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Die vorliegende Erfindung betrifft eine keramische Druckmesszelle, insbesondere eine keramische Druckmesszelle mit einem Grundkörper und einer Messmembran, welche unter Einschluss einer Messkammer zwischen dem Grundkörper und der Messmembran mit dem Grundkörper verbunden ist, und einem elektrischen Wandler, welcher eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Signal wandelt, sowie einer elektronischen Schaltung zum Treiben des elektrischen Wandlers und zum Verarbeiten des von dem Wandler bereitgestellten elektrischen Signals. Derartige elektronische Schaltungen sind möglichst nahe am Wandler zu positionieren und zu kapseln, um die Störeinflüsse auf die Wandlersignale zu minimieren und die elektronischen Schaltungen vor Umwelteinflüssen wie Feuchte zu schützen. Gerade in der industriellen Prozessmesstechnik können derartige Störungen jedoch beispielsweise aufgrund von Reinigungszyklen und prozessbedingten Temperaturschwankungen auftreten. Es sind daher Bemühungen bekannt, die elektronischen Schaltungen, welche auch Vorortelektronik genannt werden, zu kapseln, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen. Die Offenlegungsschrift
DE 101 35 568 A1 offenbart einen Drucksensor, bei welchem eine metallische Kappe, welche eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung aufweist, auf der Rückseite eines Grundkörpers aus Aluminiumoxid mittels eines Aktivhartlots hermetisch dicht gefügt ist, um eine unter der Kappe eingeschlossene elektronische Schaltung zu schützen. Der dort beschriebene Ansatz lässt insoweit zu wünschen übrig, als ein Aktivhartlot, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient an den des Aluminiumoxids angepasst ist, nur bei solchen Temperaturen gelötet werden kann, welche eine unter der Kappe eingeschlossene elektronische Schaltung beeinträchtigen würden. Daher kommen nur solche Lote in Frage, welche einen abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizient aufweisen, so dass in der Fügestelle thermomechanische Spannungen entstehen, welche den Messwert der Druckmesszelle verfälschen können, obwohl das Material der Kappe hinsichtlich seines Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Material des Grundkörpers angepasst ist.
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EP 1 463 927 B1 offenbart einen Relativdrucksensor mit einem keramischen Grundkörper und einer keramischen Messmembran, wobei auf der Rückseite des Grundkörpers ein keramischer Topf angeordnet ist, der eine elektronische Schaltung umschließt, wobei der keramische Topf mit einem Kleber oder durch ein metallisches Lot auf dem Grundkörper befestigt ist. Mit einem Kleber lässt sich jedoch eine hinreichende hermetische Dichtigkeit nicht erzielen, und bei dem metallischen Lot stellt sich wieder das beschriebene Spannungsfeld zwischen passendem Ausdehnungskoeffizienten und Verarbeitungstemperatur, wie bereits im Zusammenhang mit der zuvor diskutierten Offenlegungsschrift erörtert wurde. Zudem enthalten metallische Lote Flussmittel, die zu eingeschlossenen Dämpfen oder korrosiven Flüssigkeiten in der Kapsel führen können, was die elektronische Schaltung beeinträchtigen kann.
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Die Offenlegungsschrift
DE10326975A1 offenbart einen Drucksensor, welcher eine elektronische Schaltung zur Vorverarbeitung seiner Messsignale aufweist, die in einer metallischen Kapsel aus Kobalt, Korund oder Glas angeordnet ist, wobei die Kapsel weitgehend mechanisch isoliert von dem Grundkörper der Druckmesszelle positioniert ist, um mechanische Wechselwirkungen zwischen der Druckmesszelle und der Kapsel weitgehend zu vermeiden. Zudem weist die Kapsel eine erheblich geringere laterale Ausdehnung auf als die Druckmesszelle, da um die Kapsel herum noch ein Flächenanteil der Druckmesszelle freizuhalten ist, um die Druckmesszelle rückseitig abzustützen. Daher muss die elektronische Schaltung in der Kapsel kompakt angeordnet sein, so dass kaum Raum zum Abbau von Temperaturspitzen über lange Abstände zur Verfügung steht. Andererseits muss beim Verschließen der Kapsel mittels eines Löt- oder Schweißverfahrens dennoch gewährleistet werden, dass die elektronische Schaltung in der Kapsel nicht überhitzt.
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Die zuvor beschriebenen Ansätze zum Schutz der elektronischen Schaltungen bzw. Verarbeitungsschaltungen haben alle ihre Berechtigung, jedoch gehen sie alle mit Einschränkungen hinsichtlich der Wahl der Fügematerialien einher, was Kompromisse hinsichtlich der Dichtigkeit bedeutet, oder sie führen zu mechanischen Wechselwirkungen zwischen der Kapsel und der Druckmesszelle, sodass weiterhin ein Bedarf nach einer verbesserten Kapselung der elektronischen Schaltung eines Drucksensors besteht.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen keramischen Drucksensor bereitzustellen, welcher eine elektronische Verarbeitungsschaltung aufweist, die nahe der Druckmesszelle angeordnet und hermetisch dicht gekapselt ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst eine Druckmesszelle, welche einen keramischen Grundkörper, eine keramische Messmembran und einen elektrischen Wandler aufweist, wobei die keramische Messmembran mit dem Grundkörper verbunden ist, wobei zwischen dem Grundkörper und der Messmembran eine Messkammer ausgebildet ist, und wobei zumindest eine dem Grundkörper abgewandte Seite der Messmembran mit einem zu messenden Druck beaufschlagbar ist, wobei der elektrische Wandler zum Wandeln einer Verformung der Messmembran in ein elektrisches Signal vorgesehen ist; wobei der Drucksensor weiterhin eine elektronische Schaltung zum Betreiben des elektrischen Wandlers und eine Kapsel umfasst, wobei die elektronische Schaltung in der Kapsel angeordnet ist, die durch den Grundkörper und mindestens einem zweiten Kapselkörper gebildet wird, wobei der zweite Kapselkörper mit dem Grundkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle hermetisch dicht gefügt ist, wobei erfindungsgemäß die umlaufende Fügestelle ein Glaslot umfasst.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Grundkörper eine der Messmembran abgewandte Rückseite, welche im wesentlichen eben ist. Der zweite Kapselkörper ist dann vorzugsweise im wesentlichen topfförmig ausgebildet, also mit einer hohlzylindrischen Form, die jeweils eine offene und eine geschlossene Stirnfläche aufweist. Der zweite Kapselkörper ist mit seiner offenen Stirnfläche unter Einschluss der elektronischen Schaltung auf die Rückseite des Grundkörpers aufgesetzt und an dieser mit einer umlaufenden Fügestelle, die ein Glaslot aufweist, hermetisch dicht befestigt.
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In einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfasst der Grundkörper eine der Messmembran abgewandte Rückseite, welche im wesentlichen topfförmig ausgebildet ist, also mit einer hohlzylindrischen Form, welche in ihrer membranabgewandten Stirnfläche eine Öffnung aufweist. Der zweite Kapselkörper kann dann eine dem Grundkörper zugewandte ebene Seite aufweisen, die unter Einschluss der elektronischen Schaltung auf die Rückseite des Grundkörpers aufgesetzt und an dieser mit einer umlaufenden Fügestelle, die ein Glaslot aufweist, hermetisch dicht befestigt ist.
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Zur Kontaktierung der elektronischen Schaltung weist die Kapsel gemäß einer Weiterbildung der Erfindung insbesondere hermetisch dichte Durchführungen auf, welche hier nicht näher dargestellt sind, und welche in dem zweiten Kapselkörper präpariert sind. Gleichermaßen ist der elektrische Wandler, der insbesondere ein kapazitiver oder resistiver Wandler sein kann, über Durchführungen durch den Grundkörper kontaktiert. Die Durchführungen können von der Schaltung mittels Bonddrähten, Leiterbahnen an den Oberflächen der keramischen Bauteile, flexiblen Leiterplatten, Steckverbindungen, insbesondere Steckverbindungen mit Schneidkontakten, so genannten Grid-Arrays, insbesondere mit Lotperlen, oder mittels anderer SMD-Kontaktierungsmethoden kontaktiert werden.
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Für einen Relativdrucksensor ist eine Referenzluftzufuhr in die Messkammer der Druckmesszelle bereitzustellen. Hierzu kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beispielsweise ein Referenzluftpfad außerhalb des zweiten Kapselkörpers verlaufen, oder es kann ein Referenzluftpfad durch den Kapselkörper hindurch geführt werden, wozu beispielsweise eine keramische Kapillare, eine Glaskapillare oder eine Kapillare aus Kovar® oder Invar® geeignet ist, die vor oder nach dem Fügen des zweiten Kapselkörpers mit dem Grundkörper oder im gleichen Arbeitsschritt mit dem Kapselkörper zu verbinden ist.
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In einer derzeit bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Glaslot bei der Präparation der Fügestelle mittels eines Lasers oder mittels Elektronenstrahls aufgeschmolzen.
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Es ist grundsätzlich bekannt, dass diese Verbindungen zwischen keramischen Komponenten mit einem Glaslot hergestellt werden können, wie dies beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 103 08 820 A1 und in dem
US-Patent 4,380,041 für die Fügestelle zwischen einem Grundkörper und einer Messmembran beschrieben ist. Demnach sind also Glaslote bekannt, die von ihrem Ausdehnungskoeffizienten zu den keramischen Fügepartnern zur Herstellung einer Druckmesszelle passen, nämlich einer Messmembran und einem Grundkörper aus Aluminiumoxid. Bisher ist es jedoch problematisch, mit solchen Glaslotverbindungen elektronische Schaltungen zu kapseln, da die Glaslote häufig bei Temperaturen von oberhalb 500°C verarbeitet werden müssen, wodurch die elektronischen Schaltungen beschädigt werden können.
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Der Einsatz von steuerbaren Wärmequellen wie einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl ermöglichen dagegen eine räumlich und zeitlich sehr genau kontrollierbare Erwärmung des Glaslots und der unmittelbaren Umgebung des Glaslots in den Oberflächenbereichen der Fügepartner, so dass ein lokales Schmelzen des Lots und Diffusionsprozesse an der Oberfläche der Fügepartner zur Herstellung der Lotverbindung ermöglicht werden, ohne die Fügepartner oder die zwischen den Fügepartnern eingeschlossene elektronische Schaltung über einen Temperaturgrenzwert zu erwärmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kapseln einer elektronischen Schaltung eines Drucksensors, der eine keramische Druckmesszelle mit einem keramischen Grundkörper, einen zweiten keramischen Kapselkörper und eine elektronische Schaltung zum Betreiben eines elektrischen Wandlers der Druckmesszelle aufweist, umfasst:
Positionieren des Grundkörpers und des zweiten Kapselkörpers zueinander unter Einschluss der Schaltung in einen Kapselinnenraum zwischen dem Grundkörper und dem zweiten Kapselkörper und
Verschließen des Kapselinnenraums mit einer hermetisch dichten Fügestelle, die ein Glaslot aufweist, wobei das Glaslot mittels mindestens eines Laserstrahls und/oder mittels mindestens eines Elektronenstrahls erwärmt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann ein Drucksensor, der im wesentlichen Zylindergeometrie aufweist, um seine Zylinderachse rotieren, um zur Vermeidung von thermomechanischen Spannungen die Fügestelle umlaufend gleichmäßig zu erwärmen.
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Weiterhin kann gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Strahlungsquelle gepulst und/oder im Dauerstrich – und/oder im Rastermodus betrieben werden, um ein gewünschtes Temperaturprofil im Bereich der Fügestelle zu erreichen.
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Weiterhin kann mit mehreren Lasern gearbeitet werden, um ein gewünschtes Temperaturprofil im Bereich der Fügestelle einzustellen. Beispielsweise kann ein CO2-Laser im Rastermode eine kontrollierte Erwärmung der Umgebung des Glaslots erreichen, wobei dann das eigentliche Aufschmelzen mit einem zweiten Laser erfolgen kann, der beispielsweise ein gepulster Nd-YAG-Laser sein kann.
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Eine solchermaßen hergestellte Fügestelle führt zu einer hermetisch dichten Kapselung der elektronischen Schaltung nahe dem Grundkörper, wobei die Kapsel insbesondere feuchte- und gasdicht ist, wodurch Feuchteeinflüsse auf die Signalverarbeitung vollständig eliminiert sind.
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Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
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1: einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Relativdrucksensors; und
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2: einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absolutdrucksensors.
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Der in 1 dargestellte Relativdrucksensor 1 umfasst eine Druckmesszelle mit einem keramischen Grundkörper 2 und einer keramischen Messmembran 3, die unter Bildung einer Messkammer 4 zwischen dem Grundkörper und der Messmembran miteinander druckdicht verbunden sind. Die Druckmesszelle umfasst einen hier nicht näher spezifizierten elektrischen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran 3 in ein elektrisches Signal. Der Wandler kann beispielsweise ein kapazitiver oder resistiver Wandler sein.
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Zum Betreiben des elektrischen Wandlers weist der erfindungsgemäße Drucksensor 1 eine elektronische Schaltung 5 auf, welche hermetisch dicht zu kapseln ist, um sie vor Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchte zu schützen. Hierzu bilden der Grundkörper 2 und ein topfförmiger Kapselkörper 6, der auf die Rückseite des Grundkörpers aufgesetzt wird, eine Kapsel, die in ihrem Inneren eine Kammer 7 aufweist, in welcher die elektronische Schaltung 5 angeordnet ist. Die Kapsel ist mit einer umlaufenden Fügestelle 8, die ein Glaslot aufweist und zwischen dem Grundkörper 2 und dem zweiten Kapselkörper 6 verläuft, hermetisch dicht verschlossen. Beim Schließen der Kapsel wird das Glaslot mittels eines Lasers oder Elektronenstrahls lokal erwärmt, um die in der Kapsel eingeschlossenen Komponenten nicht zu beeinträchtigen.
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Insoweit, als der Drucksensor 1 ein Relativdrucksensor ist, muss die Messkammer 4 mit dem Atmosphärendruck in der Umgebung des Relativdrucksensors beaufschlagt werden. Hierzu führt ein keramisches Kapillarrohr 9 durch die Kapsel hindurch und schließt an eine Bohrung durch den Grundkörper 2 an, wobei das keramische Rohr 9 vor dem Schließen der Kapsel mit einem Glaslot 10 hermetisch dicht an der Rückseite des Grundkörpers 2 gefügt ist, und wobei nach dem Aufsetzen des zweiten Kapselkörpers 6 auf dem Grundkörper 2 das keramische Rohr 9 mit einer zweiten Fügestelle 11, welche ein Glaslot aufweist, hermetisch dicht mit der Außenseite des Kapselkörpers 6 gefügt ist. Zur Kontaktierung des elektrischen Wandlers durch die elektronische Schaltung 5 sind Durchführungen 12 in dem Grundkörper 2 vorgesehen, wobei die Durchführungen beispielsweise eingelötete Metallstifte, insbesondere Tantalstifte umfassen können. Die elektronische Schaltung 5 ist über ein Flachbandkabel 13 an Durchführungen 14 angeschlossen, welche sich durch den zweiten Kapselkörper 6 erstrecken und in diesem hermetisch dicht gefügt sind. Der Grundkörper 2, die Messmembran 3, der zweite Kapselkörper 6, ein Träger der elektronischen Schaltung 5 und das keramische Rohr 9 weisen vorzugsweise thermomechanisch kompatible Werkstoffe auf, wobei es derzeit bevorzugt ist, dass alle die genannten Komponenten Korund aufweisen. Durch Auswahl eines Glaslots für die Fügestelle zwischen dem Grundkörper und dem zweiten Kapselkörper sowie zwischen dem keramischen Rohr 9 und dem Grundkörper 2 beziehungsweise dem zweiten Kapselkörper 6, welches einen zu dem keramischen Werkstoff passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, können thermomechanische Spannungen weitgehend vermieden werden, und eine langfristig stabile hermetische Kapselung der elektronischen Schaltung 5 kann erreicht werden.
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Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absolutdrucksensors 21 umfasst eine Druckmesszelle mit einem Grundkörper 22, und einer Messmembran 23, die unter Bildung einer evakuierten Messkammer 24 mit dem Grundkörper druckdicht gefügt ist. Der Absolutdrucksensor 21 umfasst weiterhin einen elektrischen Wandler und eine elektronische Schaltung 25 zum Treiben des Wandlers, wobei die elektronische Schaltung hermetisch dicht gekapselt ist. Die Kapsel wird zwischen dem Grundkörper 22 und einem zweiten Kapselkörper 26 gebildet, wobei der Grundkörper 22 in seiner dem zweiten Kapselkörper 26 zugewandten Rückseite eine Aussparung 27 aufweist, welche im Wesentlichen den Innenraum der Kapsel definiert. Der zweite Kapselkörper 26 und der Grundkörper 22 sind entlang einer umlaufenden Fügestelle 28, die ein Glaslot aufweist, hermetisch dicht miteinander gefügt. Die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Wandler und der elektronischen Schaltung 25 erfolgt über Durchführungen 32 durch den Grundkörper 23, welche an ihrem anderen Ende Leiterbahnen 33 an der kapselseitigen Oberfläche des zweiten Kapselkörpers 26 kontaktieren, die mit Kontaktflächen der elektronischen Schaltung 25 in Verbindung stehen. Die Anschlüsse nach außen zum Übertragen der elektronischen Schaltung 25 werden über Durchführungen 34 durch den zweiten Kapselkörper 26 geführt, wobei die Durchführungen 34 die elektronische Schaltung 25 über Lotbälle in einem so genannten Grid-Array kontaktieren.
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Hinsichtlich der Materialwahl für die Messmembran, den Grundkörper, den zweiten Kapselkörper und einen keramischen Träger der elektronischen Schaltung 25 gelten die Erläuterungen zum ersten Ausführungsbeispiel sinngemäß.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10135568 A1 [0001]
- EP 1463927 B1 [0002]
- DE 10326975 A1 [0003]
- DE 10308820 A1 [0012]
- US 4380041 [0012]
