DE19509250C1

DE19509250C1 - Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors

Info

Publication number: DE19509250C1
Application number: DE19509250A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Goebel; Andreas Dipl Ing Thomae; Juergen Schwaiger; Rolf Dipl Ing Dr Becker; Andreas Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2015-03-16
Also published as: ITMI960497A0; ITMI960497A1; GB9604308D0; GB2298924B; GB2298924A; IT1283248B1; US5776276A; JPH08264809A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors nach der Gattung des unabhängigen An spruchs. Es ist allgemein bekannt, Drucksensoren herzustel len, die eine Membran aufweisen und die gegen ein Referenz volumen arbeiten. In dem Referenzvolumen ist ein definierter Druck eingeschlossen. Solche Sensoren arbeiten daher als Ab solutdrucksensoren.

Aus der US 4 972 717 ist bereits ein Drucksensor bekannt, bei dem für die Membran eine Keramikplatte und für das Refe renzvolumen ein Keramikformteil mit einer konkaven Vertie fung vorgesehen wird. An den einander zugewandten Flächen der Keramikplatte und des Keramikformteils sind in der kon kaven Vertiefung dünne Metallflächen als Kondensatorelektro den vorgesehen. Die Keramikplatte wird auf den Rand der kon kaven-Vertiefung des Keramikformteils aufgelegt und ver schließt dabei die Vertiefung, wodurch ein Referenzvolumen gebildet wird. Zwischen Keramikformteil und Keramikplatte ist im Randbereich der konkaven Vertiefung des Keramikform teils ein umlaufender Ring aus einer Glaskeramikpaste oder einem Epoxid-Kleber vorgesehen, durch welchen das gebildete Referenzvolumen beim Brennen hermetisch dicht verschlossen wird.

Aus der DE 39 01 492 A1 ist ein Drucksensor mit einer Mem bran und einem Grundkörper aus einem keramischen Material bekannt, die über ein ringförmiges Formteil aus Metall mit einander verbunden sind, wobei das ringförmige Formteil als Verbindungsmittel und als Abstandshalter dient. Zur Verbin dung der Membran und des Grundkörpers mit dem Formteil wer den thermische Verfahren wie Aktivlöten und DCB (Direct cop per bonding) angewandt.

Weiterhin ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 88 15 425 U1 ein kapazitiver Drucksensor aus einer Membran und einem zylindrischen Grundkörper bekannt, wobei über einen fest mit der Membran verbindbaren Glaslotring und einen weiteren mit dem Glaslotring und dem Grundkörper verbindbaren Stützring eine flache Kammer mit stufenförmigen Randprofil zur Erhö hung der Überlastfestigkeit des Drucksensors realisiert wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merk malen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß ein besonders einfacher Verfahrensablauf zur Herstellung verwendet wird und ein definierter Innendruck im Referenzvolumen eingeschlossen werden kann. So ist es mög lich, einen im Vergleich zum normalen Luftdruck geringeren Druck im Referenzvolumen einzuschließen, wodurch die Kennli nie des hergestellten Sensors verbessert wird. Dies wird er reicht, indem eine Keramikpaste (bzw. eine Dickschichtpaste) zwischen Keramikplatte und dem Keramikformteil angeordnet wird, welche die Vertiefung im Keramikformteil nicht voll ständig umgibt. Ein hermetisch dichter Verschluß des Refe renzvolumens erfolgt erst beim Brennen. Die Keramikpaste wird besonders einfach im Siebdruckverfahren aufgebracht. Besonders einfach kann die Keramikpaste in Form eines Kreis ringes, aus dem ein Segment herausgeschnitten ist, aufge druckt werden. Durch die Verwendung eines weiteren Keramik formteils mit einer Druckzuführung kann auf einfache Weise ein vollständiger Sensor geschaffen werden, der vom Anwender ohne weitere Verpackung nutzbar ist.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Es zeigen die Fig. 1 eine Keramikplatte und zwei Keramikformteile vor dem Zusammenfügen und die Fig. 2 eine Aufsicht auf das Keramikformteil gemäß der Ebene II-II der Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 wird die Herstellung eines Drucksensors nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert. Für den Drucksen sor wird eine Keramikplatte 1 mit einem [ . . . ] Keramikformteil 2 verbunden. Das Keramikformteil weist eine Vertiefung nach 4 auf, die von der Keramikplatte 1 verschlossen wird. Die Keramikplatte 1 bildete somit über der Vertiefung 4 eine Membran, die durch einen Druck verformbar ist. Dazu ist es erforderlich, da sich die Vertiefung 4 hermetisch verschlossen wird, so daß die Vertiefung 4 ein Referenzvolumen mit eingeschlossenem Druck bildet. Um die Auslenkungen der Membran nachzuweisen sind auf der Membran Widerstände vorgesehen, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von den mechanischen Spannungen in der Membran ändert. Zu Gunsten einer einfachen Darstellung sind diese Widerstandselemente hier nicht gezeigt.

Zwischen der Keramikplatte 1 und dem Keramikformteil 2 ist für die Verbindung der Keramikplatte 1 mit dem Keramikformteil 2 eine Dickschichtpaste 5 vorgesehen. Wenn die Keramikplatte 1 auf das Keramikformteil 2 gelegt wird und dann die Keramikpaste 5 durch einen Brennprozeß ausgehärtet wird, so werden die Keramikplatte 1 und das Keramikformteil 2 fest miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt derart, daß durch die Keramikplatte 1 die Vertiefung 4 hermetisch verschlossen wird.

Typische Brennprozesse für Keramikpasten erfolgen bei einigen hundert Grad Celsius. Die Keramikpaste enthält ein Glas, welches im Verlauf des Brennprozesses geschmolzen wird und dann als Verbindungsmittel zwischen der Keramikplatte 1 und dem Keramikformteil 2 dient. Im Verlauf des Brennprozesses wird die Vertiefung 4 hermetisch, d. h. luftdicht verschlossen. Der in der Vertiefung nach dem Brennen herrschende Druck hängt davon ab, zu welchem Zeitpunkt der luftdichte Verschluß der Vertiefung 4 erfolgt. Wenn die Vertiefung 4 bereits zum Anfang des Brennprozesses luftdicht verschlossen ist, so wird durch die Erwärmung ein Überdruck aufgebaut, der das Keramikformteil 2 und die Keramikplatte 1 im Verlauf des Brennprozesses voneinander wegdrückt. Dies führt zu einer Beeinträchtigung der Qualität der Verbindung von Keramikformteil 2 und Keramikplatte 1. Es ist daher wünschenswert, wenn der hermetische Verschluß erst bei einer höheren Temperatur des Brennprozesses erfolgt.

In der Fig. 2 wird anhand einer Aufsicht auf das Keramikformteil 2 entlang der Ebene II-II der Fig. 1 erläutert wie ein hermetischer Verschluß erst in einem späten Stadium des Brennprozesses erfolgt. Dazu ist die auf der Oberseite des Keramikformteils 2 angeordnete Keramikpaste 5 nicht vollständig um die Vertiefung 4 herum angeordnet, sondern weist einen Spalt 7 auf. Durch den Spalt 7 wird erreicht, daß während des Brennprozesses das in der Vertiefung 4 enthaltene Gas entweichen kann. Erst in einer letzten Brennphase, d. h. der höchsten Temperatur die beim Brennprozeß erreicht wird, wird das in der Dickschichtpaste 5 enthaltene Glas flüssig und verteilt sich durch Kapillarkräfte zwischen der Keramikplatte 1 und der Oberfläche des Keramikformteils 2. Bei diesem Fließprozeß gelangt dann auch Glasmaterial in den Bereich des Spaltes 7 und bewirkt eine hermetische Abdichtung der Vertiefung 4. Es wird so in einem einzigen Prozeßschritt ein hermetischer Verschluß der Vertiefung 4 und eine Verbindung des Keramikformteils 2 mit der Keramikplatte 1 erreicht. Um einen hermetisch dichten Verschluß der Vertiefung 4 zu erreichen müssen dabei die Brenntemperatur, die Zusammensetzung der Keramikpaste 5, die Größe der Spalte 7 und die Weite 8 der aufgebrachten Dickschichtpaste 5 variiert werden.

In der Fig. 2 wird gezeigt, daß die Keramikpaste 5 als Ringstruktur aus der ein Segment herausgetrennt wurde, aufgebracht ist. Alternativ sind jedoch auch beliebige andere Formen der aufgebrachten Keramikpaste 5 möglich.

Die Keramikpaste 5 wird in der Regel durch Siebdruck aufgebracht. Dieser Prozeß hat den Vorteil, daß die geometrischen Abmessungen der Keramikpaste 5 gut kontrolliert werden können.

In der Fig. 1 wird noch ein weiteres Keramikformteil 3 gezeigt, welches eine Druckzuführung 6 aufweist, d. h. eine Öffnung, die von der Oberseite des weiteren Keramikformteils 3 bis zum Membran reicht. Das weitere Keramikformteil 3 erleichterte somit die Zuführung des Drucks zum Membran. Weiterhin wird durch das weitere Keramikformteil 3 die Handhabung des eigentlichen Sensorelements vereinfacht, insbesondere wird so die Montage des Drucksensors vereinfacht. Es sind auch andere geometrische Ausgestaltungen der Druckzuführung 6 vorstellbar.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Unterdruck in der Vertiefung 4 eingeschlossen. Ein derartiger Unterdruck ist vorteilhaft für den Sensor, da die im Referenzvolumen eingeschlossene Luft durch eine Veränderung der Umgebungstemperatur erwärmt oder abgekühlt wird. Dadurch wird auch der Innendruck des Referenzvolumens verändert. Dieser Effekt ist jedoch um so geringer, je geringer der Innendruck im Referenzvolumen ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit einer Membran und einem Referenzvolumen, bei dem für die Membran eine Keramikplatte (1) verwendet wird, ein Keramikformteil (2) mit einer Vertiefung (4) für das Referenzvolumen vorgesehen wird, die Keramikplatte (1) mit dem Keramikformteil (2) verbunden wird und dabei die Vertiefung (4) durch die Keramikplatte (1) verschlossen wird, auf der Keramikplatte (1) oder dem Keramikformteil (2) eine Dickschichtpaste (5) vorgesehen wird, die Keramikplatte (1) und das Keramikformteil (2) aufeinander gelegt werden, wobei die Dickschichtpaste (5) zwischen das Keramikformteil (2) und die Keramikplatte (1) zu liegen kommt, und bei dem die Keramikplatte (1) und das Keramikformteil (2) durch Brennen der Dickschichtpaste (5) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikpaste (5) so angeordnet wird, daß sie die Vertiefung (4) im Keramikformteil (2) vor dem Brennen nicht vollständig umgibt und daß die beim Brennen dünnflüssige Keramikpaste (5) um die Vertiefung (4) herumfließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikpaste (5) durch Siebdruck aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikpaste (5) in der Form eines Kreisringes, aus dem ein Segment herausgeschnitten ist, aufgedruckt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Keramikformteil (3) mit der Keramikplatte (1) verbunden wird, wobei dieses weitere Keramikformteil (3) eine Druckzuführung (6) aufweist, durch die ein Druck zur Membran zugeführt wird.