DE102014114764B4

DE102014114764B4 - Keramischer Drucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014114764B4
Application number: DE102014114764.2A
Authority: DE
Inventors: Anh Tuan Tham
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2034-10-14
Also published as: CN105509935B; US20160103031A1; CN105509935A; DE102014114764A1; US9835510B2

Abstract

Drucksensor, mit- einem keramischen Grundkörper (1a, 1b, 1c),- einer auf dem Grundkörper (1a, 1b, 1c) angeordneten mit einem zu messenden Druck (p) beaufschlagbaren keramischen Messmembran (5a, 5b), und- einer im Grundkörper (1a, 1b, 1c) unter der Messmembran (5a, 5b) eingeschlossenen Druckmesskammer (3), dadurch gekennzeichnet, dass- der Grundkörper (1a, 1b, 1c) und/oder die Messmembran (5a, 5b) in einem 3D-Druckverfahren aufeinander aufgebrachte durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen hergestellte Schichten aufweist, wobei der Grundkörper (1a) und/oder die Messmembran (5b) mindestens eine aus den aufeinander aufgebrachten Schichten entsprechender Grundflächen aufgebaute Strukturierung aufweist, wobei- ein äußerer Rand der Messmembran (5a) über eine Fügung (7) mit einem äußeren Rand einer der Messmembran (5a) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (1c) verbunden ist, wobei- der Grundkörper (1c) in einem unmittelbar an eine Innenseite der Fügung (7) angrenzenden Bereich der der Messmembran (5a) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (1c) eine zu einem Ring geschlossene Nut (21) aufweist, und- die Nut (21) eine aus zu einem Ring geschlossenen übereinander angeordneten Ausnehmungen in der Messmembran (5a) zugewandten Schichten des Grundköpers (1c) bestehende Strukturierung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Drucksensor, mit einem keramischen Grundkörper, einer auf dem Grundkörper angeordneten mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren keramischen Messmembran, und einer im Grundkörper unter der Messmembran eingeschlossenen Druckmesskammer.
Keramische Drucksensoren finden weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik.
Keramische Drucksensoren können als Absolutdrucksensoren ausgebildet sein, die den absoluten, auf die Messmembran einwirkenden Druck gegen Vakuum messen. Sie können als Relativdrucksensoren ausgebildet sein, die den auf die Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Druckmesskammer zugeführten Referenzdruck, wie z.B. dem aktuellen Atmosphärendruck, messen. Alternativ können sie als Differenzdrucksensoren mit einer zwischen zwei Grundkörpern jeweils unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordneten Messmembran ausgebildet sein, die eine Druckdifferenz zwischen einem auf eine erste Seite der Messmembran einwirkenden ersten Druck und einem auf eine zweite Seite der Messmembran einwirkenden zweiten Druck erfassen.
Keramische Drucksensoren sind heute häufig als sogenannte kapazitive Drucksensoren ausgebildet. Kapazitive Drucksensoren weisen einen kapazitiven Wandler auf, der dazu dient eine von einem auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängige Auslenkung der Messmembran messtechnisch zu erfassen. Keramische kapazitive Drucksensoren weisen hierzu regelmäßig eine auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran angeordnete Elektrode und eine auf einer der Messmembran zugewandten Seite des Grundkörpers angeordnete Gegenelektrode auf. Elektrode und Gegenelektrode sind regelmäßig auf die Innenseite der Messmembran bzw. die der Messmembran zugewandte Stirnseite des Grundköpers aufgeputterte metallische Schichten. Der elektrische Anschluss der Gegenelektrode erfolgt regelmäßig über einen Kontaktstift, der vor dem Aufsputtern der Gegenelektrode in eine geradlinig durch den Grundkörper hindurch verlaufende Bohrung eingesetzt wird. Elektrode und Gegenelektrode bilden einen Kondensator mit einer von der Auslenkung der Messmembran abhängigen Kapazität, die z.B. mittels einer Kapazitätsmessschaltung erfasst, und über eine vorab z.B. in einem Kalibrationsverfahren ermittelte Kennlinie einem entsprechenden Druckmessergebnis zugeordnet wird.
Keramische Grundkörper, sowie keramische Messmembranen keramischer Drucksensoren werden heute regelmäßig aus einem Granulat gefertigt, das in eine vorgefertigte Form eingefüllt wird. Anschließend wird das Granulat gepresst, in dem ein entsprechend geformter Pressstempel passgenau in die Form hineingepresst wird, und es wird das gepresste Granulat gesintert.
Auf diese Weise lassen sich einfache geometrische Formen von Grundköpern und Messmembranen, wie z.B. Scheiben oder Zylinder, mit vergleichsweise geringen Fertigungstoleranzen herstellen. Die erzielbaren Fertigungstoleranzen können darüber hinaus durch nachfolgendes Präzisionsschleifen der Sinterkörper gesteigert werden. Der Herstellung komplexerer geometrischer Körper sind bei diesem Verfahren jedoch enge Grenzen gesetzt.
Beim Verpressen des Granulats können Inhomogenitäten auftreten, durch die Poren im Sinterkörper entstehen können. Dabei ist die Gefahr möglicher Weise auftretender Inhomogenitäten umso größer, je komplexer die Formgebung des Sinterkörpers ist. Poren reduzieren die Druckfestigkeit des Sinterkörpers.
Aus dem Stand der Technik sind die DE 10 2010 000 915 A1 und die US 2009 / 0 206 065 A1 bekannt geworden. Die DE 10 2010 000 915 A1 offenbart einen kapazitiven keramischen Drucksensor mit einem keramischen Grundkörper, eine mit dem Grundkörper unter Bildung einer Messkammer druckdicht mittels einer metallischen Fügestelle verbundene Messmembran, und einen kapazitiven elektromechanischen Wandler. Die US 2009 / 0 206 065 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung der selektiven Laser-Pulverbearbeitung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen unter Verwendung eines alternativen Herstellungsverfahrens hergestellten keramischen Drucksensor, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, anzugeben, mit dem insb. auch komplexere Formgebungen von Messmembran und/oder Grundkörper möglichst porenfreie herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Drucksensor, mit

- einem keramischen Grundkörper,
- einer auf dem Grundkörper angeordneten mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren keramischen Messmembran, und
- einer im Grundkörper unter der Messmembran eingeschlossenen Druckmesskammer, der sich dadurch auszeichnet, dass
- der Grundkörper und/oder die Messmembran in einem 3D-Druckverfahren aufeinander aufgebrachte durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen hergestellte Schichten aufweist, wobei der Grundkörper und/oder die Messmembran mindestens eine aus den aufeinander aufgebrachten Schichten entsprechender Grundflächen aufgebaute Strukturierung aufweist, wobei
- ein äußerer Rand der Messmembran über eine Fügung mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbunden ist,
- der Grundkörper in einem unmittelbar an eine Innenseite der Fügung angrenzenden Bereich der der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers eine zu einem Ring geschlossene Nut aufweist, und
- die Nut eine aus zu einem Ring geschlossenen übereinander angeordneten Ausnehmungen in der Messmembran zugewandten Schichten des Grundköpers bestehende Strukturierung ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Schichten eine Schichtdicke im Mikrometerbereich auf.
Gemäß einer Ausgestaltung der ersten Weiterbildung

- weist der Grundkörper auf dessen der Messmembran zugewandten Stirnseite eine Erhebung auf, und
- die Erhebung ist eine aus aufeinander aufgebrachten Schichten bestehende Strukturierung.

Eine weitere Ausgestaltung der ersten Weiterbildung sieht vor, dass

- die Messmembran in einem zentralen Bereich eine Versteifung aufweist, und
- die Versteifung eine aus aufeinander aufgebrachten Schichten bestehende Strukturierung ist.

Eine erste Weiterbildung sieht vor, dass

- der Drucksensor einen kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran aufweist,
- der Wandler eine auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran angeordnete Elektrode und eine auf einer der Messmembran zugewandten Seite des Grundkörpers angeordnete Gegenelektrode aufweist, und
- die Elektrode und/oder die Gegenelektrode mindestens eine in einem 3D-Druckverfahren aufgedruckte Schicht, insb. eine durch Auftragen einer metallischen Nanopulver-Lage, insb. einer Nanopulver-Lage aus Titan- oder Tantal Metallpulver, selektives Laserschmelzen, und anschließendes Erstarren erzeugte Schicht aufweist.

Eine zweite Weiterbildung sieht vor, dass

- der Drucksensor einen kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran aufweist,
- der Wandler eine auf einer der Messmembran zugewandten Seite des Grundkörpers angeordnete Gegenelektrode, insb. eine mindestens eine durch Auftragen einer metallischen Nanopulver-Lage, insb. einer Nanopulver-Lage aus Titan- oder Tantal Metallpulver, selektives Laserschmelzen, und anschließendes Erstarren erzeugte Schicht aufweisende Gegenelektrode, aufweist,
- der Grundkörper eine von der Gegenelektrode zu einer auf einer äußeren Mantelfläche des Grundkörpers angeordneten Anschlussstelle, insb. einer auf einer außenseitlichen Mantelfläche des Grundkörpers angeordneten Anschlussstelle, verlaufende Anschlussleitung umfasst,
- der Grundkörper aufeinander aufgebrachte durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen hergestellte Schichten aufweist, durch die die Anschlussleitung verläuft,
- diese Schichten jeweils einen keramischen und einen metallischen Bereich aufweisen,
- die metallischen Bereiche der aneinander angrenzenden Schichten aneinander angrenzen, und
- die aneinander angrenzenden metallischen Bereiche die Anschlussleitung bilden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Drucksensor ein Membranbett aufweist, das aus aufeinander aufgebrachten durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen hergestellten Schichten aufgebaut ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass

- im Grundkörper eine durch den Grundkörper hindurch verlaufende, in der Druckmesskammer mündende Bohrung vorgesehen ist,
- der Grundkörper aufeinander aufgebrachte durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen hergestellte Schichten aufweist, durch die die Bohrung verläuft, und
- die Bohrung aus aneinander angrenzenden in diesen Schichten vorgesehenen Ausnehmungen besteht.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Grundkörper und/oder die Messmembran aus hochreiner Keramik, insb. aus hochreinem Aluminiumoxid, insb. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einem Reinheitsgrad von größer gleich 95%, insb. größer gleich 99%, oder aus hochreinem Zirconiumoxid, insb. Zirkoniumoxid (ZrO₂) mit einem Reinheitsgrad von größer gleich 95 %, insb. größer gleich 99%, besteht.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, dass sich dadurch auszeichnet, dass die keramischen Schichten des Drucksensors in einem 3D-Druckverfahren erzeugt werden, bei dem jede keramische Schicht dadurch erzeugt wird, dass

- ein Nanopulver der Keramik in einer Nanopulver-Lage aufgebracht, insb. mit einem Rakel aufgebracht, wird,
- die die Schicht bildenden Bereiche der Nanopulver-Lage durch selektives Laserschmelzen, insb. mit einem Laserpulse kurzer Dauer generierenden Pulslaser, insb. einem Picosekundenlaser oder einem Femtosekundenlaser ausgeführtes selektives Laserschmelzen, vollständig aufgeschmolzen werden, und anschließend wieder erstarren.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Drucksensors gemäß der zweiten Weiterbildung sieht vor, dass die metallischen Schichten des Drucksensors in einem 3D-Druckverfahren erzeugt werden, bei dem jede metallische Schicht dadurch erzeugt wird, dass

- ein Nanopulver des Metalls in einer Nanopulver-Lage aufgebracht, insb. mit einem Rakel aufgebracht, wird,
- die die metallische Schicht bildenden Bereiche der Nanopulver-Lage durch selektives Laserschmelzen, insb. mit einem Laserpulse kurzer Dauer generierenden Pulslaser, insb. einem Picosekundenlaser oder einem Femtosekundenlaser ausgeführtes selektives Laserschmelzen, vollständig aufgeschmolzen werden, und anschließend wieder erstarren.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Drucksensors gemäß der dritten Weiterbildung oder der darunter aufgeführten Ausgestaltung, der mindestens eine Schicht aufweist, die mindestens einen metallischen Bereich und mindestens einen keramischen Bereich umfasst, sieht vor, dass die mindestens einen metallischen und mindestens einen keramischen Bereich aufweisenden Schichten in einem 3D-Druckverfahren erzeugt werden, in dem

- ein Nanopulver der Keramik in einer Nanopulver-Lage aufgebracht, insb. mit einem Rakel aufgebracht, wird,
- die die keramischen Bereiche der Schicht bildenden Bereiche der keramischen Nanopulver-Lage durch selektives Laserschmelzen, insb. mit einem Laserpulse kurzer Dauer generierenden Pulslaser, insb. einem Picosekundenlaser oder einem Femtosekundenlaser ausgeführtes selektives Laserschmelzen, vollständig aufgeschmolzen werden, und anschließend wieder erstarren,
- das nicht aufgeschmolzene keramische Nanopulver entfernt wird,
- in durch das Entfernen des keramischen Nanopulvers entstandenen Ausnehmungen ein Nanopulver des Metalls in einer Nanopulver-Lage eingebracht wird, und
- die die metallischen Bereiche der Schicht bildenden Bereiche der metallischen Nanopulver-Lage durch selektives Laserschmelzen, insb. mit einem Laserpulse kurzer Dauer generierenden Pulslaser, insb. einem Picosekundenlaser oder einem Femtosekundenlaser ausgeführtes selektives Laserschmelzen, vollständig aufgeschmolzen werden, und anschließend wieder erstarren.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen vier Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

1 zeigt: einen keramischen Drucksensor mit einem Grundkörper mit einer Erhebung;
2 zeigt: einen keramischen Drucksensor mit einer Bossmembran;
3 zeigt: einen keramischen Drucksensor mit im Grundkörper integrierter Nut und einem durch konzentrische Stege gebildeten Membranbett; und
4 zeigt: einen keramischen Drucksensor mit im Grundkörper integrierter Nut und einem durch einen Stützkörper mit der Biegekontur der Messmembran entsprechender Oberflächenkontur gebildeten Membranbett.

Die Erfindung betrifft einen keramischen Drucksensor, mit einem keramischen Grundkörper, einer auf dem Grundkörper angeordneten mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren keramischen Messmembran, und einer im Grundkörper unter der Messmembran eingeschlossenen Druckmesskammer.
Erfindungsgemäß weist der Grundkörper und/oder die Messmembran in einem 3D-Druckverfahren aufeinander aufgebrachte Schichten auf. 3D-Druckverfahren zur Herstellung aus aufeinander aufgebrachten Schichten aufgebauten dreidimensionalen Körpern sind aus dem Stand der Technik bekannt, und heute bereits zur Herstellung von dreidimensionalen Körpern aus einer Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe, insb. keramischer und metallischer Werkstoffe im Einsatz. Zu den bekannten Verfahren zählen insb. das selektive Lasersintern und das selektive Laserschmelzen.
Die Herstellung der Schichten von Grundkörper und/oder Messmembran der erfindungsgemäßen Drucksensoren erfolgt durch selektives Laserschmelzen. Dabei wird der gewünschte Werkstoff in Form eines Nanopulvers bereitgestellt, das als Nanopulver-Lage aufgebracht, durch selektives Laserschmelzen vollständig aufgeschmolzen wird, und nach dem Erstarren, die jeweilige Schicht bildet.
Die einzelnen Schichten weisen vorzugsweise eine Schichtdicke im Mikrometerbereich auf.
Zur Herstellung rein keramischer Schichten werden vorzugsweise Nanopulver aus hochreiner Keramik, insb. aus hochreinem Aluminiumoxid (Al₂O₃), insb. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einem Reinheitsgrad von größer gleich 95%, insb. größer gleich 99%, z.B. 99,9% verwendet. Alternativ kann auch vorzugsweise hochreines und damit hochfestes Zirconiumoxid (ZrO₂), insb. Zirkoniumoxid (ZrO₂) mit einem Reinheitsgrad von größer gleich 95 %, insb. größer gleich 99%, z.B. 99,9%, eingesetzt werden.
Die Herstellung aufeinander angeordneter Schichten erfolgt, indem zunächst eine Basisschicht auf einen Träger aufgebracht wird. Hierzu wird eine Nanopulver-Lage auf einen Träger aufgebracht, die dann durch selektives Laserschmelzen vollständig aufgeschmolzen wird, und anschließend erstarrt. Jede weitere Schicht wird nachfolgend erzeugt, indem eine weitere Nanopulver-Lage auf die zuletzt gefertigte, bereits erstarrte Schicht aufgebracht wird, dort durch Laserschmelzen aufgeschmolzen wird, und anschließend erstarrt. Dabei bildet sich zugleich eine hochfeste praktisch porenfreie Fügung zwischen der jeweils neu aufgebrachten und der davor gefertigten Schicht aus.
Nanopulver-Lagen entsprechend geringer Dicke werden z.B. mit einem Rakel aufgetragen. Hiermit können Nanopulver-Lagen mit einer Dicke größer gleich 1 µm aufgebracht werden. Dabei bietet das verwendete Nanopulver den Vorteil, dass es in dünnen Lagen mit vergleichsweise hoher Dichte aufgebracht werden kann.
Zur Erzielung einer hohen Auflösung werden für das selektive Aufschmelzen der für die Erzeugung der Schicht benötigten Bereiche der Nanopulver-Lagen vorzugsweise Pulslaser eingesetzt, die Laserpulse kurzer Dauer generieren. Dabei ist die durch die Laserpulse bewirkte Energiezufuhr räumlich umso stärker begrenzt, je kürzer die Pulsdauer ist. Hierzu eignen sich z.B. Picosekundenlaser. Eine noch höhere Auflösung und eine dementsprechend geringere Fertigungstoleranz lässt sich durch die Verwendung von Femtosekundenlasern erzielen.
Das selektive Laserschmelzen von Schichten dieser geringen Dicken bietet den Vorteil, dass die Schichten aufgrund des vollständigen Aufschmelzens des Nanopulvers praktisch porenfrei hergestellt und miteinander gefügt werden. Poren oder gar Risse werden hierdurch vermieden. Hierdurch wird eine hohe Druckfestigkeit der aus diesen Schichten aufgebauten Schichtkörper erzielt.
Das beschriebene 3D Druckverfahren ermöglicht es Grundkörper und/oder Messmembranen mit komplexeren Formgebungen, insb. auch mit Hinterschneidungen aufweisenden Formgebungen, praktisch porenfrei zu erzeugen. Damit können Strukturierungen aufweisende Grundkörper und/oder Messmembranen mit hoher Druckfestigkeit erzeugt werden, sowie in hohem Maße druckfeste Strukturen auf den Grundkörper und/oder die Messmembran aufgedruckt werden.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Dieser umfasst einen keramischen Grundkörper 1a und eine unter Einschluss einer Druckmesskammer 3 auf dem Grundkörper 1a angeordnete keramische Messmembran 5a. Hierzu ist ein äußerer Rand der Messmembran 5a über eine Fügung 7 mit einem äußeren Rand einer der Messmembran 5a zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 1a verbunden. Die Fügung 7 ist vorzugsweise eine mit einem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot ausgeführte Aktivhartlötung, wie sie z.B. in der EP 0 490 807 A2 beschrieben ist. Der Abstand zwischen der Stirnseite des Grundkörpers 1a und der Messmembran 5a wird durch die Höhe der Fügung 7 vorgegeben. Die Fügung 7 wird hierzu beispielsweise mittels eines Lotformteils, insb. eines Lotrings, entsprechender Höhe, oder durch in entsprechender Dicke aufgedruckte Lotpaste bewirkt.
Erfindungsgemäß weist der Grundkörpers 1a und/oder die Messmembran 5a in einem 3D-Druckverfahren durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen auf die oben beschriebene Weise aufeinander aufgebrachte Schichten auf. Vorzugsweise sind Grundkörper 1a und Messmembran 5a wie in 1 dargestellt insgesamt als aus diesen Schichten aufgebaute Schichtkörper ausgebildet. Alternativ können aber auch nur Teilbereiche von Grundkörper und/oder Messmembran als derartige Schichtkörper ausgebildet sein. In dem Fall dient der übrige Teil des Grundkörpers als Träger, auf den die Schichten des als Schichtkörper ausgebildeten Teilbereichs aufgebracht werden.
Die Schichtkörper weisen den Vorteil auf, dass sie praktisch porenfrei sind, und somit eine extrem hohe Druckfestigkeit aufweisen. Der Drucksensor kann somit insb. zur Messung sehr großer Drücke eingesetzt werden.
Darüber hinaus weisen die Schichtkörper aufgrund des extrem präzise ausführbaren Laserschmelzens geringe Fertigungstoleranzen auf, und die Oberflächen der Stirnseiten der Schichtkörper bilden glatte Flächen, so dass ein Nachschleifen der Oberflächen regelmäßig nicht erforderlich ist.
Der in 1 dargestellte Drucksensor weist einen kapazitiven elektromechanischen Wandler auf, der dazu dient eine von einem auf die Messmembran 5a einwirkenden Druck p abhängige Auslenkung der Messmembran 5a messtechnisch zu erfassen. Der Wandler umfasst eine auf einer dem Grundkörper 1a zugewandten Seite der Messmembran 5a angeordnete Elektrode 9 und eine auf einer der Messmembran 5a zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 1a angeordnete Gegenelektrode 11. Elektrode 9 und Gegenelektrode 11 bilden einen Kondensator mit einer von der Auslenkung der Messmembran 5a abhängigen Kapazität, die z.B. mittels einer hier nicht dargestellten Kapazitätsmessschaltung erfasst, und über eine vorab z.B. in einem Kalibrationsverfahren ermittelte Kennlinie einem entsprechenden Druckmessergebnis zugeordnet wird.
Als ein Beispiel eines eine Strukturierung aufweisenden Grundkörpers weist der Grundkörper 1a des Drucksensors von 1 auf dessen der Messmembran 5a zugewandten Stirnseite eine in die Druckmesskammer 3 hinein ragende Erhebung 13 auf, die aus im 3D-Druckverfahren aufeinander aufgebrachten Schichten entsprechender Grundflächen aufgebaut ist. Die Erhebung 13 weist eine parallel zur Messmembran 5a verlaufende Stirnseite auf, auf der die Gegenelektrode 11 angeordnet ist. Dabei bestimmt die Höhe der Erhebung 13 in Relation zur Höhe der Fügung 7 den Elektrodenabstand zwischen Elektrode 9 und Gegenelektrode 11. Der Elektrodenabstand bestimmt die Grundkapazität des Kondensators, die wiederum die mit dem Drucksensor erzielbare Messgenauigkeit mitbestimmt. Die durch die Erhebung 13 bewirkte Reduktion des Elektrodenabstands bewirkt eine Erhöhung der Grundkapazität, durch die sich die erzielbare Messgenauigkeit erhöht.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Aufgrund der weitgehenden Übereinstimmung mit dem in 1 dargestellten Drucksensor, sind nachfolgend lediglich die bestehenden Unterschiede erläutert. Diese bestehen darin, dass der Grundkörper 1b des Drucksensors von 2 keine Erhebung 13 aufweist, und die Messmembran 5b des Drucksensors von 2 eine in einem 3D-Druckverfahren erzeugte, aus aufeinander angeordneten Schichten entsprechender Grundflächen aufgebaute Strukturierung aufweist. Die Strukturierung besteht in diesem Ausführungsbeispiel darin, dass die Messmembran 5b als Bossmembran ausgebildet ist, die in einem zentralen Bereich eine Versteifung 15 aufweist.
Die Versteifung 15 weist vorzugsweise eine parallel zur gegenüberliegenden Stirnseite des Grundkörpers 1b verlaufende Frontfläche auf, auf der die Elektrode 9 angeordnet ist. Hierdurch bewirkt die Versteifung 15, genau wie die in 2 dargestellte Erhebung 13 eine Reduktion des Elektrodenabstands, mit den damit einhergehenden Vorteilen. Darüber hinaus bewirkt die Versteifung 15 eine linearere Abhängigkeit der gemessenen druckabhängigen Kapazitäten bzw. der druckabhängigen Kapazitätsänderungen vom zu messenden Druck p, durch die ebenfalls eine Erhöhung der Messgenauigkeit bewirkt wird.
Elektrode 9 und Gegenelektrode 11 erfindungsgemäßer Drucksensoren können, wie bei herkömmlichen Drucksensoren, als aufgesputterte Elektroden ausgebildet sein.
In Verbindung mit einer in dem oben beschriebenen 3D-Druckverfahren hergestellten Messmembran 5a, 5b ist die Elektrode 9 vorzugsweise eine im gleichen 3D-Druckverfahren auf die dem Grundkörper 1a, 1b zugewandte Seite der Messmembran 5a, 5b aufgedruckte Elektrode, die mindestens eine durch Auftragen eines metallischen Nanopulvers, selektives Laserschmelzen, und anschließendes Erstarren erzeugte Schicht aufweist. Je nach gewünschter Elektrodendicke, können natürlich auch zwei oder mehr metallische Schichten aufeinander aufgebracht werden.
In Verbindung mit einem in dem oben beschriebenen 3D-Druckverfahren hergestellten Grundkörper 1a, 1b ist die Gegenelektrode 11 vorzugsweise eine im gleichen 3D-Druckverfahren auf die der Messmembran 5a, 5b zugewandte Stirnseite des Grundkörpers 1a, 1b aufgedruckte Elektrode, die mindestens eine durch Auftragen eines metallischen Nanopulvers, selektives Laserschmelzen, und anschließendes Erstarren erzeugte Schicht aufweist. Je nach gewünschter Elektrodendicke, können natürlich auch zwei oder mehr metallische Schichten aufeinander aufgebracht werden.
Zur Herstellung der metallischen Schichten wird vorzugsweise ein Nanopulver eines Metalls verwendet, das einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Hierzu eignen sich insb. Titan- oder Tantal-Metallpulver.
Genau wie herkömmliche kapazitive keramische Drucksensoren, sind auch die erfindungsgemäßen Drucksensoren mit einer von der Gegenelektrode 11 zu einer auf einer äußeren Mantelfläche des Grundkörpers 1a, 1b angeordneten Anschlussstelle 17 verlaufenden Anschlussleitung 19 auszustatten, über die der elektrische Anschluss der Gegenelektrode 11 erfolgt.
Die Anschlussleitung 19 wird vorzugsweise ebenfalls in dem oben beschriebenen 3D-Druckverfahrens hergestellt. In dem Fall weisen die einzelnen Schichten des Grundkörpers 1a, 1b durch die die Anschlussleitung 19 verläuft, jeweils einen keramischen und einen ein Teilstück der Anschlussleitung 19 bildenden metallischen Bereich auf. Die metallischen Bereiche sind derart ausgebildet, dass die metallischen Bereiche aneinander angrenzender Schichten aneinander angrenzen, und die aneinander angrenzenden metallischen Bereiche die von der Gegenelektrode 11 zu einer auf einer äußeren Mantelfläche des Grundkörpers 1 angeordneten Anschlussstelle 17 führende Anschlussleitung 19 bilden.
Die Schichten, durch die die Anschlussleitung 15 verläuft, werden vorzugsweise hergestellt, indem zunächst eine keramische Nanopulver-Lage vollflächig aufgebracht wird, und hieraus durch selektives Laserschmelzen und anschließendes Erstarren der keramische Bereich der jeweiligen Schicht erzeugt wird. Anschließend wird das nicht aufgeschmolzene keramische Nanopulver entfernt, und eine metallische Nanopulver-Lage in die dadurch entstandenen Ausnehmungen eingebracht, aus der dann durch selektives Laserschmelzen und anschließendes Erstarren der metallische Bereich erzeugt wird. Auch hier werden durch das Aufschmelzen und Erstarren praktisch porenfreie Fügungen zwischen den metallischen und den keramischen Bereichen jeder dieser Schichten, sowie zwischen den aufeinander aufgebrachten Schichten erzeugt.
Die metallischen Bereiche werden vorzugsweise aus einem Nanopulver eines Metalls hergestellt, das einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wie z.B. Titan- oder Tantal-Metallpulver.
Die im 3D-Druckverfahren hergestellte Anschlussleitung 19 weist gegenüber herkömmlichen, durch in den Grundkörper eingesetzte Metallstifte gebildeten Anschlussleitungen den Vorteil auf, dass die Anschlussleitung 19 auf nahezu beliebige Weise durch den Grundkörper 1 hindurch verlaufen kann. Das bietet den Vorteil, dass die Anschlussstelle 17 durch entsprechende Leitungsführung der Anschlussleitung 19 auf einer außenseitlichen Mantelfläche des Grundkörpers 1 angeordnet werden kann, auf der auch die Elektrode 9 über die Fügung 7 kontaktiert wird.
3 und 4 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Drucksensoren. Auch hier sind aufgrund der großen Übereinstimmung mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen lediglich die bestehenden Unterschiede erläutert.
In beiden Ausführungsbeispielen weisen die Grundkörper 1c eine Strukturierung auf. Die Strukturierung umfasst eine zu einem Ring geschlossene Nut 21, die in einem unmittelbar an die Innenseite der Fügung 7 angrenzenden Bereich der der Messmembran 5a zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 1c angeordnet ist. Sie dient als Lotstopp-Nut, die ein Eindringen von Aktivhartlot in Richtung der Druckmesskammer 3 während der Hartlötung verhindert. Hierdurch werden Fertigungstoleranzen der Abmessungen der mittels des Lotformteils oder der aufgedruckten Lotpaste bewirkten Fügung 7, insb. deren Höhe, reduziert. Die Nut 21 besteht hier aus zu einem Ring geschlossenen übereinander angeordneten Ausnehmungen, die hierzu in dem 3D-Druckverfahren zur Herstellung des Grundkörpers 1c, in den entsprechenden oberen, also der Messmembran 5a zugewandten, Schichten des Grundköpers 1c vorgesehen sind.
Darüber hinaus sind beide Drucksensoren jeweils mit einem in einem 3D Druckverfahren erzeugten, aus aufeinander aufgebrachten Schichten aufgebauten Membranbett 23, 25 ausgestattet. Die Membranbetten 23, 25 bestehen vorzugsweise aus der gleichen Keramik, wie der jeweilige Grundkörper 1c, und die Schichten der Membranbetten 23, 25 werden durch selektives Laserschmelzen entsprechender Nanopulver-Lagen erzeugt.
Die Membranbetten 23, 25 dienen dazu, die Messmembran 5a im Falle einer darauf einwirkenden Überlast abzustützen, und so eine übermäßige Auslenkung der Messmembran 5a, durch die diese beschädigt werden könnte, zu verhindern. Hierzu weisen die Membranbetten 23, 25 eine an die Biegekontur der Messmembran 5a angepasste Geometrie auf, auf der die Messmembran 5a im Überlastfall zur Auflage kommt.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Membranbett 23 aus konzentrisch zueinander und zu einer parallel zur Flächennormalen auf die Messmembran 5a durch die Mitte der Messmembran 5a verlaufenden Sensorlängsachse angeordneten Stegen 27, deren Höhe entsprechend der Biegekontur der Messmembran 5a im Falle einer darauf einwirkenden Überlast von innen nach außen ansteigen. Die Stege 27 bestehen vorzugsweise aus auf die oben beschriebene Weise aufeinander aufgebrachten, durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen hergestellten Schichten. Auf diese Weise können in dem beschriebenen 3D-Druckverfahren sowohl auf der der Messmembran 5a zugewandte Stirnseite des Grundkörpers 1 c als auch auf der darauf aufgedruckten Gegenelektrode 11 Stege 17 aufgebracht werden. Dabei werden die jeweils in einer Ebene befindlichen keramischen Schichten der unmittelbar auf der Stirnseite des Grundkörpers 1c aufzubringenden Stege 27 und der metallischen Schichten der Gegenelektrode 11 auf die oben bereits in Verbindung mit der Herstellung der Anschlussleitung 19 beschriebene Weise erzeugt, wobei die keramischen Schichten der Stege den keramischen Bereichen und die metallischen Schichten der Gegenelektrode den metallischen Bereichen entsprechen.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Membranbett als ein auf die der Messmembran 5a zugewandte Stirnseite des Grundkörpers 1 c aufgebrachter Stützkörper ausgebildet, dessen der Messmembran 5a zugewandte Oberseite eine der Biegekontur der Messmembran 5a entsprechende Formgebung aufweist. Auch dieser Stützkörper besteht aus auf die oben beschriebene Weise aufeinander aufgebrachten, durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen hergestellten Schichten.
Der Stützkörper kann hierzu unmittelbar auf die Gegenelektrode 11 aufgedruckt werden, oder sich über deren Rand hinaus erstrecken. In letzterem Fall weist der Drucksensor auch hier wieder Schichten mit einem keramischen, einen Teil des Stützkörpers bildenden Bereich und einem metallischen einen Teil der Gegenelektrode 11 bildenden Bereich auf. Diese Schichten werden auch hier auf die oben bereits in Verbindung mit der Herstellung der Anschlussleitung 19 beschriebene Weise erzeugt.
Die erfindungsgemäßen Drucksensoren können als Absolutdrucksensor ausgebildet sein, die einen auf die Außenseite der Messmembran 5a, 5b einwirken Druck p absolut, d.h. gegenüber einem Vakuumdruck, messen. In dem Fall ist die unter Messmembran 5a, 5b eingeschlossene Druckmesskammer 3 evakuiert.
Alternativ können sie Relativdrucksensoren ausgebildet sein. In dem Fall ist im Grundkörper 1a, 1b, 1c eine durch den Grundkörper 1a, 1b, 1c hindurch verlaufende, in der Druckmesskammer 3 mündende Bohrung 29 vorzusehen, über die der Druckmesskammer 3 ein Referenzdruck p_ref, zuführbar ist, auf den bezogen der zu messende Druck p gemessen wird. Die Bohrung 29 ist in allen dargestellten Ausführungsbeispielen als gestrichelt eingezeichnete Option dargestellt.
Bei den in dem beschriebenen 3D-Druckverfahren hergestellten Grundkörpern 1a, 1b, 1c besteht die Bohrung 29 aus übereinander angeordneten Ausnehmungen in den den Grundkörper 1a, 1b, 1c bildenden Schichten und den die Gegenelektrode 11 bildenden Schichten.
Alternativ können die erfindungsgemäßen Drucksensoren als Differenzdrucksensoren ausgebildet werden. In dem Fall ist auf der vom Grundkörper 1a, 1b, 1c abgewandten Seite der Messmembran 5a, 5b der entsprechenden Relativdrucksensoren ein identisch zu dem ersten Grundkörper 1a, 1b, 1c ausgebildeter zweiter Grundkörper vorzusehen. In Verbindung mit dem in 2 dargestellten Relativdrucksensor mit Bossmembran wird im entsprechenden Differenzdrucksensor vorzugsweise eine Messmembran eingesetzt, die auf beiden Seiten mit einer entsprechenden Versteifung ausgestattet ist.
Im Messbetrieb wird die dem ersten Grundkörper 1a, 1b, 1c zugewandte erste Seite der Messmembran 5a, 5b über die Bohrung 29 im ersten Grundkörper 1a, 1b, 1c mit einem ersten Druck p₁ beaufschlagt, und die dem zweiten Grundkörper zugewandte zweite Seite der Messmembran 5a wird über die Bohrung im zweiten Grundkörper mit einem zweiten Druck p₂ beaufschlagt. Die Messmembran 5a erfährt somit eine von der Differenz der beiden einwirkenden Drücke p₁, p₂ abhängige Auslenkung, die messtechnisch erfasst, und in ein entsprechende Differenzdruckmesssignal umgewandelt wird.

Claims

Drucksensor, mit - einem keramischen Grundkörper (1a, 1b, 1c), - einer auf dem Grundkörper (1a, 1b, 1c) angeordneten mit einem zu messenden Druck (p) beaufschlagbaren keramischen Messmembran (5a, 5b), und - einer im Grundkörper (1a, 1b, 1c) unter der Messmembran (5a, 5b) eingeschlossenen Druckmesskammer (3), dadurch gekennzeichnet, dass - der Grundkörper (1a, 1b, 1c) und/oder die Messmembran (5a, 5b) in einem 3D-Druckverfahren aufeinander aufgebrachte durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen hergestellte Schichten aufweist, wobei der Grundkörper (1a) und/oder die Messmembran (5b) mindestens eine aus den aufeinander aufgebrachten Schichten entsprechender Grundflächen aufgebaute Strukturierung aufweist, wobei - ein äußerer Rand der Messmembran (5a) über eine Fügung (7) mit einem äußeren Rand einer der Messmembran (5a) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (1c) verbunden ist, wobei - der Grundkörper (1c) in einem unmittelbar an eine Innenseite der Fügung (7) angrenzenden Bereich der der Messmembran (5a) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (1c) eine zu einem Ring geschlossene Nut (21) aufweist, und - die Nut (21) eine aus zu einem Ring geschlossenen übereinander angeordneten Ausnehmungen in der Messmembran (5a) zugewandten Schichten des Grundköpers (1c) bestehende Strukturierung ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten eine Schichtdicke im Mikrometerbereich aufweisen.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Grundkörper (1a) auf dessen der Messmembran (5a) zugewandten Stirnseite eine Erhebung (13) aufweist, und - die Erhebung (13) eine aus aufeinander aufgebrachten Schichten bestehende Strukturierung ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Messmembran (5b) in einem zentralen Bereich eine Versteifung (15) aufweist, und - die Versteifung (15) eine aus aufeinander aufgebrachten Schichten bestehende Strukturierung ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Drucksensor einen kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran (5a, 5b) einwirkenden Druck (p) abhängigen Auslenkung der Messmembran (5a,5b) aufweist, - der Wandler eine auf einer dem Grundkörper (1a, 1b, 1 c) zugewandten Seite der Messmembran (5a, 5b) angeordnete Elektrode (9) und eine auf einer der Messmembran (5a, 5b) zugewandten Seite des Grundkörpers (1a, 1b, 1c) angeordnete Gegenelektrode (11) aufweist, und - die Elektrode (9) und/oder die Gegenelektrode (11) mindestens eine in einem 3D-Druckverfahren aufgedruckte Schicht, insb. eine durch Auftragen einer metallischen Nanopulver-Lage, insb. einer Nanopulver-Lage aus Titan- oder Tantal Metallpulver, selektives Laserschmelzen, und anschließendes Erstarren erzeugte Schicht aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Drucksensor einen kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran (5a, 5b) einwirkenden Druck (p) abhängigen Auslenkung der Messmembran (5a, 5b) aufweist, - der Wandler eine auf einer der Messmembran (5a, 5b) zugewandten Seite des Grundkörpers (1a, 1b, 1c) angeordnete Gegenelektrode (11), insb. eine mindestens eine durch Auftragen einer metallischen Nanopulver-Lage, insb. einer Nanopulver-Lage aus Titan- oder Tantal Metallpulver, selektives Laserschmelzen, und anschließendes Erstarren erzeugte Schicht aufweisende Gegenelektrode (11), aufweist, - der Grundkörper (1a, 1b, 1c) eine von der Gegenelektrode (11) zu einer auf einer äußeren Mantelfläche des Grundkörpers (1a, 1b, 1c) angeordneten Anschlussstelle (17), insb. einer auf einer außenseitlichen Mantelfläche des Grundkörpers (1a, 1b, 1c) angeordneten Anschlussstelle (17), verlaufende Anschlussleitung (19) umfasst, - der Grundkörper (1a, 1b, 1 c) aufeinander aufgebrachte durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen hergestellte Schichten aufweist, durch die die Anschlussleitung (19) verläuft, - diese Schichten jeweils einen keramischen und einen metallischen Bereich aufweisen, - die metallischen Bereiche der aneinander angrenzenden Schichten aneinander angrenzen, und - die aneinander angrenzenden metallischen Bereiche die Anschlussleitung (19) bilden.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor ein Membranbett (23, 25) aufweist, das aus aufeinander aufgebrachten durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen hergestellten Schichten aufgebaut ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - im Grundkörper (1a, 1b, 1c) eine durch den Grundkörper (1a, 1b, 1c) hindurch verlaufende, in der Druckmesskammer (3) mündende Bohrung (29) vorgesehen ist, - der Grundkörper (1a, 1b, 1c) aufeinander aufgebrachte durch selektives Laserschmelzen von Nanopulver-Lagen hergestellte Schichten aufweist, durch die die Bohrung (29) verläuft, und - die Bohrung (29) aus aneinander angrenzenden in diesen Schichten vorgesehenen Ausnehmungen besteht.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1a, 1b, 1c) und/oder die Messmembran (5a, 5b) aus hochreiner Keramik, insb. aus hochreinem Aluminiumoxid (Al₂O₃), insb. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einem Reinheitsgrad von größer gleich 95%, insb. größer gleich 99%, oder aus hochreinem Zirconiumoxid (ZrO₂), insb. Zirkoniumoxid (ZrO₂)mit einem Reinheitsgrad von größer gleich 95%, insb. größer gleich 99%, besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Schichten des Drucksensors in einem 3D-Druckverfahren erzeugt werden, bei dem jede keramische Schicht dadurch erzeugt wird, dass - ein Nanopulver der Keramik in einer Nanopulver-Lage aufgebracht, insb. mit einem Rakel aufgebracht, wird, - die die Schicht bildenden Bereiche der Nanopulver-Lage durch selektives Laserschmelzen, insb. mit einem Laserpulse kurzer Dauer generierenden Pulslaser, insb. einem Picosekundenlaser oder einem Femtosekundenlaser ausgeführtes selektives Laserschmelzen, vollständig aufgeschmolzen werden, und anschließend wieder erstarren.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Schichten des Drucksensors in einem 3D-Druckverfahren erzeugt werden, bei dem jede metallische Schicht dadurch erzeugt wird, dass - ein Nanopulver des Metalls in einer Nanopulver-Lage aufgebracht, insb. mit einem Rakel aufgebracht, wird, - die die metallische Schicht bildenden Bereiche der Nanopulver-Lage durch selektives Laserschmelzen, insb. mit einem Laserpulse kurzer Dauer generierenden Pulslaser, insb. einem Picosekundenlaser oder einem Femtosekundenlaser ausgeführtes selektives Laserschmelzen, vollständig aufgeschmolzen werden, und anschließend wieder erstarren.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors gemäß Anspruch 6 oder 7, der mindestens eine Schicht aufweist, die mindestens einen metallischen Bereich und mindestens einen keramischen Bereich umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens einen metallischen und mindestens einen keramischen Bereich aufweisenden Schichten in einem 3D-Druckverfahren erzeugt werden, in dem - ein Nanopulver der Keramik in einer Nanopulver-Lage aufgebracht, insb. mit einem Rakel aufgebracht, wird, - die die keramischen Bereiche der Schicht bildenden Bereiche der keramischen Nanopulver-Lage durch selektives Laserschmelzen, insb. mit einem Laserpulse kurzer Dauer generierenden Pulslaser, insb. einem Picosekundenlaser oder einem Femtosekundenlaser ausgeführtes selektives Laserschmelzen, vollständig aufgeschmolzen werden, und anschließend wieder erstarren, - das nicht aufgeschmolzene keramische Nanopulver entfernt wird, - in durch das Entfernen des keramischen Nanopulvers entstandenen Ausnehmungen ein Nanopulver des Metalls in einer Nanopulver-Lage eingebracht wird, und - die die metallischen Bereiche der Schicht bildenden Bereiche der metallischen Nanopulver-Lage durch selektives Laserschmelzen, insb. mit einem Laserpulse kurzer Dauer generierenden Pulslaser, insb. einem Picosekundenlaser oder einem Femtosekundenlaser ausgeführtes selektives Laserschmelzen, vollständig aufgeschmolzen werden, und anschließend wieder erstarren.