DE102014119111A1

DE102014119111A1 - Pressure measuring cell

Info

Publication number: DE102014119111A1
Application number: DE102014119111.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rossberg; Elke Schmidt; Andrea Berlinger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-02-25
Also published as: WO2016026541A1

Abstract

Es ist eine Druckmesszelle (3) mit einem Grundkörper (7), und einer auf dem Grundkörper (7) unter Einschluss einer Druckmesskammer (9) angeordneten, von außen mit einem zu messenden Druck (p) beaufschlagbaren, keramischen Messmembran (11) beschrieben, die ohne den Einsatz von Dichtungen in ein metallisches Gehäuse (1, 39) oder einen metallischen Gehäuseabschnitt (53) einsetzbar ist, indem der Grundkörper (7) aus Metall besteht, und Grundkörper (7) und Messmembran (11) miteinander über einen die Druckmesskammer (9) außenseitlich umschließenden Anpassungskörper (15) verbunden sind, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist, der entlang des Anpassungskörpers (15) in vom Grundkörper (7) zur Messmembran (11) verlaufender Richtung von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (αM) des Grundkörpers (7) entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (αK) der Messmembran (11) entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten abfällt.It is a pressure measuring cell (3) with a base body (7), and arranged on the base body (7) including a pressure measuring chamber (9), externally acted upon by a pressure to be measured (p), ceramic measuring membrane (11) described can be used without the use of seals in a metallic housing (1, 39) or a metallic housing portion (53) by the base body (7) consists of metal, and base body (7) and measuring diaphragm (11) with each other via a pressure measuring chamber (9) are connected on the outside surrounding fitting body (15) having a coefficient of thermal expansion along the fitting body (15) in the base body (7) to the measuring membrane (11) extending direction of a thermal expansion coefficient (αM) of the base body (7 ) corresponding expansion coefficients to a thermal expansion coefficient (αK) of the measuring diaphragm (11) corresponding expansion coefficient drops.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckmesszelle mit einem Grundkörper und einer auf dem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordneten, von außen mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren, keramischen Messmembran.The present invention relates to a pressure measuring cell with a base body and arranged on the base body with inclusion of a pressure measuring chamber, externally acted upon by a pressure to be measured, ceramic measuring membrane.

Druckmesszellen finden weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik.Pressure measuring cells are widely used in almost all areas of industrial metrology.

Dort werden unter Anderem keramische Druckmesszellen eingesetzt. Ein Beispiel einer keramischen Druckmesszelle ist in der EP 0 995 979 A1 beschrieben. Diese umfasst:

– einen keramischen Grundkörper, und
– eine auf dem keramischen Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordnete, von außen mit einem zu messenden Druck beaufschlagbare, keramische Messmembran.

There, among other ceramic pressure cells are used. An example of a ceramic pressure measuring cell is in EP 0 995 979 A1 described. This includes:

- A ceramic body, and
- One on the ceramic base body including a pressure measuring chamber arranged, externally acted upon by a pressure to be measured, ceramic measuring membrane.

Keramische Druckmesszellen bieten den Vorteil, dass die keramische Messmembran unmittelbar dem Medium ausgesetzt werden kann, dessen Druck gemessen werden soll. Keramik weist insoweit für die Anwendung in der Druckmesstechnik besonders vorteilhafte chemische und mechanische Eigenschaften auf. Druckmittler, die den zu messenden Druck mittels einer Druck übertragenden Flüssigkeit auf die Druckmesszelle übertragen, sind somit nicht erforderlich.Ceramic pressure cells offer the advantage that the ceramic measuring membrane can be exposed directly to the medium whose pressure is to be measured. In this respect, ceramic has particularly advantageous chemical and mechanical properties for use in pressure measurement technology. Diaphragm seals, which transmit the pressure to be measured by means of a pressure-transmitting liquid to the pressure measuring cell, are therefore not required.

Keramische Druckmesszellen müssen jedoch am Einsatzort montiert werden. Hierzu werden sie regelmäßig in ein mit einem Prozessanschluss ausgestattetes metallisches Gehäuse eingesetzt, das eine die Messmembran frei gebende Öffnung aufweist. Im Gehäuse wird ein äußerer Rand der Druckmesszelle in axialer Richtung – also parallel zu einer Flächennormale auf die Messmembran – unter Zwischenfügung einer Dichtung eingespannt. Die Dichtung dient dazu, den Innenraum des Gehäuses gegenüber der Umgebung abzudichten. Hierzu werden Elastomere, wie z.B. Acrylnitril-Butadien-Kautschuk oder Acrylat-Kautschuk, eingesetzt.However, ceramic pressure cells must be mounted on site. For this purpose, they are regularly inserted into a metallic housing equipped with a process connection, which has an opening which releases the measuring diaphragm. In the housing, an outer edge of the pressure measuring cell in the axial direction - ie parallel to a surface normal to the measuring diaphragm - clamped with the interposition of a seal. The seal serves to seal the interior of the housing from the environment. Elastomers, e.g. Acrylonitrile butadiene rubber or acrylate rubber used.

Organische Dichtungen weisen jedoch eine deutlich geringere chemische Beständigkeit auf als keramische Druckmesszellen und müssen am Ende ihrer Lebensdauer ausgetauscht werden. Durch einen Austausch der Dichtung können sich die Einspannungsverhältnisse der Druckmesszelle im Gehäuse und damit ggfs. auch deren Messeigenschaften verändern.However, organic seals have a much lower chemical resistance than ceramic pressure cells and must be replaced at the end of their service life. By replacing the seal, the clamping conditions of the pressure measuring cell in the housing and thus possibly. Also change their measurement properties.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Druckmesszelle mit einer keramischen Messmembran anzugeben, die ohne den Einsatz von Dichtungen in ein metallisches Gehäuse einsetzbar ist.It is an object of the invention to provide a pressure measuring cell with a ceramic measuring membrane, which can be used without the use of seals in a metallic housing.

Hierzu umfasst die Erfindung eine Druckmesszelle, mit

– einem Grundkörper, und
– einer auf dem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordneten, von außen mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren, keramischen Messmembran,

die sich dadurch auszeichnet, dass

– der Grundkörper aus Metall besteht, und
– Grundkörper und Messmembran miteinander über einen die Druckmesskammer außenseitlich umschließenden Anpassungskörper verbunden sind, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist, der entlang des Anpassungskörpers in vom Grundkörper zur Messmembran verlaufender Richtung von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten abfällt.

For this purpose, the invention comprises a pressure measuring cell, with

- a basic body, and
A ceramic measuring membrane arranged on the base body with the inclusion of a pressure measuring chamber and externally loadable with a pressure to be measured,

which is characterized by the fact that

- The base body consists of metal, and
- The base body and measuring diaphragm are connected to each other via a pressure measuring chamber enclosing the outside fitting body having a coefficient of thermal expansion along the fitting body extending from the base body to the measuring diaphragm direction of a thermal expansion coefficient of the body corresponding expansion coefficient to a coefficient of thermal expansion of the diaphragm corresponding expansion coefficient drops.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Anpassungskörper durch eine erste Fügung, insb. eine Schweißung, insb. eine Elektronenstrahlschweißung oder eine Laserschweißung, mit dem Grundkörper und durch eine zweite Fügung mit einem äußeren Rand der Messmembran verbunden.According to one embodiment of the invention, the adaptation body is connected to the base body by a first joining, in particular a welding, in particular an electron beam welding or a laser welding, and to an outer edge of the measuring membrane by a second joint.

Eine erste Weiterbildung sieht vor, dass

– die zweite Fügung eine Aktivhartlötung, insb. eine mittels eines ternären, eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden, Aktivhartlots ausgeführte Aktivhartlötung ist, oder
– der Anpassungskörper ein aus Schichten aufgebauter Sinterkörper ist und die zweite Fügung eine durch Aufsintern, insb. durch Lasersintern, einer der Messmembran zugewandten äußersten Schicht des Anpassungskörpers auf der Messmembran gebildete Fügung ist.

A first further training provides that

The second joining is an active brazing, in particular an active brazing carried out by means of a ternary, Zr-Ni alloy and titanium, active brazing solder, or
- The matching body is a sintered body constructed of layers and the second joining is a joining formed by sintering, esp. By laser sintering, one of the measuring membrane facing outermost layer of the matching body on the measuring membrane.

Eine zweite Weiterbildung besteht darin, dass auf einer äußeren Mantelfläche des Anpassungskörpers eine Beschichtung aus einem korrosionsbeständigen Material, insb. aus Keramik oder aus Tantal, vorgesehen ist.A second development consists in that a coating of a corrosion-resistant material, in particular of ceramic or of tantalum, is provided on an outer circumferential surface of the adaptation body.

Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass ein kapazitiver elektromechanischer Wandler vorgesehen ist, der mindestens einen Kondensator umfasst,

– der eine elektrisch isoliert gegenüber dem Grundkörper auf einer der Messmembran zugewandten Stirnfläche des Grundkörpers, insb. einer Stirnfläche eines in Richtung der Messmembran vorstehenden, außenseitlich allseitig vom Anpassungskörper umgebenen und allseitig vom Anpassungskörper beabstandeten Absatzes, angeordnete, vom Anpassungskörper beabstandete Elektrode umfasst, und
– der eine auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran angeordnete Gegenelektrode umfasst.

A further embodiment is characterized in that a capacitive electromechanical transducer is provided which comprises at least one capacitor,

- An electrically isolated from the base body on one of the measuring membrane facing end face of the body, esp. An end face of a protruding in the direction of the measuring diaphragm, outside on all sides of Includes adaptation body surrounded and all sides of the fitting body spaced paragraph, arranged, spaced from the adjustment body electrode, and
- Which comprises a arranged on a side facing the base body side of the measuring membrane counter electrode.

Eine dritte Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltung sieht vor, dass

– eine durch den Grundkörper hindurch führende an die Elektrode angeschlossene elektrische Durchführung, insb. eine Glasdurchführung, vorgesehen ist, über die die Elektrode elektrisch anschließbar ist, und/oder
– eine elektrisch leitfähige Beschichtung vorgesehen ist, die sich von der Gegenelektrode über eine innere Mantelfläche des Anpassungskörpers bis zum Grundkörper erstreckt, so dass die Gegenelektrode über den Grundkörper elektrisch anschließbar ist.

A third development of the latter embodiment provides that

- Provided through the main body leading to the electrode electrical feedthrough, esp. A glass feedthrough, is provided, via which the electrode is electrically connected, and / or
- An electrically conductive coating is provided which extends from the counter electrode via an inner circumferential surface of the adapter body to the base body, so that the counter electrode is electrically connected via the base body.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass

– der Anpassungskörper aufeinander angeordnete Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung, insb. durch Lasersintern von metallische und/oder keramische Anteile enthaltenden Pulverschichten aufeinander aufgebrachte Schichten, aufweist, und
– die Schichten einen Keramikanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, und einen Metallanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, wobei
– der Keramikanteil in vom Grundkörper zur Messmembran hin verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht ansteigt, und
– der Metallanteil in vom Grundkörper zur Messmembran hin verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt.

A preferred embodiment provides that

- The matching body arranged on one another layers of different composition, esp. By laser sintering of metallic and / or ceramic parts containing powder layers deposited on each other layers, and
- The layers have a ceramic content that is greater than or equal to 0% and less than 100%, and have a metal content greater than or equal to 0% and less than 100%, wherein
- The proportion of ceramics increases in the running from the main body to the measuring diaphragm direction from layer to layer, and
- The metal content decreases in the running from the main body to the measuring diaphragm direction from layer to layer.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass

– der Anpassungskörper ein aus Schichten aufgebauter Anpassungskörper ist,
– eine Anzahl der Schichten größer gleich einer Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran geteilt durch 2 ppm/K, insbesondere größer gleich der Differenz geteilt durch 1 ppm/K, insb. größer gleich dem zweifachen der Differenz geteilt durch 1 ppm/K, ist.

A further preferred embodiment provides that

The adaptation body is a fitting body made up of layers,
A number of layers greater than or equal to a difference between the coefficient of thermal expansion of the body and the thermal expansion coefficient of the measuring membrane divided by 2 ppm / K, in particular greater than or equal to the difference divided by 1 ppm / K, in particular greater than or equal to twice the difference divided by 1 ppm / K.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass

– der Anpassungskörper ein aus Schichten aufgebauter Anpassungskörper ist, und
– die Schichten eine Schichtdicke von nicht weniger als 10 µm, insbesondere nicht weniger als 20 µm, insb. nicht weniger als 40 µm aufweisen, und von nicht mehr als 400 µm, insbesondere nicht mehr als 200 µm, insb. nicht mehr als 100 µm aufweisen.

A further preferred embodiment provides that

The fitting body is a fitting body made up of layers, and
- The layers have a layer thickness of not less than 10 .mu.m, in particular not less than 20 microns, esp. Not less than 40 microns, and of not more than 400 .mu.m, in particular not more than 200 .mu.m, esp. Not more than 100 microns exhibit.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass

– der Anpassungskörper in vom Grundkörper zur Messmembran verlaufender Richtung eine Höhe, und senkrecht dazu eine Breite aufweist, und
– ein Produkt aus einem Verhältnis von der Breite des Anpassungskörpers zur Höhe des Anpassungskörpers und dem Betrag der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Messmembran und Grundkörper kleiner als eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, wobei
– die Konstante kleiner als 0,1%/K, insbesondere kleiner als 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder
– die Konstante gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen Verformungsparameter und einer Temperaturdifferenz zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur, bei der die Druckmesszelle eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1% ist.

A further preferred embodiment provides that

The adaptation body has a height in the direction extending from the base body to the measuring diaphragm, and has a width perpendicular thereto, and
A product of a ratio of the width of the fitting body to the height of the fitting body and the amount of the difference between the thermal expansion coefficients of the measuring diaphragm and the base body is smaller than a constant with the dimension 1 / K, wherein
The constant is less than 0.1% / K, in particular less than 500 ppm / K, in particular less than 250 ppm / K, in particular less than 125 ppm / K, in particular less than 60 ppm / K, and / or
The constant is equal to a quotient of a dimensionless deformation parameter and a temperature difference between a maximum and a minimum temperature at which the pressure measuring cell is to be used, and the deformation parameter is less than 4%, in particular less than 2%, in particular less than 1% is.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass

– der Anpassungskörper ein aus aufeinander angeordneten Schichten aufgebauter Anpassungskörper ist,
– die einzelnen Schichten jeweils eine sich parallel zur Flächennormalen auf die Schicht erstreckende Schichtdicke und eine sich senkrecht zur Flächennormalen auf die Schicht erstreckende Breite aufweisen, und
– das Produkt aus dem Verhältnis der Breite der jeweiligen Schicht zu deren Schichtdicke und dem Betrag der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der an diese Schicht angrenzenden Schichten kleiner als eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, wobei
– die Konstante kleiner als 0,1%/K, insbesondere kleiner 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder
– die Konstante gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen Verformungsparameter und einer Temperaturdifferenz zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur, bei der die Druckmesszelle (3) eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1% ist.

A further preferred embodiment provides that

The adaptation body is a fitting body made up of layers arranged on one another,
- The individual layers each have a parallel to the surface normal to the layer extending layer thickness and perpendicular to the surface normal to the layer extending width, and
The product of the ratio of the width of the respective layer to its layer thickness and the amount of difference in the coefficients of thermal expansion of the layers adjacent to this layer is smaller than a constant of dimension 1 / K, wherein
The constant is less than 0.1% / K, in particular less than 500 ppm / K, in particular less than 250 ppm / K, in particular less than 125 ppm / K, in particular less than 60 ppm / K, and / or
The constant is equal to a quotient of a dimensionless deformation parameter and a temperature difference between a maximum and a minimum temperature at which the pressure measuring cell ( 3 ), and the deformation parameter is less than 4%, in particular less than 2%, in particular less than 1%.

Weiter umfasst die Erfindung eine erfindungsgemäße Druckmesszelle, die sich dadurch auszeichnet, dass der Anpassungskörper

– ein durch Sintern eines in einem Siebdruckverfahren hergestellten Rohlings hergestellter Sinterkörper ist, und
– aus aufeinander angeordneten Schichten, insb. Schichten mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von wenigen Mikrometern, besteht,
– die entweder einen in vom Grundkörper zur Messmembran verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht ansteigenden Keramikanteil und einen in vom Grundkörper zur Messmembran verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnehmenden Metallanteil aufweisen, oder
– die in aufeinander angeordneten Schichtfolgen aus aufeinander angeordneten, jeweils entweder ausschließlich aus Metall oder ausschließlich aus Keramik bestehenden Schichten aufeinander angeordnet sind, wobei eine Anzahl der in den einzelnen Schichtfolgenden enthaltenen, ausschließlich aus Keramik bestehenden Schichten und eine Anzahl der in den einzelnen Schichtfolgenden enthaltenen, ausschließlich aus Metall bestehenden Schichten derart vorgegeben ist, dass ein Keramikanteil der Schichtfolgen in vom Grundkörper zur Messmembran verlaufender Richtung von Schichtfolge zu Schichtfolge ansteigt und ein Metallanteil der Schichtfolgen in vom Grundkörper zur Messmembran verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt.

Furthermore, the invention comprises a pressure measuring cell according to the invention, which is characterized in that the adaptation body

A sintered body produced by sintering a blank produced in a screen printing process, and
Consisting of layers arranged on one another, in particular layers having a layer thickness of the order of a few micrometers,
Have either a rising from layer to layer in the base body to the measuring membrane direction of ceramic component and a running in the base body to the measuring membrane direction from layer to layer decreasing metal content, or
Arranged in successive layer sequences of mutually superimposed layers, each consisting either exclusively of metal or exclusively of ceramic, a number of the layers consisting exclusively of ceramic and a number of layers contained in the individual layer sequences, consisting exclusively of metal layers is specified such that a ceramic portion of the layer sequences in the running from the body to the measuring diaphragm direction increases from layer sequence to layer sequence and decreases a metal portion of the layer sequences in running from the base body to the measuring membrane direction from layer to layer.

Eine Weiterbildung der letztgenannten Druckmesszelle sieht vor, dass

– der Anpassungskörper durch eine erste Fügung mit dem Grundkörper und durch eine zweite Fügung mit einem äußeren Rand der Messmembran verbunden ist, wobei
– die erste und die zweite Fügung insb. durch das Sintern des zwischen dem Grundkörper und der Messmembran angeordneten Rohlings erzeugte Fügungen sind.

A development of the latter pressure measuring cell provides that

- The adjustment body is connected by a first joint with the base body and by a second joint with an outer edge of the measuring membrane, wherein
The first and the second joint are in particular produced by the sintering of the blank arranged between the main body and the measuring diaphragm.

Weiter umfasst die Erfindung eine Differenzdruckmesszelle mit einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle, die sich dadurch auszeichnet, dass

– auf einer von der Messmembran abgewandten Rückseite der Druckmesszelle eine zweite Druckmesszelle, insb. eine identisch ausgebildete zweite Druckmesszelle, derart angeordnet ist, dass die Messmembranen der beiden Druckmesszellen nach außen weisen, und
– die Druckmesskammern der beiden Druckmesszellen über eine Druckübertragungsleitung miteinander verbunden sind.

Furthermore, the invention comprises a differential pressure measuring cell with a pressure measuring cell according to the invention, which is characterized in that

A second pressure measuring cell, in particular an identically designed second pressure measuring cell, is arranged on a rear side of the pressure measuring cell facing away from the measuring diaphragm in such a way that the measuring diaphragms of the two pressure measuring cells face outwards, and
- The pressure measuring chambers of the two pressure measuring cells are connected to each other via a pressure transmission line.

Weiter umfasst die Erfindung eine erfindungsgemäße Differenzdruckmesszelle mit zwei Druckmesszellen gemäß der dritten Weiterbildung, die sich dadurch auszeichnet, dass auf der von der Messmembran abgewandten Rückseite jeder Druckmesszelle jeweils eine an die durch den jeweiligen Grundkörper hindurch verlaufende Durchführung anschließende weiterführende Durchführung vorgesehen ist, die seitlich aus der Differenzdruckmesszelle heraus führt.Furthermore, the invention comprises a differential pressure measuring cell according to the invention with two pressure measuring cells according to the third development, which is characterized in that on the side facing away from the measuring membrane back of each pressure measuring cell is provided in each case to the further through passage extending through the respective body through, the laterally out the differential pressure cell out.

Eine Weiterbildung der beiden erfindungsgemäßen Differenzdruckmesszellen sieht vor, dass

– auf den von der jeweiligen Messmembran abgewandten Rückseiten der Grundkörper jeweils eine Isolationsschicht, insb. eine Glasschicht, vorgesehen ist,
– auf den vom jeweiligen Grundkörper abgewandten Oberflächen der Isolationsschichten jeweils eine Leiterbahn, insb. entlang der Oberfläche von einem Kontaktstift der Durchführung zu einer äußeren Mantelfläche der Differenzdruckmesszelle verlaufende Leiterbahn, vorgesehen ist, und
– zwischen den beiden Leiterbahnen eine weitere, die beiden Leiterbahnen elektrisch gegeneinander isolierende Isolationsschicht, insb. eine die beiden Druckmesszellen mechanisch miteinander verbindende Isolationsschicht, vorgesehen ist.

A development of the two differential pressure measuring cells according to the invention provides that

An insulating layer, in particular a glass layer, is provided on each of the back sides of the base body facing away from the respective measuring membrane,
- On the side facing away from the respective base body surfaces of the insulating layers in each case a conductor track, esp. Along the surface of a contact pin of the implementation to an outer surface of the differential pressure measuring cell extending conductor track, is provided, and
- Between the two interconnects another, the two interconnects electrically against each other insulating insulating layer, esp. A the two pressure measuring cells mechanically interconnecting insulation layer is provided.

Des Weiteren umfasst die Erfindung einen Drucksensor mit einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle, die sich dadurch auszeichnet, dass

– der Grundkörper in eine Ausnehmung eines Gehäuses oder eines Gehäuseabschnitts, insb. eines mit einem Prozessanschluss ausgestatteten Gehäuses oder Gehäuseabschnitts eingesetzt, insb. eingeschweißt, ist, oder
– der Grundkörper und ein den Grundkörper enthaltender Gehäuseabschnitt, insb. ein mit einem Prozessanschluss ausgestatteter Gehäuseabschnitt, als einteiliges Bauelement ausgebildet sind.

Furthermore, the invention comprises a pressure sensor with a pressure measuring cell according to the invention, which is characterized in that

- The base body in a recess of a housing or a housing portion, esp. Of a equipped with a process connection housing or housing portion, esp., Is welded, is, or
- The base body and a body containing the housing portion, esp. A housing equipped with a process connection housing portion are formed as a one-piece component.

Die erfindungsgemäße Verbindung von Grundkörper und Messmembran über den Anpassungskörper ermöglicht es, die keramische Messmembran auf einem Grundkörper aus Metall anzuordnen. Dabei werden die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundkörper und Messmembran über den Anpassungskörper schrittweise ineinander überführt. Hierdurch werden durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Grundkörper und Messmembran bedingte temperaturabhängige Spannungen betragsmäßig deutlich reduziert und in den Anpassungskörper hinein verlagert, über dessen gesamte Höhe verteilt sie dann schrittweise aufgenommen werden.The connection according to the invention of the base body and the measuring diaphragm via the adaptation body makes it possible to arrange the ceramic measuring diaphragm on a metal base body. The different coefficients of thermal expansion of the base body and the measuring diaphragm are gradually transferred into one another via the adapter body. As a result, due to the different coefficients of expansion of the base body and the measuring diaphragm, temperature-dependent voltages are significantly reduced in magnitude and displaced into the fitting body, distributed over the entire height and then absorbed step by step.

Da Grundkörper und Messmembran jeweils an eine Stirnseite des Anpassungskörpers angrenzen, die einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des jeweiligen Bauteils entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, verbinden die Fügungen zwischen Anpassungskörper und Grundkörper, sowie zwischen Anpassungskörper und Messmembran jeweils Grenzflächen mit gleichem oder zumindest sehr ähnlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Dementsprechend sind die Fügungen nur sehr geringen temperaturabhängigen Belastungen ausgesetzt.Since the base body and measuring diaphragm each adjoin an end face of the adaptation body, which has a coefficient of thermal expansion of the respective component thermal expansion coefficient, connect the joints between matching body and body, as well as between matching body and measuring membrane each boundary surfaces with the same or at least very similar thermal Expansion coefficient. Accordingly, the joints are exposed to only very small temperature-dependent loads.

Die erfindungsgemäßen Drucksensoren bieten den Vorteil, dass Gehäuse und Grundkörper aus Metall bestehen und somit unmittelbar, d.h. ohne Zwischenfügung von Dichtungen, mit einander verbunden, insb. verschweißt, werden können.The pressure sensors according to the invention offer the advantage that the housing and base body are made of metal and thus directly, i. without the interposition of seals, connected to each other, especially welded, can be.

Darüber hinaus weisen Grundkörper und Gehäuse vergleichbare, vorzugsweise sogar identische thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Das bietet den Vorteil, dass sich zwischen Grundkörper und Gehäuse keine temperaturabhängigen Spannungen ausbilden, die sich auf die Messmembran und damit auf die Messgenauigkeit auswirken könnten.In addition, base body and housing have comparable, preferably even identical thermal expansion coefficients. This offers the advantage that no temperature-dependent voltages form between the base body and the housing, which could affect the measuring diaphragm and thus the measuring accuracy.

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.The invention and its advantages will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, in which two embodiments are shown. Identical elements are provided in the figures with the same reference numerals.

1 zeigt: einen Drucksensor mit einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle; und 1 shows: a pressure sensor with a pressure measuring cell according to the invention; and

2 zeigt: einen Drucksensor mit einer erfindungsgemäßen Differenzdruckmesszelle. 2 shows: a pressure sensor with a differential pressure measuring cell according to the invention.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors mit einer in ein Gehäuse 1 eingesetzten erfindungsgemäßen Druckmesszelle 3. Das Gehäuse 1 besteht aus einem Metall, z.B. einem Edelstahl, und weist vorzugweise einen Prozessanschluss 5 auf, über den der Drucksensor am Einsatzort auf einem hierzu komplementären Gegenstück montiert werden kann. Der Prozessanschluss 5 ist z.B. – wie hier dargestellt – ein Flansch, mit dem der Drucksensor auf einen entsprechenden Gegenflansch am Einsatzort montiert werden kann. Alternativ können auch andere in der industriellen Messtechnik verwendete Prozessanschlussvarianten, wie z.B. Außengewinde oder Milchrohrverschraubungen, eingesetzt werden. 1 shows an embodiment of a pressure sensor according to the invention with a in a housing 1 used pressure measuring cell according to the invention 3 , The housing 1 consists of a metal, eg a stainless steel, and preferably has a process connection 5 via which the pressure sensor can be mounted at the site on a counterpart complementary thereto. The process connection 5 is for example - as shown here - a flange with which the pressure sensor can be mounted on a corresponding counter flange at the place of use. Alternatively, other process connection variants used in industrial metrology, such as external threads or milk pipe fittings, can be used.

Die Druckmesszelle 3 umfasst einen metallischen Grundkörper 7 und eine auf dem Grundkörper 7 unter Einschluss einer Druckmesskammer 9 angeordnete keramische Messmembran 11.The pressure measuring cell 3 comprises a metallic base body 7 and one on the main body 7 including a pressure measuring chamber 9 arranged ceramic measuring membrane 11 ,

Der Grundkörper 7 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie das Gehäuse 1, in das die Druckmesszelle 3 eingesetzt werden soll. Der metallische Grundkörper 7 bietet den Vorteil, dass er unmittelbar, ohne Zwischenfügung von Dichtungen, mit dem Gehäuse 1 verbunden werden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 7 hierzu in einer formgleichen Ausnehmung im Gehäuse 1 angeordnet, und über eine – hier durch ein Dreieck symbolisierte – Schweißung mit dem Gehäuse 1 verbunden.The main body 7 is preferably made of the same metal as the housing 1 into which the pressure measuring cell 3 should be used. The metallic base body 7 offers the advantage that it directly, without interposition of seals, with the housing 1 can be connected. In the illustrated embodiment, the main body 7 for this purpose in a similar shape recess in the housing 1 arranged, and via a - symbolized here by a triangle - welding with the housing 1 connected.

Alternativ können der Grundkörper 7 und zumindest ein den Grundkörper 7 enthaltender Gehäuseabschnitt des Gehäuses 1 als einteiliges Bauteil ausgebildet sein.Alternatively, the main body 7 and at least one of the main body 7 containing housing portion of the housing 1 be formed as a one-piece component.

Grundkörper 7 und Gehäuse 1 weisen zumindest sehr ähnliche, vorzugweise identische, thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Das bietet den Vorteil, dass im Übergangsbereich von Gehäuse 1 und Grundkörper 7 keine temperaturabhängigen Spannungen auftreten, die sich nachteilig auf die Druckmesszelle 3, insb. deren Messgenauigkeit, auswirken könnten.body 7 and housing 1 have at least very similar, preferably identical, thermal expansion coefficients. This offers the advantage that in the transition region of housing 1 and basic body 7 No temperature-dependent voltages occur that adversely affect the pressure cell 3 , in particular their accuracy could affect.

Die Messmembran 11 besteht zum Beispiel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃). Alternativ kann sie auch aus einem anderen keramischen Werkstoff, wie z.B. Siliziumcarbid-Keramik (SiC) oder Spinell bestehen.The measuring membrane 11 consists, for example, of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ). Alternatively, it may also consist of another ceramic material, such as silicon carbide ceramic (SiC) or spinel.

Im Messbetrieb wird die vom Grundkörper 7 abgewandte Seite der Messmembran 11 von außen mit einem zu messenden Druck p beaufschlagt, der eine vom zu messenden Druck p abhängige Durchbiegung der Messmembran 11 bewirkt.In measuring mode, that of the main body 7 opposite side of the measuring diaphragm 11 from the outside with a pressure to be measured p applied, the one dependent on the pressure to be measured p deflection of the measuring diaphragm 11 causes.

Die in 1 dargestellte Druckmesszelle 3 ist als Relativdruckmesszelle ausgebildet. Hierzu ist im Grundkörper 7 eine durch den Grundkörper 7 hindurch verlaufende in der Druckmesskammer 9 mündende Bohrung 13 vorgesehen, über die der Druckmesskammer 9 ein Referenzdruck p_ref, z.B. der Atmosphärendruck, auf den der zu messende Druck bezogen werden soll, zugeführt wird. Alternativ kann die Druckmesszelle als Absolutdruckmesszelle ausgebildet sein. In dem Fall entfällt die Bohrung 13, und die unter der Messmembran 11 eingeschlossene Druckmesskammer 9 ist evakuiert.In the 1 illustrated pressure cell 3 is designed as a relative pressure measuring cell. This is in the main body 7 one through the main body 7 passing through in the pressure measuring chamber 9 opening hole 13 provided, via the pressure measuring chamber 9 a reference pressure p _ref , for example, the atmospheric pressure to which the pressure to be measured is to be supplied, is supplied. Alternatively, the pressure measuring cell can be designed as an absolute pressure measuring cell. In that case, the bore is eliminated 13 , and under the diaphragm 11 enclosed pressure measuring chamber 9 is evacuated.

Der metallische Grundkörper 7 ist mit der keramischen Messmembran 11 über einen die Druckmesskammer 9 außenseitlich umschließenden Anpassungskörper 15 verbunden. Der Anpassungskörper 15 ist hierzu vorzugsweise als zu einem Ring, insb. zu einem kreisförmigen Ring, geschlossener Steg ausgebildet.The metallic base body 7 is with the ceramic measuring membrane 11 via a pressure measuring chamber 9 on the outside enclosing fitting body 15 connected. The adaptation body 15 For this purpose is preferably designed as a ring, esp. To a circular ring, closed web.

Der Anpassungskörper 15 weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der entlang des Anpassungskörpers 15 in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 11 verlaufender Richtung von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M des Grundkörpers 7 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten auf einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_K der Messmembran 11 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt.The adaptation body 15 has a thermal expansion coefficient along the fitting body 15 in from the main body 7 to the measuring membrane 11 extending direction of a thermal expansion coefficient α _{M of} the body 7 corresponding coefficients of expansion to a the thermal expansion coefficient α _{K of} the measuring diaphragm 11 corresponding expansion coefficient decreases.

Der Anpassungskörper 15 besteht hierzu vorzugsweise aus einer Anzahl N aufeinander angeordneten Schichten S_i unterschiedlicher Zusammensetzung. Die einzelnen Schichten S_i verlaufen parallel zueinander und parallel zur Messmembran 11. Die Zusammensetzung der einzelnen Schichten S_i wird derart vorgegeben, dass die an den Grundkörper 7 angrenzende äußerste Schicht S₁ einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_S1 aufweist, der dem Ausdehnungskoeffizienten α_M des Grundkörpers 7 entspricht, und ausgehend von dieser äußersten Schicht S₁ von Schicht zu Schicht schrittweise derart auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_K der Messmembran 11 abfällt, dass die an die Messmembran 11 angrenzende äußerste Schicht S_N einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_SN aufweist, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_K der Messmembran 11 entspricht. The adaptation body 15 For this purpose, it preferably consists of a number N of layers S _{i of} different composition arranged on one another. The individual layers S _i run parallel to one another and parallel to the measuring membrane 11 , The composition of the individual layers S _i is predetermined such that the to the main body 7 adjacent outermost layer S _{1 has} a thermal expansion coefficient α _S1 , the expansion coefficient α _{M of} the body 7 corresponds, and starting from this outermost layer S ₁ from layer to layer gradually in such a way to the thermal expansion coefficient α _{K of} the measuring membrane 11 drops that to the measuring diaphragm 11 adjacent outermost layer S _{N has} a thermal expansion coefficient α _SN , the thermal expansion coefficient α _{K of} the measuring membrane 11 equivalent.

Hierzu weisen die Schichten S_i jeweils einen Keramikanteil auf, der größer gleich 0% und kleiner gleich 100 % ist, und einen Metallanteil auf, der größer gleich 0% und kleiner gleich 100 % ist. Die Anteile sind vorzugsweise derart vorgegeben, dass der Keramikanteil der Schichten S_i in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 11 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht ansteigt, während der Metallanteil der Schichten S_i in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 11 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt. Ordnet man der dem Grundkörper 7 zugewandten äußersten Schicht S₁ des Anpassungskörpers 15 die Koordinate z = 0, und der der Messmembran 11 zugewandten äußersten Schichte S_N die Koordinate z = h zu, wobei h gleich der Höhe des Anpassungskörpers 15 ist, beträgt der Keramikanteil einer Schicht S_i mit der mittleren axialen Koordinate z beispielsweise 100% × (z/h) und der Metallanteil dieser Schicht S_i beträgt 100% × (1 – z/h).For this purpose, the layers S _i each have a ceramic fraction which is greater than or equal to 0% and less than or equal to 100%, and a metal fraction which is greater than or equal to 0% and less than or equal to 100%. The proportions are preferably predetermined such that the ceramic component of the layers S _i in of the main body 7 to the measuring membrane 11 extending direction increases from layer to layer, while the metal content of the layers S _i in from the main body 7 to the measuring membrane 11 extending direction decreases from layer to layer. If one assigns to the main body 7 facing outermost layer S _{1 of} the fitting body 15 the coordinate z = 0, and that of the measuring membrane 11 facing outermost layer S _N the coordinate z = h to, where h is equal to the height of the adaptation body 15 is, the ceramic content of a layer S _i having the central axial coordinate z is, for example, 100% × (z / h) and the metal content of this layer S _i is 100% × (1-z / h).

Vorzugsweise ist der Anpassungskörper 15 ein Sinterkörper, dessen Schichten S_i zum Beispiel durch Lasersintern von Pulverschichten entsprechender von Schicht zu Schicht unterschiedlicher Zusammensetzung erzeugt werden. Hierzu kann zum Beispiel das in der IMW-Industriemitteilung Nr. 29 (2004) von Trenke mit dem Titel „Selektives Lasersintern von metallisch/keramischen Schichtstrukturen“ beschriebene Laser-Sinterverfahren eingesetzt werden.Preferably, the adjustment body 15 a sintered body whose layers S _{i are produced,} for example, by laser sintering of powder layers corresponding from layer to layer of different composition. For this purpose, for example, in the IMW Industrial Communication No. 29 (2004) by Trenke entitled "Selective Laser Sintering of Metallic / Ceramic Layer Structures" described laser sintering method can be used.

Die Komponenten können hierzu in Form von mikroskaligen Granulaten bereitgestellt werden, deren Korngröße vorzugsweise nicht mehr als 20 µm und besonders bevorzugt nicht mehr als 10 µm beträgt.For this purpose, the components can be provided in the form of microscale granules whose grain size is preferably not more than 20 .mu.m and more preferably not more than 10 .mu.m.

Zum Präparieren einer Schicht wird die koordinaten-abhängige Mischung der Granulate auf die bereits verfestigten Schichten aufgetragen und durch Lasersintern verfestigt. Die gewünschte Zusammensetzung der jeweiligen Schicht S_i kann dadurch erzeugt werden, dass eine Metallpulver und Keramikpulver im gewünschten Mischungsverhältnis in durchmischter Form enthaltende Pulverschicht aufgebracht und durch Lasersintern verfestigt wird. Alternativ kann die Zusammensetzung dadurch erzielt werden, dass die entsprechende Menge Metallpulver und die entsprechende Menge Keramikpulver jeweils als Pulverschicht entsprechender Dicke aufeinander aufgebracht werden, und die beiden Pulverschichten durch Lasersintern durchmischt und verfestigt werden.To prepare a layer, the coordinate-dependent mixture of the granules is applied to the already solidified layers and solidified by laser sintering. The desired composition of the respective layer S _i can be produced by applying a metal powder and ceramic powder in the desired mixing ratio in powder-form containing mixed-through form and solidifying it by laser sintering. Alternatively, the composition can be achieved by applying the appropriate amount of metal powder and the corresponding amount of ceramic powder in each case as a powder layer of appropriate thickness, and the two powder layers are mixed and solidified by laser sintering.

Ggf. kann der Sinterkörper nach erfolgter Präparation unter Druck bei hoher Temperatur gehalten werden, um das Gefüge zu verdichten.Possibly. After sintering, the sintered body can be kept under high pressure under pressure to densify the structure.

Die Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_Si, α_Si+1 aneinander angrenzender Schichten S_i, S_i+1 des Anpassungskörpers 15 sind umso geringer, je größer die Anzahl N der Schichten S ist. Je geringer diese Unterschiede sind, umso geringer sind auch die sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausbildenden temperarturabhängigen Spannungen. Die Anzahl N der Schichten wird daher in Abhängigkeit von der Differenz ∆α = α_M – α_K der über den Anpassungskörper 15 schrittweise aneinander anzupassenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M, α_K von Grundkörper 7 und Messmembran 11 vorzugsweise derart vorgegeben, das die Anzahl N nicht weniger als (Δα)/(2 ppm/K), insbesondere nicht weniger als (Δα)/(1 ppm/K) und bevorzugt nicht weniger als (2Δα)/(1 ppm/K) beträgt.The differences of the thermal expansion coefficients α _Si , α _{Si + 1 of} adjacent layers S _i , S _{i + 1 of} the matching body 15 are the smaller, the larger the number N of the layers S is. The smaller these differences are, the lower are the temperature-dependent voltages that form due to the different thermal expansion coefficients. The number N of layers is therefore dependent on the difference Δα = α _M - α _K via the adaptation body 15 Gradually adapted to each other thermal expansion coefficient α _M , α _K of body 7 and measuring membrane 11 preferably set such that the number N is not less than (Δα) / (2 ppm / K), particularly not less than (Δα) / (1 ppm / K) and preferably not less than (2Δα) / (1 ppm / K ) is.

Der Anpassungskörper 15 weist im Querschnitt in einer parallel zur Flächennormalen auf die Schichten S_i vom Grundkörper 7 zur Messmembran 11 verlaufenden Richtung eine Höhe h und in einer senkrecht zur Flächennormalen auf die Schichten S_i verlaufenden Richtung eine Breite d auf. Diese Abmessungen des Anpassungskörpers 15 werden vorzugsweise derart vorgegeben, dass das Produkt aus dem Verhältnis von dessen Breite d zu dessen Höhe h und dem Betrag der Differenz ∆α der thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_K, α_M von Grundkörper 7 und Messmembran 11, kleiner als eine vorgegebene Konstante ξ mit der Dimension 1/K ist, für die gilt: ξ < 0,1%/K, insbesondere < 500 ppm/K, vorzugsweise < 250 ppm/K, weiter bevorzugt < 125 ppm/K und besonders bevorzugt < 60 ppm/K: d / h·|Δα| < ξ, The adaptation body 15 has in cross section in a parallel to the surface normal to the layers S _i from the main body 7 to the measuring membrane 11 extending direction a height h and in a direction perpendicular to the surface normal to the layers S _i extending direction on a width d. These dimensions of the fitting body 15 are preferably set in such a way that the product of the ratio of its width d to the height h and the amount of the difference Δα of the thermal expansion coefficient α _K , α _M of main body 7 and measuring membrane 11 is smaller than a predetermined constant ξ with the dimension 1 / K, for which applies: ξ <0.1% / K, in particular <500 ppm / K, preferably <250 ppm / K, more preferably <125 ppm / K and particularly preferably <60 ppm / K: d / h · | Δα | <ξ,

Die Konstante ξ wird vorzugsweise als Quotient aus einem dimensionslosen Verformungsparameter C und einer Temperaturdifferenz ΔT gemäß: ξ = C / ΔT bestimmt, wobei

– die Temperaturdifferenz ΔT gleich der Differenz T_max – T_min der maximalen und der minimalen Temperatur T_max, T_min ist, bei der die Druckmesszelle 3 eingesetzt werden soll, und
– C ein dimensionsloser Verformungsparameter ist, für den gilt: C < 4%, insbesondere C < 2% und bevorzugt C<1%.

The constant ξ is preferably a quotient of a dimensionless deformation parameter C and a temperature difference ΔT according to:

ξ = C / ΔT

determined, where

- The temperature difference .DELTA.T equal to the difference T _max - T _{min of} the maximum and the minimum temperature T _max , T _min is at which the pressure measuring cell 3 should be used, and
C is a dimensionless deformation parameter for which C <4%, in particular C <2% and preferably C <1%.

Dabei werden die einzelnen Schichten S_i des Anpassungskörpers 15 vorzugsweise derart bemessen, dass das Produkt aus dem Verhältnis der Breite d_s der jeweiligen Schicht S_i zu deren Schichtdicke s und der Betrag der Differenz ∆α_s der thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_Si-1, α_Si+1 der an diese Schicht S_i angrenzenden Schichten S_i-1, S_i+1 ebenfalls kleiner als die oben genannte vorzugsweise als Quotient aus dem dimensionslosen Verformungsparameter C und der Temperaturdifferenz ΔT bestimmten Konstante ξ ist. D. h.:

In this case, the individual layers S _{i of} the adaptation body 15 preferably dimensioned such that the product of the ratio of the width d _{s of} the respective layer S _i to the layer thickness s and the amount of the difference Δα _{s of} the thermal expansion coefficient α _Si-1 , α _{Si + 1} adjacent to this layer S _i Layers S _i-1 , S _{i + 1 is} also smaller than the above-mentioned preferably as a quotient of the dimensionless deformation parameter C and the temperature difference .DELTA.T determined constant ξ. D. h .:

Die einzelnen Schichten S_i weisen vorzugsweise eine Schichtdicke s von nicht weniger als 10 µm, insbesondere nicht weniger als 20 µm und bevorzugt nicht weniger als 40 µm auf, und von nicht mehr als 400 µm, insbesondere nicht mehr als 200 µm und bevorzugt nicht mehr als 100 µm auf.The individual layers S _i preferably have a layer thickness s of not less than 10 μm, in particular not less than 20 μm and preferably not less than 40 μm, and not more than 400 μm, in particular not more than 200 μm, and preferably no longer than 100 μm.

Nimmt man als Beispiel einen metallischen Grundkörper 7 aus Edelstahl mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M von 16 ppm/K und eine Messmembran 11 aus Aluminiumoxid-Keramik mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_K von 8 ppm/K, dann beträgt die Differenz ∆α der thermischen Ausdehnungskoeffizienten 8 ppm/K. Hieraus ergibt sich eine bevorzugte Mindestanzahl N ≥ 2 ∆α/(1 ppm/K) von 16 Schichten. Bei den oben angegebenen besonders bevorzugten Schichtdicken von 40 µm bis 100 µm ergibt sich hieraus eine bevorzugte Mindesthöhe h des Anpassungskörpers 15 von 640 µm bis 1,6 mm. Geht man von einem Temperaturbereich von –40°C bis +130 °C aus, in dem der Drucksensor eingesetzt werden soll, erhält man unter Anwendung des besonders bevorzugten Verformungsparameters C von 1% für die Konstante ξ gemäß ξ = C/∆T einen Wert von 58,88 ppm/K. Damit liegt die über die oben angeführte Bemessungsregel d/h |∆α| < ξ berechenbare Breite d des Anpassungskörpers 15 bei einer Höhe h von 640 µm vorzugweise unterhalb von 4,8 mm.Taking as an example a metallic body 7 made of stainless steel with a thermal expansion coefficient α _M of 16 ppm / K and a measuring diaphragm 11 made of alumina ceramic having a thermal expansion coefficient α _K of 8 ppm / K, then the difference Δα of the thermal expansion coefficient is 8 ppm / K. This results in a preferred minimum number N ≥ 2 Δα / (1 ppm / K) of 16 layers. In the case of the above-mentioned particularly preferred layer thicknesses of 40 μm to 100 μm, this results in a preferred minimum height h of the adaptation body 15 from 640 μm to 1.6 mm. Assuming a temperature range of -40 ° C to +130 ° C, in which the pressure sensor is to be used, one obtains a value for the constant ξ according to ξ = C / ΔT using the particularly preferred deformation parameter C of 1% of 58.88 ppm / K. This is the result of the above-mentioned design rule d / h | Δα | <ξ calculable width d of the fitting body 15 at a height h of 640 μm preferably below 4.8 mm.

Der Anpassungskörper 15 weist eine dem Grundkörper 7 zugewandte Stirnseite auf, die über eine erste Fügung 17 mit einer der Messmembran 11 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 7 druckdicht verbunden ist. Diese erste Fügung 17 ist vorzugsweise eine Schweißung, z.B. eine Elektronenstrahlschweißung oder eine Laserschweißung.The adaptation body 15 has a body 7 facing end face, which over a first joint 17 with one of the measuring membrane 11 facing end face of the body 7 pressure-tight connected. This first coincidence 17 is preferably a weld, for example an electron beam weld or a laser weld.

Die gegenüberliegende, der Messmembran 11 zugewandte Stirnseite ist über eine zweite Fügung 19 mit einem äußeren Rand der dem Grundkörper 7 zugewandten Seite der Messmembran 19 druckdicht verbunden. Diese zweite Fügung 19 wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass der Anpassungskörper 15 schichtweise auf dem Rand der Messmembran 11 aufgebaut wird. Dabei bildet sich die zweite Fügung 19 beim Aufsintern der äußersten Schicht S_N auf dem Rand der Messmembran 11 aus.The opposite, the measuring diaphragm 11 facing end face is about a second addition 19 with an outer edge of the main body 7 facing side of the measuring diaphragm 19 pressure-tight connected. This second coincidence 19 is preferably realized in that the adaptation body 15 layer by layer on the edge of the measuring membrane 11 is built. This forms the second addition 19 when sintering the outermost layer S _N on the edge of the measuring membrane 11 out.

Alternativ kann der Anpassungskörper 15 als separates Bauteil vorgefertigt werden. In dem Fall ist die zweite Fügung 19 zwischen Messmembran 11 und Anpassungskörper 15 vorzugsweise eine Aktivhartlötung. Die Aktivhartlötung wird vorzugsweise mit einem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot ausgeführt. Derartige Aktivhartlote sind aus der EP 0 490 807 A2 bekannt, und weisen den Vorteil eines an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.Alternatively, the adjustment body 15 prefabricated as a separate component. In that case, the second addition is 19 between measuring membrane 11 and adaptation body 15 preferably an active brazing. The active brazing is preferably carried out with a Zr-Ni alloy and titanium ternary active brazing. Such Aktivhartlote are from the EP 0 490 807 A2 are known, and have the advantage of a coefficient of thermal expansion adapted to the ceramic thermal expansion coefficient.

Alternativ kann der Anpassungskörper 15 ein durch Sintern eines in einem Siebdruckverfahren hergestellten, aus aufeinander aufgedruckten Schichten bestehenden Rohlings hergestellter Sinterkörper sein. Die Herstellung des Rohlings erfolgt, indem die einzelnen Schichten in nacheinander ausgeführten Druckvorgängen aufeinander aufgedruckt werden, wobei die aufgedruckten Schichten jeweils z.B. durch Trocknung verfestigt werden, bevor sie mit der nächsten Schicht überdruckt werden. Der im Siebdruckverfahren hergestellte Anpassungskörper 15 weist vorzugsweise Schichten mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von wenigen Mikrometern auf.Alternatively, the adjustment body 15 a sintered body produced by sintering a blank produced by a screen printing method from blanks printed on printed layers. The blank is produced by printing the individual layers on one another in successive printing processes, the printed layers being respectively solidified by drying, for example, before they are overprinted with the next layer. The screen-printed adaptation body 15 preferably has layers with a layer thickness of the order of a few micrometers.

Durch Sintern von im Siebdruckverfahren hergestellten, aus aufeinander angeordneten Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebauten Rohlingen erzeugte dreidimensionale Sinterkörper sind zum Beispiel in der EP 0 627 983 B1 beschrieben. Darüber hinaus ist in einem Handout zu einem im Rahmen des am 2. und 3. Juli 2014 in Dresden abgehaltenen 9. Seminars für aktuelle Trends in der Aufbau und Verbindungstechnik von Herrn Riecker vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung gehaltenen Vortrag mit dem Titel: ‘3D Siebdruck – Ein Verfahren zur Bauteilherstellung‘ eine dreidimensionale gradierte Struktur aus Stahl und Keramik dargestellt, deren Keramikanteil in einer Raumrichtung kontinuierlich abnimmt, und deren Stahlanteil in der gleichen Raumrichtung entsprechend zunimmt.For example, three-dimensional sintered bodies produced by sintering of blanks produced by screen-printing processes and constructed from layers of different composition arranged on one another are described in US Pat EP 0 627 983 B1 described. In addition, in a handout to a 9th seminar held in Dresden on July 2 and 3, 2014 for current trends in the construction and connection technology by Mr. Riecker lecture entitled "Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Applied Materials" entitled : '3D screen printing - A process for component production' shows a three-dimensional graded structure made of steel and ceramics, whose ceramics content decreases continuously in one spatial direction and whose proportion of steel in the same spatial direction increases accordingly.

Der auf diese Weise hergestellte Anpassungskörper 15 kann genau wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel aus aufeinander angeordneten Schichten unterschiedlicher, in Verbindung mit dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschriebener Zusammensetzung aufgebaut sein, deren Keramikanteil in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 11 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht ansteigt, und deren Metallanteil in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 11 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt. Für diese Ausführungsform gelten die oben angegebenen Bemessungsangaben für die Anzahl der Schichten N, das Verhältnis der Breite d des Anpassungskörpers 15 zu dessen Höhe h, sowie das Verhältnis der Breite d_S der einzelnen Schichten zu deren Schichtdicke s entsprechend, wobei sich die Bemessungsangaben hier auf die nach dem Sintern des Rohlings vorliegenden Abmessungen beziehen. The fitting body made in this way 15 can be constructed exactly as in the previous embodiment of superimposed layers of different, described in connection with the previous embodiment composition, their ceramic component in the body 7 to the measuring membrane 11 extending direction increases from layer to layer, and their metal content in from the main body 7 to the measuring membrane 11 extending direction decreases from layer to layer. For this embodiment, the design data given above for the number of layers N, the ratio of the width d of the adapter body apply 15 to its height h, as well as the ratio of the width d _{S of} the individual layers to their layer thickness s corresponding, wherein the design data refer here to the present after sintering of the blank dimensions.

Alternativ kann der Anpassungskörper 15 aufeinander angeordnete Schichtfolgen aufweisen, die jeweils aus aufeinander angeordneten Schichten bestehen, die jeweils entweder ausschließlich aus Metall oder ausschließlich aus Keramik bestehen. Dabei wird die Anzahl der in den einzelnen Schichtfolgen enthaltenen, ausschließlich aus Keramik bestehenden Schichten und die Anzahl der in den einzelnen Schichtfolgenden enthaltenen, ausschließlich aus Metall bestehenden Schichten derart vorgegeben, dass der Keramikanteil der Schichtfolgen in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 11 verlaufender Richtung von Schichtfolge zu Schichtfolge ansteigt und der Metallanteil der Schichtfolgen in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 11 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt. Hierbei weisen die Schichten vorzugsweise eine möglichst geringe Dicke, insb. eine Dicke in der Größenordnung von wenigen Mikrometern, insb. 2 µm bis 3 µm auf. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass nur zwei verschiedene Druckpasten, nämlich eine Keramik-Paste und eine Metall-Paste zur Erzeugung des Rohlings benötigt werden. Für das Aufdrucken der keramischen und der metallischen Schichten wird somit jeweils nur ein Sieb benötigt, das zwischen aufeinander folgenden Druckvorgängen nicht gereinigt werden muss.Alternatively, the adjustment body 15 have layer sequences arranged on each other, each consisting of layers arranged on one another, each consisting either exclusively of metal or exclusively of ceramic. In this case, the number of layers contained in the individual layer sequences, consisting exclusively of ceramic and the number of layers contained in the individual layer following, consisting exclusively of metal layers is specified such that the ceramic component of the layer sequences in from the base body 7 to the measuring membrane 11 extending direction of layer sequence to layer sequence increases and the metal content of the layer sequences in from the main body 7 to the measuring membrane 11 extending direction decreases from layer to layer. In this case, the layers preferably have the smallest possible thickness, in particular a thickness in the order of a few micrometers, in particular 2 μm to 3 μm. This embodiment offers the advantage that only two different printing pastes, namely a ceramic paste and a metal paste are needed to produce the blank. For the printing of the ceramic and the metallic layers thus only one sieve is needed in each case, which does not have to be cleaned between successive printing operations.

In Verbindung mit einem im Siebdruckverfahren hergestellten Anpassungskörper 15 können die erste und die zweite Fügung 17, 19 dadurch erzeugt werden, dass der Rohling zwischen Grundkörper 7 und Messmembran 11 angeordnet und dort gesintert wird.In conjunction with a screen-printed adaptation body 15 can be the first and the second addition 17 . 19 be generated by the fact that the blank between base body 7 and measuring membrane 11 is arranged and sintered there.

Zur zusätzlichen Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Anpassungskörpers 15 kann auf einer äußeren Mantelfläche des Anpassungskörpers 15 eine Beschichtung 21 aus einem korrosionsbeständigen Material, insb. aus Keramik, vorzugsweise aus der Keramik der Messmembran 11, oder aus Tantal, aufgebracht werden. Die Beschichtung 21 kann je nach Materialwahl z.B. durch Plasmabeschichtung oder durch Sputtern aufgebracht werden.For additional improvement of the corrosion resistance of the fitting body 15 can on an outer circumferential surface of the adaptation body 15 a coating 21 made of a corrosion-resistant material, esp. Of ceramic, preferably from the ceramic of the measuring diaphragm 11 , or from tantalum, be applied. The coating 21 can be applied depending on the choice of material eg by plasma coating or by sputtering.

Über den Anpassungskörper 15 werden die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Messmembran 11 und Grundkörper 7 schrittweise ineinander überführt. Durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bedingte thermomechanische Spannungen werden somit über die gesamte Höhe h des Anpassungskörpers 15 verteilt, und über diesen abgebaut. Dies bewirkt eine deutliche Reduktion temperaturbedingter Spannungen im Bereich der ersten und der zweiten Fügung 17, 19 und im Bereich der Messmembran 11.About the fitting body 15 become the different thermal expansion coefficients of measuring membrane 11 and basic body 7 gradually converted into each other. Due to the different thermal expansion coefficients thermo-mechanical stresses are thus over the entire height h of the fitting body 15 distributed, and dismantled over this. This causes a significant reduction of temperature-induced stresses in the region of the first and the second joint 17 . 19 and in the area of the measuring membrane 11 ,

Damit ist es möglich, den metallischen Grundkörper 7 mit der keramischen Messmembran 11 zu verbinden, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Fügungen 17, 19 aufgrund temperaturbedingter Spannungen über Gebühr belastet werden oder sogar brechen, und ohne dass die Messgenauigkeit durch sich auf die Messmembran 11 auswirkende temperaturabhängige Verspannungen wesentlich beeinträchtigt wird.This makes it possible to use the metallic base body 7 with the ceramic measuring membrane 11 to connect without the risk that the additions 17 . 19 due to temperature-related stresses are overburdened or even break, and without the measurement accuracy due to the measuring diaphragm 11 impacting temperature-dependent tension is significantly impaired.

Die Druckmesszelle 3 umfasst einen elektromechanischen Wandler, der dazu dient, die vom zu messenden Druck p abhängige Durchbiegung der Messmembran 11 in ein vom zu messenden Druck p abhängiges elektrisches Signal umzuwandeln, und zur Anzeige und/oder zur weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung zur Verfügung zu stellen.The pressure measuring cell 3 includes an electromechanical transducer, which serves to the dependent of the pressure to be measured p deflection of the measuring diaphragm 11 to convert into an electrical signal dependent on the pressure to be measured p, and to make available for display and / or for further evaluation and / or processing.

Als mögliches Ausführungsbeispiel eines solchen elektromechanischen Wandlers ist in 1 ein kapazitiver Wandler vorgesehen, der mindestens einen Kondensator mit einer von der Durchbiegung der Messmembran 11 abhängigen Kapazität aufweist. Der Kondensator umfasst eine auf einer der Messmembran 11 zugewandten Stirnfläche des Grundkörpers 7 angeordnete Elektrode 23, und eine auf der dem Grundkörper 7 zugewandten Seite der Messmembran 7 angeordnete Gegenelektrode 25.As a possible embodiment of such an electromechanical transducer is in 1 a capacitive transducer is provided, the at least one capacitor with one of the deflection of the measuring diaphragm 11 has dependent capacity. The capacitor comprises one on one of the measuring membrane 11 facing end face of the body 7 arranged electrode 23 , and one on the main body 7 facing side of the measuring diaphragm 7 arranged counter electrode 25 ,

Die Elektrode 23 ist von dem Anpassungskörper 15 beabstandet, und damit diesem gegenüber elektrisch isoliert. Zur elektrischen Isolation der Elektrode 23 gegenüber dem Grundkörper 7 ist auf der Stirnseite des Grundkörpers 7 eine Isolationsschicht 27, z.B. eine Glasschicht oder eine Siliziumdioxid-Schicht (SiO₂), vorgesehen, auf der die Elektrode 23 angeordnet ist.The electrode 23 is from the fitting body 15 spaced apart, and thus electrically isolated from this. For electrical insulation of the electrode 23 opposite the main body 7 is on the front of the body 7 an insulation layer 27 , For example, a glass layer or a silicon dioxide layer (SiO ₂ ), provided on which the electrode 23 is arranged.

Die druckabhängige Kapazität dieses Kondensators wird z.B. mittels einer an die Elektrode 23 und die Gegenelektrode 25 angeschlossenen Messelektronik 29 bestimmt, und beispielsweise anhand einer vorab im Rahmen eines Kalibrationsverfahrens ermittelten Kennlinie einem auf die Messmembran 11 einwirkenden zu messenden Druck p zugeordnet.The pressure-dependent capacity of this capacitor is eg by means of a to the electrode 23 and the counter electrode 25 connected measuring electronics 29 determined, and for example on the basis of a prior in the context of a calibration process determined characteristic on the measuring diaphragm 11 associated with acting pressure p.

Der elektrische Anschluss der Elektrode 23 an die Messelektronik 29 erfolgt vorzugsweise über eine elektrische Durchführung 31, die durch den Grundkörper 7 hindurch verläuft. Die Durchführung 31 ist z.B. eine Glasdurchführung mit einem bis zur Elektrode 23 geführten Kontaktstift 33, der z.B. über einen auf der Rückseite der Druckmesszelle 3 angeordneten Kontakt kontaktierbar ist.The electrical connection of the electrode 23 to the measuring electronics 29 preferably takes place via an electrical feedthrough 31 passing through the main body 7 passes through. The implementation 31 Eg is a glass feedthrough with a to the electrode 23 guided contact pin 33 , for example, one on the back of the pressure cell 3 arranged contact is contactable.

Der elektrische Anschluss der Gegenelektrode 25 an die Messelektronik 29 erfolgt vorzugsweise über eine die Gegenelektrode 25 mit dem Grundkörper 7 verbindende elektrisch leitfähige Beschichtung 35. Diese erstreckt sich von der Gegenelektrode 25 über eine innere Mantelfläche des Anpassungskörpers 15 zum Grundkörper 7. Über die Beschichtung 35 liegt die Gegenelektrode 25 auf dem gleichen Potential wie der Grundkörper 7, so dass der Anschluss der Gegenelektrode 25 über einen z.B. auf der Rückseite des Grundkörpers 7 angeordneten Kontakt erfolgen kann.The electrical connection of the counter electrode 25 to the measuring electronics 29 preferably takes place via a counter electrode 25 with the main body 7 connecting electrically conductive coating 35 , This extends from the counter electrode 25 via an inner circumferential surface of the adaptation body 15 to the main body 7 , About the coating 35 lies the counter electrode 25 at the same potential as the main body 7 so that the connection of the counter electrode 25 over one example on the back of the main body 7 arranged contact can be made.

Die leitfähige Beschichtung 35 wird vorzugsweise nach dem Aufsintern des Anpassungskörpers 15 auf der Messmembran 11 bzw. nach der Fügung von Messmembran 11 und Anpassungskörper 15 aufgebracht, bevor der Verbund aus Messmembran 11 und Anpassungskörper 15 mittels der ersten Fügung 17 auf dem Grundkörper 7 befestigt wird. Die leitfähige Beschichtung 35 ist vorzugsweise eine Metallisierung, die vorzugsweise in einem Arbeitsgang zusammen mit der hierzu ebenfalls als Metallisierung ausgebildeten Gegenelektrode 25 aufgebracht, z.B. aufgesputtert, wird.The conductive coating 35 is preferably after sintering the fitting body 15 on the measuring membrane 11 or after the addition of measuring membrane 11 and adaptation body 15 applied before the composite of measuring membrane 11 and adaptation body 15 by means of the first coincidence 17 on the body 7 is attached. The conductive coating 35 is preferably a metallization, which is preferably in one operation together with the counter electrode likewise designed as a metallization for this purpose 25 applied, eg sputtered on, becomes.

Die mit dem kapazitiven elektromechanischen Wandler erzielbare Messgenauigkeit ist umso größer, je größer die Grundkapazität des durch die Elektrode 23 und die Gegenelektrode 25 gebildeten Kondensators ist. Diese Grundkapazität ist wiederum umso größer, je geringer der Elektrodenabstand zwischen Elektrode 23 und Gegenelektrode 25 ist.The measurement accuracy achievable with the capacitive electromechanical transducer is greater, the greater the basic capacitance of the electrode through the electrode 23 and the counter electrode 25 formed capacitor. This basic capacity is in turn the greater, the smaller the electrode spacing between electrode 23 and counter electrode 25 is.

Bei mit einem kapazitiven elektromechanischen Wandler ausgestatten erfindungsgemäßen Druckmesszellen 3 ist die Elektrode 23 daher vorzugsweise auf einem in Richtung der Messmembran 11 vorstehenden Absatz 37 des Grundkörpers 7 angeordnet. Der Absatz 37 ist außenseitlich allseitig vom Anpassungskörper 15 umgeben und allseitig von diesem beabstandet.When equipped with a capacitive electromechanical transducer according to the invention pressure measuring cells 3 is the electrode 23 therefore preferably on one in the direction of the measuring diaphragm 11 preceding paragraph 37 of the basic body 7 arranged. Paragraph 37 is on the outside on all sides of the fitting body 15 surrounded and spaced on all sides of this.

Das bietet den Vorteil, dass über eine entsprechende Dimensionierung der Bauhöhe des Absatzes 37 ein geringer Elektrodenabstand erzielt werden kann, und die den Elektrodenabstand mitbestimmende Höhe h des Anpassungskörpers 15 zugleich entsprechend den oben beschriebenen Bemessungsregeln für eine optimale Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_K, α_M von Messmembran 11 und Grundkörper 7 vorgegeben werden kann.This offers the advantage that over a corresponding dimensioning of the height of the paragraph 37 a small distance between the electrodes can be achieved, and the height h of the adaptation body which determines the electrode spacing 15 at the same time according to the design rules described above for an optimal adaptation of the thermal expansion coefficients α _K , α _M of measuring diaphragm 11 and basic body 7 can be specified.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors mit einer in einem metallischen Gehäuse 39 eingefassten erfindungsgemäßen Differenzdruckmesszelle 41. Aufgrund der weitgehenden Übereinstimmung mit dem in 1 dargestellten Drucksensor sind nachfolgend lediglich die bestehenden Unterschiede näher erläutert. Im Übrigen wird auf die Beschreibung zu 1 verwiesen. 2 shows a further embodiment of a pressure sensor according to the invention with a in a metallic housing 39 enclosed differential pressure measuring cell according to the invention 41 , Due to the broad agreement with the in 1 shown pressure sensor are explained below only the existing differences. Incidentally, the description goes to 1 directed.

Die Differenzdruckmesszelle 41 wird dadurch gebildet, dass auf der von der Messmembran 11 abgewandten Rückseite der erfindungsgemäßen Druckmesszelle 3, z.B. gemäß 1, eine zweite, vorzugsweise identische Druckmesszelle 3 derart angeordnet wird, dass die Messmembranen 11 der beiden Druckmesszellen 3 nach außen weisen. Zusätzlich ist in der Differenzdruckmesszelle 41 eine Druckübertragungsleitung 43 vorgesehen, über die die beiden Druckmesskammern 9 miteinander verbunden sind. Die Druckmesskammern 9 und die Druckübertragungsleitung 43 sind mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit, z.B. Silikonöl, gefüllt.The differential pressure measuring cell 41 is formed by that on the of the measuring diaphragm 11 remote from the rear side of the pressure measuring cell according to the invention 3 , eg according to 1 , a second, preferably identical pressure measuring cell 3 is arranged such that the measuring membranes 11 the two pressure cells 3 to the outside. In addition, in the differential pressure measuring cell 41 a pressure transmission line 43 provided, via which the two pressure measuring chambers 9 connected to each other. The pressure measuring chambers 9 and the pressure transmission line 43 are filled with a pressure-transmitting liquid, such as silicone oil.

Im Messbetrieb wird eine der beiden Messmembranen 11 mit einem ersten Druck p₁, und die andere Messmembran 11 mit einem zweiten Druck p₂ beaufschlagt. Diese Druckbeaufschlagung bewirkt eine vom zu messenden Differenzdruck ∆p zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p₁, p₂ abhängige Durchbiegung der beiden Messmembranen 11, die mittels eines elektromechanischen Wandlers messtechnisch erfasst und in ein vom Differenzdruck ∆p = p₁ – p₂ abhängiges Messsignal umgewandelt wird.In measuring mode, one of the two measuring membranes is used 11 with a first pressure p ₁ , and the other measuring diaphragm 11 subjected to a second pressure p ₂ . This pressurization causes the differential pressure to be measured between the first Dp and the second pressure p _1, p ₂ dependent deflection of the two measuring diaphragms 11 , which is measured by means of an electromechanical transducer and converted into a differential pressure Δp = p ₁ - p ₂ dependent measurement signal.

Auch hier kann zur messtechnischen Erfassung der Durchbiegungen der Messmembranen 11 jeweils der bereits anhand von 1 beschriebenen kapazitive Wandler vorgesehen werden. Der Differenzdruck ∆p kann anhand der gemessenen Kapazität jedes der beiden Kondensatoren, oder anhand der differentiellen Änderung f der Kapazitäten C1, C2 der beiden Kondensatoren bestimmt werden. Die differentiellen Änderung f der beiden Kapazitäten C1, C2 wird hierzu z. B. als Verhältnis der Differenz der beiden Kapazitäten zu deren Summe gemäß: f = (C1 – C2)/C1 + C2) bestimmt.Again, for the metrological detection of the deflections of the measuring membranes 11 each already based on 1 described capacitive transducer can be provided. The differential pressure Δp can be determined on the basis of the measured capacitance of each of the two capacitors, or on the basis of the differential change f of the capacitances C1, C2 of the two capacitors. The differential change f of the two capacitances C1, C2 is z. B. determined as the ratio of the difference between the two capacitances to their sum according to: f = (C1 - C2) / C1 + C2).

Auch hier erfolgt der elektrische Anschluss der beiden Gegenelektroden 25 vorzugsweise jeweils über einen auf einer äußeren Mantelfläche des zugehörigen Grundkörpers 7 angeordnete Kontakt, der über den jeweiligen Grundkörper 7 und die jeweilige leitfähige Beschichtung 35 in elektrisch leitender Verbindung mit der jeweiligen Gegenelektrode 25 steht.Again, the electrical connection of the two counter electrodes 25 preferably in each case via a on an outer circumferential surface of the associated base body 7 arranged contact, which over the respective basic body 7 and the respective conductive coating 35 in electric conductive connection with the respective counter electrode 25 stands.

Der Anschluss der beiden Elektroden 23 erfolgt über die durch den jeweiligen Grundkörper 7 hindurch verlaufende Durchführung 31 und eine daran anschließende weiterführende Durchführung 45, über die der Anschluss seitlich aus der Differenzdruckmesszelle 41 heraus geführt wird.The connection of the two electrodes 23 via the by the respective body 7 passing through 31 and subsequent follow-up 45 , via which the connection is laterally out of the differential pressure measuring cell 41 is led out.

Jede dieser weiterführenden Durchführungen 45 weist eine auf der von der Messmembran 11 abgewandten Rückseite des jeweiligen Grundkörpers 7 aufgebrachte Isolationsschicht 47, z.B. eine Glasschicht, auf, durch die der Kontaktstift 33 der Durchführung 31 hindurch verläuft. Auf der vom jeweiligen Grundkörper 7 abgewandten Oberfläche der jeweiligen Isolationsschicht 47 ist jeweils eine Leiterbahn 49 vorgesehen, die entlang der Oberfläche vom Kontaktstift 33 zu einer äußeren Mantelfläche der Differenzdruckmesszelle 41 verläuft, wo sie über einen entsprechenden Kontakt kontaktierbar ist.Each of these continuing accomplishments 45 has one on the of the measuring membrane 11 opposite rear side of the respective body 7 applied insulation layer 47 , For example, a glass layer, through which the contact pin 33 the implementation 31 passes through. On the of the respective basic body 7 remote surface of the respective insulation layer 47 is in each case a conductor track 49 provided along the surface of the contact pin 33 to an outer lateral surface of the differential pressure measuring cell 41 runs where it can be contacted via a corresponding contact.

Zwischen den beiden Leiterbahnen 49 ist eine weitere Isolationsschicht 51 vorgesehen, über die die beiden Leiterbahnen 49 elektrisch gegeneinander isoliert sind. Diese weitere Isolationsschicht 51 wird vorzugsweise zugleich zur mechanischen Verbindung der beiden rückseitig jeweils mit der Isolationsschicht 47 und der Leiterbahn 49 versehenen Grundkörper 7 genutzt. Hierzu kann sie z.B. als Glasschicht einer die Grundkörper 7 verbindenden Glaslötung ausgebildet sein.Between the two tracks 49 is another insulation layer 51 provided, over which the two conductor tracks 49 are electrically isolated from each other. This further insulation layer 51 is preferably at the same time for the mechanical connection of the two back each with the insulation layer 47 and the track 49 provided basic body 7 used. For this purpose, it can, for example, as glass layer one of the main body 7 be formed connecting glass soldering.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Differenzdruckmesszelle 41 ohne Zwischenfügung von Dichtungen in das Gehäuse 39 eingesetzt, indem die Grundkörper 7 unmittelbar mit dem Gehäuse 39 verbunden, insb. verschweißt, werden. Hierzu weist das Gehäuse 39 vorzugsweise zwei miteinander verbundene Gehäuseabschnitte 53 auf, die jeweils eine Ausnehmung zur Aufnahme eines der beiden miteinander verbundenen Grundkörper 7 aufweisen. Auf diese Weise kann jeder Gehäuseabschnitt 53 von außen über die jeweilige Messmembran 11 hinweg über den jeweiligen Grundkörper 7 geschoben und dort verschweißt werden.Also in this embodiment, the differential pressure measuring cell 41 without interposition of seals in the housing 39 used by the basic body 7 directly with the housing 39 connected, in particular welded. For this purpose, the housing 39 preferably two interconnected housing sections 53 on, each having a recess for receiving one of the two interconnected main body 7 exhibit. In this way, each housing section 53 from the outside over the respective measuring membrane 11 across the respective body 7 pushed and welded there.

Alternativ können die Grundkörper 7 und die den jeweiligen Grundkörper 7 enthaltenden Gehäuseabschnitte auch hier jeweils als einteiliges Bauelement ausgebildet sein.Alternatively, the main body 7 and the respective basic body 7 Housing sections containing here also be formed here as a one-piece component.

Zusätzlich weist das Gehäuse 39 eine die auf der äußeren Mantelfläche der Differenzdruckmesszelle 41 angeordneten Kontakte für den Anschluss der Elektroden 23 und der Gegenelektroden 25 frei legende Ausnehmung 55 auf, durch die hindurch die Elektroden 23 und die Gegenelektroden 25 an eine Messelektronik 57 anschließbar sind.In addition, the housing has 39 one on the outer surface of the differential pressure cell 41 arranged contacts for the connection of the electrodes 23 and the counter electrodes 25 free-laying recess 55 through, through which the electrodes 23 and the counter electrodes 25 to a measuring electronics 57 can be connected.

Jeder Gehäuseabschnitt 53 ist mit einem Prozessanschluss 5 ausgestattet, über den der Differenzdrucksensor 41 am Einsatzort mit einem hierzu komplementären Gegenstück verbindbar ist, über das der jeweiligen Messmembran 11 im Messbetrieb der erste bzw. der zweiten Druck p₁, p₂ zugeführt wird.Each housing section 53 is with a process connection 5 equipped, via which the differential pressure sensor 41 can be connected at the site with a counterpart complementary thereto, on the respective measuring membrane 11 in measurement operation, the first and the second pressure p ₁ , p _{2 is} supplied.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Gehäuse casing
33: Druckmesszelle Pressure measuring cell
55: Prozessanschluss process connection
77: Grundkörper body
99: Druckmesskammer Pressure measuring chamber
1111: Messmembran measuring membrane
1313: Bohrung drilling
1515: Anpassungskörper matching element
1717: Fügung coincidence
1919: Fügung coincidence
2121: Beschichtung coating
2323: Elektrode electrode
2525: Gegenelektrode counter electrode
2727: Isolationsschicht insulation layer
2929: Messelektronik measuring electronics
3131: Durchführung execution
3333: Kontaktstift pin
3535: Beschichtung coating
3737: Absatz paragraph
3939: Gehäuse casing
4141: Druckmesszelle Pressure measuring cell
4343: Druckübertragungsleitung Pressure transmission line
4545: Durchführung execution
4747: Isolationsschicht insulation layer
4949: Leiterbahn conductor path
5151: Isolationsschicht insulation layer
5353: Gehäuseabschnitt housing section
5555: Ausnehmung recess
5757: Messelektronik measuring electronics

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0995979 A1 [0003]
EP 0490807 A2 [0056]
EP 0627983 B1 [0058]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

IMW Industry Communication No. 29 (2004) by Trenke entitled "Selective Laser Sintering of Metallic / Ceramic Layered Structures " [0044]

Claims

Pressure measuring cell, with - a basic body ( 7 ), and - one on the main body ( 7 ) including a pressure measuring chamber ( 9 ), from the outside with a pressure to be measured (p) acted upon, ceramic measuring membrane ( 11 ), characterized in that - the basic body ( 7 ) consists of metal, and - basic body ( 7 ) and measuring membrane ( 11 ) with each other via a pressure measuring chamber ( 9 ) outside fitting body ( 15 ) having a thermal expansion coefficient along the matching body ( 15 ) in from the main body ( 7 ) to the measuring membrane ( 11 ) extending direction of a thermal expansion coefficient (α _M ) of the body ( 7 ) corresponding expansion coefficient to a thermal expansion coefficient (α _K ) of the measuring membrane ( 11 ) corresponding expansion coefficient drops.

Pressure measuring cell according to claim 1, characterized in that the adaptation body ( 15 ) by a first coincidence ( 17 ), in particular a weld, in particular an electron beam welding or a laser welding, with the main body ( 7 ) and by a second addition ( 19 ) with an outer edge of the measuring membrane ( 11 ) connected is.

Pressure measuring cell according to claim 1, characterized in that - the second joint ( 19 ) is an active brazing, esp. An active brazing performed by means of a ternary, a Zr-Ni alloy and titanium, active brazing, or - the adjustment body ( 15 ) is a sintered body composed of layers and the second joint ( 19 ) one by the sintering, in particular by laser sintering, one of the measuring membrane ( 11 ) facing outermost layer (S _N ) of the fitting body ( 15 ) on the measuring membrane ( 7 ) is made addition.

Pressure measuring cell according to claim 1, characterized in that on an outer circumferential surface of the adaptation body ( 15 ) a coating ( 21 ) made of a corrosion-resistant material, esp. Made of ceramic or tantalum is provided.

Pressure measuring cell according to claim 1, characterized in that a capacitive electromechanical transducer is provided, which comprises at least one capacitor, - one electrically isolated from the main body ( 7 ) on one of the measuring membrane ( 11 ) facing end face of the base body ( 7 ), esp. An end face of a in the direction of the measuring membrane ( 11 ) projecting, outside on all sides of the adjustment body ( 15 ) surrounded and on all sides by the adaptation body ( 15 ) spaced paragraph ( 37 ), arranged by the adjustment body ( 15 ) spaced electrode ( 23 ), and - the one on a body ( 7 ) facing side of the measuring membrane ( 11 ) arranged counter electrode ( 25 ).

Pressure measuring cell according to claim 5, characterized in that - one through the main body ( 7 ) leading to the electrode ( 23 ) connected electrical feedthrough ( 31 ), esp. A glass feedthrough is provided, via which the electrode ( 23 ) is electrically connectable, and / or - an electrically conductive coating ( 35 ) is provided, extending from the counter electrode ( 25 ) over an inner circumferential surface of the adaptation body ( 15 ) to the main body ( 7 ) so that the counter electrode ( 25 ) over the main body ( 7 ) is electrically connected.

Pressure measuring cell according to claim 1, characterized in that - the adaptation body ( 15 ) arranged on each other layers (S _i ) of different composition, esp. By laser sintering of metallic and / or ceramic parts containing powder layers coated layers, has, and - the layers (S _i ) have a ceramic component which is greater than or equal to 0% Is 100%, and has a metal content that is greater than or equal to 0% and less than or equal to 100%, wherein - the proportion of ceramics in the body ( 7 ) to the measuring membrane ( 11 ) direction increases from layer to layer, and - the metal content in of the main body ( 7 ) to the measuring membrane ( 11 ) direction decreases from layer to layer.

Pressure measuring cell according to claim 1, characterized in that - the adaptation body ( 15 ) is a fitting body made up of layers (S _i ), - a number (N) of the layers (S _i ) greater than or equal to a difference (Δα) between the thermal expansion coefficient (α _M ) of the base body ( 7 ) and the thermal expansion coefficient (α _K ) of the measuring membrane ( 11 ) divided by 2 ppm / K, in particular greater than or equal to the difference (Δα) divided by 1 ppm / K, in particular greater than or equal to twice the difference (Δα) divided by 1 ppm / K.

Pressure measuring cell according to claim 1, characterized in that - the adaptation body ( 15 ) is a matching body made up of layers (S _i ), and - the layers (S _i ) have a layer thickness (s) of not less than 10 μm, in particular not less than 20 μm, in particular not less than 40 μm, and of not more than 400 μm, in particular not more than 200 μm, in particular not more than 100 μm.

Pressure measuring cell according to claim 1, characterized in that - the adaptation body ( 15 ) in from the main body ( 7 ) to the measuring membrane ( 11 ) extending direction has a height (h) and perpendicular to a width (d), and - a product of a ratio of the width (d) of the fitting body ( 15 ) to the height (h) of the matching body ( 15 ) and the amount of the difference (Δα) of the thermal expansion coefficients (α _K , α _M ) of the measuring membrane ( 11 ) and basic body ( 7 ) is smaller than a constant (ξ) with the dimension 1 / K, where - the constant (ξ) is less than 0.1% / K, in particular less than 500 ppm / K, esp. Less than 250 ppm / K, esp is less than 125 ppm / K, in particular less than 60 ppm / K, and / or the constant (ξ) is equal to a quotient of a dimensionless deformation parameter (C) and a temperature difference (ΔT) between a maximum and a minimum temperature (T _max , T _min ) at which the pressure measuring cell ( 3 ), and the deformation parameter is less than 4%, in particular less than 2%, in particular less than 1%.

Pressure measuring cell according to claim 1, characterized in that - the adaptation body ( 15 ) is a fitting body constructed from superimposed layers (S _i ), - the individual layers (S _i ) each have a layer thickness (s) extending parallel to the surface normal to the layer (S _i ) and one perpendicular to the surface normal to the layer ( S _i ) extending width (d _s ), and - the product of the ratio of the width (d _s ) of the respective layer (S _i ) to the layer thickness (s) and the amount of the difference (Δα _s ) of the thermal expansion coefficients the layer (S _i-1 , S _{i + 1} ) adjacent to this layer (S _i ) is smaller than a constant (ξ) of dimension 1 / K, where - the constant (ξ) is less than 0.1% / K, in particular less than 500 ppm / K, in particular less than 250 ppm / K, in particular less than 125 ppm / K, in particular less than 60 ppm / K, and / or the constant (ξ) is equal to a quotient a dimensionless deformation parameter (C) and a temperature difference (ΔT) between a maximum and a mi minimum temperature (T _max , T _min ) at which the pressure measuring cell ( 3 ), and the deformation parameter is less than 4%, in particular less than 2%, in particular less than 1%.

Pressure measuring cell according to claim 1, 4, 5 or 6, characterized in that the adaptation body ( 15 ) - is a sintered body produced by sintering a blank produced in a screen-printing process, and - consists of layers arranged on one another, in particular layers having a layer thickness of the order of a few micrometers, - either one in the base body ( 7 ) to the measuring membrane ( 11 ) extending direction from layer to layer rising ceramic portion and in from the base body ( 7 ) to the measuring membrane ( 11 ) extending direction from layer to layer having decreasing metal content, or - which are arranged in successive layer sequences of mutually arranged either exclusively made of metal or exclusively of ceramic layers to each other, wherein a number of contained in the individual layer following, consisting exclusively of ceramic Layers and a number of contained in the individual Schichtfolgenden, consisting exclusively of metal layers is given such that a Keramikteil the layer sequences in from the main body ( 7 ) to the measuring membrane ( 11 ) extending direction of layer sequence to layer sequence increases and a metal portion of the layer sequences in from the base body ( 7 ) to the measuring membrane ( 11 ) extending direction decreases from layer to layer.

Pressure measuring cell according to claim 12, characterized in that - the adaptation body ( 15 ) by a first coincidence ( 17 ) with the basic body ( 7 ) and by a second addition ( 19 ) with an outer edge of the measuring membrane ( 11 ), wherein - the first and the second joint ( 17 . 19 ) esp. By sintering the between the body ( 7 ) and the measuring membrane ( 11 ) arranged blankings produced ( 17 . 19 ) are.

Differential pressure measuring cell with a pressure measuring cell ( 3 ) according to one of the preceding claims, characterized in that - on one of the measuring membrane ( 11 ) facing away from the rear of the pressure measuring cell ( 3 ) a second pressure measuring cell ( 3 ), esp. An identically formed second pressure measuring cell ( 3 ), is arranged such that the measuring membranes ( 11 ) of the two pressure measuring cells ( 3 ) facing outwards, and - the pressure measuring chambers ( 9 ) of the two pressure measuring cells ( 3 ) via a pressure transmission line ( 43 ) are interconnected.

Differential pressure measuring cell according to claim 14 with two pressure measuring cells ( 3 ) according to claim 6, characterized in that on the of the measuring membrane ( 11 ) facing away from the back of each pressure cell ( 3 ) one at each by the respective body ( 7 ) passing through ( 31 ) subsequent continuing Execution ( 45 ) is provided, which laterally from the differential pressure measuring cell ( 41 ) leads out.

Differential pressure measuring cell according to claim 14 or 15, characterized in that - on the of the respective measuring membrane ( 11 ) facing away back sides of the main body ( 7 ) each an insulating layer ( 47 ), esp. A glass layer is provided, - on the of the respective body ( 7 ) facing away from the insulating layers ( 47 ) each a conductor track ( 49 ), esp. Along the surface of a contact pin ( 33 ) of the implementation ( 31 ) to an outer lateral surface of the differential pressure measuring cell ( 41 ) running track ( 49 ), and - between the two tracks ( 49 ) another, the two tracks ( 49 ) electrically insulating insulating layer ( 51 ), esp. One the two pressure cells ( 3 ) mechanically interconnecting insulation layer ( 51 ), is provided.

Pressure sensor with a pressure measuring cell ( 3 ) according to claim 1, characterized in that - the basic body ( 7 ) in a recess of a housing ( 1 . 39 ) or a housing section ( 53 ), especially one with a process connection ( 5 ) equipped housing ( 1 . 39 ) or housing section ( 53 ), in particular welded, is, or - the main body ( 7 ) and a basic body ( 7 ) containing housing section, especially one with a process connection ( 5 ) equipped housing portion are formed as a one-piece component.