DE102014117706A1

DE102014117706A1 - Kapazitiver Relativdrucksensor

Info

Publication number: DE102014117706A1
Application number: DE102014117706.1A
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: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-06-02
Also published as: WO2016087147A1

Abstract

Es ist ein kapazitiver Relativdrucksensor, mit einem Grundkörper (1, 21), einer von außen mit einem zu messenden Druck (p) beaufschlagbaren Messmembran (5, 23), deren äußerer dem Grundkörper (1, 21) zugewandter Rand mittels einer Fügung (7, 27) mit einem äußeren Rand einer der Messmembran (5, 23) zugewandten Stirnseite des Grundkörper (1, 21) druckdicht verbunden ist, einer unter der Messmembran (5, 23) eingeschlossenen Druckmesskammer (3), der über eine durch den Grundkörper (1, 21) hindurch verlaufende Referenzdruckzufuhr (9) ein Referenzdruck (pref) zuführbar ist, einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom zu messenden Druck (p) abhängigen Auslenkung der Messmembran (5, 23), mit einer auf einer dem Grundkörper (1, 21) zugewandten Seite der Messmembran (5, 23) angeordneten oder durch die Messmembran (5, 23) gebildeten Elektrode (11) und einer auf einer der Messmembran (5, 23) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (1, 21) angeordneten Gegenelektrode (13, 31), und einer auf einer Oberfläche der Gegenelektrode (13, 31) und eines die Gegenelektrode (13, 31) umgebenden Bereichs der Stirnseite des Grundkörpers (1, 21) aufgebrachten, auf einfache Weise herstellbaren, hydrophoben Beschichtung (17, 35), sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben, bei dem die Beschichtung (17, 35) auf die Oberfläche aufgebrachte, eine hydrophobe, insb. eine superhydrophobe, Oberflächenstruktur ausbildende anorganische Nanopartikel, insb. Titandioxid-Nanopartikel, Siliziumdioxid-Nanopartikel oder Aluminiumoxid- Nanopartikel, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Relativdrucksensor, mit einem Grundkörper, einer von außen mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren Messmembran, deren äußerer dem Grundkörper zugewandter Rand mittels einer Fügung mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörper druckdicht verbunden ist, einer unter der Messmembran eingeschlossenen Druckmesskammer, der über eine durch den Grundkörper hindurch verlaufende Referenzdruckzufuhr ein Referenzdruck zuführbar ist, einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom zu messenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran, mit einer auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran angeordneten oder durch die Messmembran gebildeten Elektrode und einer auf einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers angeordneten Gegenelektrode, und einer auf einer Oberfläche der Gegenelektrode und eines die Gegenelektrode umgebenden Bereichs der Stirnseite des Grundkörpers aufgebrachte hydrophoben Beschichtung.
Relativdrucksensoren dienen dazu, einen zu messenden von außen auf die Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Druckkammer zugeführten Referenzdruck, z.B. den Atmosphärendruck, zu messen. Sie werden insb. in der industriellen Messtechnik zur Messung von Relativdrücken eingesetzt.
Kapazitive Relativdrucksensoren umfassen regelmäßig einen Grundkörper, eine unter Einschluss einer Druckkammer auf dem Grundkörper angeordneten von außen mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren Messmembran, eine Referenzdruckzufuhr, über die der Druckkammer ein Referenzdruck zuführbar ist, und einen kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom zu messenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran, der eine auf einer dem Grundkörper zugewandte Seite der Messmembran angeordnete Elektrode und eine auf einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers angeordnete Gegenelektrode umfasst.
Bei keramischen Relativdrucksensoren bestehen Messmembran und Grundkörper aus Keramik, und sind über eine einen äußeren Rand der Messmembran mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden die Druckkammer außenseitlich umschließenden Fügung, insb. eine Aktivhartlötung, mit einander verbunden. Die Aktivhartlötung erfolgt regelmäßig über einen Zeitraum von einigen Minuten, insb. 4 Min bis 15 Min, bei sehr hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen oberhalb von 800°C.
Bei Relativdrucksensoren besteht das Problem, dass mit dem durch die Referenzdruckzufuhr in die Druckmesskammer gelangenden Gas, in der Regel Luft, Feuchtigkeit in die Druckmesskammer eindringen kann, die bei Unterschreiten des Taupunkts im Inneren der Druckmesskammer kondensieren kann. Lange bevor es zu einer die Funktion des Relativdrucksensors beeinträchtigen Kondensatbildung kommt, besteht bereits die Gefahr, dass Wassermoleküle aus der Gasphase im Inneren der Druckkammer adsorbieren. Dabei werden umso mehr Wassermoleküle adsorbiert, je größer die Adsorptionsenergie zwischen Oberfläche und Wassermolekül ist. Adsorbierte Wassermoleküle bewirken eine Veränderung der Sensoreigenschaften, insb. eine Veränderung der effektiv wirksamen Elektrodenflächen und/oder der effektiv wirksamen dielektrischen Eigenschaften des zwischen Elektrode und Gegenelektrode eingeschlossenen Mediums, die sich auf die Druckmessung auswirkt.
Zur Reduktion der Adsorption ist es bekannt, die Innenwände der Druckmesskammer mit einer hydrophoben Beschichtung zu versehen. Hierzu werden organische Beschichtungsmaterialien eingesetzt.
In der EP 1 061 311 A1 ist ein kapazitiver keramischer Relativdrucksensor mit einer organischen hydrophoben Beschichtung der Innenwände der Druckmesskammer beschrieben, bei der als hydrophobes Imprägniermittel ein Silikonöl, ein Paraffinöl oder ein Silikonharz auf der Basis von fluorierten Siloxanen oder von Methyl-Polysiloxanen eingesetzt wird. Die dort beschriebene Beschichtung wird erzeugt, indem die Druckkammer über die Referenzdruckzufuhr evakuiert, und anschließend mit einer aus dem Imprägniermittel und einem Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck bestehenden Flüssigkeit geflutet wird. Im Anschluss wird das Lösungsmittel verdampft, und das Imprägniermittel durch Erhitzen des Drucksensors auf eine Temperatur von ca. 200°C eingebrannt.
In der DE 101 63 567 A1 ist ein kapazitiver keramischer Relativdrucksensor mit einer hydrophoben Beschichtung der Innenwände der Druckmesskammer beschrieben, bei dem die hydrophobe Beschichtung Silane aufweist, und durch durch die Referenzdruckzufuhr hindurch erfolgende Gasphasenabscheidung auf die Innenwände der Druckmesskammer aufgebracht wurde. Hierzu wird die die Druckmesskammer evakuiert, auf eine Temperatur aufgeheizt, die einerseits eine Oberflächendiffusion der hydrophoben Moleküle zur Ausbildung einer geordneten Schicht ermöglicht und anderseits nicht sofort zu einer Desorption von adsorbierten hydrophoben Molekülen führt, und anschließend für einen hinreichend langen Zeitraum bedampft. Im Anschluss an die Bedampfung wird die Temperatur des Drucksensors weiter erhöht, um eine chemische Bindung des hydrophoben Materials an den Innenwänden zu bewirken.
Organische hydrophobe Beschichtungen weisen den Nachteil auf, dass sie den beim Fügen von Messmembran und Grundkörper auftretenden hohen Temperaturen nicht standhalten. Entsprechend können sie erst nach dem Fügen aufgebracht werden. Da die Beschichtungen nach der Fügung von Grundkörper und Messmembran durch die Referenzdruckzufuhr hindurch vorgenommen werden müssen, sind vergleichsweise aufwendige Beschichtungsverfahren erforderlich. Außerdem können Qualität und Dicke der Beschichtung nur indirekt über entsprechende Prozessparameter gesteuert, aber nicht ohne Zerstörung des Relativdrucksensors überprüft werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen kapazitiven Relativdrucksensor mit einer auf einfache Weise herstellbaren hydrophoben Beschichtung, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.
Hierzu umfasst die Erfindung einen kapazitiver Relativdrucksensor, mit

– einem Grundkörper,
– einer von außen mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren Messmembran, deren äußerer dem Grundkörper zugewandter Rand mittels einer Fügung mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörper druckdicht verbunden ist,
– einer unter der Messmembran eingeschlossenen Druckmesskammer, der über eine durch den Grundkörper hindurch verlaufende Referenzdruckzufuhr ein Referenzdruck zuführbar ist,
– einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom zu messenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran, mit einer auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran angeordneten oder durch die Messmembran gebildeten Elektrode und einer auf einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers angeordneten Gegenelektrode, und
– einer auf einer Oberfläche der Gegenelektrode und eines die Gegenelektrode umgebenden Bereichs der Stirnseite des Grundkörpers aufgebrachte hydrophoben Beschichtung, der sich dadurch auszeichnet, dass
– die Beschichtung auf die Oberfläche aufgebrachte, eine hydrophobe, insb. eine superhydrophobe, Oberflächenstruktur ausbildende anorganische Nanopartikel, insb. Titandioxid-Nanopartikel, Siliziumdioxid-Nanopartikel oder Aluminiumoxid-Nanopartikel, aufweist.

Gemäß einer Weiterbildung ist auf der Elektrode eine hydrophobe Beschichtung vorgesehen, die auf die Elektrode aufgebrachte, eine hydrophobe, insb. eine superhydrophobe, Oberflächenstruktur ausbildende anorganische Nanopartikel, insb. Titandioxid-Nanopartikel, Siliziumdioxid-Nanopartikel oder Aluminiumoxid- Nanopartikel, aufweist.
Eine erste Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der Grundkörper und die Messmembran aus Keramik bestehen, und
– die Fügung eine Aktivhartlötung, insb. eine mit einem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot ausgeführte Aktivhartlötung, ist.

Eine zweite Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Messmembran eine die Elektrode bildende metallische Messmembran ist, und
– der Grundkörper eine metallische Halbschale umfasst, in der eine Füllung aus einem Isolator vorgesehen ist, auf der die Gegenelektrode angeordnet ist.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Relativdrucksensors gemäß der erste Ausgestaltung, dass sich dadurch auszeichnet, dass

– Grundkörper und Messmembran gefertigt werden,
– die Elektrode auf die Messmembran und die Gegenelektrode auf den Grundkörper aufgebracht, insb. aufgesputtert, werden,
– auf die Gegenelektrode und den diese umgebenden Bereich der Stirnseite des Grundkörpers oder auf die Gegenelektrode, den diese umgebenden Bereich der Stirnseite des Grundkörpers und die Elektrode eine die anorganischen Nanopartikel und ein organisches Lösungsmittel enthaltende Flüssigkeit aufgebracht wird,
– Grundkörper und Messmembran miteinander gefügt werden, und
– ein Einbrennen der aufgebrachten anorganischen Nanopartikel durch beim Fügen von Grundkörper und Messmembran auftretende Temperaturen bewirkt wird.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Relativdrucksensors gemäß der zweiten Ausgestaltung, dass sich dadurch auszeichnet, dass

– Grundkörper und Messmembran gefertigt werden,
– die Gegenelektrode auf die Füllung aufgebracht, insb. aufgesputtert, wird,
– auf die Gegenelektrode und den diese umgebenden Bereich der Stirnseite der Füllung des Grundkörpers oder auf die Gegenelektrode, den diese umgebenden Bereich der Stirnseite der Füllung des Grundkörpers und die Elektrode eine die anorganischen Nanopartikel und ein organisches Lösungsmittel enthaltende Flüssigkeit aufgebracht wird,
– Grundkörper und Messmembran miteinander gefügt, insb. verschweißt, werden, und
– die anorganischen Nanopartikel nach dem Fügen von Grundkörper und Messmembran bei einer Temperatur oberhalb von 200°C, insb. einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 300°C, eingebrannt werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Flüssigkeit eine Dispersion, insb. ein Sol, ist, die auf die zu beschichtenden Oberflächen aufgebracht wird.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, dass das organische Lösungsmittel beim Einbrennen der anorganischen Nanopartikel verdampft, und durch die Referenzdruckzufuhr aus dem Relativdrucksensor austritt, insb. unterstützt durch Anlegen eines Vakuums austritt.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: einen kapazitiven keramischen Relativdrucksensor; und
2 zeigt: einen kapazitiven metallischen Relativdrucksensor.
1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kapazitiven Relativdrucksensors. Der Relativdrucksensor umfasst einen Grundkörper 1 und eine unter Einschluss einer Druckmesskammer 3 darauf aufgebrachte von außen mit einem Druck p beaufschlagbare Messmembran 5. Hierzu weist die Messmembran 5 einen äußeren dem Grundkörper 1 zugewandter Rand auf, der mittels einer Fügung 7 mit einem äußeren Rand einer der Messmembran 5 zugewandten Stirnseite des Grundkörper 1 druckdicht verbunden ist.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen keramischen Relativdrucksensor, dessen Grundkörper 1 und dessen Messmembran 5 aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid-Keramik (Al₂O₃), bestehen. 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. Die Fügung 7 wird beispielsweise mittels eines Lotformteils, insb. eines Lotrings, entsprechender Höhe, bewirkt, das zwischen Messmembran 5 und Grundkörper 1 angeordnet, und dort über einen Zeitraum von einigen Minuten, insb. 4 Min bis 15 Min, bei entsprechend hoher Temperatur, insb. bei einer Temperatur oberhalb von 800°C, verlötet wird.
Im Grundkörper 1 ist eine durch den Grundkörper 1 hindurch verlaufende in der Druckmesskammer mündende Referenzdruckzufuhr 9 vorgesehen, über die der unter der Messmembran 5 eingeschlossenen Druckmesskammer 3 ein Referenzdruck p_ref zuführbar ist. Im Messbetrieb wirkt auf die Messmembran 5 von außen der zu messenden Druck p und von innen der Referenzdruck p_ref, bezogen auf den der zu messende Druck p gemessen wird, ein. Diese Druckbeaufschlagung bewirkt eine vom zu messenden Relativdruck abhängige Durchbiegung der Messmembran 5, die mittels eines kapazitiven elektromechanischen Wandlers messtechnisch erfasst wird.
Der kapazitive elektromechanische Wandler umfasst hierzu eine auf einer dem Grundkörper 1 zugewandten Seite der Messmembran 5 angeordnete Elektrode 11, und eine auf einer der Messmembran 5 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 1 angeordneten Gegenelektrode 13. Elektrode 11 und Gegenelektrode 13 bestehen beispielsweise aus Titan oder Tantal, und können z.B. durch Sputtern auf die keramische Messmembran 5 bzw. den keramischen Grundkörper 1 aufgebracht sein.
Die Elektrode 11 erstreckt sich vorzugsweise bis zur Fügung 7, und ist somit über die Fügung 7 elektrisch anschließbar. Die Gegenelektrode 13 ist allseitig von der Fügung 7 beabstandet, und beispielsweise über einen durch den Grundkörper 1 hindurch verlaufenden Kontaktstift 15 elektrisch isoliert gegenüber der Elektrode 11 und der daran angrenzenden Fügung 7 elektrisch anschließbar.
Der Relativdrucksensor weist eine auf einer Oberfläche der Gegenelektrode 13 und eines die Gegenelektrode 13 umgebenden Bereichs der Stirnseite des Grundkörpers 1 aufgebrachte hydrophobe Beschichtung 17 auf. Vorzugsweise erstreckt sich die Beschichtung 17 über die gesamte Oberfläche der Gegenelektrode 13 und den gesamten in der Druckmesskammer 3 frei liegenden die Gegenelektrode 13 umgebenden Bereich der Stirnseite des Grundkörpers 1.
Erfindungsgemäß weist die hydrophobe Beschichtung 17 auf die Oberfläche aufgebrachte, eine hydrophobe, vorzugsweise ein superhydrophobe, Oberflächenstruktur ausbildende anorganische Nanopartikel auf. Zur Erzeugung der Beschichtung 17 eignen sich insb. Titandioxid-Nanopartikel. Alternativ können zur Erzeugung der hydrophoben Beschichtung 17 aber auch Siliziumdioxid-Nanopartikel oder Aluminiumoxid-Nanopartikel verwendet werden. Die Nanopartikel bilden eine nanoskalige Struktur aus, die der Beschichtung 17 ihre hydrophobe Eigenschaft verleiht. Aufgrund der nanoskaligen Oberflächenstruktur ist diese Beschichtung 17 regelmäßig deutlich hydrophober, als organische hydrophobe Beschichtungen, die lediglich mikroskalige Oberflächenstrukturen ausbilden. Durch die Auswahl geeigneter Nanopartikel-Materialien und entsprechender Beschichtungsverfahren können sogar superhydrophobe Oberflächenstrukturen erzeugt werden.
Dabei bilden die Nanopartikel auf der beschichteten Oberfläche nur eine sehr dünne Beschichtung 17, insb. eine Beschichtung mit einer Schichtdicke im Nanometerbereich, aus. Aufgrund der geringen Dicke der Beschichtung 17 bewirken unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Beschichtung 17 und des Materials der beschichteten Oberfläche auch dann keine nennenswerten temperaturabhängigen Spannungen oder Verspannungen im Bereich der Beschichtung 17 und zwischen Beschichtung 17 und beschichteter Oberfläche, wenn der Relativdrucksensor in einem größeren Temperaturbereich, insb. bei Temperaturen im Bereich von –40°C bis 120°C, eingesetzt wird.
Vorzugsweise ist auch auf der Elektrode 11 eine hydrophobe Beschichtung 19 vorgesehen, die auf die Oberfläche der Elektrode 11 aufgebrachte, eine hydrophobe, vorzugsweise ein superhydrophobe, Oberflächenstruktur ausbildende anorganische Nanopartikel, insb. Titandioxid-Nanopartikel, Siliziumdioxid-Nanopartikel oder Aluminiumoxid-Nanopartikel, aufweist.
Beide Beschichtungen 17, 19 sind zur Veranschaulichung hier übertrieben dick und damit nicht maßstabgetreu dargestellt.
Die Herstellung des in 1 dargestellten keramischen Relativdrucksensors erfolgt vorzugsweise derart, dass Grundkörper 1 und Messmembran 5 getrennt voneinander gefertigt werden. Danach wird die Elektrode 11 auf die Messmembran 5 aufgebracht, z.B. aufgesputtert, und die Gegenelektrode 13 auf die Stirnseite des Grundkörpers 1 aufgebracht, z.B. aufgesputtert.
Im Anschluss daran werden die erfindungsgemäßen hydrophoben Beschichtungen 17, 19 auf den zu beschichtenden Oberflächen erzeugt. Hierzu können aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Erzeugung hydrophober Nanopartikel enthaltender Schichten eingesetzt werden. Dabei können die Nanopartikel zum Beispiel durch chemische Abscheidungen aus der Gasphase (CVD), durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD), oder durch ein Sprühverfahren, bei dem eine die anorganischen Nanopartikel und ein organisches Lösungsmittel enthaltende Suspension z.B. unter Verwendung einer Sprühmaske, auf die zu beschichtenden Oberflächen aufgesprüht wird, eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird ein Sol-Gel-Verfahren eingesetzt, bei dem eine die anorganischen Nanopartikel und ein organisches Lösungsmittel enthaltende Dispersion auf die zu beschichtenden Oberflächen aufgebracht wird.
Zur Erzeugung superhydrophober Beschichtungen einsetzbare, unter Verwendung von Ehtylacetoacetat als Chelator und Katalysator hergestellte anorganische Titandioxid-Nanopartikel enthaltende Sole sind zum Beispiel in dem als Abstract 104 des im Oktober 2003 in Orlando Florida abgehaltenen 204. Meetings of the Electrochemical Society veröffentlichten Artikels: "Fabrication and Characterization of a Hydrophobic Nano-TiO2-Coatings for Corrosion Resistance Material" von Chang-Jiang Lin und Guang-Xia Shen beschrieben.
In diesem Zustand ist der aufgebrachte Flüssigkeitsfilm frei zugänglich, so dass die Qualität des auf diese Weise erzeugten Flüssigkeitsfilms ohne Weiteres kontrolliert werden kann. Damit kann sichergestellt werden, dass die zu beschichtenden Bereiche vollständig benetzt sind, und der Flüssigkeitsfilm eine ausreichende Mindestdicke aufweist.
Die Erzeugung der Beschichtungen 17, 19 aus den entsprechenden Flüssigkeitsfilmen erfolgt durch Einbrennen der anorganischen Nanopartikel. Dabei sind Temperaturen von 200°C bis 300°C bereits ausreichend, um das organische Lösungsmittel zu verdampfen, und die Nanopartikel auf der bedruckten bzw. besprühten Oberfläche einzubrennen. Das Einbrennen der anorganischen Nanopartikel kann jedoch aufgrund des bei Nanopartikeln langsameren Kornwachstums auch bei deutlich höheren Temperaturen erfolgen, wie sie beim oben beschriebenen Fügen von Messmembran 5 und Grundkörper 1 ohnehin auftreten.
Entsprechend genügt es Messmembran 5 und Grundkörper 1 nach dem Aufbringen der Flüssigkeitsfilm aufeinander anzuordnen und durch die oben beschriebene Aktivhartlötung zu fügen. Die beim Aktivhartlöten auftretenden Temperaturen bewirken zugleich das Einbrennen der Nanopartikel. Dabei tritt das beim Einbrennen verdampfende organischen Lösungsmittel durch die Referenzdruckzufuhr 9 aus dem Relativdrucksensor aus. Das Austreten des verdampften Lösungsmittels kann durch Anlegen eines Vakuums zusätzlich unterstützt und beschleunigt werden.
Die Erfindung ist nicht auf keramische Relativdrucksensoren beschränkt. Sie kann völlig analog auch in anderen Relativdrucksensoren eingesetzt werden. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel hierzu einen metallischen Relativdrucksensor. Auch dieser Relativdrucksensor umfasst einen Grundkörper 21 mit einer darauf angeordneten Messmembran 23. Der Grundkörper 21 umfasst eine topfförmige metallische Halbschale 25, die einen Boden und eine daran anschließende, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrische, die Messmembran 23 tragende Halbschalenwand aufweist. Die Messmembran 23 und Halbschale 25 bestehen aus Metall, z.B. aus einem Edelstahl. Ein ein äußerer Rand der Messmembran 23 ist mit einer der Messmembran 23 zugewandten ringscheibenförmigen Stirnseite der Halbschalenwand durch eine Fügung 27 druckdicht verbunden, insb. verschweißt. Ein von der Messmembran 23 beabstandeter, an den Boden angrenzender Teilbereich des Innenraums der Halbschale 25 ist mit einer Füllung 29 aus einem Isolator, insb. aus Glas, ausgefüllt. Unter der Messmembran 23 ist auch hier eine Druckmesskammer 3 eingeschlossen, die durch die Messmembran 23, die Halbschalenwand und eine der Messmembran 23 zugewandte Stirnseite der Füllung 29 begrenzt ist. Auch dieser Relativdrucksensor weist eine durch den Grundkörper 21 hindurch verlaufende, in der Druckmesskammer 3 mündende Referenzdruckzufuhr 9 auf, über die der Druckmesskammer 3 der Referenzdruck p_ref zuführbar ist, auf den bezogen der von außen auf die Messmembran 23 einwirkende Druck p gemessen wird.
Auch dieser Relativdrucksensor umfasst einen kapazitiven elektromechanischen Wandler, zur messtechnischen Erfassung der vom Relativdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran 23. Dieser umfasst eine durch die metallische Messmembran 23 gebildete Elektrode und eine auf die der Messmembran 23 zugewandte Stirnseite der Füllung 29 aufgebrachte, insb. aufgesputterte, Gegenelektrode 31. Letztere ist über eine im Grundkörper 21 vorgesehene Durchführung 33 elektrisch isoliert gegenüber der Messmembran 23 und der Halbschale 25 kontaktierbar.
Erfindungsgemäß weist der Relativdrucksensor eine auf der Oberfläche der Gegenelektrode 31 und einem diese umgebenden Bereich der Stirnseite der Füllung 29 des Grundkörpers 1 aufgebrachte hydrophobe Beschichtung 35 auf, die auf die Oberfläche aufgebrachte, eine hydrophobe, vorzugsweise ein superhydrophobe, Oberflächenstruktur ausbildende anorganische Nanopartikel, insb. Titandioxid-Nanopartikel, Siliziumdioxid-Nanopartikel oder Aluminiumoxid- Nanopartikel, aufweist. Die Beschichtung 35 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Oberfläche der Gegenelektrode 31 und den gesamten in der Druckmesskammer 3 frei liegenden Bereich der Stirnseite der Füllung 29.
Vorzugsweise ist auch auf der Oberfläche der Innenseite der durch die metallische Messmembran 23 gebildeten Elektrode eine solche Beschichtung 37 vorgesehen. Diese Beschichtung 37 erstreckt sich über den die Druckmesskammer 3 überdeckenden Bereich der Messmembran 23 bis zu dem durch die Fügung 27 mit dem Grundkörper 21 verbundenen unbeschichteten Rand.
Auch bei dem in 2 dargestellten metallischen Relativdrucksensor werden Grundkörper 21 und Messmembran 23 getrennt voneinander gefertigt, und es wird die Gegenelektrode 31 auf die Stirnseite der Füllung 29 des Grundkörpers 21 aufgebracht, z.B. aufgesputtert.
Im Anschluss daran wird auch hier vorzugsweise ein Flüssigkeitsfilm einer die anorganischen Nanopartikel und ein organisches Lösungsmittel enthaltenden Flüssigkeit auf die oben beschriebene Weise auf die zu beschichtenden Oberflächen aufgebracht.
Da die beim Schweißen von Messmembran 23 und Grundkörper 21 auftretenden Temperaturen im Bereich der aufgebrachten Flüssigkeitsfilme in der Regel nicht ausreichend sind, um das Einbrennen der Nanopartikel zu bewirken, erfolgt das Einbrennen der Flüssigkeitsfilme bei dem in 2 dargestellten Relativdrucksensor vorzugsweise nach dem Fügen von Messmembran 23 und Grundkörper 21, indem der Relativdrucksensor insgesamt auf eine Temperatur im Bereiche von 200°C bis 300°C aufgeheizt wird. Dabei tritt auch hier das beim Einbrennen der anorganischen Nanopartikel verdampfende organische Lösungsmittel durch die Referenzdruckzufuhr 9 aus dem Relativdrucksensor aus, wobei der Austritt auch hier durch Anlegen eines Vakuums zusätzlich unterstützt und beschleunigt werden kann.
Die Ausführung des Einbrennens nach der Fügung von Messmembran 23 und Grundkörper 21 bietet den Vorteil, dass dadurch ggfs. durch das Schweißen verursachte lokale Verspannungen der Messmembran 23 gelöst werden.
Bezugszeichenliste

1: Grundkörper
3: Druckmesskammer
5: Messmembran
7: Fügung
9: Referenzdruckzufuhr
11: Elektrode
13: Gegenelektrode
15: Kontaktstift
17: Beschichtung
19: Beschichtung
21: Grundkörper
23: Messmembran
25: Halbschale
27: Fügung
29: Füllung
31: Gegenelektrode
33: Durchführung
35: Beschichtung
37: Beschichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1061311 A1 [0007]
DE 10163567 A1 [0008]
EP 0490807 A2 [0023]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikels: “Fabrication and Characterization of a Hydrophobic Nano-TiO2-Coatings for Corrosion Resistance Material“ von Chang-Jiang Lin und Guang-Xia Shen [0035]

Claims

Kapazitiver Relativdrucksensor, mit – einem Grundkörper (1, 21), – einer von außen mit einem zu messenden Druck (p) beaufschlagbaren Messmembran (5, 23), deren äußerer dem Grundkörper (1, 21) zugewandter Rand mittels einer Fügung (7, 27) mit einem äußeren Rand einer der Messmembran (5, 23) zugewandten Stirnseite des Grundkörper (1, 21) druckdicht verbunden ist, – einer unter der Messmembran (5, 23) eingeschlossenen Druckmesskammer (3), der über eine durch den Grundkörper (1, 21) hindurch verlaufende Referenzdruckzufuhr (9) ein Referenzdruck (p_ref) zuführbar ist, – einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom zu messenden Druck (p) abhängigen Auslenkung der Messmembran (5, 23), mit einer auf einer dem Grundkörper (1, 21) zugewandten Seite der Messmembran (5, 23) angeordneten oder durch die Messmembran (5, 23) gebildeten Elektrode (11) und einer auf einer der Messmembran (5, 23) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (1, 21) angeordneten Gegenelektrode (13, 31), und – einer auf einer Oberfläche der Gegenelektrode (13, 31) und eines die Gegenelektrode (13, 31) umgebenden Bereichs der Stirnseite des Grundkörpers (1, 21) aufgebrachte hydrophoben Beschichtung (17, 35), dadurch gekennzeichnet, dass – die Beschichtung (17, 35) auf die Oberfläche aufgebrachte, eine hydrophobe, insb. eine superhydrophobe, Oberflächenstruktur ausbildende anorganische Nanopartikel, insb. Titandioxid-Nanopartikel, Siliziumdioxid-Nanopartikel oder Aluminiumoxid-Nanopartikel, aufweist.
Relativdrucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Elektrode (11) eine hydrophobe Beschichtung (19) vorgesehen ist, die auf die Elektrode (11) aufgebrachte, eine hydrophobe, insb. eine superhydrophobe, Oberflächenstruktur ausbildende anorganische Nanopartikel, insb. Titandioxid-Nanopartikel, Siliziumdioxid-Nanopartikel oder Aluminiumoxid-Nanopartikel, aufweist.
Relativdrucksensor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Grundkörper (1) und die Messmembran (5) aus Keramik bestehen, und – die Fügung (7) eine Aktivhartlötung, insb. eine mit einem eine Zr-Ni- Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot ausgeführte Aktivhartlötung, ist.
Relativdrucksensor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messmembran (23) eine die Elektrode bildende metallische Messmembran ist, und – der Grundkörper (21) eine metallische Halbschale (25) umfasst, in der eine Füllung (29) aus einem Isolator vorgesehen ist, auf der die Gegenelektrode (31) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Relativdrucksensors gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – Grundkörper (1) und Messmembran (5) gefertigt werden, – die Elektrode (11) auf die Messmembran (5) und die Gegenelektrode (13) auf den Grundkörper (1) aufgebracht, insb. aufgesputtert, werden, – auf die Gegenelektrode (13) und den diese umgebenden Bereich der Stirnseite des Grundkörpers (1) oder auf die Gegenelektrode (13), den diese umgebenden Bereich der Stirnseite des Grundkörpers (1) und die Elektrode (11) eine die anorganischen Nanopartikel und ein organisches Lösungsmittel enthaltende Flüssigkeit aufgebracht wird, – Grundkörper (1) und Messmembran (5) miteinander gefügt werden, und – ein Einbrennen der aufgebrachten anorganischen Nanopartikel durch beim Fügen von Grundkörper (1) und Messmembran (5) auftretende Temperaturen bewirkt wird.
Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Relativdrucksensors gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – Grundkörper (21) und Messmembran (23) gefertigt werden, – die Gegenelektrode (31) auf die Füllung (29) aufgebracht, insb. aufgesputtert, wird, – auf die Gegenelektrode (31) und den diese umgebenden Bereich der Stirnseite der Füllung (29) des Grundkörpers (21) oder auf die Gegenelektrode (31), den diese umgebenden Bereich der Stirnseite der Füllung (29) des Grundkörpers (21) und die Elektrode eine die anorganischen Nanopartikel und ein organisches Lösungsmittel enthaltende Flüssigkeit aufgebracht wird, – Grundkörper (21) und Messmembran (23) miteinander gefügt, insb. verschweißt, werden, und – die anorganischen Nanopartikel nach dem Fügen von Grundkörper (21) und Messmembran (23) bei einer Temperatur oberhalb von 200°C, insb. einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 300°C, eingebrannt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine Dispersion, insb. ein Sol, ist, die auf die zu beschichtenden Oberflächen aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, 6, oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel beim Einbrennen der anorganischen Nanopartikel verdampft, und durch die Referenzdruckzufuhr (9) aus dem Relativdrucksensor austritt, insb. unterstützt durch Anlegen eines Vakuums austritt.