WO2009155716A1 - Optischer interferometrischer drucksensor - Google Patents

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WO2009155716A1
WO2009155716A1 PCT/CH2009/000186 CH2009000186W WO2009155716A1 WO 2009155716 A1 WO2009155716 A1 WO 2009155716A1 CH 2009000186 W CH2009000186 W CH 2009000186W WO 2009155716 A1 WO2009155716 A1 WO 2009155716A1
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housing body
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fiber
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PCT/CH2009/000186
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Jarkko Antila
Dietmar Bertsch
Felix Mullis
Martin Wuest
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Inficon Gmbh
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Publication date
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
    • G01L9/0079—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light with Fabry-Perot arrangements
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Definitions

  • the invention relates to an optical membrane pressure measuring cell according to the features of patent claim 1 and to a method for producing a membrane pressure measuring cell according to the features of patent claim 18.
  • a known and suitable method to measure the deflection of such membranes is that the membrane assembly is designed as a variable electrical capacitance, which is evaluated via a measuring electronics in a known manner, the capacitance change, which correlates with the pressure change.
  • the capacitance is formed by arranging the thin, flexible membrane surface at a small distance from another surface and coating both opposing surfaces with an electrically conductive coating or from electrically conductive material. When pressure is applied to the diaphragm, the deflection changes the distance between the two electrodes, which leads to an evaluable capacitance change of the arrangement. Sensors of this type are produced in large numbers from silicon.
  • Both the flat base body and the membrane often consist completely of silicon material.
  • materials composition z As silicon together with a glass substrate.
  • Such sensors can be produced very inexpensively.
  • pressure sensors of this type can generally only be used for higher pressure ranges in the range of approximately 10 -1 mbar to a few bar.
  • High resolution at lower pressures above 10 " mbar is no longer possible with the material silicon, which is due to the fact that the silicon on the surface reacts with the environment and thus disturbs the sensitive sensor characteristics atmospheric air leads to corresponding reactions on the surfaces
  • the problem is further exacerbated when the sensor in chemically aggressive atmospheres and especially at higher temperatures, as used at several hundred degrees Celsius. It was therefore attempted to protect such silicon sensors by passivating the surfaces against aggressive external influences.
  • This capacitive vacuum cell (CDG: Capacitive Diaphragm Gauge) is made entirely of a ceramic, in particular Al2O3. This achieves very high corrosion resistance and long-lasting reproducibility. Only in areas where sealing is required or where feedthroughs are intended will materials other than Al2O3 be provided in small quantities, unless the AI2O3 is welded without adding foreign material.
  • the cell consists of a first plate-shaped housing body, over which a membrane is sealingly arranged in the edge region, so that it encloses a reference vacuum space. On the side facing away from the reference vacuum space, a second housing body is likewise arranged so as to be sealingly closed at the edge area, so that a measuring vacuum space is formed there.
  • This measuring vacuum chamber is provided with a connection for the supply of the medium to be measured.
  • the surfaces of the first housing body and the membrane, which form the reference vacuum space, are electrically conductive coated, for example with gold, and form the Electrodes of the capacitance measuring cell.
  • the electrodes in turn are led out, for example through the first housing body or through the sealing area in the edge zone.
  • the substantially parallel electrode surfaces have a spacing in the range of 2 microns to 50 microns.
  • the sealing of the membrane in the edge region relative to the two housings is preferably carried out by welding, for example by laser welding. Very suitable and easy to use but is also a glass solder, which is also resistant to corrosion. Another possibility of the sealing connection is also to diffusively connect housing parts, for example in the green body stage, when it comes to completely avoid Al2 ⁇ 3-foreign material.
  • the arrangement of the measuring cell essentially allows a symmetrical, preferably disk-shaped, construction which avoids any tension in the housing. This is particularly important in order to achieve a high measuring sensitivity and to realize low measuring pressures with high accuracy and reproducibility.
  • This also makes it possible to use a very thin membrane made of ceramic, which is mandatory if the measuring cell reliably to detect lower vacuum pressures than 100 mbar, and especially lower than 10 mbar, with capacitive all-ceramic measuring cells.
  • membrane thicknesses of 10 .mu.m to 250 .mu.m are necessary, with membrane thicknesses of 10 .mu.m to 120 .mu.m being preferred in order to achieve a very good resolution.
  • Typical membrane thickness ranges are, for example:
  • membrane thickness 760 ⁇ m + 10 ⁇ m
  • Membrane thickness 150 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m at 1 Torr: membrane thickness: 100 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m at 0.1 Torr: membrane thickness: 60 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m at 0, 01 Torr: membrane thickness: 40 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m
  • a sensor for measuring high pressures for example, up to 1000 bar and at high temperatures of several 100 0 C, for corrosive liquids such as in liquid and gas applications.
  • An example of such liquid and gas applications are corrosion resistant pressure and vacuum sensors in oil well or drilling applications.
  • the membrane thickness may be more than 760 microns, z. B. up to several millimeters.
  • the known vacuum measuring cells with capacitive membrane work with temperatures of maximum 200 ° C.
  • Such a vacuum measuring cell has a first housing body and a membrane, each made of Al 2 O 3 ceramic or sapphire.
  • the membrane is planar vacuum sealed via its outer edge, connected via a first seal with the first housing body to form a reference vacuum chamber.
  • a second housing body, consisting of A ⁇ Oa ceramic or sapphire and arranged opposite the membrane is, with this also via the outer edge and vacuum-tight, connected via a second seal and forms together with the membrane a measuring vacuum chamber.
  • a nozzle connects the vacuum measuring cell with a medium to be measured. At least in the central region of the first housing body, a transparent optical window is formed, and at least the central portion of the diaphragm has a reflective optical surface.
  • an optical fiber is disposed opposite the window and spaced therefrom to supply light to and from the membrane surface.
  • a pressure difference between the two different sides of the elastic membrane causes the bending of the membrane, which changes the length of the optical cavity accordingly.
  • Light is focused through the sapphire housing or window onto the semireflecting membrane surface from where it is collected and analyzed using one of several available methods (e.g., after passing through multiple reflections between the two mirrors and thus being exposed to interference phenomena associated therewith)
  • the cell assembly is thus part of a Fabry-Perot interferometer detection or analysis arrangement.
  • the thickness of the membrane along with its free diameter and the desired maximum bend define the usable pressure range.
  • the membrane diameter may be 11 mm, for example, and its thickness may be 300 ⁇ m.
  • Preferred ranges for the membrane diameter are 5.0 mm to 80 mm, preferably 5.0 mm to 40 mm, and the membrane thickness is in the range of 10 ⁇ m to 10 mm, preferably in a range of 10 ⁇ m to 100 ⁇ m, in particular for vacuum applications, and preferably in a range of 600 ⁇ m to 9 mm for high pressure applications.
  • the above-described sensor cell has a single-crystal sapphire window or a single crystal sapphire body with a sapphire membrane to enable external optical read-out, e.g. B. to allow by means of a ball lens.
  • An optical Fiber can then be used to transmit the signal from the site to a readout unit.
  • a disadvantage of using pure sapphire in the sensor cell is its price - machined single crystal sapphire is very expensive.
  • the combination of sapphire and ceramic Al 2 O 3 introduces a low thermal coefficient of expansion (CTE ) mismatch which, for example, can cause temperature drift behavior problems. Reducing this effect requires proper crystal alignment, which is a costly and time-consuming process.
  • external optics such as B. ball lenses used to focus the light on the membrane. Due to different coefficients of thermal expansion of the materials used, there is the possibility of displacement of the measuring point on the membrane or tilting of the light beam. As a result, the system can show unstable behavior. In addition, a large number of components are required, making the manufacture of such a sensor cell expensive.
  • An object of the present invention is to obviate the aforementioned drawbacks of the prior art interferometric diaphragm pressure cell.
  • An object of the invention is to provide an optical fiber diaphragm pressure measuring cell with high accuracy and high stability that is reliable and that can be produced economically.
  • the sensor according to the invention which can measure high pressures at high temperatures, is based on the US Pat. No. 7,305,888 B2 to Wälchli et al. described structure of the optical membrane measuring cell.
  • the optical membrane measuring cell sensor ODG sensor: optical diaphragm gauge sensor
  • ODG sensor optical diaphragm gauge sensor
  • an optical fiber is directly connected to the first housing body.
  • the connection of the fiber with the ceramic materials, the ceramic-ceramic compounds and the formation of a suitable Fabry-Perot cavity are carried out via special vacuum-tight adhesive processes.
  • the movement of a pressure-indicating membrane is measured by white light or short-coherence interferometry (VVLI: White Light Interferometry).
  • the pressure measuring cell comprises: a first housing body made of ceramic material; a diaphragm made of ceramic material and disposed in the vicinity of the first housing body, the diaphragm being substantially planar and having an outer edge, the outer edge of the diaphragm being connected to the first housing body by a first sealing means, preferably vacuum-tight a reference pressure chamber is generated between the first housing body and the diaphragm, the diaphragm having first and second opposing surfaces, the first surface of the diaphragm facing the first housing body, and the first housing body having a surface facing the diaphragm; a second made of ceramic material and arranged opposite the diaphragm housing body, wherein the second housing body is connected by a second sealing means, preferably vacuum-tight, with the outer edge of the membrane, wherein the second housing body together with the membrane forms a pressure measuring chamber, wherein the second housing body a nozzle for connecting the pressure measuring cell with a medium to be measured; wherein the first housing body, the second housing body
  • Membrane are tightly connected to each other at the outer edge of the membrane and formed a hole at least in the central region of the first housing body is, which extends through the first housing body, and wherein at least in the central portion of the membrane and the hole opposite the surface of the membrane is formed as a first optically reflective surface; and wherein in the hole of the first housing body an optical fiber is arranged, which is fastened with fiber sealing means tightly in the hole to conduct light on the membrane surface and thereof, wherein the end of the fiber preferably reaches at least the surface of the first housing body and this fiber end as the second optical reflective surface for the optical
  • Detection device is.
  • a high temperature optical fiber made e.g. As quartz glass or sapphire and with a protective layer such.
  • B. gold or copper is connected by means of glass solder or Keramikklebesch with a sleeve (preferably made of Al 2 O 3 ) or directly with a hole in the ceramic body of the sensor cell so that the fiber end extends through the structure. If a sleeve is used, it will be similarly connected to a hole in the ceramic body after the fiber connection. After curing of the ceramic adhesive or the glass solder joint, the fiber end is ground and / or polished to form the other partially reflecting mirror of the optical cavity to be measured. This polished fiber end may be present without an optical coating or coated, preferably with a single layer of a dielectric material such. B. Ta 2 Os to improve the optical reflectivity.
  • the required hole in the ceramic material can be formed by mechanical drilling, laser drilling or ultrasonic drilling, or it can be during the Casting phase of the ceramic body are formed.
  • a directly coupled arrangement is mechanically very stable compared to an arrangement with external optics and is subject to lower temperature-dependent deformation distortions compared to the external optics.
  • a reduction of the total number of parts leads to a cost reduction.
  • the ODG manufacturing costs are comparable to those for a CDG, and the performance is better in terms of linearity, repeatability, and relative resolution.
  • a large numerical aperture resulting from the physical fiber properties reduces the requirements for the parallelism of the partially reflecting or reflecting mirror surfaces of the optical cavity without occupying more space for external optics, but at the same time the largest measurable distance is about 100-200 ⁇ m at a practical minimum value of about 5 ⁇ m because of the analysis limitations of the WLI method.
  • the glass solder begins to soften and, if the sensor is subjected to a non-symmetric force, the membrane position may begin to change. This problem is solved by a solution in which the glass solder is replaced by an adhesive which withstands temperatures of up to 600 ° C. or even 1000 ° C.
  • the compounds may preferably additionally be sealed along with standard high-temperature glass solder along the outer side walls of the sensor cell and preferably also outside the ceramic body along the sealing means of the fiber.
  • An important feature of the invention is the formation of a mirror on the
  • a smooth optical surface By screen-printing a small area of glass solder (diameter eg 1-3 mm) in the middle of the membrane, a smooth optical surface can be produced.
  • the glass solder is first sintered and then fired at about 750-800 0 C. In liquid form, the glass solder tilts to automatically form an extended point with a flat surface, and re-cooling to form a solid mirror changes the surface only slightly.
  • the resulting mirror thickness is preferably between 1-6 ⁇ m.
  • Atomic Force Microscopy (AFM) measurements show that the mirror surface is indeed smooth and has an average roughness of 5-10 nm. If the further improvement of the quality of the mirror surface is desired, this glazed plate can now also be easily polished.
  • An optical coating for improving the reflectivity may be applied, but is not essential.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the temperature of the sensor cell can be determined by measuring the sensor cell Mirror thickness are measured (by reaction not to pressure, but only on temperature). At the same time, the pressure-indicating change in the distance of the optical cavity is measured. In the case of a mirror with a thickness of 17 ⁇ m and a resolution of the distance measurement of 0.1 nm, the temperature resolution obtained is, for example, approximately 0.4 ° C. Such a sensor could be optimized as the sole temperature sensor.
  • the preparation of a mirror from glass solder results in a reflection on the surface of only about 7% (approximately the same as in the case of the fiber).
  • the surface of the mirror may be optically coated (preferably with a single layer of dielectric material such as TaaOs) to enhance reflection.
  • ODG ceramic optical sensor cell
  • fiber attachment and brazing techniques also work with sensors made from sapphire components.
  • Fig. 1 is a schematic cross section of an optical membrane measuring cell according to the invention with a fiber completely mounted in a hole of the first housing body of the cell.
  • Fig. 2 is a schematic cross section of an optical diaphragm measuring cell according to Fig. 1, wherein a protective seal covers the sealing points on the outer edge of the membrane and the sealing points of the fiber.
  • the preferred arrangement according to the invention of an ODG measuring cell (optical membrane measuring cell) made of Al 2 O 3 with a substantially symmetrical structure around the membrane 2 is represented by the cross section shown in FIG.
  • the first housing body 1 consists of a ceramic plate made of Al 2 O 3 , which is sealingly and sealingly connected at a distance of 5 microns to 80 microns relative to the ceramic membrane 2 along its edges and which encloses a reference pressure chamber 25, which is preferably a vacuum chamber.
  • the distance between the two surfaces is normally set directly during the assembly by means of the sealing material 3, 3 'as a sealing means, preferably vacuum-tight, which is arranged between the diaphragm edge and the housing. In this way, a completely flat housing plate 1 can be used.
  • a measuring pressure chamber 26 is formed by means of a second housing body 4 on the opposite side of the membrane. This pressure chamber is accessible via a connecting piece 5 through an opening in the second housing body 4 for the media to be measured.
  • the cell assembly is particularly suitable for measuring gas media at high pressure and especially for vacuum.
  • This seal is for example and preferably a glass solder, which is easy to handle and can be applied for example by screen printing.
  • the melting or sintering temperature of this glass solder is preferably in the range of 630 0 C to 800 0 C, and the use temperature is preferably in the range of 150 0 C to 630 0 C.
  • the distance 30 of the membrane 2 to the first housing body first about 5 ⁇ m to 200 ⁇ m, preferably 5 ⁇ m to 80 ⁇ m, and particularly preferred is a range of 10 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the first housing body 1 has a thickness of 2 mm to 10 mm; the second housing body 4 is for example in the same thickness range.
  • the first housing body 1 and the second housing body 4 must be made of materials with similar expansion coefficients as that of the membrane material used. Very suitable combinations consist of highly pure alumina ceramic (purity> 96%, preferably> 99.5%), sapphal ceramic (alumina with a purity over 99.9%) and sapphire (monocrystalline high-purity alumina, synthetic corundum).
  • the second housing body 4 is provided in the inner region, as shown in Fig. 1, with an example, about 0.5 mm deep recess to enlarge the measuring pressure chamber 26.
  • a first optically reflective surface is formed, preferably at least in the central region of the membrane 2. This surface may be formed as a coating with a reflective film forming a mirror layer 10.
  • FIG. 9 of this reference both basic possibilities are shown schematically.
  • Either a substantially metallic or a dielectric system is chosen.
  • the metallic coatings can be protected by dielectric layers for easier further processing.
  • a metallic mirror is preferably designed as a fully reflecting film.
  • This film 10 may for example be painted, printed, sprayed or applied by a vacuum process.
  • this film consists mainly of gold and is applied by printing, and its thickness is in a range of 0.1 microns 1, 0 microns.
  • a Glaslotddling and it istbumble at high temperature, for example in a range from 700 0 C to 800 0 C, to produce a glazed surface as a reflecting surface 10 forming the desired mirror .
  • This concept of forming a mirror through a glass point is particularly advantageous because the mirror is easy to produce and withstands high temperatures without resulting in a deterioration of the high necessary reflectivity quality exhibited by the thus-formed mirror surface.
  • a pumping line 14 leads through the first housing body 1 and connects the reference vacuum chamber 25 with the getter chamber 13, in which a getter element, not shown in FIG. 1, is arranged.
  • the getter chamber 13 is closed, for example, with a cover 8 which is closed by means of a sealing material 9 ', preferably vacuum-tight, such as with fired glass solder.
  • the chamber can also be sealed with sealing means 9, preferably vacuum-tight, such as with burned Glass solder to be attached to the first housing body 1.
  • An optical fiber 15 is disposed at least in the central region of the first case body 1 and passes through the case body 1 so that the end of the fiber reaches the reference pressure chamber 25.
  • a mounting hole 7 is formed in the housing body, which leads through the first housing body 1, opposite the diaphragm 2 where at least in the central region, the surface 10 of this membrane 2 is formed as a first optically reflective surface 10.
  • the optical fiber 15 is arranged in the bore 7 of the first housing body 1 and fastened tightly in the bore 7 with fiber-sealing means 6.
  • the fiber 15 guides light onto and away from the surface 10 of the membrane 2 with the end of the fiber 15 reaching at least the surface of the first housing body 1 and the fiber end 16 as the second optically reflective surface 16 for optical connection to the surface 10 of the membrane 2 is formed so that in the arrangement between the fiber end 16 and the reflecting surface 10 of the diaphragm 2 there is an optical cavity 30 (cavity) forming a measuring area for determining the extent of deformation of the diaphragm 2 and the part of a Fabry-Perot interferometer - Evaluation arrangement is.
  • Housing Body 1 This distance must be large enough so that it is possible to grind and / or polish the fiber end so that a flat straight surface can be achieved over the entire diameter of the fiber 15 forming the second optically reflective surface 16 , This surface acts as a semitransparent mirror.
  • the fiber 15 is polished down to the same level of the inner surface of the first case body 1.
  • the distance between the second reflecting surface 16 of the fiber end 15 and the first reflecting surface on the membrane is in the range of 5 ⁇ m to 200 ⁇ m, preferably 5 ⁇ m to 80 ⁇ m including the cavity 30.
  • This arrangement allows the coupling of the Fabry-Perot interferometer to the reflecting surface of the movable diaphragm to measure the deformation of the diaphragm 2 depending on the pressure to be measured.
  • the incoming light is coupled to the measuring cell by at least one optical fiber 15, and the resulting reflected optical signal is detected by at least one fiber 15.
  • sapphire As the first case body 1. However, this material is more expensive than Al 2 O 3 ceramics.
  • the position of the fiber 15 is already predetermined with respect to the first reflective surface 10 on the membrane 2. It is important that the planar end surface 16 of the fiber 15 be aligned with high precision parallel to the first reflective surface 10 on the membrane. The tilt angle of the deviation from the parallelism must not exceed 1, 0 mrad.
  • sealing means 3, 3 '6, preferably vacuum-tight, for the assembly of the membrane 2 and the housing body 1, 4 and for the assembly of the fiber 15 different glass solder is very suitable.
  • Application temperature at which the measuring cell is to be operated different types can be selected.
  • a preferred operating range of the cell is above 150 ° C and up to 350 0 C.
  • a further preferred range is from 150 0 C to 600 0 C.
  • Ceramic adhesive that resists temperatures of at least up to 650 ° C, or preferably at least up to 600 0 C.
  • Ceramic adhesives are made, for example, by Aremco Products, Inc., Valley Cottage, NY 10989, USA.
  • Another suitable method of bonding and sealing the membrane 2 to the housing bodies is aluminum bonding, wherein a small piece of aluminum film or sheet is compressed between the parts at elevated temperature so that diffusion occurs and the aluminum oxidizes to alumina.
  • an additional protective seal can be provided in order to cover the sealing means as shown in FIG. 2 on its surface outside the measuring cell.
  • a glass solder may be provided which forms a glazed protective seal 11, 12 after baking the paste. It may either cover the sealing means 6 of the fiber or the sealing means 3, 3 'at the outer edge of the membrane 2 connected to the housing bodies 1, 4, or it may be applied to both sealant arrangements.
  • the protective gasket 11, 12 is preferably used when a ceramic adhesive is used as the sealing means 3, 3 ', 6.
  • These additional protective seals 11, 12 are preferably used for the application of vacuum measuring sensor cells.
  • the measuring cell according to the invention can be completely surrounded by a heating device. With this heater, the cell can be heated in particular in the measurement of vacuum pressure in vacuum processes on the condensation temperature of the substances involved in the process to be measured. The temperature of the cell is in this case preferably at least 10 ° C above the condensation temperature.
  • Temperature values are in the range of from 100 0 C to 600 ° C. Chemical substances used in such processes are often very aggressive, and heating is an effective way to keep them away from sensitive parts of the measuring cell. These measures ensure that the measuring cell with high accuracy and high reproducibility during a long time Time works reliably with the processes performed.
  • a preferred embodiment of such a measuring cell comprises: a first housing body 1 made of ceramic material; one made of ceramic material and near the first one
  • Housing 1 arranged membrane 2, wherein the membrane is substantially planar and has an outer edge, wherein the outer edge of the membrane 2 is connected by a first sealant 3 with the first housing body 1, so that a reference pressure chamber between the first housing body 1 and the membrane 2 generates wherein the membrane has first and second opposing surfaces, the first surface of the diaphragm 2 facing the first housing body 1 and the first housing body 1 having a surface opposite to the diaphragm 2; a second housing body 4 made of ceramic material and opposite the diaphragm 2, wherein the second housing body
  • Membrane 2 at the outer edge of the membrane 2 are tightly interconnected and at least in the central region of the first housing body 1, a hole 7 is formed, which extends through the first housing body 1, and wherein at least in the central portion of the membrane 2 and the hole 7 opposite the surface 10 of the membrane 2 is formed as the first optically reflective surface 10; and wherein in the hole 7 of the first housing body 1, an optical fiber 15 is arranged, which is fastened with fiber sealing means 6 tightly in the hole 7 to guide light on the surface 10 of the membrane 2 and thereof, wherein the end of the fiber 15 is preferably at least the surface of the first housing body 1 is reached and this fiber end 16 is formed as a second optically reflective surface 16 for the optical connection with the surface 10 of the membrane 2, so that in the arrangement between the fiber end 16 and the reflecting surface 10 of the membrane 2, an optical cavity 30 is present, which is a measuring section for Determining the deformation of the membrane 2 forms and is the part of a Fabry-Perot interferometer detection device.
  • At least one component of the housing body 1, 4 and / or the membrane 2 is at least partially made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ). In some cases, it is advantageous if at least one component of the housing body 1, 4 and / or the membrane 2 is at least partially made of sapphire type aluminum oxide ceramic (Al 2 O 3 ). In some cases, it is further advantageous if only the membrane 2 is made of alumina ceramic (Al 2 O 3) which is at least partially of the sapphire type.
  • a through-hole 7 with a diameter of, for example, 300 ⁇ m is preferably drilled into a flat disk-shaped Al 2 O 3 housing body 1 using a pulsed high-power CO 2 laser. 2.
  • High temperature Glasrpaste 6 is placed in the hole 7 so that it is completely filled.
  • the fiber 15 preferably extends beyond the surface of the housing side opposite to the side of the fiber introduction.
  • the housing / fiber combination is fired / baked in an oven with typical firing temperatures between 700 ° C and 800 0 C and connected together. This creates a solid connection of the fiber with the housing, wherein the compound is simultaneously helium-tight.
  • the fiber is polished down together with the cured glaze 6 to the level of the front surface side of the housing 1, whereby at the fiber end a surface 16 is formed in optical quality.
  • the fiber end 16 may be optically coated with a single-layer dielectric (eg, Ta 2 ⁇ s) or with dielectric multilayers or a semitransparent metal coating, e.g. Using PVD / CVD thin film application methods.
  • a single-layer dielectric e.g. Ta 2 ⁇ s
  • dielectric multilayers e.g. Using PVD / CVD thin film application methods.
  • High-temperature glass paste 10 is applied, for example by screen printing on a ceramic A ⁇ Oa membrane 2, preferably in the central region to produce an enlarged glazed point with 1, 0 .mu.m to 10 .mu.m thickness and a low-reflection mirror 10th with a thickness of, for example, 1 .mu.m to 10 .mu.m to produce.
  • the membrane with the high-temperature glass solder 10 is fired / baked in a separate step to produce a low-reflection mirror 10 having a thickness of, for example, 1.0 ⁇ m to 6 ⁇ m.
  • the mirror surface 10 can be polished as long as the membrane 2 is thick enough to act as a rigid substrate.
  • the fiber end 16 and / or the mirror surface 10 can be optically coated, for example, with a dielectric single-layer or with dielectric multilayers or a semitransparent metal coating.
  • the different parts are assembled and fired in a vacuum furnace at a temperature which is lower than the melting temperature of the high-temperature glaze, ie typically at 550 0 C to 650 0 C, so this does not affect the mirror 10 nor the fiber assembly.
  • 6 Medium temperature glass paste is added at the edge of the housing and / or the membrane 2, and in their use on the AI 2 O 3 , the getter chamber parts 13, 8, 9 applied, for example by screen printing, for attachment and closing the getter chamber 13.
  • low temperature glass paste 9 ' is added to the getter chamber parts, for example, by screen printing.
  • a standard CDG pump down process is performed on the ODG sensor.
  • the welding of the suitable metal line as a connecting piece 5 is carried out in a conventional manner.
  • the assembly of the surrounding sensor structure such as.
  • the placement of the sensor in an insulated and heated enclosure such as.
  • a standard port for the fiber may be provided with conventionally known FC / PC or SC / PC ports.
  • a through-hole 7 with a diameter of, for example, 300 ⁇ m is preferably drilled into a flat disk-shaped Al 2 O 3 housing body 1 using a pulsed high-power CO 2 laser.
  • the fiber 15 preferably extends beyond the surface of the housing side opposite to the side of the fiber introduction.
  • the ceramic adhesive is cured according to its specifications, for. B. at 93 0 C, 260 0 C and 372 0 C.
  • High-temperature glass paste 11 is added to the back of the housing to seal the ceramic joint 6.
  • the glass paste 11 is burned / baked in an oven with typical firing temperatures between 700 0 C and 800 0 C. This creates a solid connection of the fiber 15 to the first housing body 1, wherein the
  • the fiber 15, together with the cured ceramic adhesive is polished down to the level of the front, resulting in a surface of optical quality at the fiber end.
  • High-temperature glass paste 10 is applied, for example by screen printing on a ceramic Al 2 ⁇ 3 membrane 2, preferably in the central region to produce an enlarged glazed point and a low-reflection mirror 10 with a thickness of, for example, 1, 0 to produce ⁇ m to 6 microns.
  • the mirror surface 10 can be polished as long as the membrane 2 is thick enough to act as a rigid substrate.
  • the fiber end 16 and / or the mirror surface 10 may be optically coated, for example, with a dielectric single-layer or multi-layer coating or a semi-transparent metal coating.
  • An annular region of ceramic adhesive is added to the housings and / or to the membrane 2.
  • Medium temperature glass paste 12 is added outside the housings 1, 4 at the joints to cover and seal the ceramic joints 3, 3 '.
  • Low temperature glass paste 9, 9 ' is added to the getter chamber parts, for example, by screen printing.
  • the glass paste is baked / fried at a temperature which is lower than the melting temperature of the glaze high temperature, that is typically at 550 0 C to 650 ° C so that this affects neither the mirror nor the fiber assembly.
  • the assembly of the surrounding sensor structure such as.
  • the placement of the sensor in an insulated and heated enclosure such as.
  • a standard port for the fiber can be provided with conventionally known FC / PC or SC / PC ports.
  • a through-hole 7 with a diameter of, for example, 300 ⁇ m is preferably drilled into a flat disc-shaped first Al 2 O 3 housing body 1 using a pulsed high-power CO 2 laser. 2.
  • Ultra high temperature glass paste 6 is placed in the bore 7 so that it is completely filled.
  • a suitable length of an optical fiber 15, z. B. about 10 cm sapphire optical fiber is separated and introduced through the hole 7. The fiber extends beyond the surface of the housing side, which is the
  • the housing / fiber combination is burned / baked in a furnace with typical firing temperatures around 1300 0 C and interconnected. This creates a solid connection of the fiber 15 to the first housing body 1, the connection being helium-tight at the same time.
  • the fiber 15 is polished down together with the cured glaze to the level of the front, whereby at the fiber end a surface 16 is produced in optical quality.
  • the fiber end 16 may, for. Using PVD / CVD coating methods for thin films, with a dielectric
  • Single layer eg Ta2 ⁇ s
  • optically coated with dielectric multilayers or a semitransparent metal coating e.g Ta2 ⁇ s
  • Ultra-high temperature glass paste is applied for example by screen printing on a ceramic Al 2 O 3 membrane 2, preferably in the central
  • the mirror surface 10 can be polished as long as the membrane 2 is thick enough to act as a rigid substrate.
  • the fiber end 16 and / or the mirror surface 10 may be optically coated, for example, with a dielectric single-layer or dielectric multiple layers or a semitransparent metal coating.
  • Ultra-high temperature glass paste is added at the edge of the housing and / or the membrane 2 and, when used on the AI2O 3 , the getter chamber parts 13, 8, 9 applied, for example by screen printing, for attaching and closing the getter - Chamber 13. 11.
  • the different parts are assembled and fired at about 1300 0 C. Due to the low viscosity of the glaze material, the already polished fiber 15 does not move substantially from its original position during the process.
  • low temperature glass paste 9, 9 1 is added to the getter chamber parts, for example, by screen printing.
  • the assembly of the surrounding sensor structure such as.
  • the placement of the sensor in an insulated and heated enclosure such as.
  • This includes a small bore in the insulation and the wall of the cladding for the transmission of the optical fiber.
  • a standard port for the fiber can be provided with conventionally known FC / PC or SC / PC ports.
  • Sheath diameter 125 ⁇ m ⁇ 3 ⁇ m
  • Coating and outer diameter Gold 155 ⁇ m, + 15 ⁇ m
  • Suitable thickness of the active surface for screen printing (unpolished): 1, 0 ⁇ m - 10.0 ⁇ m • Glass type: HIGH temperature (700 0 C to 800 0 C)
  • Optimum reflectance With identical reflectivities of the fiber end 16 and the glass point 10 of about 30% (achieved by adding an additional coating)
  • the maximum tilt angle must not exceed 1 mrad
  • the maximum tilt angle must not exceed 2 mrad

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Abstract

Eine Druckmesszelle hat einen ersten Gehäusekörper (1) und eine in der Nähe des Gehäusekörpers angeordnete Membran (2), die beide aus Keramik sind. Die Membran (2) hat einen mit dem ersten Gehäusekörper (1) verbundenen Aussenrand, um eine Referenzdruckkammer (25) zu erzeugen. Ein zweiter aus Keramikmaterial hergestellter Gehäusekörper (4) liegt der Membran (2) gegenüber und ist mit dem Aussenrand der Membran verbunden, wobei der zweite Gehäusekörper (4) zusammen mit der Membran (2) eine Druckmesskammer (26) bildet. Der zweite Gehäusekörper (4) hat einen Stutzen (5) zur Verbindung der Druckmesszelle mit einem zu messenden Medium. Der erste Gehäusekörper (1), der zweite Gehäusekörper (4) und die Membran (2) sind am Aussenrand der Membran dicht miteinander verbunden, und in einem zentralen Bereich des ersten Gehäusekörpers (1) ist ein Loch (7) ausgebildet, das durch den ersten Gehäusekörper und mindestens bis in den zentralen Bereich der Membran reicht; und dem Loch gegenüberliegend ist eine Oberfläche der Membran als erste optisch reflektierende Fläche (10) ausgebildet. Eine Lichtleitfaser (15) ist im Loch (7) angeordnet und dicht befestigt, um Licht auf die Oberfläche der Membran zu führen. Das Ende der Faser (16) reicht mindestens bis zur Oberfläche des ersten Gehäusekörpers (1) und ist als zweite optische reflektierende Fläche ausgebildet, die die erste optisch reflektierende Fläche auf der Membran (2) so verbindet, dass zwischen dem Faserende (16) und der Reflexionsfläche ein optischer Hohlraum (30) gebildet wird, der einen Messabschnitt zur Bestimmung des Ausmasses der Verformung der Membran (2) bildet und der Teil eines Fabry-Perot-Interferometers ist.

Description

Optischer interf erometrischer Drucksensor
Die Erfindung betrifft eine optische Membrandruckmesszelle gemäss den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Membrandruckmesszelle gemäss den Merkmalen des Patentanspruches 18.
Es ist bekannt, Drücke bzw. Druckdifferenzen dadurch zu messen, indem eine dünne Membran druckbeaufschlagt wird und ihre Durchbiegung gemessen wird. Eine bekannte und geeignete Methode, die Durchbiegung solcher Membranen zu messen, besteht darin, dass die Membrananordnung als variable elektrische Kapazität ausgebildet wird, wobei über eine Messelektronik in bekannter Weise die Kapazitätsänderung ausgewertet wird, welche mit der Druckänderung korreliert. Die Kapazität wird ausgebildet, indem die dünne, biegsame Membranfläche in geringem Abstand gegenüber einer weiteren Fläche angeordnet ist und beide einander gegenüberliegenden Oberflächen mit einem elektrisch leitenden Belag beschichtet oder aus elektrisch leitfähigem Material sind. Bei Druckbeaufschlagung der Membran verändert sich durch die Durchbiegung der Abstand zwischen den beiden Elektroden, was zu einer auswertbaren Kapazitätsänderung der Anordnung führt. Sensoren dieser Art werden in grossen Stückzahlen aus Silizium hergestellt. Sowohl der flächige Grundkörper wie auch die Membran bestehen hierbei oft vollständig aus Silizium - Material. Es gibt auch Ausführungen mit kombinierter Materialzusammensetzung z. B. Silizium zusammen mit einem Glassubstrat. Derartige Sensoren lassen sich sehr kostengünstig herstellen. Für Vakuumanwendungen sind Drucksensoren dieser Art in der Regel nur für höhere Druckbereiche im Bereich von ca. 10'1 mbar bis einige bar einsetzbar. Hohe Auflösung bei tieferen Drücken ab etwa 10"^ mbar ist mit dem Werkstoff Silizium nicht mehr realisierbar. Unter anderem rührt dies daher, dass das Silizium an der Oberfläche mit der Umgebung reagiert und so die empfindliche Sensorcharakteristik gestört wird. Bereits Wasserdampf, der in normaler atmosphärischer Luft enthalten ist, führt zu entsprechenden Reaktionen an den Oberflächen. Das Problem wird zusätzlich verschärft, wenn der Sensor in chemisch aggressiven Atmosphären und insbesondere bei höheren Temperaturen, wie bei mehreren hundert Grad Celsius eingesetzt wird. Es wurde deshalb versucht, solche Silizium-Sensoren durch Passivieren der Oberflächen gegenüber aggressiven Ausseneinflüssen zu schützen. Es wurde auch versucht, die Oberfläche mit Schutzüberzügen zu versehen, damit die Haltbarkeit und Resistenz gegenüber der chemisch aggressiven Umgebung erhöht wird, wie dies in US Pat. 5,318,928 beschrieben ist. Solche Massnahmen sind kostenaufwendig und führen bei mechanisch deformierbaren Teilen, wie Membranen, nur bedingt zum Erfolg, insbesondere bei besonders aggressiven Medien, wie Fluor, Bromsäure und deren Verbindungen, wie sie bei Vakuumätzverfahren eingesetzt werden.
Es wurde deshalb versucht, Druckmesszellen für Vakuumanwendungen vollständig aus korrosionsfesten Materialien wie AI2O3 herzustellen. Eine bekannte Anordnung dieser Art wurde veröffentlicht in USP 6,591 ,687, welche in ihrer Gesamtheit integrierender Bestandteil dieser Erfindung ist.
Diese kapazitive Vakuummesszelle (CDG: Capacitive Diaphragm Gauge) ist vollständig aus einer Keramik, wie insbesondere AI2O3, hergestellt. Dadurch werden sehr hohe Korrosionsbeständigkeit und langlebige Reproduzierbarkeit erreicht. Nur in Bereichen, wo gedichtet werden muss oder wo Durchführungen vorgesehen sind, werden in geringen Mengen andere Materialien als AI2O3 vorgesehen, sofern nicht das AI2O3 ohne Fremdmaterialzugabe verschweisst wird. Die Zelle besteht aus einem ersten plattenförmigen Gehäusekörper, über welchem eine Membran im Randbereich dichtend angeordnet ist, sodass diese einen Referenzvakuumraum einschliesst. Auf der dem Referenzvakuumraum abgewandten Seite ist ein zweiter Gehäusekörper ebenfalls im Randbereich dichtend schliessend beabstandet angeordnet, sodass dort ein Messvakuumraum ausgebildet wird. Dieser Messvakuumraum ist mit einem Anschluss für die Zuleitung des zu messenden Mediums versehen. Die Oberflächen des ersten Gehäusekörpers und der Membrane, welche den Referenzvakuumraum ausbilden, sind elektrisch leitend beschichtet, beispielsweise mit Gold, und bilden die Elektroden der Kapazitätsmesszelle. Die Elektroden wiederum sind herausgeführt, beispielsweise durch den ersten Gehäusekörper oder durch den Abdichtungsbereich in der Randzone. Die im Wesentlichen parallel angeordneten Elektrodenflächen weisen einen Abstand im Bereich von 2 μm bis 50 μm auf. Die Abdichtung der Membran im Randbereich gegenüber den beiden Gehäusen erfolgt vorzugsweise durch Verschweissung, beispielsweise durch Laserschweissen. Sehr geeignet und einfach in der Anwendung ist aber auch ein Glaslot, welches ebenfalls korrosionsbeständig ist. Eine weitere Möglichkeit der dichtenden Verbindung besteht auch darin, Gehäuseteile diffusiv zu verbinden, beispielsweise im Grünkörperstadium, wenn es darum geht, Al2θ3-fremdes Material vollständig zu vermeiden.
Die Anordnung der Messzelle ermöglicht im Wesentlichen einen symmetrischen, vorzugsweise scheibenförmigen, Aufbau der jegliche Verspannungen im Gehäuse vermeidet. Dies ist besonders wichtig, um eine hohe Messempfindlichkeit zu erreichen und tiefe Messdrücke bei hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu realisieren. Dadurch wird ausserdem ermöglicht, eine sehr dünne Membran aus Keramik zu verwenden, welche zwingend ist, wenn die Messzelle zuverlässig tiefere Vakuumdrücke als 100 mbar, und vor allem tiefer als 10 mbar, mit kapazitiven vollkeramischen Messzellen erfassen soll. Hierzu sind Membrandicken von 10 μm bis 250 μm notwendig, wobei Membrandicken von 10 μm bis 120 μm bevorzugt werden, um eine sehr gute Auflösung zu erreichen. Typische Membrandickenbereiche sind beispielsweise:
bei 1000 Torr: Membrandicke: 760 μm + 10 μm
• bei 100 Torr: Membrandicke: 345 μm ± 10 μm bei 10 Torr: Membrandicke: 150 μm ± 10 μm bei 1 Torr: Membrandicke: 100 μm ± 10 μm bei 0,1 Torr: Membrandicke: 60 μm ± 10 μm bei 0,01 Torr: Membrandicke: 40 μm ± 10 μm Ein weiteres erwünschtes technisches Gebiet ist die Anwendung eines Sensors für die Messung hoher Drücke, beispielsweise bis zu 1000 bar und bei hohen Temperaturen von mehreren 100 0C, für ätzende Flüssigkeiten wie bei Flüssigkeits- und Gasanwendungen. Ein Beispiel derartiger Flüssigkeits- und Gasanwendungen sind korrosionsbeständige Druck- und Vakuumsensoren bei Ölquellen- oder Bohranwendungen. Bei Hochdruckanwendungen kann die Membrandicke auch mehr als 760 μm betragen, z. B. bis zu mehreren Millimetern. Die bekannten Vakuummesszellen mit kapazitiver Membran arbeiten mit Temperaturen von maximal 200 0C.
Ein weiterer Ansatz zum Auslesen einer derartigen Membranmesszelle ist die Verwendung einer optischen Auslesetechnologie zum Messen der Membranbiegung anstelle des kapazitiven Prinzips entsprechend der Beschreibung in US Pat. 7,305,888 B2 für Wälchli et al., welche in ihrer Gesamtheit integrierender Bestandteil dieser Erfindung ist. Das Konzept der optischen Membranmesszelle (ODG, Optical Diaphragm Gauge) beseitigt einige Nachteile des CDG-Konzepts. Die druckabhängige Auslenkung der Membrane wird hierbei im Sensor mithilfe eines optischen Systems gemessen, wobei das gemessene Signal mit einer optischen Faser zur optischen Signalaufbereitungseinheit transportiert wird, welche in der Folge das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses optische Signal kann über grosse Distanzen (sogar Kilometer) transportiert werden ohne wesentliche Abschwächung und ohne Verfälschungen verursacht durch umgebende Störungen, wie hauptsächlich elektromagnetische Störungen, Vibrationen und Änderungen der Umgebungstemperatur.
Eine derartige Vakuummesszelle hat einen ersten Gehäusekörper und eine Membran, jeweils aus AI2O3-Keramik oder Saphir. Die Membran ist planar via ihrem Aussenrand vakuumdicht, über eine erste Dichtung mit dem ersten Gehäusekörper verbunden, um eine Referenzvakuumkammer zu bilden. Ein zweiter Gehäusekörper, bestehend aus A^Oa-Keramik oder Saphir und gegenüber der Membran angeordnet, ist mit dieser ebenfalls via Aussenrand und vakuumdicht, über eine zweite Dichtung verbunden und bildet zusammen mit der Membran eine Messvakuumkammer. Ein Stutzen verbindet die Vakuummesszelle mit einem zu messenden Medium. Mindestens im zentralen Bereich des ersten Gehäusekörpers ist ein transparentes optisches Fenster ausgebildet, und mindestens der zentrale Abschnitt der Membran hat eine reflektierende optische Oberfläche. Ausserhalb der Referenzvakuumkammer ist gegenüber dem Fenster und davon beabstandet eine optische Faser angeordnet, um Licht auf die Membranoberfläche zu- und von ihr abzuführen. Ein Druckunterschied zwischen den beiden unterschiedlichen Seiten der elastischen Membran verursacht die Biegung der Membran, wodurch sich die Länge des optischen Hohlraums entsprechend ändert. Licht wird durch das Saphirgehäuse bzw. durch das Fenster auf die semireflektierende Membranoberfläche fokussiert, von wo es nach Durchlaufen von mehreren Reflexionen zwischen den beiden Spiegeln und somit beaufschlagt mit damit verbundenen Interferenzphänomenen, gesammelt und unter Verwendung von einem aus mehreren verfügbaren Verfahren analysiert wird (z. B. Fizeau Interferometer (FISO Inc.), Weisslichtpolarisations-Interferometer (OPSENS Inc.), Michelson Interferometer, Spektrometer, ...), wobei die Länge des optischen Hohlraums und damit die Druckdifferenz über der Membran ermittelt wird. Die Zellanordnung ist somit Teil einer Fabry-Perot-Interferometer- Erkennungs- oder -Analyseanordnung. Die Dicke der Membran zusammen mit ihrem freien Durchmesser und der erwünschten maximalen Biegung definieren den benutzbaren Druckbereich. Der Membrandurchmesser kann beispielsweise 11 mm sein, und ihre Dicke kann 300 μm betragen. Bevorzugte Bereiche für den Membrandurchmesser liegen bei 5,0 mm bis 80 mm, vorzugsweise bei 5,0 mm bis 40 mm, und die Membrandicke ist im Bereich von 10 μm bis 10 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 10 μm bis 100 μm, insbesondere für Vakuumanwendungen, und vorzugsweise in einem Bereich von 600 μm bis 9 mm für Hochdruckanwendungen.
Die vorstehend beschriebene Sensorzelle hat ein einkristallines Saphirfenster oder einen einkristallinen Saphirkörper mit einer Saphirmembran, um das externe optische Auslesen z. B. mittels einer Kugellinse zu ermöglichen. Eine optische Faser kann anschliessend verwendet werden, um das Signal vom Standort zu einer Ausleseeinheit zu übertragen. Ein Nachteil der Verwendung von reinem Saphir in der Sensorzelle ist sein Preis - bearbeiteter einkristalliner Saphir ist sehr kostspielig. Zweitens führt die Kombination aus Saphir und Keramik-Al2θ3 eine geringe Unstimmigkeit des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE: Coefficient of Thermal Expansion) ein, was beispielsweise Probleme beim Temperaturdriftverhalten verursachen kann. Zur Reduzierung dieses Effekts ist eine korrekte Kristallausrichtung erforderlich, also ein kostspieliger und zeitaufwändiger Prozess. Falls drittens ein mit einem Keramikkörper verbundenes Kristallfenster verwendet wird, erhöhen sich die mechanischen Toleranzanforderungen für den Parallelismus des optischen Hohlraums.
Bei Implementierungen nach dem bisherigen Stand der Technik werden externe Optikeinrichtungen wie z. B. Kugellinsen verwendet, um das Licht auf die Membran zu fokussieren. Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungs- koeffizienten der eingesetzten Materialien besteht die Möglichkeit der Verschiebung des Messpunkts auf der Membran oder der Verkippung des Lichtstrahls. Demzufolge kann das System ein instabiles Verhalten zeigen. Zusätzlich ist eine grosse Anzahl von Komponenten erforderlich, wodurch die Herstellung einer derartigen Sensorzelle kostspielig wird. Eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend erwähnten Nachteile der interferometrischen Membran-Druckmesszelle nach dem bisherigen Stand der Technik zu vermeiden.
Eine Zielsetzung der Erfindung ist die Bereitstellung einer Lichtleitfaser-Membran- Druckmesszelle mit hoher Genauigkeit und hoher Stabilität, die zuverlässig ist und die sich wirtschaftlich herstellen lässt.
Der erfindungsgemässe Sensor, der hohe Drücke bei hohen Temperaturen messen kann, basiert auf der in US Pat. 7,305,888 B2 für Wälchli et al. beschriebenen Struktur der optischen Membran-Messzelle. Bei der vorliegenden Erfindung ist der optische Membran-Messzellensensor (ODG-Sensor: Optical Diaphragme Gauge-Sensor) zur Druckmessung überwiegend aus Keramikmaterialien hergestellt, und eine Lichtleitfaser ist direkt mit dem ersten Gehäusekörper verbunden. Die Verbindung der Faser mit den Keramikmaterialien, die Keramik-Keramik-Verbindungen und die Ausbildung eines geeigneten Fabry-Perot-Hohlraums erfolgen über spezielle vakuumdichte Klebeprozesse. Bei der sich ergebenden Messzelle wird die Bewegung einer den Druck angebenden Membran durch Weisslicht- bzw. Kurzkohärenz-Interferometrie (VVLI: White Light Interferometry) gemessen.
Die Druckmesszelle weist Folgendes auf: einen ersten aus Keramikmaterial hergestellten Gehäusekörper; eine aus Keramikmaterial hergestellte und in der Nähe des ersten Gehäusekörpers angeordnete Membran, wobei die Membran im Wesentlichen planar ist und einen äusseren Rand hat, wobei der äussere Rand der Membran durch ein erstes Dichtungsmittel, vorzugsweise vakuumdicht, so mit dem ersten Gehäusekörper verbunden ist, dass zwischen dem ersten Gehäusekörper und der Membran eine Referenzdruckkammer erzeugt wird, wobei die Membran erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen hat, wobei die erste Oberfläche der Membran zum ersten Gehäusekörper zeigt und wobei der erste Gehäusekörper eine Oberfläche hat, die zur Membran zeigt; einen zweiten aus Keramikmaterial hergestellten und gegenüber der Membran angeordneten Gehäusekörper, wobei der zweite Gehäusekörper durch ein zweites Dichtungsmittel, vorzugsweise vakuumdicht, mit dem Aussenrand der Membran verbunden ist, wobei der zweite Gehäusekörper zusammen mit der Membran eine Druckmesskammer bildet, wobei der zweite Gehäusekörper einen Stutzen zur Verbindung der Druckmesszelle mit einem zu messenden Medium aufweist; wobei der erste Gehäusekörper, der zweite Gehäusekörper und die
Membran am Aussenrand der Membran dicht miteinander verbunden sind und mindestens im zentralen Bereich des ersten Gehäusekörpers ein Loch ausgebildet ist, das durch den ersten Gehäusekörper reicht, und wobei mindestens im zentralen Abschnitt der Membran und dem Loch gegenüberliegend die Oberfläche der Membran als erste optisch reflektierende Fläche ausgebildet ist; und wobei in dem Loch des ersten Gehäusekörpers eine Lichtleitfaser angeordnet ist, die mit Faserdichtmitteln dicht im Loch befestigt ist, um Licht auf die Membranoberfläche und davon wegzuleiten, wobei das Ende der Faser vorzugsweise mindestens die Oberfläche des ersten Gehäusekörpers erreicht und dieses Faserende als zweite optisch reflektierende Fläche für die optische
Verbindung mit der Oberfläche der Membran ausgebildet ist, sodass die Anordnung zwischen dem Faserende und der Reflexionsfläche der Membran einen optischen Hohlraum ausbildet, der einen Messabschnitt zur Bestimmung der
Verformung der Membran bildet und der Teil einer Fabry-Perot-Interferometer-
Erkennungseinrichtung ist.
Es ist auch möglich, am ersten Gehäusekörper mehr als eine Lichtleitfaser anzuordnen, um von der Membran reflektierte optische Signale auszulesen.
Eine Hochtemperatur-Lichtleitfaser, hergestellt z. B. aus Quarzglas oder Saphir und mit einer Schutzschicht wie z. B. Gold oder Kupfer beschichtet, wird mittels Glaslot oder Keramikklebemittel mit einer Hülse (vorzugsweise aus AI2O3) oder direkt mit einem Loch im Keramikkörper der Sensorzelle so verbunden, dass das Faserende durch die Struktur reicht. Falls eine Hülse verwendet wird, wird diese nach dem Faseranschluss auf ähnliche Weise mit einem Loch im Keramikkörper verbunden. Nach dem Härten des Keramikklebemittels bzw. der Glaslotverbindung wird das Faserende geschliffen und/oder poliert, um den anderen teilreflektierenden Spiegel des zu messenden optischen Hohlraums zu bilden. Dieses polierte Faserende kann ohne optische Beschichtung vorliegen oder beschichtet sein, vorzugsweise mit einer einzelnen Schicht eines dielektrischen Materials wie z. B. Ta2Os, um das optische Reflexionsvermögen zu verbessern.
Das benötigte Loch im Keramikmaterial kann über mechanisches Bohren, Laser- Bohren oder Ultraschall-Bohren gebildet werden, oder es kann während der Gussphase des Keramikkörpers gebildet werden.
Eine direkt gekoppelte Anordnung ist im Vergleich zu einer Anordnung mit externer Optik mechanisch sehr stabil und unterliegt im Vergleich zur externen Optik geringeren temperaturabhängigen Verformungsverzerrungen. Eine Verringerung der gesamten Teileanzahl führt zu einer Kostenreduktion. Die ODG- Herstellungskosten werden mit denjenigen für ein CDG vergleichbar, und die Leistung ist bezüglich Linearität, Wiederholbarkeit und relativer Auflösung besser.
Eine grosse numerische Öffnung resultierend aus den physikalischen Fasereigenschaften verringert die Anforderungen betreffend der Parallelität der teilreflektierenden bzw. reflektierenden Spiegelflächen des optischen Hohlraums (Kavität), ohne mehr Raum für externe Optik zu beanspruchen, wobei aber gleichzeitig der grösste messbare Abstand ca. 100-200 μm bei einem praktischen Minimalwert von ca. 5 μm wegen der Analyseeinschränkungen des WLI- Verfahrens beträgt. Bei Temperaturen über ca. 350 0C beginnt das Glaslot zu erweichen, und, falls der Sensor mit einer nicht symmetrischen Kraft beaufschlagt wird, kann die Membranenposition beginnen, sich zu ändern. Diese Problem wird gelöst durch eine Lösung, bei der das Glaslot durch ein Klebemittel ersetzt wird, das Temperaturen bis 600 0C oder sogar 1000 0C und mehr widersteht, ohne seine mechanische Stabilität zu verlieren, und zwar vorzugsweise durch ein Keramikklebemittel mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), der mit dem CTE des Keramik-AI2O3-Körpers identisch ist. Um die notwendige Vakuumdichtheit zu erreichen, können die Verbindungen vorzugsweise zusätzlich mit standardmässigem Hochtemperatur-Glaslot längs der äusseren Seitenwände der Sensorzelle und vorzugsweise auch ausserhalb des Keramikkörpers an den Dichtmitteln der Faser entlang abgedichtet werden.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Bildung eines Spiegels auf der
Oberfläche der Keramikmembran durch ein geeignetes Siebdruckverfahren mit
Bearbeitung. Dies ermöglicht die Verwendung kostengünstiger und bekannter Aluminiumoxidkomponenten anstelle von beispielsweise Saphir. Die Anbringung eines zusätzlichen Spiegels auf der Membran mittels Klebern ist beschwerlich, und beispielsweise können Epoxide keine Temperaturen bis zu 600 0C aushalten. Um eine Glasur als Spiegel verwenden zu können, darf seine endgültige Oberflächenrauheit 50 nm nicht überschreiten. Die Keramiksubstrate sind zu grob und körnig, um leicht und ohne Nachbehandlung ein spiegelähnliches Finish auf der Oberfläche zu erzielen. In Abhängigkeit von den verwendeten Materialien und Herstellungsverfahren kann die durchschnittliche Oberflächenrauheit des Substrats über einer Fläche von 25 μm x 25 μm von 40 nm bis 300 nm betragen. Durch den Siebdruck einer kleinen Fläche Glaslot (Durchmesser z. B. 1-3 mm) in der Mitte der Membran lässt sich eine glatte optische Oberfläche herstellen. Das Glaslot wird zunächst gesintert und dann bei etwa 750-800 0C gebrannt. In flüssiger Form verfliesst das Glaslot, um automatisch einen erweiterten Punkt mit einer ebenen Oberfläche zu bilden und das erneute Abkühlen zur Bildung eines festen Spiegels ändert die Oberfläche nur wenig. Die sich ergebende Spiegeldicke ist vorzugsweise zwischen 1-6 μm. Rasterkraftmikroskopiemessungen (AFM: Atomic Force Microscopy) zeigen, dass die Spiegeloberfläche tatsächlich glatt ist und eine durchschnittliche Rauheit von 5-10 nm aufweist. Falls die weitere Verbesserung der Qualität der Spiegeloberfläche erwünscht ist, lässt sich diese glasierte Platte jetzt auch leicht polieren. Eine optische Beschichtung zur Verbesserung des Reflexionsvermögens kann aufgetragen werden, ist aber nicht unabdingbar. Die Verwendung von PVD- (Physical Vapor Deposition) oder CVD- (Chemical Vapor Deposition) Verfahren zur Beschichtung der Spiegel ist kostspielig, und eine durch Verdampfung oder vergleichbare Verfahren direkt auf der Membran aufgetragene Beschichtung ergibt wegen der rauen Oberflächenstruktur des Substrats bei Keramik keinen guten Spiegel.
Das Vorliegen einer nicht glatten Substratoberfläche unter dem jetzt ausgebildeten glatten Spiegel hat auch einen positiven Effekt. Wegen der Viskosität der Glasur bei der Bildung des Spiegels ist es schwierig, einen Spiegel sehr dünn herzustellen. Der Brechungsindex der Glasur ist ca. 1,7, was bedeutet, dass z. B. ein 6 μm dicker Spiegel zusätzlich zu dem interessierenden optischen Abstand einen weiteren optischen Abstand erzeugt, welcher bei einem glatten Substrat eine deutliche Störung im berechneten Weisslicht-Interferogramm erzeugt. Falls ein „körniges" Substrat vorliegt, d. h. eine optisch diffuse Oberfläche unter dem Spiegel, wird dieser Effekt minimiert.
Falls das Substrat jedoch so nicht diffusiv wie möglich (d. h. glatt) hergestellt wird und der Spiegel eine geeignete Dicke hat, sodass das durch die Glasurspiegelschicht erzeugte Interferenzsignal nicht das durch den Druckmess- Hohlraum erzeugte Interferogramm beeinträchtigt, kann die Temperatur der Sensorzelle durch die Messung der Spiegeldicke gemessen werden (mittels Reaktion nicht auf Druck, sondern nur auf Temperatur). Gleichzeitig wird die den Druck angebende Abstandsänderung des optischen Hohlraums gemessen. Bei einem Spiegel mit 17 μm Dicke und einer Auflösung der Abstandsmessung von 0,1 nm erhält man als Temperaturauflösung beispielsweise ca. 0,4 0C. Ein derartiger Sensor könnte als alleiniger Temperatursensor optimiert werden. Die Herstellung eines Spiegels aus Glaslot ergibt eine Reflexion an der Oberfläche von nur etwa 7 % (ungefähr gleich wie bei der Faser). In schnellen Anwendungen, wobei in einem kurzen Zeitabschnitt (einige Millisekunden) nicht viel Weisslicht verfügbar ist, kann die Oberfläche des Spiegels optisch beschichtet werden (vorzugsweise mit einer einzelnen Schicht dielektrischen Materials wie z. B. TaaOs), um die Reflexion zu verstärken. Die Kombination der vorstehend aufgeführten Punkte ermöglicht die Herstellung eines optischen Membranmesszellen-(ODG)-Sensors aus Keramik mittels bereits bekannter Herstellungsverfahren bei einer Senkung der Material- und Herstellungskosten und einer wesentlichen Reduzierung der mechanischen Toleranzanforderungen. Obwohl dies nicht die bevorzugte Lösung ist, funktionieren die Faseranbringung und die Glaslotverfahren auch mit aus Saphirkomponenten hergestellten Sensoren.
Die verschiedenen neuartigen Merkmale, die die Erfindung kennzeichnen, sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt, die Bestandteil dieser Offenbarung sind. Zum besseren Verständnis der Erfindung, ihrer betrieblichen Vorteile und spezifischer, durch deren Einsatz erzielter Objekte wird auf die beigefügten Zeichnungen und Beschreibungen Bezug genommen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung detaillierter anhand von Beispielen und schematisch in Zusammenhang mit den Figuren erläutert. Die Figuren geben Folgendes wieder:
Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt einer erfindungsgemässen optischen Membranmesszelle mit einer vollständig in einem Loch des ersten Gehäusekörpers der Zelle angebrachten Faser. Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt einer optischen Membranmesszelle gemäss Fig. 1 , wobei eine Schutzdichtung die Dichtstellen am Aussenrand der Membran und die Dichtstellen der Faser bedeckt.
Die bevorzugte erfindungsgemässe Anordnung einer aus AI2O3 hergestellten ODG-Messzelle (optische Membranmesszelle) mit einer im Wesentlichen symmetrischen Struktur um die Membran 2 ist durch den in Fig. 1 wiedergegebenen Querschnitt dargestellt. Der erste Gehäusekörper 1 besteht aus einer aus AI2O3 hergestellten Keramikplatte, die entlang ihrer Ränder dicht und in einem Abstand von 5 μm bis 80 μm relativ zur Keramikmembran 2 dichtend verbunden ist und die eine Referenzdruckkammer 25 umschliesst, die vorzugsweise eine Vakuumkammer ist. Der Abstand zwischen den beiden Flächen wird normalerweise direkt während des Zusammensetzens mittels des Dichtmaterials 3, 3' als Dichtungsmittel, vorzugsweise vakuumdicht, eingestellt, das zwischen dem Membranrand und dem Gehäuse angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine vollständig plane Gehäuseplatte 1 verwendet werden. Auf die gleiche Art wird mittels einem zweiten Gehäusekörper 4 auf der gegenüberliegenden Membranseite eine Messdruckkammer 26 ausgebildet. Diese Druckkammer ist über einen Anschluss-Stutzen 5 durch eine Öffnung im zweiten Gehäusekörper 4 für die zu messenden Medien zugänglich. Die Zellanordnung ist besonders geeignet zum Messen von Gasmedien mit hohem Druck und insbesondere auch für Vakuum.
Die Dichtungsmittel 3, 3' an beiden Seiten der Membran 2 definiert entsprechend der vorstehenden Beschreibung den Abstand der beiden Gehäusekörper 1 und 4. Diese Dichtung ist beispielsweise und bevorzugt ein Glaslot, welches einfach handhabbar ist und beispielsweise durch Siebdruck aufgebracht werden kann. Die Schmelz- oder Sintertemperatur dieses Glaslotes liegt vorzugsweise im Bereich von 630 0C bis 800 0C, und die Einsatztemperatur ist vorzugsweise im Bereich von 150 0C bis 630 0C.
In einer typischen Messzelle mit einem Aussendurchmesser von 38 (bevorzugter Bereich 5-80, besonders bevorzugt 5-40) mm und einem freien Membran- Innendurchmesser von 30 (bevorzugter Bereich 4-75) mm beträgt der Abstand 30 der Membran 2 zum ersten Gehäusekörper 1 etwa 5 μm bis 200 μm, vorzugsweise 5 μm bis 80 μm, und besonders bevorzugt wird ein Bereich von 10 μm bis 25 μm. Bei diesem bevorzugten Beispiel hat der erste Gehäusekörper 1 eine Dicke von 2 mm bis 10 mm; der zweite Gehäusekörper 4 ist beispielsweise im gleichen Dickebereich. Der erste Gehäusekörper 1 und der zweite Gehäusekörper 4 müssen aus Materialien mit ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie dem des verwendeten Membranmaterials hergestellt sein. Sehr geeignete Kombinationen bestehen aus hoch reiner Aluminiumoxidkeramik (Reinheit > 96 %, vorzugsweise > 99,5 %), Sapphal-Keramik (Aluminiumoxid mit einer Reinheit über 99,9 %) und Saphir (einkristallines hoch reines Aluminiumoxid, synthetisches Korund).
Vorzugsweise wird der zweite Gehäusekörper 4 im Innenbereich, wie in Fig. 1 dargestellt, mit einer beispielsweise ca. 0,5 mm tiefen Ausnehmung versehen, um die Messdruckkammer 26 zu vergrössern. Auf der Referenzdruckseite der Oberfläche der Membran 2 ist eine erste optisch reflektierende Fläche ausgebildet, und zwar vorzugsweise mindestens im zentralen Bereich der Membran 2. Diese Fläche kann als Beschichtung mit einem reflektierenden Film ausgebildet sein, der eine Spiegelschicht 10 bildet. Es gibt zwei Möglichkeiten für die Beschichtung der Membrane und des Fensters oder des ersten Gehäuses, um ein Fabry-Perot Interferometer zu bilden. Die grundlegenden Ideen der Beschichtungen, die im Fabry-Perot benutzt werden können, wurden gut beschrieben in der Literatur (siehe Vaughan JM, The Fabry- Perot Interferometer, Adam Hilger Bristol and Philadelphia, 2002). In Figur 9 dieser Referenz werden beide grundsätzlichen Möglichkeiten schematisch dargestellt. Entweder wird ein im Wesentlichen metallisches oder ein dielektrisches System gewählt. Die metallischen Beschichtungen können durch dielektrische Schichten für die einfachere Weiterverarbeitung geschützt werden. Ein metallischer Spiegel ist vorzugsweise als vollreflektierender Film ausgeführt. Dieser Film 10 kann beispielsweise aufgemalt, aufgedruckt, aufgesprüht oder mit einem Vakuumverfahren aufgebracht werden. Vorzugsweise besteht dieser Film hauptsächlich aus Gold und wird aufgetragen durch Aufdrucken, und seine Dicke liegt in einem Bereich von 0,1 μm 1 ,0 μm.
Statt einer Beschichtung ist es vorzuziehen, auf dieser Fläche einen Glaslotpunkt anzuordnen und ihn bei hoher Temperatur, beispielsweise in einem Bereich von 700 0C bis 800 0C, aufzubrennen, um eine glasierte Fläche als reflektierende Fläche 10 zu erzeugen, die den erwünschten Spiegel bildet. Dieses Konzept der Bildung eines Spiegels durch einen Glaspunkt ist besonders vorteilhaft, da der Spiegel einfach zu erzeugen ist und hohen Temperaturen widersteht, ohne dass eine Verschlechterung der hohen notwendigen Reflexionsqualität welche die derart ausgebildete Spiegelfläche aufweist , resultiert.
Besonders bei Verwendung des Konzepts der Messzellenanordnung als Vakuummesszelle ist es vorteilhaft, eine Getter-Kammer 13 hinzuzufügen, die mit der Referenzvakuumkammer 25 kommunizierend verbunden ist, um eine gute Vakuumqualität über eine lange Einsatzdauer der Messzelle sicherzustellen. Eine Abpumpleitung 14 führt durch den ersten Gehäusekörper 1 und verbindet die Referenzvakuumkammer 25 mit der Getter-Kammer 13, in der ein in Fig. 1 nicht dargestelltes Getterelement angeordnet ist. Die Getter-Kammer 13 ist geschlossen, beispielsweise mit einer Abdeckung 8 welche mittels einem Dichtmaterial 9', vorzugsweise vakuumdicht, wie beispielsweise mit aufgebranntem Glaslot verschlossen wird. Die Kammer kann auch abdichtbar mit Dichtmitteln 9, vorzugsweise vakuumdicht, wie beispielsweise mit aufgebranntem Glaslot am ersten Gehäusekörper 1 befestigt sein.
Eine Lichtleitfaser 15 ist mindestens im zentralen Bereich des ersten Gehäusekörpers 1 angeordnet und passiert den Gehäusekörper 1 , sodass das Ende der Faser die Referenzdruckkammer 25 erreicht. Zu diesem Zweck ist eine Befestigungsbohrung 7 im Gehäusekörper ausgebildet, die durch den ersten Gehäusekörper 1 führt, gegenüber der Membrane 2 wo mindestens im zentralen Bereich die Oberfläche 10 dieser Membran 2 als erste optisch reflektierende Fläche 10 ausgebildet ist. Die Lichtleitfaser 15 ist in der Bohrung 7 des ersten Gehäusekörpers 1 angeordnet und mit Faserdichtmitteln 6 dicht in der Bohrung 7 befestigt. Die Faser 15 führt Licht auf die Oberfläche 10 der Membran 2 und davon weg, wobei das Ende der Faser 15 mindestens die Oberfläche des ersten Gehäusekörpers 1 erreicht und das Faserende 16 als zweite optisch reflektierende Fläche 16 für die optische Verbindung mit der Oberfläche 10 der Membran 2 ausgebildet ist, sodass in der Anordnung zwischen dem Faserende 16 und der Reflexionsfläche 10 der Membran 2 ein optischer Hohlraum 30 (Kavität) vorliegt, der einen Messbereich zur Bestimmung des Umfangs der Verformung der Membran 2 bildet und der Teil einer Fabry-Perot-Interferometer- Auswerteanordnung ist.
Zur Anbringung der Faser 15 in der Bohrung ist es vorteilhaft, wenn sich ihr Ende bis in die Referenzdruckkammer 25 erstrecken kann, vorzugsweise in einem
Abstand von einigen Zehntelmillimetern von der Innenfläche des ersten
Gehäusekörpers 1. Dieser Abstand muss gross genug sein, sodass es möglich ist, das Faserende hinunter zu schleifen und/oder zu polieren, sodass eine gerade flache Oberfläche über dem gesamten Durchmesser der Faser 15 erzielt werden kann, welche die zweite optisch reflektierende Fläche 16 bildet. Diese Fläche fungiert als halbtransparenter Spiegel. Vorzugsweise wird die Faser 15 auf das gleiche Niveau der Innenfläche des ersten Gehäusekörpers 1 hinunter poliert. Der
Abstand zwischen der zweiten reflektierenden Fläche 16 des Faserendes 15 und der ersten reflektierenden Fläche auf der Membran ist im Bereich von 5 μm bis 200 μm, vorzugsweise von 5 μm bis 80 μm einschliesslich des Hohlraums 30.
Diese Anordnung ermöglicht die Kopplung des Fabry-Perot-Interferometers an die reflektierende Fläche der beweglichen Membran, um die Verformung der Membran 2 in Abhängigkeit vom zu messenden Druck messen zu können. Das eingehende Licht wird durch mindestens eine Lichtleitfaser 15 mit der Messzelle gekoppelt, und das sich ergebende reflektierte optische Signal wird von mindestens einer Faser 15 erfasst. Es ist auch möglich, die Endfläche 16 der Faser 15 im Innern der Referenzdruckkammer 25 mit einem teilweise transparenten Film, vorzugsweise mit halbtransparentem Film, zu beschichten. Diese Beschichtung muss der Ausbacktemperatur von einigen 100 °C widerstehen können, wenn die Messzelle montiert und zusammengebacken wird, wie dies zuvor für die Montageprozedur beschrieben worden ist.
Es ist auch möglich, Saphir als ersten Gehäusekörper 1 zu verwenden. Dieses Material ist jedoch teurer als Al2O3-Keramik.
Bei der Anbringung der Faser 15 in einer Befestigungsbohrung 7 des ersten Gehäusekörpers 1 ist die Position der Faser 15 bereits in Bezug auf die erste reflektierende Fläche 10 auf der Membran 2 vorbestimmt. Es ist wichtig, dass die ebene Endfläche 16 der Faser 15 mit hoher Präzision parallel zur ersten reflektierenden Fläche 10 auf der Membran ausgerichtet ist. Der Kippwinkel der Abweichung von der Parallelität darf 1 ,0 mrad nicht überschreiten.
Als Dichtungsmittel 3, 3' 6, vorzugsweise vakuumdicht, für die Montage der Membran 2 und der Gehäusekörper 1 , 4 und für die Montage der Faser 15 ist unterschiedliches Glaslot sehr geeignet. In Abhängigkeit von der
Anwendungstemperatur, bei der die Messzelle betrieben werden soll, können unterschiedliche Typen gewählt werden. Ein bevorzugter Betriebsbereich der Zelle ist oberhalb von 150 °C und bis zu 350 0C. Ein weiterer bevorzugter Bereich ist von 150 0C bis 600 0C.
Ein weiteres sehr geeignetes Dichtungsmittel anstelle von Glaslot liegt bei Verwendung von Keramikklebemittel vor, das Temperaturen von mindestens bis zu 650 °C oder vorzugsweise von mindestens bis zu 600 0C widersteht. Derartige Keramikklebemittel werden beispielsweise von Aremco Products, Inc., Valley Cottage, NY 10989, USA, hergestellt. Ein weiteres geeignetes Verfahren zum Verbinden und Abdichten der Membran 2 mit den Gehäusekörpern ist Aluminium-Bonding, wobei ein kleines Aluminium- Filmstück oder -Blatt zwischen den Teilen bei erhöhter Temperatur zusammengedrückt wird, sodass Diffusion eintritt und das Aluminium zu Aluminiumoxid oxidiert.
Alle vorstehend erwähnten Verfahren können kombiniert und an unterschiedlichen Dichtpositionen eingesetzt werden.
Zur Verbesserung der Dichtheit der Dichtmittel 3, 3', 6, 9, 9' kann eine zusätzliche Schutzdichtung bereitgestellt werden, um die Dichtungsmittel entsprechend der Darstellung in Fig. 2 an ihrer Oberfläche ausserhalb der Messzelle zu bedecken. Zur Bildung dieser Schutzdichtung kann vorzugsweise ein Glaslot bereitgestellt werden, das nach dem Ausbacken der Paste eine glasierte Schutzdichtung 11 , 12 bildet. Es kann entweder die Dichtmittel 6 der Faser oder die Dichtmittel 3, 3' am Aussenrand der mit den Gehäusekörpern 1 , 4 verbundenen Membran 2 bedecken, oder es kann bei beiden Dichtungsmittelanordnungen angewandt werden. Die Schutzdichtung 11, 12 wird vorzugsweise verwendet, wenn als Dichtungsmittel 3, 3', 6 ein Keramikklebemittel eingesetzt wird. Diese zusätzlichen Schutzdichtungen 11 , 12 werden vorzugsweise für die Anwendung von Vakuum- Messsensorzellen eingesetzt. Die erfindungsgemässe Messzelle kann vollständig von einer Heizvorrichtung umgeben sein. Mit dieser Heizvorrichtung kann die Zelle insbesondere bei der Messung von Vakuumdruck in Vakuumprozessen über die Kondensationstemperatur der involvierten Substanzen des zu messenden Prozesses aufgeheizt werden. Die Temperatur der Zelle liegt hierbei vorzugsweise mindestens 10 °C über der Kondensationstemperatur. Vorteilhafte praktische
Temperaturwerte liegen im Bereich von 100 0C bis 600 °C. In derartigen Prozessen eingesetzte chemische Substanzen sind oft sehr aggressiv, und das Heizen ist eine effektive Massnahme, um diese von empfindlichen Teilen der Messzelle fernzuhalten. Durch diese Massnahmen ist sichergestellt, dass die Messzelle mit hoher Genauigkeit und hoher Reproduzierbarkeit während langer Zeit mit den ausgeführten Prozessen zuverlässig arbeitet.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer derartigen Messzelle weist Folgendes auf: einen ersten aus Keramikmaterial hergestellten Gehäusekörper 1; eine aus Keramikmaterial hergestellte und in der Nähe des ersten
Gehäusekörpers 1 angeordnete Membran 2, wobei die Membran im Wesentlichen planar ist und einen Aussenrand aufweist, wobei der Aussenrand der Membran 2 durch ein erstes Dichtungsmittel 3 mit dem ersten Gehäusekörper 1 verbunden ist, sodass eine Referenzdruckkammer zwischen dem ersten Gehäusekörper 1 und der Membran 2 erzeugt wird, wobei die Membran erste und zweite einander gegenüberliegende Oberflächen hat, wobei die erste Oberfläche der Membran 2 dem ersten Gehäusekörper 1 gegenüberliegt und der erste Gehäusekörper 1 eine Oberfläche hat, die der Membran 2 gegenüberliegt; einen aus Keramikmaterial hergestellten und der Membran 2 gegenüberliegenden zweiten Gehäusekörper 4, wobei der zweite Gehäusekörper
4 durch ein zweites Dichtungsmittel 3' mit dem Aussenrand der Membran verbunden ist, wobei der zweite Gehäusekörper 4 zusammen mit der Membran 2 eine Messdruckkammer 26 bildet, wobei der zweite Gehäusekörper einen Stutzen
5 zum Anschluss der Druckmesszelle an ein zu messendes Medium aufweist; wobei der erste Gehäusekörper 1 , der zweite Gehäusekörper 4 und die
Membran 2 am Aussenrand der Membran 2 dicht miteinander verbunden sind und mindestens im zentralen Bereich des ersten Gehäusekörpers 1 ein Loch 7 ausgebildet ist, das durch den ersten Gehäusekörper 1 reicht, und wobei mindestens im zentralen Abschnitt der Membran 2 und dem Loch 7 gegenüberliegend die Oberfläche 10 der Membran 2 als erste optisch reflektierende Fläche 10 ausgebildet ist; und wobei in dem Loch 7 des ersten Gehäusekörpers 1 eine Lichtleitfaser 15 angeordnet ist, die mit Faserdichtmitteln 6 dicht im Loch 7 befestigt ist, um Licht auf die Oberfläche 10 der Membran 2 und davon wegzuleiten, wobei das Ende der Faser 15 vorzugsweise mindestens die Oberfläche des ersten Gehäusekörpers 1 erreicht und dieses Faserende 16 als zweite optisch reflektierende Fläche 16 für die optische Verbindung mit der Oberfläche 10 der Membran 2 ausgebildet ist, sodass in der Anordnung zwischen dem Faserende 16 und der Reflexionsfläche 10 der Membran 2 ein optischer Hohlraum 30 vorliegt, der einen Messabschnitt zur Bestimmung der Verformung der Membran 2 bildet und der Teil einer Fabry- Perot-Interferometer-Erkennungseinrichtung ist.
Mindestens eine Komponente der Gehäusekörper 1 , 4 und/oder der Membran 2 ist mindestens teilweise aus Aluminiumoxidkeramik (AI2O3) hergestellt. In einigen Fällen ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Komponente der Gehäusekörper 1 , 4 und/oder der Membran 2 mindestens teilweise aus Aluminiumoxidkeramik (AI2O3) vom Saphirtyp hergestellt ist. In einigen Fällen ist es ferner vorteilhaft, wenn nur die Membran 2 aus Aluminiumoxidkeramik (AI2O3) hergestellt ist, das zumindest teilweise vom Saphirtyp ist.
Zur Herstellung einer bevorzugten Druckmesszeil-Anordnung für eine Zellanordnung bis zu 350 0C werden die folgenden Schritte bereitgestellt:
1. Eine Durchgangsbohrung 7 mit einem Durchmesser von beispielsweise 300 μm wird vorzugsweise unter Verwendung eines gepulsten Hochleistungs-CO2-Lasers in einen planen scheibenförmigen AI2O3- Gehäusekörper 1 gebohrt. 2. Hochtemperatur-Glasrpaste 6 wird in die Bohrung 7 gegeben, sodass diese vollständig gefüllt wird.
3. Eine geeignete Länge einer Lichtleitfaser 15, z. B. ca. 10 cm geschmolzene goldbeschichtete Quarzglasfaser (z. B. Gradientenindex-Multimode-Typ, 62,5-μm-Kerndurchmesser) oder eine Saphir-Lichtleitfaser 15, wird abgetrennt und durch die Bohrung 7 eingeführt. Die Faser 15 erstreckt sich vorzugsweise über die Oberfläche der Gehäuseseite hinaus, die der Seite der Fasereinführung gegenüberliegt.
4. Die Gehäuse/Faser-Kombination wird in einem Ofen mit typischen Brenntemperaturen zwischen 700 °C und 800 0C gebrannt/ausgebacken und miteinander verbunden. Dies erzeugt eine solide Verbindung der Faser mit dem Gehäuse, wobei die Verbindung gleichzeitig helium-dicht ist.
5. Von der Vorderseite des Gehäuses 1 wird die Faser zusammen mit der gehärteten Glasur 6 auf das Niveau der vorderen Oberflächenseite des Gehäuses 1 hinunterpoliert, wodurch am Faserende eine Oberfläche 16 in optischer Qualität entsteht.
6. Optional: Das Faserende 16 kann mit einer dielektrischen Einzelschicht- (beispielsweise Ta2θs) oder mit dielektrischen Mehrfachschichten oder einer halbtransparenten Metallbeschichtung optisch beschichtet werden, z. B. unter Verwendung von PVD/CVD Auftragsverfahren für dünne Schichten.
7. Hochtemperatur-Glaspaste 10 wird beispielsweise mittels Siebdruck auf einer Keramik-A^Oa-Membran 2 aufgetragen, vorzugsweise im zentralen Bereich, um einen erweiterten glasierten Punkt mit 1 ,0 μm bis 10 μm Dicke zu erzeugen und um einen schwach reflektierenden Spiegel 10 mit einer Dicke von beispielsweise 1 ,0 μm bis 10 μm zu erzeugen.
8. Optional: Die Membran mit dem Hochtemperatur-Glaslot 10 wird in einem separaten Schritt gebrannt/ausgebacken, um einen schwach reflektierenden Spiegel 10 mit einer Dicke von beispielsweise 1 ,0 μm bis 6 μm zu erzeugen. 9. Optional: Die Spiegeloberfläche 10 kann poliert werden, sofern die Membran 2 dick genug ist, um als steifes Substrat zu fungieren.
10. Optional: Das Faserende 16 und/oder die Spiegeloberfläche 10 können beispielsweise mit einer dielektrischen Einzelschicht- oder mit dielektrischen Mehrfachschichten oder einer halbtransparenten Metallbeschichtung optisch beschichtet werden.
11. Die unterschiedlichen Teile werden zusammengesetzt und in einem Vakuumofen bei einer Temperatur gebrannt, die niedriger ist als die Schmelztemperatur der Hochtemperaturglasur, d. h. typischerweise bei 550 0C bis 650 0C, sodass dies weder den Spiegel 10 noch die Faseranordnung 6 beeinträchtigt. 12. Mitteltemperatur-Glaspaste wird an der Kante der Gehäuse und/oder der Membran 2 hinzugefügt, sowie bei deren Verwendung auf das AI2O3, der Getter-Kammerteile 13, 8, 9 aufgetragen, beispielsweise mittels Siebdruck, zur Anbringung und zum Schliessen der Getter-Kammer 13. 13. Optional, falls eine Getter-Kammer verwendet wird: Niedrigtemperaturglaspaste 9' wird beispielsweise mittels Siebdruck zu den Getter-Kammerteilen hinzugefügt.
14. Am ODG-Sensor wird ein standardmässiger CDG-Abpumpprozess durchgeführt. 15. Das Verschweissen der geeigneten Metallleitung als Anschlussstutzen 5 erfolgt auf herkömmliche Weise.
16. Anschliessend erfolgt die Montage der umgebenden Sensorstruktur, wie z. B. die Platzierung des Sensors in einer isolierten und geheizten Umhüllung. Dies schliesst eine kleine Bohrung in der Isolierung und der Wand der Umhüllung für die Durchleitung der Lichtleitfaser mit ein.
17. Schliesslich kann ein Standardanschluss für die Faser mit üblicherweise bekannten FC/PC- oder SC/PC-Anschlüssen bereitgestellt werden.
Zur Herstellung einer bevorzugten Druckmesszeil-Anordnung für eine Zellanwendung bis zu 600 0C werden die folgenden Schritte bereitgestellt:
1. Eine Durchgangsbohrung 7 mit einem Durchmesser von beispielsweise 300 μm wird vorzugsweise unter Verwendung eines gepulsten Hochleistungs-CO2-Lasers in einen planen scheibenförmigen AI2O3- Gehäusekörper 1 gebohrt. 2. Keramikklebemittel 6, z. B. Aremco 503 VFG, wird in die Bohrung 7 gegeben, sodass diese vollständig gefüllt wird.
3. Eine geeignete Länge einer Lichtleitfaser 15, z. B. ca. 10 cm geschmolzene goldbeschichtete Quarzglasfaser (z. B. Gradientenindex-Multimode-Typ, 62,5-μm-Kemdurchmesser) oder eine Saphir-Lichtleitfaser 15, wird abgetrennt und durch die Bohrung 7 eingeführt. Die Faser 15 erstreckt sich vorzugsweise über die Oberfläche der Gehäuseseite hinaus, die der Seite der Fasereinführung gegenüberliegt.
4. Das Keramikklebemittel wird gemäss seinen Spezifikationen gehärtet, z. B. bei 93 0C, 260 0C und 372 0C.
5. Auf der Rückseite des Gehäuses wird Hochtemperatur-Glaspaste 11 hinzugefügt, um die Keramikverbindung 6 abzudichten.
6. Die Glaspaste 11 wird in einem Ofen mit typischen Brenntemperaturen zwischen 700 0C und 800 0C gebrannt/ausgebacken. Dies erzeugt eine solide Verbindung der Faser 15 mit dem ersten Gehäusekörper 1 , wobei die
Verbindung eine helium-dichte Schutzdichtung 11 bildet.
7. Von der Vorderseite des Gehäuses 1 wird die Faser 15 zusammen mit dem gehärteten Keramikklebemittel auf das Niveau der Vorderseite hinunterpoliert, wodurch am Faserende eine Oberfläche in optischer Qualität entsteht.
8. Hochtemperatur-Glaspaste 10 wird beispielsweise mittels Siebdruck auf einer Keramik-Al2θ3-Membran 2 aufgetragen, vorzugsweise im zentralen Bereich, um einen erweiterten glasierten Punkt zu erzeugen und um einen schwach reflektierenden Spiegel 10 mit einer Dicke von beispielsweise 1 ,0 μm bis 6 μm zu erzeugen.
9. Optional: Die Spiegeloberfläche 10 kann poliert werden, sofern die Membran 2 dick genug ist, um als steifes Substrat zu fungieren.
10. Optional: Das Faserende 16 und/oder die Spiegeloberfläche 10 können beispielsweise mit einer dielektrischen Einzelschicht- oder Mehrschicht- Beschichtung oder einer halbtransparenten Metallbeschichtung optisch beschichtet werden.
11. Ein ringförmiger Bereich aus Keramikklebemittel wird zu den Gehäusen und/oder zu der Membran 2 hinzugefügt.
12. Die unterschiedlichen Teile werden zusammengesetzt, und das Keramikklebemittel wird gemäss seinen Spezifikationen gehärtet, z. B. bei 93 0C, 260 0C und 372 0C.
13. Mitteltemperatur-Glaspaste 12 wird ausserhalb der Gehäuse 1 , 4 an den Verbindungsstellen hinzugefügt, um die Keramik-Verbindungen 3, 3' zu bedecken und abzudichten.
14. Optional, falls eine Getter-Kammer verwendet wird: Niedrigtemperaturglaspaste 9, 9' wird beispielsweise mittels Siebdruck zu den Getter-Kammerteilen hinzugefügt.
15. Die Glaspaste wird bei einer Temperatur gebrannt/ausgebacken, die niedriger ist als die Schmelztemperatur der Hochtemperaturglasur, d. h. typischerweise bei 550 0C bis 650 °C, sodass dies weder den Spiegel noch die Faseranordnung beeinträchtigt.
16. Am ODG-Sensor wird ein standardmässiger CDG-Abpumpprozess durchgeführt, und auch das Verschweissen der geeigneten Metallleitung als Anschlussstutzen 5 erfolgt auf herkömmliche Weise.
17. Anschliessend erfolgt die Montage der umgebenden Sensorstruktur, wie z. B. die Platzierung des Sensors in einer isolierten und geheizten Umhüllung. Dies schliesst eine kleine Bohrung in der Isolierung und der Wand der Umhüllung für die Durchleitung der Lichtleitfaser mit ein. 18. Schliesslich kann ein Standardanschluss für die Faser mit üblicherweise bekannten FC/PC- oder SC/PC-Anschlüssen bereitgestellt werden.
Alternativ werden zur Herstellung einer bevorzugten Druckmesszell-Anordnung für eine Zellanwendung bis zu 600 0C die folgenden Schritte bereitgestellt:
Eine Durchgangsbohrung 7 mit einem Durchmesser von beispielsweise 300 μm wird vorzugsweise unter Verwendung eines gepulsten Hochleistungs-CO2-Lasers in einen planen scheibenförmigen ersten AI2O3- Gehäusekörper 1 gebohrt. 2. Ultrahochtemperatur-Glaspaste 6 wird in die Bohrung 7 gegeben, sodass diese vollständig gefüllt wird.
3. Eine geeignete Länge einer Lichtleitfaser 15, z. B. ca. 10 cm Saphir- Lichtleitfaser, wird abgetrennt und durch die Bohrung 7 eingeführt. Die Faser erstreckt sich über die Oberfläche der Gehäuseseite hinaus, die der
Seite der Fasereinführung gegenüberliegt.
4. Die Gehäuse/Faser-Kombination wird in einem Ofen mit typischen Brenntemperaturen um 1300 0C gebrannt/ausgebacken und miteinander verbunden. Dies erzeugt eine solide Verbindung der Faser 15 mit dem ersten Gehäusekörper 1 wobei die Verbindung gleichzeitig helium-dicht ist.
5. Von der Vorderseite des Gehäuses 1 wird die Faser 15 zusammen mit der gehärteten Glasur auf das Niveau der Vorderseite hinunterpoliert, wodurch am Faserende eine Oberfläche 16 in optischer Qualität entsteht.
6. Optional: Das Faserende 16 kann, z. B. unter Verwendung von PVD/CVD Auftragsverfahren für dünne Schichten, mit einer dielektrischen
Einzelschicht- (beispielsweise Ta2θs) oder mit dielektrischen Mehrfachschichten oder einer halbtransparenten Metallbeschichtung optisch beschichtet werden.
7. Ultrahochtemperatur-Glaspaste wird beispielsweise mittels Siebdruck auf einer Keramik-AI2O3-Membran 2 aufgetragen, vorzugsweise im zentralen
Bereich, um einen erweiterten glasierten Punkt zu erzeugen und um einen schwach reflektierenden Spiegel 10 mit einer Dicke von beispielsweise 1 ,0 μm bis 6 μm zu erzeugen.
8. Optional: Die Spiegeloberfläche 10 kann poliert werden, sofern die Membran 2 dick genug ist, um als steifes Substrat zu fungieren.
9. Optional: Das Faserende 16 und/oder die Spiegeloberfläche 10 können beispielsweise mit einer dielektrischen Einzelschicht- oder mit dielektrischen Mehrfachschichten oder einer halbtransparenten Metallbeschichtung optisch beschichtet werden. 10. Ultrahochtemperatur-Glaspaste wird an der Kante der Gehäuse und/oder der Membran 2 hinzugefügt sowie, bei deren Verwendung auf das AI2O3, der Getter-Kammerteile 13, 8, 9 aufgetragen, beispielsweise mittels Siebdruck, zur Anbringung und zum Schliessen der Getter-Kammer 13. 11. Die unterschiedlichen Teile werden zusammengesetzt und bei etwa 1300 0C gebrannt. Aufgrund der geringen Viskosität des Glasurmaterials bewegt sich die bereits polierte Faser 15 während des Prozesses nicht wesentlich aus ihrer ursprünglichen Position.
12. Optional, falls eine Getter-Kammer verwendet wird: Niedrigtemperaturglaspaste 9, 91 wird beispielsweise mittels Siebdruck zu den Getter-Kammerteilen hinzugefügt.
13. Am ODG-Sensor wird ein standardmässiger CDG-Abpumpprozess unter ausschliesslicher Verwendung einer Hochtemperaturglaspaste durchgeführt, und auch das Verschweissen der geeigneten Metallleitung als Anschlussstutzen 5 erfolgt auf herkömmliche Weise.
14. Anschliessend erfolgt die Montage der umgebenden Sensorstruktur, wie z. B. die Platzierung des Sensors in einer isolierten und geheizten Umhüllung. Dies schliesst eine kleine Bohrung in der Isolierung und der Wand der Umhüllung für die Durchleitung der Lichtleitfaser mit ein. 15. Schliesslich kann ein Standardanschluss für die Faser mit üblicherweise bekannten FC/PC- oder SC/PC-Anschlüssen bereitgestellt werden.
Im Folgenden sind einige Zahlen und Werte als bevorzugte Beispiele wiedergegeben, die bei der Definition der Konfiguration und des Herstellungsverfahrens für die vorgestellte erfindungsgemässe Druckmesszelle hilfreich sind. Die folgenden Entwurfswerte werden als Beispiele für eine geeignete und bevorzugte Konfiguration und/oder ein Herstellungsverfahren angegeben. 1. Auswahl einer Faser 15:
• 62,5/125-μm-Gradientenindex-Multimode-Quarzglas-Faser
• Kerndurchmesser: 62,5 um + 3 μm
• Mantel-Durchmesser: 125 μm ± 3 μm • Beschichtung und Aussendurchmesser: Gold 155 μm, + 15 μm
• Temperaturgrenzwert: 700 0C
2. Definition der Schleif- und/oder Polierqualität, die sich auf ein mindestens erforderliches Ausgabesignal bezieht (die Zahlen sind abhängig von der gewählten Technologie der Analyseeinrichtung):
a) System auf Interferometer-Basis
• Benötigt vorzugsweise 30 %, mindestens 15 %, Kontrast des Interferogramms, wobei der Kontrast definiert ist als (Max-Min)/Durchschnittswert
• Um die angegebenen Werte zu erzielen, muss die Faserpolitur die folgenden Spezifikationen erfüllen:
- Zentrum-Rand über/unter der Fasermitte: <= 50 nm
- Kippwinkel der Faser-Endebene 16: <= 1 mrad - Rauheit der Faser-Endebene: <= 10 nm (rms)
b) System auf Spektrometer-Basis
• Benötigt vorzugsweise 5 %, mindestens 1 %, Kontrast des Interferogramms
• Die angegebenen Werte lassen sich mit standardmässigen oder sogar schlechteren Polierspezifikationen gemäss standardmässigen
Spezifikationen für optische Steckverbinder erzielen:
- Zentrum-Rand über/unter der Mitte: <= 250 nm
- Kippwinkel der Faser-Endebene 16: <= 2 mrad
- Rauheit der Faser-Endebene: <= 50 nm (rms) 3. Definition des auf der Membran 2 als Spiegel 10 angeordneten erweiterten Glaspunkts 10 in Bezug auf aktive optische Fläche, Flachbereich, Reflexionsgrad, Oberflächenqualität, Durchmesser, Dicke:
• Mindestdicke der aktiven Fläche (Glaspunkt): Auf einer reflektierenden Membran weniger als oder gleich 6,0 μm, kein Grenzwert für diffuse Membranoberflächen
• Geeignete Dicke der aktiven Fläche bei Siebdruck (unpoliert): 1 ,0 μm - 10,0 μm • Glastyp: HOCH-Temperatur (700 0C bis 800 0C)
• Mindestdurchmesser des aktiven, flachen Bereichs: 100 μm
• Mindestdurchmesser des aktiven, flachen Bereichs mit Herstellungstoleranzen (Zentrierung): 1 mm • Typischer Anteil der verwendbaren Fläche (Durchmesser) in Bezug auf die Gesamtfläche (Durchmesser des Glaspunkts): mindestens 50 %
• Z. B.: Punktdurchmesser 3,8 mm, Durchmesser der aktiven Fläche 1 ,9 mm
• Bevorzugter Aussendurchmesser des Glaspunkts: 3-4 mm
• Brechungsindex: 1 ,723 (@405 nm) bis 1 ,653 (@1551 nm) • Reflexionsgrad (Leistung) in Vakuum: 7 % (@405 nm) bis 6 % (@1551 nm)
• Optimaler Reflexiongrad: Bei identischen Reflexionsgraden des Faserendes 16 und des Glaspunkts 10 von etwa 30 % (erzielt durch Hinzufügen einer zusätzlichen Beschichtung)
• Mindest-Reflexionsgrad: etwa 6 % • Oberflächenqualität:
Rauheit <= 50 nm (RMS), Scratch/Dig-Vorgabe mindestens 60/40
4. Kippwinkel als Abweichwinkel von der Parallelität der beiden optischen Reflexionsflächen/-bereiche des Faserendes 16 und der Oberfläche des Glaspunkts 10 (die Zahlen sind abhängig von der gewählten Technologie der Analyseeinrichtung): a) System auf Interferometer-Basis
• Benötigt vorzugsweise 30 %, mindestens 15 %, Kontrast
• Um die angegebenen Werte zu erzielen, darf der maximale Kippwinkel 1 mrad nicht überschreiten
b) System auf Spektrometer-Basis
• Benötigt vorzugsweise 5 %, mindestens 1 %, Kontrast
• Um die angegebenen Werte zu erzielen, darf der maximale Kippwinkel 2 mrad nicht überschreiten
5. Optischer Abstand 30 zwischen Faserende 16 und Oberfläche des Glaspunkts 10 (Hohlraum):
• Betriebsbereich des Abstands: 5 μm bis 200 μm, vorzugsweise 5 μm bis
80 μm (besonders gute Ergebnisse mit hoher Signalausgabe lassen sich mit gewissen Anordnungen in einem Bereich von 10 μm bis 25 μm erzielen)
Obwohl spezifische Ausführungsformen der Erfindung wiedergegeben und detailliert beschrieben wurden, um die Anwendung der Grundsätze der Erfindung zu veranschaulichen, ist ersichtlich, dass die Erfindung andere Ausführungsformen haben kann, ohne von diesen Grundsätzen abzuweichen.

Claims

Patentansprüche:
1. Druckmesszelle, die Folgendes aufweist: einen aus Keramikmaterial hergestellten ersten Gehäusekörper (1); eine aus Keramikmaterial hergestellte und in der Nähe des ersten
Gehäusekörpers (1) angeordnete Membran (2), wobei die Membran im Wesentlichen planar ist und einen Aussenrand hat, wobei der Aussenrand der Membran (2) durch ein erstes Dichtungsmittel (3) so mit dem ersten Gehäusekörper (1) verbunden ist, dass zwischen dem ersten Gehäusekörper (1) und der Membran (2) eine Referenzdruckkammer (25) erzeugt wird, wobei die Membran einander gegenüberliegende erste und zweite Oberflächen hat, wobei die erste Oberfläche der Membran (2) zum ersten Gehäusekörper (1) zeigt und wobei der erste Gehäusekörper (1) eine Oberfläche hat, die zur Membran (2) zeigt; einen zweiten aus Keramikmaterial hergestellten und gegenüber der
Membran (2) angeordneten Gehäusekörper (4), wobei der zweite Gehäusekörper (4) durch ein zweites Dichtungsmittel (31) mit dem Aussenrand der Membran verbunden ist, wobei der zweite Gehäusekörper (4) zusammen mit der Membran (2) eine Druckmesskammer (26) bildet, wobei der zweite Gehäusekörper einen Stutzen (5) zur Verbindung der
Druckmesszelle mit einem zu messenden Medium aufweist; wobei der erste Gehäusekörper (1), der zweite Gehäusekörper (4) und die
Membran (2) am Aussenrand der Membran (2) dicht miteinander verbunden sind und mindestens im zentralen Bereich des ersten Gehäusekörpers (1) ein Loch (7) ausgebildet ist, das durch den ersten Gehäusekörper (1) reicht, und wobei mindestens im zentralen Abschnitt der Membran (2) und dem
Loch (7) gegenüberliegend die Oberfläche der Membran (2) als erste optisch reflektierende Fläche (10) ausgebildet ist; und wobei in dem Loch (7) des ersten Gehäusekörpers (1) eine Lichtleitfaser (15) angeordnet ist, die mit Faserdichtmitteln (6) dicht im Loch (7) befestigt ist, um Licht auf die Membranoberfläche (2) und davon wegzuleiten, wobei das Ende der Faser (15) vorzugsweise mindestens die Oberfläche des ersten Gehäusekörpers (1) erreicht und dieses Faserende (16) als zweite optisch reflektierende Fläche (16) für die optische Verbindung mit der Oberfläche der Membran (2) ausgebildet ist, sodass die Anordnung zwischen dem Faserende (16) und der Reflexionsfläche (10) der Membran (2) einen optischen Hohlraum (30) ausbildet, der einen Messabschnitt zur Bestimmung der Verformung der Membran (2) bildet und der Teil einer Fabry-Perot- Interferometer-Erkennungseinrichtung ist.
2. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei mindestens einer der Gehäusekörper (1 , 4) und/oder die Membran (2) zumindest teilweise aus Aluminiumoxidkeramik
(AI2O3) hergestellt ist.
3. Messzelle nach Anspruch 2, wobei mindestens einer der Gehäusekörper (1 , 4) und/oder die Membran (2) zumindest teilweise aus Aluminiumoxidkeramik (AI2O3) vom Typ Saphir hergestellt ist.
4. Messzelle nach Anspruch 2, wobei die Membran (2) aus Aluminiumoxidkeramik (AI2O3) und zumindest teilweise aus Saphir hergestellt ist.
5. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei die Oberfläche des Faserendes mit seiner zweiten optisch reflektierenden Fläche (16) der Ebene der Innenfläche des ersten Gehäusekörpers (1) entspricht.
6. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei die Oberfläche der Membran (2) mindestens in der dem Loch (7) gegenüberliegenden Region durch einen erweiterten flachen Glaspunkt bedeckt ist, dessen Oberfläche die erste optisch reflektierende Fläche (10) bildet.
7. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei das erste Dichtungsmittel (3) und/oder das zweite Dichtungsmittel (3') ein Glaslot ist, das Temperaturen bis mindestens 350 0C widersteht.
8. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei das erste Dichtungsmittel (3) und/oder das zweite Dichtungsmittel (31) ein Glaslot ist, das Temperaturen bis mindestens 600 0C widersteht.
9. Messzelle nach Anspruch 1, wobei das erste Dichtungsmittel (3) und/oder das zweite Dichtungsmittel (31) eine zu Aluminiumoxid oxidierte Aluminium- Verbindung ist.
10. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei das erste Dichtungsmittel (3) und/oder das zweite Dichtungsmittel (31) ein Keramikklebemittel ist, das Temperaturen bis mindestens 600 °C widersteht.
11. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei die Faserdichtmittel (6) ein Glaslot sind, das Temperaturen bis mindestens 350 °C widersteht.
12. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei die Faserdichtmittel (6) ein Keramikklebemittel sind, das Temperaturen bis mindestens 600 0C widersteht.
13. Messzelle nach Anspruch 10, wobei mindestens das erste Dichtungsmittel (3) oder mindestens das zweite Dichtungsmittel (31) oder mindestens die Faserdichtmittel (6) ausserhalb der Messzellanordnung mit einer zusätzlichen Schutzdichtung aus Glaslotmaterial bedeckt sind.
14. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei eine dünne Filmbeschichtung auf der Oberfläche der Faserendfläche (16) und/oder der Reflexionsfläche (10) der Membran (2) aufgetragen ist.
15. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei die Membran (2) eine Dicke im Bereich von 10 μm bis 250 μm aufweist.
16. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei die Messzellanordnung einen ersten Gehäusekörper (1), einen zweiten Gehäusekörper (4) und eine Membran (2) aufweist, die eine scheibenförmige Anordnung mit einem Durchmesser im Bereich von 5 mm bis 80 mm bilden.
17. Messzelle nach Anspruch 1 , wobei die Messzellanordnung als Vakuummesszell-Anordnung ausgebildet ist, wobei die Referenzdruckkammer (25) eine Vakuumkammer ist und die Messdruckkammer (26) als Vakuummesskammer ausgebildet ist.
18. Verfahren zur Herstellung einer Druckmesszelle, das Folgendes aufweist: Bereitstellung eines aus Keramikmaterial hergestellten ersten Gehäusekörpers (1);
Bereitstellung einer aus Keramikmaterial hergestellten und in der Nähe des ersten Gehäusekörpers (1) angeordneten im Wesentlichen planaren
Membran (2), wobei die Membran (2) einen Aussenrand hat, wobei der Aussenrand der Membran (2) durch ein erstes Dichtungsmittel (3) mit dem ersten Gehäusekörper (1) verbunden ist; Erzeugung einer Referenzdruckkammer (25) zwischen dem ersten Gehäusekörper (1) und der Membran (2), wobei die Membran einander gegenüberliegende erste und zweite Oberflächen hat, wobei die erste Oberfläche der Membran (2) zum ersten Gehäusekörper (1) zeigt und wobei der erste Gehäusekörper (1) eine Oberfläche hat, die zur Membran (2) zeigt; Bereitstellung eines zweiten aus Keramikmaterial hergestellten und gegenüber der Membran (2) angeordneten Gehäusekörpers (4), wobei der zweite Gehäusekörper (4) durch ein zweites Dichtungsmittel (3') mit dem Aussenrand der Membran verbunden ist, wobei der zweite Gehäusekörper (4) zusammen mit der Membran (2) eine Druckmesskammer (26) bildet, wobei der zweite Gehäusekörper einen Stutzen (5) zur Verbindung der Druckmesszelle mit einem zu messenden Medium aufweist; wobei der erste Gehäusekörper (1), der zweite Gehäusekörper (4) und die
Membran (2) am Aussenrand der Membran (2) dicht miteinander verbunden wird;
Bereitstellung, mindestens im zentralen Bereich des ersten Gehäusekörpers (1), eines Lochs (7), das durch den ersten Gehäusekörper (1) reicht;
Bereitstellung, mindestens im zentralen Abschnitt der Membran (2) und dem Loch (7) gegenüberliegend, einer Oberfläche (10) der Membran (2), die als erste optisch reflektierende Fläche (10) ausgebildet wird; und Bereitstellung einer Lichtleitfaser (15), die in dem Loch (7) des ersten Gehäusekörpers (1) angeordnet ist und die mit Faserdichtmitteln (6) dicht im
Loch (7) befestigt ist, um Licht auf die Oberfläche (10) der Membran (2) und davon wegzuleiten, wobei das Ende der Faser (15) so platziert wird, dass es mindestens die Oberfläche des ersten Gehäusekörpers (1) erreicht, und wobei dieses Faserende (16) als zweite optisch reflektierende Fläche (16) für die optische Verbindung mit der Oberfläche (10) der Membran (2) ausgebildet ist, sodass die Anordnung zwischen dem Faserende (16) und der Reflexionsfläche (10) der Membran (2) einen optischen Hohlraum (30) bildet, der einen Messabschnitt zur Bestimmung des Ausmasses der Verformung der Membran (2) bildet und der Teil einer Fabry-Perot- Interferometer-Erkennungseinrichtung ist.
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