JPH0750007B2

JPH0750007B2 - 圧力センサ及び圧力センサの製法

Info

Publication number: JPH0750007B2
Application number: JP3004482A
Authority: JP
Inventors: ヘグナーフランク; フランクマンフレート; クレーントーマス
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1990-01-22
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 1995-05-31
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: EP0445382A3; DK0445382T3; DE59001567D1; CA2031427C; JPH0749277A; IE904277A1; EP0445382B1; CA2031427A1; EP0445382A2; ES2041106T3; US5050034A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基体及びダイアフラム
を有する圧力センサであって、基体とダイアフラムと
が、少なくとも縁部の閉鎖された室を形成しながら特に
所定の間隔を置いて互いに平行に結合されている形式の
もの及びこの圧力センサの製法に関する。

【０００２】

【従来の技術】同出願人による実験によれば、圧力セン
サのコンデンサ電極用の通常の被覆材料、例えば銅又は
金又は銀又は白金は、電極によって被覆された基体及び
ダイアフラムの活性ろう接時に生じる、一連の不利な欠
点を有している。これらの欠点とは、まず第一に、ろう
が良好な潤滑性のために接合箇所から電極面上へ広がっ
てしまい、それによって、基体とダイアフラムとの電極
範囲がろう接されてしまうことである。また第二に、例
えば１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さしかないダイアフラ
ムの電極材料が、ろうと配合されてしまい、それによっ
て、ろうと電極材料との電気的接触が遮断されてしまう
ことである。

【０００３】さらに、通常の純粋な酸化アルミニウムセ
ラミックスと、チタン含有量１〜５％の市販の活性ろう
とは、熱膨張係数が大きく異なっている。それにより、
圧力センサの０点又は感度の温度係数が場合によっては
不利な影響を受ける。

【０００４】圧力センサが基準圧力センサとして使用さ
れる場合には、この圧力センサの室が基準圧力媒体例え
ば外気と接続される。そして、外気に含まれる湿分は、
室内ひいてはコンデンサ電極まで流入し、場合によって
はそこで沈着する。その結果、電極は圧力に基づく容量
変化のための測定スイッチから電圧を印加されると、析
出した湿分によって腐食してしまう。また、基体内の活
性ろう挿入体を介した、上記両電極の接触接続のために
は、段階式ろう接、即ち少なくとも２段階のろう接作業
が必要である。

【０００５】また、ダイアフラムの機械的特性が、厚す
ぎる電極層によって支障を及ぼされてはならない。従っ
て、上述したように、ダイアフラムの電極材料の厚さは
１００ｎｍ〜５００ｎｍでなければならない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、適当
な材料を選択することによって上述した欠点を排除する
ことにある。即ち、特にコンデンサ電極及びコンデンサ
電極の接触箇所及びダイアフラムと基体との接合箇所の
ために適当な材料で、上述した欠点を持たず、かつろう
接作業のパラメータの選択を大きく狭めない材料を、見
出すことにある。また、高温時における圧力センサを、
ガラスフリット接合部を備えた圧力センサとして使用で
きるようにする。さらに、ダイアフラムの最大圧力負荷
能力を、接合箇所の強度によってではなく、ダイアフラ
ムを成す材料の強度だけによって得る。そして、圧力セ
ンサの製作費用をできるだけ消滅する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題は、本発明によ
ればはじめに述べた形式の圧力センサにおいて、基体及
び／又はダイアフラムが、セラミックス又はガラス又は
単結晶材料から製作されており、ダイアフラムの、基体
に向いた面が、炭化珪素又はニオビウム又はタンタルか
ら成る層によって被覆されており、この層が第１のコン
デンサ電極として作用しており、この層の自由な表面が
保護層によって被覆されており、室内部における基体
の、ダイアフラムに向いた面が、炭化珪素又はニオビウ
ム又はタンタルから成る少なくとも１つの層によって被
覆されており、この層が第２のコンデンサ電極として作
用しており、この層の自由な表面が別の保護層によって
被覆されており、基体とダイアフラムとが、スペーサと
しても作用する、活性ろうから成る成形部材によってろ
う接されていることによって解決されている。

【０００８】さらに上記課題は、本発明によればはじめ
に述べた形式の圧力センサの製法において、ダイアフラ
ムと基体とにコンデンサ電極を被覆し、コンデンサ電極
上に保護層を形成し、基体の孔内へ活性ろう挿入体を挿
入し、保護層により被覆されて活性ろう挿入体を取付け
られた基体と、保護層により被覆されたダイアフラム
と、これら２つの部材間に設けられた、活性ろうから成
る成形部材とを、完全に溶融するまで加熱し、上記基
体、ダイアフラム及び成形部材を冷却することによって
解決されている。

【０００９】

【発明の効果】高融点の金属、つまりニオビウム又はタ
ンタル又は炭化珪素が広いろう接温度範囲内で電極材料
として使用される場合には、このような材料と活性ろう
との配合が実際には完全に回避される。即ち、例えば１
００ｎｍの厚さしかないタンタル層が、活性ろうによる
１０００℃のろう接作業時にも問題のない状態に保たれ
る。

【００１０】さらに、電極上への活性ろうの広がり及び
電極の腐食が、電極保護層によって阻止される。この層
は、電極を成す上記材料の酸化物によって形成される。
従って、電極がタンタルから製作されている場合、保護
層が五酸化タンタルから形成されていると有利である。
このような酸化層は、熱酸化又は陽極酸化によって公知
形式で形成される。ところで、材料の特性をすべて組合
わせてみると、タンタルが最適な電極材料と考えられ
る。タンタルは比較的大きな比体積電気抵抗を有してい
るが、タンタル製の電極を備えて、電極の厚さが１００
ｎｍで容量が５０ｐＦの圧力センサは、１００ｋＨｚの
測定周波数において３×１０⁴〜４×１０⁴の感度を与え
られる。

【００１１】上述した材料が電極用に使用されるため、
ろう接作業はただ１回しか必要ではない。このろう接作
業によって基体及びダイアフラムは接合され、電極は高
真空密に接触接続される。後者、つまり電極の高真空密
な接触接続は、有利には、基体の、ダイアフラムとは反
対側から第２のコンデンサ電極まで延びる、又は活性ろ
うまで延びる活性ろう挿入体によって行われる。この場
合、基体の複数の第２のコンデンサ電極は、活性ろう挿
入体を挿入された孔の拡張部として構成された毛管作用
ストッパを接触箇所に有している。

【００１２】上述したただ１回のろう接作業の採用は、
上記毛管作用ストッパによって可能となる。基体の孔は
室側ではこの毛管作用ストッパで終わっている。従っ
て、毛管作用によっても、液体状の活性ろうが対向する
両コンデンサ電極間のわずかなギャップ内へ流入しな
い。なぜなら、活性ろうは基体電極の平面まで到達して
いないからである。

【００１３】

【実施例】次に図示の実施例につき本発明を説明する。

【００１４】図１及び図２に示された圧力センサ１０
は、平行平面を備えた円形ディスク状のダイアフラム１
１を有している。そして、このダイアフラム１１は、所
定間隔ｄを置きながら円形の基体１２と外周部で環状に
結合されている。その結果、基体１２の平らな表面とこ
の表面に対向する、ダイアフラム１１の面との間に、室
１３が形成される。また、ダイアフラム１１はセラミッ
クス又はガラス又は単結晶材料かに製作されていてもよ
い。同様に、基体１２もセラミックス又はガラス又は単
結晶材料から製作されていてもよい。しかし、ダイアフ
ラム１１と基体１２とを成す材料は、互いに異なってい
てもよい。いずれにせよ、ダイアフラム１１は弾性的に
形成されているので、及ぼされた圧力によって変形させ
られる。これに対して、基体１２は中実かつ剛性に形成
されていてもよいが、必要ならば、ダイアフラム１１と
同様に平らで弾性的なディスクとして形成されていても
よい。

【００１５】ダイアフラム１１と基体１２との互いに向
かい合う面には、それぞれ円形で金属製のコンデンサ電
極１４，１５が取付けられており、しかも室１３内で互
いに間隔を置きながら対向して位置している。この場
合、電極１４はダイアフラム１１を完全に被覆している
が、室１３の範囲だけに取付けられていてもよい。さら
に、上記両電極１４，１５はそれぞれ室側の自由表面を
保護層２１，２２によって被覆されている。これらの保
護層２１，２２は、例えば上記両電極１４，１５を成す
材料の酸化物から製作されている。

【００１６】また、上記２つの電極のうちで一方の電極
１４は接続導体１６に、他方の電極１５は接続導体１７
に接続されており、これら２つの接続導体１６，１７は
基体１２内を気密に貫通して外側へ通している。ところ
で、上記両電極１４，１５は、上記２つの保護層２１，
２２間の間隔に基づいた容量を有するコンデンサを形成
している。従って、ダイアフラム１１が圧力をかけられ
て変形させられると、上記両電極１４，１５間の間隔ひ
いては圧力センサの容量が変化させられる。そして、こ
の容量は上記両接続導体１６，１７に接続された電子ス
イッチによって測定され、その結果、ダイアフラム１１
に及ぼされた圧力を示す基準値として検出される。

【００１７】室１３が排気されている場合、ダイアフラ
ム１１に及ぼされる圧力は、例えば外側から圧力センサ
だけに及ぼされる圧力であってもよい。しかし、例えば
基体１２に孔が形成されているために室１３が外側へ向
かって開放されている場合、圧力センサは基準圧力セン
サとして使用することができる。

【００１８】図３に概略的に示された、圧力センサの第
２実施例では、活性ろう挿入体１９の活性ろうがダイア
フラム１１のコンデンサ電極１４へ向かって流出しない
ように、活性ろう挿入体１９を挿入された孔の室側端部
が、拡張部２３を有している。その結果、活性ろう挿入
体１９の活性ろうの溶融時に、この活性ろうを基体１２
の電極１５の面より上方へ放出させる毛管作用が、阻止
されるのである。つまり、拡張部２３は毛管作用ストッ
パとして作用している。

【００１９】図４に概略的に示された、圧力センサの第
３実施例では、基体１２が、互いに同軸的で別れた２つ
のコンデンサ電極１５，１５′を有している。この場
合、円形面として中心に設けられた一方の電極１５は、
他方の電極１５′によって円形に取囲まれている。ま
た、一方の電極１５が一方の保護層２２によって被覆さ
れているように、他方の電極１５′も他方の保護層２
２′によって被覆されている。さらに、他方の電極１
５′は他方の活性ろう挿入体１９′を介して接触接続さ
れている。このように、共通の１つの電極、つまりダイ
アフラム１１の電極１４を備えた２つのコンデンサの構
成は、当然ながら１図及び２図による実施例においても
使用され得る。

【００２０】図４ではさらに、他方の活性ろう挿入体１
９′を挿入された孔の室側端部が、拡張部２４を有して
おり、この拡張部２４は、上記拡張部２３と同様に有利
に作用する。また、図３及び図４においては、容易な構
成とするために、活性ろう挿入体１８，１９における接
続導体が省略されている。

【００２１】完成された圧力センサでは、ダイアフラム
１１の電極１４が、接合箇所の活性ろう２０と接続導体
１６とを介して接触接続される。この場合、接続導体１
６及び接続導体１７は、それぞれ活性ろう挿入体１８，
１９に接続されている。また、これら活性ろう挿入体１
９，１８はそれぞれ、基体１２の電極１５まで、かつ接
合箇所の活性ろう２０を介してダイアフラム１１の電極
１４まで、延びている。図１によれば、接合箇所の電極
１４は破線によって示されている。

【００２２】本発明の有利な構成によれば、上記コンデ
ンサ電極１４，１５，１５′はタンタルから、上記保護
層２１，２１′，２２は五酸化タンタルから製作されて
いる。

【００２３】図示された圧力センサの特徴は、ダイアフ
ラム１１と基体１２との結合形式にある。つまり、これ
ら２つの部材は活性ろう２０から成る環状の成形部材に
よって結合されている。また、この成形部材は、基体１
２に対してダイアフラム１１に所定間隔ｄを維持させる
ためのスペーサとしても役立っている。さて、結合のた
めに温度による方法が使用されると、ダイアフラム１１
と基体１２とは活性ろう２０によって直接に結合され
る。しかし、従来とは異なり、基体１２の接合箇所の金
属被覆されていない部分が金属被覆される必要はなく、
融剤が使用される必要もない。従って、ダイアフラム１
１と基体１２とは、活性ろう２０から成る成形部材によ
り、機械的に極めて剛性で完全に気密に結合される。そ
の結果、室１３が例えば完全な気密状態で外側に対して
閉鎖される。

【００２４】上述した活性ろうは、少なくとも強い反応
性元素、例えばチタン又はジルコニウム又はベリリウム
又はハフニウム又はタンタルを含有している。このよう
な反応性元素は、ろう接されるべき部分の表面をろう接
時に湿らせる。そして、この部分がオキサイドセラミッ
クスから製作されている場合には、酸素に対する反応性
元素の高い親和性がこの反応性元素とセラミックスとの
反応を引起こし、混合酸化物及び自由化学原子価を形成
する。ろうの反応性元素は、別の合金成分、例えば銀／
銅合金のマトリックス内に埋込まれており、かつ本来の
ろう材料を成している。

【００２５】延性の活性ろう合金は、チタン含量１〜５
％であり、このチタンは例えば銀／銅合金のマトリック
ス内に均質に含まれている。また、この活性ろう合金は
通常の硬ろうと同様に任意の成形部材に成形されるの
で、図２に示されたように、スペーサとして役立つ環状
の成形部材にも成形される。

【００２６】市販されている典型的な活性ろうは、銀／
チタン合金又は銀／銅／チタン合金又は銀／銅／インジ
ウム／チタン合金であり、これら合金のろう接温度は７
５０℃〜１０５０℃である。従って、段階式ろう接（融
点ごとの段付け）も活性ろうにおいては可能である。ま
た、活性ろうの強度は、比較可能な、チタン不含の硬ろ
うの強度と等しい。さらに、セラミックスへの活性ろう
の付着力は、セラミックス自身の強度よりも大きい。従
って、引張り試験によれば、セラミックスとろうとの境
界層ではなくてセラミックスに、破損が生じる。

【００２７】セラミックスから成る材料（ダイアフラム
１１及び基体１２）の、活性ろうによるろう接は、有利
には少なくとも１０^-5ｍｂａｒ、より有利には１０^-6ｍ
ｂａｒの真空状態で行われる。なぜなら、チタンと残留
ガスとの反応を避けてセラミックスを充分に湿らすため
には、極めて良好な真空状態が必要となるからである。

【００２８】所期のろう接結果を得るために、例えばろ
うの蒸発を減少させるか又は表面酸化物を還元するため
に、不活性ガス及び／又は反応性ガスから成る所定のガ
ス雰囲気内で加熱又はろう接作業を行うと、有利であ
る。また、このようなガスの分圧は有利には１０ｍｂａ
ｒよりも低くなっている。

【００２９】通常のろう接時と同様に、活性ろう接時に
おいてもろうは完全に溶融する。しかし、活性ろうにお
けるろう接温度は、有利には液相線温度より３０℃〜１
００℃高くなっていなければならない。この温度になっ
ていないと、チタンとセラミックスが最適に反応しない
からである。そして、活性ろうが上述した温度に保たれ
ていることにより、大きな強度と真空密性とが得られ
る。

【００３０】本発明の圧力センサには、上述した延性の
活性ろうの他にも、脆性の活性ろうが使用される。即
ち、温度衝撃周期において、ダイアフラム１１及び基体
１２を成す材料の膨張係数と脆性の活性ろうの膨張係数
とが異なるにもかかわらず、本発明による圧力センサの
特性は変化しない。さて、脆性の活性ろうは例えば銅３
０〜６０％／残留分ジルコニウムから成る合金、又はニ
ッケル２４％／ジルコニウム７６％から成る合金、又は
銅３６〜７５％／チタン６４〜２５％から成る合金であ
る。このような活性ろうは、焼結されたリング形状又は
ろうペースト状で基体１２とダイアフラム１１との間に
被着されている。

【００３１】有利には、活性ろうから成るリングはいわ
ゆる溶融紡糸によって製作される。この方法では、ま
ず、ろうが延性のフィルムとして非晶質形状を与えられ
る。そして次に、機械的に加工可能で任意な形状に成形
される。次いでろう接作業後には、結晶質特性を与えら
れる。

【００３２】測定結果によれば、上述した脆性の活性ろ
うによって接合された圧力センサの特性は、−２０℃〜
＋１４０℃での数千回の温度衝撃周期においても変化し
ない。特に、真空密性が所望される場合に室１３を非気
密状態としてしまうヘアクラックは、形成されない。

【００３３】接合箇所に関する実験によれば、活性ろう
の種類の変化に伴ってこの接合箇所の構造が変化するこ
とはない。従って、脆性の活性ろうも使用できることに
より、ダイアフラム及び基体の材料とこの材料にとって
適当な、活性ろうを成す元素との種類の選択範囲が、従
来の圧力センサにおいてよりも大きくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例の圧力センサの平面図
である。

【図２】図１による線分Ａ−Ｂに沿った、圧力センサの
側面図である。

【図３】本発明による第２実施例の圧力センサの側面図
である。

【図４】本発明による第３実施例の圧力センサの側面図
である。

【符号の説明】

１０圧力センサ１１ダイアフラム１２基体１３室１４，１５，１５′ コンデンサ電極１６，１７接続導体１８，１９，１９′ 活性ろう挿入体２０活性ろう２１，２１′，２２保護層２３，２４拡張部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マンフレートフランクドイツ連邦共和国マウルブルクハウプトシュトラーセ 43 (72)発明者トーマスクレーンドイツ連邦共和国フライブルク−オプフィンゲンアムシュポルトプラッツ３

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体（１２）及びダイアフラム（１１）
を有する圧力センサ（１０）であって、基体（１２）と
ダイアフラム（１１）とが、少なくとも縁部の閉鎖され
た室（１３）を形成しながら結合されている形式のもの
において、基体（１２）及び／又はダイアフラム（１１）が、セラ
ミックス又はガラス又は単結晶材料から製作されてお
り、ダイアフラム（１１）の、基体（１２）に向いた面が、
炭化珪素又はニオビウム又はタンタルから成る層によっ
て被覆されており、この層が第１のコンデンサ電極（１
４）として作用しており、この層の自由な表面が保護層
（２１）によって被覆されており、室（１３）内部における基体（１２）の、ダイアフラム
（１１）に向いた面が、炭化珪素又はニオビウム又はタ
ンタルから成る少なくとも１つの層によって被覆されて
おり、この層が第２のコンデンサ電極（１５）として作
用しており、この層の自由な表面が別の保護層（２２）
によって被覆されており、基体（１２）とダイアフラム（１１）とが、スペーサと
しても作用する、活性ろう（２０）から成る成形部材に
よってろう接されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】ダイアフラム（１１）がコンデンサ電極
（１４）によって完全に被覆されている、請求項１記載
の圧力センサ。
【請求項３】上記２つのコンデンサ電極（１４，１
５）がタンタルから製作されており、上記２つの保護層
（２１，２２）が熱酸化又は陽極酸化によって形成され
ている、請求項１又は２記載の圧力センサ。
【請求項４】上記２つのコンデンサ電極（１４，１
５）が、基体（１２）の、ダイアフラム（１１）とは反
対側から第２のコンデンサ電極（１５）まで延びる、場
合によっては活性ろう（２０）まで延びる活性ろう挿入
体（１８，１９）を介して電気的に接触接続されてお
り、基体（１２）の複数の第２のコンデンサ電極（１
５，１５′）が、活性ろう挿入体（１８，１９）を挿入
された孔の拡張部（２３，２４）として構成された毛管
作用ストッパを接触箇所に有している、請求項１から３
までのいずれか１項記載の圧力センサ。
【請求項５】反応性元素を含む銀／銅合金に基づいた
延性の活性ろうを使用されている、請求項１から４まで
のいずれか１項記載の圧力センサ。
【請求項６】銅／ジルコニウム合金又はニッケル／ジ
ルコニウム合金又は銅／チタン合金に基づいた脆性の活
性ろうを使用されている、請求項１から４までのいずれ
か１項記載の圧力センサ。
【請求項７】ダイアフラムと、適当な孔及び場合によ
ってはこの孔に付属した拡張部を備えた基体とから成
る、請求項４から６までのいずれか１項記載の圧力セン
サの製法であって、ダイアフラムと基体とにコンデンサ電極を被覆し、コンデンサ電極上に保護層を形成し、基体の孔内へ活性ろう挿入体を挿入し、保護層により被覆されて活性ろう挿入体を取付けられた
基体と、保護層により被覆されたダイアフラムと、これ
ら２つの部材間に設けられた、活性ろうから成る成形部
材とを、完全に溶融するまで加熱し、上記基体、ダイアフラム及び成形部材を冷却することを
特徴とする、圧力センサの製法。