WO2011061006A1 - Kapazitive keramische druckmesszelle - Google Patents

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WO2011061006A1
WO2011061006A1 PCT/EP2010/064997 EP2010064997W WO2011061006A1 WO 2011061006 A1 WO2011061006 A1 WO 2011061006A1 EP 2010064997 W EP2010064997 W EP 2010064997W WO 2011061006 A1 WO2011061006 A1 WO 2011061006A1
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pressure measuring
measuring cell
recess
cell according
base body
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Inventor
Andrea Berlinger
Ulfert Drewes
Elke Schmidt
Peter Selders
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Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0075—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G01L9/0044—Constructional details of non-semiconductive diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive ceramic pressure measuring cell, in particular a capacitive ceramic pressure measuring cell with a
  • the ceramic base body and a ceramic measuring membrane wherein the measuring membrane is pressure-tightly connected by means of a joining material along a peripheral edge with the base body, wherein the joining material comprises an active brazing material.
  • Such a pressure measuring cell is disclosed, for example, in European patent EP 0445382 B1 and European patent EP 03517051 B1.
  • the joining material is arranged between the main body and the measuring diaphragm for the production of the pressure measuring cell, in particular as a molded part, which has an active brazing material, wherein the production of the pressure-tight connection usually takes place in a high-vacuum soldering process.
  • zirconium-nickel-titanium active brazing alloys have proven to be advantageous for joining
  • capacitive pressure cells are made at intervals of, for example, about 20 microns or about 35 microns between the body and the measuring membrane, wherein the cylindrical body
  • Generic pressure measuring cells are usually axially clamped in a housing, wherein on the measuring membrane a sealing ring rests, which surrounds a housing opening, and is axially clamped between the measuring diaphragm and a sealing surface surrounding the housing opening. It is to minimize repercussions of the clamping forces on the measuring membrane Required that the sealing ring rests in a supported by the joining material radial portion of the measuring diaphragm.
  • the required width of the joint between the main body and the measuring membrane is so large that the remaining area for the electrodes of the capacitive pressure measuring cell is very small. Nevertheless, in order to achieve a sufficiently large capacity, it is desirable to reduce the distance between the electrodes, resulting in constant manufacturing processes for the electrodes, either in the
  • Measuring membrane applied a reduction in the strength of the joint between the main body and the measuring membrane means.
  • Active brazing depends on the composition and the influence of
  • Contaminants is a function of the surface area to volume ratio of the active solder molding.
  • the object is achieved by the pressure measuring cell according to the independent claim. 1
  • the pressure measuring cell according to the invention comprises a ceramic base body, and a ceramic measuring diaphragm, wherein the measuring diaphragm with the
  • Body is pressure-tightly connected along an annular circumferential joint, wherein the joint supports an edge region of the measuring membrane, wherein the base body has aligned with the edge region of at least one recess relative to a base surface for the joint, wherein the recess is at least partially filled with active brazing.
  • the recess comprises at least one annular circumferential groove, wherein the groove, for example, a
  • the depression has a width in cross-section of not more than about 500 micrometers, in particular not more than 300 micrometers.
  • the main body has several
  • Recesses in the edge region for example, concentric circumferential grooves and / or one or more broken grooves, and / or blind holes.
  • the at least one depression comprises a chamfer at the edge of the surface of the base body.
  • Measuring diaphragm and body is critical for a uniform
  • the invention now includes two embodiments for controlling the distance.
  • the at least one depression is completely filled with active brazing material.
  • the amount of Aktivhartlots is determined in the depression by the volume of the recess itself.
  • the recess is made, for example, by milling, turning a particular annular trench in an end face of the body and then
  • Manufacturing steps define the tolerances of the amount of active hard solder that can be received in the recess. Although supplementary, subsequent corrective drilling into the bottom of the trench would be conceivable for the fine tuning of the volume, this approach seems to be of limited suitability for mass production.
  • the recess can equally be prepared by dry pressing before firing the base, with the discussed surface treatment steps following firing also to follow.
  • the at least one depression is only partially filled with active brazing material.
  • a trench can be prepared, but even after the surface treatment of the base body has a volume which is greater than the volume of the male Aktivhartlots to be absorbed.
  • the amount of active braze that then actually flows into the well is kinetically controlled via the solder process, i. about the soldering temperature and the time of the soldering process. This is possible because the speed of the solder front of the
  • Reaction rate between the active component of the active brazing and the ceramic material depends.
  • the decision for the first or the second embodiment will be made by the achievable under existing manufacturing conditions tolerances in comparison with the desired tolerances on the one hand and the associated effort on the other hand.
  • At least 10%, preferably at least 20%, of the volume of the active brazing joint of the joint is arranged in the depression or depressions.
  • the distance between the two elements is the distance between the two elements
  • Micrometer preferably not more than 20 micrometers and more preferably not more than 12.5 micrometers.
  • the area of the edge region is at least 20%, preferably at least 40%, more preferably at least 50% and particularly preferably at least 55% of the surface of the measuring membrane.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of a pressure measuring cell according to the invention.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a second embodiment of a pressure measuring cell according to the invention.
  • the pressure measuring cell 1 shown in FIG. 1 has a circular disk-shaped measuring diaphragm 2 and a stronger circular plate-shaped main body 3, wherein the measuring diaphragm and the main body consist in particular of corundum are made.
  • the measuring membrane preferably has high-purity corundum, on the one hand to increase the corrosion resistance and, on the other hand, the breaking strength of the measuring membrane. The purity requirements of the body are lower.
  • Measuring diaphragm 2 has an electrode 4 which covers the entire free surface of the measuring diaphragm 2.
  • the surface of the base body 3 facing the measuring membrane has a central measuring electrode 5 and an annular reference electrode 6 surrounding it.
  • the electrodes 4, 5, 6 can be produced for example by metallic coating, in particular with tantalum, or they can be a glass layer with embedded
  • Metal particles include, as in the German patent application
  • the measuring membrane 2 is connected to the main body 3 by an active braze joint 7, which is formed in a high vacuum soldering process.
  • an active brazing molding is arranged between the end face of the main body 3 and the measuring membrane, wherein the active brazing part has a minimum thickness, which is due to their manufacturing process.
  • the desired small distances between the main body 3 and the measuring diaphragm 2 could not be reliably adjusted with such a molded part if the entire material of the active hard solder had to remain between the measuring diaphragm and the plane of the end face of the basic body. That is why in the
  • FIG. 2 shows a pressure measuring cell 1 1 with a measuring diaphragm 12 and a base body 13, wherein the measuring diaphragm 12, an electrode 14 and the base body at its the measuring diaphragm facing end face has a measuring electrode 15 and a reference electrode 16.
  • the statements on the first embodiment apply mutatis mutandis.
  • the measuring membrane 12 and the main body 13 are joined by means of an active soldering ring 17 in a high vacuum soldering process, wherein for controlling the
  • Embodiment of Figure 1 characterized in that the annular circumferential groove 18a, 18b is not completely filled with Aktivharlot. Complete filling of the circumferential trench 18a, 18b would become unusable
  • the trench 18a, 18b has different depths along its circumference, which may be caused, for example, by the fact that after the preparation of a uniformly deep trench in the base body 13 of the main body during subsequent grinding, lapping and polishing of the surface with respect to the grinding plane tilted, causing a tilted
  • Joint 17 should be 10-20 microns, so it would not be acceptable to define in this situation, the amount of solder received in the trench on the trench depth. In the comparatively more harmless case, when the solder can flow along the circumference during the process and compensate for differences in height, the resulting deposit between the measuring diaphragm and the base body is undefined due to the inaccurately controlled trench depth.
  • the amount of solder 19a, 19b entering into the trench 18a, 18b is kinetically controlled, in such a way that the temperature is chosen so that the active component of the active brazing material is the ceramic material of the active material Main body in the trench 18a, 18b wetted only slowly, and that the solder front of the penetrating solder 19a, 19b in an available time, over which the temperature is maintained at the value required for wetting, only up to a defined depth in the trenches 18a , 18b can penetrate.
  • the amount of solder in the circumferential trench is completely independent of the actual depth of the trench, as long as it is deep enough.
  • the measuring membrane 12 over the entire circumference on a uniform, defined distance from the end face of the body 13, although the circumferential trench has different depths.

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Abstract

Eine Druckmesszelle (1) umfasst einen keramischen Grundkörper (3); und eine keramische Messmembran (2), wobei die Messmembran (2) mit dem Grundkörper (3) entlang einer ringförmig umlaufenden Fügestelle (7) druckdicht verbunden ist, wobei die Fügestelle (7) einen Randbereich der Messmembran (2) unterstützt, wobei der Grundkörper (2) fluchtend mit dem Randbereich mindestens eine Vertiefung (8) gegenüber einer Basisfläche für die Fügestelle (7) aufweist, wobei die Vertiefung zumindest teilweise mit Aktivhartlot gefüllt ist.

Description

Kapazitive keramische Druckmesszelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kapazitive keramische Druckmesszelle, insbesondere eine kapazitive keramische Druckmesszelle mit einem
keramischen Grundkörper und einer keramischen Messmembran, wobei die Messmembran mittels eines Fügematerials entlang eines umlaufenden Randes mit dem Grundkörper druckdicht verbunden ist, wobei das Fügematerial ein Aktivhartlot umfasst.
Eine derartige Druckmesszelle ist beispielsweise in dem europäischen Patent EP 0445382 B1 und dem europäischen Patent EP 03517051 B1 offenbart.
Das Fügematerial wird zur Fertigung der Druckmesszelle insbesondere als Formteil, welches ein Aktivhartlot aufweist, zwischen dem Grundkörper und der Messmembran angeordnet, wobei die Herstellung der druckdichten Verbindung gewöhnlich in einem Hochvakuum-Lötprozess erfolgt. Insbesondere Zirkonium- Nickel-Titan-Aktivhartlote haben sich als vorteilhaft zum Fügen von
Grundkörpern und Messmembranen aus Korund erwiesen. Die Herstellung von solchen Aktivhartlot Formteilen ist beispielsweise in dem europäischen Patent EP 0558874 B1 beschrieben.
Aktuell werden kapazitive Druckmesszellen mit Abständen von beispielsweise etwa 20 Mikrometern oder etwa 35 Mikrometern zwischen dem Grundkörper und der Messmembran hergestellt, wobei die zylindrischen Grundkörper
beispielsweise einen Durchmesser von etwa 17,4 mm bzw. etwa 32,25 mm aufweisen. Gattungsgemäße Druckmesszellen werden gewöhnlich in einem Gehäuse axial eingespannt, wobei an der Messmembran ein Dichtring anliegt, welcher eine Gehäuseöffnung umgibt, und zwischen der Messmembran und einer die Gehäuseöffnung umgebende Dichtfläche axial eingespannt ist. Um Rückwirkungen der Einspannkräfte auf die Messmembran zu minimieren, ist es erforderlich, dass der Dichtring in einem von dem Fügematerial unterstützten radialen Bereich der Messmembran aufliegt.
Insbesondere bei kleinen Grundkörperdurchmessern ist die dafür erforderliche Breite der Fügestelle zwischen dem Grundkörper und der Messmembran so groß, dass die verbleibende Fläche für die Elektroden der kapazitiven Druckmesszelle sehr klein ist. Um dennoch eine hinreichend große Kapazität zu erzielen, ist es angestrebt, den Abstand zwischen den Elektroden zu verringern, was bei gleich bleibenden Herstellungsprozessen für die Elektroden, die entweder im
Dünnschicht- oder Dickschichtverfahren auf den Grundkörper bzw. die
Messmembran aufgebracht werden, eine Verringerung der Stärke der Fügestelle zwischen dem Grundkörper und der Messmembran bedeutet.
Dem nahe liegenden Ansatz, ein dünneres Lotformteil zu verwenden, sind jedoch enge Grenzen gesetzt, da dünnere Teile mit akzeptablen Toleranzen schwierig zu fertigen sind, und da die Benetzungseigenschaften zwischen Aktivhartlot und dem Keramikmaterial stark von der chemischen Zusammensetzung des
Aktivhartlots abhängt, wobei die Zusammensetzung und der Einfluss von
Kontaminanten eine Funktion des Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Aktivlotformteils ist.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kapazitive, keramische Druckmesszelle bereitzustellen, welche trotz der genannten
Schwierigkeiten eine hinreichende Robustheit gegenüber den axialen
Einspannkräften durch den O-Ring aufweist, und die über ausreichende
Kapazitäten verfügt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Druckmesszelle gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Die erfindungsgemäße Druckmesszelle umfasst einen keramischen Grundkörper, und eine keramische Messmembran, wobei die Messmembran mit dem
Grundkörper entlang einer ringförmig umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, wobei die Fügestelle einen Randbereich der Messmembran unterstützt, wobei der Grundkörper fluchtend mit dem Randbereich mindestens einer Vertiefung gegenüber einer Basisfläche für die Fügestelle aufweist, wobei die Vertiefung zumindest teilweise mit Aktivhartlot gefüllt ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vertiefung mindestens eine ringförmig umlaufende Nut umfasst, wobei die Nut beispielsweise einen
rechteckigen, einen trapezförmigen, einen V-förmigen oder einen U-förmigen Querschnitt aufweisen kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vertiefung im Querschnitt eine Breite von nicht mehr als etwa 500 Mikrometern, insbesondere nicht mehr als 300 Mikrometern auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Grundkörper mehrere
Vertiefungen im Randbereich auf, beispielsweise konzentrische umlaufende Nuten und/oder eine oder mehrere unterbrochene Nuten, und/oder Sacklöcher.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die mindestens eine Vertiefung eine Fase am Rand der Oberfläche des Grundkörpers.
Bei einer gegebenen Masse bzw. einem gegebenen Volumen des Aktivhartlots und bei einer gegebenen radialen Stärke ra - n der Fügestelle wird die
resultierende Höhe der Fügestelle und damit der Abstand zwischen
Messmembran und Grundkörper über die Menge des Lots definiert, welches in die Vertiefung bzw. die Vertiefungen gelangt. Der Abstand zwischen
Messmembran und Grundkörper ist aber kritisch für eine gleichmäßige
Kalibrierbarkeit der Sensoren in einem angestrebten Toleranzband. Die Erfindung umfasst nun zwei Ausgestaltungen zur Kontrolle des Abstands.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Vertiefung vollständig mit Aktivhartlot gefüllt. Hierbei wird die Menge des Aktivhartlots in den Vertiefung durch das Volumen der Vertiefung selbst bestimmt. Die Vertiefung wird beispielsweise durch Fräsen, Drehen eines insbesondere ringförmigen Grabens in eine Stirnfläche des Grundkörpers und anschließender
Oberflächenbehandlung durch Schleifen und/oder Läppen der Stirnfläche präpariert, wobei durch das Fräsen oder Drehen zunächst ein Ausgangsvolumen des Grabens vorgegeben ist, welches durch die anschließende
Oberflächenbehandlung verkleinert wird. Die Toleranzen dieser beiden
Fertigungsschritte definieren insoweit die Toleranzen der in der Vertiefung aufnehmbaren Menge des Aktivhartlots. Zwar wären ergänzende, nachträgliche Korrekturbohrungen in den Boden des Grabens zur Feinabstimmung des Volumens denkbar, aber dieser Ansatz erscheint für eine Serienproduktion nur bedingt geeignet. Die Vertiefung kann gleichermaßen durch Trockenpressen vor dem Brennen des Grundkörpers präpariert werden, wobei die erörterten Schritte zur Oberflächenbehandlung nach dem Brennen ebenfalls zu folgen haben.
In der zweiten Ausgestaltung der Erfindung zur Kontrolle des Abstands zwischen der Messmembran und dem Grundkörper ist die mindestens eine Vertiefung nur teilweise mit Aktivhartlot gefüllt. Bei dieser Ausgestaltung kann wie beim ersten Ausführungsbeispiel ein Graben präpariert werden, der jedoch auch nach der Oberflächenbehandlung des Grundkörpers ein Volumen aufweist, welches größer ist als das Volumen des aufzunehmenden Aktivhartlots. Die Menge des Aktivhartlots, die dann tatsächlich in die Vertiefung fließt, ist über den Lotprozess kinetisch kontrolliert, d.h. über die Löttemperatur und die Zeit des Lötprozesses. Dies ist deshalb möglich, weil die Geschwindigkeit der Lotfront von der
Reaktionsgeschwindigkeit zwischen der aktiven Komponente des Aktivhartlots und dem keramischen Material abhängt. Die Entscheidung für die erste oder die zweite Ausgestaltung wird von den unter vorgefundenen Fertigungsbedingungen erzielbaren Toleranzen im Vergleich mit den angestrebten Toleranzen einerseits und dem damit verbunden Aufwand andererseits zu fällen sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% des Volumens des Aktivhartlots der Fügestelle in der Vertiefung bzw. den Vertiefungen angeordnet.
In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der Abstand zwischen dem
Grundkörper und der Messmembran im Randbereich nicht mehr als 40
Mikrometer vorzugsweise nicht mehr als 20 Mikrometer und besonders bevorzugt nicht mehr als 12,5 Mikrometer.
In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Fläche des Randbereichs mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 40%, weiter bevorzugt mindestens 50% und besonders bevorzugt mindestens 55% der Fläche der Messmembran.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 : einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle; und
Fig. 2: einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle.
Die in Figur 1 gezeigte Druckmesszelle 1 weist eine kreisscheibenförmige Messmembran 2 und einen stärkeren kreisplattenförmigen Grundkörper 3 auf, wobei die Messmembran und der Grundkörper insbesondere aus Korund gefertigt sind. Die Messmembran weist vorzugsweise hochreines Korund auf, um einerseits die Korrosionsbeständigkeit und andererseits die Bruchfestigkeit der Messmembran zu erhöhen. Die Reinheitsanforderungen an den Grundkörper sind geringer. Die dem Grundkörper 3 zugewandte Oberfläche der
Messmembran 2 weist eine Elektrode 4 auf, welche die gesamte freie Oberfläche der Messmembran 2 bedeckt. Die der Messmembran zugewandte Oberfläche des Grundkörpers 3 weist eine zentrale Messelektrode 5 und eine diese umgebende ringförmige Referenzelektrode 6 auf. Die Elektroden 4, 5, 6 können beispielsweise durch metallische Beschichtung insbesondere mit Tantal hergestellt sein, oder sie können eine Glasschicht mit eingebetteten
Metallpartikeln umfassen, wie in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2007 026 243 beschrieben ist.
Die Messmembran 2 ist dem Grundkörper 3 durch eine Aktivhartlot Fügestelle 7 verbunden, welche in einem Hochvakuumlötprozess gebildet wird. Hierzu wird ein Aktivhartlot Formteil zwischen der Stirnfläche des Grundkörpers 3 und der Messmembran angeordnet, wobei das Aktivhartlot Teil eine Mindeststärke aufweist, die durch deren Herstellungsprozess bedingt ist. Mit einem solchen Formteil ließen sich jedenfalls die gewünschten geringen Abstände zwischen dem Grundkörper 3 und der Messmembran 2 nicht sicher einstellen, wenn das gesamte Material des Aktivhartlots zwischen der Messmembran und der Ebene der Stirnfläche des Grundkörpers verbleiben müsste. Deshalb ist in der
Stirnfläche des Grundkörpers ein ringförmiger Graben 8 präpariert, der während des Hochvakuumlötprozesses vollständig mit Aktivhartlot gefüllt wird. Auf diese Weise ist die Materialmenge des Aktivhartlots, welche die Stärke der Fügestelle 7 um ein definiertes Volumen reduziert, wodurch der Abstand zwischen der Messmembran 2 und dem Grundkörper 3 kontrolliert verringert wird.
Das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt eine Druckmesszelle 1 1 mit einer Messmembran 12 und einen Grundkörper 13, wobei die Messmembran 12 eine Elektrode 14 und der Grundkörper an seiner der Messmembran zugewandten Stirnfläche eine Messelektrode 15 und einer Referenzelektrode 16 aufweist. Hinsichtlich der Materialien des Grundkörpers, der Messmembran und der Elektroden gelten die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel sinngemäß.
Die Messmembran 12 und der Grundkörper 13 sind mittels eines Aktivhartlotrings 17 in einem Hochvakuumlötprozess gefügt, wobei zur Kontrolle des
Abstands zwischen der Messmembran 12 und dem Grundkörper 13 ein Teil des Aktivhartlots 19a, 19b in einem ringförmig umlaufenden Graben 18a, 18b aufgenommen ist.
Das Ausgangsbeispiel aus Figur 2 unterscheidet sich von dem
Ausführungsbeispiel aus Figur 1 dadurch, dass der ringförmig umlaufende Graben 18a, 18b nicht vollständig mit Aktivharlot gefüllt ist. Eine vollständige Befüllung des umlaufenden Grabens 18a, 18b würde zu unbrauchbaren
Ergebnissen führen, denn der Graben 18a, 18b weist entlang seines Umfangs unterschiedliche Tiefen auf, was seine Ursache beispielsweise darin haben kann, dass nach der Präparation eines gleichmäßig tiefen Grabens im Grundkörper 13 der Grundkörper beim anschließenden Schleifen, Läppen und Polieren der Oberfläche gegenüber der Schleifebene verkippt, was zu einer geneigten
Oberfläche führt, wie in der Zeichnung übertrieben dargestellt ist. Der Effekt von Verkippungen ist aber durchaus ein reales Problem, denn geht man
beispielsweise von einem Grundkörperdurchmesser von etwa 1 % Zentimetern aus, und nimmt zum Zwecke der Abschätzung einen Verkippungswinkel von einer Bogenminute an, führt dies etwa zu einem Tiefenunterschied von 5
Mikrometern zwischen der maximalen Tiefe und der minimalen Tiefe des umlaufenden Grabens. Berücksichtigt man, dass die Gesamtstärke der
Fügestelle 17 beispielsweise 10-20 Mikrometer betragen soll, so wäre es nicht vertretbar, in dieser Situation die Menge des im Graben aufgenommenen Lots über die Grabentiefe zu definieren. Im vergleichsweise harmloseren Fall, wenn das Lot während des Prozesses entlang des Umfangs fließen und Höhenunterschiede ausgleichen kann, ist aufgrund der ungenau kontrollierten Grabentiefe der resultierende Abfand zwischen Messmembran und Grundkörper Undefiniert.
Wenn aber aufgrund der Zähigkeit des Lots ein Höhenausgleich entlang des Umfangs nicht möglich ist, kommt es aufgrund der unterschiedlichen Grabentiefe zu einer Variation des Abstands zwischen Grundkörper und Messmembran und damit zu einem Verkippen der Elektrodenebenen zueinander.
Dieses Verkippen würde aber die Kapazität cr zwischen der Referenzelektrode 16 und der Membranelektrode 14 gegenüber der Kapazität cp zwischen der Messelektrode 15 und der Membranelektrode 14 relativ erhöhen. Im Ergebnis würde dies bei einer gängigen Auswertung der Kapazitäten, die in erster Nährung durch eine Funktion p = p((cp - cr) / cr) beschrieben ist, zu einer Nullpunktverschiebung und zu einer geringeren Empfindlichkeit führen.
Um die beschriebene Fehlerquelle zu vermeiden, wird die Menge des Lots 19a, 19b, welche in dem Graben 18a, 18b hineinläuft, kinetisch kontrolliert, und zwar in der Weise, dass die Temperatur so gewählt ist, dass die aktive Komponente des Aktivhartlots das Keramikmaterial des Grundkörpers in dem Graben 18a, 18b nur langsam benetzt, und dass die Lotfront des eindringenden Lots 19a, 19b in einer verfügbaren Zeit, über welche die Temperatur auf dem für die Benetzung erforderlichen Wert gehalten wird, nur bis zu einer definierten Tiefe in die Gräben 18a, 18b eindringen kann. Damit ist die Menge des Lots in dem umlaufenden Graben völlig unabhängig von der tatsächlichen Tiefe des Grabens, solange dieser nur tief genug ist.
Im Ergebnis weist daher die Messmembran 12 über den gesamten Umfang einen gleichmäßigen, definierten Abstand von der Stirnfläche des Grundkörpers 13 auf, obwohl der umlaufende Graben unterschiedliche Tiefen aufweist.

Claims

Patentansprüche
1. Druckmesszelle (1 ), umfassend: einen keramischen Grundkörper (3); und eine keramische Messmembran (2), wobei die Messmembran (2) mit dem Grundkörper (3) entlang einer ringförmig umlaufenden Fügestelle (7) druckdicht verbunden ist, wobei die Fügestelle (7) einen Randbereich der Messmembran (2) unterstützt, wobei der Grundkörper (2) fluchtend mit dem Randbereich mindestens eine Vertiefung (8) gegenüber einer Basisfläche für die Fügestelle (7) aufweist, wobei die Vertiefung zumindest teilweise mit Aktivhartlot gefüllt ist.
2. Druckmesszelle nach Anspruch 1 , wobei die Vertiefung mindestens eine ringförmig umlaufende Nut umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Nut einen rechteckigen, einen trapezförmigen, einen V-förmigen oder einen U-förmigen Querschnitt aufweist.
4. Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vertiefung im Querschnitt eine Breite von nicht mehr als etwa 500 Mikrometern insbesondere nicht mehr als 300 Mikrometern aufweist.
5. Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckmesszelle mehrere Vertiefungen im Randbereich umfasst.
6. Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% des Volumens des Aktivhartlots der Fügestelle in der Vertiefung bzw. den Vertiefungen angeordnet ist.
7. Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Vertiefung vollständig mit Aktivhartlot gefüllt ist.
8. Druckmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die
mindestens eine Vertiefung nur teilweise mit Aktivhartlot gefüllt ist.
9. Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen dem Grundkörper und der Messmembran im Randbereich nicht mehr als 40 Mikrometer vorzugsweise nicht mehr als 20 Mikrometer und besonders bevorzugt nicht mehr als 12,5 Mikrometer beträgt.
10. Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fläche des Randbereichs mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 40%, weiter bevorzugt mindestens 50% und besonders bevorzugt mindestens 55% der Fläche der Messmembran beträgt.
PCT/EP2010/064997 2009-11-18 2010-10-07 Kapazitive keramische druckmesszelle WO2011061006A1 (de)

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