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Die vorliegende Erfindung betrifft eine kapazitive keramische Druckmesszelle, insbesondere eine kapazitive keramische Druckmesszelle mit einem keramischen Grundkörper und einer keramischen Messmembran, wobei die Messmembran mittels eines Fügematerials entlang eines umlaufenden Randes mit dem Grundkörper druckdicht verbunden ist, wobei das Fügematerial ein Aktivhartlot umfasst.
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Eine derartige Druckmesszelle ist beispielsweise in dem europäischen Patent
EP 0445382 B1 und dem europäischen Patent
EP 03517051 B1 offenbart.
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Das Fügematerial wird zur Fertigung der Druckmesszelle insbesondere als Formteil, welches ein Aktivhartlot aufweist, zwischen dem Grundkörper und der Messmembran angeordnet, wobei die Herstellung der druckdichten Verbindung gewöhnlich in einem Hochvakuum-Lötprozess erfolgt. Insbesondere Zirkonium-Nickel-Titan-Aktivhartlote haben sich als vorteilhaft zum Fügen von Grundkörpern und Messmembranen aus Korund erwiesen. Die Herstellung von solchen Aktivhartlot Formteilen ist beispielsweise in dem europäischen Patent
EP 0558874 B1 beschrieben.
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Aktuell werden kapazitive Druckmesszellen mit Abständen von beispielsweise etwa 20 Mikrometern oder etwa 35 Mikrometern zwischen dem Grundkörper und der Messmembran hergestellt, wobei die zylindrischen Grundkörper beispielsweise einen Durchmesser von etwa 174 mm bzw. etwa 32,25 mm aufweisen. Gattungsgemäße Druckmesszellen werden gewöhnlich in einem Gehäuse axial eingespannt, wobei an der Messmembran ein Dichtring anliegt, welcher eine Gehäuseöffnung umgibt, und zwischen der Messmembran und einer die Gehäuseöffnung umgebende Dichtfläche axial eingespannt ist. Um Rückwirkungen der Einspannkräfte auf die Messmembran zu minimieren, ist es erforderlich, dass der Dichtring in einem von dem Fügematerial unterstützten radialen Bereich der Messmembran aufliegt.
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Insbesondere bei kleinen Grundkörperdurchmessern ist die dafür erforderliche Breite der Fügestelle zwischen dem Grundkörper und der Messmembran so groß, dass die verbleibende Fläche für die Elektroden der kapazitiven Druckmesszelle sehr klein ist. Um dennoch eine hinreichend große Kapazität zu erzielen, ist es angestrebt, den Abstand zwischen den Elektroden zu verringern, was bei gleich bleibenden Herstellungsprozessen für die Elektroden, die entweder im Dünnschicht- oder Dickschichtverfahren auf den Grundkörper bzw. die Messmembran aufgebracht werden, eine Verringerung der Stärke der Fügestelle zwischen dem Grundkörper und der Messmembran bedeutet.
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Dem nahe liegenden Ansatz, ein dünneres Lotformteil zu verwenden, sind jedoch enge Grenzen gesetzt, da dünnere Teile mit akzeptablen Toleranzen schwierig zu fertigen sind, und da die Benetzungseigenschaften zwischen Aktivhartlot und dem Keramikmaterial stark von der chemischen Zusammensetzung des Aktivhartlots abhängt, wobei die Zusammensetzung und der Einfluss von Kontaminanten eine Funktion des Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Aktivlotformteils ist.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kapazitive, keramische Druckmesszelle bereitzustellen, welche trotz der genannten Schwierigkeiten eine hinreichende Robustheit gegenüber den axialen Einspannkräften durch den O-Ring aufweist, und die über ausreichende Kapazitäten verfügt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Druckmesszelle gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Druckmesszelle umfasst einen keramischen Grundkörper, und eine keramische Messmembran, wobei die Messmembran mit dem Grundkörper entlang einer ringförmig umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, wobei die Fügestelle einen Randbereich der Messmembran unterstützt, wobei der Grundkörper fluchtend mit dem Randbereich mindestens einer Vertiefung gegenüber einer Basisfläche für die Fügestelle aufweist, wobei die Vertiefung zumindest teilweise mit Aktivhartlot gefüllt ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vertiefung mindestens eine ringförmig umlaufende Nut umfasst, wobei die Nut beispielsweise einen rechteckigen, einen trapezförmigen, einen V-förmigen oder einen U-förmigen Querschnitt aufweisen kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vertiefung im Querschnitt eine Breite von nicht mehr als etwa 500 Mikrometern, insbesondere nicht mehr als 300 Mikrometern auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Grundkörper mehrere Vertiefungen im Randbereich auf, beispielsweise konzentrische umlaufende Nuten und/oder eine oder mehrere unterbrochene Nuten, und/oder Sacklöcher.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die mindestens eine Vertiefung eine Fase am Rand der Oberfäche des Grundkörpers.
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Bei einer gegebenen Masse bzw. einem gegebenen Volumen des Aktivhartlots und bei einer gegebenen radialen Stärke ra–ri der Fügestelle wird die resultierende Höhe der Fügestelle und damit der Abstand zwischen Messmembran und Grundkörper über die Menge des Lots definiert, welches in die Vertiefung bzw. die Vertiefungen gelangt. Der Abstand zwischen Messmembran und Grundkörper ist aber kritisch für eine gleichmäßige Kalibrierbarkeit der Sensoren in einem angestrebten Toleranzband. Die Erfindung umfasst nun zwei Ausgestaltungen zur Kontrolle des Abstands.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Vertiefung vollständig mit Aktivhartlot gefüllt. Hierbei wird die Menge des Aktivhartlots in den Vertiefung durch das Volumen der Vertiefung selbst bestimmt. Die Vertiefung wird beispielsweise durch Fräsen, Drehen eines insbesondere ringförmigen Grabens in eine Stirnfläche des Grundkörpers und anschließender Oberflächenbehandlung durch Schleifen und/oder Läppen der Stirnfläche präpariert, wobei durch das Fräsen oder Drehen zunächst ein Ausgangsvolumen des Grabens vorgegeben ist, welches durch die anschließende Oberflächenbehandlung verkleinert wird. Die Toleranzen dieser beiden Fertigungsschritte definieren insoweit die Toleranzen der in der Vertiefung aufnehmbaren Menge des Aktivhartlots. Zwar wären ergänzende, nachträgliche Korrekturbohrungen in den Boden des Grabens zur Feinabstimmung des Volumens denkbar, aber dieser Ansatz erscheint für eine Serienproduktion nur bedingt geeignet. Die Vertiefung kann gleichermaßen durch Trockenpressen vor dem Brennen des Grundkörpers präpariert werden, wobei die erörterten Schritte zur Oberflächenbehandlung nach dem Brennen ebenfalls zu folgen haben.
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In der zweiten Ausgestaltung der Erfindung zur Kontrolle des Abstands zwischen der Messmembran und dem Grundkörper ist die mindestens eine Vertiefung nur teilweise mit Aktivhartlot gefüllt. Bei dieser Ausgestaltung kann wie beim ersten Ausführungsbeispiel ein Graben präpariert werden, der jedoch auch nach der Oberflächenbehandlung des Grundkörpers ein Volumen aufweist, welches größer ist als das Volumen des aufzunehmenden Aktivhartlots. Die Menge des Aktivhartlots, die dann tatsächlich in die Vertiefung fließt, ist über den Lötprozess kinetisch kontrolliert, d. h. über die Löttemperatur und die Zeit des Lötprozesses. Dies ist deshalb möglich, weil die Geschwindigkeit der Lotfront von der Reaktionsgeschwindigkeit zwischen der aktiven Komponente des Aktivhartlots und dem keramischen Material abhängt.
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Die Entscheidung für die erste oder die zweite Ausgestaltung wird von den unter vorgefundenen Fertigungsbedingungen erzielbaren Toleranzen im Vergleich mit den angestrebten Toleranzen einerseits und dem damit verbunden Aufwand andererseits zu fällen sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% des Volumens des Aktivhartlots der Fügestelle in der Vertiefung bzw. den Vertiefungen angeordnet.
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In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der Abstand zwischen dem Grundkörper und der Messmembran im Randbereich nicht mehr als 40 Mikrometer vorzugsweise nicht mehr als 20 Mikrometer und besonders bevorzugt nicht mehr als 12,5 Mikrometer.
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In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Fläche des Randbereichs mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 40%, weiter bevorzugt mindestens 50% und besonders bevorzugt mindestens 55% der Fläche der Messmembran.
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Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigt:
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1: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle; und
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2: einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle.
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Die in
1 gezeigte Druckmesszelle
1 weist eine kreisscheibenförmige Messmembran
2 und einen stärkeren kreisplattenförmigen Grundkörper
3 auf, wobei die Messmembran und der Grundkörper insbesondere aus Korund gefertigt sind. Die Messmembran weist vorzugsweise hochreines Korund auf, um einerseits die Korrosionsbeständigkeit und andererseits die Bruchfestigkeit der Messmembran zu erhöhen. Die Reinheitsanforderungen an den. Grundkörper sind geringer. Die dem Grundkörper
3 zugewandte Oberfläche der Messmembran
2 weist eine Elektrode
4 auf, welche die gesamte freie Oberfläche der Messmembran
2 bedeckt. Die der Messmembran zugewandte Oberfläche des Grundkörpers
3 weist eine zentrale Messelektrode
5 und eine diese umgebende ringförmige Referenzelektrode
6 auf. Die Elektroden
4,
5,
6 können beispielsweise durch metallische Beschichtung insbesondere mit Tantal hergestellt sein, oder sie können eine Glasschicht mit eingebetteten Metallpartikeln umfassen, wie in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2007 026 243 beschrieben ist.
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Die Messmembran 2 ist dem Grundkörper 3 durch eine Aktivhartlot Fügestelle 7 verbunden, welche in einem Hochvakuumlötprozess gebildet wird. Hierzu wird ein Aktivhartlot Formteil zwischen der Stirnfläche des Grundkörpers 3 und der Messmembran angeordnet, wobei das Aktivhartlot Teil eine Mindeststärke aufweist, die durch deren Herstellungsprozess bedingt ist. Mit einem solchen Formteil ließen sich jedenfalls die gewünschten geringen Abstände zwischen dem Grundkörper 3 und der Messmembran 2 nicht sicher einstellen, wenn das gesamte Material des Aktivhartlots zwischen der Messmembran und der Ebene der Stirnfläche des Grundkörpers verbleiben müsste. Deshalb ist in der Stirnfläche des Grundkörpers ein ringförmiger Graben 8 präpariert, der während des Hochvakuumlötprozesses vollständig mit Aktivhartlot gefüllt wird. Auf diese Weise ist die Materialmenge des Aktivhartlots, welche die Stärke der Fügestelle 7 um ein definiertes Volumen reduziert, wodurch der Abstand zwischen der Messmembran 2 und dem Grundkörper 3 kontrolliert verringert wird.
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Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt eine Druckmesszelle 11 mit einer Messmembran 12 und einen Grundkörper 13, wobei die Messmembran 12 eine Elektrode 14 und der Grundkörper an seiner der Messmembran zugewandten Stirnfläche eine Messelektrode 15 und einer Referenzelektrode 16 aufweist. Hinsichtlich der Materialien des Grundkörpers, der Messmembran und der Elektroden gelten die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel sinngemäß.
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Die Messmembran 12 und der Grundkörper 13 sind mittels eines Aktivhartlotrings 17 in einem Hochvakuumlötprozess gefügt, wobei zur Kontrolle des Abstands zwischen der Messmembran 12 und dem Grundkörper 13 ein Teil des Aktivhartlots 19a, 19b in einem ringförmig umlaufenden Graben 18a, 18b aufgenommen ist.
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Das Ausgangsbeispiel aus 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel aus 1 dadurch, dass der ringförmig umlaufende Graben 18a, 18b nicht vollständig mit Aktivharlot gefüllt ist. Eine vollständige Befüllung des umlaufenden Grabens 18a, 18b würde zu unbrauchbaren Ergebnissen führen, denn der Graben 18a, 18b weist entlang seines Umfangs unterschiedliche Tiefen auf, was seine Ursache beispielsweise darin haben kann, dass nach der Präparation eines gleichmäßig tiefen Grabens im Grundkörper 13 der Grundkörper beim anschließenden Schleifen, Läppen und Polieren der Oberfläche gegenüber der Schleifebene verkippt, was zu einer geneigten Oberfläche führt, wie in der Zeichnung übertrieben dargestellt ist. Der Effekt von Verkippungen ist aber durchaus ein reales Problem, denn geht man beispielsweise von einem Grundkörperdurchmesser von etwa 1 ¾ Zentimetern aus, und nimmt zum Zwecke der Abschätzung einen Verkippungswinkel von einer Bogenminute an, führt dies etwa zu einem Tiefenunterschied von 5 Mikrometern zwischen der maximalen Tiefe und der minimalen Tiefe des umlaufenden Grabens. Berücksichtigt man, dass die Gesamtstärke der Fügestelle 17 beispielsweise 10–20 Mikrometer betragen soll, so wäre es nicht vertretbar, in dieser Situation die Menge des im Graben aufgenommenen Lots über die Grabentiefe zu definieren.
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Im vergleichsweise harmloseren Fall, wenn das Lot während des Prozesses entlang des Umfangs fließen und Höhenunterschiede ausgleichen kann, ist aufgrund der ungenau kontrollierten Grabentiefe der resultierende Abtand zwischen Messmembran und Grundkörper undefiniert.
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Wenn aber aufgrund der Zähigkeit des Lots ein Höhenausgleich entlang des Umfangs nicht möglich ist, kommt es aufgrund der unterschiedlichen Grabentiefe zu einer Variation des Abstands zwischen Grundkörper und Messmembran und damit zu einem Verkippen der Elektrodenebenen zueinander.
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Dieses Verkippen würde aber die Kapazität cr zwischen der Referenzelektrode 16 und der Membranelektrode 14 gegenüber der Kapazität cp zwischen der Messelektrode 15 und der Membranelektrode 14 relativ erhöhen. Im Ergebnis würde dies bei einer gängigen Auswertung der Kapazitäten, die in erster Nahrung durch eine Funktion p = p((cp – cr)/cr) beschrieben ist, zu einer Nullpunktverschiebung und zu einer geringeren Empfindlichkeit führen.
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Um die beschriebene Fehlerquelle zu vermeiden, wird die Menge des Lots 19a, 19b, welche in dem Graben 18a, 18b hineinläuft, kinetisch kontrolliert, und zwar in der Weise, dass die Temperatur so gewählt ist, dass die aktive Komponente des Aktivhartlots das Keramikmaterial des Grundkörpers in dem Graben 18a, 18b nur langsam benetzt, und dass die Lotfront des eindringenden Lots 19a, 19b in einer verfügbaren Zeit, über welche die Temperatur auf dem für die Benetzung erforderlichen Wert gehalten wird, nur bis zu einer definierten Tiefe in die Gräben 18a, 18b eindringen kann. Damit ist die Menge des Lots in dem umlaufenden Graben völlig unabhängig von der tatsächlichen Tiefe des Grabens, solange dieser nur tief genug ist.
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Im Ergebnis weist daher die Messmembran 12 über den gesamten Umfang einen gleichmäßigen, definierten Abstand von der Stirnfläche des Grundkörpers 13 auf, obwohl der umlaufende Graben unterschiedliche Tiefen aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0445382 B1 [0002]
- EP 03517051 B1 [0002]
- EP 0558874 B1 [0003]
- DE 102007026243 [0025]
