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

The pressure sensor (1) has measuring chamber having ceramic diaphragm (2) that is pressure sealed to cylindrical ceramic base (3) together along peripheral glass joint (4). A capacitive transducer has membrane electrode (7) and base electrode (8,9) such that capacitance between electrodes (7,8) is dependent on pressure-dependent position of diaphragm. An electrically conductive coating (14) which is in galvanic contact with membrane electrode is formed in sensor outer surface.

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 DE 103 20 478 B3 offenbart. Das für die Fügestelle verwandte Glas kann in seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Materials des Grundkörpers und der Messmembran, beispielsweise Korund angepasst werden.Such a pressure measuring cell is for example in the patent DE 103 20 478 B3 disclosed. The glass used for the joint can be adjusted in terms of its thermal expansion coefficient to the thermal expansion coefficient of the ceramic material of the base body and the measuring diaphragm, for example corundum.

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 EP 1 106 982 A1 offenbart. Durch den Faraday'schen Käfig ist die Anfälligkeit des kapazitiven Wandlers der Druckmesszelle gegen HF-Störungen erheblich herabgesetzt.A glass joint is easier to manufacture than high strength active brazing joints which require a high temperature vacuum brazing process. Proven active brazing alloys are, for example, ternary Zr-Ni-Ti active hard solders. Due to their electrical conductivity, the active hard solders allow a conductive connection between the membrane electrode and a conductive metal layer on the lateral surface of the pressure measuring cell, so that the membrane electrode and the conductive coating together form a Faraday cage around the main body electrode. Such an arrangement is for example in the published patent application EP 1 106 982 A1 disclosed. Due to the Faraday cage, the susceptibility of the capacitive transducer of the pressure cell to HF interference is significantly reduced.

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 claim 1.

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:

1: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messzelle; 1 a longitudinal section through a first embodiment of a measuring cell according to the invention;

2: ein Diagramm für den geforderten Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas als Funktion des Metallanteils in der Fügestelle für verschiedene Edelmetalle; und 2 a graph of the required thermal expansion coefficient of glass as a function of metal content in the joint for various precious metals; and

3: einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messzelle. 3 a longitudinal section through a second embodiment of a measuring cell according to the invention.

Die in 1 dargestellte Druckmesszelle 1 umfasst eine kreisscheibenförmige, keramische Messmembran 2, die mit einem erheblich steiferen kreisplattenförmigen, keramischen Grundkörper 3 entlang einer umlaufenden Fügestelle 4 unter Bildung einer Messkammer 5 zwischen dem Grundkörper 3 und der Messmembran 2 druckdicht gefügt ist. Die Messmembran und der Grundkörper können insbesondere Korund aufweisen.In the 1 illustrated pressure cell 1 comprises a circular disk-shaped, ceramic measuring membrane 2 , with a significantly stiffer circular plate-shaped, ceramic body 3 along a circumferential joint 4 forming a measuring chamber 5 between the main body 3 and the measuring membrane 2 pressure-tight joined. The measuring membrane and the base body may in particular have corundum.

Die Messmembran weist auf ihrer grundkörperseitigen Oberfläche eine vollflächige Membranelektrode 7 auf, die beispielsweise eine Metallschicht oder Metall-Glas-Schicht umfasst, die mittels Sputtern oder mit Siebdruck einer Edelmetall-Resinatpaste und anschließendem Aufschmelzen bzw. Brennen präpariert ist. Die Membranelektrode 7 erstreckt sich zumindest bis zu einem inneren Rand der Fügestelle, um diese elektrisch zu kontaktieren. Auf der messmembranseitigen Oberfläche des Grundkörpers ist eine zentrale, kreisflächenförmige Messelektrode 8 angeordnet, die von einer bezüglich der Membranelektrode 7 in der Ruhelage der Messmembran 2 im wesentlichen kapazitätsgleichen kreisringförmigen Referenzelektrode 9 umgeben ist. Die Referenzelektrode 9 und die Messelektrode 8 können wie die Membranelektrode präpariert sein, wobei sie auch auf Basis einer Edelmetall-Dickschichtpaste gefertigt sein können. Sie sind über metallische Durchführungen 10, 11 durch den Grundkörper 3 elektrisch kontaktiert. Die Membranelektrode 7 kann beispielsweise über die Fügestelle 4 auf Schaltungsmasse gelegt sein, wobei die Fügestelle 4 über eine weitere elektrische Durchführung 12 durch den Grundkörper oder über eine elektrisch leitende Beschichtung auf der Mantelfläche des Grundkörpers kontaktiert sein kann.The measuring membrane has on its body-side surface a full-surface membrane electrode 7 to, for example, comprises a metal layer or metal-glass layer, which is prepared by sputtering or screen printing a precious metal resinate paste and subsequent melting or firing. The membrane electrode 7 extends at least to an inner edge of the joint to electrically contact them. On the messmembranseitigen surface of the body is a central, circular-shaped measuring electrode 8th arranged from one with respect to the membrane electrode 7 in the rest position of the measuring diaphragm 2 essentially capacitance-like annular reference electrode 9 is surrounded. The reference electrode 9 and the measuring electrode 8th can be prepared as the membrane electrode, wherein they can also be made on the basis of a noble metal thick-film paste. They are about metallic bushings 10 . 11 through the main body 3 electrically contacted. The membrane electrode 7 can, for example, over the joint 4 be placed on circuit ground, with the joint 4 over another electrical implementation 12 can be contacted by the main body or via an electrically conductive coating on the lateral surface of the main body.

Die Fügestelle 4 weist ein Glas auf, welches Edelmetallpartikel, insbesondere Platinpartikel eingebettet sind, hierbei beträgt der Volumenanteil der Edelmetallpartikel am Gesamtvolumen der Fügestelle etwa 3/5 bis etwa 7/10. Das Volumenverhältnis von Metall zu Glas beträgt also etwa 3:2 bis etwa 7:3, beispielsweise etwa 2:1 Mit den beschriebenen Metallanteilen ist die Fügestelle hinreichend elektrisch leitend, um die Membranelektrode über die Fügestelle kontaktieren zu können. The joint 4 has a glass, which noble metal particles, in particular platinum particles are embedded, in this case, the volume fraction of the noble metal particles in the total volume of the joint about 3/5 to about 7/10. The volume ratio of metal to glass is thus about 3: 2 to about 7: 3, for example about 2: 1 With the metal parts described, the joint is sufficiently electrically conductive to contact the membrane electrode via the joint can.

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.

2 zeigt den geforderten Wärmeausdehnungkoeffizienten α für das verwendete Glas in Abhängigkeit des Volumenanteils eines Edelmetalls, und zwar für Platin, Palladium, Gold und Silber. Daraus folgt, dass sich eine hinreichend genaue Übereinstimmung des effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten α der Fügestelle mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α von Korund praktisch nur mit Platin oder Palladium erzielen lässt, wenn man einen Edelmetallanteil von mindestens 66 Volumenprozent erzielen möchte. Bei einem Edelmetallanteil von mindestens 2/3 des Volumens, der durch die 2:1-Linie für das Volumenverhältnis zwischen Edelmetall und Glas markiert ist, kommt praktisch nur noch Platin in Frauge. Der für das Glas in einer Platin-Glas-Fügestelle erforderliche Wärmeausdehnungskoeffizient α liegt dann bei etwa 4,7 ppm/K, während für eine Palladium-Glas-Fügestelle, der Wärmeausdehnungskoeffizient α des Glases weniger als 1 ppm/K betragen müsste. 2 shows the required thermal expansion coefficient α for the glass used as a function of the volume fraction of a noble metal, for platinum, palladium, gold and silver. It follows that a sufficiently accurate agreement of the effective coefficient of thermal expansion α of the joint with the thermal expansion coefficient α of corundum can be achieved practically only with platinum or palladium, if one wants to achieve a precious metal content of at least 66 percent by volume. With a precious metal content of at least 2/3 of the volume, which is marked by the 2: 1 line for the volume ratio between precious metal and glass, there is practically only platinum in Frauge. The thermal expansion coefficient α required for the glass in a platinum-glass joint is then about 4.7 ppm / K, while for a palladium-glass joint, the thermal expansion coefficient α of the glass would have to be less than 1 ppm / K.

Einige geeignete Gläser zur Präparation der Fügestelle sind in der folgenden Tabelle angegeben: Anbieter Bezeichnung α [ppm/K] Anmerkungen Schott G 018-224 4,35 Schott G 018-225 4,7 Schott G 017-339 4,7 Schott G 017-712 5,3 Schott G 018-251 4,5 Hochtemperaturglas Schott G 018-281 4,5 Hochtemperaturglas Viox V 2172 4,7 Bleifrei Viox V 1493 4,9 Bleifrei Viox V 1613 3,9 Bleifrei Viox V 1449 5,5 Some suitable glasses for preparation of the joint are given in the following table: providers description α [ppm / K] Remarks bulkhead G 018-224 4.35 bulkhead G 018-225 4.7 bulkhead G 017-339 4.7 bulkhead G 017-712 5.3 bulkhead G 018-251 4.5 High temperature glass bulkhead G 018-281 4.5 High temperature glass Viox V 2172 4.7 unstable Viox V 1493 4.9 unstable Viox V 1613 3.9 unstable Viox V 1449 5.5

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 3 und ggf. auf dessen rückseitiger Stirnfläche eine elektrisch leitende Schicht 14, insbesondere eine Metallschicht präpariert, welche die Fügestelle 4 vorzugsweise entlang ihres gesamten Umfangs elektrisch kontaktiert, so dass um die Messelektrode 8 und die Referenzelektrode 9 ein Faraday'scher Käfig gebildet ist. Die leitfähige Schicht kann beispielsweise aufgesputtert sein oder einen leitfähigen Lack umfassen.Finally, at least on the lateral surface of the body 3 and optionally on the back end face of an electrically conductive layer 14 , in particular a metal layer prepared, which the joint 4 preferably electrically contacted along its entire circumference, so that around the measuring electrode 8th and the reference electrode 9 a Faraday cage is formed. The conductive layer may, for example, be sputtered or comprise a conductive lacquer.

Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Druckmesszelle 21 umfasst eine kreisscheibenförmige, keramische Messmembran 22, die mit einem erheblich steiferen kreisplattenförmigen, keramischen Grundkörper 23 entlang einer umlaufenden Fügestelle 24 unter Bildung einer Messkammer 25 zwischen dem Grundkörper 23 und der Messmembran 22 druckdicht gefügt ist. Die Messmembran und der Grundkörper können insbesondere Korund aufweisen.This in 3 illustrated embodiment of a pressure measuring cell 21 comprises a circular disk-shaped, ceramic measuring membrane 22 , with a significantly stiffer circular plate-shaped, ceramic body 23 along a circumferential joint 24 forming a measuring chamber 25 between the main body 23 and the measuring membrane 22 pressure-tight joined. The measuring membrane and the base body may in particular have corundum.

Die Messmembran 22 weist auf ihrer grundkörperseitigen Oberfläche eine vollflächige Membranelektrode 27 auf, die beispielsweise eine Metallschicht umfasst, die mit Siebdruck und anschließendem Brennen präpariert ist. Die Membranelektrode 27 erstreckt sich zumindest abschnittsweise bis zum äußeren Rand der Messmembran, um von dort her elektrisch kontaktiert werden zu können. Auf der messmembranseitigen Oberfläche des Grundkörpers 23 ist eine zentrale, kreisflächenförmige Messelektrode 28 angeordnet, die von einer bezüglich der Membranelektrode 27 in der Ruhelage der Messmembran 22 im wesentlichen kapazitätsgleichen kreisringförmigen Referenzelektrode 29 umgeben ist. Die Referenzelektrode 29 und die Messelektrode 28 können wie die Membranelektrode präpariert sein. Sie sind über metallische Durchführungen 30, 31 durch den Grundkörper 23 elektrisch kontaktiert. Die Membranelektrode 27 kann beispielsweise über ihren äußeren Rand am Umfang der Druckmesszelle elektrisch kontaktiert oder über eine weitere elektrische Durchführung 32 durch den Grundkörper 23 und insbesondere auf Schaltungsmasse gelegt sein.The measuring membrane 22 has on its body-side surface a full-surface membrane electrode 27 for example, comprising a metal layer prepared by screen printing followed by firing. The membrane electrode 27 extends at least in sections to the outer edge of the measuring diaphragm in order to be contacted electrically from there. On the messmembranseitigen surface of the body 23 is a central, circular measuring electrode 28 arranged from one with respect to the membrane electrode 27 in the rest position of the measuring diaphragm 22 essentially capacitance-like annular reference electrode 29 is surrounded. The reference electrode 29 and the measuring electrode 28 can be prepared as the membrane electrode. They are about metallic bushings 30 . 31 through the main body 23 electrically contacted. The membrane electrode 27 For example, it can be contacted electrically via its outer edge on the circumference of the pressure measuring cell or via a further electrical feedthrough 32 through the main body 23 and in particular be placed on circuit ground.

Die Fügestelle 24 umfasst ein Glas. Wie eingangs erwähnt, kann für eine Fügestelle die ausschließlich Glas aufweist, ein solches Glas gewählt werden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient α an den des keramischen Werkstoffs des Grundkörpers und der Messmembran angepasst ist, also etwa einen Wert von 7,5 ppm/K aufweist.The joint 24 includes a glass. As mentioned above, can be selected for a joint which exclusively glass, such a glass whose thermal expansion coefficient α is adapted to that of the ceramic material of the base body and the measuring membrane, that is about a value of 7.5 ppm / K has.

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 23 und ggf. auf dessen rückseitiger Stirnfläche eine elektrisch leitende Schicht 34, insbesondere eine Metallschicht präpariert, welche die Membranelektrode 27 zumindest abschnittsweise, vorzugsweise entlang ihres gesamten Umfangs kontaktiert elektrisch kontaktiert, so dass um die Messelektrode 28 und die Referenzelektrode 29 ein Faraday'scher Käfig gebildet ist. Die leitfähige Schicht kann beispielsweise aufgesputtert sein oder einen leitfähigen Lack umfassen.Finally, at least on the lateral surface of the body 23 and optionally on the back end face of an electrically conductive layer 34 , in particular a metal layer prepared, which the membrane electrode 27 at least in sections, preferably contacted electrically contacted along its entire circumference, so that around the measuring electrode 28 and the reference electrode 29 a Faraday cage is formed. The conductive layer may, for example, be sputtered or comprise a conductive lacquer.

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  • EP 1106982 A1 [0003] EP 1106982 A1 [0003]

Claims (9)

Druckmesszelle (1; 21), umfassend: einen im wesentlichen zumindest abschnittsweise zylindrischen keramischen Grundkörper (3; 23); eine im keramische Messmembran (2; 22); und einen kapazitiven Wandler; wobei die Messmembran (2; 22) entlang einer umlaufenden Fügestelle (4; 24) druckdicht mit dem Grundkörper (3; 23) gefügt ist, wobei die Fügestelle (4; 24) ein Glas aufweist, wobei zwischen der Messmembran und dem Grundkörper (3; 23) eine Messkammer gebildet ist, wobei die Messmembran (2; 22) 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 (3; 23) zugewandte Membranelektrode (7; 27) an der Messmembran und mindestens eine erste, der Messmembran (2; 22) zugewandte Grundkörperelektrode (8, 9; 28, 29) am Grundkörper aufweist, wobei die Kapazität zwischen der mindestens einen Membranelektrode und der ersten Grundkörperelektrode von der druckabhängigen Lage der Messmembran abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche der Druckmesszelle (1; 21) eine elektrisch leitfähige Beschichtung (14; 34) aufweist, welche mit der Membranelektrode (7; 27) im galvanischen Kontakt steht.Pressure measuring cell ( 1 ; 21 ), comprising: a substantially at least partially cylindrical basic ceramic body ( 3 ; 23 ); one in the ceramic measuring membrane ( 2 ; 22 ); and a capacitive transducer; the measuring membrane ( 2 ; 22 ) along a circumferential joint ( 4 ; 24 ) pressure-tight with the main body ( 3 ; 23 ), the joint ( 4 ; 24 ) has a glass, wherein between the measuring membrane and the base body ( 3 ; 23 ) a measuring chamber is formed, wherein the measuring membrane ( 2 ; 22 ) is deflectable into a pressure-dependent position as a function of a difference between a first pressure on an outer side of the measuring diaphragm facing away from the measuring chamber and a second pressure in the measuring chamber from a rest position of the measuring diaphragm, wherein the capacitive transducer transmits a 3 ; 23 ) facing membrane electrode ( 7 ; 27 ) at the measuring membrane and at least a first, the measuring membrane ( 2 ; 22 ) facing body electrode ( 8th . 9 ; 28 . 29 ) 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, characterized in that the lateral surface of the pressure measuring cell ( 1 ; 21 ) an electrically conductive coating ( 14 ; 34 ), which with the membrane electrode ( 7 ; 27 ) is in galvanic contact. Druckmesszelle nach Anspruch 1, wobei die Membranelektrode sich zumindest abschnittsweise bis zu einem äußeren Rand der Messmembran erstreckt, so dass die elektrisch leitfähige Beschichtung die Membranelektrode entlang eines Umfangs der Druckmesszelle zumindest abschnittsweise berührt.Pressure measuring cell according to claim 1, wherein the membrane electrode extends at least in sections to an outer edge of the measuring membrane, so that the electrically conductive coating contacts the membrane electrode along a circumference of the pressure measuring cell at least in sections. Druckmesszelle nach Anspruch 2, wobei die Membranelektrode sich umlaufend bis zu dem äußeren Rand der Messmembran erstreckt, so dass die elektrisch leitfähige Beschichtung die Membranelektrode über einen Umfang der Druckmesszelle umlaufend berührt.Pressure measuring cell according to claim 2, wherein the membrane electrode extends circumferentially to the outer edge of the measuring membrane, so that the electrically conductive coating touches the membrane electrode circumferentially about a circumference of the pressure measuring cell. Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fügestelle Metallpartikel in einer Glasmatrix enthält, 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.Pressure measuring cell according to one of the preceding claims, wherein the joint contains metal particles in a 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 over the Joint with the coating of the lateral surface of the pressure cell is in galvanic contact. Druckmesszelle nach Anspruch 4, wobei die Metallpartikel mindestens ein Edelmetall, insbesondere Platin und/oder Palladium enthalten.Pressure measuring cell according to claim 4, wherein the metal particles contain at least one noble metal, in particular platinum and / or palladium. Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper und die Messmembran im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei der Wärmeausdehungskoeffizient der Fügestelle an den Wärmeausdehnungskoeffizenten des Grundkörpers und der Messmembran zumindest so weit angepasst ist, dass die Abweichung nicht mehr als 1,5·10–6/K, vozugsweise nicht mehr als 1·10–6/K, und besonders bevorzugt nicht mehr als 0,5·10–6/K beträgt.Pressure measuring cell according to one of the preceding claims, wherein the base body and the measuring membrane have substantially the same coefficient of thermal expansion, wherein the coefficient of thermal expansion 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 1.5 · 10th -6 / K, preferably not more than 1 × 10 -6 / K, and more preferably not more than 0.5 × 10 -6 / K. Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Grundkörperelektrode das gleiche Material wie die Fügestelle aufweist.Pressure measuring cell according to one of the preceding claims, wherein the at least one base electrode has the same material as the joint. Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Membranelektrode eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist, wobei die Stärke der elektrisch leitfähigen Schicht nicht mehr als 200 nm, insbesondere nicht mehr als 100 nm beträgt.Pressure measuring cell according to one of the preceding claims, wherein the membrane electrode has an electrically conductive layer, wherein the thickness of the electrically conductive layer is not more than 200 nm, in particular not more than 100 nm. Druckmesszelle nach Anspruch 8 oder 9, wobei die elektrisch leitfähige Schicht ein Metall, beispielsweise Ta oder ein Edelmetall wie Gold, Silber, Platin oder Palladium, oder einen Halbleiter wie SiC umfasst.Pressure measuring cell according to claim 8 or 9, wherein the electrically conductive layer comprises a metal, for example Ta or a noble metal such as gold, silver, platinum or palladium, or a semiconductor such as SiC.
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