CN106233111B - 具有陶瓷平台的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压力传感器，其具有：陶瓷基体(1)；布置在基体(1)上的测量膜(3、41)；包围在测量膜(3、41)下的基体(1)中的压力测量室(5)；以及，至少一个金属体，所述金属体使用耐压密闭的、优选地无弹性体的机械连接(7、37，49)连接到基体(1)，其中，通过下述事实来减小由连接(7、37，49)引起的热机械应力：使用布置在基体(1)和金属体之间的调节体(9、19、39、51)实现的耐压密闭机械连接(7、37、49)，其中，调节体具有热膨胀系数(α(z))，该热膨胀系数在从基体(1)到金属体的方向(z)上从对应于基体(1)的陶瓷的热膨胀系数(αk)的膨胀系数向对应于金属体的热膨胀系数(αM)的膨胀系数增大，并且调节体(9、19、39、51)通过第一接头(11)连接到基体(1)，并且通过第二接头(13)连接到金属体。

Description

具有陶瓷平台的压力传感器
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，该压力传感器具有陶瓷平台、布置在该平台上的测量膜、在测量膜下包围在平台中的压力测量室和经由耐压密闭机械连接与平台连接的至少一个金属体。
背景技术
应用具有陶瓷平台的压力传感器来测量压力。在这些压力传感器中有：绝对压力传感器，所述绝对压力传感器测量相对于真空的、作用在测量膜上的绝对压力；相对压力传感器，所述相对压力传感器测量相对于向压力测量室供应诸如例如当前的气压的参考压力的、作用在测量膜上的压力；以及压差传感器，所述压差传感器记录在作用于测量膜的第一侧上的第一压力和作用于测量膜的第二侧上的第二压力之间的压力差。
压力传感器被广泛地应用在工业测量技术的几乎所有领域中。陶瓷平台提供了下述优点；它们不仅在热学、化学和机械上很有抗性，而且也具有很高的耐压性。具有陶瓷平台的压力传感器必须被安装在使用的位置，并且根据传感器类型经由对应的过程连接或压力供应管线被供应有要测量的压力、要测量的压力加参考压力，该两个压力的差要分别被测量。
为此，陶瓷平台被应用在例如配备了过程连接的壳体中或以与过程连接和/或压力供应管线连接的其它方式被应用。壳体、过程连接和压力供应管线经常由例如不锈钢的金属制造。
因此，陶瓷平台经常经由耐压密闭连接与至少一个金属体机械连接。
在这样的情况下，存在下述问题：陶瓷具有与通常安装的金属体的热膨胀系数明显不同的热膨胀系数。陶瓷材料具有通常在从5ppm/K至8ppm/K的数量级的热膨胀系数。相反，不锈钢具有在大于16ppm/K的数量级的显然更高的热膨胀系数。
虽然可以通过诸如焊接、钎焊或粘接的接头来实现具有至少相似的热膨胀系数的元件的耐压密闭机械组合，但是在具有不同的热膨胀系数的元件之间的接头的情况下产生热机械应力，该热机械应力为接头加上负载，并且在最差的情况下，甚至能够导致接头的破坏。热机械应力越大，则元件被应用在的温度范围越大。因此，具有金属陶瓷接头的压力传感器可以至多被应用在很有限的温度范围中。
而且，从在测量膜的区域中或附近的金属到陶瓷接头产生的热机械应力能够造成测量膜的翘曲，这继而能够降低压力传感器的测量精度。相反，插入诸如例如弹性密封件的弹性元件的机械夹导致显然较小的热机械应力。然而，一般而言，这种形式的耐压密闭机械连接仅适用于将陶瓷压力测量单元夹在壳体中，然而，相反，一般而言，这不适合于压力供应管线到通过陶瓷平台向压力测量室延伸的孔的连接。此外，弹性体老化并且当它们磨损时必须被更换。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有陶瓷平台和至少一个金属体的压力传感器，所述至少一个金属体经由耐压密闭、优选地无弹性体的机械连接与所述平台连接，在这种情况下，从所述连接产生的热机械应力尽可能小。
为此，本发明涉及一种压力传感器，所述压力传感器包括：
陶瓷平台，
测量膜，所述测量膜被布置在所述平台上，
压力测量室，所述压力测量室被包围在所述测量膜下的平台中，以及
至少一个金属体，所述至少一个金属体经由耐压密闭机械连接与所述平台连接，
并且其特征在于
所述耐压密闭机械连接包括布置在所述平台和所述金属体之间的适配体，
所述适配体具有下述热膨胀系数，所述热膨胀系数沿着所述适配体在从所述平台向所述金属体延伸的方向上从对应于所述平台的陶瓷的热膨胀系数的膨胀系数向对应于所述金属体的热膨胀系数的膨胀系数增大，并且
所述适配体通过第一接头与所述平台连接，并且通过第二接头与所述金属体连接。
本发明的另一种发展的特征在于
所述适配体具有层叠布置的不同组分的层，特别是通过包含金属和/或陶瓷成分的粉末层的激光烧结而层叠施加的层，并且
所述层具有陶瓷成分，所述陶瓷成分大于或等于0％并且小于或等于100％，并且所述层具有金属成分，所述金属成分大于或等于0％并且小于或等于100％，其中
所述陶瓷成分在从所述平台向所述金属体延伸的方向上逐层减小，并且
-所述金属成分在从所述平台向所述金属体延伸的方向上逐层增大。
本发明的另一种进一步的发展的特征在于
-所述适配体是由层构成的烧结体，并且，所述第一接头是通过向所述平台烧结、特别是激光烧结面向所述平台的所述适配体的最外层而形成的接头，或
-所述第一接头是活性硬焊接或钎焊接头，特别是借助于具有锆和镍合金和钛的三元活性硬焊料或钎焊而形成的活性硬焊接或钎焊接头，或者
-所述第一接头是玻璃焊接接头。
在另一种进一步的发展中，第二接头是焊接接头或玻璃焊接点。
本发明的第一种变化形式的特征在于
所述测量膜由金属构成，并且是所述金属体之一，并且
面向所述测量膜的所述平台的一端的外边缘经由所述第一接头、所述适配体和所述第二接头与面向所述平台的测量膜的侧的外边缘连接。
在第一变化形式的实施例中
所述适配体是矩形截面的环形适配体，或
面向所述测量膜的平台的一端包括形成为膜床的区域，并且所述适配体包括内轮廓，所述内轮廓从外部围绕所述压力测量室，并且膜床通过该内轮廓向外延续。
本发明的第二变化形式的特征在于
在所述平台中提供开向所述压力测量室内的横向孔，
提供了连接到所述孔的压力供应管线，
所述压力供应管线在其面向所述平台的端部上具有金属端接，所述金属端接具有通道，并且形成所述金属体之一，
所述平台经由所述第一接头、所述适配体和所述第二接头与所述端接连接，并且
所述适配体具有内部，通过这个内部，所述孔的内部经由在所述端接中的所述通道与所述压力供应线的内部连接。
本发明的第三变化形式的特征在于
所述平台被布置在壳体中，
-所述壳体包括：从外部包围所述平台并且与所述平台隔开的壳体段；以及，与所述壳体段连接的肩部，所述肩部径向向内延伸，并且形成金属的金属体之一，所述金属特别是不锈钢，特别是含镍的奥氏体不锈钢，并且
-所述肩部的内边缘经由所述耐压密闭连接与面向所述肩部的所述平台的外边缘连接，其中
-所述适配体的面向所述平台的一端经由所述第一接头与所述平台的面向所述肩部的一端的外边缘连接，并且
-所述适配体的面向所述肩部的一端经由所述第二接头与所述肩部的内边缘的一侧连接，所述一侧面向壳体内。
所述第三变化形式的进一步发展提供了：
所述测量膜由陶瓷构成，
所述测量膜的外边缘经由耐压密闭连接与所述肩部的内边缘的一侧连接，所述一侧背向所述平台，
所述耐压密闭连接经由另外的适配体产生，所述另外的适配体特别是与布置在平台和肩部之间的所述适配体相同地形成的另外的适配体，
所述另外的适配体具有下述热膨胀系数，所述热膨胀系数在从所述测量膜到所述肩部的方向上从对应于所述测量膜的陶瓷的热膨胀系数的膨胀系数向对应于所述肩部的金属的热膨胀系数的膨胀系数增大，并且
所述另外的适配体具有：面向所述测量膜并且通过第一接头与所述测量膜连接的端部，所述第一接头特别是通过将所述适配体的外层烧结到所述测量膜而形成的接头；以及，面向所述肩部并且通过第二接头与所述肩部连接的端部，所述第二接头特别是焊接接头。
在所述第三变化形式或其进一步发展的进一步发展中，所述肩部在与所述测量膜的表面法线平行和/或垂直延伸的方向上是弹性的。
在本发明的一个优选实施例中
所述适配体是由层构成的适配体，并且
层的数量大于或等于所述金属体的热膨胀系数和所述陶瓷平台的热膨胀系数之间的差除以2ppm/K，特别是大于或等于所述差除以1ppm/K，特别是大于或等于所述差除以1ppm/K的两倍。
在另一个优选实施例中
-所述适配体是由层构成的适配体，并且
-所述层具有不小于10μm，特别是不小于20μm，特别是不小于40μm，并且不大于400μm，特别是不大于200μm，特别是不大于100μm的层厚。
另外，本发明涉及一种用于制造本发明的压力传感器的适配体的方法，所述方法的特征在于
通过下述方式来产生单独的层：以对应于相应层的组分的混合比例施加处于混合形式的包含金属粉末和陶瓷粉末的粉末层，并且通过激光烧结来固化，或
通过下述方式来产生单独的层：在各种情况下，施加对应于相应层的组分的一定数量的金属粉末和对应于相应层的组分的一定数量的陶瓷粉末来作为层叠的粉末层，并且，所述两个粉末层被混合并且通过激光烧结被固化。
本发明的压力传感器的一个优选实施例的特征在于
所述适配体在从所述平台向所述金属体的方向上具有高度和垂直于所述高度的宽度，并且，
所述适配体的宽度与所述适配体的高度的比值和在所述平台的陶瓷与所述金属体的金属的热膨胀系数之间的差的大小的乘积小于单位1/K的常数，其中
所述常数小于0.1％/K，特别是小于500ppm/K，特别是小于250ppm/K，特别是小于125ppm/K，特别是小于60ppm/K，并且/或者
所述常数等于无量纲变形参数与所述压力传感器要施加的最大和最小温度之间的温度差的商，并且所述变形参数小于4％，特别是小于2％，特别是小于1％。
本发明的压力传感器的一个优选实施例的特征在于
所述适配体是由层叠布置的层构成的适配体，
所述单独的层在各种情况下具有与所述层的表面法线平行地延伸的层厚和垂直于所述层的表面法线延伸的宽度，并且
相应层的宽度与其层厚的比值和在邻接这个层的层的热膨胀系数之间的差的大小的乘积小于具有单位1/K的常数，其中
所述常数小于0.1％/K，特别是小于500ppm/K，特别是小于250ppm/K，特别是小于125ppm/K，特别是小于60ppm/K，并且/或者
所述常数等于无量纲变形参数与所述压力传感器要施加的最大和最小温度之间的温度差的商，并且所述变形参数小于4％，特别是小于2％，特别是小于1％。
另外，本发明涉及本发明的压力传感器，在这种情况下，所述适配体
是通过烧结以丝网印刷工艺制造的生坯而制造的烧结体，并且
由层叠布置的层构成，所述层特别是具有几微米数量级的层厚的层，
所述适配体具有在从所述平面向所述金属体延伸的方向上逐层减小的陶瓷成分和在从所述平台向所述金属体延伸的方向上逐层增大的金属成分，或
所述适配体以仅金属或者仅陶瓷的叠加层序列层叠布置，其中，在仅包含陶瓷的单独的层序列中的层的数量和在仅包含金属的单独的层序列中的层的数量是以下述方式预定的：所述层序列的陶瓷成分在从所述平台向所述金属体延伸的方向上逐层序列减小，并且所述层序列的金属成分在从所述平台向所述金属体延伸的方向上逐层增大。
所述后一种压力传感器的另一种发展提供了：所述第一和第二接头是通过烧结布置在所述平台和金属体之间的生坯而产生的接头。
本发明包括下述优点：金属体和陶瓷平台的不同热膨胀系数经由适配体步进地彼此转换。这导致由金属体和陶瓷平台的不同膨胀系数引起的温度相关的应力的显著减小，既在经由适配体影响的连接内也在邻接该连接的压力传感器的区域中。
因为平台和金属体中的每个邻接适配体的一端，该端具有对应于相应的平台、金属体的热膨胀系数的热膨胀系数，所以在适配体和平台之间以及在适配体和金属体之间的接头在各种情况下连接具有相等或至少非常相似的热膨胀系数的接口。因此，接头仅被暴露到很小地温度相关的负载。本发明的压力传感器因此能够耐久地应用于较大的温度范围中，特别是在–40℃至+130℃的温度范围中。不要求弹性体和与其相关联的缺点的经历的使用。
附图说明
现在从附图开始更详细地解释本发明及其优点，在附图中示出了实施例的三个示例。在附图中相同的元件设有相同的附图标记。附图示出如下：
图1示出本发明的压差传感器；
图2示出在图1中圈着的耐压密闭连接的放大；
图3示出图1的压差传感器，该压差传感器具有整合在平台中并且通过适配体向外部接续的膜床；
图4示出本发明的相对压力传感器；并且
图5示出在图4中圈着的耐压密闭连接的放大。
具体实施方式
本发明涉及一种压力传感器，该压力传感器具有陶瓷平台、布置在平台上的测量膜、在测量膜下的平台中包围的压力测量室以及经由耐压密闭机械连接与平台连接的至少一个金属体。
图1示出本发明的压差传感器的一个实施例的第一示例，其具有相同的第一和第二陶瓷平台1。平台1例如由氧化铝(Al2O3)构成。可替代地，它们也能够由诸如例如碳化硅(SiC)或尖晶石的另一种陶瓷材料构成。
测量膜3被布置在两个平台1之间，在各种情况下，压力测量室5包围在该测量膜3之下的两个平台1中的每个中。在图1的实施例的示例中，测量膜3由金属构成，该金属例如是不锈钢或弹簧钢，并且测量膜3形成压差传感器的金属体之一。
测量膜3包括外边，所述外边的一侧经由第一耐压密闭机械连接7与面向测量膜3的第一平台1的端部的外边连接，并且所述外边的第二侧经由优选相同地实施的第二耐压密闭机械连接7与面向测量膜3的第二平台1的端部的外边连接。在各种情况下，两个连接7经由布置在测量膜3和相应的平台1之间的适配体9产生。图2示出在图1中圈着的耐压密闭连接7的放大图。在各种情况下，所述两个适配体9是环形的，并且在图1中所示的实施例的示例中具有矩形横截面。
根据本发明，在各种情况下，适配体9具有下述热膨胀系数，所述热膨胀系数在从相应的平台1向金属体延伸的方向上，在此因此是从相应的平台1向测量膜3延伸的方向上，从对应于平台1的热膨胀系数αk的膨胀系数上升至对应于金属体的热膨胀系数αM的膨胀系数。
为此，适配体9优选地由层叠布置的不同组分的N个层Si构成。单独的层Si彼此平行地延伸并且与测量膜3平行。单独的层Si的组分以下述方式预定：邻接平台1的最外层S1具有热膨胀系数αS1，该热膨胀系数αS1对应于平台1的陶瓷的膨胀系数αK，并且从此最外层S1开始，热膨胀系数以下述方式逐层步进地上升到金属体的热膨胀系数αM：邻接测量膜3的最外层SN具有热膨胀系数αSN，该热膨胀系数αSN对应于金属体，在此因此为测量膜3的热膨胀系数αM。
为此，层Si中的每个具有：陶瓷成分，所述陶瓷成分大于或等于0％，并且小于或等于100％；以及金属成分，所述金属成分大于或等于0％并且小于或等于100％。这些成分优选地以下述方式预定：层Si的陶瓷成分在从平台1向金属体延伸的方向z上逐层减小，而层Si的金属成分在从平台1向金属体延伸的方向上逐层增大。如果向面向相应的平台1的适配体9的最外层SN分配坐标z＝0，并且向面向测量膜3的最外层SN分配坐标z＝h，其中，h等于适配体9的高度，则具有中轴坐标z的层Si的陶瓷成分达到例如100％x(1-z/h)，并且此层Si的金属成分达到100％x(z/h)。
优选地，适配体9是烧结体，例如通过逐层不同的对应成分的粉末层的激光烧结产生所述烧结体的层Si。例如，在下文中描述的激光烧结方法能够为此应用：IMW-Industriemitteilung(Industrial Report)No.29(2004)of Trenke with the title"Selektives Lasersintern von metallisch/keramischen Schichtstrukturen(Selective Laser Sintering of Metal/Ceramic Layer Structures)"。能够以微米级颗粒材料的形式来为此提供组件，该微米级颗粒材料的颗粒尺寸数量为优选地不大于20μm，并且特别优选地不大于10μm。为了制备层，该颗粒材料的依赖于坐标的混合物沉积在已经固化的层上，并且通过激光烧结被固化。能够通过下述方式来产生相应的层Si的期望的组分：施加包含金属粉末卡和陶瓷粉末的处于期望的混合比、处于混合形式的粉末层，并且通过激光烧结来固化。可替代地，能够通过下述方式来获得该组分：在各种情况下，层叠施加对应的数量的金属粉末和对应的数量的陶瓷粉末来作为对应的厚度的粉末层，并且混合和通过激光烧结来固化该两个粉末层。在给定的情况下，烧结体能够在蒸发制备之后被保持在高温的压力下，以便将结构致密化。
适配体9的相互邻接的层Si、Si+1的热膨胀系数αSi、αSi+1的差越小，则层Si的数量N越大。这些差越小，则因为不同的热膨胀系数导致形成的温度相关的应力越小。因此，层的数量N以下述方式优选地预定为金属体和要相对于彼此步进地装配在适配体9上的陶瓷平台1的热膨胀系数αM、αK的差Δα＝αM-αK的函数，使得数量N数量不小于(～.(2ppm/K，特别是不小于(～.(1ppm/K)，并且优选地不小于(2～.(1ppm/K。
每个适配体9经由第一接头11与相关联的平台1连接，该第一接头11将其面向相应的平台1的端部与平台1的外边连接，并且每个适配体9经由第二接头13与金属体连接，该第二接头13将其面向金属体的端部与金属体连接。
优选地通过下述方式来实现在平台1和适配体9之间的第一接头11：在平台1上逐层地构造适配体9。在这样的情况下，在相应的平台1上的最外层S1的激光烧结形成在平台1和面向平台1的最外层S1之间第一接头11。
可替代地，能够将适配体9制造为独立的组件。在这种情况下，优选地通过活性硬焊接或钎焊接头来形成在平台1和适配体9之间的第一接头11。优选的是，使用具有锆镍合金和钛的三元活性硬焊料或钎焊料来执行该活性硬焊接或钎焊接头。这样的活性硬焊料或钎焊料是从EP 0 490 807 A2已知的，并且具有与陶瓷的热膨胀系数匹配的热膨胀系数的优点。可替代地，第一接头11能够是玻璃焊接接头。第二接头13优选地是焊接接头。可替代地，第二接头13能够是活性硬焊接或钎焊接头或玻璃焊接接头。
适配体9在横截面中在与层Si的表面法线平行地延伸的方向z上从平台1到测量膜3具有高度h，并且在与层Si的表面法线垂直的方向
上具有宽度d。优选地以下述方式来预定适配体9的尺寸：适配体9的宽度d与其高度的比值和平台1和待与其连接的金属体，在此为测量膜3的热膨胀系数αK、αM的差Δα的大小的乘积小于具有单位1/K的预定常数ξ，对于该常数ξ，成立的是：ξ<0.1％/K，特别是<500ppm/K，优选地<250ppm/K、进一步优选地<125ppm/K，并且特别优选地<60ppm/K：
根据下面的公式，常数ξ优选地被确定为无量纲变形参数C和温度差T的商：
Figure BDA0001135591220000121
其中
温度差T等于压力传感器要应用到的最大和最小温度Tmax、Tmin的差Tmax–Tmin，并且
C是无量纲变形参数，对于其成立的是，C<4％，特别是C<2％，并且优选地C<1％。
在这样的情况下，适配体9的单独的层Si以下述方式优选地被确定尺寸，使得相应的层Si的宽度ds与其层厚s的比值和邻接该层Si的层Si-1、Si+1的热膨胀系数αSi-1、αSi+1的差Δαs的大小的乘积同样小于上述常数ξ，该常数ξ优选地被确定为无量纲变形参数C和温度差ΔT的商。即：
Figure BDA0001135591220000122
在这样的情况下，单独的层Si优选地具有下述层厚s，该层厚s不小于10μm、特别是不小于20μm，并且优选地不小于40μm，该层厚并且不大于400μm，特别是不大于200μm，并且优选地不大于100μm。
如果将具有16ppm/K的热膨胀系数αM的不锈钢的金属测量膜3和具有8ppm/K的热膨胀系数αK的氧化铝陶瓷的平台1作为示例，则热膨胀系数的差Δα数量达到8ppm/K。由此导致优选的最小数量N≥2Δα/(1ppm/K)的16层。在上述阐述的、从40μm到100μm的特别优选的层厚的情况下，从其结果产生640μm到1.6μm的适配体9的优选的最小高度h。如果从用于压力传感器要被应用到的温度范围的温度范围–40℃to+130℃开始，通过应用1％的特别优选变形参数C，根据ξ＝C/ΔT，则对于常数ξ获得58.88ppm/K的值。于是，在640μm的高度h的情况下，可经由上面提供的设计规则d/h|Δα|<ξ计算的适配体9的宽度d优选地小于4.8mm。
可替代地，适配体9能够是通过烧结以丝网印刷工艺制造的生坯制造的烧结体。生坯的制造通过下述方式发生：层叠地依序执行印刷处理来印刷单独的层，其中，该印刷的层在各种情况下例如通过干燥被固化，然后在顶部印刷下一层。
以丝网印刷工艺制造的适配体9优选地具有下述层，该层具有在几微米的数量级上的层厚。
例如，在EP 0 627 983 B1中描述了通过烧结以丝网印刷工艺制造的生坯而产生并且由层叠布置的不同组分的层构成的三维烧结体。而且，于2014年7月2和3日在德累斯顿召开的集成电路的封装中的当前趋势的第九次研讨会处给出的、IFAM FraunhoferGesellschaft的Riecker先生的、题目为‘3D-Screen Printing,A Method For ComponentManufacture’的演示的讲义描述了钢和陶瓷的三维分级结构，其陶瓷成分在空间方向上连续地减小，并且其钢部分在同一空间方向上对应地增大。
以这种方式制造的适配体9可以精确地像在实施例的先前示例的情况下那样由层叠布置的不同组分的层构成，其陶瓷成分在从平台1向金属体延伸的方向上逐层减小，并且其金属成分从平台1到金属体延伸的方向上逐层增大。对于这些形式的实施例，用于层的数量N的上面阐述的设计数据、适配体9的宽度d与其高度h的比值以及单独的层的宽度dS与它们的层厚的比值对应地保持，其中，在此的设计数据指的是在生坯的烧结之后存在的尺寸。
可替代地，适配体9可以具有层叠布置的层序列，该层序列是层叠布置的层，其在各种情况下仅有金属或者仅有陶瓷。在这样的情况下，以下述方式来预定在单独层序列中的仅由陶瓷构成的层的数量和在单独层序列中仅由金属构成的层的数量：在从平台1向金属体延伸的方向上的层序列的陶瓷成分逐层序列减小，并且在从平台1向金属体延伸的方向z上的层序列的金属成分逐层增大。在这样的情况下，层优选地具有尽可能低的厚度，特别是在几微米的数量级上的厚度，特别是2μm到3μm。这种形式的实施例提供了下述优点：仅要求两种不同的印刷浆即陶瓷浆和金属浆来用于产生生坯，并且用于印刷陶瓷和金属层，在各种情况下，仅要求一个丝网，在依序的随后的印刷过程之间不必将其清洁。
与以丝网印刷工艺制造的适配体9相关地，优选地通过下述方式来产生第一和第二接头11和13：在平台1和金属体之间布置生坯，并且将其烧结在那里。
本发明提供了下述优点：适配体9将步进的金属体和平台1的不同热膨胀系数适配到彼此。这导致在接头11、13的区域中和在测量膜3的区域中的温度相关的应力的显著减小。于是，有可能使用不锈钢来作为测量膜3的材料，而没有接头11、13将被过量地加载或甚至因为温度相关的应力而破裂的危险，并且测量的精度不会被在测量膜3的区域中的温度相关的翘曲严重降低。
图3示出本发明的压差传感器的实施例的另一个示例。因为该实施例主要与在图1中所示的实施例的示例相同，所以将仅详细描述差别，否则参考图1的说明。与在图1中图示的实施例的示例相反，在各种情况下，在此两个平台1在它们的面向测量膜3的端部上具有形成为膜床15的区域。膜床15用于在过载施加在其上的情况下支撑测量膜3，并且具有用于这个目的的表面轮廓，其复制测量膜3的弯曲轮廓。每个膜床15被与测量膜3平行延伸的相应的平台1的端部的平面边17外部围绕，在各种情况下，在此也在这个边上布置了适配体19。
与配备了膜床15的平台1相关地，适配体19优选地具有内部轮廓21，该内部轮廓21外部围绕相应的压力测量室5。内部轮廓21向外部接续相应的膜床15。为此，适配体19能够由相同外径的垫圈状层Si构成，其内径从面向平台1的最外层S1的内径逐层与测量膜3的弯曲轮廓对应地增大。在这样的情况下，上面引用的用于N个层Si和用于层Si的层厚s和宽度dS的设计规则对应地成立。
在实施例的两个示例中，两个平台1中的每个具有向相关联的压力测量室5中打开并且延伸通过相应的平台1达到其背向测量膜3的后侧的横向孔23。在测量操作中，测量膜3的面向第一平台1的第一侧经由连接到在第一平台1中的孔23的压力供应管线25被供应第一压力p1，并且测量膜3的面向第二平台1的第二侧经由连接到在第二平台1中的孔23的压力供应管线25被供应第二压力p2。这些压力导致依赖于在第一和第二压力p1、p2之间的差的测量膜3的偏转。该偏转借助于机电换能器在计量上被记录，并且被转换为依赖于在第一和第二压力p1、p2之间的差的测量信号。
在实施例的两个示例中适合于作为换能器的是例如电容换能器，其具有：第一电容器，所述第一电容器由金属测量膜3和在第一平台1中布置的对电极27形成；以及，第二电容器，所述第二电容器由金属测量膜3和在第二平台1中布置的对电极27形成。该电容器中的每个具有依赖于测量膜3并且例如借助于电容测量电路(未示出)可确定并且能够基于在校准过程中较早确定的特征曲线而与作用于测量膜3上的、要测量的压力差Δp相关联的偏转的电容。
压力供应管线25能够是例如在压力测量室5之前连接的压力传送装置29的组件。该两个压力传送装置29在各种情况下包括压力接收室33，该压力接收室33被隔离膜片31从外部包围，并且经由与其连接的压力供应管线25和孔23连接到相关联的压力测量室5。在这样的情况下，压力测量室5、孔23、压力供应管线25和压力接收室33被填充压力传送液体，经由该压力传送液体，外部作用于相关联的隔离膜片31上的压力p1、p2被传送到相关联的压力测量室5。
压力供应管线25在它们的面向相应的平台1的端部上具有例如不锈钢的金属的端接35。端接35是金属体，它们经由耐压密闭机械连接37与相关联的平台1连接。端接35例如是金属垫片，其被安装在压力供应管线25的端部上，并且具有与孔23的内径和压力供应线25对应的通道。而且，这些连接37在各种情况下经由布置在相应的平台1和端接35之间并且具有下述热膨胀系数的适配体39发生，该热膨胀系数在从平台1向金属体—在此为端接35—延伸的方向上从对应于平台1的热膨胀系数αk的膨胀系数向对应于端接35的热膨胀系数αM的膨胀系数增大。
适配体39在各种情况下具有下述内部，该内部经由端接35的通道将其上的随后的孔23的内部与压力供应管线25的内部连接。适配体39在各种情况下具有：面向相应的平台1的端部，该端部通过第一接头11与围绕孔23的相应的平台1的后侧的区域连接；以及，背向平台1并且通过第二接头13与面向平台1的端接35的端部连接的端部。第一和第二接头11、13优选地与基于图1描述的对应的第一和第二接头11、13相同地被体现。
这些适配体39除了与孔23和端接35的内径匹配的它们的内径和与端接35的外径匹配的它们的外径之外，以结合图1的适配体9描述的方式被构造。在这样的情况下，用于层Si的数量N、适配体39的高度h和宽度d以及层Si的层厚s和宽度ds的上面的设计规则对应地成立。
图4示出本发明的压力传感器的一个实施例的另一个示例。图5示出在图4中圈着的图4的细节的放大。而且，这个压力传感器包括陶瓷平台1和布置在平台1上的、包围压力测量室5的测量膜41。测量膜41由陶瓷构成。优选地由也构成平台1的相同材料来用于此，该材料特别是氧化铝(Al2O3)、碳化硅陶瓷(SiC)或尖晶石。
陶瓷平台1被布置在金属壳体43中，该金属壳体43包括壳体部分45，所述壳体部分45在所有侧上向外包围平台1并且与平台1间隔开。径向向内延伸的肩部47被设置在壳体部分45的端部。肩部47由例如不锈钢的金属构成。因此，肩部47是通过耐压密闭机械49与陶瓷平台1连接的金属体。而且，此连接49以上面描述的、结合在图1中所图示的连接7方式经由适配体51发生，其中，肩部47的内边取代图1的金属测量膜3的外边而存在。相对于适配体51，特别是其热膨胀系数、其构造和其尺寸，用于在图1中所图示的适配体9的上面的说明对应的成立。适配体51在此也是矩形横截面的环形适配体51，所述环形适配体51的面向平台1的端部经由第一接头11与平台1的面向测量膜41的端部的外边连接，并且所述环形适配体51面向肩部47的端部经由第二接头13与面向平台1并且被引导到壳体43中的肩部47的内边侧连接。而且，第一和第二接头11、13优选地与基于图1描述的第一和第二接头11、13相同地被实施。
优选地，平台1的外边在轴向上，即，与测量膜41的表面法线平行地被夹进壳体43内。为此，肩部47优选地被体现为在轴向上弹性的元件，该元件与设置在壳体部分45中的、在背向测量膜41的侧上的桥台53相互作用。适合于作为桥台53的是例如中空圆柱轴承圈，所述中空圆柱轴承圈以下述方式旋入壳体43中使得其面向测量膜41的方向的端部承受平台1的背向测量膜41的后侧的外边，并且向弹性的肩部47按压平台1。在图4的左半部分示出了该变化形式。另外，能够在桥台53和平台1的外边之间设置夹紧弹簧55。在图4的右半部分示出了该变化形式。
例如，能够通过肩部47的对应的形成来实现肩部47的弹性行为。例如，能够经由与肩部47的金属的刚度对应地匹配的肩部47的减小的厚度来实现在轴向上有效的肩部47的弹性行为。
优选地，肩部47被体现为在径向上的弹性元件，因此垂直于测量膜41的表面法线。而且，能够通过肩部47的对应的形成来实现在径向上作用的肩部47的弹性。为此，肩部47优选地被体现为波形的垫片，该波形的垫片具有至少一个环形波状物57，该环形波状物57被体现为与延伸通过测量膜41的中心的测量膜41的表面法线同心。
关于优选的弹性以及关于作为压力传感器的壳体43的一部分的其暴露部分，肩部47优选地由弹性的不锈钢构成。特别是适合于此的是包含奥氏体不锈钢的镍，该奥氏体不锈钢诸如例如是具有1.4404标记的不锈钢，相应地是316L。
测量膜41被布置在平台1上，并且包围压力测量室5。为此，测量膜41的外边经由另一耐压密闭机械连接59与肩部47的内边连接，所述肩部47的内边经由耐压密闭机械连接49与平台1的边连接。而且，连接59以基于在图中的连接7描述的方式发生。为此，在肩部47的内边和测量膜41的外边之间布置另一个适配体61。该另一个适配体61优选地与适配体51相同地被体现，并且以这样的方式被布置在肩部47上使得从对应于测量膜41的膨胀系数αK的邻接测量膜41的最外层S1的膨胀系数开始的其热膨胀系数在逐层步进的肩部47的方向上增大，使得在金属肩部47上的作为边界的其最外层SN具有对应于金属肩部47的热膨胀系数αM的热膨胀系数。
与上述的连接7类似地，面向平台1的测量膜41的外边通过第一接头11与背向平台1的另外的适配体61连接，并且面向测量膜41的肩部47的内边通过第二接头13与面向肩部47的另外的适配体61的端部连接。第一和第二接头11、13也在此优选地与基于图1描述的对应的第一和第二接头11、13相同地被体现。
在这样的情况下，在径向上并且优选地也在轴向上具有弹性的肩部47提供了下述优点：虽然有经由适配体51和61的热膨胀系数αK、αM的匹配，其减轻了在给定情况下剩余的温度相关的残余应力，。
在图4中所示的压力传感器被体现为相对压力传感器。为此，它包括延伸通过平台1并且向压力测量室5内打开的孔63，经由该孔63，压力测量室5被馈送参考压力pref，例如，大气压，要测量的压力应当以其为基准。可替代地，它能够被体现为绝对压力传感器。在那种情况下，没有孔63，并且包围在测量膜41下的压力测量室5被撤除。
外部作用于测量膜41上的压力p导致测量膜41的压力相关的偏转，这借助于机电换能器记录。而且在此，电容换能器能够被应用为换能器，其在此包括电极65，电极65被施加在测量膜41的内侧上并且与在面向测量膜41的平台1的端部上施加的对电极27一起形成电容器，该电容器具有依赖于测量膜41的压力相关的偏转的电容。
附图标记的列表
1 平台
3 测量膜
5 压力测量室
7 耐压密闭机械连接
9 适配体
11 第一接头
13 第二接头
15 膜床
17 平台的端面的边缘
19 适配体
21 内部轮廓
23 孔
25 压力供应管线
27 对电极
29 压力传送装置
31 隔离膜片
33 压力接收室
35 端接
37 耐压密闭机械连接
39 适配体
41 测量膜
43 壳体
45 壳体壁
47 肩部
49 耐压密闭机械连接
51 适配体
53 桥台
55 夹紧弹簧
57 波状物
59 耐压密闭机械连接
61 适配体
63 孔
65 电极

Claims (24)

1.一种压力传感器，包括：
-陶瓷平台(1)，
-测量膜(3、41)，所述测量膜(3、41)布置在所述平台(1)上，
-压力测量室(5)，所述压力测量室(5)被包围在所述测量膜(3、41)下的所述平台(1)中，和
-至少一个金属体，所述至少一个金属体经由耐压密闭机械连接(7、37、49)与所述平台(1)连接，
其特征在于
-所述耐压密闭机械连接(7、37、49)包括布置在所述平台(1)和所述金属体之间的适配体(9、19、39、51)，
-所述适配体(9、19、39、51)具有下述热膨胀系数，所述热膨胀系数沿着所述适配体(9、19、39、51)在从所述平台(1)向所述金属体延伸的方向(z)上从对应于所述平台(1)的陶瓷的热膨胀系数(αk)的膨胀系数向对应于所述金属体的热膨胀系数(αM)的膨胀系数增大，
-所述适配体(9、19、39、51)通过第一接头(11)与所述平台(1)连接，并且通过第二接头(13)与所述金属体连接，
-所述第一接头(11)是活性硬焊接或钎焊接头，并且，
-所述第二接头(13)是焊接接头或玻璃焊接接头。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于
所述第一接头(11)是借助于具有锆镍合金和钛的三元活性硬焊料或钎焊而形成的活性硬焊接或钎焊接头。
3.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、19、39、51)具有通过包含金属和/或陶瓷成分的粉末层的激光烧结层叠施加的层(Si)，并且
-所述层(Si)具有陶瓷成分，所述陶瓷成分大于或等于0％并且小于或等于100％，并且所述层(Si)具有金属成分，所述金属成分大于或等于0％并且小于或等于100％，其中
-所述陶瓷成分在从所述平台(1)向所述金属体延伸的方向(z)上逐层减小，并且
-所述金属成分在从所述平台(1)向所述金属体延伸的方向(z)上逐层增大。
4.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述测量膜(3)由金属构成，并且是所述金属体之一，并且
-面向所述测量膜(3)的所述平台(1)的一端的外边缘经由所述第一接头(11)、所述适配体(9、19)和所述第二接头(13)与面向所述平台(1)的所述测量膜(3)的侧面的外边缘连接。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9)是矩形截面的环形适配体，或
-面向所述测量膜(3)的所述平台(1)的一端包括作为形成为膜床(15)的区域，并且所述适配体(19)包括内轮廓(21)，所述内轮廓从外部围绕所述压力测量室(5)，并且通过所述内轮廓，所述膜床(15)向外延续。
6.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-在所述平台(1)中提供了横向孔(23)，开向所述压力测量室(5)内，
-提供了连接到所述孔(23)的压力供应管线(25)，
-所述压力供应管线(25)在其面向所述平台(1)的端部上具有金属端接(35)，所述金属端接具有通道，并且形成所述金属体之一，
-所述平台(1)经由所述第一接头(11)、所述适配体(39)和所述第二接头(13)与所述端接(35)连接，并且
-所述适配体(39)具有内部，通过这个内部，所述孔(23)的内部经由在所述端接(35)中的所述通道与所述压力供应线(25)的内部连接。
7.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述平台(1)被布置在壳体(43)中，
-所述壳体(43)包括：壳体部分(45)，所述壳体部分(45)从外部包围所述平台(1)并且与所述平台(1)隔开；以及肩部(47)，所述肩部(47)与所述壳体部分连接，所述肩部(47)径向向内延伸，并且形成金属的所述金属体之一，并且
-所述肩部(47)的内边缘经由所述耐压密闭连接(49)与面向所述肩部(47)的所述平台(1)的外边缘连接，其中
-所述适配体(51)的面向所述平台(1)的一端经由所述第一接头(11)与所述平台(1)的面向所述肩部(47)的一端的外边缘连接，并且
-所述适配体(51)的面向所述肩部(47)的一端经由所述第二接头(13)与所述肩部(47)的内边缘的一侧连接，所述一侧面向壳体(43)内。
8.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于
所述金属是不锈钢。
9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于
所述不锈钢是含镍的奥氏体不锈钢。
10.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于
-所述测量膜(41)由陶瓷构成，
-所述测量膜(41)的外边缘经由耐压密闭连接(59)与所述肩部(47)的内边缘的一侧连接，所述肩部(47)的内边缘的一侧背向所述平台(1)，
-所述耐压密闭连接(59)经由另外的适配体(61)发生，所述另外的适配体(61)是与布置在平台(1)和肩部(47)之间的所述适配体(51)相同地形成的另外的适配体，
-所述另外的适配体(61)具有热膨胀系数，所述热膨胀系数在从所述测量膜(41)到所述肩部(47)的方向上从对应于所述测量膜(41)的所述陶瓷的热膨胀系数(αM)的膨胀系数向对应于所述肩部(47)的所述金属的所述热膨胀系数(αM)的膨胀系数增大，并且
-所述另外的适配体(61)具有：面向所述测量膜(41)并且通过第一接头(11)与所述测量膜(41)连接的端部，所述第一接头(11)是通过将所述适配体(61)的外层烧结到所述测量膜(41)而形成的接头；以及，面向所述肩部(47)并且通过第二接头(13)与所述肩部(47)连接的端部，所述第二接头(13)是焊接接头。
11.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于
所述肩部(47)在与所述测量膜(41)的表面法线平行和/或垂直地延伸的方向上是弹性的。
12.根据权利要求10所述的压力传感器，其特征在于
所述肩部(47)在与所述测量膜(41)的表面法线平行和/或垂直地延伸的方向上是弹性的。
13.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、19、39、51)是由层(Si)构成的适配体，并且
-所述层(Si)的数量(N)大于或等于所述金属体的热膨胀系数(αM)和所述陶瓷平台(1)的热膨胀系数(αK)之间的差(Δα)除以2ppm/K。
14.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、19、39、51)是由层(Si)构成的适配体，并且
-所述层(Si)的数量(N)大于或等于所述金属体的热膨胀系数(αM)和所述陶瓷平台(1)的热膨胀系数(αK)之间的差(Δα)除以1ppm/K。
15.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、19、39、51)是由层(Si)构成的适配体，并且
-所述层(Si)的数量(N)大于或等于所述金属体的热膨胀系数(αM)和所述陶瓷平台(1)的热膨胀系数(αK)之间的差(Δα)除以1ppm/K的两倍。
16.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、19、39、51)是由层(Si)构成的适配体，并且
-所述层(Si)具有不小于10μm，并且不大于400μm的层厚(s)。
17.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、19、39、51)是由层(Si)构成的适配体，并且
-所述层(Si)具有不小于20μm，并且不大于200μm的层厚(s)。
18.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、19、39、51)是由层(Si)构成的适配体，并且
-所述层(Si)具有不小于40μm，并且不大于100μm的层厚(s)。
19.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、39、51)在从所述平台(1)向所述金属体延伸的方向上具有高度(h)和垂直于所述高度的宽度(d)，并且，
-所述适配体(9、39、51)的宽度(d)与所述适配体(9、39、51)的高度(h)的比值和在所述平台(1)的陶瓷与所述金属体的金属的热膨胀系数(αK，αM)之间的差(Δα)的大小的乘积小于单位1/K的常数(ξ)，其中
-所述常数(ξ)小于0.1％/K，并且/或者
-所述常数(ξ)等于无量纲变形参数(C)与所述压力传感器要被施加的最大和最小温度(Tmax，Tmin)之间的温度差(ΔT)的商，并且所述变形参数小于4％。
20.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、39、51)在从所述平台(1)向所述金属体延伸的方向上具有高度(h)和垂直于所述高度的宽度(d)，并且，
-所述适配体(9、39、51)的宽度(d)与所述适配体(9、39、51)的高度(h)的比值和在所述平台(1)的陶瓷与所述金属体的金属的热膨胀系数(αK，αM)之间的差(Δα)的大小的乘积小于单位1/K的常数(ξ)，其中
-所述常数(ξ)小于125ppm/K，并且/或者
-所述常数(ξ)等于无量纲变形参数(C)与所述压力传感器要被施加的最大和最小温度(Tmax，Tmin)之间的温度差(ΔT)的商，并且所述变形参数小于2％。
21.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、39、51)在从所述平台(1)向所述金属体延伸的方向上具有高度(h)和垂直于所述高度的宽度(d)，并且，
-所述适配体(9、39、51)的宽度(d)与所述适配体(9、39、51)的高度(h)的比值和在所述平台(1)的陶瓷与所述金属体的金属的热膨胀系数(αK，αM)之间的差(Δα)的大小的乘积小于单位1/K的常数(ξ)，其中
-所述常数(ξ)小于60ppm/K，并且/或者
-所述常数(ξ)等于无量纲变形参数(C)与所述压力传感器要被施加的最大和最小温度(Tmax，Tmin)之间的温度差(ΔT)的商，并且所述变形参数小于1％。
22.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、19、39、51)是由层叠布置的层(Si)构成的适配体，
-在各种情况下，单独的层(Si)具有与所述层(Si)的表面法线平行延伸的层厚(s)和垂直于所述层(Si)的表面法线延伸的宽度(ds)，并且
-相应层(Si)的宽度(ds)与其层厚(s)的比值和在邻接这个层(Si)的层(Si-1，Si+1)的热膨胀系数之间的差(Δαs)的大小的乘积小于具有单位1/K的常数(ξ)，其中
-所述常数(ξ)小于0.1％/K，并且/或者
-所述常数(ξ)等于无量纲变形参数(C)与所述压力传感器要被施加的最大和最小温度(Tmax，Tmin)之间的温度差(ΔT)的商，并且所述变形参数小于4％。
23.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、19、39、51)是由层叠布置的层(Si)构成的适配体，
-在各种情况下，单独的层(Si)具有与所述层(Si)的表面法线平行延伸的层厚(s)和垂直于所述层(Si)的表面法线延伸的宽度(ds)，并且
-相应层(Si)的宽度(ds)与其层厚(s)的比值和在邻接这个层(Si)的层(Si-1，Si+1)的热膨胀系数之间的差(Δαs)的大小的乘积小于具有单位1/K的常数(ξ)，其中
-所述常数(ξ)小于125ppm/K，并且/或者
-所述常数(ξ)等于无量纲变形参数(C)与所述压力传感器要被施加的最大和最小温度(Tmax，Tmin)之间的温度差(ΔT)的商，并且所述变形参数小于2％。
24.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其特征在于
-所述适配体(9、19、39、51)是由层叠布置的层(Si)构成的适配体，
-在各种情况下，单独的层(Si)具有与所述层(Si)的表面法线平行延伸的层厚(s)和垂直于所述层(Si)的表面法线延伸的宽度(ds)，并且
-相应层(Si)的宽度(ds)与其层厚(s)的比值和在邻接这个层(Si)的层(Si-1，Si+1)的热膨胀系数之间的差(Δαs)的大小的乘积小于具有单位1/K的常数(ξ)，其中
-所述常数(ξ)小于60ppm/K，并且/或者
-所述常数(ξ)等于无量纲变形参数(C)与所述压力传感器要被施加的最大和最小温度(Tmax，Tmin)之间的温度差(ΔT)的商，并且所述变形参数小于1％。
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