DE102010048904A1

DE102010048904A1 - Device, useful for converting a force and/or pressure into an electrical signal, comprises an electrical resistor formed of a composite material and dependent on pressure or force as a sensor element

Info

Publication number: DE102010048904A1
Application number: DE201010048904
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kurt Brode; Günther Schultes; Dirk Göttel; Ralf Koppert; Dr. Freitag-Weber Olivia; Thomas Kuberczyk
Original assignee: Hydac Electronic GmbH; Hochschule fuer Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Current assignee: Hydac Electronic GmbH; Hochschule fuer Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-10-09
Also published as: DE102010048904B4

Abstract

Device (1) comprises an electrical resistor (61) dependent on pressure or force as a sensor element (60). The resistor is formed of a composite material, which includes a matrix made of a first electrically conductive component such that a cluster and/or particles of a second electrically conductive component are embedded in the matrix. The resistance value of the electrical resistor exhibits a deforming-free body having a function of the pressure acting on the resistor and/or the force acting on the resistor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln einer Kraft und/oder eines Drucks in ein elektrisches Signal, insbesondere einen Hochdrucksensor zum Messen von Drücken von mehr als 1.000 bar, insbesondere mehr als 4.000 bar und vorzugsweise mehr als 10.000 bar.The invention relates to a device for converting a force and / or pressure into an electrical signal, in particular a high-pressure sensor for measuring pressures of more than 1,000 bar, in particular more than 4,000 bar and preferably more than 10,000 bar.

Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise eingesetzt, um Druckmessungen in hydraulischen Anlagen durchzuführen. Es können unterschiedliche Sensorprinzipien eingesetzt werden, beispielsweise piezoresistive, piezoelektrische oder kapazitive Messprinzipien. Insbesondere bei piezoresistiven und kapazitiven Messprinzipien wird ein Verformungskörper wie beispielsweise eine Membran vorgesehen, die sich abhängig von der Druckbeaufschlagung durchbiegt, wobei entweder kapazitiv die Durchbiegung der eine Elektrode aufweisende Membran ermittelt wird oder resistiv ein Dehnungsmessstreifen auf der Membran angeordnet ist, dessen durch die Druck- oder Kraftbeaufschlagung bedingte Geometrieänderung als Widerstandsänderung gemessen wird.Such devices are used, for example, to perform pressure measurements in hydraulic systems. Different sensor principles can be used, for example piezoresistive, piezoelectric or capacitive measuring principles. Particularly in the case of piezoresistive and capacitive measuring principles, a deformation element, such as a membrane, is provided which bends depending on the pressure applied, either capacitively determining the deflection of the membrane having an electrode, or resistively placing a strain gauge on the membrane. or Kraftbeaufschlagung conditional geometry change is measured as resistance change.

Bei piezoresistiven Sensoren ist der Widerstandswert der Messwiderstände nicht nur von der Druck- bzw. Kraftbeaufschlagung, sondern auch von der Temperatur abhängig; dies führt dazu, dass auch Temperaturänderungen zu einem Ausgangssignal des Sensors führen. Außerdem ist der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes nicht konstant, wodurch eine Kompensation des Einflusses der Temperatur auf das Ausgangssignal des Sensors erschwert ist. Durch die Verwendung geeigneter metallischer Legierungen kann zum einen der Temperaturkoeffizient reduziert und eingestellt werden und darüber hinaus auch eine mindestens bereichsweise Linearisierung des Temperaturkoeffizienten erreicht werden. Nachteilig ist dabei, dass derartige metallische Legierungen eine geringe Dehnungsempfindlichkeit (K-Faktor in der Größenordnung von 2) aufweisen.In piezoresistive sensors, the resistance of the measuring resistors is not only dependent on the pressure or force, but also on the temperature; This causes temperature changes to lead to an output signal of the sensor. In addition, the temperature coefficient of the electrical resistance is not constant, whereby a compensation of the influence of the temperature on the output signal of the sensor is difficult. By using suitable metallic alloys, on the one hand, the temperature coefficient can be reduced and adjusted, and, moreover, an at least regional linearization of the temperature coefficient can be achieved. A disadvantage is that such metallic alloys have a low strain sensitivity (K-factor in the order of 2).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere auch bei sehr hohen Drücken einen dauerhaft zuverlässigen Betrieb des Sensorelementes mit hoher Messgenauigkeit gewährleistet.The invention has for its object to provide a device which overcomes the disadvantages of the prior art, especially at very high pressures ensures a permanently reliable operation of the sensor element with high accuracy.

Diese Aufgabe ist durch die in Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.This object is achieved by the device defined in claim 1. Particular embodiments of the invention are defined in the subclaims.

In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung als Sensorelement einen elektrischen Widerstand auf, dessen Widerstandswert abhängig von dem anliegenden Druck ist, und zwar ohne einen Verformungskörper, sondern allein aufgrund der Einwirkung des Druckes bzw. der Kraft auf den Werkstoff des Widerstandes. Erfindungsgemäß wird als Widerstandsmaterial keine metallische Legierung verwendet, jedenfalls keine reine metallische Legierung, sondern ein Kompositwerkstoff, der eine Matrix aus einem ersten, elektrisch schlecht leitfähigen Bestandteil (z. B. amorpher Kohlenstoff) aufweist. In diese Matrix sind graphenumhüllte (einige gebogene Lagen turbostratischer Graphit) Cluster und/oder Partikel aus einem zweiten, elektrisch gut leitfähigen Bestandteil (vorzugsweise einem Metall, z. B. Nickel) eingebettet.In one embodiment, the device has an electrical resistance as a sensor element whose resistance value is dependent on the applied pressure, without a deformation body, but solely due to the action of the pressure or the force on the material of the resistor. According to the invention, no metallic alloy is used as resistance material, in any case not a pure metallic alloy, but rather a composite material which has a matrix of a first, electrically poorly conductive constituent (eg amorphous carbon). Graphene-sheathed (some bent layers of turbostratic graphite) clusters and / or particles of a second, electrically highly conductive constituent (preferably a metal, eg nickel) are embedded in this matrix.

Bei den Clustern kann es sich um eine Anhäufung von Einzelpartikeln handeln. In einer Ausführungsart sind die Cluster dagegen so klein, dass die Cluster nicht durch eine Anhäufung von metallischen Partikeln gebildet sind, sondern dass mindestens ein Teil der Cluster, beispielsweise mindestens 50%, insbesondere mehr als 65% und vorzugsweise mehr als 80% der Cluster jeweils durch einen einzigen metallischen Partikel gebildet ist, insbesondere durch einen einkristallinen Partikel.The clusters can be an aggregate of single particles. By contrast, in one embodiment, the clusters are so small that the clusters are not formed by an accumulation of metallic particles, but that at least a portion of the clusters, for example, at least 50%, in particular more than 65%, and preferably more than 80% of the clusters each is formed by a single metallic particle, in particular by a monocrystalline particle.

In einem Temperaturbereich von beispielsweise 100 bis 500 Kelvin, insbesondere 200 bis 400 Kelvin, muss der Temperaturkoeffizient des Widerstandes des ersten, elektrisch schlecht leitfähigen Bestandteils (die Matrix) ein umgekehrtes Vorzeichen gegenüber dem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes des zweiten, elektrisch gut leitfähigen Bestandteils (die metallischen Cluster) aufweisen. Der erste Bestandteil kann einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen, beispielsweise –10000 ppm/K, wohingegen der zweite Bestandteil einen positiven Temperaturkoeffizienten (z. B. +3000 ppm/K) aufweist. Dadurch kann der Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts des gesamten Widerstandes mindestens bereichsweise (z. B. zwischen 200 und 400 Kelvin) sehr stark reduziert werden und beispielsweise weniger als ±100 ppm/K betragen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Verlauf des Widerstandswertes in Abhängigkeit von der Temperatur in einem Bereich von beispielsweise 200 bis 400 K zu linearisieren, so dass eine Kompensation des Temperatureinflusses vereinfacht ist.In a temperature range of, for example, 100 to 500 Kelvin, in particular 200 to 400 Kelvin, the temperature coefficient of the resistance of the first, electrically poorly conductive component (the matrix) must have a reverse sign to the temperature coefficient of resistance of the second, electrically good conductive component (the metallic Cluster). The first constituent may have a negative temperature coefficient, for example -10000 ppm / K, whereas the second constituent has a positive temperature coefficient (eg +3000 ppm / K). As a result, the temperature coefficient of the resistance value of the total resistance can be very greatly reduced at least regionally (for example, between 200 and 400 Kelvin) and, for example, be less than ± 100 ppm / K. In addition, it is possible to linearize the profile of the resistance value as a function of the temperature in a range of, for example, 200 to 400 K, so that a compensation of the temperature influence is simplified.

Ein weiterer Vorteil eines solchen Kompositwerkstoffes für den Widerstand besteht darin, dass durch die Einwirkung des Drucks bzw. der Kraft eine Änderung des Widerstandswertes messbar ist, die deutlich höher ist als eine durch eine Geometrieänderung verursachte Widerstandsänderung. Messungen haben ergeben, dass sogenannte K-Faktoren (bezeichnet die Dehnungsempfindlichkeit) von mehr als 15, insbesondere mehr als 20 erreichbar sind. Durch den piezoresistiven Effekt dieser Dünnschichten ist es möglich, ohne die Verwendung eines Verformungskörpers das Sensorelement auf einem massiven Trägerkörper anzuordnen, wodurch die Hochdruckfestigkeit der Vorrichtung deutlich erhöht ist. Der Druck wirkt isostatisch auf den Widerstand ein und bewirkt eine Widerstandsänderung, ohne dass es auf eine Geometrieänderung des Widerstandes ankommt.Another advantage of such a composite material for the resistor is that a change in the resistance value is measurable by the action of the pressure or the force, which is significantly higher than a change in resistance caused by a change in geometry. Measurements have shown that so-called K-factors (referred to the strain sensitivity) of more than 15, in particular more than 20 can be achieved. Due to the piezoresistive effect of these thin films, it is possible without the use of a Deformation body to arrange the sensor element on a solid support body, whereby the high pressure resistance of the device is significantly increased. The pressure acts isostatically on the resistor and causes a change in resistance, without the need for a change in the geometry of the resistor.

In einer Ausführungsart ist der erste, elektrisch schlecht leitfähige Bestandteil kohlenstoffhaltig oder kohlenwasserstoffhaltig und kann insbesondere durch amorphen Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff gebildet sein. Der zweite elektrisch leitfähige Bestandteil kann durch ein Metall gebildet sein, beispielsweise durch Nickel. Der Kompositwerkstoff kann durch Kathodenzerstäubung hergestellt werden, beispielsweise unter Verwendung eines Metalltargets, aus dessen Werkstoff die Cluster gebildet werden können. Der Sputterprozess erfolgt dabei unter Verwendung eines kohlenstoffhaltigen oder kohlenwasserstoffhaltigen Gases, oder durch die gleichzeitige Abscheidung von zwei Targets, einem Kohlenstoff- und einem Metalltarget, so dass sich bei der Herstellung der Widerstandsschicht gleichzeitig die Matrix und die Cluster bilden. Die Konzentration des zweiten elektrisch leitfähigen Bestandteils innerhalb der Widerstandsschicht kann dabei zwischen 10 und 80 Atomprozent liegen, insbesondere zwischen 40 und 60 Atomprozent und vorzugsweise zwischen 45 und 55 Atomprozent. Vorzugsweise bilden sich keine durchgehenden, metallisch leitfähigen Pfade aus, d. h. der Metallanteil liegt unterhalb der Perkolationsgrenze. Die Cluster können grundsätzlich eine beliebige Form haben, insbesondere aber auch im Wesentlichen mindestens abschnittsweise sphärisch ausgebildet sein mit einer Größe zwischen 5 und 100 nm, vorzugsweise zwischen 10 und 20 nm.In one embodiment, the first, electrically poorly conductive component is carbon-containing or hydrocarbon-containing and can be formed in particular by amorphous carbon or hydrocarbon. The second electrically conductive component may be formed by a metal, for example by nickel. The composite material can be produced by sputtering, for example using a metal target, from the material of which the clusters can be formed. The sputtering process is carried out using a carbonaceous or hydrocarbon-containing gas, or by the simultaneous deposition of two targets, a carbon and a metal target, so that at the same time form the matrix and clusters in the production of the resistive layer. The concentration of the second electrically conductive constituent within the resistive layer may be between 10 and 80 atomic percent, in particular between 40 and 60 atomic percent, and preferably between 45 and 55 atomic percent. Preferably, no continuous, metallically conductive paths are formed, d. H. the metal content is below the percolation limit. The clusters may in principle have any shape, but in particular may also be substantially spherical at least in sections, with a size between 5 and 100 nm, preferably between 10 and 20 nm.

In einer Ausführungsart weist der erste elektrisch leitfähige Bestandteil eine geringe elektrische Leitfähigkeit in Stromrichtung von weniger als 5 × 10³ S/cm auf, insbesondere weniger als 0,5 × 10³ S/cm und vorzugsweise weniger als 0,05 × 10³ S/cm, und/oder der zweite elektrisch leitfähige Bestandteil weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit in Stromrichtung von mehr als 5 × 10³ S/cm auf, insbesondere mehr als 8 × 10³ S/cm und vorzugsweise mehr als 12,5 × 10³ S/cm.In one embodiment, the first electrically conductive component has a low electrical conductivity in the current direction of less than 5 × 10 ³ S / cm, in particular less than 0.5 × 10 ³ S / cm and preferably less than 0.05 × 10 ³ S. / cm, and / or the second electrically conductive component has a high electrical conductivity in the current direction of more than 5 × 10 ³ S / cm, in particular more than 8 × 10 ³ S / cm and preferably more than 12.5 × 10 ³ S / cm.

In einer Ausführungsart weisen die metallischen bzw. gut leitfähigen Cluster und/oder Partikel eine kohlenstoffhaltige Hülle auf, welche aus gebogenen Graphenlagen (turbostratischem Graphit) besteht. Dadurch ist ein unmittelbarer elektrischer Kontakt der einzelnen Cluster bzw. Partikel untereinander verhindert, der zur Ausbildung eines elektrisch leitfähigen Pfades innerhalb des Widerstandselementes führen würde, was dem Ziel, den Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes zu reduzieren, hinderlich wäre. Aus dem gleichen Grund weisen die Cluster bzw. Partikel innerhalb der Matrix vorzugsweise auch einen Abstand bis zu wenigen Nanometern zueinander auf.In one embodiment, the metallic or highly conductive clusters and / or particles have a carbon-containing shell which consists of curved graphene layers (turbostratic graphite). As a result, a direct electrical contact of the individual clusters or particles is prevented with each other, which would lead to the formation of an electrically conductive path within the resistive element, which would hinder the goal of reducing the temperature coefficient of the resistance. For the same reason, the clusters or particles within the matrix preferably also have a distance of up to a few nanometers from one another.

In einer Ausführungsart weist das Sensorelement eine Passivierung auf, wobei die Passivierung insbesondere als Passivierungsschicht auf die Widerstandsschicht aufgebracht ist. Als Passivierung kann eine Schicht aus SiO₂, Si₃N₄ oder Al₂O₃ vorgesehen sein oder auch eine Kombination von zwei oder mehreren solcher Schichten. Dadurch ist die Langzeitstabilität der Vorrichtung verbessert. Sowohl die Widerstandsschicht als auch die Passivierungsschicht kann ganzflächig aufgebracht werden und anschließend strukturiert werden.In one embodiment, the sensor element has a passivation, wherein the passivation is applied in particular as a passivation layer on the resistance layer. As a passivation, a layer of SiO ₂ , Si ₃ N ₄ or Al ₂ O ₃ may be provided or a combination of two or more such layers. As a result, the long-term stability of the device is improved. Both the resistive layer and the passivation layer can be applied over the entire surface and then patterned.

In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung einen vorzugsweise aus einer Keramik hergestellten Dichtkörper auf, der mindestens einen elektrisch leitfähigen Pfad für eine elektrische Durchkontaktierung von einer Hochdruckseite auf eine Niederdruckseite aufweist. Dadurch kann eine elektrische Durchkontaktierung des Messwiderstandes auf einfache und zuverlässige Weise erfolgen. Der Dichtkörper kann beispielsweise aus Al₂O₃, Si₃N₄ oder ZrO₂ hergestellt sein. Zur Ausbildung des elektrisch leitfähigen Pfades kann die Keramik durch eine lokale Dotierung mit entsprechenden Zuschlagstoffen abschnittsweise elektrisch leitfähig sein.In one embodiment, the device has a sealing body, preferably made of a ceramic, which has at least one electrically conductive path for an electrical through-connection from a high-pressure side to a low-pressure side. As a result, an electrical through-connection of the measuring resistor can take place in a simple and reliable manner. The sealing body may for example be made of Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ or ZrO ₂ . To form the electrically conductive path, the ceramic can be electrically conductive in sections by means of a local doping with corresponding additives.

In einer Ausführungsart ist der Messwiderstand auf einer der Hochdruckseite ausgesetzten Fläche des Dichtkörpers angeordnet, beispielsweise auf einer mit einer Längsachse des Dichtkörpers einen rechten Winkel einschließenden Stirnfläche. Der elektrisch leitfähige Pfad kann parallel oder koaxial zur Längsachse verlaufen. Die elektrische Verbindung zwischen dem Messwiderstand und dem Pfad kann unmittelbar durch Anlage des Messwiderstandes an dem Pfad erfolgen, oder durch eine auf der Stirnseite außerdem aufgebrachte metallische Leiterbahn und/oder ein zwischen den Pfad und den Messwiderstand angeordnetes Kontaktelement.In one embodiment, the measuring resistor is arranged on a surface of the sealing body exposed to the high pressure side, for example on an end face enclosing a right angle with a longitudinal axis of the sealing body. The electrically conductive path may be parallel or coaxial with the longitudinal axis. The electrical connection between the measuring resistor and the path can be effected directly by applying the measuring resistor to the path, or by a metal conductor track also applied on the front side and / or a contact element arranged between the path and the measuring resistor.

In einer Ausführungsart ist eine weitere elektrische Kontaktierung des Widerstandes über einen Grundkörper bereitstellbar, an den die Vorrichtung in dichtende Anlage bringbar ist. Beispielsweise kann ein zweiter Pol des Messwiderstandes über den Dichtkörper der Vorrichtung in elektrisch leitfähige Verbindung mit dem Grundkörper bringbar sein. Sofern der Grundkörper metallisch ist oder eine metallische Beschichtung aufweist, kann der zweite Pol des Messwiderstandes durch eine metallische Leiterbahn auf dem Dichtkörper dadurch auf das elektrische Potenzial des Grundkörpers bzw. dessen Beschichtung gelegt werden. Dabei kann es sich auch um Erdpotential oder Massepotential handeln. Da der zweite Pol über den elektrisch leitfähigen Pfad auf die Niederdruckseite geführt ist, kann dort eine Widerstandsänderung und damit der Druck auf der Hochdruckseite gemessen werden. Es entfällt eine störanfällige Aufbau- und Verbindungstechnik auf der Hochdruckseite.In one embodiment, a further electrical contacting of the resistor can be provided via a main body, to which the device can be brought into sealing engagement. For example, a second pole of the measuring resistor can be brought into an electrically conductive connection with the base body via the sealing body of the device. If the main body is metallic or has a metallic coating, the second pole of the measuring resistor can be laid on the sealing body by a metallic conductor on the electrical potential of the body or its coating. This can also be earth potential or ground potential. Since the second pole is guided over the electrically conductive path to the low pressure side, there can be a Resistance change and thus the pressure on the high pressure side are measured. It eliminates an error-prone assembly and connection technology on the high pressure side.

In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung mindestens ein Referenzelement mit dem gleichen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands auf, das derart angeordnet ist, dass das elektrische Signal des Referenzelements, beispielsweise der elektrische Widerstandswert, unabhängig von dem zu messenden Druck ist. Beispielsweise kann das Referenzelement durch einen weiteren elektrischen Widerstand gebildet sein, der mit dem Messwiderstand zu einer Halbbrücke verschaltbar ist oder in der Vorrichtung bereits verschaltet ist. Das Referenzelement kann auch als Temperatursensor eingesetzt werden. Vorzugsweise ist sowohl das Sensorelement als auch das Referenzelement an einem gemeinsamen Körper der Vorrichtung in Dünnschichttechnik aufgebracht, vorzugsweise an dem Dichtkörper, so dass beide Elemente im Wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen.In one embodiment, the device has at least one reference element with the same temperature coefficient of electrical resistance, which is arranged such that the electrical signal of the reference element, for example the electrical resistance, is independent of the pressure to be measured. For example, the reference element may be formed by a further electrical resistance, which is connected to the measuring resistor to a half-bridge or is already connected in the device. The reference element can also be used as a temperature sensor. Preferably, both the sensor element and the reference element is applied to a common body of the device in thin-film technology, preferably on the sealing body, so that both elements have substantially the same temperature.

In einer Ausführungsart ist das Referenzelement auf einer der Hochdruckseite gegenüberliegenden Fläche der Vorrichtung angeordnet. Das Referenzelement kann auf der Niederdruckseite mit dem elektrisch leitfähigen Pfad verbunden sein, der auf der Hochdruckseite das Sensorelement kontaktiert.In one embodiment, the reference element is disposed on an opposite side of the high pressure side of the device. The reference element may be connected to the electrically conductive path on the low-pressure side, which contacts the sensor element on the high-pressure side.

In einer Ausführungsart ist das Referenzelement ein weiterer Widerstand, der einen mit dem Messwiderstand im Wesentlichen übereinstimmenden Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes aufweist. Hierzu kann das Referenzelement im Wesentlichen identisch aufgebaut und hergestellt sein wie das Sensorelement, insbesondere ebenfalls aus einem Kompositwerkstoff. Die Verschaltung von Sensorelement und Referenzelement kann durch in Dünnschichttechnik aufgebrachte Verbindungsleitungen erfolgen. Auf der Hochdruckseite können auch zwei oder mehrere Sensorelemente angeordnet sein, die mit zwei oder mehreren Referenzelementen paarweise zu einer Vollbrücke verschaltbar sind.In one embodiment, the reference element is a further resistor which has a temperature coefficient of the resistance value substantially matching the measuring resistor. For this purpose, the reference element can be constructed and manufactured substantially identical to the sensor element, in particular likewise made of a composite material. The interconnection of sensor element and reference element can be done by thin-layer applied connection lines. On the high-pressure side, two or more sensor elements can be arranged, which are connected in pairs to form a full bridge with two or more reference elements.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the subclaims and the following description in which several embodiments are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination.

1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 shows a section through a first embodiment of a device according to the invention,

2 zeigt den Ausschnitt II der 1 in vergrößerter Darstellung, 2 shows the section II of the 1 in an enlarged view,

3 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel, 3 shows a cross section through a second embodiment,

4 zeigt einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel, 4 shows a cross section through a third embodiment,

5 zeigt einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel, 5 shows a cross section through a fourth embodiment,

6 zeigt den Ausschnitt VI der 5 in vergrößerter Darstellung, 6 shows the section VI of the 5 in an enlarged view,

7 zeigt den Ausschnitt VII der 5 in vergrößerter Darstellung, 7 shows the section VII of 5 in an enlarged view,

8 zeigt einen Schnitt durch ein Sensorelement der Vorrichtung in vergrößerter Darstellung, 8th shows a section through a sensor element of the device in an enlarged view,

9 zeigt ein Cluster in weiter vergrößerter Darstellung, und 9 shows a cluster in a further enlarged view, and

10 zeigt einen Schnitt durch ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Sensorelements der Vorrichtung in vergrößerter Darstellung. 10 shows a section through an alternative embodiment of a sensor element of the device in an enlarged view.

Die 1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Bereitstellen einer elektrischen Durchführung für Hochdruckanwendungen mit Druckdifferenzen zwischen einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite, im vorliegenden Fall für eine Druckdifferenz von mehr als 10.000 bar und insbesondere für Anwendungen von Druckdifferenzen bis zu 25.000 bar. Die Vorrichtung 1 weist einen Dichtkörper 10 auf, der aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist, im Ausführungsbeispiel aus Siliziumnitrid Si₃N₄. Der Dichtkörper 10 weist an seinem der Hochdruckseite 2 zuweisenden Ende eine im Wesentlichen plane Stirnfläche 12 auf, an die sich ein kegelförmiger Abschnitt 14 anschließt, dessen Außenfläche 16 mit der Längsachse 6 des Dichtkörpers 10 einen Winkel zwischen 20 und 40° einschließt, insbesondere zwischen 25 und 35° und vorzugsweise etwa 27,5°. Auf der Niederdruckseite 4 schließt der Dichtkörper 10 mit einer planen und rechtwinklig zur Längsachse 6 verlaufenden Stirnfläche 24 ab.The 1 shows a section through a first embodiment of a device according to the invention 1 for providing an electrical feedthrough for high-pressure applications with pressure differences between a high-pressure side and a low-pressure side, in the present case for a pressure difference of more than 10,000 bar and in particular for applications of pressure differences up to 25,000 bar. The device 1 has a sealing body 10 on, which is made of a ceramic material, in the embodiment of silicon nitride Si ₃ N ₄ . The sealing body 10 indicates at its the high pressure side 2 assigning end a substantially planar end face 12 on, which is a conical section 14 connects, its outer surface 16 with the longitudinal axis 6 of the sealing body 10 an angle between 20 and 40 °, in particular between 25 and 35 ° and preferably about 27.5 °. On the low pressure side 4 closes the sealing body 10 with a plane and at right angles to the longitudinal axis 6 extending face 24 from.

An den kegelförmigen Abschnitt 14 schließt ein im Wesentlichen zylindrischer, insbesondere kreiszylindrischer Abschnitt 18 an, dessen Erstreckung in Längsachse zwischen 20 und 50% der gesamten Länge des Dichtkörpers 10 beträgt. Daran schließt sich in Richtung auf die Niederdruckseite 4 ein zweiter zylindrischer Abschnitt 20 an, insbesondere ein zweiter kreiszylindrischer Abschnitt, dessen Erstreckung in Längsrichtung zwischen 30 und 60% der gesamten Länge des Dichtkörpers 10 beträgt. Im Ausführungsbeispiel beträgt die gesamte Länge des Dichtkörpers 10 zwischen 15 und 60 mm, insbesondere zwischen 20 und 40 mm. Die größte radiale Erstreckung 52, die zwischen 20 und 50% der Länge des Dichtkörpers 10 betragen kann und im Ausführungsbeispiel zwischen 12 und 20 mm beträgt, weist der Dichtkörper 10 im Bereich des ersten zylindrischen Abschnitts 18 auf.At the conical section 14 includes a substantially cylindrical, in particular circular cylindrical portion 18 whose extent in the longitudinal axis between 20 and 50% of the total length of the sealing body 10 is. This is followed in the direction of the low-pressure side 4 a second cylindrical section 20 at, in particular a second circular cylindrical section, whose extension in the longitudinal direction between 30 and 60% of the total length of the sealing body 10 is. in the Embodiment is the entire length of the sealing body 10 between 15 and 60 mm, in particular between 20 and 40 mm. The largest radial extent 52 that is between 20 and 50% of the length of the sealing body 10 may be and is in the embodiment between 12 and 20 mm, has the sealing body 10 in the region of the first cylindrical section 18 on.

Im Zentrum des Dichtkörpers 10 erstreckt sich über seine gesamte axiale Länge ein elektrisch leitfähiger Pfad 22, mit dem eine elektrische Verbindung zwischen der Hochdruckseite 2 und der Niederdruckseite 4 bereitgestellt ist. Der elektrisch leitfähige Pfad 22 ist im Ausführungsbeispiel durch eine elektrisch leitfähige Keramik gebildet, bei einer Si₃N₄-Keramik beispielsweise durch dotiertes unstöchiometrisches Si₃N_x oder bei einer Al₂O₃-Keramik durch geringe Metalldotierung von Molybdän, derart, dass eine ausreichende Leitfähigkeit erzielt wird und die hochfeste Gefügestruktur des Materials erhalten bleibt. An dem hochdruckseitigen Ende schließt der elektrisch leitfähige Pfad 22 plan und vorzugsweise bündig mit der umgebenden Stirnfläche 12 des Dichtkörpers 10 ab. Auf der Niederdruckseite 4 schließt der elektrische leitfähige Pfad 22 plan und vorzugsweise bündig mit der ihn umgebenden Stirnfläche 24 des Dichtkörpers 10 ab.In the center of the sealing body 10 extends over its entire axial length an electrically conductive path 22 with which an electrical connection between the high pressure side 2 and the low pressure side 4 is provided. The electrically conductive path 22 is formed in the embodiment by an electrically conductive ceramic, in a Si ₃ N ₄ ceramic, for example, by doped unstoichiometric Si ₃ N _x or Al ₂ O ₃ ceramic by low metal doping of molybdenum, such that a sufficient conductivity is achieved and the high-strength microstructure of the material is retained. At the high-pressure end, the electrically conductive path closes 22 plan and preferably flush with the surrounding end face 12 of the sealing body 10 from. On the low pressure side 4 closes the electrical conductive path 22 plan and preferably flush with the surrounding end face 24 of the sealing body 10 from.

Im Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 1 einen vorzugsweise metallischen Verschraubungskörper 30 auf, der ein Außengewinde 32 aufweist, mittels dem der Verschraubungskörper 30 in einen beispielsweise zu einer Hochdruckkammer zugehörigen Grundkörper 34 einschraubbar ist. Der Grundkörper 34 weist hierzu einen ersten Bohrungsabschnitt mit einem Innengewinde auf. An den ersten Bohrungsabschnitt schließt unter Ausbildung eines Absatzes 36 in Richtung auf die Hochdruckseite 2 ein kegelförmige Abschnitt an, dessen Kegelfläche 38 mit der Längsachse 6 einen Winkel einschließt, der von dem Winkel der Außenfläche 16 des Dichtkörpers 10 abweicht und im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 27° beträgt. Daran schließt sich ein vergleichsweise kurzer Abschnitt mit einer bis zur Hochdruckseite 2 reichenden zylindrischen Bohrung 40 an.In the embodiment, the device 1 a preferably metallic screw body 30 on, an external thread 32 has, by means of the fitting body 30 in a, for example, to a high-pressure chamber associated body 34 can be screwed. The main body 34 has for this purpose a first bore portion with an internal thread. The first hole section closes to form a shoulder 36 towards the high pressure side 2 a conical section, whose conical surface 38 with the longitudinal axis 6 includes an angle that depends on the angle of the outer surface 16 of the sealing body 10 deviates and in the illustrated embodiment is about 27 °. This is followed by a comparatively short section with one to the high pressure side 2 reaching cylindrical bore 40 at.

An oder nahe seinem der Niederdruckseite 4 zugewandten Ende weist der Verschraubungskörper 30 außenseitig eine Werkzeugangriffsfläche 42 auf, im Ausführungsbeispiel einen Außensechskant, der einen größeren Außenumfang aufweist als der daran anschließende Abschnitt mit dem Außengewinde 32. Der Verschraubungskörper 30 ist hülsenförmig ausgebildet mit einer durchgehenden Bohrung 44, die ausgehend von der Niederdruckseite 4 zunächst zylindrisch verläuft und den zweiten zylindrischen Abschnitt 20 des Dichtkörpers 10 aufnimmt. Die lichte Weite ist in diesem Abschnitt ist größer als der Außendurchmesser des zweiten zylindrischen Abschnitts 20 des Dichtkörpers 10, so dass der Dichtkörper 10 ohne Verklemmen in den Verschraubungskörper 30 einsetzbar ist.At or near its low-pressure side 4 facing end, the fitting body 30 on the outside a tool engagement surface 42 in, in the embodiment an external hexagon, which has a larger outer circumference than the adjoining portion with the external thread 32 , The fitting body 30 is sleeve-shaped with a through hole 44 starting from the low pressure side 4 initially cylindrical and the second cylindrical section 20 of the sealing body 10 receives. The inside width in this section is larger than the outside diameter of the second cylindrical section 20 of the sealing body 10 so that the sealing body 10 without jamming in the fitting body 30 can be used.

In Richtung auf die Hochdruckseite 2 schließt sich ein Bohrungsabschnitt mit einem vergrößerten Außendurchmesser an, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des ersten zylindrischen Abschnitts 18 des Dichtelements 10 entspricht und nur geringfügig größer ist. Dadurch ist eine Führung des Dichtkörpers 10 in dem Verschraubungskörper 30 gewährleistet. Der Übergang der beiden Abschnitte ist durch eine ringförmig verlaufende Anlagefläche 46 gebildet, die sich radial rechtwinklig zur Längsachse 6 erstreckt. In angepasster Weise weist der Dichtkörper 10 am Übergang von dem ersten zylindrischen Abschnitt 18 zum zweiten zylindrischen Abschnitt 20 einen ringförmigen Absatz 26 auf, der beim Einschrauben des Verschraubungskörpers 30 in den Grundkörper 34 in formschlüssige Anlage an die ringförmige Anlagefläche 46 kommt. Dadurch sind beim Einschrauben des Verschraubungskörpers 30 hohe Kräfte auf den Dichtkörper 10 übertragbar.Toward the high pressure side 2 is followed by a bore portion having an enlarged outer diameter, which is substantially the outer diameter of the first cylindrical portion 18 of the sealing element 10 corresponds and is only slightly larger. As a result, a guide of the sealing body 10 in the fitting body 30 guaranteed. The transition of the two sections is through an annular bearing surface 46 formed, which is radially perpendicular to the longitudinal axis 6 extends. In an adapted manner, the sealing body 10 at the transition from the first cylindrical section 18 to the second cylindrical section 20 an annular heel 26 on, when screwing the fitting body 30 into the main body 34 in positive engagement with the annular contact surface 46 comes. As a result, when screwing the fitting body 30 high forces on the sealing body 10 transferable.

Die 2 zeigt den Ausschnitt II der 1 in vergrößerter Darstellung. In dieser Darstellung ist die nicht maßstäblich, sondern vergrößert dargestellte Winkeldifferenz 28 zwischen dem Kegelwinkel der Außenfläche 16 des Dichtkörpers 10 und dem Kegelwinkel der Kegelfläche 38 des Grundkörpers 34 erkennbar, die im Ausführungsbeispiel weniger als 2°, insbesondere weniger als 1°, und vorzugsweise etwa 0,5° beträgt.The 2 shows the section II of the 1 in an enlarged view. In this illustration, the not shown to scale, but enlarged angle difference 28 between the cone angle of the outer surface 16 of the sealing body 10 and the cone angle of the conical surface 38 of the basic body 34 recognizable, which in the exemplary embodiment is less than 2 °, in particular less than 1 °, and preferably about 0.5 °.

Die 3 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 101. Ein wesentliche Unterschied gegenüber dem in der 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass der Dichtkörper 110 zwei elektrisch leitfähige Pfade 122A, 122B aufweist, die exzentrisch aber parallel zur Längsachse 6 verlaufen und dadurch eine zweiadrige Verbindung zwischen der Hochdruckseite 2 und der Niederdruckseite 4 bereitstellen. Beide elektrisch leitfähigen Pfade 122A, 122B weisen dieselbe Querschnittsfläche auf und sind daher in gleichem Maße stromtragfähig. Alternativ hierzu können die beiden Pfade 122A, 122B auch eine unterschiedliche Querschnittsfläche aufweisen, so dass unterschiedliche Stromtragfähigkeiten und/oder unterschiedliche Widerstandswerte realisierbar sind.The 3 shows a cross section through a second embodiment of a device according to the invention 101 , A significant difference from the one in the 1 illustrated first embodiment is that the sealing body 110 two electrically conductive paths 122A . 122B which is eccentric but parallel to the longitudinal axis 6 run and thereby a two-wire connection between the high pressure side 2 and the low pressure side 4 provide. Both electrically conductive paths 122A . 122B have the same cross-sectional area and are therefore current carrying capacity to the same extent. Alternatively, the two paths 122A . 122B also have a different cross-sectional area, so that different current carrying capacities and / or different resistance values can be realized.

An dem der Hochdruckseite 2 zugewandten Ende ist auf den Dichtkörper 110 eine elektrisch leitfähige Beschichtung 148 aufgebracht, beispielsweise eine Metallschicht. Diese Beschichtung 148 kann sich dabei mindestens teilweise im Bereich der Außenfläche 116 des kegelförmigen Abschnitts 114 erstrecken, so dass in dem dargestellten eingeschraubten Zustand die Beschichtung 148 in elektrischer Verbindung mit dem beispielsweise aus einem Metall hergestellten Grundkörper 134 ist. Dadurch kann die Beschichtung 148 beispielsweise auf Erdpotential gelegt sein. Für den Fall, dass der Grundkörper 134 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt ist, oder jedenfalls im Bereich der Kegelfläche 138 eine elektrisch isolierende Oberfläche aufweist, kann durch die Beschichtung 148 eine weitere Durchkontaktierung von der Hochdruckseite 2 auf die Niederdruckseite 4 erfolgen. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn sich die elektrische Beschichtung 148 auch auf die Stirnfläche 112 erstreckt. In diesem Fall können an der Stirnfläche 112 angebrachte elektrische oder elektronische Komponenten zusätzlich zu dem Pfad 122A, 122B auch durch die Beschichtung 148 kontaktiert werden.At the high pressure side 2 facing end is on the sealing body 110 an electrically conductive coating 148 applied, for example, a metal layer. This coating 148 may be at least partially in the area of the outer surface 116 of the conical section 114 extend so that in the illustrated screwed state the coating 148 in electrical connection with the body, for example made of a metal 134 is. This allows the coating 148 for example, be at ground potential. In the event that the main body 134 is made of an electrically insulating material, or at least in the area of the conical surface 138 has an electrically insulating surface, through the coating 148 another via from the high pressure side 2 on the low pressure side 4 respectively. For this purpose, it is particularly advantageous if the electrical coating 148 also on the face 112 extends. In this case, at the end face 112 attached electrical or electronic components in addition to the path 122A . 122B also through the coating 148 be contacted.

Alternativ oder ergänzend zu der elektrischen Beschichtung 148 kann der Dichtkörper 110 im Bereich des Übergangs von dem kegelförmigen Abschnitt 114 zur Stirnfläche 112 auch einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 150 aufweisen, mittels dem ebenfalls ein weiteres elektrisches Potential in den Bereich der Stirnfläche 112 geführt werden kann. Der elektrisch leitfähige Abschnitt 150 kann sich auch rotationssymmetrisch um die Längsachse 6 herum auf der Außenfläche 116 erstrecken.Alternatively or in addition to the electrical coating 148 can the sealing body 110 in the region of the transition from the conical section 114 to the face 112 also an electrically conductive section 150 have, by means of which also another electrical potential in the region of the end face 112 can be performed. The electrically conductive section 150 can also be rotationally symmetrical about the longitudinal axis 6 around on the outside surface 116 extend.

Die 4 zeigt einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 201. Der Dichtkörper 210 weist zwei elektrisch leitfähige Pfade 222A, 222B auf, die koaxial zueinander angeordnet sind. Ein zentrisch zur Längsachse 6 verlaufender erster Pfad 222A ist als Innenleiter ausgebildet, und entspricht im Wesentlichen dem Pfad 22 des ersten Ausführungsbeispiels der 1. In einem vergleichsweise geringen radialen Abstand hierzu verläuft der im Querschnitt zur Längsachse 6 ringförmige zweite Pfad 222B, der von dem ersten Pfad 222A durch den Werkstoff des Dichtkörpers 210 elektrisch isoliert ist. Der zweite Pfad 222B kann beispielsweise eine Abschirmfunktion für den ersten Pfad 222A bilden. Dadurch können auch hochfrequente Signale zwischen der Hochdruckseite 2 und der Niederdruckseite 4 übertragen werden. Der wirksame Wellenwiderstand der elektrischen Durchführung ist durch die Wahl der Geometrie und des Werkstoffes der elektrisch leitfähigen Pfade 222A, 222B vorwählbar.The 4 shows a cross section through a third embodiment of a device according to the invention 201 , The sealing body 210 has two electrically conductive paths 222A . 222B on, which are arranged coaxially with each other. One centric to the longitudinal axis 6 running first path 222A is formed as an inner conductor, and corresponds substantially to the path 22 of the first embodiment of 1 , In a comparatively small radial distance to this extends in cross-section to the longitudinal axis 6 annular second path 222B that of the first path 222A through the material of the sealing body 210 is electrically isolated. The second path 222B For example, a shielding function for the first path 222A form. This can also high-frequency signals between the high pressure side 2 and the low pressure side 4 be transmitted. The effective characteristic impedance of the electrical feed through is the choice of the geometry and the material of the electrically conductive paths 222A . 222B preselected.

Abhängig von der erforderlichen Stromtragfähigkeit und dem maximal möglichen Durchmesser des Dichtkörpers 10 können auch mehrere elektrisch leitfähige Pfade, insbesondere auch mehrere Koaxialleitungen, in dem Dichtkörper 210 integriert sein. Dadurch können mehrere elektrisch leitfähige Verbindungen von der Vorrichtung 1 realisiert werden.Depending on the required current carrying capacity and the maximum possible diameter of the sealing body 10 can also be a plurality of electrically conductive paths, in particular also a plurality of coaxial cables, in the sealing body 210 be integrated. This allows multiple electrically conductive connections from the device 1 will be realized.

Die 5 zeigt einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1, die hinsichtlich des Dichtkörpers 10 im Wesentlichen identisch ausgeführt ist wie das erste Ausführungsbeispiel der 1, weshalb auf die zugehörige Beschreibung Bezug genommen wird. Die 6 zeigt einen Ausschnitt VI der Vorrichtung 1 der 5, und die 7 zeigt einen Ausschnitt VII der Vorrichtung 1 der 5, jeweils in vergrößerter Darstellung.The 5 shows a cross section through a fourth embodiment of a device 1 concerning the sealing body 10 is executed substantially identical to the first embodiment of the 1 for which reason reference is made to the associated description. The 6 shows a section VI of the device 1 of the 5 , and the 7 shows a section VII of the device 1 of the 5 , in each case in an enlarged view.

Auf einer der Hochdruckseite 2 zugewandten Stirnfläche 12 des Dichtkörpers 10 sind im Ausführungsbeispiel zwei Sensorelemente 60, 62 angeordnet, deren Kontaktierung in der 7 dargestellt ist. Auf einer der Niederdruckseite 4 zugewandten Stirnfläche 24 des Dichtkörpers 10 sind zwei Referenzelemente 64, 66 angeordnet, deren elektrische Kontaktierung in der 6 dargestellt ist. Das Sensorelement 60 kann mit einer Elektrode bzw. mit einem Pol oder einem Anschluss unmittelbar mit dem elektrisch leitfähigen Pfad 22 verbunden sein, beispielsweise indem das Sensorelement 60 unmittelbar im Bereich des elektrisch leitfähigen Pfades 22 an der Stirnfläche 12 angelegt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine erste Elektrode des Sensorelements 60 über eine Leiterbahn 68 mit dem Pfad 22 elektrisch verbunden. Eine zweite Elektrode des Sensorelements 60 ist über eine elektrisch leitfähige Beschichtung 48 in elektrischer Verbindung mit dem Verschraubungskörper 30, wie dies im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der 3 beschrieben ist.On a high pressure side 2 facing end face 12 of the sealing body 10 In the exemplary embodiment, two sensor elements 60 . 62 arranged, whose contacting in the 7 is shown. On one of the low pressure side 4 facing end face 24 of the sealing body 10 are two reference elements 64 . 66 arranged, whose electrical contact in the 6 is shown. The sensor element 60 can with an electrode or with a pole or a connection directly to the electrically conductive path 22 be connected, for example by the sensor element 60 directly in the region of the electrically conductive path 22 at the frontal area 12 is created. In the illustrated embodiment, a first electrode of the sensor element 60 via a conductor track 68 with the path 22 electrically connected. A second electrode of the sensor element 60 is over an electrically conductive coating 48 in electrical connection with the fitting body 30 as related to the embodiment of the 3 is described.

Ein weiteres Sensorelement 62 ist im Bereich der Stirnfläche 12 angeordnet. Ein erster Anschluss des weiteren Sensorelements 62 kann beispielsweise über einen weiteren elektrischen Pfad mit der Niederdruckseite 4 verbunden sein, beispielsweise über einen der im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 beschriebenen weiteren elektrischen Pfade 122b, 222b. Ein zweiter elektrischer Anschluss des weiteren Sensorelements 62 kann beispielsweise über einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 50 des Dichtkörpers 10 mit der Niederdruckseite verbunden sein, wie dies im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der 3 beschrieben ist. Der elektrisch leitfähige Abschnitt 50 kann dabei auf der Niederdruckseite 4 durch eine weitere Leiterbahn 70 elektrisch kontaktiert und weitergeführt werden.Another sensor element 62 is in the area of the face 12 arranged. A first connection of the further sensor element 62 can, for example, via another electrical path with the low pressure side 4 be connected, for example via one of in connection with the embodiments of the 3 and 4 described further electrical paths 122b . 222b , A second electrical connection of the further sensor element 62 can, for example, an electrically conductive section 50 of the sealing body 10 be connected to the low pressure side, as in connection with the embodiment of the 3 is described. The electrically conductive section 50 can do it on the low pressure side 4 through another track 70 electrically contacted and continued.

Auf der Niederdruckseite 4 ist ein Referenzelement 64 angeordnet, insbesondere an der dortigen Stirnfläche 24 angebracht. Ein erster Pol des Referenzelements 64 ist über den Pfad 22 in elektrischer Verbindung mit dem Referenzelement 60. Ein zweiter Pol des Referenzelements 64 ist über eine weitere Leiterbahn 72 elektrisch kontaktierbar. Ein weiteres Referenzelement 66 ist ebenfalls über Leiterbahnen 74, 76 kontaktierbar und kann insbesondere mit dem weiteren Sensorelement 62 verbunden sein. Das Referenzelement 64 kann unmittelbar oder, wie in der 6 dargestellt, über eine Leiterbahn 78 mit dem Pfad 22 verbunden sein.On the low pressure side 4 is a reference element 64 arranged, in particular at the local end face 24 appropriate. A first pole of the reference element 64 is over the path 22 in electrical connection with the reference element 60 , A second pole of the reference element 64 is over another track 72 electrically contactable. Another reference element 66 is also via tracks 74 . 76 can be contacted and in particular with the further sensor element 62 be connected. The reference element 64 can be immediate or, as in the 6 represented, via a conductor track 78 with the path 22 be connected.

Sowohl die Sensorelemente 60, 62 als auch die Referenzelemente 64, 66 und die Leiterbahnen 68, 70, 72, 74, 76, 78 können mindestens teilweise in Dünnschichttechnik auf die Stirnflächen 12, 24 aufgebracht sein. Die Sensorelemente 60, 62 können beispielsweise piezoresistive Widerstände sein, insbesondere solche, die bei isostatischer Druckeinwirkung, d. h. bei Druckeinwirkung auf allen frei liegenden Flächen des Sensorelements 60, 62, eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstandswertes von der Höhe des Drucks aufweisen. Die Referenzelemente 64, 66 können dementsprechend ebenfalls Widerstände sein, die vorzugsweise identisch wie die Sensorelemente 60, 62 aufgebaut sind.Both the sensor elements 60 . 62 as well as the reference elements 64 . 66 and the tracks 68 . 70 . 72 . 74 . 76 . 78 may be at least partially thin-filmed on the faces 12 . 24 be upset. The sensor elements 60 . 62 may be, for example piezoresistive resistors, in particular those in isostatic pressure, ie when pressure is applied to all exposed surfaces of the sensor element 60 . 62 have a dependence of the electrical resistance value on the magnitude of the pressure. The reference elements 64 . 66 Accordingly, resistors may also be identical, preferably identical to the sensor elements 60 . 62 are constructed.

In dem in den 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 60 mit dem Referenzelement 64 zu einer Halbbrücke verschaltet, wobei im einfachsten Fall eine Spannung zwischen der weiteren Leiterbahn 72 und dem Verschraubungskörper 30 bzw. Grundkörper 34 angelegt werden kann. Das weitere Sensorelement 62 und das weitere Referenzelement 66 können zu einer Halbbrücke verschaltet sein; die beiden Halbbrücken können zu einer Vollbrücke verschaltet sein.In the in the 6 and 7 illustrated embodiment, the sensor element 60 with the reference element 64 interconnected to a half-bridge, wherein in the simplest case, a voltage between the further conductor track 72 and the fitting body 30 or basic body 34 can be created. The further sensor element 62 and the further reference element 66 can be interconnected to a half bridge; the two half bridges can be connected to a full bridge.

Als Widerstandsmaterial für die Referenzelemente 64, 66 können beispielsweise Chrom/Nickel-Schichten mit einer hohen Langzeitstabilität und einem vergleichsweise geringem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes eingesetzt werden oder Widerstände aus einer Legierung aus etwa 55% Kupfer, 44% Nickel und 1% Mangan mit einem über weite Temperaturbereiche geringen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes.As resistance material for the reference elements 64 . 66 For example, chromium / nickel layers with a high long-term stability and a comparatively low temperature coefficient of electrical resistance can be used or resistors made of an alloy of about 55% copper, 44% nickel and 1% manganese with a temperature coefficient of electrical resistance that is low over a wide temperature range.

Alternativ oder ergänzend kann mindestens ein Teil der Widerstandsbahnen der Referenzelemente 64, 66 aus einem Kompositwerkstoff hergestellt sein, der eine Matrix 80 (8) aus einem ersten, elektrisch schlecht leitfähigen Bestandteil aufweist, beispielsweise kohlenstoffhaltig oder kohlenwasserstoffhaltig ist. In dieser Matrix 80 sind Cluster 82 und/oder Partikel 84 aus einem zweiten, elektrisch gut leitfähigen Bestandteil eingebettet, beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Nickel. Die Cluster 82 und/oder Partikel 84 können eine kohlenstoffhaltige Hülle 86, 87 aufweisen, welche die elektrisch gut leitfähigen Bestandteile umhüllen. Vorzugsweise sind die Cluster 82 und/oder Partikel 84 innerhalb der Matrix 80 voneinander beabstandet. Die Referenzelemente 64, 66 können dadurch im Wesentlichen die gleichen Temperatureigenschaften aufweisen wie die Sensorelemente 60, 62, insbesondere den gleichen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes.Alternatively or additionally, at least a part of the resistance paths of the reference elements 64 . 66 be made of a composite material, which is a matrix 80 ( 8th ) comprises a first, electrically poorly conductive component, for example, carbonaceous or hydrocarbon-containing. In this matrix 80 are clusters 82 and / or particles 84 embedded from a second, electrically good conductive component, for example, a metal, in particular nickel. The clusters 82 and / or particles 84 can be a carbonaceous shell 86 . 87 have, which envelop the electrically well conductive components. Preferably, the clusters are 82 and / or particles 84 within the matrix 80 spaced apart. The reference elements 64 . 66 As a result, they can essentially have the same temperature characteristics as the sensor elements 60 . 62 , in particular the same temperature coefficient of electrical resistance.

Die 8 zeigt einen Schnitt durch ein Sensorelement 60 der Vorrichtung 1 in vergrößerter Darstellung. Das Sensorelement 60 ist als piezoresistiver Widerstand 61 ausgebildet, dessen elektrischer Widerstand abhängig ist von dem auf der Hochdruckseite 2 wirkenden Druck, ohne dass ein Verformungskörper erforderlich ist. Der Widerstand 61 ist aus einem Kompositwerkstoff hergestellt, der eine Matrix 80 aus einem ersten, elektrisch schlecht leitfähigen Bestandteil aufweist, im Ausführungsbeispiel eine amorphe kohlenstoffhaltige oder kohlenwasserstoffhaltige Matrix 80. In der Matrix 80 sind Cluster 82 aus einem zweiten, elektrisch gut leitfähigen Bestandteil eingebettet, beispielsweise Cluster von Metallpartikeln 84, insbesondere Nickelpartikeln. Die drucksensitive Bahn des Widerstandes 61 ist durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) eines vorzugsweise metallischen Targets in kohlenstoffhaltiger reaktiver Atmosphäre ganzflächig auf die Stirnfläche des Dichtkörpers 10 aufgebracht und anschließend strukturiert. Der Widerstand 61 weist eine Passivierung 88 auf, beispielsweise aus SiO2, Si3N4 oder Al2O3 oder einer Kombination von zwei oder mehreren solcher Schichten, die ebenfalls durch Kathodenzerstäubung mit anschließender Strukturierung aufgebracht sein können.The 8th shows a section through a sensor element 60 the device 1 in an enlarged view. The sensor element 60 is as piezoresistive resistance 61 formed, whose electrical resistance is dependent on that on the high pressure side 2 acting pressure without a deformation body is required. The resistance 61 is made of a composite material that is a matrix 80 from a first, electrically poorly conductive component, in the exemplary embodiment, an amorphous carbonaceous or hydrocarbon-containing matrix 80 , In the matrix 80 are clusters 82 embedded from a second, electrically highly conductive component, for example clusters of metal particles 84 , in particular nickel particles. The pressure-sensitive path of resistance 61 is by cathode sputtering (sputtering) a preferably metallic targets in carbon-containing reactive atmosphere over the entire surface of the end face of the sealing body 10 applied and then structured. The resistance 61 indicates a passivation 88 on, for example, of SiO 2, Si 3 N 4 or Al 2 O 3 or a combination of two or more such layers, which may also be applied by sputtering followed by structuring.

Die 9 zeigt ein Cluster 82 in weiter vergrößerter Darstellung. Die zweiten elektrisch leitfähigen Bestandteile, die von metallischen Partikeln 84 gebildet sind, sind jeweils von einer vorzugsweise kohlenstoffhaltigen Hülle 87 umgeben. Ergänzend ist im Ausführungsbeispiel auch das gesamte Cluster 82 von einer vorzugsweise kohlenstoffhaltigen Hülle 86 umgeben. Alternativ hierzu können auch nur die zweiten elektrisch leitfähigen Bestandteile oder nur das gesamte Cluster 82 von einer Hülle 86, 87 umgeben sein.The 9 shows a cluster 82 in a further enlarged view. The second electrically conductive components made of metallic particles 84 are each formed by a preferably carbonaceous shell 87 surround. In addition, in the exemplary embodiment, the entire cluster 82 from a preferably carbonaceous shell 86 surround. Alternatively, only the second electrically conductive components or only the entire cluster 82 from a shell 86 . 87 be surrounded.

Die 10 zeigt einen Schnitt durch ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Sensorelements der Vorrichtung in vergrößerter Darstellung. Die einzelnen metallischen Partikel 84 sind mit einer Graphenhülle 87 umgeben und in eine mindestens größtenteils amorphe Kohlenwasserstoffmatrix 80 eingebettet. Die in den 8 und 9 dargestellte Hülle 86 ist in diesem Fall nicht vorhanden. Benachbarte, mit der Graphenhülle 87 umhüllte Partikel 84 können mit ihrer jeweiligen Graphenhülle 87 aneinander in Anlage sein oder es kann jedenfalls teilweise zwischen den Graphenhüllen 87 der Partikel 84 der Werkstoff der Matrix 80 angeordnet sein, beispielsweise amorpher Kohlenstoff. Die Partikel 84 sind beispielsweise aus Nickelpartikeln gebildet. In einer Ausführungsart sind die Partikel 84 derart klein, dass sie nicht durch eine Anhäufung von metallischen Partikeln gebildet sind, sondern dass mindestens ein Teil der Partikel 84, beispielsweise mindestens 50%, insbesondere mehr als 65% und vorzugsweise mehr als 80% der Partikel 84 jeweils durch einen einzigen metallischen Partikel gebildet ist, insbesondere durch einen einkristallinen Partikel.The 10 shows a section through an alternative embodiment of a sensor element of the device in an enlarged view. The individual metallic particles 84 are with a graphene shell 87 surrounded and in an at least largely amorphous hydrocarbon matrix 80 embedded. The in the 8th and 9 illustrated case 86 is not available in this case. Neighboring, with the graphene shell 87 coated particles 84 can with their respective graphene shell 87 be in contact with each other or at least partially between the graphene shells 87 the particle 84 the material of the matrix 80 be arranged, for example, amorphous carbon. The particles 84 are formed, for example, of nickel particles. In one embodiment, the particles are 84 so small that they are not formed by an accumulation of metallic particles, but that at least a portion of the particles 84 , For example, at least 50%, in particular more than 65% and preferably more than 80% of the particles 84 each formed by a single metallic particle, in particular by a monocrystalline particles.

Zwischen den Clustern 82 bzw. Partikeln 84 sind damit sogenannte turbostratische Graphenebenen 87 angeordnet. Es können mehrere Ebenen hüllenartig das jeweilige Cluster 82 bzw. den jeweiligen Partikel 84 umgeben. Die Ladungsträger tunneln von Ebene zu Ebene. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes ist negativ. Durch den Tunneleffekt stellt sich eine hohe Dehnungsempfindlichkeit ein.Between the clusters 82 or particles 84 are thus so-called turbostratic graphene planes 87 arranged. Several layers can wrap the respective cluster 82 or the respective particle 84 surround. The charge carriers tunnel from level to level. The temperature coefficient of electrical resistance is negative. Due to the tunnel effect, a high strain sensitivity sets in.

In den metallischen Clustern 82 bzw. Partikeln 84 liegt metallische Leitfähigkeit vor. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes ist positiv. Im Metall, insbesondere innerhalb der metallischen Cluster 82 bzw. Partikel 84, ist die elektrische Leitfähigkeit nicht von der Stromflussrichtung abhängig. Im Graphit bzw. turbostratischen Graphit, das die Cluster 82 bzw. Partikel 84 umgibt, ist die elektrische Leitfähigkeit von der Stromflussrichtung abhängig.In the metallic clusters 82 or particles 84 there is metallic conductivity. The temperature coefficient of electrical resistance is positive. In the metal, especially within the metallic clusters 82 or particles 84 , the electrical conductivity does not depend on the current flow direction. In graphite or turbostratic graphite containing the clusters 82 or particles 84 surrounds, the electrical conductivity depends on the current flow direction.

Claims

Contraption ( 1 ) for converting a force and / or a pressure into an electrical signal, wherein the device ( 1 ) as a sensor element ( 60 ) a dependent of a pressure or a force electrical resistance ( 61 ), characterized in that the resistance ( 61 ) is formed of a composite material having a matrix ( 80 ) of a first electrically conductive component that in the matrix ( 80 ) Clusters ( 82 ) and / or particles ( 84 ) are embedded from a second electrically conductive component, and that the resistance value of the electrical resistance ( 61 ) deformation-free a dependence on the on the resistance ( 61 ) acting pressure and / or on the resistance ( 61 ) has acting force.

Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the first electrically conductive component is carbonaceous or hydrocarbon-containing, in particular formed by amorphous carbon and / or hydrocarbon, and the second electrically conductive component is metal-containing, in particular formed from a metal and preferably at least partially cluster-shaped and / or at least partially monocrystalline.

Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the clusters ( 82 ) and / or particles ( 84 ) of a carbonaceous shell ( 86 . 87 ), in particular a graphitic shell, are surrounded.

Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the clusters ( 82 ) and / or particles ( 84 ) within the matrix ( 80 ) are spaced apart, in particular by a carbon-containing shell ( 86 . 87 ) are separated.

Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the sensor element ( 60 ) a passivation ( 88 ), in particular that a passivation layer is applied to the resistance layer.

Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the device ( 1 ) a preferably made of a ceramic sealing body ( 10 ) having at least one electrically conductive path ( 22 ) for an electrical via from a high pressure side ( 2 ) on a low pressure side ( 4 ), and that the electrical via with the resistor ( 61 ) is electrically connected.

Contraption ( 1 ) according to claim 6 or any one of the preceding claims, characterized in that the resistance ( 61 ) on a high pressure side ( 2 ) exposed surface of the sealing body ( 10 ) is arranged.

Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that a further electrical contacting of the resistor ( 61 ) over a base body ( 34 ) to which the device ( 1 ), in particular a sealing body ( 10 ) of the device ( 1 ), can be brought into sealing contact.

Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the device ( 1 ) at least one reference element ( 64 . 66 ), in particular at least one further resistor, and that the reference element ( 64 . 66 ) is arranged such that the electrical signal of the reference element ( 64 . 66 ) is independent of the pressure to be measured.

Contraption ( 1 ) according to claim 9, characterized in that the reference element ( 64 . 66 ) on a high pressure side ( 2 ) opposite surface of the device ( 1 ) is arranged.

Contraption ( 1 ) according to claim 9 or 10, characterized in that the reference element ( 64 . 66 ) is a further resistor which has a temperature coefficient of electrical resistance which corresponds to the temperature coefficient of the pressure-measuring resistor ( 61 ) substantially matches, in particular, that the further resistance is substantially identical constructed and manufactured like the pressure measuring resistor ( 61 ).

Contraption ( 1 ) according to claim 11, characterized in that the further resistance with the pressure-measuring resistor ( 61 ) is connected to a half-bridge.

Contraption ( 1 ) according to claim 9 or one of claims 9 to 12, characterized in that two pressure-measuring resistors ( 61 . 62 ) with two further reference resistors ( 64 . 66 ) are interconnected to a full bridge.

Device according to Claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the first electrically conductive component ( 80 ) has a low electrical conductivity in the current direction of less than 5 × 10 ³ S / cm, in particular less than 0.5 × 10 ³ S / cm and preferably less than 0.05 × 10 ³ S / cm, and / or that the second electrically conductive component ( 84 ) has a high electrical conductivity in the current direction of more than 5 × 10 ³ S / cm, in particular more than 8 × 10 ³ S / cm and preferably more than 12.5 × 10 ³ S / cm.