DE102005047535A1 - Hochtemperatur-Drucksensor, insbesondere zur Messung von Drücken innerhalb von Triebwerken, und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Hochtemperatur-Drucksensor, insbesondere zur Messung von Drücken innerhalb von Triebwerken, und Verfahren zu dessen Herstellung Download PDF

Info

Publication number
DE102005047535A1
DE102005047535A1 DE200510047535 DE102005047535A DE102005047535A1 DE 102005047535 A1 DE102005047535 A1 DE 102005047535A1 DE 200510047535 DE200510047535 DE 200510047535 DE 102005047535 A DE102005047535 A DE 102005047535A DE 102005047535 A1 DE102005047535 A1 DE 102005047535A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
pressure sensor
substrate
membrane
metal oxide
sapphire
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE200510047535
Other languages
English (en)
Other versions
DE102005047535B4 (de
Inventor
Sören Dipl.-Phys. Fricke
Alois Dr. Friedberger
Gerhard Dr. rer. nat. Müller
Ulrich Dr. rer. nat. Schmid
Helmut Dr. rer. nat. Seidel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
Priority to DE200510047535 priority Critical patent/DE102005047535B4/de
Publication of DE102005047535A1 publication Critical patent/DE102005047535A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102005047535B4 publication Critical patent/DE102005047535B4/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Ein Hochtemperatur-Drucksensor (10), der insbesondere zur Messung des Druckes in Triebwerken geeignet ist, umfasst ein Substrat (11) aus Saphir, in dem ein Innenraum (12) ausgestaltet ist. Eine verformbare Membran (13) trennt den Innenraum (12) vom Außenraum und verformt sich im Betrieb bei einer Änderung des äußeren Druckes. Auf der Membran (13) aus Saphir ist ein Dehnungsmesselement (14a, 14b, 14c) aus Metalloxid bzw. SnO¶2¶ angeordnet. Der Hochtemperatur-Drucksensor (10) ist insbesondere zur Integration in einem Turbinenelement bzw. einer Turbinenschaufel ausgestaltet. Die verformbare Membran (13) ist einstückig mit dem Substrat (11) ausgebildet. Bei der Herstellung wird die Membran (13) aus einem Teilbereich des Substrats (11) gebildet und SnO¶2¶ auf Saphir aufgedampft.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Drucksensor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere ist der Hochtemperatur-Drucksensor zur Messung von Drücken innerhalb von Triebwerken geeignet.
  • Drucksensoren werden in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt, um Drücke von Gasen oder Flüssigkeiten zu messen. Dabei sind die Drucksensoren in vielen Fällen besonders hohen Belastungen ausgesetzt, die von dem Zustand des Mediums abhängen, in dem die Druckmessung durchgeführt wird. Oftmals unterscheiden sich die auf den Drucksensor wirkenden Drücke erheblich. Ein Drucksensor muss daher einerseits hohen Belastungen standhalten und soll andererseits genaue Messergebnisse liefern.
  • Insbesondere bei Messungen innerhalb von Triebwerken, beispielsweise Strahltriebwerken von Flugzeugen oder Raketentriebwerken, muss der Drucksensor den dort herrschenden sehr hohen Temperaturen standhalten und trotz extremer Umgebungsbedingungen, die hohen Schwankungen unterliegen, geringe Fehler bzw. Messungenauigkeiten aufweisen. Dies trifft auch für andere Anwendungsfälle zu, wie beispielsweise innerhalb von Motoren und sonstigen Verbrennungskraftmaschinen, usw.
  • Bekannte Drucksensoren haben eine Membran, die sich bei einer Druckdifferenz auf beiden Seiten der Membran verformt. Beispielsweise durch piezoresistive oder piezoelektrische Elemente, die auf einer Seite der Membran angeordnet sind, wird die Verformung der Membran gemessen.
  • Besonders bei großen Temperaturbelastungen besteht das Problem, dass sich die Membran des Drucksensors verspannt oder sich in ihrem Rahmen oder ihrer Aufhängung verzieht. Die Folge sind ungenaue Messungen oder verfälschte Messergebnisse, die insbesondere bei großen Temperaturschwankungen auftreten. Bei klassischen mikromechanischen Siliziummembranen besteht überdies das Problem der plastischen Verformung bei hohen Temperaturen.
  • Die Druckschrift DE 196 44 830 C1 zeigt einen Drucksensor mit einem Gehäuse, dessen Innenraum durch eine Membran verschlossen wird, und piezoelektrischen Elementen, die bei einer Verformung der Membran ein entsprechendes Signal erzeugen. Durch ein zusätzliches flexibles Messelement, das an die Membran gekoppelt ist und dessen Verformung gemessen wird, wird erreicht, dass die Messergebnisse nicht durch auftretende Verspannungen der Membran verfälscht werden und z.B. auch bei stark wechselnden Temperaturen genaue und zuverlässige Messungen durchgeführt werden können. Derartige Lösungen haben jedoch den Nachteil eines relativ hohen konstruktiven Aufwandes.
  • Zur Messung von Verspannungen bei hohen Temperaturen eignen sich beispielsweise Indium-Zinnoxide, wie es in dem Artikel „High temperature stability of indium tin oxide thin films", Otto J. Gregory et al., Thin Solid Films 406 (2002) 286-293, und in „A self-compensated ceramic strain gage for use at elevated temperatures", Otto J. Gregory, Q. Luo, Sensors and Actuators A 88 (2001) 234-240 beschrieben wird.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochtemperatur-Drucksensor bereitzustellen, der zur Messung von Drücken bei Temperaturen bis weit über 400 °C geeignet ist, wie sie z.B. in Triebwerken von Luftfahrzeugen vorherrschen, und dabei genaue Messergebnisse bei einer verlängerten Lebensdauer liefert. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hochtemperatur-Drucksensors angegeben werden.
  • Der erfindungsgemäße Hochtemperatur-Drucksensor ist insbesondere für Triebwerke geeignet und umfasst ein Substrat, in dem ein Innenraum ausgestaltet ist, eine verformbare Membran, die im Betrieb den Innenraum vom Außenraum trennt, um sich bei einer Änderung des äußeren Druckes zu verformen, ein Dehnungsmesselement, das auf der Membran angeordnet ist, zur Messung der Verformung der Membran, wobei das Dehnungsmesselement aus Metalloxid gefertigt ist und die Membran aus Saphir gefertigt ist.
  • Durch die Erfindung können Messungen von Drücken bei Temperaturen bis weit über 400 °C, beispielsweise bei ca. 1000 °C, erfolgen. Weiterhin ergibt sich insbesondere bei geringeren Temperaturen eine Verlängerung der Lebensdauer im Vergleich zu den bisher bekannten Drucksensoren. Der erfindungsgemäße Drucksensor eignet sich daher insbesondere auch zum Einsatz in Raketentriebwerken. Durch die Verwendung von Saphir als Substratmaterial wird darüber hinaus eine hohe chemische Resistenz erreicht. Durch das auf der Saphirmembran angeordnete Dehnungsmesselement aus Metalloxid ergibt sich eine besonders hohe Temperaturstabilität, da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Materialien sehr ähnlich sind. Dadurch wird z.B. vermieden, dass sich das Dehnungsmesselement allein schon aufgrund einer Temperaturänderung der sensitiven Schicht anders ausdehnt als das Substrat bzw. der Träger und somit Verspannungen verursacht.
  • Vorteilhafterweise ist das Dehnungsmesselement aus SnO2 gefertigt, wobei es insbesondere als Dehnungsmessstreifen in Form einer Dünnschicht-Leiterbahn ausgestaltet sein kann. Dadurch ergibt sich eine vereinfachte, schnelle und kostengünstige Fertigung.
  • Insbesondere ist die verformbare Membran einstückig mit dem Substrat ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine noch verbesserte Hochtemperaturstabilität und es ergeben sich geringere Verspannungen. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass der Hochtemperatur-Drucksensor mit Techniken der Mikromechanik hergestellt werden kann.
  • Vorteilhafterweise ist der Hochtemperatur-Drucksensor zur Integration in einem Turbinenelement, beispielsweise einer Turbinenschaufel, ausgestaltet. Dies ergibt sich dadurch, dass der Hochtemperatur-Drucksensor in extrem kleiner Bauweise gefertigt werden kann und auch ohne Gehäuse einsetzbar ist. Beispielsweise kann der Innenraum des Substrats erst aufgrund der Integration in der Turbinenschaufel bzw. durch eine Teilfläche der Turbinenschaufel vollständig verschlossen werden.
  • Es ist aber auch möglich, den Innenraum durch eine Versiegelung hermetisch abzuschließen, die insbesondere ebenfalls aus Saphir gefertigt ist und z.B. durch Waferbonden mit dem Saphirsubstrat verbunden ist. Dadurch kann ein Referenzdruck hinter der Membran bzw. im Innenraum des Substrats erzeugt werden, wobei der Innenraum beispielsweise evakuiert ist.
  • Vorteilhafterweise enthält das Metalloxid bzw. SnO2 eine Dotierung, wie z.B. Antimon bzw. Sb, wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Dadurch wird erreicht, dass die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Metalloxids von der Temperatur abnimmt, wobei mit steigender Dotierung eine geringere Abhängigkeit vorliegt. Auf diese Weise können Messfehler aufgrund von Temperaturänderungen noch besser reduziert werden. Ein weiterer Vorteil der Dotierung liegt darin, dass die Gassensitivität bzw. Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Metalloxids in Abhängigkeit von dem jeweils vorhandenen Gas verringert wird und mit zunehmender Dotierung weiter abnimmt. D.h., es werden Messfehler vermieden, die dadurch entstehen, dass sich die Zusammensetzung des zu messenden Gases unerwartet ändert, was eine Änderung des elektrischen Widerstandes der gassensitiven Metalloxidschicht und damit verbundene Messfehler zur Folge hätte.
  • Vorteilhaft ist auf dem Metalloxid noch zusätzlich eine Passivierung ausgebildet. Die Passivierung, beispielsweise Al2O3, kann z.B. über dem SnO2 abgeschieden werden, um die Gassensitivität weiter zu verringern. Alternativ kann als Isolator z.B. undotiertes SnO2 verwendet werden, das nach dem Aufbringen noch oxidiert werden kann, oder SiO2.
  • Bevorzugt ist das Metalloxid durch Aufdampfen einer Legierung auf dem Substrat gebildet mit anschließendem Annealing. Dadurch wird eine Verringerung der Körnigkeit der Oberfläche erreicht, was zur Folge hat, dass die Gassensitivität des Metalloxids noch weiter abnimmt, da dessen Oberfläche geringer ist. Insbesondere kann ein Aufdampfen bzw. Sputtern eines Gemisches bzw. einer Legierung anstatt einer Oxidation von metallischem Sn erfolgen.
  • Bevorzugt umfasst der Hochtemperatur-Drucksensor einen Temperatursensor, der ein Signal zur Temperaturkompensation des elektrischen Widerstands des Metalloxids erzeugt. Dadurch werden mögliche Messfehler bei sehr hohen Temperaturen noch besser reduziert bzw. vermieden. Obwohl der Widerstand von SnO2 nur gering von der Temperatur abhängig ist, wird das Messergebnis durch die Messung der Temperatur und eine nachfolgende Temperaturkompensation des Signals des Dehnungsmesselements noch weiterhin verbessert.
  • Vorteilhafterweise ist der Temperatursensor mäanderförmig ausgestaltet und aus Platin gefertigt. Zu diesem Zweck wird z.B. abseits der Membran, d.h. außerhalb des Bereiches, in dem sich das Dehnungsmesselement bzw. die Dehnungsmesselemente befinden, ein Platin-Mäander abgeschieden und strukturiert, der über seinen elektrischen Widerstand als Temperatursensor dient. Es kann also eine Temperaturkompensation erfolgen, die beispielsweise über eine direkte Auswertung des SnO2-Widerstands schwierig wäre, da dieser nur eine relativ geringe Temperaturabhängigkeit besitzt.
  • Es ist z.B. auch möglich, das Prinzip des Hochtemperatur-Drucksensors – ein Metalloxid-Dehnungsmesstreifen auf einer Saphirmembran bzw. Saphirbrücke – für andere Messzwecke anzuwenden, insbesondere zur Kraftmessung.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Drucksensors angegeben, mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats aus Saphir; Aufbringen eines Metalloxids als Dehnungsmesselement auf einen Teilbereich des Substrats; und Herstellen einer verformbaren Membran aus dem Teilbereich des Substrats, so dass anschließend das Metalloxid auf der Membran angeordnet ist, um eine Verformung der Membran zu messen.
  • Insbesondere wird dabei SnO2 auf Saphir aufgedampft, um das Dehnungsmesselement zu bilden. Das Metalloxid kann auch durch Sputtern, MBE oder andere Verfahren aufgebracht werden.
  • Vorteilhafterweise wird die verformbare Membran aus dem Substrat von dessen Rückseite her herausgearbeitet, so dass in dem Substrat eine Ausnehmung gebildet wird.
  • Beispielsweise wird das Substrat derart geformt, dass auf der Rückseite der Membran ein Innenraum ausgestaltet ist, der im Messbetrieb hermetisch abgeschlossen ist.
  • Vorteilhafterweise wird eine Versiegelung aus Saphir durch Waferbonden mit dem Substrat derart verbunden, dass der Innenraum hermetisch verschlossen wird.
  • Insbesondere kann das Metalloxid durch dotiertes SnO2 gebildet werden.
  • Bevorzugt wird auf dem Substrat ein mäanderförmiges Platinelement als Temperatursensor ausgestaltet.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen
  • 1 einen erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Drucksensor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
  • 2 einen Hochtemperatur-Drucksensor gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform zeigt, der durch eine Versiegelung verschlossen ist;
  • 3 ein Beispiel für ein Dehnungsmesselement zeigt, das auf einer Membran angeordnet ist bzw. wird; und
  • 4 einen Hochtemperatur-Drucksensor gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zeigt.
  • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Drucksensor 10 zur Messung von Drücken oberhalb von 400 °C. Der Hochtemperatur-Drucksensor bzw. Drucksensor 10 besteht aus einem Substrat 11 aus Saphir, in dem ein Innenraum 12 ausgestaltet ist. Weiterhin ist eine verformbare Membran 13 vorgesehen, die im Betrieb den Innenraum 12 vom Außenraum trennt und sich bei einer Änderung des äußeren Druckes gegenüber dem Druck im Innenraum 12 verformt. Dabei ist der Innenraum 12 beim Betrieb des Sensors vollständig abgeschlossen. Auf der verformbaren Membran 13 ist eine Anordnung bzw. Struktur von Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c angeordnet, die aus Metalloxid gefertigt sind und ein Dehnungsmesselement zur Messung der Verformung der Membran 13 bilden. Dabei ist die Membran 13 ebenfalls aus Saphir gefertigt.
  • Das Substrat 11 und die Membran 13 sind einstückig ausgebildet. D.h., die Membran 13 wird durch einen Teilbereich des Saphir-Substrats 11 gebildet, das entsprechend geformt ist, um den Innenraum 12 mittels der Membran 13 nach außen hin abzugrenzen.
  • Das Dehnungsmesselement 14a, 14b, 14c ist im vorliegenden Fall aus SnO2 gefertigt und als Dehnungsmessstreifen in Form einer Dünnschicht-Leiterbahn ausgestaltet. Bei einer Verformung der Membran 13 liefert das Dehnungsmesselement 14a, 14b, 14c aufgrund einer Änderung seines elektrischen Widerstands ein Signal an eine Auswerteeinheit, das dem den außen anliegenden Druck entspricht.
  • Der Drucksensor 10 gemäß dieser ersten bevorzugten Ausführungsform ist zur Integration in ein Turbinenelement, beispielsweise einer Turbinenschaufel, ausgestaltet. Es kann aber allgemein in Bauteile jeglicher Art integriert werden, in deren Umgebung der Druck gemessen werden soll. Dabei wird der Innenraum 12 erst durch die Integration in das Turbinenelement verschlossen bzw. hermetisch abgeriegelt, so dass nur noch die Vorderseite 16 des Drucksensors 10 an den Außenraum angrenzt, in dem der Druck gemessen wird. Zu diesem Zweck ist die Rückseite des Innenraums 12 offen und durch das Substrat 11 umgrenzt, d.h. der Innenraum 12 bildet eine Ausnehmung in dem Substrat 11. Aufgrund der besonderen Gestaltung des Drucksensors 10 durch ein einziges Saphir-Substrat 11, das sowohl die Membran 13 bildet als auch die Bereitstellung bzw.
  • Umgrenzung des Innenraums 12 in der Art eines Gehäuses, ergibt sich eine so kleine Bauweise, dass der Drucksensor in Bauteile mit relativ geringer Dicke, wie beispielsweise in eine Turbinenschaufel, vollständig integriert werden kann. Der Drucksensor 10 dieser ersten bevorzugten Ausführungsform kann aber auch in ein Drucksensor-Gehäuse eingebaut und dabei kontaktiert werden. Dabei wird durch entsprechende Gestaltung des Gehäuses der Innenraum 12 verriegelt bzw. hermetisch abgeschlossen.
  • Bei der Druckmessung besteht im Innenraum 12 ein Referenzdruck auf der Rückseite 17 der Membran 13, so dass die Membran 13 bei einer Änderung des von außen anliegenden Drucks verformt wird.
  • 2 zeigt einen Hochtemperatur-Drucksensor 20 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Der Drucksensor 20 entspricht im Aufbau dem oben beschriebenen Drucksensor 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei jedoch zusätzlich eine Versiegelung 18 vorgesehen ist, die auf der Rückseite des Saphir-Substrats 11 derart angeordnet ist, dass sie den Innenraum 12 verschließt bzw. hermetisch abriegelt. Dabei ist die Versiegelung 18 ebenfalls aus Saphir gefertigt und durch Waferbonden mit dem Saphir-Substrat 11 fest verbunden. Auf diese Weise kann bei der Herstellung ein definierter Referenzdruck, insbesondere Vakuum, im Innenraum vorgesehen werden. Dadurch entsteht eine voll funktionsfähige Drucksensor-Kapsel, bei der alle Elemente sehr ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen.
  • 3 zeigt ein Beispiel für eine Dehnungsmessstreifen-Struktur, die als Dehnungsmesselement auf der Membran 13 des erfindungsgemäßen Drucksensors 10, 20 angeordnet ist. Die Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c sind mäanderförmig ausgestaltet und als Dünnschicht-Leiterbahnen aus SnO2 auf der Membran 13 (s. 1 und 2) angeordnet. Die Form der Dehnungsmessstreifen-Struktur und ihre äußere Begrenzung entspricht im Wesentlichen der Membranfläche 13, d.h., die rund ausgestaltete äußere Begrenzung bzw. die äußeren Dehnungsmessstreifen 14a, 14c sind im Randbereich der Membran 13 auf deren Oberseite angeordnet, während sich im Zentrum der Membran 13 der Dehnungsmessstreifen 14b befindet.
  • Das Metalloxid bzw. SnO2 des Dehnungsmesselements 14a, 14b, 14c ist beispielsweise mit Antimon dotiert, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen und die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur und darüber hinaus auch die Gassensitivität des Metalloxids zu verringern, so dass Messfehler aufgrund einer sich ändernden Temperatur oder Zusammensetzung des zu messenden Gases noch besser reduziert werden.
  • Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Drucksensors wird zunächst ein Substrat aus Saphir bereitgestellt. Anschließend wird ein Metalloxid, insbesondere SnO2 auf das Saphir-Substrat aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen. Das Metalloxid bildet das spätere Dehnungsmesselement 14a, 14b, 14c. Nun erfolgt das Herstellen der Membran 13 in dem Saphir-Substrat, beispielsweise durch Schleifen, Ultraschall-Erodieren, Laserbearbeitung oder Elektronenstrahl-Dampfverfahren. Dabei wird die Membran aus dem Teilbereich des Substrats gefertigt, auf dem das Metalloxid bzw. SnO2 als Dünnschicht-Leiterbahn aufgebracht ist. Alternativ kann auch zuerst die Membran gefertigt und anschließend das Metalloxid aufgebracht werden.
  • Da Saphir auch bei hohen Temperaturen elektrisch isoliert, ist keine elektrische Isolationsschicht notwendig. Das Metalloxid wird vorzugsweise als Dünnschicht auf das Saphir-Substrat aufgebracht. Es kann aber auch als Dickschicht aufgebracht werden.
  • Das SnO2 wird z.B. mit Antimon dotiert, um die Messgenauigkeit des hergestellten Drucksensors noch weiter zu verbessern. Über dem SnO2 bzw. Metalloxid kann eine Passivierung, beispielsweise aus Al2O3 abgeschieden werden, wodurch die Gassensitivität weiter verringert und die Messgenauigkeit des hergestellten Drucksensors weiter erhöht wird.
  • Optional wird auf dem Saphirsubstrat noch zusätzlich ein Platinmäander abgeschieden und strukturiert, der einen Temperatursensor bildet. Das Abscheiden und Strukturieren des Platinmäanders erfolgt abseits der Membran, d.h. außerhalb des Bereichs, in dem sich die Dehnungsmessstreifenstruktur aus SnO2 befindet. Der Temperatursensor ermöglicht eine Temperaturkompensation, die insbesondere bei sehr hohen Temperaturen das Messergebnis noch weiter verbessert, wobei der elektrische Widerstand von SnO2 ohnehin nur eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit aufweist.
  • Die Erfindung beinhaltet weiterhin noch die Möglichkeit, eine nichtleitende Schicht, insbesondere eine amorphe Schicht, vorzugsweise SiO2, zwischen Saphir und Metalloxid aufzubringen. Dadurch werden das Wachstum bzw. die Eigenschaften des Metalloxids positiv beeinflusst, was sich insbesondere in einer erhöhten Temperaturstabilität äußert.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in 4 dargestellt. Im Gegensatz zu 2 wirkt der Druck – und damit die aggressive Atmosphäre – nicht von unten auf die Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c, sondern von oben auf die Membran 13 aus Saphir. Dadurch lässt sich der Sensor 30 bzw. die Sensorkapsel selbst in extrem korrosiver Umgebung einsetzen. Die Membran 13 wird hier in die andere Richtung durchgedrückt als bei 2.
  • Wie bei 2 wird eine Versiegelung 38 aus Saphir durch Waferbonden aufgebracht. Eine Kavität 39 ist ausgespart, damit sich die Membran 13 bei Anliegen von Druck nach unten durchbiegen kann. In der entstehenden Kavität 39 herrscht Referenzdruck, z.B. Vakuum. Die Herstellung dieser hermetischen Versiegelung ist schwierig, da die Oberfläche des Substrates 11 nicht vollständig eben ist. Es müssen nämlich die elektrischen Anschlüsse für die Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c nach außen geführt werden. Zu diesem Zweck ist eine Kontaktierung 35 vorgesehen. Diese Kontaktierung 35 kann auch durch Metalloxid erfolgen oder z.B. durch Platin.
  • Als Alternative zum Waferbonden von zwei Saphiroberflächen lässt sich eine Zwischenschicht aus Al2O3 aufbringen, vorzugsweise durch ein SolGel-Verfahren. Substrat und Versiegelung werden dann aufeinander gedrückt und durch ein thermisches Verfahren die dazwischenliegende Al2O3-Schicht ausgehärtet. Diese Al2O3-Schicht und das Saphir haben sehr ähnliche thermische Ausdehnunskoeffizienten.

Claims (19)

  1. Hochtemperatur-Drucksensor (10; 20; 30), insbesondere für Triebwerke, mit einem Substrat (11), in dem ein Innenraum (12) ausgestaltet ist, einer verformbaren Membran (13), die den Innenraum (12) vom Außenraum trennt, um sich im Betrieb bei einer Änderung des äußeren Druckes zu verformen, einem Dehnungsmesselement (14a, 14b, 14c), das auf der Membran angeordnet ist, zur Messung der Verformung der Membran (13), dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnungsmesselement (14a, 14b, 14c) aus Metalloxid gefertigt ist und die Membran (13) aus Saphir gefertigt ist.
  2. Hochtemperatur-Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnungsmesselement (14a, 14b, 14c) aus SnO2 gefertigt ist.
  3. Hochtemperatur-Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die verformbare Membran (13) einstückig mit dem Substrat (11) ausgebildet ist.
  4. Hochtemperatur-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnungsmesselement (14a, 14b, 14c) ein Dehnungsmessstreifen in Form einer Dünnschicht-Leiterbahn ist.
  5. Hochtemperatur-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Integration in einem Turbinenelement, insbesondere einer Turbinenschaufel, ausgestaltet ist.
  6. Hochtemperatur-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (12) durch eine Versiegelung (18) hermetisch abgeschlossen ist, die aus Saphir gefertigt ist und durch Waferbonden mit dem Substrat (11) verbunden ist.
  7. Hochtemperatur-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid eine Dotierung enthält, insbesondere eine Antimon-Dotierung.
  8. Hochtemperatur-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid durch Aufdampfen einer Legierung auf dem Substrat (11) gebildet ist.
  9. Hochtemperatur-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Metalloxid eine Passivierung ausgebildet ist.
  10. Hochtemperatur-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor, der ein Signal zur Temperaturkompensation des elektrischen Widerstands des Metalloxids erzeugt.
  11. Hochtemperatur-Drucksensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor mäanderförmig ausgestaltet und aus Platin gefertigt ist.
  12. Hochtemperatur-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Kraftmessung verwendet wird.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Drucksensors, mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats (11) aus Saphir; Aufbringen eines Metalloxids als Dehnungsmesselement (14a, 14b, 14c) auf einem Teilbereich des Substrats (11); und Herstellen einer verformbaren Membran (13) aus dem Teilbereich des Substrats (11), so dass anschließend das Metalloxid auf der Membran (13) angeordnet ist um eine Verformung der Membran (13) zu messen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass SnO2 auf Saphir aufgedampft wird, um das Dehnungsmesselement (14a, 14b, 14c) zu bilden.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die verformbare Membran (13) aus dem Substrat (11) von dessen Rückseite her herausgearbeitet wird, so dass in dem Substrat (11) eine Ausnehmung gebildet wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) derart geformt wird, dass auf der Rückseite der Membran (13) ein Innenraum (12) ausgestaltet ist, der im Messbetrieb hermetisch abgeschlossen ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Versiegelung aus Saphir durch Waferbonden mit dem Substrat (11) derart verbunden wird, dass der Innenraum (12) hermetisch verschlossen wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid durch dotiertes SnO2 gebildet wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat ein mäanderförmiges Platinelement als Temperatursensor ausgestaltet wird.
DE200510047535 2005-09-30 2005-09-30 Verwendung eines Hochtemperatur-Drucksensors in einem Triebwerkselement Expired - Fee Related DE102005047535B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200510047535 DE102005047535B4 (de) 2005-09-30 2005-09-30 Verwendung eines Hochtemperatur-Drucksensors in einem Triebwerkselement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200510047535 DE102005047535B4 (de) 2005-09-30 2005-09-30 Verwendung eines Hochtemperatur-Drucksensors in einem Triebwerkselement

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102005047535A1 true DE102005047535A1 (de) 2007-04-05
DE102005047535B4 DE102005047535B4 (de) 2007-11-29

Family

ID=37852800

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200510047535 Expired - Fee Related DE102005047535B4 (de) 2005-09-30 2005-09-30 Verwendung eines Hochtemperatur-Drucksensors in einem Triebwerkselement

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102005047535B4 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013010015A1 (de) 2013-06-14 2014-12-18 Volkswagen Aktiengesellschaft Drucksensor und Drucksensorsystem
DE102013010014A1 (de) 2013-06-14 2014-12-18 Volkswagen Aktiengesellschaft Temperatursensor für ein fluides Medium

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3616308C2 (de) * 1986-05-14 1995-09-21 Bosch Gmbh Robert Sensor
DE19644830C1 (de) * 1996-10-29 1998-02-19 Daimler Benz Ag Membran-Drucksensorchip

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3616308C2 (de) * 1986-05-14 1995-09-21 Bosch Gmbh Robert Sensor
DE19644830C1 (de) * 1996-10-29 1998-02-19 Daimler Benz Ag Membran-Drucksensorchip

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GREGORY,O.J., et. al: High temperature stability of indium tin oxide thin films. In: Thin Solid Films 406 (2002) S. 286-293 *
GREGORY,O.J., LUO, QING: A self-compensated ceramic strain gage for use at elevated temperat- ures. In: Sensors and Actuators A 88 (2001) S. 234-240 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013010015A1 (de) 2013-06-14 2014-12-18 Volkswagen Aktiengesellschaft Drucksensor und Drucksensorsystem
DE102013010014A1 (de) 2013-06-14 2014-12-18 Volkswagen Aktiengesellschaft Temperatursensor für ein fluides Medium

Also Published As

Publication number Publication date
DE102005047535B4 (de) 2007-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1991849B1 (de) Hochtemperatur-drucksensorelement, insbesondere zur messung von drücken innerhalb von triebwerken, verfahren zu dessen herstellung und bauteil für triebwerke
DE4419138B4 (de) Hochtemperaturdrucksensor
DE2237535C2 (de) Druckwandler
EP2904363B1 (de) Drucksensor mit deckschicht
DE10031120A1 (de) Druckmittler
DE102012204414A1 (de) Drucksensor
WO2006072391A1 (de) Vorrichtung zum messen von dräften, insbesondere drucksensor, und zugehöriges herstellverfahren
EP2335039B1 (de) Sensoranordnung, verfahren zum betrieb einer sensoranordnung und verfahren zur herstellung einer sensoranordnung
DE3436440A1 (de) Halbleiter-messeinrichtung
EP1966577B1 (de) Druckmesszelle
DE4103706A1 (de) Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen
DE4022782A1 (de) Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen
DE19510688C2 (de) Dichtungsdiaphragmastruktur für eine Druckmessvorrichtung
DE102005047535B4 (de) Verwendung eines Hochtemperatur-Drucksensors in einem Triebwerkselement
DE102009024576B4 (de) Differenzdrucksensor
EP2138450B1 (de) Elektrodenstruktur für ein mikromechanisches Bauelement
EP2593760B1 (de) Infrarot-sensor mit tunnelkontakt zur messung der verformung einer membran
DE3108300A1 (de) Druckmessdose
WO2012100770A1 (de) Elektrische messeinrichtung zur kraft- und/oder druckmessung
DE102010054970B4 (de) Vorrichtung zum Wandeln einer Dehnung und/oder Stauchung in ein elektrisches Signal, insbesondere Dehnungsmessfolie
DE102019201167A1 (de) Thermischer erfassungssensor
DE102021111671A1 (de) Druckmesszelle mit Auswerteelektronik auf Verdrängungskörper
DE10127230A1 (de) Druckerfassungsvorrichtung
DE102009045158A1 (de) Sensoranordnung und Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung
DE102008041937A1 (de) Drucksensoranordnung und Verfahren zur Herstellung einer Drucksensoranordnung

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8364 No opposition during term of opposition
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20110401