DE102016102775A1

DE102016102775A1 - Kapazitiver Drucksensor

Info

Publication number: DE102016102775A1
Application number: DE102016102775.8A
Authority: DE
Inventors: Nils Ponath; Andreas Rossberg
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Es ist ein kapazitiver Drucksensor, mit einer unter Einschluss einer Druckkammer (5) auf einem Grundkörper (3) angeordneten, mit einem Druck (p) beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran (1) aus Aluminiumoxid (Al2O3), einer einen äußeren Rand der Messmembran (1) unter Einschluss der Druckkammer (5) mit einem äußeren Rand einer der Messmembran (1) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (3) verbindenden Aktivhartlötung (7), und einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom zu messenden Druck (p) abhängigen Auslenkung der Messmembran (1), der einen durch eine auf einer dem Grundkörper (3) zugewandten Seite der Messmembran (1) angeordnete, an die Aktivhartlötung (7) angrenzende Membranelektrode (11) und eine auf einer der Messmembran (1) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (3) angeordnete Grundkörperelektrode (13) gebildeten Messkondensator umfasst, beschrieben, der einen in einem möglichst großen Temperaturbereich wirksamen Lötstopp aufweist, dessen Messmembran (1) möglichst spannungsfrei ist und dessen Membranelektrode (11) definierte mit geringer Varianz reproduzierbar herstellbare elektrische Eigenschaften aufweist. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Membranelektrode (11) eine auf die Messmembran (1) aufgesputterte Titanschicht (19) und eine auf die Titanschicht (19) aufgesputterte Titandioxidschicht (21) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven keramischen Drucksensor, mit einer unter Einschluss einer Druckkammer auf einem Grundkörper angeordneten, mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran aus Aluminiumoxid, einer einen äußeren Rand der Messmembran unter Einschluss der Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung, und einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom zu messenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran, der einen durch eine auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran angeordnete, an die Aktivhartlötung angrenzende Membranelektrode und eine auf einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers angeordnete Grundkörperelektrode gebildeten Messkondensator umfasst.
Kapazitive keramische Drucksensoren können als Absolutdrucksensoren, als Relativdrucksensoren oder als Differenzdrucksensoren ausgebildet sein und werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt.
In der EP 0 445 382 A2 ist ein kapazitiver keramischer Drucksensor beschrieben, mit

– einer unter Einschluss einer Druckkammer auf einem Grundkörper angeordneten, mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran aus Aluminiumoxid,
– einer einen äußeren Rand der Messmembran unter Einschluss der Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung, und
– einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom zu messenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran, der einen durch eine auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran angeordnete, an die Aktivhartlötung angrenzende Membranelektrode und eine auf einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers angeordnete Grundkörperelektrode gebildeten Messkondensator umfasst.

Die Herstellung kapazitiver keramischer Drucksensoren erfolgt regelmäßig, indem Messmembran und Grundkörper vorgefertigt werden und die Membranelektrode auf die Messmembran und die Grundkörperelektrode auf den Grundkörper aufgebracht werden. Anschließend wird eine Lotschicht aus einem Aktivhartlot zwischen Messmembran und Grundkörper eingebracht und die Anordnung unter Vakuum insgesamt auf eine oberhalb der Schmelztemperatur des Lots liegende Löttemperatur aufgeheizt. Dabei ist der Temperaturbereich, in dem das Aktivhartlot eine hochwertige, druckfeste Fügung ausbildet, vergleichsweise schmal. Ist die Temperatur zu niedrig, ist das Lot nicht hinreichend reaktiv und benetzend genug. Ist die Temperatur zu hoch, besteht die Gefahr, dass aufschmelzendes Lot in die Druckkammer einfließt. In die Druckkammer einfließendes Lot führt zu einer Veränderung der für die Grundkapazität des Messkondensators maßgebliche Höhe der Aktivhartlötung und kann im Extremfall sogar einen Kurzschluss der Kondensatorelektroden zur Folge haben. Die Drucksensoren werden vorzugsweise in größeren Stückzahlen gefertigt. Dabei tritt jedoch in zur Herstellung der Aktivlötungen verwendbaren Lötöfen regelmäßig eine Temperaturverteilung auf, die den verfügbaren Temperaturbereich ausreizt.
Diesem Problem wird bei dem in der EP 0 445 382 A2 beschriebenen Drucksensor dadurch entgegen gewirkt, dass die Membranelektrode als Tantalelektrode ausgebildet wird, auf deren Oberfläche durch thermische oder anodische Oxidation eine Lotstoppschicht aus Tantalpentoxid erzeugt wird, die einer Ausbreitung des Aktivhartlos während des Lötvorgangs entgegenwirkt.
Die thermische Oxidation von Tantal ist ein zeitaufwendiges Verfahren, das regelmäßig mehrere Stunden, z. B. 4 bis 5 Stunden, in Anspruch nimmt. Bei der nur über die Temperatur und die Zeitdauer steuerbaren thermischen Oxidation bilden sich neben dem gewünschten Tantalpentoxid regelmäßig auch niederwertigere Tantaloxide aus. Das führt bei der Herstellung größerer Stückzahlen zu einer gewissen Streubreite der Zusammensetzungen der Oxidschichten. Dabei führen insb. bei der thermischen Oxidation entstehende niederwertige Oxide dazu, dass der Temperaturbereich, in dem die Oxidschicht zuverlässig als Lotstopp einsetzbar ist, nach oben begrenzt ist. Um während der Aktivhartlötung von Messmembran und Grundkörper einen zuverlässigen Lotstopp zu gewährleisten, ist die Löttemperatur, bei der die Aktivhartlötung erfolgt, entsprechend nach oben zu begrenzen.
Darüber hinaus weisen die Tantalschicht und die darauf erzeugte Oxidschicht unterschiedliche thermischem Ausdehnungskoeffizienten auf, was bei einem Einsatz des Drucksensors in einem größerem Temperaturbereich zu thermomechanischen Spannungen führen kann, die sich auf die Druckempfindlichkeit der Messmembran auswirken können.
Des Weiteren können bei sehr dünnen Messmembranen, z.B. Messmembranen mit einer Membranstärke in der Größenordnung von kleiner gleich 100 µm, bei der Erzeugung der Tantaloxidschicht durch thermische Oxidation von Tantal unerwünschte Verbiegungen oder Verwölbungen der Messmembran auftreten, die bei einem Membrandurchmesser in der Größenordnung von mehreren Zentimetern durchaus in der Größenordnung von mehreren 10 µm liegen können. Damit erscheinen Zweischichtsysteme mit einer metallischen Elektrodenschicht und einer darauf erzeugten Oxidschicht für Drucksensoren mit dünnen Messmembranen ungeeignet.
Diesem Problem kann auf die in der DE 10 2013 106 045 A1 beschriebene Weise entgegen gewirkt werden indem auf die Messmembran nur eine einzige Schicht aus Titanoxid aufgebracht wird, die sowohl als Elektrode als auch zugleich als Lotstopp dient. Im Gegensatz zu Tantalpentoxid sind Titanoxide halbleitend und können somit als Elektrodenwerkstoff eingesetzt werden. Dabei wird vorzugsweise nichtstöchiometrisches Titanoxid eingesetzt, da letzteres eine höhere Leitfähigkeit als stöchiometrisches Titanoxid aufweist. Darüber hinaus ist in der DE 10 2013 106 045 A1 beschrieben, die Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials durch eine Dotierung mit Cr, Nb oder W zu erhöhen. Die Präparation der Membranelektrode erfolgt gemäß der DE 10 2013 106 045 A1 vorzugsweise durch reaktives Sputtern. Alternativ kann eine Titanschicht aufgebracht und anschließend durch thermische Oxidation vollständig durchoxidiert werden.
Diese halbleitenden Membranelektroden weisen jedoch empfindlich von der genauen Zusammensetzung des halbleitenden Materials abhängige elektrische Eigenschaften auf. Besonders relevant ist insoweit die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit halbleitender Elektroden, die bei einem Einsatz des Drucksensor in einem größeren Temperaturbereich entsprechend berücksichtigt werden muss.
Darüber hinaus ist es aus der DE 10 2013 105 132 A1 bekannt, den Temperaturbereich in dem eine Lotstoppschicht einen wirksamen Schutz bietet, zu vergrößern, indem als Lotstoppschicht ein Metalloxid oder eine reduzierte Form eines Metalloxids eingesetzt wird, das mindestens eine Oxidationsstufe aufweist, die unter Annahme eines Aktivitätskoeffizienten von 1 bei einer inversen Temperatur von 8·10^–4 /K einen Sauerstoffkoexistenzzersetzungsdruck von größer gleich 10^–23 bar und kleiner gleich 10^–12 bar aufweist und unter Annahme eines Aktivitätskoeffizienten von 1 bei einer inversen Temperatur von 9·10^–4 /K einen Sauerstoffkoexistenzzersetzungsdruck von größer gleich 10^–27 bar und kleiner gleich 10^–15 bar aufweist. Hierzu eignet sich gemäß der DE 10 2013 105 132 A1 z.B. vor dem Aktivhartlöten hoch oxidiertes Titan, wie z.B. TiO₂ oder Ti₄O₇. Die in der DE 10 2013 105 132 A1 beschriebene Lotstoppschicht wird als an die Aktivhartlötung angrenzender Ring auf einen äußeren Randbereich der Messmembran aufgebracht, indem dort eine Titanschicht mit einer Stärke von 100 nm aufgesputtert wird, die anschließend bei einer Temperatur von etwa 600 °C vollständig durchoxidiert wird. Hierzu ist eine Maskierung der nicht zu beschichtenden Oberflächen der Membranelektrode erforderlich. Diese Maskierung kann entfallen, was dann zu einer vollflächigen Beschichtung der Membranelektrode führt. Als Membranelektrode ist in der DE 10 2013 105 132 A1 eine Tantalelektrode mit einer durch thermische Oxidation von deren Oberfläche stabilisierten Oberflächenschicht oder eine Platinelektrode vorgesehen. Bei Tantalelektroden mit einer durch thermische Oxidation stabilisierten Oberflächenschicht besteht jedoch das Problem, dass deren elektrische Eigenschaften von der Schichtdicke und der stöchiometrischen Zusammensetzung der Oxidschicht mitbestimmt werden, die bei der Herstellung größerer Stückzahlen vergleichsweise großen Streuungen unterliegen können. Insoweit ist Platin als Membranelektrodenwerkstoff deutlich besser geeignet. Aber auch bei Platinelektroden lässt es sich nicht gänzlich vermeiden, dass die Platinelektrode während des thermischen Durchoxidierens der ringförmigen Titanschicht anoxidiert, was eine in der Praxis nur unzureichend kontrollierbare Abhängigkeit der elektrischen Eigenschaften der Membranelektrode vom Grad der Oxidation zur Folge hat.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen kapazitiven, keramischen Drucksensor mit einem in einem möglichst großen Temperaturbereich wirksamen Lotstopp anzugeben, dessen Messmembran möglichst spannungsfrei ist und dessen Membranelektrode definierte mit geringer Streubreite reproduzierbar herstellbare elektrische Eigenschaften aufweist.
Hierzu umfasst die Erfindung einen Drucksensor, mit

– einer unter Einschluss einer Druckkammer auf einem Grundkörper angeordneten, mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran aus Aluminiumoxid,
– einer einen äußeren Rand der Messmembran unter Einschluss der Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung, und
– einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom zu messenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran, der einen durch eine auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran angeordnete, an die Aktivhartlötung angrenzende Membranelektrode und eine auf einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers angeordnete Grundkörperelektrode gebildeten Messkondensator umfasst, der sich dadurch auszeichnet, dass
– die Membranelektrode eine auf die Messmembran aufgesputterte Titanschicht und eine auf die Titanschicht aufgesputterte Titandioxidschicht umfasst.

Eine erste Weiterbildung sieht vor, dass die Titanschicht und die darauf aufgesputterte Titandioxidschicht jeweils eine Schichtdicke von weniger als 0,2 µm, insb. von weniger als 0,1 µm, insb. von weniger als 50 nm, aufweisen.
Eine zweite Weiterbildung sieht vor, dass die Titanschicht eine Schichtdicke aufweist, die größer als eine Schichtdicke der Titandioxidschicht ist.
Eine Weiterbildung der zweiten Weiterbildung sieht vor, dass die Titanschicht eine Schichtdicke im Bereich von 100 nm bis 500 nm, insb. von 100 nm bis 200 nm, aufweist und die Titandioxidschicht eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 100 nm, insb. von 20 nm bis 50 nm, aufweist.
Eine dritte Weiterbildung sieht vor, dass die Grundkörperelektrode eine auf den Grundkörper aufgesputterte Titanschicht und eine auf die Titanschicht aufgesputterte Titandioxidschicht umfasst.
Eine vierte Weiterbildung sieht vor, dass

– eine auf der der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers angeordnete Referenzelektrode vorgesehen ist, und
– die Referenzelektrode eine auf den Grundkörper aufgesputterte Titanschicht und eine auf die Titanschicht aufgesputterte Titandioxidschicht umfasst.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, bei dem

– Grundkörper und Messmembran bereitgestellt werden,
– die Membranelektrode auf der dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran aufgebracht wird, indem zunächst die Titanschicht aufgesputtert wird und anschließend die Titiandioxidschicht auf die Titanschicht aufgesputtert wird,
– die Grundkörperelektrode auf der der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers aufgebracht wird, insb. durch Sputtern aufgebracht wird, und
– Grundkörper und Messmembran durch Aktivhartlöten miteinander verbunden werden.

Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, dass

– die Titanschicht durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern aufgebracht wird, und
– die Titandioxidschicht durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern aufgebracht wird.

Eine zweite Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, dass

– die Membranelektrode in einer mit einem Titantarget und einem Titandioxidtarget bestückten Sputteranlage erzeugt wird, und
– die Titandioxidschicht unmittelbar nach dem Aufsputtern der Titanschicht ohne Zwischenbelüftung der Anlage auf die Titanschicht aufgesputtert wird.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass die Membranelektrode genau definierte, durch die metallischen Eigenschaften der Titanschicht dominierte elektrische Eigenschaften aufweist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Messmembran, insb. auch bei sehr geringer Membranstärke, aufgrund der Materialkombination von deren Schichten und deren Aufbringung durch Sputtern praktisch keine herstellungsbedingten durch Verbiegungungen oder Verwölbungen bedingten Vorspannungen aufweist. Darüber hinaus bietet die sehr gute Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Titanschicht, der Titandioxidschicht und der Messmembran aneinander den Vorteil, dass durch die Membranelektrode auch dann nur sehr geringe auf die Messmembran wirkende thermomechanischen Spannungen entstehen, wenn der Drucksensor in einem vergleichsweise großen Temperaturbereich eingesetzt wird. Dementsprechend können mit erfindungsgemäßen Drucksensoren in einem großen Temperaturbereich insb. auch sehr kleine Drücke hochpräzise gemessen werden.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figur der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Um Bestandteile mit sehr unterschiedlichen Abmessungen darstellen zu können wurde eine nicht maßstabsgetreue Darstellung gewählt.
1 zeigt: einen kapazitiven, keramischen Drucksensor.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Dieser umfasst eine mit einem Druck p beaufschlagbare, druckabhängig elastisch verformbare, keramische Messmembran 1 aus Aluminiumoxid (Al₂O₃). Die Messmembran 1 ist auf einem Grundkörper 3 angeordnet ist, der vorzugweise ebenfalls aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht. Messmembran 1 und Grundkörper 3 sind miteinander unter Einschluss einer Druckkammer 5 druckdicht verbunden. Hierzu ist ein äußerer Rand einer dem Grundkörper 3 zugewandten Seite der Messmembran 1 unter Einschluss der Druckkammer 5 mittels einer Aktivhartlötung 7 mit einem äußeren Rand einer der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 3 verbunden. Die Aktivhartlötung 7 kann z.B. eine mit mit einem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot ausgeführte Aktivhartlöung 7 sein. Derartige Aktivhartlote sind z.B. in der EP 0 490 807 A2 beschrieben. Sie weisen den Vorteil eines an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik gut angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.
Der dargestellte Drucksensor kann als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. In dem Fall ist die unter der Messmembran 1 eingeschlossene Druckkammer 5 evakuiert. Alternativ kann er als Relativdrucksensor ausgebildet werden, indem der Druckkammer 5 über eine durch den Grundkörper 3 hindurch führende, in 1 gestrichelt eingezeichnete Bohrung 9 ein Referenzdruck p_ref, z.B. ein Atmosphärendruck, zugeführt wird, bezogen auf den der auf die Messmembran 1 einwirkende Druck p erfasst werden soll.
Der Drucksensor umfasst einen kapazitiven elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran 1 messtechnisch zu erfassen. Dieser umfasst einen Messkondensator mit einer sich in Abhängigkeit von der druckbedingten Auslenkung der Messmembran 1 verändernden Kapazität. Der Messkondensator umfasst eine auf einer dem Grundkörper 3 zugewandten Seite der Messmembran 1 aufgebrachte Membranelektrode 11 und eine auf einer der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 3 aufgebrachte Grundkörperelektrode 13. Die Membranelektrode 11 grenzt an die Aktivhartlötung 7 an und kann z.B. über die Aktivhartlötung 7 elektrisch kontaktiert werden. Der elektrische Anschluss der Grundkörperelektrode 13 erfolgt vorzugsweise über einen in eine durch den Grundkörper 3 hindurch führende Bohrung eingesetzten Kontaktstift 15, z.B. einen Tantalstift, über den eine elektrisch leitfähige Verbindung zur Grundkörperelektrode 13 besteht.
Die druckabhängige Kapazität des Messkondensators bzw. deren Änderungen werden über eine an die Membranelektrode 11 und die Grundkörperelektrode 13 angeschlossene, hier nicht dargestellte Messschaltung erfasst und in ein druckabhängiges Messsignal umgewandelt, das dann zur Anzeige, zur weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.
Optional kann auf der der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 3 zusätzlich eine Referenzelektrode 17 vorgesehen sein, die zusammen mit der Membranelektrode 11 einen Referenzkondensator bildet. In dem Fall ist die Referenzelektrode 17 vorzugsweise als kreisringscheibenförmige Elektrode ausgebildet, die von der Grundkörperelektrode 13 und der Aktivhartlötung 7 beabstandet ist und die – in dem Fall vorzugsweise kreisscheibenförmige – Grundkörperelektrode 13 außenseitlich allseitig umgibt. Wird von dieser Option Gebrauch gemacht, so werden die druckabhängige Kapazität des Messkondensators und die im Wesentlichen druckunabhängige Kapazität des Referenzkondensators mittels einer hier nicht dargestellten Messschaltung erfasst und der zu messende Druck p anhand der beiden Kapazitäten bestimmt. Dabei erfolgt der elektrische Anschluss der Referenzelektrode 17 vorzugsweise ebenfalls über einen durch den Grundkörper 3 hindurch verlaufenden Kontaktstift 15. Bei dieser Ausführungsform wird der zu messende Druck p vorzugsweise anhand einer differentiellen Änderung der beiden Kapazitäten bestimmt, die z.B. anhand des Verhältnisses der Differenz von Mess- und Referenzkapazität zur Messkapazität bestimmt werden kann. Die differentielle Änderung weist eine in hohem Maße lineare Abhängigkeit vom zu messenden Druck p auf. Zugleich wird durch diese Form der Druckbestimmung eine hochwertige Gleichtaktunterdrückung von sich auf beide Kapazitäten gleichermaßen auswirkenden Störsignalen, sowie eine Kompensation von temperaturabhängigen Kapazitätsänderungen erzielt.
Erfindungsgemäß umfasst die an die Aktivhartlötung 7 angrenzende Membranelektrode 11 eine auf die Messmembran 1 aufgesputterte Titanschicht 19 aus Titan (Ti) und eine auf die Titanschicht 19 aufgesputterte Titandioxidschicht 21 aus Titandioxid (TiO₂).
Sowohl die Titanschicht 19 als auch die darauf aufgesputterte Titandioxidschicht 21 weisen vorzugsweise jeweils eine Schichtdicke von weniger als 0,2 µm, vorzugsweise sogar weniger als 0,1 µm, besonders bevorzugt sogar weniger als 50 nm auf.
Wie die nachfolgende Tabelle zeigt, weisen Titan und Titandioxid thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, die dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminiumoxidkeramiken sehr viel ähnlicher sind als die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Tantal und Tantalpendoxid.

Thermischer Ausdehnungskoeffizient [10^–6 /K]

Ta 6,3

Ta₂O₅ 3

Pt 8,8

Ti 8,5

TiO₂ 8,8

Al₂O₃ 8,5–9
Im Unterschied zu Tantal und Tantalpentoxid, die im Vergleich zueinander unterschiedliche Dichten und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, weisen Titan und Titandioxid untereinander deutlich ähnlichere Dichten und thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Darüber hinaus sind die Dichten von Titan und Titandioxid der Dichte von Aluminiumoxid Al₂O₃ sehr viel ähnlicher als die Dichten der im vorgenannten Stand der Technik als bevorzugte Elektrodenmaterialien genannten Werkstoffe Tantal und Platin. Beides erleichtert ein spannungsfreies Aufbringen der Titanschicht 19 und der Titandioxidschicht 21.
Zusätzlich bietet das Aufsputtern der Titandioxidschicht 21 gegenüber thermischen Oxidationsverfahren den Vorteil, dass hierbei keine Veränderung der Dichte und damit auch des Volumen einer bereits aufgebrachten Schicht eintritt und der während des Aussputterns der Titandioxidschicht 21 bereits bestehende Verbund aus Messmembran 1 und Titanschicht 19 nur vergleichsweise geringen thermischen Belastungen ausgesetzt ist.
Bei erfindungsgemäßen Drucksensoren werden somit auch beim Aufsputtern der Titandioxidschicht 21 auf die bereits auf die Messmembran 1 aufgesputterte Titanschicht 19 keine nennenswerten mechanischen und/oder thermomechanischen Kräfte auf die Messmembran 1 ausgeübt. Dementsprechend bilden sich beim Aufsputtern der Titandioxidschicht 21 auf die Titanschicht 19 auch dann keine nennenswerten Verformungen oder Verwölbungen der Messmembran 1 aus, wenn die Messmembran 1 sehr dünn ist. Die Messmembran 1 ist somit nach dem Aufbringen der Membranelektrode 11 weitgehend spannungsfrei.
Im Messbetrieb bietet die sehr gute Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Titan, Titandioxid und Aluminiumoxid den Vorteil, dass durch die Membranelektrode 13 auch dann nur sehr geringe auf die Messmembran 1 wirkende thermomechanischen Spannungen entstehen, wenn der Drucksensor in einem vergleichsweise großen Temperaturbereich eingesetzt wird.
Sowohl die durch die Erfindung erreichte nahezu spannungsfreie Herstellung der Membranelektrode 11 auf der Messmembran 1, als auch die durch die Werkstoffe der Messmembran 1 und der Membranelektrode 11 bewirkte Reduktion von im Messbetrieb durch die Membranelektrode 11 verursachten thermomechanischen Spannungen, bewirkt eine Erhöhung der erzielbaren Messgenauigkeit. Dieser Vorteil ist insb. bei Drucksensoren zur Messung geringer Drücke von Vorteil, deren Messmembran 1 eine geringe Membranstärke, z.B. eine Membranstärke in der Größenordnung von 100 µm oder sogar noch weniger, aufweist, bei denen bereits geringe Vorspannungen der Messmembran 1 zu einer Beeinträchtigung des Druckübertragungsverhalten und damit der Messgenauigkeit führen.
Titan weist einen Elastizitätsmodul auf, der geringer als die Elastizitätsmodule der im vorgenannten Stand der Technik als bevorzugte Elektrodenmaterialien genannten Werkstoffe Tantal und Platin ist. Dementsprechend bieten erfindungsgemäße Drucksensoren den Vorteil, dass durch die vergleichsweise elastische Titanschicht 19 Rückwirkungen der Membranelektrode 11 auf die federelastischen Eigenschaften der Messmembran 1 reduziert werden.
Dieser Vorteil wird vorzugsweise zusätzlich verstärkt, indem die Titanschicht 19 eine Schichtdicke aufweist, die größer als die Schichtdicke der Titandioxidschicht 21 ist. Dabei weist die Titandioxidschicht 21 vorzugsweise eine Schichtdicke auf, die einerseits möglichst gering ist und andererseits ausreichend groß ist, damit die Titandioxidschicht 21 ihre Funktion als Lotstoppschicht in zuverlässiger Weise erfüllen kann. Im Unterschied zu der oben angeführten Variante, bei der die Schichtdicken beider Schichten vorzugsweise gering sind, wird bei dieser Variante vorzugsweise eine Schichtdickenkombination gewählt, bei der die Schichtdicke der Titanschicht 19 vorzugweise im Bereich von 100 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 200 nm, liegt und die Schichtdicke der dünneren Titandioxidschicht 21 vorzugsweise im Bereich 20 nm bis 100 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 20 nm bis 50 nm, liegt.
Bei den erfindungsgemäßen Drucksensoren bietet die aufgesputterte Titandioxidschicht 21 den Vorteil, dass deren stöchiometrische Zusammensetzung und deren Schichtdicke durch Sputtern sehr viel präziser eingestellt werden kann, als das bei der Erzeugung von Oxidschichten durch thermische Oxidationsverfahren möglich ist. Über die präzise Einstellung der Zusammensetzung der Titandioxidschicht 21 wird erreicht, dass diese in einem sehr großen Temperaturbereich einen zuverlässigen Lotstopp bildet.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die elektrischen Eigenschaften der Membranelektrode 11 über die präzise Einstellung der stöchiometrischen Zusammensetzung der Titandioxidschicht 21 und der Schichtdicke der Titanschicht 19 und der Titandioxidschicht 21 genau definiert sind und auch bei der Herstellung großer Stückzahlen nur eine sehr geringe Streubreite aufweisen.
Bei erfindungsgemäßen Drucksensoren wird die für die Druckmessung besonders relevante Leitfähigkeit der Membranelektrode 11 maßgeblich durch die metallische Leitfähigkeit der Titanschicht 19 bestimmt. Das bietet gegenüber Elektroden aus halbleitenden Werkstoffen den Vorteil einer deutlich verringerten Temperaturabhängigkeit der gemessenen Kapazitäten.
Vorzugsweise weisen die Grundkörperelektrode 13 sowie die ggfs. vorgesehene Referenzelektrode 17 ebenfalls jeweils eine auf den Grundkörper 3 aufgesputterte Titanschicht 23, 25 und eine auf die Titanschicht 23, 25 aufgesputterte Titanoxidschicht 27, 29 auf. Das bietet den Vorteil, dass alle Elektroden mit dem gleichen Herstellungsverfahren hergestellt werden können. Da der Grundkörper 3 verglichen mit der Messmembran 1 ein massiver starrer Körper ist, der sich durch bei der Aufbringung bzw. Erzeugung der Elektroden auftretende Kräfte praktisch nicht verformt, können die Grundkörperelektrode 13 sowie die ggfs. vorgesehene Referenzelektrode 17 alternativ aber auch aus anderen Werkstoffen bestehen und/oder auf andere Weise als die Membranelektrode 11 auf den Grundkörper 3 aufgebracht werden.
Die vorliegend am Beispiel eines Absolut- bzw. Relativdrucksensors beschriebene Erfindung ist völlig analog auch in Verbindung mit kapazitiven keramischen Differenzdrucksensoren einsetzbar, die eine unter Einschluss einer Druckkammer auf einem Grundkörper angeordnete mit einem Druck beaufschlagbare, druckabhängig elastisch verformbare Messmembran aus Aluminiumoxid aufweisen, deren äußerer Rand unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers über eine Aktivhartlötung verbunden ist, und die einen kapazitiven elektromechanischen Wandler aufweisen, der einen durch eine auf einer dem Grundkörper zugewandte Seite der Messmembran angeordnete, an die Aktivhartlötung angrenzende Membranelektrode und eine auf einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers angeordnete Grundkörperelektrode gebildeten Messkondensator umfasst.
Erfindungsgemäße Drucksensoren werden hergestellt, indem Messmembran 1 und Grundkörper 3 vorgefertigt werden, die Membranelektrode 11 auf die dem Grundkörper 3 zugewandte Seite der Messmembran 1 aufgebracht wird, die Grundkörperelektrode 13 sowie ggfs. die Referenzelektrode 17 auf die der Messmembran 1 zugewandte Stirnseite des Grundkörpers 3 aufgebracht werden und abschließend die Aktivhartlötung 7 zwischen Grundkörper 3 und Messmembran 1 erzeugt wird.
Das Aufbringen der Membranelektrode 11 erfolgt, indem die Messmembran 1 in eine Sputteranlage eingebracht wird, in der in einem ersten Teilschritt die Titanschicht 19 aufgesputtert wird. Anschließend wird in einem zweiten Teilschritt die Titandioxidschicht 21 auf die Titanschicht 19 aufgesputtert. In beiden Teilschritten erfolgt das Aufbringen der jeweiligen Schicht vorzugsweise durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern. Durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern können dünne, im Wesentlichen porenfreie Schichten in reproduzierbar hoher Qualität hergestellt werden. Gleichstrom-Magnetron-Sputtern weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass die Zusammensetzung der durch Sputtern erzeugten Titandioxidschicht 21 leichter zu kontrollieren ist, als das beim reaktiven Sputtern der Fall ist.
Dabei bietet die präzise Einhaltung der Zusammensetzung der Titandioxidschicht 21 den Vorteil, dass diese Schicht in einem vergleichsweise großen Temperaturbereich einen zuverlässigen Lotstopp bildet.
Darüber hinaus können die Schichtdicken der Titanschicht 19 und der Titandioxidschicht 21 auf reproduzierbare Weise hochpräzise eingestellt werden. Letzteres bietet den Vorteil, dass der Einfluss der Titandioxidschicht 21 auf die im Wesentlichen durch die metallische Leitfähigkeit der Titanschicht 19 dominierten elektrischen Eigenschaften der Membranelektrode 11 bei allen hergestellten Drucksensoren in gleicher und über das Herstellungsverfahren genau definierter Weise auftritt.
Beide Teilschritte werden vorzugsweise in einer mit einem Titantarget und einem Titandioxidtarget bestückten Sputteranlage ausgeführt. Dabei wird die Titanoxidschicht 21 vorzugsweise unmittelbar nach dem Aufsputtern der Titanschicht 19 ohne Zwischenbelüftung der Anlage auf die Titanschicht 19 aufgesputtert. Das bietet den Vorteil, dass hierdurch die physikalischen Randbedingungen, denen die Messmembran 1 während der Erzeugung der Membranelektrode 11 ausgesetzt, über den gesamten Herstellungszeitraum konstant bleiben. Hierdurch wird eine weitere Reduktion von die Messmembran 1 verwölbenden bzw. verspannenden Kräften erreicht.
Alternativ können beide Teilschritte in einer nur mit einem Titantarget bestückten Sputteranlage ausgeführt werden, in der die Titanschicht 19 in einer Argon-Plasma-Atmosphäre aufgesputtert wird und die Titandioxidschicht 21 durch reaktives Sputtern in einer Sauerstoff-Atmosphäre auf die Titanschicht 19 aufgesputtert wird.
Vorzugsweise werden auch die Grundkörperelektrode 13 sowie die ggfs. vorgesehene Referenzelektrode 17 auf die zuvor anhand der Herstellung der Messelektrode 11 beschriebene diese Weise hergestellt. Das bietet den Vorteil, dass alle Elektroden synchron im gleichen Verfahren und in der gleichen Anlage erzeugt werden können.
Nachfolgend werden Messmembran 1 und Grundkörper 3 unter Einschluss der Druckkammer 5 durch Aktivhartlöten druckdicht miteinander verbunden. Hierzu wird zwischen den durch die Aktivhartlötung 7 zu verbindenden äußeren einander zugewandten Rändern von Grundkörper 3 und Messmembran 1 eine Lotschicht angeordnet. Die Lotschicht kann z.B. auf die in der EP 490 807 A1 beschriebene Weise als Lotpaste aufgetragen oder in Form eines vorgefertigten Lotformteils, z.B. eines Lotrings, eingebracht werden. Hierdurch lassen sich Aktivhartlötungen 7 mit einer Höhe von größer gleich 30 µm herstellen. Eine geringere Mindesthöhe der Messmembran 1 und Grundkörper 3 verbindenden Aktivhartlötung 7 und damit einhergehend ein zur Erzielung einer höheren Messgenauigkeit vorteilhafterer geringerer Elektrodenabstand kann gemäß einem in der DE 10 2010 043 119 A1 beschriebenen Verfahren erzielt werden, indem die Lotschicht mittels Gasphasenabscheidung auf eine der Fügeflächen oder anteilig auf beide Fügeflächen aufgebracht wird. Hierdurch können Aktivhartlötungen 7 mit einer Höhe in der Größenordnung von 10 µm hergestellt werden.
Nach dem Einbringen bzw. Aufbringen der Lotschicht wird die durch den Grundkörper 3, die Lotschicht und die Messmembran 1 gebildete Anordnung insgesamt unter Vakuum auf eine oberhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende Löttemperatur aufgeheizt und dort über einen längeren Zeitraum, insb. einen Zeitraum von 5 min bis 15 min, gehalten. Alternativ kann ein in der DE 10 2011 005 665 A1 beschriebenes Aktivhartlötverfahren verwendet werden, bei dem die Lotschicht unter Vakuum durch Laserstrahlung vollständig aufgeschmolzen wird.
Während des Aktivhartlötens wirkt die an das Aktivhartlot angrenzende Titandioxidschicht 21 der Membranelektrode 11 als Lötstopp, der einem Einfließen von geschmolzenem Aktivhartlot in die Druckkammer 5 entgegenwirkt. Dabei bietet Titandioxid TiO₂ den Vorteil, dass es in einem weiten Temperaturbereich, insb. von bis zu 970° C und mehr, einen wirksamen Lotstopp bildet.
Bezugszeichenliste

1: Messmembran
3: Grundkörper
5: Druckkammer
7: Fügung
9: Bohrung
11: Membranelektrode
13: Grundkörperelektrode
15: Kontaktstift
17: Referenzelektrode
19: Titanschicht
21: Titandioxidschicht
23: Titanschicht
25: Titanschicht
27: Titandioxidschicht
29: Titandioxidschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0445382 A2 [0003, 0005]
DE 102013106045 A1 [0009, 0009, 0009]
DE 102013105132 A1 [0011, 0011, 0011, 0011]
EP 0490807 A2 [0025]
EP 490807 A1 [0052]
DE 102010043119 A1 [0052]
DE 102011005665 A1 [0053]

Claims

Drucksensor, mit – einer unter Einschluss einer Druckkammer (5) auf einem Grundkörper (3) angeordneten, mit einem Druck (p) beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran (1) aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), – einer einen äußeren Rand der Messmembran (1) unter Einschluss der Druckkammer (5) mit einem äußeren Rand einer der Messmembran (1) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (3) verbindenden Aktivhartlötung (7), und – einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom zu messenden Druck (p) abhängigen Auslenkung der Messmembran (1), der einen durch eine auf einer dem Grundkörper (3) zugewandten Seite der Messmembran (1) angeordnete, an die Aktivhartlötung (7) angrenzende Membranelektrode (11) und eine auf einer der Messmembran (1) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (3) angeordnete Grundkörperelektrode (13) gebildeten Messkondensator umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – die Membranelektrode (11) eine auf die Messmembran (1) aufgesputterte Titanschicht (19) und eine auf die Titanschicht (19) aufgesputterte Titandioxidschicht (21) umfasst.
Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanschicht (19) und die darauf aufgesputterte Titandioxidschicht (21) jeweils eine Schichtdicke von weniger als 0,2 µm, insb. von weniger als 0,1 µm, insb. von weniger als 50 nm, aufweisen.
Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanschicht (19) eine Schichtdicke aufweist, die größer als eine Schichtdicke der Titandioxidschicht (21) ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanschicht (19) eine Schichtdicke im Bereich von 100 nm bis 500 nm, insb. von 100 nm bis 200 nm, aufweist und die Titandioxidschicht (21) eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 100 nm, insb. von 20 nm bis 50 nm, aufweist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörperelektrode (13) eine auf den Grundkörper (3) aufgesputterte Titanschicht (23) und eine auf die Titanschicht (23) aufgesputterte Titandioxidschicht (27) umfasst.
Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – eine auf der der Messmembran (1) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (3) angeordnete Referenzelektrode (17) vorgesehen ist, und – die Referenzelektrode (17) eine auf den Grundkörper (3) aufgesputterte Titanschicht (25) und eine auf die Titanschicht (25) aufgesputterte Titandioxidschicht (29) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – Grundkörper (3) und Messmembran (1) bereitgestellt werden, – die Membranelektrode (11) auf der dem Grundkörper (3) zugewandten Seite der Messmembran (1) aufgebracht wird, indem zunächst die Titanschicht (19) aufgesputtert wird und anschließend die Titandioxidschicht (21) auf die Titanschicht (19) aufgesputtert wird, – die Grundkörperelektrode (13) auf der der Messmembran (1) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (3) aufgebracht wird, insb. durch Sputtern aufgebracht wird, und – Grundkörper (3) und Messmembran (1) durch Aktivhartlöten miteinander verbunden werden.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Titanschicht (19) durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern aufgebracht wird, und – die Titandioxidschicht (21) durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Membranelektrode (11) in einer mit einem Titantarget und einem Titandioxidtarget bestückten Sputteranlage erzeugt wird, und – die Titandioxidschicht (21) unmittelbar nach dem Aufsputtern der Titanschicht (19) ohne Zwischenbelüftung der Anlage auf die Titanschicht (19) aufgesputtert wird.