DE102011084612A1 - Pressure sensor has outer surface on which electrically conductive coating which is in galvanic contact with membrane electrode is formed - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kapazitive Druckmesszelle. Eine gattungsgemäße Druckmesszelle umfasst einen im wesentlichen zumindest abschnittsweise zylindrischen keramischen Grundkörper; eine keramische Messmembran; und einen kapazitiven Wandler; wobei die Messmembran entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht mit dem Grundkörper gefügt ist, wobei die Fügestelle ein Glas aufweist, wobei zwischen der Messmembran und dem Grundkörper eine Messkammer gebildet ist, wobei die Messmembran in Abhängigkeit einer Differenz zwischen einem ersten Druck auf einer der Messkammer abgewandten Außenseite der Messmembran und einem zweiten Druck in der Messkammer aus einer Ruhelage der Messmembran in eine druckabhängige Lage auslenkbar ist, wobei der kapazitive Wandler eine dem Grundkörper zugewandte Membranelektrode aufweist, und wobei der Grundkörper mindestens eine erste, der Messmembran zugewandte Grundkörperelektrode aufweist, wobei die Kapazität zwischen der mindestens einen Membranelektrode und der ersten Grundkörperelektrode von der druckabhängigen Lage der Messmembran abhängt.The present invention relates to a capacitive pressure measuring cell. A generic pressure measuring cell comprises a substantially at least partially cylindrical ceramic body; a ceramic measuring membrane; and a capacitive transducer; wherein the measuring membrane along a circumferential joint is pressure-tightly joined to the base body, wherein the joint comprises a glass, wherein between the measuring diaphragm and the base body, a measuring chamber is formed, wherein the measuring diaphragm depending on a difference between a first pressure on a measuring chamber facing away from the outside the measuring diaphragm and a second pressure in the measuring chamber can be deflected from a rest position of the measuring diaphragm into a pressure-dependent position, wherein the capacitive transducer has a membrane electrode facing the base body, and wherein the basic body has at least one first basic electrode electrode facing the measuring diaphragm, the capacitance between the at least one membrane electrode and the first base electrode depends on the pressure-dependent position of the measuring membrane.
Eine derartige Druckmesszelle ist beispielsweise in der Patentschrift
Eine Fügestelle aus Glas ist einfacher herzustellen als hochfeste Aktivhartlotfügestellen, welche ein Hochtemperaturvakuumlötverfahren erfordern. Bewährte Aktivhartlote sind beispielsweise ternäre Zr-Ni-Ti-Aktivhartlote. Die Aktivhartlote ermöglichen aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit eine leitende Verbindung zwischen der Membranelektrode und einer leitfähigen Metallschicht auf der Mantelfläche der Druckmesszelle, so dass die Membranelektrode und die leitfähige Beschichtung zusammen einen Faraday'schen Käfig um die Grundkörperelektrode bilden. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Unempfindlichkeit des kapazitiven Wandlers von keramischen Druckmesszellen mit einer Fügestelle aus Glas gegen HF-Störungen zu verbessern.It is the object of the present invention to improve the insensitivity of the capacitive transducer of ceramic pressure cells with a joint of glass against RF interference.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Druckmesszelle gemäß Patentanspruch 1.The object is achieved by the pressure measuring cell according to
Die erfindungsgemäße Druckmesszelle umfasst einen im wesentlichen zumindest abschnittsweise zylindrischen keramischen Grundkörper; eine keramische Messmembran; und einen kapazitiven Wandler; wobei die Messmembran entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht mit dem Grundkörper gefügt ist, wobei die Fügestelle ein Glas aufweist, wobei zwischen der Messmembran und dem Grundkörper eine Messkammer gebildet ist, wobei die Messmembran in Abhängigkeit einer Differenz zwischen einem ersten Druck auf einer der Messkammer abgewandten Außenseite der Messmembran und einem zweiten Druck in der Messkammer aus einer Ruhelage der Messmembran in eine druckabhängige Lage auslenkbar ist, wobei der kapazitive Wandler mindestens eine dem Grundkörper zugewandte Membranelektrode an der Messmembran und mindestens eine erste, der Messmembran zugewandte Grundkörperelektrode am Grundkörper aufweist, wobei die Kapazität zwischen der mindestens einen Membranelektrode und der ersten Grundkörperelektrode von der druckabhängigen Lage der Messmembran abhängt, wobei erfindungsgemäß die Mantelfläche der Druckmesszelle eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist, welche mit der Membranelektrode im galvanischen Kontakt steht.The pressure measuring cell according to the invention comprises a substantially ceramic body at least in sections; a ceramic measuring membrane; and a capacitive transducer; wherein the measuring membrane along a circumferential joint is pressure-tightly joined to the base body, wherein the joint comprises a glass, wherein between the measuring diaphragm and the base body, a measuring chamber is formed, wherein the measuring diaphragm depending on a difference between a first pressure on a measuring chamber facing away from the outside the measuring diaphragm and a second pressure in the measuring chamber can be deflected from a rest position of the measuring diaphragm into a pressure-dependent position, wherein the capacitive transducer has at least one membrane electrode facing the base body on the measuring diaphragm and at least one first basic electrode electrode facing the measuring diaphragm on the main body, wherein the capacitance between the at least one membrane electrode and the first main body electrode depends on the pressure-dependent position of the measuring membrane, wherein according to the invention the lateral surface of the pressure measuring cell has an electrically conductive coating, which communicates with the mem The electrode is in galvanic contact.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Membranelektrode eine elektrisch leitende Schicht, insbesondere Metallschicht auf, wobei die Stärke der elektrisch leitfähigen Schicht nicht mehr als 200 nm, insbesondere nicht mehr als 100 nm beträgt.According to one development of the invention, the membrane electrode has an electrically conductive layer, in particular a metal layer, wherein the thickness of the electrically conductive layer is not more than 200 nm, in particular not more than 100 nm.
Die elektrisch leitfähige Schicht kann beispielsweise eine Metallschicht, beispielsweise aus Ta oder ein Edelmetall wie Gold, Silber, Platin oder Palladium umfassen. Weiterhin kann die leitfähige Schicht einen Halbleiter wie SiC aufweisen.The electrically conductive layer may comprise, for example, a metal layer, for example of Ta, or a noble metal such as gold, silver, platinum or palladium. Furthermore, the conductive layer may include a semiconductor such as SiC.
Die leitfähige Schicht kann beispielsweise im Dünnschichtverfahren durch Sputtern bzw. Verdampfen oder durch ein Siebdruckverfahren mit einer Resinatpaste präpariert werden.The conductive layer may be prepared by sputtering or by a screen printing method with a resinate paste, for example, in the thin film method.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erstreckt die Membranelektrode sich zumindest abschnittsweise bis zu einem äußeren Rand der Messmembran, so dass die elektrisch leitfähige Beschichtung der Mantelfläche die Membranelektrode entlang eines Umfangs der Druckmesszelle zumindest abschnittsweise berührt.According to one embodiment of the invention, the membrane electrode extends at least in sections to an outer edge of the measuring membrane, so that the electrically conductive coating of the Jacket surface touched the membrane electrode along a circumference of the pressure measuring cell at least in sections.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erstreckt die Membranelektrode sich umlaufend bis zu dem äußeren Rand der Messmembran, so dass die elektrisch leitfähige Beschichtung die Membranelektrode über einen Umfang der Druckmesszelle umlaufend berührt.According to a development of the invention, the membrane electrode extends circumferentially up to the outer edge of the measuring membrane, so that the electrically conductive coating touches the membrane electrode circumferentially over a circumference of the pressure measuring cell.
Die Membranelektrode kann über ihre gesamte Fläche das gleiche Material aufweisen, oder sie kann im Randbereich in dem die Fügestelle ausgebildet ist in anderes elektrisch leitfähiges Material aufweisen, falls dies für eine mechanisch feste Verbindung zwischen der Fügestelle und der Messmembran vorteilhaft ist.The membrane electrode can have the same material over its entire surface, or it can have other electrically conductive material in the edge region in which the joint is formed, if this is advantageous for a mechanically strong connection between the joint and the measuring membrane.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung enthält die Fügestelle Metallpartikel in der Glasmatrix, so dass die Fügestelle elektrisch leitend ist, wobei die Fügestelle sowohl die Membranelektrode als auch die elektrisch leitfähige Beschichtung der Mantelfläche der Druckmesszelle berührt, so dass die Membranelektrode zumindest anteilig über die Fügestelle mit der Beschichtung der Mantelfläche der Druckmesszelle im galvanischen Kontakt steht.According to one embodiment of the invention, the joint contains metal particles in the glass matrix, so that the joint is electrically conductive, wherein the joint touches both the membrane electrode and the electrically conductive coating of the lateral surface of the pressure measuring cell, so that the membrane electrode at least partially on the joint with the Coating of the lateral surface of the pressure measuring cell is in galvanic contact.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung enthalten die Metallpartikel mindestens ein Edelmetall, insbesondere Platin und/oder Palladium.According to one embodiment of the invention, the metal particles contain at least one noble metal, in particular platinum and / or palladium.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weisen der Grundkörper und die Messmembran im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Fügestelle an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers und der Messmembran zumindest so weit angepasst ist, dass die Abweichung nicht mehr als 2·10–6/K, vorzugsweise nicht mehr als 1·10–6/K, und besonders bevorzugt nicht mehr als 0,5·10–6/K beträgt.According to one embodiment of the invention, the base body and the measuring membrane have substantially the same coefficient of thermal expansion, wherein the thermal expansion coefficient of the joint is adapted to the thermal expansion coefficient of the base body and the measuring membrane at least so far that the deviation is not more than 2 · 10 -6 / K , preferably not more than 1 × 10 -6 / K, and more preferably not more than 0.5 × 10 -6 / K.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die mindestens eine Grundkörperelektrode das gleiche Material wie eine elektrisch leitende Fügestelle auf.According to one embodiment of the invention, the at least one main body electrode on the same material as an electrically conductive joint.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.The invention will now be explained with reference to the embodiments illustrated in the drawings.
Es zeigt:It shows:
Die in
Die Messmembran weist auf ihrer grundkörperseitigen Oberfläche eine vollflächige Membranelektrode
Die Fügestelle
Insofern, als die Edelmetallpartikel ein homogenes, leitfähiges Netzwerk in der Glasmatrix bilden sollen, ist es bevorzugt, dass die Partikelgröße deutlich kleiner ist als die kleinste Dimension der Fügestelle, welche deren Höhe ist, über die der Abstand zwischen der Messmembran und dem Grundkörper vorgegeben wird. Die Höhe der Fügestelle beträgt etwa 10 μm bis etwa 100 μm. Wobei für Messzellen mit einem Durchmesser von weniger als 2 cm eine Fügestelle mit einer Höhe von weniger als etwa 30 μm vorzugsweise weniger als 20 μm bevorzugt ist.Inasmuch as the noble metal particles are to form a homogeneous, conductive network in the glass matrix, it is preferred that the particle size is significantly smaller than the smallest dimension of the joint, which is the height over which the distance between the measuring membrane and the base body is predetermined , The height of the joint is about 10 microns to about 100 microns. Wherein, for measuring cells with a diameter of less than 2 cm, a joint with a height of less than about 30 microns, preferably less than 20 microns is preferred.
Damit die Edelmetallpartikel unter dieser Maßgabe noch hinreichend klein sind ist eine mittlere Größe von etwa 1 μm und eine Maximalgröße von nicht mehr als etwa 1,5 μm anzustreben. Dies entspricht bei Gold bzw. Platin einer BET-Oberfläche von etwa 0,3 m2/g. Es können auch feinere Körnungen eingesetzt werden, beispielsweise Pt-Partikel mit einer BET-Oberfäche von 8 m2/g.In order for the noble metal particles to be sufficiently small under this condition, a medium size of about 1 μm and a maximum size of not more than about 1.5 μm should be sought. This corresponds to a BET surface area of about 0.3 m 2 / g for gold or platinum. Finer grits can also be used, for example Pt particles with a BET surface area of 8 m 2 / g.
Es ist anzustreben, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Fügestelle weitgehend dem jenem des Materials von Grundkörper und Messmembran entspricht. Im Falle von Korund beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient α etwa 7,5 ppm/K. Um für die Fügestelle der erfindungsgemäßen Druckmesszelle einen entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten α zu erzielen, ist ein effektiver Wärmeausdehnungskoeffizient α anzusetzen, der sich aus der Mittelung der Wärmeausdehnungskoeffizienten der beteiligten Komponenten jeweils gewichtet mit deren Volumenanteil ergibt.It is desirable that the thermal expansion coefficient of the joint largely corresponds to that of the material of the base body and measuring diaphragm. In the case of corundum, the thermal expansion coefficient α is about 7.5 ppm / K. In order to achieve a corresponding coefficient of thermal expansion α for the joint of the pressure measuring cell according to the invention, an effective thermal expansion coefficient α is to be set, which results from the averaging of the thermal expansion coefficients of the components involved weighted with their volume fraction.
Einige geeignete Gläser zur Präparation der Fügestelle sind in der folgenden Tabelle angegeben:
Zur Präparation der Fügestelle werden die Feststoffe (Glas und Metall) mit einem organischen Binder zu einer Paste gemischt mit einem Feststoffmassenanteil von etwa 2/3 und einem Bindermassenanteil von etwa 1/3.For the preparation of the joint, the solids (glass and metal) are mixed with an organic binder to a paste with a solids content of about 2/3 and a binder mass fraction of about 1/3.
Die Paste wird mittels Siebdruck, beispielsweise mit einem Mesh-325-Sieb in mehreren Durchgängen auf den Grundkörper und die Messmembran aufgetragen, um die leitfähigen Schicht der Fügestelle zu formen. The paste is applied to the base body and the measuring membrane by screen printing, for example with a Mesh 325 screen in multiple passes, to form the conductive layer of the joint.
Nach einer Trocknung bei etwa 150°C werden der Grundkörper und die Messmembran mit den Glas-Metall-Schichten bei einer Temperatur, die einige 10°C, beispielsweise 50°C über der Fügetemperatur liegt, gebrannt, um ein vollständiges Ausgasen von Binderkomponenten zu ermöglichen. Anschließend wird die Messmembran auf den Grundkörper gelegt, so dass die auf der Messmembran präparierten Schichten der Fügestelle auf den auf dem Grundkörper präparierten Schichten fluchtend aufliegen. Dann wird die Schichtfolge bei einer Fügetemperatur gefügt, die vom verwendeten Glas abhängt.After drying at about 150 ° C, the base body and the measuring membrane are fired with the glass-metal layers at a temperature which is some 10 ° C, for example 50 ° C above the joining temperature, to allow complete outgassing of binder components , Subsequently, the measuring membrane is placed on the base body, so that the layers of the joint prepared on the measuring membrane rest flush on the layers prepared on the base body. Then the layer sequence is added at a joining temperature, which depends on the glass used.
Abschließend wird zumindest auf der Mantelfläche des Grundkörpers
Das in
Die Messmembran
Die Fügestelle
Das Glas kann insbesondere mit einem Binder als Paste mittels Siebdruck, beispielsweise mit einem Mesh-325-Sieb in mehreren Durchgängen auf den Grundkörper und die Messmembran aufgetragen werden, um die Schicht der Fügestelle zu formen.In particular, the glass can be applied to the base body and the measuring membrane by means of screen printing, for example with a mesh 325 screen, in multiple passes in order to form the layer of the joint.
Nach einer Trocknung bei etwa 150°C werden der Grundkörper und die Messmembran mit den Glas-Metall-Schichten bei einer Temperatur, die einige 10°C, beispielsweise 50°C über der Fügetemperatur liegt, gebrannt, um ein vollständiges Ausgasen von Binderkomponenten zu ermöglichen. Anschließend wird die Messmembran auf den Grundkörper gelegt, so dass die auf der Messmembran präparierten Schichten der Fügestelle auf den auf dem Grundkörper präparierten Schichten fluchtend aufliegen. Dann wird die Schichtfolge bei einer Fügetemperatur gefügt, die vom verwendeten Glas abhängt.After drying at about 150 ° C, the base body and the measuring membrane are fired with the glass-metal layers at a temperature which is some 10 ° C, for example 50 ° C above the joining temperature, to allow complete outgassing of binder components , Subsequently, the measuring membrane is placed on the base body, so that the layers of the joint prepared on the measuring membrane rest flush on the layers prepared on the base body. Then the layer sequence is added at a joining temperature, which depends on the glass used.
Abschließend wird zumindest auf der Mantelfläche des Grundkörpers
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