DE102019129411A1

DE102019129411A1 - Aufnehmerkörper mit einem Messelement und Herstellungsverfahren für einen Aufnehmerkörper

Info

Publication number: DE102019129411A1
Application number: DE102019129411.8A
Authority: DE
Inventors: André Rother; Alexander Will; Jürgen Pleyer; Achim Stich
Original assignee: WIKA Alexander Wiegand SE and Co KG
Current assignee: WIKA Alexander Wiegand SE and Co KG
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-03-18
Also published as: US20210080335A1; CN112484898A; US20230349776A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aufnehmerkörper (120) zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Fluids oder zur Aufnahme einer Kraft miteiner Membran (121) undmindestens einem auf der Membran (121) angeordneten dehnungsempfindlichen Messelement (130), umfassendein Halbleitersubstrat (131) undmindestens eine piezoresistive Widerstandsbahn (132), wobei die Widerstandsbahn (132) mittels Dotierung in dem Halbleitersubstrat (131) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist das Messelement (130) mittels eines bleifreien Glaslots (150) mit der Membran (121) verbunden und das Messelement (130) ist zumindest abschnittsweise in das Glaslot (150) eingesunken angeordnet.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Messelement (130), einen Druckmessumformer (100), ein Kraftmessgerät (190), ein Verfahren zur Herstellung eines Aufnehmerkörpers (120) und eine Verwendung eines Messelements (130).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Aufnehmerkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Messelement für einen Aufnehmerkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10 und eine Verwendung eines solchen Messelements.
Ferner betrifft die Erfindung einen Druckmessumformer zur Umwandlung eines Drucks in ein elektrisches Signal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15 und ein Verfahren zur Herstellung eines Aufnehmerkörpers.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftmessgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Aus dem Stand der Technik sind allgemein so genannte Druckmessumformer und Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Druckmessumformer sind elektrische Messumformer zur Messung von Druck, insbesondere Relativdruck, Absolutdruck oder Differenzdruck, und umfassen jeweils einen Aufnehmerkörper mit mindestens einem auf einer Membran angeordneten Messelement. Zur Messung des Drucks wird dieser in eine mechanische Auslenkung der Membran umgeformt, wobei die Umformung elektrisch erfasst und verarbeitet wird. Die Messung erfolgt dabei anhand einer Erfassung einer Widerstandsänderung mittels Dehnungsmessstreifen und/oder anhand des so genannten piezoresistiven Effekts, anhand einer Spannungsänderung mittels des so genannten piezoelektrischen Effekts, anhand einer Kapazitätsänderung, anhand einer Induktivitätsänderung oder anhand des so genannten Hall-Effekts. Ein Aufnehmerkörper wird in einer solchen Anwendung auch als Druckaufnehmerkörper bezeichnet.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik allgemein so genannte Kraftmessgeräte und Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Kraftmessgeräte sind elektrische Messumformer zur Messung von Kräften, insbesondere ..., und umfassen jeweils einen Aufnehmerkörper mit mindestens einem auf einer Membran angeordneten Messelement. Zur Messung der Kraft wird in den Aufnehmerkörper über eine mechanische Verbindung eine Kraft eingeleitet, die zu einer Auslenkung bzw. Umformung der Membran führt, wobei die Umformung elektrisch erfasst und verarbeitet wird. Die Messung erfolgt dabei anhand einer Erfassung einer Widerstandsänderung mittels Dehnungsmessstreifen und/oder anhand des so genannten piezoresistiven Effekts, anhand einer Spannungsänderung mittels des so genannten piezoelektrischen Effekts, anhand einer Kapazitätsänderung, anhand einer Induktivitätsänderung oder anhand des so genannten Hall-Effekts. Ein Aufnehmerkörper wird in einer solchen Anwendung auch als Kraftaufnehmerkörper bezeichnet.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es,

- einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Aufnehmerkörper,
- ein verbessertes Messelement für einen Aufnehmerkörper,
- einen verbesserten Druckmessumformer,
- ein verbessertes Kraftmessgerät,
- ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Aufnehmerkörpers und
- eine Verwendung eines Messelements anzugeben.

Die Aufgabe wird mit

- einem Aufnehmerkörper, welcher die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist,
- einem Messelement, welches die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale aufweist,
- einem Druckmessumformer, welcher die im Anspruch 17 angegebenen Merkmale aufweist
- einem Kraftmessgerät, welches die im Anspruch 18 angegebenen Merkmale aufweist,
- einem Verfahren, welches die in Anspruch 19 oder 21 angegebenen Merkmale aufweist, und
- einer Verwendung, welche die im Anspruch 23 angegebenen Merkmale aufweist,

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aufnehmerkörper zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Fluids oder zur Aufnahme von in den Aufnehmerkörper eingeleiteten Kräften umfasst eine Membran und mindestens ein auf der Membran angeordnetes dehnungsempfindliches Messelement. Das Messelement umfasst ein Halbleitersubstrat und mindestens eine piezoresistive Widerstandsbahn, wobei die Widerstandsbahn mittels Dotierung in dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist das Messelement mittels eines bleifreien Glaslots mit der Membran verbunden und das Messelement ist zumindest abschnittsweise in das Glaslot eingesunken angeordnet. Das heißt, das Messelement ist zumindest teilweise in der Glaslot eingesunken; zumindest ein Volumenabschnitt des Messelements ist in das Glaslot eingesunken.
Das Glaslot stellt dabei eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Halbleitersubstrat des Messelements und der Membran her und ermöglicht einen Ausgleich von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des Halbleitersubstrats und der Membran. Aufgrund der bleifreien Ausbildung des Glaslots ist dieses besonders umweltverträglich und kann konform zu gesetzliche Anforderungen sein, wie etwa der RoHS-Richtlinie. Die eingesunkene Anordnung des Messelements bewirkt dabei eine mechanisch besonders stabile Verbindung zwischen Membran und Messelement.
In einer möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers weist das Halbleitersubstrat eine Oberseite und eine Unterseite auf, wobei eine Oberfläche der Oberseite in der Draufsicht eine Oberfläche der Unterseite randseitig vollumfänglich überragt, so dass die Unterseite eine kleinere Fläche aufweist als die Oberseite. Das heißt, das Halbleitersubstrat verjüngt sich von seiner Oberseite hin zu seiner Unterseite. Abhängig von seiner Zusammensetzung weist bleifreies Glaslot gegenüber bleihaltigem Glaslot typischerweise andere Materialeigenschaften, wie zum Beispiel eine andere Schmelztemperatur, eine andere Oberflächenspannung und eine andere Viskosität der Schmelze bei einer bestimmten Temperatur, auf. Dadurch ist ein Einsinken des Messelements in das Glaslot beeinträchtigt. Die nach unten verjüngte Ausbildung des Messelements ermöglicht jedoch auch bei bleifreiem Glaslot ein zuverlässiges Einsinken des Messelements (mit dessen Unterseite voran) in das Glaslot, ohne dass eine zusätzliche Krafteinwirkung auf das Messelement oder eine kritische Temperaturerhöhung des Glaslots auf Werte erforderlich ist, welche signifikant höher sind als übliche Temperaturen bei einer Verwendung von bleihaltigem Glaslot und/oder welche das Messelement oder die Membran beschädigen oder am Glaslot selbst zu einer Kristallisierung oder Porenbildung führen. Ein „Aufschwimmen“ des Messelements auf dem Glaslot wird somit wirkungsvoll vermieden; eine saubere Anbindung des Glaslosts an das Messelement wird erreicht und / oder das Messelement ist an allen Seiten mit dem Glaslot verbunden, mechanisch eingespannt.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers weist das Halbleitersubstrat eine Dicke von 0,005 mm bis 0,1 mm und/oder eine Breite von 0,1 mm bis 2,8 mm und/oder eine Länge von 0,2 mm bis 3,8 mm auf. Beispielsweise liegen die Oberseite und die Unterseite zumindest im Wesentlichen parallel zueinander und weisen eine zumindest im Wesentlichen rechteckige Form auf. Solche Abmessungen und/oder eine solche Form haben sich einerseits als besonders vorteilhaft zur Realisierung einer Messfunktion des Messelements und anderseits als besonders vorteilhaft in Bezug auf das Einsinken in das Glaslot herausgestellt. Insbesondere wird bei solchen Abmessungen und/oder einer solchen Form eine mechanisch besonders stabile Verbindung des Messelements mit dem Glaslot und somit mit der Membran erzielt. Weiterhin ermöglichen derartige Abmessungen und/oder eine derartige Form eine Herstellung des Halbleitersubstrats in hoher Stückzahl und zu niedrigen Kosten.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers sind Seitenflächen des Halbleitersubstrats von der Oberseite in Richtung der Unterseite zumindest abschnittsweise sich kontinuierlich verjüngend ausgebildet, insbesondere durchgängig von der Oberseite zur Unterseite sich kontinuierlich verjüngend ausgebildet. Eine solche Form der Seitenflächen ist besonders einfach und kostengünstig mittels eines Sägeverfahrens herstellbar. Dabei beträgt jeweils ein mittlerer Winkel eines Seitenflächenquerschnitts zu einer Flächennormalen der Oberseite mehr als 0 °, insbesondere mindestens 5 °, insbesondere mindestens 15 °. Eine Ausbildung der Verjüngung des Halbleiterelements mit mittleren Winkeln in diesem Bereich ermöglicht ein besonders zuverlässiges Einsinken des Messelements in das Glaslot bei einer gleichzeitig mechanisch stabilen Verbindung des Messelements mit dem Glaslot und somit mit der Membran.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers weisen die Seitenflächen eine ebene Oberfläche auf, so dass das Halbleitersubstrat zumindest im Wesentlichen eine Form eines Pyramidenstumpfs aufweist, wobei die Oberseite eine Grundfläche des Pyramidenstumpfs bildet und die Unterseite eine Deckfläche des Pyramidenstumpfs bildet. Eine solche Ausbildung des Halbleitersubstrats hat sich als besonders geeignet für ein Einsinken des Messelements in ein bleifreies Glaslot herausgestellt.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers weisen die Seitenflächen des Halbleitersubstrats zumindest abschnittsweise eine konkave Oberfläche auf. Auch eine Verjüngung des Halbleitersubstrats mit einer solchen konkaven Ausbildung der Oberflächen der Seitenflächen ermöglicht ein zuverlässiges Einsinken des Messelements bei einer gleichzeitig mechanisch stabilen Verbindung des Messelements mit dem Glaslot und somit mit der Membran. Die konkave Ausbildung ist dabei in wirtschaftlicher Weise mittels Ätzen erzeugbar.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers weisen die Seitenflächen des Halbleitersubstrats zumindest abschnittsweise eine wellenförmige Oberfläche auf. Auch eine Verjüngung des Halbleitersubstrats mit einer solchen wellenförmigen Ausbildung der Oberflächen der Seitenflächen ermöglicht ein zuverlässiges Einsinken des Messelements bei einer gleichzeitig mechanisch besonders stabilen Verbindung des Messelements mit dem Glaslot und somit mit der Membran. Die wellenförmige Ausbildung ist dabei in wirtschaftlicher Weise durch Bearbeitung des Halbleitersubstrats mittels eines Lasers erzeugbar, wobei die Bearbeitung insbesondere in mehreren Stufen mit sich jeweils verringernder Strahltaille des Lasers durchgeführt wird, oder durch Ätzen erzeugbar.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers entspricht ein Verhältnis zwischen einer Länge und einer durchschnittlichen Breite der Widerstandsbahn mindestens 2:1, insbesondere mindestens 5:1, insbesondere mindestens 10:1, insbesondere mindestens 20:1. Bei einem derartigen Verhältnis zwischen der Länge und der durchschnittlichen Breite der Widerstandsbahn ist diese einfach auch in Halbleitersubstrate mit besonders kleinen Abmessungen bei gleichzeitig zuverlässiger Erfassung einer Formveränderung der Membran integrierbar. Weiterhin wird durch ein derartiges Verhältnis erreicht, dass die Empfindlichkeit des Messelement auf Dehnung entlang der Verlaufsrichtung bzw. Längsrichtung im Verhältnis zur Empfindlichkeit des Messelement auf Dehnung entlang einer Querrichtung zur Verlaufsrichtung bzw. Längsrichtung erhöht ist, sodass eine hohe Messgenauigkeit erreicht wird.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers weist die Widerstandsbahn eine Streifenform oder eine Mäanderform auf. Die Widerstandsbahn in Streifenform ist dabei besonders einfach und kostengünstig herstellbar. Die Widerstandsbahn in Mäanderform ermöglicht, dass auch auf einem Halbleitersubstrat mit begrenzter Abmessung eine lange Ausdehnung der Widerstandsbahn in Richtung der Dehnungsbelastung erzielt werden kann, während gleichzeitig die Ausdehnung der Widerstandsbahn in der Querrichtung gering ist. Dadurch kann das erzielbare Messsignal vergrößert und die Messgenauigkeit folglich erhöht werden. Die Widerstandsbahn kann jedoch auch jede andere beliebige Form aufweisen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers umfasst das Halbleitersubstrat mindestens zwei Widerstandsbahnen, wobei die Widerstandsbahnen insbesondere nebeneinander angeordnet sind. Eine solche Ausbildung ermöglicht unter anderem einen signifikanten Kostenvorteil, da bei der Herstellung der Messelemente weniger Einzelelemente aus einem Wafer geschnitten oder gesägt werden müssen und bei einer Applikation der Messelemente auf der Membran weniger Einzelelemente positioniert werden müssen. Die doppelte Ausführung der Widerstandsbahn ist dabei insbesondere deshalb vorteilhaft, weil hierdurch in besonders einfacher Weise eine Wheatstonesche Messbrücke oder Wheatstonesche Brückenschaltung auf der Membran erzeugt werden kann. Hierbei können zwei Widerstandsbahnen in einem gemeinsamen ersten Messelement in einem Randbereich der Membran appliziert werden, an dem eine negative Dehnung (Stauchung) einer Oberfläche der Membran vorliegt. Weitere zwei Widerstandsbahnen können in einem gemeinsamen zweiten Messelement in einem mittleren Bereich der Membran appliziert werden, an dem eine positive Dehnung (Streckung) der Oberfläche vorliegt. Die Widerstandbahnen sind dabei so zu einer Messbrücke zu verschalten, dass sich die jeweils zwei Widerstandsbahnen, die in einem Bereich mit gleicher Dehnungsrichtung angeordnet sind, im Schaltbild der Messbrücke diagonal gegenüberliegen. Eine Ausführung mit vier separaten Widerstandsbahnen auf einem Messelement ist dagegen zur Erreichung einer solchen Anordnung nachteilhaft, da dieses Messelement aufgrund der nötigen Anordnung der Widerstandsbahnen in unterschiedlichen Bereichen der Membran dann sehr großflächig ausgebildet sein müsste. Hieraus würden sich sehr große Kosten ergeben.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers umfasst jede Widerstandsbahn an ihren Enden Kontaktflächen, wobei Kontaktflächen verschiedener Widerstandsbahnen gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Kontaktflächen ermöglichen dabei eine unabhängige Kontaktierung der Widerstandsbahnen voneinander, wobei die elektrische Isolierung eine separate Erfassung von Formveränderungen der Membran mittels der Widerstandsbahnen sowie eine separate Auswertung mittels der Widerstandsbahnen erzeugter Signale ermöglicht.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers umfasst das Halbleitersubstrat einen Silizium-Kristall. Dabei ist die mindestens eine Widerstandsbahn durch eine strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat ausgebildet und liegt zumindest im Wesentlichen in einer {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls und verläuft zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung. Alternativ ist die mindestens eine Widerstandsbahn durch eine strukturierte n-Dotierung im Halbleitersubstrat ausgebildet und liegt zumindest im Wesentlichen in einer {100}-Kristallebene oder {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls und verläuft zumindest im Wesentlichen entlang einer <100>-Kristallrichtung. Eine derartige Dotierung und Anordnung der zumindest einen Widerstandsbahn ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise, dass eine Messrichtung der Widerstandsbahn entlang einer Kristallrichtung verläuft, in welcher der resultierende piezoresistive Koeffizient des Silizium-Materials, umfassend eine longitudinale Komponente entlang der Kristallrichtung sowie transversale Komponenten, optimiert ist und somit eine gesteigerte Messempfindlichkeit des Messelements erreicht wird. Beispielsweise kann in der gewählten Richtung ein Verhältnis von longitudinalem zu transversalem piezoresistiven Koeffizienten optimiert sein oder alle Koeffizienten können das gleiche Vorzeichen haben. Somit wird eine Empfindlichkeit des Messelements auf Dehnungen quer zur Messrichtung minimiert. Daraus folgt, dass sich eine Querdehnung, also beispielsweise ein Einbringen von mechanischen Spannungen entlang der Querrichtung der Widerstandsbahn, das ausgegebene Signal um Größenordnungen weniger stark verringert, als bei herkömmlichen Halbleiterdehnungsmesssensoren, oder dieses sogar verstärkt. Somit kann bei der Ausbildung einer Wheatstoneschen Brückenschaltung auf Widerstandsbahnen im Randbereich verzichtet werden. Vielmehr können kostengünstige Festwiderstände zum Einsatz kommen, da die Messempfindlichkeit in longitudinaler Richtung bereits sehr hoch ist. Zudem sind Spannungsanalysen möglich, da der Dehnungsmesssensor zuverlässig nur die Dehnung in Belastung der Messrichtung misst. Hier ist eine Empfindlichkeit desselben sehr viel größer als quer zu dieser Messrichtung. Somit steigt beispielsweise bei einer Streckung der Widerstandsbahn in Längsrichtung derselben zwar ein elektrischer Widerstand derselben, eine aus der Streckung resultierende Stauchung der Widerstandbahn in Querrichtung (= so genannter transversaler Effekt) bewirkt jedoch keine Verringerung des elektrischen Widerstands derselben. Das heißt, aufgrund dieser Dotierung und Anordnung der zumindest einen Widerstandsbahn bleibt deren elektrischer Widerstand bei Veränderung ihrer Breite konstant. Somit kann eine besonders große Signalveränderung erfasst werden, was eine einfache und zuverlässige Ermittlung der Formänderungen der Membran ermöglicht. Auch kann die zumindest eine Widerstandsbahn mit einem besonders kleinen Verhältnis zwischen deren Länge und deren Breite erzeugt werden, so dass diese auch bei besonders kleinbauenden Halbleitersubstraten in einfacher Weise realisiert werden kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers weist dieser eine Hutform, insbesondere eine Zylinderhutform, auf. Eine derartige Hutform zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dieser eine Deckfläche umfasst, welche durch die Membran gebildet ist. Eine in einem unbelasteten Zustand des Aufnehmerkörpers zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Deckfläche verlaufende Mantelfläche mündet in einer umlaufenden flanschartigen Struktur, welche an einem der Deckfläche abgewandten Ende der Mantelfläche im unbelasteten Zustand des Aufnehmerkörpers zumindest im Wesentlichen senkrecht von der Mantelfläche abragt. Die flanschartige Struktur ist insbesondere zu einer Befestigung des Aufnehmerkörpers innerhalb eines Druckmessumformers oder innerhalb bzw. an einem Kraftmessgerät ausgebildet. Die Hutform ermöglicht bei der Anordnung in einem Druckmessumformer eine einfach durchführbare und zuverlässige Erfassung von Druckveränderungen sowie eine einfache Integration des Aufnehmerkörpers in einen Druckmessumformer. Bei der Anordnung in bzw. an einem Kraftmessgerät kann mit der Hutform besonders effektiv eine Kraft von einem Verformungskörper über die flanschartige Struktur in den Aufnehmerkörper eingeleitet werden. Dadurch wird eine Erfassung von Kräften oder Spannungen besonders einfach möglich und der Aufnehmerkörper kann besonders einfach in ein Kraftmessgerät integriert werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers weist dieser einen Durchmesser von 2,5 mm bis 15 mm auf. Derartige Durchmessergrößen ermöglichen eine wirtschaftliche Herstellung und Weiterverarbeitung von Aufnehmerkörpern und eine einfache Applikation von Messelementen, wobei zugleich eine breite Spanne von Druckmessbereichen mit ausreichender Überdrucksicherheit und hoher Messgenauigkeit abgedeckt werden kann. Dabei können Aufnehmerkörper mit derartigen Durchmessergrößen aufgrund der Ausbildung der Messelemente und der Möglichkeit, diese in besonders kleinen Abmessungen bei gleichzeitig besonders großer Signalveränderung bei einer Formänderung zu realisieren, realisiert werden, die trotz der geringen Durchmessergrößen eine sehr hohe Messgenauigkeit aufweisen. Weiterhin können durch die erhöhte Messgenauigkeit bzw. Messempfindlichkeit Aufnehmerkörper mit einer höheren Überdrucksicherheit gefertigt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers ist dieser aus einer Eisenlegierung, insbesondere aus einem Edelstahl, gebildet. Alternativ ist der Aufnehmerkörper aus einer Buntmetalllegierung gebildet, wobei die Buntmetalllegierung insbesondere mit einer metallischen Haftvermittlungsschicht überzogen ist, oder der Aufnehmerkörper ist aus einer Keramik gebildet. Aufgrund der Möglichkeit, den Aufnehmerkörper aus diesen Materialien zu erzeugen, kann dieser in einfacher Weise an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden. Insbesondere kann somit eine hohe Beständigkeit gegenüber unterschiedlichen Medien in den unterschiedlichen Anwendungen realisiert werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers sind auf der Membran zumindest vier Widerstandsbahnen angeordnet und derart miteinander verschaltet, dass diese eine Wheatstonesche Brückenschaltung bilden. Dabei sind die Widerstandsbahnen beispielsweise gleichmäßig auf höchstens vier getrennte Messelemente aufgeteilt, insbesondere auf höchstens zwei getrennte Messelemente aufgeteilt, insbesondere im Halbleitersubstrat eines einzigen Messelements ausgebildet. Mittels der Wheatstoneschen Brückenschaltung kann eine Formveränderung der Membran besonders präzise und zuverlässig ermittelt werden, so dass eine besonders genaue und zuverlässige Druckmessung ermöglicht wird. Bei der Verwendung von zwei Messelementen mit jeweils zwei Widerstandsbahnen kann die Wheatstonesche Brückenschaltung in besonders einfacher Weise auf der Membran erzeugt werden, wobei - wie bereits beschrieben - zwei Widerstandsbahnen in einem gemeinsamen ersten Messelement in einem Randbereich der Membran appliziert werden können, an dem eine Stauchung einer Oberfläche der Membran vorliegt, und weitere zwei Widerstandsbahnen in einem gemeinsamen zweiten Messelement in einem mittleren Bereich der Membran appliziert werden können, an dem eine Streckung der Oberfläche vorliegt. Die Widerstandbahnen sind dabei so zu einer Messbrücke zu verschalten, dass sich die jeweils zwei Widerstandsbahnen, die in einem gemeinsamen Messelement angeordnet sind, im Schaltbild der Messbrücke diagonal gegenüberliegen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers sind vier Widerstandsbahnen im Halbleitersubstrat eines einzigen Messelements ausgebildet, wobei die Widerstandsbahnen durch eine strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat ausgebildet sind und zumindest im Wesentlichen in einer {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls liegen. Dabei bilden zwei der vier Widerstandsbahnen ein erstes Paar, welches zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung ausgerichtet ist bzw. in einer dieser Kristallrichtungen verläuft. Die übrigen beiden Widerstandsbahnen bilden ein zweites Paar, welches im Wesentlichen senkrecht zur Ausrichtung des ersten Paares von Widerstandsbahnen ausgerichtet ist. Somit verläuft das erste Paar von Widerstandbahnen in einer Richtung, in welcher der Widerstand, wie bereits in einem vorangegangenen Abschnitt beschrieben, im Wesentlichen nur von einer Dehnung in Verlaufsrichtung der Bahnen abhängt, während das zweite Paar von Widerstandsbahnen in einer Querrichtung dazu verläuft, in welcher der Widerstand im Wesentlichen unabhängig von der Dehnung in dieser Querrichtung ist. Die vier Widerstandsbahnen können insbesondere derart zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet werden, dass sich die Widerstandsbahnen des ersten Paares sowie die Widerstandsbahnen des zweiten Paares im Schaltbild der Brückenschaltung jeweils diagonal gegenüberliegen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Messelement mit einer solchen Messbrücke im Wesentlichen nur auf Dehnung, also Streckung / Stauchung, entlang der Ausrichtung des ersten Paares von Widerstandsbahnen sensitiv ist und ein sehr genaues Messsignal in Bezug darauf abgegriffen werden kann. Die Verschaltung zu einer Messbrücke kann innerhalb des Halbleitersubstrats ausgebildet sein oder auch außerhalb des Messelements über die Kontaktierung der einzelnen Widerstandsbahnen hergestellt werden. Ein Aufnehmerkörper kann mit einem solchen Messelement besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden, da nur ein Messelement appliziert und werden muss. Zudem kann dieses an jeder beliebigen Stelle der Membran angeordnet werden. Besonders vorteilhaft kann der Aufnehmerkörper hergestellt werden, indem ein solches Messelement zentral auf der Membran angeordnet wird, da dadurch im wesentlichen keine Asymmetrien in der Belastung der Membran entstehen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers ist das mindestens eine Messelement im Glaslot derart angeordnet, dass zwischen der Unterseite des Messelements und der Oberfläche der Membran ein Glaslotfilm mit einer Dicke von 0,001 mm bis 0,1 mm ausgebildet ist. Hieraus resultiert eine besonders genaue Übertragung einer Dehnung der Membran, d. h. einer Formveränderung derselben, auf das Messelement, so dass eine besonders exakte Messung ermöglicht wird. Alternativ oder zusätzlich ragt die Oberseite des Messelements um 0 Prozent bis 95 Prozent der Dicke des Messelements aus dem Glaslot heraus. Insbesondere ist die Oberseite des Messelements zumindest im Wesentlichen bündig mit einer Oberfläche des Glaslots in diesem angeordnet und somit zumindest weitestgehend vor äußeren Einflüssen geschützt.
Ein Messelement zur Anordnung an einem Aufnehmerkörper umfasst ein Halbleitersubstrat und mindestens eine piezoresistive Widerstandsbahn, wobei die Widerstandsbahn mittels Dotierung in dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß weist das Halbleitersubstrat eine Oberseite und eine Unterseite auf, wobei eine Oberfläche der Oberseite in der Draufsicht eine Oberfläche der Unterseite randseitig vollumfänglich überragt, so dass die Unterseite eine kleinere Fläche aufweist als die Oberseite. Das heißt, das Halbleitersubstrat verjüngt sich von seiner Oberseite hin zu seiner Unterseite.
Abhängig von seiner Zusammensetzung weist bleifreies Glaslot typischerweise gegenüber bleihaltigem Glaslot andere Materialeigenschaften, wie zum Beispiel eine andere Schmelztemperatur, eine andere Oberflächenspannung und eine andere Viskosität der Schmelze bei einer bestimmten Temperatur, auf. Dadurch ist ein Einsinken des Messelements in das Glaslot beeinträchtigt. Die nach unten verjüngte Ausbildung des Messelements ermöglicht jedoch auch bei bleifreiem Glaslot ein zuverlässiges Einsinken des Messelements (mit dessen Unterseite voran) in das Glaslot, ohne dass eine zusätzliche Krafteinwirkung auf das Messelement oder eine kritische Temperaturerhöhung des Glaslots auf Werte erforderlich ist, welche signifikant höher sind als übliche Temperaturen bei einer Verwendung von bleihaltigem Glaslot und/oder welche das Messelement oder die Membran beschädigen oder am Glaslot selbst zu einer Kristallisierung oder Porenbildung führen. Ein „Aufschwimmen“ des Messelements auf dem Glaslot wird somit wirkungsvoll vermieden, so dass eine mechanisch stabile Verbindung des Messelements mit einem bleifreien Glaslot und somit mit einer Membran eines Aufnehmerkörpers in einfacher Weise realisiert werden kann und / oder das Messelement an allen Seiten mit dem Glaslot verbunden, mechanisch eingespannt ist.
In einer möglichen Ausgestaltung des Messelements weist das Halbleitersubstrat eine Dicke von 0,005 mm bis 0,1 mm und/oder eine Breite von 0,1 mm bis 2,8 mm und/oder eine Länge von 0,2 mm bis 3,8 mm auf. Beispielsweise liegen die Oberseite und die Unterseite zumindest im Wesentlichen parallel zueinander und weisen beispielsweise eine zumindest im Wesentlichen rechteckige Form auf. Solche Abmessungen und/oder eine solche Form haben sich einerseits als besonders vorteilhaft zur Realisierung einer Messfunktion des Messelements und anderseits als besonders vorteilhaft in Bezug auf das Einsinken in das Glaslot herausgestellt. Insbesondere wird bei solchen Abmessungen und/oder einer solchen Form eine mechanisch besonders stabile Verbindung des Messelements mit einem bleifreien Glaslot und somit mit der Membran des Aufnehmerkörpers erzielt. Weiterhin ermöglichen derartige Abmessungen und/oder eine derartige Form eine Herstellung des Halbleitersubstrats in hoher Stückzahl und zu niedrigen Kosten.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Messelements sind Seitenflächen des Halbleitersubstrats von der Oberseite in Richtung der Unterseite zumindest abschnittsweise sich kontinuierlich verjüngend ausgebildet, insbesondere durchgängig von der Oberseite zur Unterseite sich kontinuierlich verjüngend ausgebildet. Eine solche Form der Seitenflächen ist besonders einfach und kostengünstig mittels eines Sägeverfahrens herstellbar. Dabei beträgt jeweils ein mittlerer Winkel eines Seitenflächenquerschnitts zu einer Flächennormalen der Oberseite mehr als 0 °, insbesondere mindestens 5 °, insbesondere mindestens 15 °. Eine Ausbildung der Verjüngung des Halbleiterelements mit mittleren Winkeln in diesem Bereich ermöglicht ein besonders zuverlässiges Einsinken des Messelements in das Glaslot bei einer gleichzeitig mechanisch stabilen Verbindung des Messelements mit dem Glaslot und somit mit der Membran.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Messelements, weisen die Seitenflächen eine ebene Oberfläche auf, so dass das Halbleitersubstrat zumindest im Wesentlichen eine Form eines Pyramidenstumpfs aufweist, wobei die Oberseite eine Grundfläche des Pyramidenstumpfs bildet und die Unterseite eine Deckfläche des Pyramidenstumpfs bildet. Eine solche Ausbildung des Halbleitersubstrats hat sich als besonders geeignet für ein Einsinken des Messelements in ein bleifreies Glaslot herausgestellt.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Messelements weisen die Seitenflächen des Halbleitersubstrats zumindest abschnittsweise eine konkave Oberfläche auf. Auch eine Verjüngung des Halbleitersubstrats mit einer konkaven Ausbildung der Oberflächen der Seitenflächen ermöglicht ein zuverlässiges Einsinken des Messelements bei einer gleichzeitig mechanisch stabilen Verbindung des Messelements mit dem Glaslot und somit mit der Membran. Die konkave Ausbildung ist dabei in wirtschaftlicher Weise mittels Ätzen erzeugbar.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Messelements weisen die Seitenflächen des Halbleitersubstrats zumindest abschnittsweise eine wellenförmige Oberfläche auf. Auch eine Verjüngung des Halbleitersubstrats mit einer solchen wellenförmigen Ausbildung der Oberflächen der Seitenflächen ermöglicht ein zuverlässiges Einsinken des Messelements bei einer gleichzeitig mechanisch besonders stabilen Verbindung des Messelements mit dem Glaslot und somit mit der Membran. Die wellenförmige Ausbildung ist dabei in wirtschaftlicher Weise durch Bearbeitung des Halbleitersubstrats mittels eines Lasers erzeugbar, wobei die Bearbeitung insbesondere in mehreren Stufen mit sich jeweils verringernder Strahltaille des Lasers durchgeführt wird, oder durch Ätzen erzeugbar.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Messelements entspricht ein Verhältnis zwischen einer Länge und einer durchschnittlichen Breite der Widerstandsbahn mindestens 2:1, insbesondere mindestens 5:1, insbesondere mindestens 10:1, insbesondere mindestens 20:1. Bei einem derartigen Verhältnis zwischen der Länge und der durchschnittlichen Breite der Widerstandsbahn ist diese einfach auch in Halbleitersubstrate mit besonders kleinen Abmessungen bei gleichzeitig zuverlässiger Erfassung einer Formveränderung der Membran integrierbar. Weiterhin wird durch ein derartiges Verhältnis erreicht, dass die Empfindlichkeit des Messelement auf Dehnung entlang der Verlaufsrichtung bzw. Längsrichtung im Verhältnis zur Empfindlichkeit des Messelement auf Dehnung entlang einer Querrichtung zur Verlaufsrichtung bzw. Längsrichtung erhöht ist, sodass eine hohe Messgenauigkeit erreicht wird.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Messelements weist die Widerstandsbahn eine Streifenform oder eine Mäanderform auf. Die Widerstandsbahn in Streifenform ist dabei besonders einfach und kostengünstig herstellbar. Die Widerstandsbahn in Mäanderform ermöglicht, dass auch auf einem Halbleitersubstrat mit begrenzter Abmessung eine lange Ausdehnung der Widerstandsbahn in Richtung der Dehnungsbelastung erzielt werden kann, während gleichzeitig die Ausdehnung der Widerstandsbahn in der Querrichtung gering ist. Dadurch kann das erzielbare Messsignal vergrößert und die Messgenauigkeit folglich erhöht werden. Die Widerstandsbahn kann jedoch auch jede andere beliebige Form aufweisen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Messelements umfasst das Halbleitersubstrat mindestens zwei Widerstandsbahnen, wobei die Widerstandsbahnen insbesondere nebeneinander angeordnet sind. Eine solche Ausbildung ermöglicht unter anderem einen signifikanten Kostenvorteil, da bei der Herstellung der Messelemente weniger Einzelelemente aus einem Wafer geschnitten oder gesägt werden müssen, die Fläche des Wafers effektiver genutzt werden kann und bei einer Applikation der Messelemente auf der Membran weniger Einzelelemente positioniert werden müssen. Die doppelte Ausführung der Widerstandsbahn ist dabei insbesondere deshalb vorteilhaft, weil hierdurch in besonders einfacher Weise eine Wheatstonesche Messbrücke oder Wheatstonesche Brückenschaltung auf der Membran erzeugt werden kann. Hierbei können zwei Widerstandsbahnen in einem gemeinsamen ersten Messelement in einem Randbereich der Membran appliziert werden, an dem eine Stauchung einer Oberfläche der Membran vorliegt. Weitere zwei Widerstandsbahnen können in einem gemeinsamen zweiten Messelement in einem mittleren Bereich der Membran appliziert werden, an dem eine Streckung der Oberfläche vorliegt. Die Widerstandbahnen sind dabei so zu einer Messbrücke zu verschalten, dass sich die jeweils zwei Widerstandsbahnen, die in einem Bereich mit gleicher Dehnungsrichtung angeordnet sind, im Schaltbild der Messbrücke diagonal gegenüberliegen. Eine Ausführung mit vier separaten Widerstandsbahnen auf einem Messelement ist dagegen zur Erreichung einer solchen Anordnung nachteilig, da dieses Messelement aufgrund der nötigen Anordnung der Widerstandsbahnen in unterschiedlichen Bereichen der Membran dann sehr großflächig ausgebildet sein müsste. Hieraus würden sich sehr große Kosten ergeben.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Messelements umfasst jede Widerstandsbahn an ihren Enden Kontaktflächen, wobei die Kontaktflächen verschiedener Widerstandsbahnen gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Kontaktflächen ermöglichen dabei eine unabhängige Kontaktierung der Widerstandsbahnen voneinander, wobei die elektrische Isolierung eine separate Erfassung von Formveränderungen der Membran mittels der Widerstandsbahnen sowie eine separate Auswertung mittels der Widerstandsbahnen erzeugter Signale ermöglicht.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Messelements umfasst das Halbleitersubstrat einen Silizium-Kristall. Dabei ist die mindestens eine Widerstandsbahn durch eine strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat ausgebildet und die Widerstandsbahn liegt zumindest im Wesentlichen in einer {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls und verläuft zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung. Alternativ ist die mindestens eine Widerstandsbahn durch eine strukturierte n-Dotierung im Halbleitersubstrat ausgebildet und liegt zumindest im Wesentlichen in einer {100}-Kristallebene oder {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls und verläuft zumindest im Wesentlichen entlang einer <100>-Kristallrichtung. Eine derartige Dotierung und Anordnung der zumindest einen Widerstandsbahn ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise, dass eine Messrichtung der Widerstandsbahn entlang einer Kristallrichtung verläuft, in welcher der resultierende piezoresistive Koeffizient des Silizium-Materials, umfassend eine longitudinale Komponente entlang der Kristallrichtung sowie transversale Komponenten, optimiert ist und somit eine gesteigerte Messempfindlichkeit des Messelements erreicht wird. Beispielsweise kann in der gewählten Richtung ein Verhältnis von longitudinalem zu transversalem piezoresistiven Koeffizienten optimiert sein oder alle Koeffizienten können das gleiche Vorzeichen haben. Somit wird eine Empfindlichkeit des Messelements auf Dehnungen quer zur Messrichtung minimiert. Daraus folgt, dass sich eine Querdehnung, also beispielsweise ein Einbringen von mechanischen Spannungen entlang der Querrichtung der Widerstandsbahn, das ausgegebene Signal um Größenordnungen weniger stark verringert, als bei herkömmlichen Halbleiterdehnungsmesssensoren, oder dieses sogar verstärkt. Somit kann bei der Ausbildung einer Wheatstoneschen Brückenschaltung auf Widerstandsbahnen im Randbereich verzichtet werden. Vielmehr können kostengünstige Festwiderstände zum Einsatz kommen, da die Messempfindlichkeit in longitudinaler Richtung bereits sehr hoch ist. Zudem sind Spannungsanalysen möglich, da der Dehnungsmesssensor zuverlässig nur die Dehnung in Belastung der Messrichtung misst. Hier ist eine Empfindlichkeit desselben sehr viel größer als quer zu dieser Messrichtung. Somit steigt beispielsweise bei einer Streckung der Widerstandsbahn in Längsrichtung derselben zwar ein elektrischer Widerstand derselben, eine aus der Streckung resultierende Stauchung der Widerstandbahn in Querrichtung (= so genannter transversaler Effekt) bewirkt jedoch keine Verringerung des elektrischen Widerstands derselben. Das heißt, aufgrund dieser Dotierung und Anordnung der zumindest einen Widerstandsbahn bleibt deren elektrischer Widerstand bei Veränderung ihrer Breite konstant. Somit kann eine besonders große Signalveränderung erfasst werden, was eine einfache und zuverlässige Ermittlung der Formänderungen der Membran ermöglicht. Auch kann die zumindest eine Widerstandsbahn mit einem besonders kleinen Verhältnis zwischen deren Länge und deren Breite erzeugt werden, so dass diese auch bei besonders kleinbauenden Halbleitersubstraten in einfacher Weise realisiert werden kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Messelements sind vier Widerstandsbahnen im Halbleitersubstrat des Messelements ausgebildet, wobei die Widerstandsbahnen durch eine strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat ausgebildet sind und zumindest im Wesentlichen in einer {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls liegen. Dabei bilden zwei der vier Widerstandsbahnen ein erstes Paar, welches zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung ausgerichtet ist bzw. in einer dieser Kristallrichtungen verläuft. Die übrigen beiden Widerstandsbahnen bilden ein zweites Paar, welches im Wesentlichen senkrecht zur Ausrichtung des ersten Paares von Widerstandsbahnen ausgerichtet ist. Somit verläuft das erste Paar von Widerstandbahnen in einer Richtung, in welcher der Widerstand, wie bereits in einem vorangegangenen Abschnitt beschrieben, im Wesentlichen nur von einer Dehnung in Verlaufsrichtung der Bahnen abhängt, während das zweite Paar von Widerstandsbahnen in einer Querrichtung dazu verläuft, in welcher der Widerstand im Wesentlichen unabhängig von der Dehnung in dieser Querrichtung ist. Die vier Widerstandsbahnen können insbesondere derart zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet werden, dass sich die Widerstandsbahnen des ersten Paares sowie die Widerstandsbahnen des zweiten Paares im Schaltbild der Brückenschaltung jeweils diagonal gegenüberliegen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Messelement mit einer solchen Messbrücke im Wesentlichen nur auf Dehnung, also Streckung / Stauchung, entlang der Ausrichtung des ersten Paares von Widerstandsbahnen sensitiv ist und ein sehr genaues Messsignal in Bezug darauf abgegriffen werden kann. Die Verschaltung zu einer Messbrücke kann innerhalb des Halbleitersubstrats ausgebildet sein oder auch außerhalb des Messelements über die Kontaktierung der einzelnen Widerstandsbahnen hergestellt werden. Mit einem solchen Messelement kann ein Aufnehmerkörper besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden, da nur ein Messelement appliziert werden muss. Zudem kann dieses an jeder beliebigen Stelle einer Membran angeordnet werden. Besonders vorteilhaft kann ein Aufnehmerkörper hergestellt werden, indem ein solches Messelement zentral auf einer Membran des Aufnehmerkörpers angeordnet wird, da dadurch im wesentlichen keine Asymmetrien in der Belastung der Membran entstehen.
Der erfindungsgemäße Druckmessumformer zur Umwandlung eines Drucks in ein elektrisches Signal umfasst als Komponenten einen zuvor beschriebenen Aufnehmerkörper, einen Anschlusskörper, ein Gehäuse, eine Auswerteelektronik und eine Übertragungseinrichtung. Die Komponenten sind derart angeordnet, dass der Anschlusskörper dichtend mit dem Aufnehmerkörper verbunden ist, der Anschlusskörper an eine Fluidquelle dichtend anschließbar ist und ein Fluid mittels des Anschlusskörpers in den Aufnehmerkörper einleitbar ist, die Auswerteelektronik elektrisch mit der mindestens einen Widerstandsbahn verbunden ist und dazu eingerichtet ist, eine Widerstandsänderung der Widerstandsbahn in ein elektrisches Messsignal umzuwandeln. Weiterhin ist das Gehäuse mit dem Aufnehmerkörper und/oder mit dem Anschlusskörper verbunden, so dass zumindest die Membran, das Messelement und die Auswerteelektronik von dem Gehäuse zumindest abschnittsweise umschlossen sind. Das heißt, die Membran, das Messelement und die Auswerteelektronik sind zumindest zum Teil von dem Gehäuse umschlossen oder befinden sich zumindest zum Teil im Inneren einer Gehäusekammer. Ferner ist die Übertragungseinrichtung derart mit der Auswerteelektronik verbunden, dass sie das elektrische Messsignal in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt und entweder mittels von außerhalb des Gehäuses zugänglichen Kontakten bereitstellt oder als Funksignal aussendet.
Der Druckmessumformer zeichnet sich einerseits durch Verwendung des Aufnehmerkörpers mit bleifreiem Glaslot durch eine besonders hohe Umweltverträglichkeit aus und kann zudem konform zu gesetzlichen Anforderungen, wie etwa der RoHS-Richtlinie, sein. Andererseits zeichnet sich der Druckmessumformer durch die bereits genannten Vorteile des Aufnehmerkörpers aus, welche sich aus den jeweiligen Ausgestaltungen des Aufnehmerkörpers ergeben.
Das erfindungsgemäße Kraftmessgerät zur Umwandlung einer Kraft in ein elektrisches Signal umfasst als Komponenten zumindest einen zuvor beschriebenen Aufnehmerkörper, einen Lagerbereich, einen Krafteinleitungsbereich, eine Auswerteelektronik, eine Übertragungseinrichtung und einen Verformungsabschnitt, in welchem der Aufnehmerkörper angeordnet ist. Die Komponenten sind derart angeordnet, dass der Verformungsabschnitt mit dem Aufnehmerkörper verbunden ist und mittels des Verformungsabschnitts eine Kraft in den Aufnehmerkörper einleitbar ist. Die Auswerteelektronik ist elektrisch mit der mindestens einen Widerstandsbahn verbunden und dazu eingerichtet, eine Widerstandsänderung der Widerstandsbahn in ein elektrisches Messsignal umzuwandeln. Die Übertragungseinrichtung ist derart mit der Auswerteelektronik verbunden, dass sie das elektrische Messsignal in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt und entweder mittels Kontakten bereitstellt oder als Funksignal aussendet.
Das Kraftmessgerät zeichnet sich einerseits durch Verwendung des Aufnehmerkörpers mit bleifreiem Glaslot durch eine besonders hohe Umweltverträglichkeit aus und kann zudem konform zu gesetzlichen Anforderungen, wie etwa der RoHS-Richtlinie, sein. Andererseits zeichnet sich das Kraftmessgerät durch die bereits genannten Vorteile des Aufnehmerkörpers aus, welche sich aus den jeweiligen Ausgestaltungen des Aufnehmerkörpers ergeben.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Aufnehmerkörpers werden in einem Schritt A ein Aufnehmerkörper, mindestens ein Messelement und eine bleifreie Glaslotpaste bereitgestellt, wobei die Glaslotpaste Glaspartikel und flüchtige, insbesondere organische, Komponenten umfasst. In einem Schritt B erfolgt ein Auftragen der Glaslotpaste auf zumindest einen Oberflächenabschnitt der Membran des Aufnehmerkörpers. In einem Schritt C erfolgt ein Applizieren des Messelements auf oder in die Glaslotpaste, bevor in einem Schritt D ein Erwärmen des Aufnehmerkörpers auf mindestens eine Temperatur und ein Lagern des Aufnehmerkörpers bei zumindest dieser Temperatur für eine Lagerzeit derart erfolgen, dass die flüchtigen Komponenten der Glaslotpaste verdampfen, die in der Glaslotpast enthaltenen Glaspartikel zu einem Glaslot umschmelzen und das Messelement in dem somit entstandenen Glaslot einsinkt. In einem Schritt E erfolgt ein Abkühlen des Aufnehmerkörpers, so dass das Glaslot erstarrt.
Mittels des Verfahrens ist in einfacher und zuverlässiger Weise ein Aufnehmerkörper mit bleifreiem Glaslot herstellbar. Dabei ist die bleifreie Glaslotpaste besonders kostengünstig verfügbar und bietet gegenüber geeigneten Klebstoffen eine wesentlich höhere mechanische Stabilität und höhere Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse. Weiterhin ist die Glaslotpaste und daraus folgend der Aufnehmerkörper besonders einfach handhabbar. Dies resultiert daraus, dass die applizierte Glaslotpaste an ihrem Ort verbleibt, so dass ein einfacher Transport des Aufnehmerkörpers mit aufgebrachter Glaslotpaste möglich ist. Weiterhin kann die Glaslotpaste in beliebiger Menge appliziert werden, so dass diese für eine Vielzahl verschiedener Aufnehmerkörper verwendbar ist.
In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens liegt die Temperatur, auf die der Aufnehmerkörper erwärmt wird, zwischen 300 Grad Celsius und 600 Grad Celsius. Der Aufnehmerkörper wird bei dieser Temperatur beispielsweise für eine Lagerzeit zwischen 30 Sekunden und 5 Stunden gelagert. Geeignete Temperaturen sowie die Lagerzeiten sind abhängig vom gewählten Glaslotfabrikat und dessen Spezifikationen. Insbesondere kann die Erwärmung und Lagerung des Aufnehmerkörpers über zumindest zwei Stufen erfolgen, wobei auf einer ersten, niedrigeren Temperaturstufe zunächst die flüchtigen Komponenten der Glaslotpaste verdampft werden und dann, auf einer zweiten, höheren Temperaturstufe die Glaspartikel zu einem Glaslot umgeschmolzen werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird zwischen Schritt B und Schritt C zumindest ein Schritt B.1 ausgeführt, in welchem ein Erwärmen des Aufnehmerkörpers auf zumindest eine Temperatur und ein Lagern des Aufnehmerkörpers bei dieser Temperatur für eine Lagerzeit derart erfolgen, dass die flüchtigen Komponenten der Glaslotpaste verdampfen und die Glaspartikel schmelzen. Dieser Prozess kann insbesondere zweistufig durchgeführt werden, wie im vorangegangenen Abschnitt beschrieben. Werden die flüchtigen Komponenten der Glaslotpaste verdampft und die Glaspartikel zu einem Glaslot umgeschmolzen noch bevor das Messelement appliziert wird, können die flüchtige Komponenten der Glaslotpaste ungehindert verdampfen und eine blasenfreie Glasschicht wird gebildet. Somit kann eine Blasenbildung und Bildung von Einschlüssen zumindest weitestgehend vermieden werden, so dass eine mechanische Stabilität und spätere Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt sind.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird zwischen Schritt B.1 und Schritt C ein weiterer Schritt B.2 ausgeführt, in welchem ein Abkühlen des Aufnehmerkörpers derart erfolgt, dass das Glaslot erstarrt.
In einer alternativen erfindungsgemäßen Lösung erfolgt in dem Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Aufnehmerkörpers in einem Schritt A ein Bereitstellen eines Aufnehmerkörpers, mindestens eines Messelements und mindestens eines bleifreien Glasformteils. In einem Schritt B erfolgt ein Platzieren des Glasformteils auf einem Oberflächenabschnitt der Membran des Aufnehmerkörpers. In einem Schritt C erfolgt ein Applizieren des Messelements auf dem Glasformteil, bevor in einem Schritt D ein Erwärmen des Aufnehmerkörpers auf eine Temperatur und ein Lagern des Aufnehmerkörpers bei dieser Temperatur für eine Lagerzeit derart erfolgen, dass das Glasformteil aufschmilzt und das Messelement in ein somit entstandenes Glaslot einsinkt. Anschließend erfolgt in einem Schritt E ein Abkühlen des Aufnehmerkörpers, so dass das aus dem Glasformteil gebildete Glaslot erstarrt.
Auch in dieser Ausgestaltung des Verfahrens ist in einfacher und zuverlässiger Weise ein Aufnehmerkörper mit bleifreiem Glaslot herstellbar. Dabei ist das Glasformteil besonders einfach handhabbar und kostengünstig verfügbar. Ferner kann mittels des Glasformteils das Glaslot in definierter Menge einfach appliziert werden und Glasformteile enthalten im Allgemeinen keine flüchtigen Bestandteile, so dass Prozessschritte zur deren Verflüchtigung entfallen können.
In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens liegt die Temperatur, auf die der Aufnehmerkörper erwärmt wird, zwischen 300 Grad Celsius und 600 Grad Celsius. Der Aufnehmerkörper wird bei dieser Temperatur beispielsweise für eine Lagerzeit zwischen 30 Sekunden und 5 Stunden gelagert. Geeignete Temperaturen sowie die Lagerzeiten sind abhängig vom gewählten Glasformteilfabrikat und dessen Spezifikationen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird zwischen Schritt B und Schritt C ein weiterer Schritt B.1 ausgeführt, in welchem ein Erwärmen des Aufnehmerkörpers auf eine Temperatur und ein Lagern des Aufnehmerkörpers bei dieser Temperatur für eine Lagerzeit derart erfolgen, dass das Glasformteil zu einem Glaslot aufschmilzt und auf der Membran haftet, schon bevor das Messelement im nächsten Schritt appliziert wird. Dies ermöglicht eine einfache Verbindung des Aufnehmerkörpers mit dem aufgebrachten Glaslot, da eine gesonderte Fixierung des Glasformteils entfallen kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird zwischen Schritt B.1 und Schritt C ein weiterer Schritt B.2 ausgeführt, in welchem ein Abkühlen des Aufnehmerkörpers derart erfolgt, dass das aus dem Glasformteil entstandene Glaslot erstarrt, bevor das Messelement im nächsten Schritt appliziert wird.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Aufnehmerkörpers,
2 schematisch eine perspektivische Darstellung des Aufnehmerkörpers gemäß 1,
3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Messelements mit Sicht auf eine Oberseite eines Halbleitersubstrats des Messelements,
4 schematisch eine perspektivische Ansicht des Messelements gemäß 3 mit Sicht auf eine Unterseite des Halbleitersubstrats des Messelements,
5 schematisch eine halbtransparente Draufsicht eines rechteckigen Messelements mit Sicht auf eine Oberseite eines Halbleitersubstrats des Messelements,
6 schematisch eine halbtransparente Draufsicht eines sechseckigen Messelements mit Sicht auf eine Oberseite eines Halbleitersubstrats des Messelements,
7 schematisch eine Draufsicht des rechteckigen Messelements gemäß 4 mit Sicht auf eine Unterseite des Halbleitersubstrats des Messelements,
8 schematisch eine Draufsicht des sechseckigen Messelements gemäß 6 mit Sicht auf eine Unterseite des Halbleitersubstrats des Messelements,
9 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Aufnehmerkörpers,
10 schematisch eine Schnittdarstellung eines Halbleitersubstrats eines Messelements in einem Randbereich,
11 schematisch eine Schnittdarstellung eines Halbleitersubstrats eines Messelements in einem Randbereich,
12 schematisch eine Schnittdarstellung eines Halbleitersubstrats eines Messelements in einem Randbereich,
13 schematisch eine Schnittdarstellung eines Halbleitersubstrats eines Messelements in einem Randbereich,
14 schematisch eine Draufsicht eines Ausschnitts eines Messelements mit Sicht auf eine Oberseite eines Halbleitersubstrats des Messelements,
15 schematisch eine Draufsicht eines Ausschnitts eines Messelements mit Sicht auf eine Oberseite eines Halbleitersubstrats des Messelements,
16 schematisch eine Draufsicht eines Ausschnitts eines Messelements mit Sicht auf eine Oberseite eines Halbleitersubstrats des Messelements,
17 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Druckmessumformers,
18 schematisch eine Schnittdarstellungen eines Ausschnitts eines Aufnehmerkörpers während verschiedener Schritte eines Verfahrens zu dessen Herstellung,
19 schematisch eine Schnittdarstellungen eines Ausschnitts eines Aufnehmerkörpers während verschiedener Schritte eines Verfahrens zu dessen Herstellung,
20 schematisch eine Schnittdarstellungen eines Ausschnitts eines Aufnehmerkörpers während verschiedener Schritte eines Verfahrens zu dessen Herstellung,
21 schematisch eine Schnittdarstellungen eines Ausschnitts eines Aufnehmerkörpers während verschiedener Schritte eines Verfahrens zu dessen Herstellung,
22 schematisch eine Schnittdarstellung eines Aufnehmerkörpers in einem unbelasteten Zustand,
23 schematisch eine Schnittdarstellungen des Aufnehmerkörpers gemäß 22 in einem belasteten Zustand,
24 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Kraftmessgeräts und
25 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftmessgeräts.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
DETAILBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In 1 ist eine Schnittdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Aufnehmerkörpers 120 für einen in 17 gezeigten Druckmessumformer 100 oder für in den 24 und 25 gezeigte Kraftmessgeräte 190 dargestellt. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Aufnehmerkörpers 120 gemäß 1.
Der Aufnehmerkörper 120 ist zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Fluids oder zur Aufnahme von Kräften ausgebildet.
Der Aufnehmerkörper 120 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Zylinderhutform auf, bei welcher der Aufnehmerkörper 120 eine Deckfläche umfasst, welche durch eine Membran 121 gebildet ist. Dabei erstreckt sich die Membran 121 insbesondere über die gesamte Breite, im dargestellten Ausführungsbeispiel über einen gesamten Durchmesser d, der Deckfläche. Der Durchmesser d beträgt beispielsweise 2,5 mm bis 15 mm.
Beispielsweise ist der Aufnehmerkörper 120 aus einer Eisenlegierung, insbesondere aus einem Edelstahl, gebildet.
Alternativ ist der Aufnehmerkörper 120 aus einer Buntmetalllegierung gebildet, wobei die Buntmetalllegierung insbesondere mit einer metallischen Haftvermittlungsschicht überzogen ist, oder der Aufnehmerkörper 120 ist aus einer Keramik gebildet.
Eine in einem dargestellten unbelasteten Zustand des Aufnehmerkörpers 120 zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Deckfläche verlaufende Mantelfläche mündet in einer umlaufenden flanschartigen Struktur, welche an einem der Deckfläche abgewandten Ende der Mantelfläche im unbelasteten Zustand des Aufnehmerkörpers 120 zumindest im Wesentlichen senkrecht von der Mantelfläche abragt. Die flanschartige Struktur ist dabei zu einer Befestigung des Aufnehmerkörpers 120 innerhalb des Druckmessumformers 100 oder an dem Kraftmessgerät 190 ausgebildet.
Der Aufnehmerkörper 120 umfasst mindestens ein auf einer Oberseite der Membran 121 angeordnetes dehnungsempfindliches Messelement 130. Das Messelement 130 ist dabei mittels eines bleifreien Glaslots 150 mit der Membran 121 verbunden und das Messelement 130 ist zumindest abschnittsweise in das Glaslot 150 eingesunken angeordnet. Das heißt, das Messelement 130 ist zumindest teilweise in der Glaslot 150 eingesunken; zumindest ein Volumenabschnitt des Messelements 130 ist in das Glaslot 150 eingesunken.
In den 3 und 4 sind perspektivische Ansichten eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Messelements 130 mit Sicht auf eine Oberseite 134 und eine Unterseite 135 eines Halbleitersubstrats 131 des Messelements 130 dargestellt.
Das Messelement 130 umfasst neben dem Halbleitersubstrat 131, welches insbesondere ein Silizium-Kristall ist, mindestens eine piezoresistive Widerstandsbahn 132, welche mittels Dotierung in dem Halbleitersubstrat 131 ausgebildet ist. Die Widerstandsbahn 132 weist an ihren Enden Kontaktflächen 133 zur elektrischen Kontaktierung auf.
Die mindestens eine Widerstandsbahn 132 ist insbesondere durch eine strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat 131 ausgebildet und liegt zumindest im Wesentlichen in einer {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls und verläuft zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung. Alternativ ist die mindestens eine Widerstandsbahn 132 durch eine strukturierte n-Dotierung im Halbleitersubstrat 131 ausgebildet und liegt zumindest im Wesentlichen in einer {100}-Kristallebene oder {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls und verläuft zumindest im Wesentlichen entlang einer <100>-Kristallrichtung.
Das Halbleitersubstrat 131 weist beispielsweise eine Dicke von 0,005 mm bis 0,1 mm und/oder eine Breite von 0,1 mm bis 2,8 mm und/oder eine Länge von 0,2 mm bis 3,8 mm auf. Beispielsweise liegen die Oberseite 134 und die Unterseite 135 zumindest im Wesentlichen parallel zueinander und weisen eine zumindest im Wesentlichen rechteckige Form auf.
Um ein Einsinken des Messelements 130 in das bleifreie Glaslot 150 zu ermöglichen oder zu vereinfachen, sind Seitenflächen 136 des Halbleitersubstrats 131 von der Oberseite 134 in Richtung der Unterseite 135 zumindest abschnittsweise sich kontinuierlich verjüngend ausgebildet. Das heißt, dass eine Oberfläche der Oberseite 134 in der Draufsicht eine Oberfläche der Unterseite 135 randseitig vollumfänglich überragt, so dass die Unterseite 135 eine kleinere Fläche aufweist als die Oberseite 134. Somit verjüngt sich das Halbleitersubstrat 130 von seiner Oberseite 134 hin zu seiner Unterseite 135.
5 zeigt eine halbtransparente Draufsicht eines möglichen Ausführungsbeispiels eines rechteckigen Messelements 130 mit Sicht auf die Oberseite 134 des Halbleitersubstrats 131 des Messelements 130, welche verdeutlicht, dass die Oberfläche der Oberseite 134 in der Draufsicht die Oberfläche der Unterseite 135 randseitig vollumfänglich überragt, so dass die Unterseite 135 eine kleinere Fläche aufweist als die Oberseite 134 und sich das Halbleitersubstrat 131 von seiner Oberseite 134 hin zu seiner Unterseite 135 verjüngt.
In 6 ist eine halbtransparente Draufsicht eines möglichen Ausführungsbeispiels eines sechseckigen Messelements 130 mit Sicht auf die Oberseite des Halbleitersubstrats 131 des Messelements 130 dargestellt, welche verdeutlicht, dass die Oberfläche der Oberseite 134 in der Draufsicht die Oberfläche der Unterseite 135 randseitig vollumfänglich überragt, so dass die Unterseite 135 eine kleinere Fläche aufweist als die Oberseite 134 und sich das Halbleitersubstrat 131 von seiner Oberseite 134 hin zu seiner Unterseite 135 verjüngt.
7 zeigt eine Draufsicht des rechteckigen Messelements 130 gemäß 5 mit Sicht auf die Unterseite 135 des Halbleitersubstrats 131 des Messelements 130.
In 8 ist schematisch eine Draufsicht des sechseckigen Messelements 130 gemäß 6 mit Sicht auf die Unterseite 135 des Halbleitersubstrats 131 des Messelements 130 dargestellt.
9 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Aufnehmerkörpers 120. In dieser Ausführung ist das Messelement 130 beispielsweise derart im Glaslot 150 angeordnet, dass zwischen der Unterseite 135 des Messelements 130 und einer Oberfläche der Membran 121 ein Glaslotfilm 151 mit einer Dicke von 0,001 mm bis 0,1 mm ausgebildet ist und/oder die Oberseite 134 des Messelements 130 um 0 Prozent bis 95 Prozent der Dicke des Messelements 130 aus dem Glaslot 150 herausragt. Auch ist es möglich, dass das Messelement 130 zumindest im Wesentlichen bündig mit einer Oberfläche des Glaslots 150 in diesem angeordnet ist.
In 10 ist eine Schnittdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Halbleitersubstrats 131 eines Messelements 130 in einem Randbereich dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind Seitenflächen 136 des Halbleitersubstrats 131 durchgängig von der Oberseite 134 zur Unterseite 135 des Halbleitersubstrats 131 sich kontinuierlich verjüngend ausgebildet.
Dabei beträgt jeweils ein mittlerer Winkel 137 eines Seitenflächenquerschnitts zu einer Flächennormalen 138 der Oberseite 134 mehr als 0 °, insbesondere mindestens 5 °, insbesondere mindestens 15 °.
Dabei weisen die Seitenflächen 136 insbesondere eine ebene Oberfläche auf, so dass das Halbleitersubstrat 131 zumindest im Wesentlichen eine Form eines Pyramidenstumpfs aufweist, wobei die Oberseite 134 eine Grundfläche des Pyramidenstumpfs bildet und die Unterseite 135 eine Deckfläche des Pyramidenstumpfs bildet.
Eine solche Form der Seitenflächen 136 wird beispielsweise in einem Sägeverfahren oder in einem Laserschnittverfahren hergestellt.
11 zeigt eine Schnittdarstellung eines weiteren möglichen Ausführungsbeispiels eines Halbleitersubstrats 131 eines Messelements 130 in einem Randbereich.
In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Seitenflächen 136 des Halbleitersubstrats 131 zumindest abschnittsweise eine konkave Oberfläche auf.
Eine solche Form der Seitenflächen 136 wird beispielsweise in einem Ätzverfahren oder in einem Laserschnittverfahren hergestellt.
Dabei beträgt jeweils ein mittlerer Winkel 137 eines mittleren Seitenflächenquerschnitts zu einer Flächennormalen 138 der Oberseite 134 mehr als 0 °, insbesondere mindestens 5 °, insbesondere mindestens 15 °.
In 12 ist eine Schnittdarstellung eines weiteren möglichen Ausführungsbeispiels eines Halbleitersubstrats 131 eines Messelements 130 in einem Randbereich dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Seitenflächen 136 des Halbleitersubstrats 131 zumindest abschnittsweise eine wellenförmige Oberfläche auf.
Eine solche Form der Seitenflächen 136 wird beispielsweise durch Bearbeitung des Halbleitersubstrats 131 mittels eines Lasers erzeugt, wobei die Bearbeitung insbesondere in mehreren Stufen mit sich jeweils verringernder Strahltaille des Lasers durchgeführt wird.
Dabei beträgt jeweils ein mittlerer Winkel 137 eines mittleren Seitenflächenquerschnitts zu einer Flächennormalen 138 der Oberseite 134 mehr als 0 °, insbesondere mindestens 5 °, insbesondere mindestens 15 °.
13 zeigt eine Schnittdarstellung eines weiteren möglichen Ausführungsbeispiels eines Halbleitersubstrats 131 eines Messelements 130 in einem Randbereich.
Im Unterschied zu dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Seitenflächen 136 des Halbleitersubstrats 131 von der Oberseite 134 in Richtung der Unterseite 135 nur abschnittsweise sich kontinuierlich verjüngend ausgebildet.
In 14 ist eine Draufsicht eines Ausschnitts eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Messelements 130 mit Sicht auf die Oberseite 134 des Halbleitersubstrats 131 des Messelements 130 dargestellt.
Das Messelement 130 umfasst eine streifenförmige Widerstandsbahn 132, welche an ihren Enden Kontaktflächen 133 umfasst.
Dabei ist die Widerstandsbahn 132 durch eine strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat 131 ausgebildet und liegt zumindest im Wesentlichen in einer {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls, wobei deren Verlaufsrichtung 160, d. h. eine Messrichtung, zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung verläuft. Alternativ ist die mindestens eine Widerstandsbahn 132 durch eine strukturierte n-Dotierung im Halbleitersubstrat 131 ausgebildet und liegt zumindest im Wesentlichen in einer {100}-Kristallebene oder {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls, wobei deren Verlaufsrichtung 160, d. h. eine Messrichtung, zumindest im Wesentlichen entlang einer <100>-Kristallrichtung verläuft.
15 zeigt eine Draufsicht eines Ausschnitts eines möglichen weiteren Ausführungsbeispiels eines Messelements 130 mit Sicht auf die Oberseite 134 des Halbleitersubstrats 131 des Messelements 130.
Im Unterschied zu dem in 14 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Widerstandsbahn 132 eine Mäanderform auf. Die Widerstandsbahn in Mäanderform ermöglicht, dass auch auf einem Halbleitersubstrat 131 mit begrenzter Abmessung eine lange Ausdehnung der Widerstandsbahn 132 in Richtung der Dehnungsbelastung erzielt werden kann, während gleichzeitig die Ausdehnung der Widerstandsbahn 132 in der Querrichtung gering ist. Dadurch kann das erzielbare Messsignal vergrößert und die Messgenauigkeit folglich erhöht werden.
In 16 ist eine Draufsicht eines Ausschnitts eines möglichen weiteren Ausführungsbeispiels eines Messelements 130 mit Sicht auf die Oberseite 134 des Halbleitersubstrats 131 des Messelements 130 dargestellt.
Im Unterschied zu dem in 14 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Messelement 130 zwei Widerstandsbahnen 132, wobei die Widerstandsbahnen 132 insbesondere parallel nebeneinander angeordnet sind und Kontaktflächen 133 der Widerstandsbahnen 132 gegeneinander elektrisch isoliert sind.
17 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Druckmessumformers 100.
Der Druckmessumformer 100 ist zur Umwandlung eines Drucks in ein elektrisches Signal ausgebildet und umfasst einen Aufnehmerkörper 120, einen Anschlusskörper 170, ein Gehäuse 110, eine Auswerteelektronik 140 und eine Übertragungseinrichtung 180.
Dabei ist der Anschlusskörper 170 dichtend mit dem Aufnehmerkörper 120 verbunden und an eine Fluidquelle dichtend anschließbar. Mittels des Anschlusskörpers 170 ist ein Fluid in den Aufnehmerkörper 120 einleitbar.
Die Auswerteelektronik 140 ist elektrisch mit der mindestens einen Widerstandsbahn 132 verbunden und dazu eingerichtet, eine Widerstandsänderung der Widerstandsbahn 132 in ein elektrisches Messsignal umzuwandeln.
Das Gehäuse 110 ist mit dem Anschlusskörper 170 verbunden, so dass die Membran 121, das Messelement 130 und die Auswerteelektronik 140 von dem Gehäuse 110 zumindest abschnittsweise, das heißt, zumindest teilweise, umschlossen sind.
Die Übertragungseinrichtung 180 ist derart mit der Auswerteelektronik 140 verbunden, dass sie das elektrische Messsignal in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt und entweder mittels von außerhalb des Gehäuses 110 zugänglichen Kontakten bereitstellt oder als Funksignal aussendet.
In 18 sind Schnittdarstellungen eines Ausschnitts eines Aufnehmerkörpers 120 während verschiedener Schritte A bis E eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zu dessen Herstellung dargestellt.
In dem Verfahren werden in einem Schritt ein Aufnehmerkörper 120, mindestens ein Messelement 130 und eine bleifreie Glaslotpaste 152 bereitgestellt. Die Glaslotpaste 152 umfasst Glaspartikel 153 und flüchtige, insbesondere organische, Komponenten 154.
In einem Schritt B erfolgt ein Auftragen der Glaslotpaste 152 auf einen Oberflächenabschnitt 123 der Membran 121 des Aufnehmerkörpers 120.
In einem Schritt C erfolgt ein Applizieren des Messelements 130 auf der Glaslotpaste 152 in der Art, dass dieses mit seiner Unterseite 135 auf der Glaslotpaste 152 aufgelegt oder leicht hinein gedrückt wird.
Anschließend erfolgen in einem Schritt D ein Erwärmen des Aufnehmerkörpers 120 auf mindestens eine Temperatur und ein Lagern des Aufnehmerkörpers 120 bei dieser Temperatur für eine Lagerzeit, so dass die flüchtigen Komponenten 154 der Glaslotpaste 152 verdampfen, die Glaspartikel 153 schmelzen und das Messelement 130 in ein somit entstandenes Glaslot 150 einsinkt. Beispielsweise liegt die Temperatur, auf die der Aufnehmerkörper 120 erwärmt wird, zwischen 300 Grad Celsius und 600 Grad Celsius. Der Aufnehmerkörper 120 wird bei dieser Temperatur beispielsweise für eine Lagerzeit zwischen 30 Sekunden und 5 Stunden gelagert. Geeignete Temperaturen sowie die Lagerzeiten sind abhängig vom gewählten Glaslotfabrikat und dessen Spezifikationen. Insbesondere kann die Erwärmung und Lagerung des Aufnehmerkörpers 120 über zumindest zwei Stufen erfolgen, wobei auf einer ersten, niedrigeren Temperaturstufe zunächst die flüchtigen Komponenten 154 der Glaslotpaste 152 verdampft werden und dann, auf einer zweiten, höheren Temperaturstufe die Glaspartikel 153 zu einem Glaslot 150 umgeschmolzen werden.
Darauf folgt in einem nicht gezeigten Schritt E ein Abkühlen des Aufnehmerkörpers 120, so dass das Glaslot 150 erstarrt.
19 zeigt Schnittdarstellungen eines Ausschnitts eines Aufnehmerkörpers 120 während verschiedener Schritte A bis D eines weiteren möglichen Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zu dessen Herstellung.
Im Unterschied zu dem in 18 dargestellten Verfahren wird zwischen Schritt B und Schritt C ein Schritt B1 ausgeführt, in welchem ein Erwärmen des Aufnehmerkörpers 120 auf eine Temperatur und ein Lagern des Aufnehmerkörpers 120 bei dieser Temperatur für eine Lagerzeit erfolgen, so dass die flüchtigen Komponenten 154 der Glaslotpaste 152 bereits verdampfen und die Glaspartikel 153 schmelzen, bevor das Messelement 130 auf der Glaslotpaste 152 appliziert wird. Beispielsweise liegt die Temperatur, auf die der Aufnehmerkörper 120 erwärmt wird, zwischen 300 Grad Celsius und 600 Grad Celsius. Der Aufnehmerkörper 120 wird bei dieser Temperatur beispielsweise für eine Lagerzeit zwischen 30 Sekunden und 5 Stunden gelagert. Geeignete Temperaturen sowie die Lagerzeiten sind abhängig vom gewählten Glaslotfabrikat und dessen Spezifikationen. Insbesondere kann die Erwärmung und Lagerung des Aufnehmerkörpers 120 über zumindest zwei Stufen erfolgen, wobei auf einer ersten, niedrigeren Temperaturstufe zunächst die flüchtigen Komponenten 154 der Glaslotpaste 152 verdampft werden und dann, auf einer zweiten, höheren Temperaturstufe die Glaspartikel 153 zu einem Glaslot 150 umgeschmolzen werden.
Das Applizieren des Messelements 130 auf der erwärmten Glaslotpaste 152 erfolgt im Schritt C, so dass dieses in Schritt D einsinkt. Hierdurch wird das Messelement 130 nur einer geringen Wärmezufuhr ausgesetzt.
Darauf folgt in einem nicht gezeigten Schritt E ein Abkühlen des Aufnehmerkörpers 120, so dass das Glaslot 150 erstarrt.
In 20 sind Schnittdarstellungen eines Ausschnitts eines Aufnehmerkörpers 120 während verschiedener Schritte A bis E eines weiteren möglichen Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zu dessen Herstellung dargestellt.
Im Unterschied zu dem in 18 dargestellten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird anstatt der Glaslotpaste 152 ein Glasformteil 155 verwendet.
Hierbei erfolgt in einem Schritt A ein Bereitstellen eines Aufnehmerkörpers 120, mindestens eines Messelements 130 und mindestens eines bleifreien Glasformteils 155, bevor in einem Schritt B das Glasformteil 155 auf einem Oberflächenabschnitt 123 der Membran 121 des Aufnehmerkörpers 120 platziert wird.
In einem Schritt C erfolgt ein Applizieren des Messelements 130 auf dem Glasformteil 155, bevor in einem Schritt D ein Erwärmen des Aufnehmerkörpers 120 auf eine Temperatur und ein Lagern des Aufnehmerkörpers 120 bei dieser Temperatur für eine Lagerzeit erfolgen, so dass das Glasformteil 155 aufschmilzt und das Messelement 130 in ein somit entstandenes Glaslot 150 einsinkt. Beispielsweise liegt die Temperatur, auf die der Aufnehmerkörper 120 erwärmt wird, zwischen 300 Grad Celsius und 600 Grad Celsius. Der Aufnehmerkörper 120 wird bei dieser Temperatur beispielsweise für eine Lagerzeit zwischen 30 Sekunden und 5 Stunden gelagert. Geeignete Temperaturen sowie die Lagerzeiten sind abhängig vom gewählten Glasformteilfabrikat und dessen Spezifikationen.
Anschließend erfolgt in einem nicht gezeigten Schritt E ein Abkühlen des Aufnehmerkörpers 120, so dass das Glaslot 150 erstarrt.
21 zeigt Schnittdarstellungen eines Ausschnitts eines Aufnehmerkörpers 120 während verschiedener Schritte A bis D eines weiteren möglichen Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zu dessen Herstellung.
Im Unterschied zu dem in 20 dargestellten Verfahren wird zwischen Schritt B und Schritt C ein Schritt B1 ausgeführt, in welchem ein Erwärmen des Aufnehmerkörpers 120 auf eine Temperatur und ein Lagern des Aufnehmerkörpers 120 bei dieser Temperatur für eine Lagerzeit erfolgen, so dass das Glasformteil 155 zu einem Glaslot 150 aufschmilzt und auf der Membran 121 haftet, bevor das Messelement 130 auf dem Glaslot 150 appliziert wird. Beispielsweise liegt die Temperatur, auf die der Aufnehmerkörper 120 erwärmt wird, zwischen 300 Grad Celsius und 600 Grad Celsius. Der Aufnehmerkörper 120 wird bei dieser Temperatur beispielsweise für eine Lagerzeit zwischen 30 Sekunden und 5 Stunden gelagert. Geeignete Temperaturen sowie die Lagerzeiten sind abhängig vom gewählten Glasformteilfabrikat und dessen Spezifikationen.
Das Applizieren des Messelements 130 auf der erwärmten Glaslotpaste 152 erfolgt im Schritt C, so dass dieses in einem Schritt D einsinkt. Hierdurch wird das Messelement 130 nur einer geringen Wärmezufuhr ausgesetzt.
In einem nicht gezeigten Schritt E erfolgt ein Abkühlen des Aufnehmerkörpers 120, so dass das Glaslot 150 erstarrt.
In 22 ist eine Schnittdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Aufnehmerkörpers 120 in einem unbelasteten Zustand dargestellt. 23 zeigt den Aufnehmerkörper 120 in einem belasteten, also in einem mit Druck beaufschlagten Zustand oder in einem Zustand, in dem Kräfte in den Aufnehmerkörper eingeleitet werden.
Hierbei wird ersichtlich, dass sich die Membran 121 in einem belasteten Zustand in einem mittleren Bereich 124 derart wölbt, dass sich an ihrer dem Messelement 130 zugewandten Seite Oberflächenabschnitte mit starker positiver Dehnung (Streckung) 126 der Oberfläche und Oberflächenabschnitte mit starker negativer Dehnung (Stauchung) 127 der Oberfläche ausbilden. Der sich an den mittleren Bereich 124 anschließende äußere Bereich 125 der Membran 121 erfährt dabei im Wesentlichen keine Verformung. Die Lage von Oberflächenabschnitten 123 mit starker Streckung 126 bzw. mit starker Stauchung 127 der Oberfläche ist abhängig von der jeweiligen Form der Membran 121.
Um eine besonders zuverlässige und exakte Messung der Formveränderung der Membran 121 zu realisieren, ist in einer möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers 120 vorgesehen, dass im mittleren Bereich 124 zwei Widerstandsbahnen 132 derart in einem Oberflächenabschnitt mit starker positiver Dehnung (Streckung) 126 der Oberfläche angeordnet sind, dass sich die Verlaufsrichtung 160 in Richtung der möglichen Streckung erstreckt. Dabei können die Widerstandsbahnen 132 auf zwei Messelemente 130 aufgeteilt sein oder auf einem gemeinsamen Messelement 130 angeordnet sein. Zwei weitere Widerstandsbahnen 132 sind derart in einem Oberflächenabschnitt mit starker negativer Dehnung (Stauchung) 127 angeordnet, dass sich deren Verlaufsrichtung 160 in Richtung der möglichen Stauchung 127 erstreckt. Auch diese Widerstandsbahnen 132 können auf zwei Messelemente 130 aufgeteilt sein oder auf einem gemeinsamen Messelement 130 angeordnet sein. Die vier Widerstandsbahnen 132 sind dabei derart zu einer Wheatstoneschen Messbrücke 139 verschaltet, dass sich die jeweils zwei Widerstandsbahnen, die in einem Bereich mit gleicher Dehnungsrichtung angeordnet sind, im Schaltbild der Messbrücke diagonal gegenüberliegen.
Hierbei wird in besonders vorteilhafter Weise ein großes Spannungssignal erzeugt, welches daraus resultiert, dass die elektrischen Widerstände der Widerstandsbahnen 132 bei der Verformung in Bereichen mit großer Streckung 126 ansteigen und die elektrischen Widerstände der Widerstandsbahnen 132 bei der Verformung in Bereichen mit großer Stauchung 127 abnehmen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers 120 ist vorgesehen, dass insgesamt vier Widerstandsbahnen 132 auf der Membran 121 angeordnet und zu einer Wheatstoneschen Messbrücke 139 verschaltet sind, wobei zumindest eine Widerstandsbahn 132 auf dem mittleren Bereich 124 der Membran 121 in einem Oberflächenabschnitt mit starker Streckung 126 oder starker Stauchung 127 angeordnet ist, während die übrigen Widerstandsbahnen 132 im Randbereich 125 angeordnet sind.
Hierbei wird in besonders vorteilhafter Weise ein sehr genaues Spannungssignal erzeugt, welches daraus resultiert, dass die mindestens eine im mittleren Bereich 124 angeordnete Widerstandsbahn 132 bei Druckbeaufschlagung des Aufnehmerkörpers 120 verformt wird und ihren Widerstand verändert, während die übrigen Widerstandsbahnen 132 im Wesentlichen nicht verformt werden und somit keine Widerstandsänderung zeigen.
Das Spannungssignal kann noch dadurch verstärkt werden, dass die Widerstandsbahnen 132 jeweils durch die strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat 131 ausgebildet sind und zumindest im Wesentlichen in der {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls liegen, wobei deren Verlaufsrichtung 160 zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder der <111>-Kristallrichtung verlaufen, oder alternativ die Widerstandsbahnen 132 jeweils durch die strukturierte n-Dotierung im Halbleitersubstrat 131 ausgebildet sind und zumindest im Wesentlichen in der {100}-Kristallebene oder {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls liegen, wobei deren Verlaufsrichtung 160 zumindest im Wesentlichen entlang der <100>-Kristallrichtung verlaufen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Aufnehmerkörpers 120 sind vier Widerstandsbahnen 132 im Halbleitersubstrat 131 eines einzigen Messelements 130 ausgebildet, wobei die Widerstandsbahnen 132 durch eine strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat 131 ausgebildet sind und zumindest im Wesentlichen in einer {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls liegen. Dabei bilden zwei der vier Widerstandsbahnen 132 ein erstes Paar, welches zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung ausgerichtet ist bzw. in einer dieser Kristallrichtungen verläuft. Die übrigen beiden Widerstandsbahnen 132 bilden ein zweites Paar, welches im Wesentlichen senkrecht zur Ausrichtung des ersten Paares von Widerstandsbahnen ausgerichtet ist. Somit verläuft das erste Paar von Widerstandbahnen 132 in einer Richtung, in welcher der Widerstand, wie bereits in einem vorangegangenen Abschnitt beschrieben, im Wesentlichen nur von einer Dehnung in Verlaufsrichtung der Bahnen abhängt, während das zweite Paar von Widerstandsbahnen 132 in einer Querrichtung dazu verläuft, in welcher der Widerstand im Wesentlichen unabhängig von der Dehnung in dieser Querrichtung ist. Die vier Widerstandsbahnen 132 können insbesondere derart zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet werden, dass sich die Widerstandsbahnen 132 des ersten Paares sowie die Widerstandsbahnen 132 des zweiten Paares im Schaltbild der Brückenschaltung jeweils diagonal gegenüberliegen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Messelement 130 mit einer solchen Messbrücke im Wesentlichen nur auf Dehnung, also Streckung / Stauchung, entlang der Ausrichtung des ersten Paares von Widerstandsbahnen 132 sensitiv ist und ein sehr genaues Messsignal in Bezug darauf abgegriffen werden kann. Die Verschaltung zu einer Messbrücke kann innerhalb des Halbleitersubstrats 131 ausgebildet sein oder auch außerhalb des Messelements 130 über die Kontaktierung der einzelnen Widerstandsbahnen 132 hergestellt werden. Ein Aufnehmerkörper 120 kann mit einem solchen Messelement 130 besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden, da nur ein Messelement 130 appliziert und werden muss. Zudem kann dieses an jeder beliebigen Stelle der Membran angeordnet werden. Besonders vorteilhaft kann der Aufnehmerkörper 120 hergestellt werden, indem ein solches Messelement 130 zentral in einem mittleren Bereich 124 auf der Membran 121 angeordnet wird, da dadurch im wesentlichen keine Asymmetrien in der Belastung der Membran 121 entstehen.
In 24 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Kraftmessgeräts 190 zur Umwandlung einer Kraft F in ein elektrisches Signal dargestellt.
Das Kraftmessgerät 190 umfasst zwei Aufnehmerkörper 120, zwei Lagerbereiche 191, einen Krafteinleitungsbereich 192, eine Auswerteelektronik 140, eine Übertragungseinrichtung 180 und zwei Verformungsabschnitte 193, in welchen jeweils ein Aufnehmerkörper 120 angeordnet ist.
Dabei sind die Verformungsabschnitte 193 mit dem jeweiligen Aufnehmerkörper 120 verbunden und mittels der Verformungsabschnitte 193 ist die Kraft F in die Aufnehmerkörper 120 einleitbar.
Die Auswerteelektronik 140 ist jeweils elektrisch mit der mindestens einen nicht näher dargestellten Widerstandsbahn 132 des jeweiligen Aufnehmerkörpers 120 verbunden und dazu eingerichtet, eine Widerstandsänderung der Widerstandsbahnen 132 in ein elektrisches Messsignal umzuwandeln.
Die Übertragungseinrichtung 180 ist derart mit der Auswerteelektronik 140 verbunden, dass sie das elektrische Messsignal in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt und entweder mittels Kontakten bereitstellt oder als Funksignal aussendet.
25 zeigt ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel eines Kraftmessgeräts 190 zur Umwandlung einer Kraft F in ein elektrisches Signal.
Im Unterschied zu dem in 24 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Kraftmessgerät 190 einen Lagerbereich 191, einen Krafteinleitungsbereich 192, eine Auswerteelektronik 140, eine Übertragungseinrichtung 180 und einen Verformungsabschnitt 193, in welchem zwei Aufnehmerkörper 120 angeordnet sind.
Der Verformungsabschnitt 193 ist mit den Aufnehmerkörpern 120 verbunden und mittels des Verformungsabschnitts 193 ist die Kraft F in die Aufnehmerkörper 120 einleitbar.
Zwischen den Aufnehmerkörpern 120 ist eine schlitzförmige Aussparung 194 im Verformungsabschnitt 193 ausgebildet, um bei einer Einleitung der Kraft F zu ermöglichen, dass sich eine resultierende Verformung des Verformungsabschnitts 193 im Bereich der Aufnehmerkörper 120 konzentriert und somit die Verformung sehr zuverlässig erfassbar ist. Die Aussparung 194 kann abweichend auch jede andere beliebige Form aufweisen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden ausführlichen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie kann in dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche modifiziert werden.
Ebenfalls können einzelne Aspekte aus den Unteransprüchen miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

100: Druckmessumformer
110: Gehäuse
120: Aufnehmerkörper
121: Membran
123: Oberflächenabschnitt
124: Bereich
125: Randbereich
126: Positive Dehnung, Streckung
127: Negative Dehnung, Stauchung
130: Messelement
131: Halbleitersubstrat
132: Widerstandsbahn
133: Kontaktfläche
134: Oberseite
135: Unterseite
136: Seitenfläche, Querschnitt durch Seitenfläche
137: Winkel
138: Flächennormale der Oberseite
139: Wheatstone'sche Messbrücke
140: Auswerteelektronik
150: Glaslot
151: Glaslotfilm
152: Glaslotpaste
153: Glaspartikel
154: Flüchtige Komponenten
155: Glasformteil
160: Verlaufsrichtung
170: Anschlusskörper
180: Übertragungseinrichtung
190: Kraftmessgerät
191: Lagerbereich
192: Krafteinleitungsbereich
193: Verformungsabschnitt
194: Aussparung
d: Durchmesser
A: Schritt
B: Schritt
B.1: Schritt
B.2: Schritt
C: Schritt
D: Schritt
E: Schritt
F: Kraft

Claims

Aufnehmerkörper (120) zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Fluids oder zur Aufnahme einer Kraft mit einer Membran (121) und mindestens einem auf der Membran (121) angeordneten dehnungsempfindlichen Messelement (130), umfassend ein Halbleitersubstrat (131) und mindestens eine piezoresistive Widerstandsbahn (132), wobei die Widerstandsbahn (132) mittels Dotierung in dem Halbleitersubstrat (131) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (130) mittels eines bleifreien Glaslots (150) mit der Membran (121) verbunden ist und das Messelement (130) zumindest abschnittsweise in das Glaslot (150) eingesunken angeordnet ist.
Aufnehmerkörper (120) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (131) eine Oberseite (134) und eine Unterseite (135) aufweist, wobei eine Oberfläche der Oberseite (134) in der Draufsicht eine Oberfläche der Unterseite (135) randseitig vollumfänglich überragt und/oder die Unterseite (135) eine kleinere Fläche aufweist als die Oberseite (134).
Aufnehmerkörper (120) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (131) eine Dicke von 0,005 mm bis 0,1 mm und/oder eine Breite von 0,1 mm bis 2,8 mm und/oder eine Länge von 0,2 mm bis 3,8 mm aufweist, wobei die Oberseite (134) und die Unterseite (135) insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zueinander liegen, wobei die Oberseite (134) und die Unterseite (135) insbesondere eine zumindest im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen.
Aufnehmerkörper (120) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Seitenflächen (136) des Halbleitersubstrats (131) von der Oberseite (134) in Richtung der Unterseite (135) zumindest abschnittsweise sich kontinuierlich verjüngend ausgebildet sind, insbesondere durchgängig von der Oberseite (134) zur Unterseite (135) sich kontinuierlich verjüngend ausgebildet sind, und jeweils ein mittlerer Winkel (137) eines Seitenflächenquerschnitts zu einer Flächennormalen (138) der Oberseite (134) mehr als 0 °, insbesondere mindestens 5 °, insbesondere mindestens 15 ° beträgt, und die Seitenflächen (136) insbesondere eine ebene Oberfläche aufweisen, so dass das Halbleitersubstrat (131) zumindest im Wesentlichen eine Form eines Pyramidenstumpfs aufweist, wobei die Oberseite (134) eine Grundfläche des Pyramidenstumpfs bildet und die Unterseite (135) eine Deckfläche des Pyramidenstumpfs bildet, oder die Seitenflächen (136) des Halbleitersubstrats (131) zumindest abschnittsweise eine konkave Oberfläche aufweisen oder die Seitenflächen (136) des Halbleitersubstrats (131) zumindest abschnittsweise eine wellenförmige Oberfläche aufweisen.
Aufnehmerkörper (120) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einer Länge und einer durchschnittlichen Breite der Widerstandsbahn (132) mindestens 2:1 entspricht, insbesondere mindestens 5:1 entspricht, insbesondere mindestens 10:1 entspricht, insbesondere mindestens 20:1 entspricht, und/oder die Widerstandsbahn (132) eine Streifenform oder eine Mäanderform aufweist und/oder in dem Halbleitersubstrat (131) mindestens zwei Widerstandsbahnen (132) ausgebildet sind, wobei die Widerstandsbahnen (132) insbesondere nebeneinander angeordnet sind, wobei jede Widerstandsbahn (132) an ihren Enden Kontaktflächen (133) umfasst und wobei die Kontaktflächen (133) verschiedener Widerstandsbahnen (132) gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Aufnehmerkörper (120) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (131) einen Silizium-Kristall umfasst und die mindestens eine Widerstandsbahn (132) entweder durch eine strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat (131) ausgebildet ist und die Widerstandsbahn (132) zumindest im Wesentlichen in einer {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls liegt und zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung verläuft, oder die mindestens eine Widerstandsbahn (132) durch eine strukturierte n-Dotierung im Halbleitersubstrat (131) ausgebildet ist und die Widerstandsbahn (132) zumindest im Wesentlichen in einer {100}-Kristallebene oder {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls liegt und zumindest im Wesentlichen entlang einer <100>-Kristallrichtung verläuft.
Aufnehmerkörper (120) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmerkörper (120) eine Hutform, insbesondere eine Zylinderhutform, aufweist, wobei der Aufnehmerkörper (120) insbesondere einen Durchmesser (d) von 2,5 mm bis 15 mm aufweist und/oder aus einer Eisenlegierung, insbesondere aus einem Edelstahl, besteht oder aus einer Buntmetalllegierung besteht, wobei die Buntmetalllegierung insbesondere mit einer metallischen Haftvermittlungsschicht überzogen ist, oder aus einer Keramik besteht.
Aufnehmerkörper (120) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Membran (121) zumindest vier Widerstandsbahnen (132) angeordnet und derart miteinander verschaltet sind, dass diese eine Wheatstonesche Brückenschaltung (139) bilden, wobei die Widerstandsbahnen (132) insbesondere gleichmäßig auf höchstens vier getrennte Messelemente (130) aufgeteilt sind, insbesondere auf höchstens zwei getrennte Messelemente (130) aufgeteilt sind, insbesondere im Halbleitersubstrat (131) eines einzigen Messelements (130) ausgebildet sind.
Aufnehmerkörper (120) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vier Widerstandsbahnen im Halbleitersubstrat (131) eines Messelements ausgebildet sind, wobei die Widerstandsbahnen (132) durch eine strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat (131) ausgebildet sind und zumindest im Wesentlichen in einer {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls liegen und wobei ein erstes Paar von Widerstandsbahnen (132) zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung verläuft und ein zweites Paar von Widerstandsbahnen (132) im Wesentlichen senkrecht zur Ausrichtung des ersten Paares von Widerstandsbahnen (132) verläuft.
Aufnehmerkörper (120) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein Messelement (130) im Glaslot (150) derart angeordnet ist, dass zwischen der Unterseite (135) des Messelements (130) und der Oberfläche der Membran (121) ein Glaslotfilm (151) mit einer Dicke von 0,001 mm bis 0,1 mm ausgebildet ist, und/oder die Oberseite (134) des Messelements (130) um 0 Prozent bis 95 Prozent der Dicke des Messelements (130) aus dem Glaslot (150) herausragt, insbesondere zumindest im Wesentlichen bündig mit einer Oberfläche des Glaslots (150) in diesem angeordnet ist.
Messelement (130) zur Anordnung an einem Aufnehmerkörper (120) nach einem der Ansprüche 1, 7, 8 und 10 mit einem Halbleitersubstrat (131) und mindestens einer piezoresistiven Widerstandsbahn (132), wobei die Widerstandsbahn (132) mittels Dotierung in dem Halbleitersubstrat (131) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (131) eine Oberseite (134) und eine Unterseite (135) aufweist, wobei eine Oberfläche der Oberseite (134) in der Draufsicht eine Oberfläche der Unterseite (135) randseitig vollumfänglich überragt und/oder die Unterseite (135) eine kleinere Fläche aufweist als die Oberseite (134).
Messelement (130) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (131) eine Dicke von 0,005 mm bis 0,1 mm und/oder eine Breite von 0,1 mm bis 2,8 mm und/oder eine Länge von 0,2 mm bis 3,8 mm aufweist, wobei die Oberseite (134) und die Unterseite (135) insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zueinander liegen, wobei die Oberseite (134) und die Unterseite (135) insbesondere eine zumindest im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen.
Messelement (130) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Seitenflächen (136) des Halbleitersubstrats (131) von der Oberseite (134) in Richtung der Unterseite (135) zumindest abschnittsweise sich kontinuierlich verjüngend ausgebildet sind, insbesondere durchgängig von der Oberseite (134) zur Unterseite (135) sich kontinuierlich verjüngend ausgebildet sind, und jeweils ein mittlerer Winkel (137) eines Seitenflächenquerschnitts zu einer Flächennormalen (138) der Oberseite (134) mehr als 0 °, insbesondere mindestens 5 °, insbesondere mindestens 15 ° beträgt, und die Seitenflächen (136) insbesondere eine ebene Oberfläche aufweisen, so dass das Halbleitersubstrat (131) zumindest im Wesentlichen eine Form eines Pyramidenstumpfs aufweist, wobei die Oberseite (134) eine Grundfläche des Pyramidenstumpfs bildet und die Unterseite (135) eine Deckfläche des Pyramidenstumpfs bildet, oder die Seitenflächen (136) des Halbleitersubstrats (131) zumindest abschnittsweise eine konkave Oberfläche aufweisen oder die Seitenflächen (136) des Halbleitersubstrats (131) zumindest abschnittsweise eine wellenförmige Oberfläche aufweisen.
Messelement (130) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einer Länge und einer durchschnittlichen Breite der Widerstandsbahn (132) mindestens 2:1 entspricht, insbesondere mindestens 5:1 entspricht, insbesondere mindestens 10:1 entspricht, insbesondere mindestens 20:1 entspricht, und/oder die Widerstandsbahn (132) eine Streifenform oder eine Mäanderform aufweist und/oder in dem Halbleitersubstrat (131) mindestens zwei Widerstandsbahnen (132) ausgebildet sind, wobei die Widerstandsbahnen (132) insbesondere nebeneinander angeordnet sind, wobei jede Widerstandsbahn (132) an ihren Enden Kontaktflächen (133) umfasst und wobei die Kontaktflächen (133) verschiedener Widerstandsbahnen (132) gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Messelement (130) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (131) einen Silizium-Kristall umfasst und die mindestens eine Widerstandsbahn (132) entweder durch eine strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat (131) ausgebildet ist und die Widerstandsbahn (132) zumindest im Wesentlichen in einer {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls liegt und zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung verläuft, oder die mindestens eine Widerstandsbahn (132) durch eine strukturierte n-Dotierung im Halbleitersubstrat (131) ausgebildet ist und die Widerstandsbahn (132) zumindest im Wesentlichen in einer {100}-Kristallebene oder {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls liegt und zumindest im Wesentlichen entlang einer <100>-Kristallrichtung verläuft.
Messelement nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass vier Widerstandsbahnen (132) im Halbleitersubstrat (131) des Messelements (130) ausgebildet sind, wobei die Widerstandsbahnen (132) durch eine strukturierte p-Dotierung im Halbleitersubstrat (131) ausgebildet sind und zumindest im Wesentlichen in einer {110}-Kristallebene des Silizium-Kristalls liegen und wobei ein erstes Paar von Widerstandsbahnen (132) zumindest im Wesentlichen entlang einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung verläuft und ein zweites Paar von Widerstandsbahnen (132) im Wesentlichen senkrecht zur Ausrichtung des ersten Paares von Widerstandsbahnen (132) verläuft.
Druckmessumformer (100) zur Umwandlung eines Drucks in ein elektrisches Signal, umfassend als Komponenten zumindest einen Aufnehmerkörper (120) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, einen Anschlusskörper (170), ein Gehäuse (110), eine Auswerteelektronik (140) und eine Übertragungseinrichtung (180), wobei die Komponenten derart angeordnet sind, dass der Anschlusskörper (170) dichtend mit dem Aufnehmerkörper (120) verbunden ist, der Anschlusskörper (170) an eine Fluidquelle dichtend anschließbar ist und ein Fluid mittels des Anschlusskörpers (170) in den Aufnehmerkörper (120) einleitbar ist, die Auswerteelektronik (140) elektrisch mit der mindestens einen Widerstandsbahn (132) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, eine Widerstandsänderung der Widerstandsbahn (132) in ein elektrisches Messsignal umzuwandeln, das Gehäuse (110) mit dem Aufnehmerkörper (120) und/oder mit dem Anschlusskörper (170) verbunden ist, so dass zumindest die Membran (121), das Messelement (130) und die Auswerteelektronik (140) von dem Gehäuse (110) zumindest abschnittsweise umschlossen sind und die Übertragungseinrichtung (180) derart mit der Auswerteelektronik (140) verbunden ist, dass sie das elektrische Messsignal in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt und entweder mittels von außerhalb des Gehäuses (110) zugänglichen Kontakten bereitstellt oder als Funksignal aussendet.
Kraftmessgerät (190) zur Umwandlung einer Kraft (F) in ein elektrisches Signal, umfassend als Komponenten zumindest einen Aufnehmerkörper (120) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, einen Lagerbereich (191), einen Krafteinleitungsbereich (192), eine Auswerteelektronik (140), eine Übertragungseinrichtung (180) und einen Verformungsabschnitt (193), in welchem der Aufnehmerkörper (120) angeordnet ist, wobei die Komponenten derart angeordnet sind, dass der Verformungsabschnitt (193) mit dem Aufnehmerkörper (120) verbunden ist und mittels des Verformungsabschnitts (193) eine Kraft (F) in den Aufnehmerkörper (120) einleitbar ist, die Auswerteelektronik (140) elektrisch mit der mindestens einen Widerstandsbahn (132) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, eine Widerstandsänderung der Widerstandsbahn (132) in ein elektrisches Messsignal umzuwandeln, und die Übertragungseinrichtung (180) derart mit der Auswerteelektronik (140) verbunden ist, dass sie das elektrische Messsignal in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt und entweder mittels Kontakten bereitstellt oder als Funksignal aussendet.
Verfahren zur Herstellung eines Aufnehmerkörpers (120) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die Schritte: A. Bereitstellen eines Aufnehmerkörpers (120), mindestens eines Messelements (130) und einer bleifreien Glaslotpaste (152), wobei die Glaslotpaste (152) Glaspartikel (153) und flüchtige, insbesondere organische, Komponenten (154) umfasst; B. Auftragen der Glaslotpaste (152) auf zumindest einen Oberflächenabschnitt (123) der Membran (121) des Aufnehmerkörpers (120); C. Applizieren des Messelements (130) auf der Glaslotpaste (152); D. Erwärmen des Aufnehmerkörpers (120) auf eine Temperatur und Lagern des Aufnehmerkörpers (120) bei dieser Temperatur für eine Lagerzeit, so dass die flüchtigen Komponenten (154) der Glaslotpaste (152) verdampfen, die Glaspartikel (153) schmelzen und das Messelement (130) in ein somit entstandenes Glaslot (150) einsinkt; E. Abkühlen des Aufnehmerkörpers (120), so dass das Glaslot (150) erstarrt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt B und Schritt C zumindest folgender Schritt ausgeführt wird: B.1 Erwärmen des Aufnehmerkörpers (120) auf eine Temperatur und Lagern des Aufnehmerkörpers (120) bei dieser Temperatur für eine Lagerzeit, so dass die flüchtigen Komponenten (154) der Glaslotpaste (152) verdampfen und die Glaspartikel (153) schmelzen; zwischen Schritt B.1 und Schritt C insbesondere folgender Schritt ausgeführt wird: B.2 Abkühlen des Aufnehmerkörpers (120), so dass das Glaslot (150) erstarrt.
Verfahren zur Herstellung eines Aufnehmerkörpers (120) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die Schritte: A. Bereitstellen eines Aufnehmerkörpers (120), mindestens eines Messelements (130) und mindestens eines bleifreien Glasformteils (155); B. Platzieren des Glasformteils (155) auf einem Oberflächenabschnitt (123) der Membran (121) des Aufnehmerkörpers (120); C. Applizieren des Messelements (130) auf dem Glasformteil (155); D. Erwärmen des Aufnehmerkörpers (120) auf eine Temperatur und Lagern des Aufnehmerkörpers (120) bei dieser Temperatur für eine Lagerzeit, so dass das Glasformteil (155) schmilzt und das Messelement (130) in ein somit entstandenes Glaslot (150) einsinkt; E. Abkühlen des Aufnehmerkörpers (120), so dass das Glaslot (150) erstarrt.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt B und Schritt C zumindest folgender Schritt ausgeführt wird: B.1 Erwärmen des Aufnehmerkörpers (120) auf eine Temperatur und Lagern des Aufnehmerkörpers (120) bei dieser Temperatur für eine Lagerzeit, so dass das Glasformteil (155) zu einem Glaslot (150) schmilzt und auf der Membran (121) haftet; zwischen Schritt B.1 und Schritt C insbesondere folgender Schritt ausgeführt wird: B.2 Abkühlen des Aufnehmerkörpers (120), so dass das Glaslot (150) erstarrt.
Verwendung eines Messelements (130) nach einem der Ansprüche 11 bis 16 für einen Aufnehmerkörper (120) eines Druckmessumformers (100) oder eines Kraftmessgeräts (190).