DE3733766A1 - Verfahren zum herstellen eines drucksensors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstel­ len eines Drucksensors mit einer auf einen Druck durch elasti­ sche Deformation ansprechenden, einen Hohlraum aufweisenden Struktur aus einem durch Brennen verfestigbaren Material und mit wenigstens einem auf oder in der Struktur angeordneten Element zum Umsetzen der Deformation in eine elektrisch er­ faßbare Größe.

Mit anderen Worten betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Her­ stellen eines keramischen Drucksensors, dessen mikromechanische Struktur aus keramischem Material in integraler Form zumindest einen Widerstand oder einen Kondensator beinhaltet, dessen Wider­ standsänderung bzw. Kapazitätsänderung als Maß für den Umgebungs­ druck des Drucksensors herangezogen werden kann.

Ein Drucksensor der eingangs beschriebenen Art wird seit einiger Zeit im Automobilbereich zum Messen des Ansaugunterdruckes bei Verbrennungsmotoren eingesetzt. Der bekannte keramische Druck­ sensor, der zur Erläuterung dieses Standes der Technik in Fig. 1 schemenhaft dargestellt ist, und in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfaßt eine Grundplatte 2, mit einer Dicke von etwa 0,5 mm sowie eine sich über die Grundplat­ te 2 wölbende, zusammen mit der Grundplatte 2 einen Hohlraum 4 definierende keramische Deckschicht 3. Der Hohlraum hat einen Durchmesser d in der Größenordnung von 5 mm sowie eine Höhe h in der Größenordnung von 60 Mikrometer. Die Dicke der Deck­ schicht t liegt in der Größenordnung von 100 Mikrometer. Zum Herstellen des bekannten Drucksensors wird in einem ersten Ver­ fahrensschritt auf die Aluminiumoxid-Grundplatte ein Kohlen­ stoff-Füller oder eine organische Tinte aufgedruckt. Anschließend hieran wird der Füller bzw. die Tinte gebrannt. Anschließend wird ein keramisches dielektrisches Material auf den Füller so­ wie die nicht vom Füller bzw. der Tinte bedeckten Teile der Grundplatte aufgedruckt. Anschließend wird das keramische di­ elektrische Material in einer Stickstoff-Atmosphäre gebrannt, bis das keramische Material gesintert ist. In einem anschließen­ den Verfahrensschritt wird die Struktur in einer Luft-Atmosphäre gebrannt, wobei der Füller aufgrund der Porosität der gebrann­ ten keramischen Deckschicht 3 vollständig und rückstandslos aus­ brennt. Anschließend werden die Elemente einer Wheatstone- Brückenschaltung auf die keramische Deckschicht 3 aufgebracht, woraufhin diese Deckschicht gegebenenfalls durch Verstärken ihrer Schichtdicke und erneutes Brenner in ihrer mechanischen Festigkeit gestärkt werden kann. Obwohl der bekannte Drucksen­ sor über zufriedenstellende Meßeigenschaften verfügt, ist sein praktischer Anwendungsbereich aufgrund der durch die oben beschriebene, aufwendige Herstellung bedingten hohen Gestehungs­ kosten begrenzt.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß werden die Schichten in einem ungebrannten, unverfestigten Zustand zusammengefügt bzw. aufeinander gestapelt, wobei die Mittellage zwischen Deckschicht und Grundschicht eine Ausnehmung aufweist, die den Hohlraum des Drucksensors bildet. Nach dem Zusammenfügen der Schichten werden diese gemeinsam durch Brenner verfestigt. Ganz offensichtlich hebt sich das er­ findungsgemäße Verfahren von dem bekannten Verfahren durch eine starke Vereinfachung der Herstellung des Drucksensors ab. In völliger Abkehr vom Stand der Technik sieht die Erfindung also vor, den Sensor aus ungebrannten, unverfestigten Materialien zusammenzufügen, bevor das Brennen durchgeführt wird.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegende Fig. 2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter An­ wendung auf einen beispielhaften Drucksensor näher erläutert.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besteht der nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren hergestellte Drucksensor aus einer Grund­ schicht 5, oberhalb der eine mit einer vorzugsweise kreisrunden Ausnehmung versehene Mittellage 6 angeordnet ist, die ihrer­ seits eine zumindest die Ausnehmung 7 abdeckende Deckschicht 8 trägt. In der Deckschicht oder auf der Deckschicht sind Wider­ stände 9 zum Erfassen einer Deformation der Deckschicht 8 in Reaktion auf eine Änderung des Umgebungsdruckes angeordnet. Die Grundschicht 5 besteht aus einer Mehrzahl von übereinander gestapelten Einzelgrundschichten 10 bis 15. Obwohl bei der Zeichnerischen Darstellung nur sechs Einzelgrundschichten dar­ gestellt sind, kann die Anzahl der Einzelgrundschichten je nach gewünschter Dicke der Grundschicht 5 auch höher sein.

Die Dicke a der Deckschicht 8 entspricht vorzugsweise der Dicke a der Mittellage 6, die wiederum vorzugsweise der jeweiligen Dicke der Einzelgrundschichten 10 bis 15 entspricht. Die Dicke a liegt zwischen 10 und 100 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 25 und 50 Mikrometer. Der Durchmesser b der Ausnehmung 7 liegt in der Größenordnung von einigen Millimetern. In der Größenordnung von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern liegen die Gesamtabmessungen des Drucksensors, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet sei.

Bei einem bevorzugten Verfahren zum Herstellen des soeben beschriebenen Drucksensors werden zunächst etwa zehn Einzelgrund­ schichten 10 bis 15 aus einer ungebrannten, sogenannten "grünen" Keramik übereinander gestapelt, auf die eine ebenfalls aus "grü­ ner" Keramik bestehende Mittellage 6 mit der Ausnehmung 7 gelegt wird. Die Ausnehmung 7 kann entweder vor Aufbringen der eben­ falls aus "grüner" Keramik bestehenden Deckschicht mit einer organischen Tinte oder einem sonstigen geeigneten, durch Erhitzen rückstandsfrei beseitigbaren Füllmaterial ausgefüllt werden oder unausgefüllt bleiben. Die Widerstände 9 werden nach Aufbringen der Deckschicht 8 aufgedruckt und, falls dies erwünscht ist, durch eine ergänzende Lage der Deckschicht 8 aus "grüner" Kera­ mik abgedeckt. Diese, noch unverfestigte Schichtenstruktur wird durch Sinterbrand verfestigt.

Als Material für das erfindungsgemäße Verfahren kommt nicht nur eine sogenannte "grüne" Keramik in Frage, sondern jedes im Sinterbrand verfestigbare Material, wie beispielsweise Glas. Selbstverständlich sind die beim bevorzugten Ausführungsbeispiel angegebenen Maße abhängig vom Einsatzgebiet des herzustellenden Drucksensors. Ohne Abweichung von dem erfindungsgemäßen Konzept kann auch die Anzahl der Einzelschichten des Drucksensors erheb­ lich variiert werden.

Anstelle der oben beschriebenen Erfassung der Deformation der einen Hohlraum aufweisenden Struktur mittels wenigstens eines Widerstandes kann die Deformation auch mit einem kapazitiven Element oder einer Kapazitätsmeßbrücke erfaßt werden. Zu diesem Zwecke kann beispielsweise eine erste Elektrode des kapazitiven Meßelementes in der keramischen Deckschicht 3 oder auf deren Unterseite, die dem Hohlraum 7 zugewandt ist, angeordnet sein, während die zweite Elektrode gegenüber dieser ersten Elektrode auf der dem Hohlraum 7 zugewandten Seite der Grundschicht 5 an­ geordnet ist. Die durch eine Druckänderung bewirkte Abstands­ änderung der Elektroden eines derart ausgestalteten Kondensators kann durch übliche Kapazitätsmeßtechniken erfaßt werden, die beispielsweise durch Erfassung der Frequenzverstimmung eines Schwingkreises, der diesen Kondensator als frequenzbestimmendes Element enthält. Eine derartige Frequenzänderung kann über eine an sich bekannte Meß- und Linearisierungsschaltung zur Kapazi­ tätsmessung als Druckänderung oder als Absolutdruck zur Anzeige gebracht werden. Ebenfalls ist es möglich, nicht nur ein einzi­ ges kapazitives Element zum Erfassen der Deformation vorzusehen, sondern eine an sich bekannte Kapazitätsmeßbrücke.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors,
mit einer auf einen Druck durch elastische Deformation an­ sprechenden, einen Hohlraum aufweisenden Struktur aus einem durch Brennen verfestigbaren Material und
mit wenigstens einem auf oder in der Struktur angeordneten Element zum Umsetzen der Deformation in eine elektrisch er­ faßbare Größe, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Verfahrensschritt auf eine Grundschicht (5) aus einem ungebrannten, unverfestigten Material eine eine Aus­ nehmung (7) aufweisende Mittellage (6) aus ungebranntem, unverfestigtem Material und eine zumindest die Ausnehmung (7) abdeckende Deckschicht (8) aus ungebranntem, unverfestigtem Material aufgebracht wird, und
daß in einem zweiten Verfahrensschritt diese Schichten (5, 6, 8) gemeinsam durch Brennen verfestigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (5, 6, 8) aus einem durch Sinterbrand in eine kristalline Form überführbaren Material bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (5, 6, 8) aus einem ungebrannten, sogenann­ ten "grünen" keramischen Material bestehen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus Glas bestehen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (5) aus einer Mehrzahl von gestapelten Einzelgrundschichten (10 bis 15) besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelgrundschichten (10 bis 15) die Mittellage (6) und die Deckschicht (8) eine Dicke von 10 bis 100 Mikrometer, vorzugsweise von 20 bis 50 Mikrometer, haben.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (7) vor dem zweiten Verfahrensschritt des Brennens mit einer während des Brennens verdunstenden oder verbrennenden Flüssigkeit oder Füllmasse gefüllt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit oder Füllmasse eine organische Tinte ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (7) auch vor dem zweiten Verfahrensschritt des Brennens lediglich Luft oder ein Gas enthält.