DE102017130426A1

DE102017130426A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102017130426A1
Application number: DE102017130426.6A
Authority: DE
Inventors: Nils Ponath; Andreas Rossberg; Elke Schmidt; Ulfert Drewes
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-06-19

Abstract

Es ist eine Drucksensor beschrieben, mit einer mit einem Druck (p) beaufschlagbaren Messmembran (1), deren äußerer Rand unter Einschluss einer Druckkammer (3) mittels einer Fügung (7) mit einem Grundkörper (5) verbunden ist, einem elektromechanischen Wandler, der eine vom auf die Messmembran (1) einwirkenden Druck (p) abhängige Durchbiegung der Messmembran (1) in eine elektrische Größe umwandelt, und einer in einem äußeren Randbereich des Grundkörpers (5) angeordneten Vertiefung (9), die eine der Messmembran (1) zugewandte planare Oberfläche (11) des Grundkörpers (5) außenseitlich allseitig begrenzt, bei dem die Fügung (7) derart in die Vertiefung (9) eingebracht ist, dass ein Abstand zwischen der Messmembran (1) und einer der Messmembran (1) zugewandten Bodenfläche (13) der Vertiefung (9) echt größer als ein Abstand zwischen der Messmembran (1) und der planaren Oberfläche (11) ist, bei dem eine hohe Überlastfestigkeit und ein möglichst geringer temperaturabhängiger Messfehler dadurch erzielt wird, dass die Fügung (7) einen inneren Randbereich (15) umfasst, der sich über äußeren Rand der planaren Oberfläche (11) erstreckt, wobei der äußere Rand der Oberfläche (11) eine Oberflächenrauheit (R) von kleiner gleich 0,5 µm aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, mit
einer mit einem Druck beaufschlagbaren Messmembran, deren äußerer Rand unter Einschluss einer Druckkammer mittels einer Fügung mit einem Grundkörper verbunden ist,
einem elektromechanischen Wandler, der eine vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängige Durchbiegung der Messmembran in eine elektrische Größe umwandelt, und
einer in einem äußeren Randbereich des Grundkörpers angeordneten Vertiefung, die eine der Messmembran zugewandte planare Oberfläche des Grundkörpers außenseitlich allseitig begrenzt,
bei dem die Fügung derart in die Vertiefung eingebracht ist, dass ein Abstand zwischen der Messmembran und einer der Messmembran zugewandten Bodenfläche der Vertiefung echt größer als ein Abstand zwischen der Messmembran und der planaren Oberfläche ist.
Drucksensoren dieser Art umfassen als Absolutdrucksensor, als Relativdrucksensor und als Differenzdrucksensor ausgebildete Sensoren und werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt.
Keramische Drucksensoren weisen den Vorteil auf, dass deren keramische Messmembran unmittelbar einem 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. Insb. sind Druckmittler, die den zu messenden Druck mittels einer Druck übertragenden Flüssigkeit auf den Drucksensor übertragen, nicht erforderl ich.
Zur Fügung von keramischen Drucksensoren werden z.B. Aktivhartlote, wie z.B. die in der EP 0490 807 A2 beschriebenen Zirkonium, Nickel und Titan enthaltenden ternären Aktivhartlote, eingesetzt. Diese Aktivhartlote bieten den Vorteil, dass sie ein direktes Löten von keramischen Bauteilen ohne zusätzliche Metallisierung ermöglichen. Derartige Aktivhartlote können in Form von Folien beispielsweise durch ein Meltspinning-Verfahren hergestellt werden, wobei technisch bedingt nur Folien mit einer Materialstärke von größer gleich 25 µm hergestellt werden können. Eine nachträgliche Bearbeitung der Folien zur Reduzierung der Materialstärke, beispielsweise mittels eines Walzverfahrens, ist regelmäßig nicht möglich. Entsprechend weisen aus diesen Folien hergestellte Fügungen eine Schichtdicke von größer gleich 25 µm auf.
Diese vergleichsweise große Schichtdicke führt bei keramischen Drucksensoren, deren Messmembran mittels einer solchen, die unter der Messmembran eingeschlossene Druckkammer außenseitlich allseitig umgebenden Fügung mit dem Grundkörper verbunden ist, zu einem entsprechend großen Abstand zwischen der Messmembran und dem Grundkörper.
Ein größerer Abstand zwischen Messmembran und Grundkörper führt bei kapazitiven, keramischen Drucksensoren regelmäßig zu einer Verschlechterung der erzielbaren Messauflösung. Das liegt daran, dass diese Drucksensoren die von dem auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängige Durchbiegung der Messmembran mittels eines Messkondensator erfassen, der eine auf dem Grundkörper angeordnete Messelektrode und eine auf der Messmembran angeordnete Gegenelektrode umfasst. Dabei ist die Kapazität des Messkondensators, deren druckabhängige Veränderungen erfasst werden müssen, umso geringer, je größer der Elektrodenabstand zwischen Messelektrode und Gegenelektrode ist.
Unabhängig von der Art des im Drucksensor eingesetzten elektromechanischen Wandlers weisen Drucksensoren, bei denen der Abstand zwischen Messmembran und Grundkörper größer als ein maximaler, innerhalb des Druckmessbereichs auftretender Membranhub der Messmembran ist, eine vergleichsweise geringe Überlastfestigkeit auf. Ursache hierfür sind insb. bei einer Druckbeaufschlagung der Messmembran auftretende Spannungskonzentrationen in an die Innenkanten der Fügung angrenzenden Bereichen des Drucksensors. Die hierdurch auf die Messmembran ausgeübten Kräfte sind umso größer, je stärker die Messmembran durchgebogen wird und können im Falle einer Überlast zur Beschädigung oder sogar zur Zerstörung der Messmembran führen. Mit Überlast wird vorliegend eine Druckbeaufschlagung der Messmembran mit einem den Druckmessbereich des Drucksensors übersteigenden Druck bezeichnet. Im Hinblick auf die Überlastfestigkeit wäre es daher von Vorteil, wenn der Abstand zwischen Messmembran und Grundkörper so gering gehalten werden könnte, dass sich die Messmembran im Falle einer darauf einwirkenden Überlast auf dem Grundkörper abstützen kann.
In der DE 100 36 433 A1 ist ein kapazitiver, keramischer Drucksensor beschrieben, bei dem infolge von Kerbspannungen im Bereich eines inneren Randes der Fügung entstehende Spannungskonzentrationen durch eine in den Grundkörper eingebrachte, an eine Innenkante der Fügung angrenzende Nut in den Grundkörper hinein verlagert werden. In der DE 100 36 433 A1 ist hierzu ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem in einem äußeren, der Messmembran zugewandten Randbereich des Grundkörpers eine Vertiefung angeordnet ist, in die die den Grundkörper mit der Messmembran verbindende Fügung eingebracht ist. Diese Fügung umfasst einen inneren Randbereich, der sich über einen äußeren Rand der außenseitlich von der Vertiefung umgebenen Oberfläche des Grundkörpers bis zu der Nut erstreckt. Dieser Drucksensor umfasst ein konkav geschliffenes Membranbett, das außenseitlich allseitig von der Nut umgeben ist.
Die Nut kann z.B. vor dem Sintern des keramischen Grundkörpers in den Grundkörper eingepresst oder nachträglich mittels eines Material abtragenden Verfahrens in den Grundkörper eingebracht werden. Die Herstellung der Nut führt jedoch zwangsläufig zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität der an die Nut angrenzenden Oberflächenbereiche des Grundkörpers.
In der DE 10 2014 117 911 A1 ist ein kapazitiver, keramischer Drucksensor beschrieben, mit
einer mit einem Druck beaufschlagbaren Messmembran, deren äußerer Rand unter Einschluss einer Druckkammer mittels einer Fügung mit einem Grundkörper verbunden ist,
einem elektromechanischen Wandler, der eine vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängige Durchbiegung der Messmembran in eine elektrische Größe umwandelt, und
einer in einem äußeren Randbereich des Grundkörpers angeordneten Vertiefung, die eine der Messmembran zugewandte planare Oberfläche des Grundkörpers außenseitlich allseitig begrenzt,
bei dem die Fügung derart in die Vertiefung eingebracht ist, dass ein Abstand zwischen der Messmembran und einer der Messmembran zugewandten Bodenfläche der Vertiefung echt größer als ein Abstand zwischen der Messmembran und der planaren Oberfläche ist.
Bei diesem Drucksensor ist die Fügung als hohlzylindrische Fügung ausgebildet, deren Höhe gleich dem Abstand zwischen Messmembran und Bodenfläche ist und dessen Zylinderwandstärke der radialen Breite der Bodenfläche der Vertiefung entspricht.
Dieser Drucksensor bietet den Vorteil, dass der Abstand zwischen Messmembran und Grundkörper unabhängig von der Schichtdicke der Fügung durch eine dementsprechende Dimensionierung der Tiefe der Vertiefung im Hinblick auf die erzielbare Messauflösung und/oder die Überlastfestigkeit des Drucksensors optimiert werden kann.
Die Vertiefung kann z.B. vor dem Sintern des keramischen Grundkörpers in den Grundkörper eingepresst oder nachträglich, z.B. durch ein Material abtragendes Verfahren, in dem Grundkörper erzeugt werden. Die Herstellung der Vertiefung führt jedoch zwangsläufig zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität der an die Vertiefung angrenzenden Oberflächenbereiche des Grundkörpers.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass Drucksensoren, deren Grundkörper in einem an eine Innenkante der Fügung angrenzenden Bereich von deren der Messmembran zugewandten Oberfläche eine verschlechterte Oberflächenqualität aufweisen, einen vergleichsweise großen von der Temperatur abhängigen Messfehler aufweisen, der sich insb. in Form einer temperaturabhängigen Drift des Sensornullpunkts zeigt. Das ist insofern überraschend, als Inhomogenitäten der Oberfläche regelmäßig von dem Fügematerial der darauf erzeugten Fügung ausgeglichen werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor der eingangs genannten Art anzugeben, der eine hohe Überlastfestigkeit und einen möglichst geringen temperaturabhängigen Messfehler aufweist.
Hierzu umfasst die Erfindung einen Drucksensor, mit
einer mit einem Druck beaufschlagbaren Messmembran, deren äußerer Rand unter Einschluss einer Druckkammer mittels einer Fügung mit einem Grundkörper verbunden ist,
einem elektromechanischen Wandler, der eine vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängige Durchbiegung der Messmembran in eine elektrische Größe umwandelt, und
einer in einem äußeren Randbereich des Grundkörpers angeordneten Vertiefung, die eine der Messmembran zugewandte planare Oberfläche des Grundkörpers außenseitlich allseitig begrenzt,
bei dem die Fügung derart in die Vertiefung eingebracht ist, dass ein Abstand zwischen der Messmembran und einer der Messmembran zugewandten Bodenfläche der Vertiefung echt größer als ein Abstand zwischen der Messmembran und der planaren Oberfläche ist, der sich dadurch auszeichnet, dass die Fügung einen inneren Randbereich umfasst, der sich über äußeren Rand der planaren Oberfläche erstreckt, wobei der äußere Rand der Oberfläche eine Oberflächenrauheit von kleiner gleich 0,5 µm aufweist.
Erfindungsgemäße Drucksensoren weisen den Vorteil auf, dass durch die durch die geringe Oberflächenrauheit des äußeren Randes der planaren Oberfläche erzielte hohe Oberflächenqualität eine entsprechend homogene Schichtdicke des inneren Randbereichs der Fügung erzielt wird. Die Homogenität der Schichtdicke führt wiederum zu einer entsprechend homogenen thermischen Ausdehnung des inneren Randbereichs der Fügung. Außerdem wird hierdurch eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Einspannung des durch den auf die Messmembran einwirkenden Druck auslenkbaren Membranbereichs der Messmembran erzielt. Diese Rotationssymmetrie besteht bzgl. einer Rotationsachse, die durch eine durch eine Membranmitte der Messmembran hindurch verlaufende Flächennormale auf die Messmembran gebildet ist. Sowohl die Homogenität der Schichtdicke als auch die Rotationssymmetrie der Membraneinspannung bewirken eine Reduktion der Temperaturabhängigkeit der Verformbarkeit der Messmembran. Entsprechend weisen erfindungsgemäße Drucksensoren einen geringeren temperaturabhängigen Messfehler auf als die eingangs beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren.
Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die planare Oberfläche als eine mittels eines Flachschleifverfahrens glatt geschliffene Oberfläche ausgebildet ist.
Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der innere Randbereich der Fügung eine Randbreite von größer gleich 100 µm aufweist.
Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fügung einen zwischen dem inneren Randbereich der Fügung und einem äußeren Randbereich der Fügung angeordneten Übergangsbereich umfasst, dessen Schichtdicke in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender, radial nach innen weisender Richtung kontinuierlich abnimmt.
Eine erste Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fügung 7 einen äußeren Randbereich 17 umfasst, der eine Schichtdicke von größer gleich 25 µm aufweist.
Eine vierte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der innere Randbereich der Fügung eine in Abhängigkeit von einer Membranstärke der Messmembran und einer Größe einer durch den auf die Messmembran einwirkenden Druck verformbaren Membranfläche der Messmembran vorgegebene Schichtdicke aufweist, die derart bemessen ist, dass die Messmembran bei einer darauf einwirkenden Überlast auf der Oberfläche oder einer ggfs. auf der Oberfläche angeordneten Komponente des Drucksensors zur Auflage kommt.
Eine fünfte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Wandler einen Messkondensator mit einer sich in Abhängigkeit von der vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängigen Durchbiegung der Messmembran verändernden Kapazität aufweist,
der Messkondensator eine auf einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers aufgebrachte Messelektrode und eine auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran aufgebrachte Gegenelektrode umfasst, und
der innere Randbereich der Fügung eine Schichtdicke aufweist, die derart bemessen ist, dass sich die Messelektrode und die Gegenelektrode in einem in Abhängigkeit von einer Membranstärke der Messmembran und einer Größe einer durch den auf die Messmembran einwirkenden Druck verformbaren Membranfläche der Messmembran ermittelten, eine Messauflösung des Drucksensors optimierenden Elektrodenabstand voneinander befinden.
Eine sechste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der innere Randbereich der Fügung eine Schichtdicke von kleiner gleich 25 µm, eine Schichtdicke von kleiner gleich 20 µm oder eine Schichtdicke im Bereich von 5 µm bis 15 µm aufweist.
Ein siebte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messmembran eine in Abhängigkeit von einem Druckmessbereich des Drucksensors vorgegebene Membranstärke von 0,025 mm bis 3 mm und/oder eine durch den darauf einwirkenden Druck auslenkbare Membranfläche mit einem Durchmesser von einem oder mehreren Zentimetern aufweist, und der innere Randbereich der Fügung eine Schichtdicke im Bereich von 5 µm bis 15 µm aufweist.
Weitere Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass die Fügung die Druckkammer außenseitlich allseitig umgibt, die Messmembran aus Keramik besteht, der Grundkörper aus Keramik besteht, und/oder die Fügung eine Aktivhartlötung umfasst.
Weitere Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass der Drucksensor als Absolutdrucksensor, als Referenzdrucksensor oder als Differenzdrucksensor ausgebildet ist.
Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, das sich dadurch auszeichnet, dass
die Messmembran und der Grundkörper einschließlich der Vertiefung vorgefertigt werden,
die planare Oberfläche des Grundkörpers mittels eines Flachschleifverfahrens glatt geschliffen wird,
Fügematerial in Form eines ringscheibenförmigen Körpers derart auf dem Grundkörper angeordnet wird, dass ein innerer Randbereich des Körpers auf dem äußeren Rand der glatt geschliffenen Oberfläche aufliegt und der Körper die Vertiefung überdeckt,
die Messmembran auf dem Fügematerial angeordnet wird und
die auf diese Weise erzeugte Anordnung einem Fügeverfahren unterzogen wird, bei dem aufgeschmolzenes Fügematerial in die Vertiefung (9) eintritt und diese im Wesentlichen vollständig ausfüllt.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Vertiefung vor dem Sintern des keramischen Grundkörpers in den Grundkörper eingepresst oder nachträglich durch ein Material abtragendes Verfahren in dem Grundkörper erzeugt wird.
Eine erste Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Fügematerial in Form eines ringscheibenförmigen Körpers bereitgestellt wird, dessen Ringscheibenbreite im Wesentlichen gleich einer Breite einer den inneren Randbereich umfassenden, an die Messmembran angrenzenden Oberschicht der herzustellenden Fügung ist.
Eine zweite Weiterbildung des Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
als Fügeverfahren ein Aktivhartlötverfahren eingesetzt wird, bei dem die Anordnung unter Vakuum insgesamt auf eine oberhalb einer Schmelztemperatur eines als Fügematerial eingesetzten Aktivhartlots liegende Löttemperatur aufgeheizt, und
vor der Ausführung des Fügeverfahrens auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran eine als Lotstopp dienende Gegenelektrode oder eine Lotstoppschicht aufgebracht wird, die einem Eindringen von Fügematerial in die Druckkammer entgegenwirkt.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figur der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Um Komponenten unterschiedlicher Größe dargestellten zu können, wurde eine nicht maßstabsgetreue Darstellung gewählt.
1 zeigt: einen erfindungsgemäßen Drucksensor.
1 zeigt eine Schnittzeichnung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Dieser umfasst eine mit einem Druck p beaufschlagbare Messmembran 1, deren äußerer Rand unter Einschluss einer Druckkammer 3 mit einem Grundkörper 5 verbunden ist.
Zusätzlich umfasst der Drucksensor einen elektromechanischen Wandler, der derart ausgebildet ist, dass er eine vom auf die Messmembran 1 einwirkenden Druck abhängige Durchbiegung der Messmembran 1 in eine elektrische Größe umwandelt. Diese elektrische Größe kann z.B. mittels einer hier nicht dargestellten an den Wandler anzuschließenden Messschaltung messtechnisch erfasst und in ein von dem zu messenden Druck abhängiges elektrisches Signal umgewandelt werden, das dann zur Anzeige gebracht, als Messsignal ausgegeben und/oder für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung gestellt werden kann.
Messmembran 1 und Grundkörper 5 bestehen aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), und sind miteinander mittels einer die Druckkammer 3 außenseitlich allseitig umgebenden Fügung 7 druckdicht verbunden. Als Fügung 7 eignet sich z.B. eine Aktivhartlötung, wie z.B. eine mittels eines Zirkonium, Nickel und Titan enthaltenden Aktivhartlots erzeugte Fügung.
In einem äußeren, der Messmembran 1 zugewandten Randbereich des Grundkörpers 5 ist eine Vertiefung 9 angeordnet, die eine der Messmembran 1 zugewandte, planare Oberfläche 11 des Grundkörpers 5 außenseitlich allseitig begrenzt. Die Fügung 7 ist derart in die Vertiefung 9 eingebracht, dass ein Abstand zwischen der Messmembran 1 und einer der Messmembran 1 zugewandten Bodenfläche 13 der Vertiefung 9 echt größer als ein Abstand zwischen der Messmembran 1 und der planaren Oberfläche 11 ist.
Erfindungsgemäß umfasst die Fügung 7 einen inneren Randbereich 15, der sich über einen äußeren Rand der planaren Oberfläche 11 erstreckt, wobei der äußere Rand der Oberfläche 11 eine Oberflächenrauheit R_a von kleiner gleich 0,5 µm aufweist.
Diese geringe Oberflächenrauheit R_a des äußeren Randes der planaren Oberfläche 11 wird vorzugsweise dadurch erzielt, dass die planare Oberfläche 11 als eine mittels eines Flachschleifverfahrens glatt geschliffene Oberfläche 11 ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich eine extrem hohe Oberflächenqualität der gesamten Oberfläche 11 des Grundkörpers 5 einschließlich deren äußeren Randes erzielen.
Erfindungsgemäße Drucksensoren weisen die zuvor bereits genannten Vorteile auf. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die rotationssymmetrische Membraneinspannung eine Erhöhung der Überlastfestigkeit des Drucksensors erzielt wird. Letzteres ist insb. darauf zurück zu führen, dass die Rotationssymmetrie der Einspannung eine sehr gleichmäßige Verteilung von auf den an die Innenkante der Fügung 7 angrenzenden Bereich der Messmembran 1 einwirkenden Spannungen erzielt wird und durch Asymmetrien bedingte lokale Spannungsspitzen vermieden werden.
Optional kann die Fügung 7 bei entsprechender Formgebung der Vertiefung 9 einen in 1 als Option dargestellten, zwischen einem äußeren Randbereich 17 der Fügung 7 und dem inneren Randbereich 15 der Fügung 7 angeordneten Übergangsbereich 19 umfassen, dessen Schichtdicke in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran 1 verlaufender, radial nach innen weisender Richtung kontinuierlich abnimmt. Bei dieser Ausführungsform weist der Grundkörper 5 z.B. auf dessen der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite eine von der Bodenfläche 13 der Vertiefung 9 bis zur Außenkante des äußeren Rands der planaren Oberfläche 11 verlaufende Fase 20 auf.
Alternativ kann die Vertiefung und dementsprechend auch die Fügung auch eine andere Formgebung aufweisen. So kann die Vertiefung als stufenförmige bzw. kreisringscheibenförmige Ausnehmung ausgebildet sein.
Erfindungsgemäße Drucksensoren können z.B. als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. In diesem Fall ist die unter der Messmembran 1 eingeschlossene Druckkammer 3 evakuiert. Alternativ können sie als Relativdrucksensor ausgebildet sein, dessen Druckkammer 3 über eine durch den Grundkörper 5 hindurch verlaufende, in 1 als Option gestrichelt eingezeichnete Druckzuleitung 21 mit einem Referenzdruck p_ref , z.B. einem Atmosphärendruck, beaufschlagbar ist, bezogen auf den der auf die Messmembran 1 einwirkende Druck p erfasst werden soll. Ebenso ist die Erfindung natürlich völlig analog auch in Differenzdrucksensoren einsetzbar, die eine unter Einschluss einer Druckkammer mittels einer Fügung mit einem Grundkörper verbundene, mit einem Druck beaufschlagbare Messmembran aufweisen.
Als elektromechanische Wandler können aus dem Stand der Technik bekannte Wandler, wie z.B. optische, kapazitive, piezoelektrische oder resistive Wandler, eingesetzt werden. 1 zeigt als ein Beispiel einen kapazitiven Wandler, der einen Messkondensator mit einer sich in Abhängigkeit von der druckbedingten Durchbiegung der Messmembran 1 verändernden Kapazität aufweist. Der Messkondensator umfasst eine auf einer der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 5 angeordnete Messelektrode 23 und eine auf einer dem Grundkörper 5 zugewandten Seite der Messmembran 1 angeordnete Gegenelektrode 25. Die Gegenelektrode 25 erstreckt sich über die dem Grundkörper 5 zugewandte Seite der Messmembran 1 bis zur Fügung 7 und kann z.B. über die elektrisch leitfähige Fügung 7 kontaktiert werden. Der elektrische Anschluss der Messelektrode 23 erfolgt z.B. über eine durch den Grundkörper 5 hindurch verlaufende Durchführung 27.
Optional kann der kapazitive Wandler zusätzlich einen Referenzkondensator umfassen, dessen Kapazität sich gar nicht oder nur in deutlich geringem Maße als die Kapazität des Messkondensators in Abhängigkeit von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran 1 verändert. 1 zeigt als Beispiel einen durch die Gegenelektrode 25 und eine die Messelektrode 23 außenseitlich umgebende Referenzelektrode 29 gebildeten Referenzkondensator, dessen Referenzelektrode 29 über eine durch den Grundkörper 5 hindurch verlaufende Durchführung 27 kontaktierbar ist. Bei dieser Ausführungsform wird auch die Referenzkapazität mittels der an den elektromechanischen Wandler anzuschließenden Messschaltung erfasst und kann z.B. zur Kompensation einer von der Temperatur abhängigen Änderung der Messkapazität genutzt werden.
Die Messelektrode 23, die Gegenelektrode 25 und/oder die Referenzelektrode 29 bestehen jeweils aus einem leitfähigen Material, wie z.B. einem Tantal, Tantaloxid, Titan und/oder Titanoxid umfassenden Material.
In Verbindung mit einem kapazitiven elektromechanischen Wandler bieten erfindungsgemäße Drucksensoren den Vorteil, dass ein Elektrodenabstand zwischen der Messelektrode 23 und der Gegenelektrode 25 durch eine dementsprechende Bemessung einer Tiefe der Vertiefung 9 im Wesentlichen unabhängig von der dem Abstand zwischen der Messmembran 1 und der Bodenfläche 13 der Vertiefung 9 entsprechenden Schichtdicke D des äußeren Randbereichs 17 der Fügung 7 eingestellt werden kann. Hierzu wird die Schichtdicke d des inneren Randbereiches 15 der Fügung 7 vorzugsweise derart bemessen, dass sich die Messelektrode 23 und die Gegenelektrode 25 in einem in Abhängigkeit von einer Membranstärke der Messmembran 1 und der Größe der durch den auf die Messmembran 1 einwirkenden Druck p auslenkbaren Membranfläche der Messmembran 1 ermittelten, eine Messauflösung des Drucksensors optimierenden Elektrodenabstand voneinander befinden. Hierdurch wird insb. erreicht, dass auch dann noch ein für die Messauflösung vorteilhafter geringer Elektrodenabstand vorliegt, wenn die Schichtdicke D des äußeren Randbereich 17 der Fügung 7 aus fertigungstechnischen Gründen deutlich größer als der die Messauflösung optimierende Elektrodenabstand ist. Dabei kann der äußere Randbereich 17 der Fügung 7 ohne Weiteres eine Schichtdicke D von größer gleich 25 µm aufweisen.
Unabhängig von der Wahl des elektromechanischen Wandlers bietet die Vertiefung 9 den Vorteil, dass der der Schichtdicke d des inneren Randbereichs 15 der Fügung 7 entsprechende Abstand zwischen der Messmembran 1 und der planaren Oberfläche 11 des Grundkörpers 5 durch eine dementsprechende Bemessung der Tiefe der Vertiefung 9 unabhängig von der Schichtdicke D des äußeren Randbereichs 17 der Fügung 7 im Hinblick auf die Erzielung einer möglichst hohen Überlastfestigkeit des Drucksensors optimiert werden kann. Hierzu wird die Schichtdicke d des inneren Randbereichs 15 der Fügung 7 vorzugsweise in Abhängigkeit von der Membranstärke der Messmembran 1 und der Größe der durch den auf die Messmembran 1 einwirkenden Druck verformbaren Membranfläche derart bemessen, dass die Messmembran 1 im Falle einer darauf einwirkenden Überlast auf der Oberfläche 11 des Grundkörpers 5 oder einer ggfs. auf der Oberfläche 11 angeordneten Komponente, wie z.B. der in 1 dargestellten Messelektrode 23, zur Auflage kommt.
Im Hinblick auf die Herstellbarkeit des inneren Randbereichs 15 der Fügung 7, sowie die Reduktion des temperaturabhängigen Messfehlers hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass der innere Randbereich 15 der Fügung 7 eine Schichtdicke d von kleiner gleich 25 µm aufweist, wobei die Schichtdicke d vorzugsweise sogar kleiner gleich 20 µm ist und besonders bevorzugt im Bereich von 5 µm bis 15 µm liegt.
Dabei kann zugleich auch der gewünschten Optimierung der Überlastfestigkeit, sowie ggfs. auch der Optimierung des Elektrodenabstands Rechnung getragen werden. Betrachtet man als Beispiel einen Drucksensor, dessen Messmembran 1 eine in Abhängigkeit vom Druckmessbereich vorgegebene Membranstärke im Bereich von 0,025 mm bis 3,0 mm und/oder eine durch den darauf einwirkenden Druck verformbare Membranfläche mit einem Membrandurchmesser von einem oder mehreren Zentimetern aufweist, so weist der innere Randbereich 15 der Fügung 7 im Hinblick auf die Optimierung der Überlastfestigkeit, sowie ggfs. auch des Elektrodenabstands vorzugsweise eine Schichtdicke d auf, die je nach Membranstärke und Größe der Membranfläche vorzugsweise im Bereich von 5 µm bis 15 µm liegt.
Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Drucksensoren wird vorzugsweise derart verfahren, dass die Messmembran 1 und der Grundkörper 5 einschließlich der Vertiefung 9 vorgefertigt werden. Dabei kann die Vertiefung 9 z.B. vor dem Sintern des keramischen Grundkörpers 5 in den Grundkörper 5 eingepresst oder nachträglich z.B. durch ein Material abtragendes Verfahren in dem Grundkörper 5 erzeugt werden.
Anschließend wird die planare Oberfläche 11 des Grundkörpers 5 mittels eines Flachschleifverfahrens glatt geschliffen. Hierzu können zur Erzielung einer Oberflächenrauheit R_a von kleiner gleich 0,5 µm geeignete Flachschleifverfahren eingesetzt werden.
Bei kapazitiven Drucksensoren wird die Messelektrode 23, sowie ggfs. auch die Referenzelektrode 29 auf die glatt geschliffene Oberfläche 11 des Grundkörper 5 aufgebracht und die Gegenelektrode 25 auf die Messmembran 1 aufgebracht. Beide Elektroden können z.B. durch physikalische Gasphasenabscheidung, insb. durch Sputtern, aufgebracht werden.
Anschließend wird die Fügung 7 erzeugt. Dabei wird vorzugsweise derart verfahren, dass Fügematerial in Form eines ringscheibenförmigen Körpers, wie z.B. einem Lotring, derart auf dem Grundkörper 5 angeordnet wird, dass ein innerer Randbereich des Körpers auf dem äußeren Rand der glatt geschliffenen Oberfläche 11 aufliegt und der Körper die Vertiefung 9 überdeckt. Hierzu kann der Körper z.B. eine Ringscheibenbreite aufweisen, die im Wesentlichen gleich einer Breite einer den inneren Randbereich 15 umfassenden, an die Messmembran 1 angrenzenden Oberschicht der herzustellenden Fügung 7 ist.
Im Anschluss wird die Messmembran 1 auf dem Fügematerial angeordnet und die auf diese Weise erzielte Anordnung einem Fügeverfahren unterzogen, bei dem aufgeschmolzenes Fügematerial in die Vertiefung 9 eintritt und diese im Wesentlichen vollständig ausfüllt.
Dieses Vorgehen bietet gegenüber alternativ einsetzbaren Verfahren den Vorteil, dass das den inneren Randbereich 15 der herzustellenden Fügung 7 bildende Fügematerial bereits vor der Ausführung des Fügeverfahrens an Ort und Stelle vorhanden ist und nicht erst während des Fügeverfahrens in den zwischen der Messmembran 1 und der Oberfläche 11 des Grundkörpers 5 bestehenden Spalt eintreten muss. Das ist insb. im Hinblick auf die damit erzielbare Qualität der Fügung 7, die Homogenität der Schichtdicke d des inneren Randbereichs 15 der Fügung 7 und die Rotationssymmetrie der Membraneinspannung von Vorteil.
Bei diesem Verfahrensschritt bieten Grundkörper 5, die die in 1 dargestellte Fase 20 aufweisen den Vorteil, dass die Fase 20 das Eindringen des Fügematerials in die Vertiefung 9 und das Ausfüllen der Vertiefung 9 erleichtert.
In Verbindung mit den oben genannten Aktivhartloten kann zur Erzeugung der Fügung 7 z.B. ein Aktivhartlötverfahren eingesetzt werden, bei dem die Anordnung unter Vakuum insgesamt auf eine oberhalb der Schmelztemperatur des Lots liegende Löttemperatur aufgeheizt wird.
Während des Fügeverfahrens wirkt die Gegenelektrode 25 als Lotstopp, der einem Eindringen von geschmolzenem Fügematerial in die Druckkammer 3 entgegenwirkt. Bei Drucksensoren ohne Gegenelektrode 25 kann einem Eindringen von geschmolzenem Fügematerial in die Druckkammer 3 auch auf andere Weise entgegen gewirkt werden. So kann beispielsweise auf die dem Grundkörper 5 zugewandte Seite der Messmembran 1 eine Lotstoppschicht, z.B. eine als kreisscheibenförmige oder kreisringscheibenförmige Beschichtung auf die Messmembran 1 aufgebracht Lotstoppschicht, vorgesehen werden. Die Lotstoppschicht kann z.B. aus einem geeigneten Metalloxid bestehen und/oder z.B. durch physikalische Gasphasenabscheidung, insb. durch Sputtern, aufgebracht werden.
Im Hinblick auf Herstellung der in hohem Maße homogenen Schichtdicke d des inneren Randbereichs 15 der Fügung 7 und/oder die Erzeugung der in hohem Maße rotationssymmetrischen Membraneinspannung weist der innere Randbereich 15 vorzugsweise eine Randbreite b von größer gleich 100 µm auf. Hierdurch ist zugleich auch eine ausreichend hohe mechanische Stabilität und Belastbarkeit des inneren Randbereichs 15 sichergestellt.
Bezugszeichenliste

1: Messmembran
3: Druckkammer
5: Grundkörper
7: Fügung
9: Vertiefung
11: planare Oberfläche
13: Bodenfläche der Vertiefung
15: innerer Randbereich der Fügung
17: äußerer Randbereich der Fügung
19: Übergangsbereich
20: Fase
21: Druckzuleitung
23: Messelektrode
25: Gegenelektrode
27: Kontaktstift
29: Referenzelektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0490807 A2 [0004]
DE 10036433 A1 [0008]
DE 102014117911 A1 [0010]

Claims

Drucksensor, mit einer mit einem Druck (p) beaufschlagbaren Messmembran (1), deren äußerer Rand unter Einschluss einer Druckkammer (3) mittels einer Fügung (7) mit einem Grundkörper (5) verbunden ist, einem elektromechanischen Wandler, der eine vom auf die Messmembran (1) einwirkenden Druck (p) abhängige Durchbiegung der Messmembran (1) in eine elektrische Größe umwandelt, und einer in einem äußeren Randbereich des Grundkörpers (5) angeordneten Vertiefung (9), die eine der Messmembran (1) zugewandte planare Oberfläche (11) des Grundkörpers (5) außenseitlich allseitig begrenzt, bei dem die Fügung (7) derart in die Vertiefung (9) eingebracht ist, dass ein Abstand zwischen der Messmembran (1) und einer der Messmembran (1) zugewandten Bodenfläche (13) der Vertiefung (9) echt größer als ein Abstand zwischen der Messmembran (1) und der planaren Oberfläche (11) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügung (7) einen inneren Randbereich (15) umfasst, der sich über äußeren Rand der planaren Oberfläche (11) erstreckt, wobei der äußere Rand der Oberfläche (11) eine Oberflächenrauheit (R_a) von kleiner gleich 0,5 µm aufweist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Oberfläche (11) als eine mittels eines Flachschleifverfahrens glatt geschliffene Oberfläche (11) ausgebildet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Randbereich (15) der Fügung (7) eine Randbreite (b) von größer gleich 100 µm aufweist
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügung (7) einen zwischen dem inneren Randbereich (15) der Fügung (7) und einem äußeren Randbereich (17) der Fügung (7) angeordneten Übergangsbereich (19) umfasst, dessen Schichtdicke (d) in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (1) verlaufender, radial nach innen weisender Richtung kontinuierlich abnimmt.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügung (7) einen äußeren Randbereich (17) umfasst, der eine Schichtdicke (D) von größer gleich 25 µm aufweist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Randbereich (15) der Fügung (7) eine in Abhängigkeit von einer Membranstärke der Messmembran (1) und einer Größe einer durch den auf die Messmembran (1) einwirkenden Druck (p) verformbaren Membranfläche der Messmembran (1) vorgegebene Schichtdicke (d) aufweist, die derart bemessen ist, dass die Messmembran (1) bei einer darauf einwirkenden Überlast auf der Oberfläche (11) oder einer ggfs. auf der Oberfläche (11) angeordneten Komponente des Drucksensors zur Auflage kommt.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler einen Messkondensator mit einer sich in Abhängigkeit von der vom auf die Messmembran (1) einwirkenden Druck (p) abhängigen Durchbiegung der Messmembran (1) verändernden Kapazität aufweist, der Messkondensator eine auf einer der Messmembran (1) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (5) aufgebrachte Messelektrode (23) und eine auf einer dem Grundkörper (5) zugewandten Seite der Messmembran (1) aufgebrachte Gegenelektrode (25) umfasst, und der innere Randbereich (15) der Fügung (7) eine Schichtdicke (d) aufweist, die derart bemessen ist, dass sich die Messelektrode (23) und die Gegenelektrode (25) in einem in Abhängigkeit von einer Membranstärke der Messmembran (1) und einer Größe einer durch den auf die Messmembran (1) einwirkenden Druck (p) verformbaren Membranfläche der Messmembran (1) ermittelten, eine Messauflösung des Drucksensors optimierenden Elektrodenabstand voneinander befinden.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Randbereich (15) der Fügung (7) eine Schichtdicke (d) von kleiner gleich 25 µm, eine Schichtdicke (d) von kleiner gleich 20 µm oder eine Schichtdicke (d) im Bereich von 5 µm bis 15 µm aufweist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (1) eine in Abhängigkeit von einem Druckmessbereich des Drucksensors vorgegebene Membranstärke von 0,025 mm bis 3 mm und/oder eine durch den darauf einwirkenden Druck auslenkbare Membranfläche mit einem Durchmesser von einem oder mehreren Zentimetern aufweist, und der innere Randbereich (15) der Fügung (7) eine Schichtdicke (d) im Bereich von 5 µm bis 15 µm aufweist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügung (7) die Druckkammer (3) außenseitlich allseitig umgibt, die Messmembran (1) aus Keramik besteht, der Grundkörper (5) aus Keramik besteht, und/oder die Fügung (7) eine Aktivhartlötung umfasst.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor als Absolutdrucksensor, als Referenzdrucksensor oder als Differenzdrucksensor ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors gemäß Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (1) und der Grundkörper (5) einschließlich der Vertiefung (9) vorgefertigt werden, die planare Oberfläche (11) des Grundkörpers (5) mittels eines Flachschleifverfahrens glatt geschliffen wird, Fügematerial in Form eines ringscheibenförmigen Körpers, derart auf dem Grundkörper (5) angeordnet wird, dass ein innerer Randbereich des Körpers auf dem äußeren Rand der glatt geschliffenen Oberfläche (11) aufliegt und der Körper die Vertiefung (9) überdeckt, die Messmembran (1) auf dem Fügematerial angeordnet wird, und die auf diese Weise erzeugte Anordnung einem Fügeverfahren unterzogen wird, bei dem aufgeschmolzenes Fügematerial in die Vertiefung (9) eintritt und diese im Wesentlichen vollständig ausfüllt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (9) vor dem Sintern des keramischen Grundkörpers (5) in den Grundkörper (5) eingepresst oder nachträglich durch ein Material abtragendes Verfahren in dem Grundkörper (5) erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügematerial in Form eines ringscheibenförmigen Körpers bereitgestellt wird, dessen Ringscheibenbreite im Wesentlichen gleich einer Breite einer den inneren Randbereich (15) umfassenden, an die Messmembran (1) angrenzenden Oberschicht der herzustellenden Fügung (7) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügeverfahren ein Aktivhartlötverfahren eingesetzt wird, bei dem die Anordnung unter Vakuum insgesamt auf eine oberhalb einer Schmelztemperatur eines als Fügematerial eingesetzten Aktivhartlots liegende Löttemperatur aufgeheizt, und vor der Ausführung des Fügeverfahrens auf einer dem Grundkörper (5) zugewandten Seite der Messmembran (1) eine als Lotstopp dienende Gegenelektrode (25) oder eine Lotstoppschicht aufgebracht wird, die einem Eindringen von Fügematerial in die Druckkammer (3) entgegenwirkt.