DE60024490T2

DE60024490T2 - Saphir drucksensor stab mit gold germanium isolationshartlotverbindung

Info

Publication number: DE60024490T2
Application number: DE60024490T
Authority: DE
Inventors: C. Fred SITTLER
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2000-01-06
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: WO2001050105A1; EP1244898A1; US6508129B1; EP1244898B1; JP2003534529A; CN1479861A; DE60024490D1; CN1216279C; AU2443101A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei Fluiddrucksensoren im Flugwesen oder der Industrie sind die Isolierung elektrischer Leitungen gegen Korrosion und die Isolierung Drucksensorfilms gegen Montagespannungen im Sinne einer Langzeitbeständigkeit und Genauigkeit erforderlich.
Fluids (unter Druck stehende Substanzen) können zu Korrosion von Sensorfilmen und Leitungen aus Metall führen. Sensorfilme aus Metall werden daher vorzugsweise im Inneren eines Drucksensorkörpers platziert, und auch Leitungen werden vorzugsweise im Inneren des Körpers geführt und derart isoliert, dass korrosive Prozessfluids nicht in Kontakt mit den Sensorfilmen, elektrischen Leitungen und elektrischen Kontaktfeldern kommen. Korrosive Prozessfluids können Gase in einem Luftfahrt- oder stationären Turbinenmotor, Säuren, Ätzmittel, Öle, Petrochemikalien, Nahrungsmittel und Ähnliches sein.
Die mechanische Isolierung des Sensors gegen Montagebelastungen und Leitungswechselbelastungen ist ebenfalls problematisch, und es ist erforderlich, die Sensorgeometrie so anzuordnen, dass die Übertragung der Spannungen durch Anbringung und elektrische Leitungen auf die Drucksensormembran verringert wird. Diese Spannungen variieren häufig abhängig von der Temperatur.
Wenn die Schichten der Sensorkörper unter Verwendung von Haftmaterialien miteinander verbunden werden, oder wenn Keramikschichten bei hohen Temperaturen zusammen gesintert werden, können Restspannungen in den Sensorkörpern verbleiben, welche temperaturempfindlich sind und Spannung in Sensormembranen erzeugen, was zu weiteren Fehlern führt.
Es ist schwierig, eine Kombination von Materialien, einen Verbindungstyp, elektrische Leitungsverbindungen, Montage- und Sensorstrukturen zu finden, welche die anspruchsvollen Erfordernisse für Industrie- und Luftfahrt-Drucksensoranwendungen erfüllen. Eine hervorragende Korrosionsisolierung, hohe Monotonität oder Linearität, Stabilität, Genauigkeit und Isolation gegen Fehler aufgrund von Umgebungsfaktoren, wie beispielsweise Temperaturveränderungen und Montagespannungsveränderungen, sind jeweils erwünscht, aber nur schwer in einem einzigen Sensor zu erreichen, welcher die Erfordernisse einer breiten Palette anspruchsvoller industrieller Anwendungen und Luftfahrtanwendungen erfüllt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht eine Drucksensorkapsel mit einer verbesserten Isolierung nach Anspruch 1 vor.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen einer Drucksensorkapsel mit einer verbesserten Isolierung nach Anspruch 8 vor.
Die vorliegende Erfindung sieht auch einen Drucktransmitter mit einer verbesserten Isolierung nach Anspruch 12 vor.
Die vorliegende Erfindung sieht auch einen Turbinenmotor-Druckfühler mit einer verbesserten Isolierung nach Anspruch 16 vor.
Eine Drucksensorkapsel mit verbesserter Isolierung für eine breite Palette anspruchsvoller industrieller Anwendungen oder Luftfahrtanwendungen ist offenbart. Die Drucksensorkapsel umfasst einen als Stab gebildeten Drucksensorkörper, welcher aus direkt verbundenen Schichten eines Monokristall-Saphirs gebildet ist. Der Stab bildet eine Stabwand um einen zentralen Kanal herum. Der Stab umfasst ein erstes Ende mit einer für die Fluid-Druckregelung ausgelegten Membran und ein gegenüberliegendes zweites Ende. Die Stabwand umfasst eine äußere Stabmontagefläche zwischen den Enden. Der zentrale Kanal weist eine erste Breite in der Nähe des ersten Endes und eine zweite Breite in der Nähe der Montagefläche auf, welche enger ist als die erste Breite.
Die Drucksensorkapsel umfasst eine Isolierungsplatte. Die Isolierungsplatte umfasst ein hindurch verlaufendes Montageloch, und der Stab ist durch das Montageloch hindurch angebracht. Eine Hartlötverbindung verbindet die äußere Stabmontagefläche abdichtend mit dem Montageloch und isoliert das zweite Ende abdichtend gegen unter Druck stehendes Fluid.
Ein leitender Film ist in dem zentralen Kanal angeordnet. Der leitende Film umfasst einen Drucksensorabschnitt an der Membran und einen Sensorleitungsabschnitt, welcher von dem Drucksensorabschnitt zu den elektrischen Kontaktfeldern verläuft. Der Stab weist am zweiten Ende eine Kerbe auf. Die Kerbe bildet eine isolierte Leitungsfläche an dem zentralen Kanal, wo die elektrischen Kontaktfelder zugänglich sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine typische industrielle Umgebung eines schleifengetriebenen, industriellen Drucktransmitters mit einer Drucksensorkapsel;
2 zeigt eine Ausführungsform eines schleifengetriebenen, industriellen Differentialdrucktransmitters mit einer Drucksensorkapsel;
3 zeigt eine Ausführungsform einer Drucksensorkapsel in einer typischen Turbinenmotoranlage;
4 zeigt eine zusammengesetzte Ansicht und eine Explosionsansicht der Schichten eines Drucksensors mit einem Kanal in beiden Schichten;
5 zeigt eine erste Schicht des Drucksensors aus 4;
6 zeigt eine zweite Schicht des Drucksensors aus 4;
7 zeigt eine Schnittansicht von vorne einer hartgelöteten Verbindung in einer Drucksensorkapsel;
8 zeigt eine Schnittansicht von oben einer hartgelöteten Verbindung in einer Drucksensorkapsel;
9 zeigt eine Schnittansicht von vorne einer an einem Transmitterkörper angebrachten Drucksensorkapsel;
10 zeigt eine zusammengesetzte Ansicht und eine Explosionsansicht der Schichten eines Drucksensors mit einem Kanal in nur einer Schicht; und
11 zeigt eine zusammengesetzte Ansicht und eine Explosionsansicht eines Drucksensors mit einem durch eine Mesa verengten Kanal.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist eine typische Umgebung für einen industriellen Drucksensor bei 20 dargestellt. In 1 sind Prozessvariablen-Transmitter, wie beispielsweise ein Durchflussmesser 22 in der Prozessfluid-Leitung 23, Füllstandsmesser 24, 26 am Tank 28 und integrierte Öffnungsdurchflussmesser 30 in der Prozessleitung 31, elektrisch verbunden mit dem Steuerungssystem 32, gezeigt. Prozessvariablen-Transmitter können konfiguriert sein, um eine oder mehrere Prozessvariablen im Zusammenhang mit Fluids in einer verfahrenstechnischen Anlage, wie beispielsweise Aufschlämmungen, Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase in den Bereichen, Chemikalien, Zellstoff, Petroleum, Gas, Medikamente, Nahrungsmittel und anderen Fluid-verarbeitenden Anlagen zu überwachen. Die überwachten Prozessvariablen können Druck, Temperatur, Fluss, Niveau, pH, Leitfähigkeit, Trübung, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung oder andere Eigenschaften der Fluids sein. Ein Prozessvariablen-Transmitter umfasst einen oder mehrere Sensoren, welche abhängig von den Bedürfnissen der verfahrenstechnischen Anlage intern oder extern des Transmitters vorliegen können.
Prozessvariablen-Transmitter erzeugen eine oder mehrere Transmitterausgaben, welche die erfasste Prozessvariable repräsentieren. Transmitterausgaben sind für die Übermittlung über weite Entfernungen zu einer Steuerung oder Anzeigevorrichtung über Kommunikationsbusse 34 konfiguriert. Bei typischen Fluidverarbeitenden Anlagen kann ein Kommunikationsbus 34 eine 4–20 mA Stromschleife sein, welche den Transmitter mit Energie versorgt, oder eine Feldbusverbindung, eine HART-Protokoll-Kommunikation oder eine optische Faserverbindung zu einer Steuerung, ein Steuerungssystem oder eine Anzeige. Bei Transmittern, welche durch eine 2-Draht-Schleife mit Energie versorgt werden, muss die Energie niedrig gehalten werden, um für Eigensicherheit in explosiven Atmosphären zu sorgen.
In 1 umfasst der Durchflussmesser mit integrierter Öffnung 30 den Drucktransmitter 36, welcher an einen mit ihm verbundenen Kommunikationsbus 34 gekoppelt ist. Füllstandsmesser 24, 26 umfassen ebenfalls Drucktransmitter. Das Steuerungssystem 32 kann dafür programmiert sein, Verfahrensbedingungen für einen menschlichen Bediener anzuzeigen und kann dafür programmiert sein, Verfahrensbedingungen zu erfassen und das Verfahren über Ausgabevorrichtungen, wie beispielsweise einen Strom-Druck-Wandler 38 oder ein Steuerungsventil 40 zu steuern.
In 1 umfassen die Drucktransmitter bei 24, 26 und 36 Drucksensoren, welche potentiell korrosiven Prozessfluids in verschiedenen Leitungen und Tanks ausgesetzt sind. Drucksensoren in den Drucktransmittern bei 24, 26 und 36 sind angeordnet, um Tantal-Verbindungsstücke zu umfassen.
In 2 ist eine Explosionsansicht eines Drucktransmitters 50 allgemein gezeigt. Der Transmitter 50 umfasst einen Flansch 52 zum Aufnehmen eines Differentialdrucks, zwei Sensorkapseln für absoluten Druck 54 (nicht gezeigt) und Elektronik 56. Der Transmitter 50 ist mit dem Flanschadapter 58 verriegelt. Der Flanschadapter 58 ist mit Impulsleitungen verbunden, welche mit den Flanschadaptereinheiten 60 oder einer anderen Verbindungshardware verbunden sind. Jede Sensorkapsel für absoluten Druck 54 umfasst einen Sensor und eine damit verbundene Fluidisolierung und Belastungsisolierungsmerkmale.
3 zeigt eine Drucksensorkapsel 62 für eine Turbinenmotoranordnung 64. Der Turbinenmotor umfasst Turbinenmotorschaufeln, wie beispielsweise die Schaufel 66, welche sich in einem Turbinenmotorgehäuse 68 drehen. Ein Montageloch 70 ist an dem Turbinenmotorgehäuse 68 zum Erfassen von Druck im Turbinenmotor vorgesehen. Die Drucksensorkapsel 62 ist von dem Turbinenmotorgehäuse 68 durch einen Sockel 72 beabstandet. Der Sockel 72 schafft einen Abstand zwischen der Drucksensorkapsel 62 und dem Turbinenmotorgehäuse, um für die Drucksensorkapsel 62 eine niedrigere Umgebungstemperatur vorzusehen. Ein Durchlass 74 durch den Sockel 72 koppelt die unter Druck stehenden Gase in dem Turbinenmotorgehäuse an die Drucksensorkapsel 62. Ein Drucksensor 74 ist in der Drucksensorkapsel 62 enthalten. Der Drucksensor 74 umfasst einen integralen Stab mit einem integralen blinden Ende 76, welches den unter Druck stehenden Gasen exponiert ist. Der Drucksensor 74 umfasst auch isolierte Sensorleitungen 78, welche durch einen abgedichteten Spalt 80 in dem Stab verlaufen und mit den elektronischen Konvertierungsschaltkreisen (nicht gezeigt) durch Leitungen 82 verbunden sind.
In 3 weist eine Turbinenmotor-Drucksonde eine verbesserte Isolierung auf. Die Sonde umfasst einen Montagesockel mit einem ersten Ende, welches dafür ausgelegt ist, an einem Turbinenmotorgehäuse angebracht zu werden, und mit einem zweiten Ende, welches zu dem ersten Ende beabstandet ist und ein Montageloch umfasst, welches geformt ist, um einen Drucksensor aufzunehmen.
In 4 ist ein Drucksensor in einer zusammengesetzten Ansicht bei 90 gezeigt und ist bei 92 in einer Explosionsansicht gezeigt. Der Drucksensor 94 umfasst einen Drucksensorkörper welcher in der Form eines Stabs angeordnet ist und aus einer ersten Schicht 96 und einer zweiten Schicht 98 gefertigt ist, beide aus Monokristall-Saphir. Die erste Schicht 96 und die zweite Schicht 98 sind miteinander durch ein direktes Verbindungsverfahren verbunden. Durch die direkte Verbindung werden spiegelpolierte Saphirflächen in Berührung miteinander gebracht und ohne intermediäre Verbindungsmaterialien oder Sintern miteinander verbunden. Verfahren des Direktbondings sind in dem US-Patent 5,024,098 Petitjean et al., dem US-Patent 5,349,492 Kimura et al., dem US-Patent 5,013,380 Aoshima, dem US-Patent 5,201,977 Aoshima, dem Schweizer Patent (Auslegeschrift) 632,891 G und dem französischen Patent 2,246,506 Podvigalkina beschrieben. Die Verwendung von Monokristall-Saphiren sorgt für einen Drucksensorkörper, welcher frei von Hysterese ist. Die Verwendung von Monokristall-Saphiren macht auch die Anwendung des Direktbondings möglich. Beim Direktbonding gibt es keine intermediären Verbindungsmaterialien, welche korrodieren könnten oder welche Restspannungen beinhalten könnten, welche temperaturempfindlich wären.
In 4 bildet der Stab 94 eine Stabwand 100 um einen zentralen Kanal 102, wobei der Stab 94 ein erstes Ende 104 mit einer oder mehreren für die Fluiddruckregelung ausgelegten Membranen 105 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 106 aufweist. Die Stabwand 100 umfasst eine äußere Stabmontagefläche 108 zwischen den Enden. Der zentrale Kanal 102 weist eine erste Breite 110 in der Nähe des ersten Endes 104 und eine zweite Breite 112 in der Nähe der Montagefläche 108 auf, welche geringer ist als die erste Breite 110. Die erste Breite 110 sieht eine Fläche für eine biegbare Sensormembran 105 vor und die geringere zweite Breite 112 dient dazu, den zentralen Abschnitt des Stabs zu stärken, wodurch die unerwünschte Übertragung der Montagespannung oder Leitungsspannung auf die Sensormembran verringert wird.
In 5 ist eine partielle Schnittansicht von vorne einer Drucksensorkapsel 120 gezeigt. Eine Isolierungsplatte 122 weist ein hindurch verlaufendes Montageloch 124 auf, und der Stab 94 ist durch das Montageloch 124 montiert.
Eine Hartlötverbindung 126 verbindet die äußere Stabmontagefläche 108 mit dem Montageloch 124 abdichtend. Die Anbringung isoliert das zweite Ende 106 abdichtend von der Fluiddruckregelung am Ende 104. Diese Anordnung sieht zwei Arten der Isolierung vor. Die hartgelötete Anbringung sieht eine Fluidbarriere vor, so dass unter Druck stehendes Fluid die elektrischen Kontaktfelder am zweiten Ende nicht erreicht, wodurch eine Korrosion der Kontaktfelder durch das unter Druck stehende Fluid vermieden wird. Die elektrischen Kontaktfelder und die Membran sind an gegenüberliegenden Enden des stabförmigen Sensorkörpers angeordnet, wodurch eine gewünschte mechanische Isolierung dazwischen vorgesehen ist, so dass eine durch die elektrischen Leitungen ausgeübte Kraft stark abgeschwächt wird, bevor sie die Sensormembran erreichen kann.
In 6 zeigt eine partielle Querschnittsansicht entlang der Linie 6-6 in 5 die Hartlötverbindung 126 genauer. Die Hartlötverbindung reicht vollständig um den Sensorkörper herum und sieht eine Abdichtung vor. Der Sensor selbst, welcher aus direkt verbundenen Monokristall-Saphirschichten gebildet ist, wird durch die Anwendung des Direktbondings ein einzelner, integraler, nahtloser Körper und bietet keinen Weg für ein Lecken des Fluids durch die Hartlötverbindung.
In den 7–8 sind Anbringungen des leitenden Films in dem zentralen Kanal 102 gezeigt. Drucksensor-Filmabschnitte 130, 132 sind neben dem ersten Ende 104 an der Membran 105 angebracht, welche durch Druck biegbar ist. Die Drucksensor-Filmabschnitte 130, 132 bilden eine Drucksensorkapazität, die durch Druckregelung des Endes 104 des Sensors gebogen wird. Die Sensorleitungsabschnitte 134, 136 erstrecken sich von den Drucksensorabschnitten 130, 132 zu den elektrischen Kontaktfeldern 138, 140. Der Leitungsabschnitt 134 verbindet durch einen vergrößerten elektrischen Kontakt bei 142, 144 eine Schicht mit der anderen. Der gewachsene elektrische Kontakt umfasst eine Anbringung eines wachstumsfähigen Materials, wie beispielsweise Tantal. Nachdem der Sensor angebracht ist, wird der Sensor erhitzt und das Tantal wächst, um den Spalt zwischen den Schichten zu überbrücken und eine Verbindung zu bilden. Ein Leitungsabschnitt 139 kann für das elektrische Abschirmen des Sensorkreislaufs vorgesehen sein.
Der Stab 94 weist eine Kerbe 150 am zweiten Ende 106 auf. Die Kerbe 150 bildet eine isolierte Leitungsfläche 152 an dem zentralen Kanal, wo die elektrischen Kontaktfelder 138, 140 zugänglich sind. Die Kerbe exponiert eine Fläche des zentralen Kanals mit den Kontaktfeldern. Diese Anordnung vermeidet die Notwendigkeit, die schwierige Aufgabe des Anbringens von Leitungen, welche sich aus dem Kanal heraus zu dem äußeren Ende des Stabs erstrecken, durchzuführen. Kontaktfelder am äußeren Ende des Stabs wären während der Handhabung sehr anfällig für Beschädigungen, wohingegen die Platzierung der elektrischen Kontaktfelder in der Kerbe einen gewissen Schutz vor dem Zerkratzen der Filme bietet. Elektrische offene Kreisläufe werden so vermieden.
Monokristall-Saphir ist ein bevorzugtes Material für Sensorkörper. Monokristall-Saphir hat exzellente mechanische Eigenschaften und einen exzellenten Korrosionswiderstand. Auch ist bei Monokristall-Saphir ein Direktbonding möglich. Wird ein Direktbonding von Monokristall-Saphir durchgeführt, müssen passende Flächen extrem flach, sauber und vollständig in Berührung miteinander sein, damit ein Direktbonding erzielt werden kann. Das Direktbonding vermeidet die Verwendung von Verbindungsmaterialien. Das Direktbonding vermeidet auch große Mengen an Restspannungen in Zusammenhang mit Hochtemperaturverfahren, wie beispielsweise das Sintern von Keramik.
Die Hartlötverbindung 126 ist vorzugsweise im Wesentlichen aus Gold und Germanium gebildet, um eine gute Kompatibilität mit dem Hartlöten an Monokristall-Saphir zu ermöglichen. Eine Metallbeschichtung kann auf dem Saphir angebracht werden, um, falls erforderlich, eine bessere Verbindung zu schaffen. Die Isolierungsplatte besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus Alloy 46, welches mit der aus Gold und Germanium gebildeten hartgelöteten Verbindung kompatibel ist.
Die Drucksensorkapsel umfasst vorzugsweise eine in der Kerbe angeordnete Abdichtung 107, welche in dem Kanal ein hochqualitatives Vakuum abdichtet, um eine Absolutdrucksensorkapsel zu bilden. Die Hartlötverbindung hat eine Schmelztemperatur, welche geringer ist als die Schmelztemperatur der Dichtung, und die Dichtung ist vorzugsweise eine Glasfritte. Die Isolierung der elektrischen Kontaktfelder 138, 140 kann die Hysterese während des Druckzyklus verringern.
Ein Temperatursensor 137 ist vorzugsweise in der geringeren Breite des Kanals angeordnet. Der Temperatursensor wird verwendet, um die Temperatur des Sensors zu erfassen, was einem an dem Sensor befestigten Schaltkreis ermöglicht, einen Temperaturausgleich vorzusehen. Die Isolierung der elektrischen Kontaktfelder weg von der Sensormembran verringert tendenziell die Hysterese während des Temperaturzyklus.
Die Sensorkapsel kann unter Verwendung einer Reihe von Verfahrensschritten hergestellt werden. Ein Stab wird aus direkt verbundenen Schichten aus Monokristall-Saphir gebildet. Der Stab weist eine Stabwand um einen zentralen Kanal herum auf. Ein erstes Ende des Stabs ist geschlossen oder blind und ist für die Fluiddruckregelung ausgelegt. Eine Kerbe ist an einem gegenüberliegenden zweiten Ende vorgesehen, wobei die Kerbe eine isolierte Leitungsfläche an dem zentralen Kanal bildet. Die Stabwand umfasst eine äußere Stabmontagefläche zwischen den Enden, welche falls erforderlich zum Verbessern des Hartlötens metallisiert werden kann. Der zentrale Kanal ist mit einer ersten Breite in der Nähe des ersten Endes und mit einer zweiten Breite, welche geringer ist als die erste Breite, in der Nähe der Montagefläche gebildet. Ein Montageloch ist durch eine Isolierungsplatte hindurch gebildet. Der Stab ist durch das Montageloch hindurch angebracht.
Eine Hartlötverbindung ist hartgelötet und verbindet die äußere Stabmontagefläche mit dem Montageloch. Die Hartlötverbindung isoliert die isolierte Leitungsfläche an dem zentralen Kanal abdichtend von der Fluid-Druckregelung.
Ein leitender Film ist in dem zentralen Kanal angebracht, umfassend einen Drucksensorfilmabschnitt an einer biegbaren Membran oder an Membranen angrenzend an das erste Ende und einen Sensorleitungsabschnitt, welcher sich von dem Drucksensorabschnitt zu elektrischen Kontaktfeldern an der isolierten Leitungsfläche an dem zentralen Kanal erstreckt.
Die Isolierungsplatte kann als eine Isolierungsschale mit einem hindurch führenden Montageloch und dem durch das Montageloch angebrachten Stab gebildet sein, wobei die Tasse Seitenwände umfasst, welche sich um das erste Ende des Stabs herum erstrecken, was den Stab vor Beschädigungen durch die Handhabung schützt.
Der Monokristall-Saphirstab ist vorzugsweise in Losen auf einer Scheibe mit zahlreichen Stäben hergestellt.
Ein elektronischer Schaltkreis 56 in einem Transmitter kann an die elektrischen Kontaktfelder gekoppelt sein und eine Transmitterausgabe vorsehen, welche für den erfassten Druck repräsentativ ist.
Der Transmitter ist vorzugsweise ein Differentialtransmitter, wie in 2 gezeigt, und umfasst sowohl eine erste Drucksensorkapsel, wie oben beschrieben, als auch eine zweite Sensoranordnung, welche einen zweiten Druck erfasst, wobei die zweite Sensoranordnung einen zweiten Stab umfasst, welcher aus direkt verbundenen Schichten von Monokristall-Saphiren besteht, eine zweite Isolatorschale, einen zweiten Leitfilm und eine zweite Hartlötverbindung und zweite elektrische Kontaktfelder, wobei die zweiten elektrischen Kontaktfelder ebenfalls an den elektronischen Schaltkreis 56 gekoppelt sind. Der Differentialdrucktransmitter erfasst eine Druckdifferenz und erzeugt eine Ausgabe, welche für den Differentialdruck repräsentativ ist.
In 9 ist eine Drucksensorkapsel 160 im Querschnitt gezeigt, angebracht an einem Drucktransmitterkörper 162. Die Drucksensorkapsel 160 umfasst einen stabförmigen Drucksensor 164, wie oben beschrieben, und eine an den Drucksensor 164 hartgelötete Isolierungsschale 166. Ein passender Flansch 168 ist mit einem O-Ring 170 an der Drucksensorkapsel 160 abgedichtet. Die Druckkapsel 160 ist vorzugsweise mit einer Isolierungsmembran 172 versehen und ist mit Isolierungsfluid 174 gefüllt, um eine zusätzliche Schutzschicht und Isolierung für den Sensor vorzusehen. Der Prozessfluiddruck P wird über ein gewundenes Anschlussstück 176 ausgeübt.
In 10 ist eine alternative Ausführungsform eines Drucksensors gezeigt, welcher der in 4 gezeigten Ausführungsform ähnlich ist. In 4 ist der Kanal in beiden Schichten gebildet, und in 10 ist der Kanal nur in einer der Schichten gebildet. Die in 10 verwendeten Bezugszeichen werden auch in 4 verwendet, um gleiche oder ähnliche Merkmale zu identifizieren. In 10 weist die Schicht 98 keine in ihrer Mitte gebildete Nut auf und ist im Wesentlichen flach.
In 11 ist eine Explosionsansicht eines Drucksensors 200 gezeigt. Die in 11 gezeigte Ausführungsform ist eine Alternative zu der in 4 gezeigten Ausführungsform. In 11 ist der zentrale Kanal durch Hinzufügen einer bei 230, 232 gezeigten Stützmesa verengt oder in der Breite verringert, anstatt dass die Dicke der Stabwand vergrößert wird, um die Breite des Kanals zu verengen oder zu verringern. In anderer Hinsicht ist der Sensor 200 ähnlich angeordnet, wie der in 4 gezeigte Sensor 90. Die Schichten 214 und 216 sind aus einem Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, gebildet, das direkt verbunden werden kann. In 11 sind die Schichten 214 und 216 so gezeigt, wie sie vor dem Zusammensetzen und dem Direktbonding erscheinen. Nach dem Direktbonding werden die Schichten 214 und 216 eine einzige Komponente, ein integral geformter Stab. Die erste Schicht 214 umfasst einen ersten, darin geätzten Hohlraum 222, welcher von einer äußeren Kante 220 umgeben ist, und eine zweite Schicht 216 umfasst einen zweiten, darin geätzten Hohlraum 224, der sich über die äußere Kante 220 hinaus erstreckt und den Spalt 208 zwischen dem zweiten Hohlraum 224 und der äußeren Kante 120 bildet. Eine erste integrale Mesa 230 ist in dem Hohlraum 222 der Schicht 214 zwischen dem blinden Ende und dem isolierten Ende angeordnet. Eine zweite Mesa 232 ist in dem Hohlraum 224 der Schicht 216 zwischen dem blinden Ende und dem isolierten Ende 106 angeordnet. Die erste Mesa 230 ist mit der zweiten Mesa 232 bei der Montage ausgerichtet, und die Mesas 230, 232 sind integral miteinander verbunden, um eine integrale Stütze zu bilden, welche den Kanal verengt. Wird der Sensor 200 später mit einer Isolierschale verbunden, so wird die integrale Stütze mit den verbundenen Flächen der Isolierschale ausgerichtet, um eine zusätzliche Stütze zu bilden.
Dritte und vierte Mesas 234 und 236 sind näher an dem isolierten Ende angeordnet. Bei der Montage berühren sich die Mesas 234, 236 nicht. Die Mesas 234 und 236 umfassen auf den einander zugewandten Flächen flache Schichten eines elektrisch leitenden Kornwachstumsmaterials, wie beispielsweise Tantal. Die Mesas 234, 236 ermöglichen Hohlräume, welche tiefer sind als die Entfernung, über die sich das Kornwachstum erstrecken kann. Nachdem das Direktbonding der Schichten 214 und 216 abgeschlossen ist, wird der Sensor 200 erhitzt, um zu bewirken, dass das elektrisch leitende Kornwachstumsmaterial auf den Mesas 234 und 236 wächst und eine elektrische Verbindung zwischen den zwei Mesas 234 und 236 vollendet. Diese elektrische Verbindung wird nach dem Direktbonding vollendet, so dass es keinen Einfluss auf den engen Kontakt zwischen den Schichten 214 und 216 hat.
Das Vorhandensein eines Kanals in jeder der Schichten 214, 216 vereinfacht die Montage des Sensors mit präziser Ausrichtung zwischen den passenden Flächen. Es bleibt ein Spalt erhalten, damit die Leitungen den Kanal verlassen können, so dass die Leitungen die präzise Ausrichtung nicht stören. Nachdem das Direktbonding abgeschlossen ist, wird eine Abdichtung angebracht, wie sie auch an dem Sensor in 4 angebracht ist. Die Abdichtung und die Metall-Kornwachstumsverbindung bei 234, 236 sind in deutlichem Abstand zu dem Drucksensorbereich am blinden Ende angebracht, so dass die verschiedenen Temperaturexpansionskoeffizienten des elektrisch leitenden Kornwachstumsmaterials und die Abdichtung bezüglich der Schichten 214, 216 keinen ungünstigen Einfluss auf die Erfassung am blinden Ende haben, wenn es zu Temperaturveränderungen kommt.
Die Metallfilme in dem Sensor 200 bilden Kondensatorplatten, und die Filme sind selektiv angebracht, um abgedichtete Durchgangsleitungen oder Bahnen durch die Dichtung zu bilden, welche eine Verbindung zu einem externen elektronischen Schaltkreis herstellen.

Claims

Drucksensorkapsel (62) mit verbesserter Isolierung, umfassend: einen Drucksensorkörper, welcher als ein Stab gebildet ist, der aus direkt verbundenen Schichten (96, 98) aus Monokristall-Saphir gefertigt ist, wobei der Stab eine Stabwand (100) um einen zentralen Kanal (102) bildet, wobei der Stab ein erstes Ende (104) mit einer für den Fluid-Druckaufbau ausgelegten Membran (105) aufweist, und ein gegenüberliegendes zweites Ende (106) aufweist, wobei die Stabwand (100) eine äußere Stabanbringungsfläche (108) zwischen den Enden (104, 106) umfasst; wobei der zentrale Kanal (102) eine erste Breite (110) in der Nähe des ersten Endes (104) aufweist und eine zweite Breite (112), welche geringer ist als die erste Breite (110), in der Nähe der Montagefläche (108) aufweist; eine Isolierungsplatte mit einem Montageloch (124) dort hindurch und die Stabanbringung durch das Montageloch (124); eine Hartlötverbindung, welche die äußere Stabanbringungsfläche abdichtend mit dem Montageloch verbindet, wobei das zweite Ende (106) abdichtend gegen die Fluid-Druckregulierung isoliert ist; und einen in dem zentralen Kanal (102) angeordneten leitenden Film, welcher einen Drucksensorfilmabschnitt (130, 132) an der Membran (105) umfasst und einen Sensorleitabschnitt (134, 136), welcher sich von dem Drucksensorabschnitt (130, 132) zu elektrischen Kontaktfeldern (138, 140) erstreckt, wobei der Stab eine Kerbe (150) am zweiten Ende (106) aufweist, wobei die Kerbe (150) eine isolierte Leitfläche (152) an dem zentralen Kanal (102) bildet, wo die elektrischen Kontaktfelder (138, 140) zugänglich sind.
Drucksensorkapsel (62) nach Anspruch 1, wobei die Hartlötverbindung (126) im Wesentlichen aus Gold und Germanium gebildet ist.
Drucksensorkapsel (62) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Isolierungsplatte (122) im Wesentlichen aus Alloy 46 gebildet ist.
Drucksensorkapsel (62) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche ferner eine in der Kerbe (150) angeordnete Abdichtung (107) umfasst, und wobei die Hartlötverbindung (126) eine Schmelztemperatur aufweist, welche geringer ist als die Schmelztemperatur der Abdichtung (107).
Drucksensorkapsel (62) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Isolierung der elektrischen Kontaktfelder (138, 140) die Hysterese während des Druckzyklus verringert.
Drucksensorkapsel (62) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche ferner einen Temperatursensor (137) umfasst, der in der engeren Breite (112) des Kanals (102) angeordnet ist.
Drucksensorkapsel (62) nach Anspruch 6, wobei die Isolierung der elektrischen Kontaktfelder (138, 140) die Hysterese während des Temperaturzyklus verringert.
Verfahren zum Herstellen einer Drucksensorkapsel (62) mit verbesserter Isolierung, umfassend: Bilden eines Stabs aus direkt verbundenen Schichten (96, 98) aus Monokristall-Saphir, wobei der Stab eine Stabwand (100) um einen zentralen Kanal (102) aufweist, Anpassen eines ersten Endes (104) des Stabs für den Fluiddruckaufbau, Vorsehen einer Kerbe (150) an einem gegenüberliegenden zweiten Ende (106), wobei die Kerbe (150) eine isolierte Leitfläche (152) an dem zentralen Kanal (102) bildet, wobei die Stabwand (100) eine äußere Stabanbringungsfläche (108) zwischen den Enden (104, 106) aufweist; Bilden des zentralen Kanals (102) mit einer ersten Breite (110) in der Nähe des ersten Endes (104) und mit einer zweiten Breite (112) in der Nähe der Montagefläche (108), welche kleiner ist als die erste Breite (110); Bilden eines Montagelochs (124) durch eine Isolierungsplatte (122) hindurch und Anbringen des Stabs durch das Montageloch (124) hindurch; Löten einer Hartlötverbindung (126), welche die äußere Stabanbringungsfläche (108) mit dem Montageloch (124) verbindet, wobei die Hartlötverbindung (126) die isolierte Leitungsfläche (152) an dem zentralen Kanal (102) von dem Fluiddruckaufbau abdichtend isoliert; und Anbringen eines in dem zentralen Kanal (102) angeordneten Leitfilms, mit einem Drucksensorfilmabschnitt (130, 132) neben dem ersten Ende (104) und einem Sensorleitungsabschnitt, welcher sich von dem Drucksensorabschnitt (130, 132) zu elektrischen Kontaktfeldern (138, 140) an der isolierten Leitungsfläche (152) an dem zentralen Kanal (102) erstreckt.
Drucksensorkapsel (62) mit verbesserter Isolierung nach Anspruch 1, wobei: die Isolierungsplatte (122) als eine Isolierungsschale (166) mit dem dort hindurch verlaufenden Montageloch (124) gebildet ist.
Drucksensorkapsel (62) nach Anspruch 9, wobei der Stab in Losen gefertigt ist.
Drucksensorkapsel (62) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, ferner umfassend: Isolierungsfluid (174), welches die Isolierungsschale füllt; und eine Isolatormembran (172) mit einem an der Isolatorschale (166) abgedichteten Rand, wobei die Isolatormembran (172) für das Trennen eines Prozessfluids von dem unter Druck stehenden Isolierungsfluid (174) ausgelegt ist.
Drucktransmitter (36) mit verbesserter Isolierung, umfassend: eine Drucksensorkapsel (62) nach Anspruch 1; und eine elektronische Schaltung (56), welche an die elektrischen Kontaktfelder gekoppelt ist und eine für den erfassten Druck repräsentative Transmitterausgabe vorsieht.
Drucktransmitter (36) nach Anspruch 12, wobei der Stab in Losen gefertigt ist.
Drucktransmitter (36) nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, welcher ferner umfasst: in der Isolatorschale (166) angeordnetes Isolatorfluid (174); und eine Isolatormembran (172), welche das Isolatorfluid (174) in der Isolatorschale (166) abdichtet.
Drucktransmitter (36) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, welcher ferner umfasst: eine zweite Erfassungsanordnung, welche einen zweiten Druck erfasst, wobei die zweite Erfassungsanordnung einen zweiten, aus direkt verbundenen Schichten aus Monokristall-Saphir gefertigten Stab, eine zweite Isolatorschale, einen zweiten Leitfilm und eine zweite Hartlötverbindung und zweite elektrische Kontaktfelder umfasst, wobei die zweiten elektrischen Kontaktfelder an die elektronische Schaltung gekoppelt sind, wobei der Transmitter einen Druckunterschied erfasst und eine für den Differentialdruck repräsentative Ausgabe erzeugt.
Ein Turbinenmotor-Druckfühler mit verbesserter Isolierung, umfassend: eine Drucksensorkapsel nach Anspruch 1; und einen Montagesockel (72), mit einem ersten Ende, welches dafür ausgelegt ist, an einem Turbinenmotorgehäuse angebracht zu werden, und mit einem von dem ersten Ende beabstandeten zweiten Ende, an welchem das Montageloch (124) der Drucksensorkapsel (62) vorgesehen ist, wobei der Montagesockel (72) die Isolierungsplatte (122) derart vorsieht, dass die Drucksensorkapsel (62) in dem Montageloch (124) des Montagesockels (72) aufgenommen ist.