DE102007030910A1

DE102007030910A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102007030910A1
Application number: DE102007030910A
Authority: DE
Inventors: Ulfert Drewes; Frank Dr. Hegner; Andreas Dr. Roßberg; Elke Schmidt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-01-08
Also published as: WO2009003826A1

Abstract

Ein Drucksensor (1) umfasst einen Grundkörper (2) und eine Messmenbran (3), die unter Bildung einer Messkammer mit dem Grundkörper (2) mittels einer ersten Fügestelle (4), die ein Aktivhartlot aufweist, druckdicht verbunden ist, und einen Wandler (5, 6) zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal sowie einen Primärsignalpfad, der sich von dem Wandler durch den Grundkörper erstreckt, wobei der Primärsignalpfad mindestens einen elektrischen Leiter umfasst, der in einem Abschnitt durch eine Öffnung (7) durch den Grundkörper verläuft, wobei die Öffnung mittels eines metallischen Körpers (9) verschlossen ist, der eine ebene Fläche aufweist, die der Messkammer zugewandt ist, und die mittels einer die Öffnung (7) umschließenden zweiten Fügestelle (8), die ein Aktivhartlot aufweist, druckdicht mit dem Grundkörper (2) gefügt ist, wobei das Aktivhartlot der zweiten Fügestelle (8) einen Schmelzpunkt aufweist, der nicht mehr als 50°C bzw. 25°C niedriger ist als jener des Aktivhartlots der ersten Fügestelle (4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen Drucksensor mit einem keramischen Grundkörper und einer keramischen Messmembran.
Drucksensoren im hier verwendeten Sinn umfassen Absolutdrucksensoren und Relativdrucksensoren, welche den absoluten Druck eines Messmediums gegen Vakuum bzw. die Differenz zwischen dem Druck in einem Messmedium und dem aktuellen Atmosphärendruck messen. Weiterhin umfassen die Drucksensoren im Sinne der Erfindung Differenzdrucksensoren, welche die Druckdifferenz zwischen einem ersten und zweiten Mediendruck erfassen.
Ein gattungsgemäßer Drucksensor umfasst einen Grundkörper und mindestens eine Messmembran, die unter Bildung einer Messkammer mit dem Grundkörper mittels eines Aktivhartlots druckdicht verbunden ist, und einen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal, sowie einen Primärsignalpfad, der sich durch den Grundkörper erstreckt. Der Wandler kann beispielsweise ein kapazitiver oder ein resistiver Wandler sein. Der Primärsignalpfad umfasst gewöhnlich mindestens eine elektrische Durchführung durch den Grundkörper.
Derartige Drucksensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung Cerabar hergestellt und in Verkehr gebracht.
Bei Drucksensoren mit keramischen Grundkörpern kann diese Durchführung beispielsweise ein Metallstift sein, der sich durch den Grundkörper erstreckt, wobei ein Ringspalt zwischen dem Metallstift und dem keramische Material mittels eines Aktivlots abgedichtet ist. Um die Kontaktierung der elektrischen Durchführung mittels einer Weichlotverbindung zu ermöglichen, wird ein Aktivlot eingesetzt, welches mit einem anschließenden Weichlotprozess kompatibel ist. Hierzu ist beispielsweise ein Ag-Cu-Aktivlot geeignet. Ein derartiges Aktivlot weist jedoch einen um mehr als 100 K niedrigeren Schmelzpunkt auf, als die bevorzugten Aktivhartlote zum Fügen der Messmembran mit dem keramischen Grundkörper. Insoweit können in einem Hochvakuumlötprozess bis zum Erreichen der Schmelztemperatur des Aktivhartlots die Komponenten des Aktivlots aufgrund ihrer unterschiedlichen Dampfdruckwerte unterschiedlich stark abdampfen, wodurch einerseits die Zusammensetzung des Aktivlots sich nachteilig verändern kann, und andererseits eine Kontamination des Aktivhartlots bzw. der damit zu lötenden Oberflächen erfolgen kann.
Es bleibt daher nur ein enges Fenster von Prozessparametern, bei denen die Herstellung der beschriebenen Drucksensoren im Hochvakuumlötprozess überhaupt erfolgen kann. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Drucksensor bereitzustellen, der einem robusteren Fertigungsverfahren zugänglich ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Drucksensor gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst einen Grundkörper und mindestens eine Messmembran, die unter Bildung einer Messkammer mit dem Grundkörper mittels einer ersten Fügestelle, die ein Aktivhartlot aufweist druckdicht verbunden ist, und einen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal, sowie einen Primärsignalpfad; der sich von dem Wandler durch den Grundkörper erstreckt, wobei der Primärsignalpfad mindestens einen elektrischen Leiter umfasst, der in einem Abschnitt durch eine Öffnung durch den Grundkörper verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung mittels eines metallischen Körpers verschlossen ist, der eine im wesentlichen ebene Fläche aufweist, die der Messkammer zugewandt ist, und die mittels einer die Öffnung umschließenden zweiten Fügestelle mittels eines Aktivhartlots druckdicht mit dem Grundkörper gefügt ist, wobei das Aktivhartlot der zweiten Fügestelle einen Schmelzpunkt aufweist, der nicht mehr als 50°C, vorzugsweise nicht mehr als 25°C niedriger ist als jener des Aktivhartlots der ersten Fügestelle.
Der Grundkörper und/oder die Messmembran weisen vorzugsweise einen keramischen Werkstoff auf, insbesondere Korund.
Vorzugsweise weist die zweite Fügestelle das gleiche Aktivhartlot auf wie die erste Fügestelle. Derzeit bevorzugt sind ternäre Aktivhartlote, die eine Zr/Ni-Legierung und Ti aufweisen und in EP 0 490 807 B1 beschrieben sind.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der metallische Körper eine der Messkammer abgewandte Oberfläche auf, die mittels eines Weichlots kontaktierbar ist. Hierzu kann die der Messkammer abgewandte Oberfläche des metallischen Körpers ggf. eine metallische Beschichtung aufweisen, beispielsweise eine Ni-Schicht, die zum Schutz vor Oxidation vergoldet sein kann. Die metallische Beschichtung bzw. die Ni-Schicht weist beispielsweise eine Stärke von nicht weniger als 0,5 µm, bevorzugt nicht weniger als 1 µm auf.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Schichtstärke etwa 2 µm. Die Goldschicht kann einige 10 nm aufweisen, beispielsweise 20 nm.
Der Metallkörper kann beispielsweise Wolfram oder eine Legierung aufweisen, die Molybdän und Kupfer bzw. Molybdän, Titan und Zirkonium enthält. Bei der Materialwahl ist darauf zu achten, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient zu dem des Grundkörpermaterials bzw. des Aktivhartlots passt, wobei eine vollständige Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht zwingend erforderlich ist. Es reicht aus, wenn die unterschiedliche Wärmeausdehnung nicht zum Versagen der Lötstelle führt. Derzeit bevorzugt ist eine Mo-Ti-Zr-Legierung, die unter der Bezeichnung TZM von den Firmen Goodfellow und Plansee erhältlich ist.
Der Metallkörper kann beispielsweise kreisscheibenförmig ausgebildet sein, und in eine passende Aussparung in einer Oberfläche des Grundkörpers eingelegt werden, wobei die Öffnung in der Aussparung mündet.
Der elektrische Leiter kann beispielsweise ein Metallstift sein, insbesondere ein Ta-Stift, der sich von dem Wandler durch die Öffnung bis zu der zweiten Fügestelle erstreckt. In einer anderen Ausgestaltung umfasst der elektrische Leiter eine Beschichtung der Öffnungswand, die Glas und mindestens ein Edelmetallelement enthält. Ungeachtet der Materialwahl des elektrischen Leiters ist eine ausreichende Kontaktierung der zweiten Fügestelle zu gewährleisten, da der Primärsignalpfad über die zweite Fügestelle und den metallischen Körper verläuft.
Auf der dem Wandler abgewandten Oberfläche des metallischen Körpers kann der Primärsignalpfad fortgesetzt werden, indem beispielsweise eine Leitung zu einer Schaltung zur Signalvorverarbeitung mittels einer Weichlotverbindung angeschlossen wird.
Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt.
1: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor.
Der in 1 dargestellte Drucksensor 1 umfasst einen zylindrischen Grundkörper 2, und eine kreisscheibenförmige Messmembran 3, wobei beide Korund als Werkstoff aufweisen. Der Grundkörper 2 und die Messmembran 3 sind mittels einer umlaufenden Fügestelle 4 druckdicht miteinander gefügt, wobei durch die Fügestelle 4, die ein Aktivhartlot umfasst, der Abstand zwischen der Messmembran und dem Grundkörper definiert ist.
Zwischen der Messmembran 3 und dem Grundkörper 2 ist eine Messkammer ausgebildet, in welcher je nach Zielsetzung des Drucksensors ein anderer Gegendruck zu einem auf die Außenseite der Messmembran einwirkenden Druck vorherrscht. Bei einem Relativdrucksensor ist der Gegendruck der Atmosphärendruck in der Umgebung des Sensors, der über einen hier nicht dargestellten Kanal in die Messkammer eingeleitet wird. Bei einem Absolutdrucksensor soll der Gegendruck vernachlässigbar gering sein, die Messkammer ist dementsprechend evakuiert.
Der Drucksensor 1 umfasst einen kapazitiven Wandler. Der kapazitive Wandler umfasst eine Messelektrode 5 auf messkammerseitigen Oberfläche der Messmembran 3, die über die Fügestelle 4 kontaktiert ist, und mindestens eine Gegenelektrode 6 auf der messkammerseitigen Stirnfläche des Grundkörpers 2, die über einen elektrischen Leiter kontaktiert ist, der sich durch eine Öffnung 7 erstreckt, die von der Messkammer im wesentlichen in axialer Richtung durch den Grundkörper 2 verläuft.
Der elektrische Leiter umfasst eine leitfähige Schicht, die Glas und mindestens ein Edelmetallelement enthält, beispielsweise Gold und/oder Platin. Das Schichtmaterial ist als Paste in die Öffnung 7 eingebracht und in eingebrannt worden. Die Messelektrode und die Gegenelektrode können im Wesentlichen das gleiche Material wie der elektrische Leiter aufweisen.
Die Öffnung 7 ist mit einem mittels eines Aktivhartlotplättchens 8 gefügten, kreisscheibenförmigen Metallplättchen 9 verschlossen, welches eine Stärke von etwa 200 µm und einem Durchmesser von etwa 4 mm aufweist. Das Metallplättchen 9 umfasst eine Mo-Ti-Zr-Legierung.
Um die Positionierung des Aktivhartlotrings 8, und des Metallplättchens 9 zu erleichtern, ist in der rückseitigen Stirnfläche 11 des Grundkörpers 2 eine Aussparung 10 vorgesehen, in welcher die Öffnung 7 mündet.
Das Metallplättchen 9 weist als Weichlotkontaktpunkt auf seiner der Öffnung 7 abgewandten Oberfläche eine 2 µm starke Ni-Schicht auf, die mit einer 10 nm starken Au-Schicht gegen Oxidation geschützt ist. Vor dem Aufbringen der Ni-Schicht wurde die Oberfläche mittels Plasmaätzen vorbehandelt. An den solchermaßen präparierten Weichlotkontaktpunkt, können weitere Schaltungen zur Aufbereitung des Primärsignals angeschlossen werden, wobei die Herstellung der Weichlotkontakte auch in automatisierten Verfahren erfolgen kann. Unter Schutzgas kann hierbei ggf. auf Flussmittel verzichtet werden.
Im Ergebnis erlaubt der erfindungsgemäße Drucksensor eine vereinfachte Herstellung, da die Fügestellen zwischen der Messmembran und dem Grundkörper einerseits sowie zwischen dem Metallkörper zum Verschluss der Öffnung für den Primärsignalpfad und dem Grundkörper andererseits ähnliche bzw. identische Materialeigenschaften aufweisen. Weiterhin erlaubt der erfindungsgemäße Drucksensor eine verbesserte Kontaktierung des Primärsignalpfads.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0490807 B1 [0010]

Claims

Drucksensor (1), umfassend: einen Grundkörper (2); und eine Messmembran (3), die unter Bildung einer Messkammer mit dem Grundkörper (2) mittels einer ersten Fügestelle (4) die ein Aktivhartlot aufweist, druckdicht verbunden ist; und einen Wandler (5, 6) zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal; sowie einen Primärsignalpfad, der sich von dem Wandler durch den Grundkörper erstreckt, wobei der Primärsignalpfad mindestens einen elektrischen Leiter umfasst, der in einem Abschnitt durch eine Öffnung (7) durch den Grundkörper verläuft; dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung mittels eines metallischen Körpers (9) verschlossen ist, der eine im wesentlichen ebene Fläche aufweist, die der Messkammer zugewandt ist, und die mittels einer die Öffnung (7) umschließenden zweiten Fügestelle (8), die ein Aktivhartlot aufweist, druckdicht mit dem Grundkörper (2) gefügt ist, wobei das Aktivhartlot der zweiten Fügestelle (8) einen Schmelzpunkt aufweist, der nicht mehr als 50°C, vorzugsweise nicht mehr als 25°C niedriger ist als jener des Aktivhartlots der ersten Fügestelle (4).
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper und/oder die Messmembran einen keramischen Werkstoff aufweisen, insbesondere Korund.
Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste und die zweite Fügestelle das gleiche Aktivhartlot aufweisen.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der metallische Körper (9) eine der Messkammer abgewandte Oberfläche aufweist, die mittels eines Weichlots kontaktierbar ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die der Messkammer abgewandte Oberfläche des metallischen Körpers (9) eine Ni-Schicht aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 5, wobei die Ni-Schicht zum Schutz vor Oxidation vergoldet ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallkörper (9) eine Legierung aufweist, die Molybdän und Kupfer bzw. Molybdän, Titan und Zirkonium enthält.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Leiter einen Metallstift umfasst.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der elektrische Leiter eine Beschichtung der Wand der Öffnung (7) umfasst, die Glas und mindestens ein Edelmetallelement enthält.