of silicon (Si), of an amorphous or crystalline oxide (SiO 2), carbide (SiC) and / or nitride (Si 3 N 4) of the silicon and / or of an amorphous or crystalline oxide (Al 2 O 3) and / or nitride of aluminum (AlN). The carbide of silicon, which can be present in many energetically almost equivalent polytopes, is suitable because of its high hardness. On the other hand, silicon nitride has a slightly lower hardness, but has a high breaking strength in combination with a low coefficient of thermal expansion and a relatively small modulus of elasticity. Silicon dioxide usually forms as a native, at least nanometer thick oxidation layer on silicon, silicon carbide or silicon nitride in contact with ambient air.
Anhand der Wahl der Kombination der Materialen lässt sich auch der Elastizitätsmodul der Komponenten der Differenzdruckmesszelle einstellen. In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Elastizitätsmodul des Stützkörpers so angepasst, dass es gleich oder größer dem Elastizitätsmodul des Gegenkörpers ist. Als obere Grenze sollte der Elastizitätsmodul des Stützkörpers in dieser Weiterbildung maximal dreimal so groß wie der Elastizitätsmodul des Gegenkörpers sein. In dieser Ausgestaltung ist der Stützkörper also mindestens so stabil wie der Gegenkörper.On the basis of the choice of the combination of materials, the modulus of elasticity of the components of the differential pressure measuring cell can be adjusted. In a further development of the invention, the modulus of elasticity of the support body is adjusted so that it is equal to or greater than the modulus of elasticity of the counter body. As an upper limit, the modulus of elasticity of the support body in this development should be at most three times as large as the modulus of elasticity of the counterpart body. In this embodiment, the support body is thus at least as stable as the counter body.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
DifferenzdruckmesszelleDifferential pressure measuring cell
In
Das Fügematerial FM wird auf die der Messmembran
In diesem Ausführungsbeispiel wurde in beiden Stirnflächen
Die Differenzdruckmesszelle
Zum Erfassen des statischen Drucks p1, p2 kann mindestens noch ein weiterer kapazitiver Wandler vorgesehen sein, welcher jeweils eine Elektrode an der der Messmembran
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Differenzdruckmesszelle Differential pressure measuring cell
- 22
- Messmembran measuring membrane
- 3131
- Bereich ohne Fügematerial Area without joining material
- 3232
- Bereich mit Fügematerial Area with joining material
- 4141
- erster Gegenkörper first counter body
- 4242
- zweiter Gegenkörper second counter body
- 5151
- erster Stützkörper first support body
- 5252
- zweiter Stützkörper second support body
- 6161
- erste Messkammer first measuring chamber
- 6262
- zweite Messkammer second measuring chamber
- 7 7
- Druckkanal pressure channel
- 8181
- Verkleinerung des Fügematerials Reduction of the joining material
- 8282
- Vergrößerung des Fügematerials Enlargement of the joining material
- 99
- zusammenhängender Bereich mit Fügematerial contiguous area with joining material
- 10a10a
- Messelektrode measuring electrode
- 10b10b
- Messelektrode measuring electrode
- 11a11a
- der Messmembran zugewandte Stirnfläche des ersten Gegenkörpers the measuring membrane facing end face of the first counter body
- 11b11b
- der Messmembran zugewandte Stirnfläche des zweiten Gegenkörpers the measuring membrane facing end face of the second counter body
- 12a12a
- der Messmembran abgewandte Stirnfläche des ersten Gegenkörpers the measuring membrane facing away from the end face of the first counter body
- 12b12b
- der Messmembran abgewandte Stirnfläche des zweiten Gegenkörpers the measuring membrane facing away from the end face of the second counter body
- 13a13a
- der Messmembran zugewandte Stirnfläche des ersten Stützkörpers the measuring diaphragm facing end face of the first support body
- 13b13b
- der Messmembran zugewandte Stirnfläche des zweiten Stützkörpers the measuring membrane facing end face of the second support body
- 14a14a
- Membranelektrode membrane electrode
- 14b14b
- Membranelektrode membrane electrode
- 1515
- innere Ausparung inner cutout
- 1616
- Entlüftungsbereich vent area
- 17a17a
- erster Bereich first area
- 17b17b
- zweiter Bereich second area
- 1818
- vorgebbare geometrische Form specifiable geometric shape
- p1p1
- erster Druck first pressure
- p2p2
- zweiter Druck second pressure
- FMFM
- Fügematerial Add material
- RBRB
- Randbereich border area
- MEME
- Messmembranebene Measuring membrane level
- SASA
- Symmetrieachse axis of symmetry
- dvdv
- vorgebbare Schichtdicke predefinable layer thickness
- drdr
- vorgebbare resultierende Schichtdicke predefinable resulting layer thickness
- EsIt
- Elastizitätsmodul des Stützkörpers Elastic modulus of the support body
- EgEg
- Elastizitätsmodul des Gegenkörpers Young's modulus of the counter body
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- EP 1883797 B1 [0041] EP 1883797 B1 [0041]
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Representative=s name: ANDRES, ANGELIKA, DIPL.-PHYS., DE |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: HAHN, CHRISTIAN, DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., DE |