WO2012119836A1 - Ceramic pressure measuring cell - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a ceramic pressure measuring cell, in particular a ceramic pressure measuring cell with a base body and a measuring membrane, which is connected to the base body including a measuring chamber between the base body and the measuring diaphragm, and an electrical transducer, which is a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm in an electric Signal converts, as well as an electronic circuit for driving the electric
- Such electronic circuits should be positioned as close as possible to the transducer and encapsulated in order to minimize the interference on the transducer signals and to protect the electronic circuits from environmental influences such as moisture. Especially in the
- EP 1 463 927 B1 discloses a relative pressure sensor with a ceramic basic body and a ceramic measuring membrane, wherein a ceramic pot is arranged on the back of the base body, which encloses an electronic circuit, wherein the ceramic pot with an adhesive or by a metallic solder attached to the main body.
- an adhesive however, a sufficient hermetic tightness can not be achieved, and in the case of the metallic solder, the described stress field again arises between the matching expansion coefficient and the processing temperature, as already discussed in connection with the previously discussed disclosure.
- metallic solders contain fluxes that can lead to trapped vapors or corrosive liquids in the capsule, which can affect the electronic circuitry.
- the published patent application DE10326975A1 discloses a pressure sensor, which has an electronic circuit for preprocessing its Messsig- signals, which is arranged in a metallic capsule of cobalt, corundum or glass, the capsule is largely mechanically isolated from the body of the pressure measuring cell is positioned to mechanical interactions to be largely avoided between the pressure measuring cell and the capsule.
- the capsule has a considerably smaller lateral extent than the pressure measuring cell, since an area portion of the pressure measuring cell is still to be kept free around the capsule in order to support the pressure measuring cell on the back. Therefore, the electronic circuit must be arranged compactly in the capsule, so that there is hardly room for the reduction of temperature peaks over long distances available.
- Pressure sensor exists. It is therefore the object of the present invention to provide a ceramic pressure sensor having an electronic processing circuit, which is arranged near the pressure measuring cell and hermetically sealed. The object is achieved by the pressure sensor according to the independent claim 1 and the method according to the independent claim. 8
- the pressure sensor comprises a pressure measuring cell, which has a ceramic base body, a ceramic measuring membrane and an electrical transducer, wherein the ceramic measuring membrane is connected to the base body, wherein between the base body and the measuring diaphragm a measuring chamber is formed, and wherein at least one of the base body facing away Side of the measuring diaphragm can be acted upon with a pressure to be measured, wherein the electrical converter is provided for converting a deformation of the measuring diaphragm into an electrical signal; wherein the pressure sensor further comprises an electronic circuit for operating the electrical transducer and a capsule, wherein the electronic circuit is arranged in the capsule, which is formed by the main body and at least a second capsule body, wherein the second capsule body with the main body along a circumferential joint hermetically sealed, according to the invention, the circumferential joint comprises a glass solder.
- the main body comprises a rear side facing away from the measuring diaphragm, which is essentially planar.
- the second capsule body is then preferably formed substantially cup-shaped, that is, with a hollow cylindrical shape, each having an open and a closed end face.
- the second capsule body is with its open end face including the
- the base body comprises a rear side facing away from the measuring membrane, which is formed substantially pot-shaped, ie with a hollow cylindrical shape, which has an opening in its end face remote from the membrane.
- the second capsule body can then have a planar side facing the base body, which, with the inclusion of the electronic circuit, is placed on the rear side of the base body and hermetically sealed thereto with a circumferential joint which has a glass solder.
- the capsule according to an embodiment of the invention, in particular hermetically sealed
- Feedthroughs which are not shown here in detail, and which are prepared in the second capsule body.
- the electrical converter which may be a capacitive or resistive converter in particular, is contacted via feedthroughs through the main body.
- the feedthroughs can be used by the circuit
- Plug connections with cutting contacts so-called grid arrays, in particular with solder balls, or be contacted by means of other SMD contacting methods.
- a reference air supply into the measuring chamber of the pressure measuring cell is to be provided.
- a reference air path outside the second capsule body run, or it can be a reference air path through the capsule body passed, including, for example, a ceramic capillary, a glass capillary or capillary made of Kovar ® or Invar ® is suitable before or after joining the second capsule body with the main body or in the same step to connect to the capsule body.
- the glass solder is melted during the preparation of the joint by means of a laser or electron beam. It is generally known that these compounds can be produced between ceramic components with a glass solder, as described for example in the published patent application DE 103 08 820 A1 and in US Pat. No. 4,380,041 for the joint between a base body and a measuring diaphragm. Accordingly, therefore, glass solders are known which fit from their expansion coefficient to the ceramic joining partners for the production of a pressure measuring cell, namely a measuring membrane and a base body made of aluminum oxide. So far, however, it is problematic to encapsulate electronic circuits with such glass solder joints, since the glass solders often have to be processed at temperatures above 500 ° C, whereby the electronic circuits can be damaged.
- controllable heat sources such as a laser beam or an electron beam
- the inventive method for encapsulating an electronic circuit of a pressure sensor comprising a ceramic pressure measuring cell with a ceramic base body, a second ceramic capsule body and an electronic circuit for operating an electrical transducer of the pressure measuring cell comprises:
- Joint which has a glass solder, wherein the glass solder is heated by means of at least one laser beam and / or by means of at least one electron beam.
- a pressure sensor which has substantially cylinder geometry, rotate about its cylinder axis to heat uniformly around the joint to avoid thermo-mechanical stresses.
- a C02 laser in raster mode can achieve a controlled heating of the environment of the glass solder, in which case the actual melting can be done with a second laser, which may be, for example, a pulsed Nd-YAG laser.
- a joint thus produced leads to a hermetically sealed encapsulation of the electronic circuit near the base body, wherein the capsule is in particular moisture and gas-tight, whereby moisture influences on the signal processing are completely eliminated.
- FIG. 1 shows a longitudinal section through an embodiment of a
- FIG. 2 shows a longitudinal section through an embodiment of a
- the relative pressure sensor 1 illustrated in FIG. 1 comprises a pressure measuring cell with a ceramic base body 2 and a ceramic measuring membrane 3, which are connected to one another in a pressure-tight manner to form a measuring chamber 4 between the base body and the measuring diaphragm.
- the pressure measuring cell comprises an unspecified electrical converter for converting a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm 3 into an electrical signal.
- the converter may be, for example, a capacitive or resistive converter.
- the pressure sensor 1 For operating the electrical converter, the pressure sensor 1 according to the invention has an electronic circuit 5 which is to be hermetically sealed in order to protect it from environmental influences, in particular moisture.
- the capsule is equipped with a the joint 8, which has a glass solder and runs between the base body 2 and the second capsule body 6, hermetically sealed.
- the glass solder is locally heated by means of a laser or electron beam so as not to affect the components enclosed in the capsule.
- the pressure sensor 1 is a relative pressure sensor
- the measuring chamber 4 must be subjected to the atmospheric pressure in the vicinity of the relative pressure sensor.
- a ceramic capillary tube 9 passes through the capsule and adjoins a bore through the base body 2, the ceramic tube 9 being hermetically sealed to the rear side of the capsule with a glass solder 10 before closing the capsule
- Base body 2 is joined, and wherein after placing the second capsule body 6 on the base body 2, the ceramic tube 9 with a second joint 1 1, which has a glass solder, hermetically sealed with the outside of the capsule body 6 is added.
- bushings 12 are provided in the base body 2, wherein the bushings may include, for example, soldered metal pins, in particular tantalum pins.
- the electronic circuit 5 is connected via a ribbon cable 13 to bushings 14, which extend through the second capsule body 6 and are hermetically sealed in this.
- the base body 2, the measuring membrane 3, the second capsule body 6, a carrier of the electronic circuit 5 and the ceramic tube 9 preferably have thermomechanically compatible materials, it being presently preferred that all of the said components have corundum.
- thermo-mechanical stresses can be largely avoided, and a long-term stable hermetic encapsulation of the electronic circuit 5 can be achieved.
- FIG. 2 of an absolute pressure sensor 21 comprises a pressure measuring cell with a main body 22, and a measuring diaphragm 23, which is pressure-tightly joined to the main body to form an evacuated measuring chamber 24.
- the absolute pressure sensor 21 further comprises an electric transducer and an electronic circuit 25 for driving the transducer, wherein the electronic circuit is hermetically sealed.
- the capsule is formed between the base body 22 and a second capsule body 26, wherein the base body 22 in its second capsule body 26 facing the rear side has a recess 27 which essentially defines the interior of the capsule.
- the second capsule body 26 and the base body 22 are hermetically sealed together along a circumferential joint 28, which has a glass solder.
- the connections to the outside for transmitting the electronic circuit 25 are guided via bushings 34 through the second capsule body 26, wherein the bushings 34 contact the electronic circuit 25 via solder balls in a so-called grid array.
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Abstract
The invention relates to a pressure sensor (1) comprising a pressure measuring cell, which has a ceramic main body (2), a ceramic measurement membrane (3), and an electrical transducer, wherein the measurement membrane is connected to the main body (2), wherein a measurement chamber is formed between the main body (2) and the measurement membrane, and wherein a pressure to be measured can be applied to at least one side of the measurement membrane facing away from the main body (2), wherein the transducer is designed to convert a deformation of the measurement membrane into an electrical signal, wherein the pressure sensor further comprises an electronic circuit (5) for operating the electrical transducer and a capsule, wherein the electronic circuit (5) is arranged in the capsule, which is formed by the main body (2) and at least one second capsule body, and wherein the second capsule body is joined to the main body in a hermetically sealed manner along a circumferential joint (8), which comprises a glass solder. The joint (8) is preferably prepared by means of laser beam soldering or electron beam soldering.
Description
Keramische Druckmesszelle Ceramic pressure cell
Die vorliegende Erfindung betrifft eine keramische Druckmesszelle, insbesondere eine keramische Druckmesszelle mit einem Grundkörper und einer Messmembran, welche unter Einschluss einer Messkammer zwischen dem Grundkörper und der Messmembran mit dem Grundkörper verbunden ist, und einem elektrischen Wandler, welcher eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Signal wandelt, sowie einer elektronischen Schaltung zum Treiben des elektrischen The present invention relates to a ceramic pressure measuring cell, in particular a ceramic pressure measuring cell with a base body and a measuring membrane, which is connected to the base body including a measuring chamber between the base body and the measuring diaphragm, and an electrical transducer, which is a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm in an electric Signal converts, as well as an electronic circuit for driving the electric
Wandlers und zum Verarbeiten des von dem Wandler bereitgestellten elektrischen Signals. Derartige elektronische Schaltungen sind möglichst nahe am Wandler zu positionieren und zu kapseln, um die Störeinflüsse auf die Wandlersignale zu minimieren und die elektronischen Schaltungen vor Umwelteinflüssen wie Feuchte zu schützen. Gerade in der Converter and for processing the electrical signal provided by the transducer. Such electronic circuits should be positioned as close as possible to the transducer and encapsulated in order to minimize the interference on the transducer signals and to protect the electronic circuits from environmental influences such as moisture. Especially in the
industriellen Prozessmesstechnik können derartige Störungen jedoch beispielsweise aufgrund von Reinigungszyklen und prozessbedingten Temperaturschwankungen auftreten. Es sind daher Bemühungen bekannt, die elektronischen Schaltungen, welche auch Vorortelektronik genannt werden, zu kapseln, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen. Die Offen- legungsschrift DE 101 35 568 A1 offenbart einen Drucksensor, bei welchem eine metallische Kappe, welche eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung aufweist, auf der Rückseite eines Grundkörpers aus Aluminiumoxid mittels eines Aktivhartlots hermetisch dicht gefügt ist, um eine unter der Kappe eingeschlossene elektronische Schaltung zu schützen. Der dort beschrie- bene Ansatz lässt insoweit zu wünschen übrig, als ein Aktivhartlot, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient an den des Aluminiumoxids angepasst ist, nur bei solchen Temperaturen gelötet werden kann, welche eine unter der Kappe eingeschlossene elektronische Schaltung beeinträchtigen würden. Daher kommen nur solche Lote in Frage, welche einen abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizient aufweisen, so dass in der Fügestelle thermomechanische Spannungen entstehen, welche den Messwert der Druckmesszelle verfälschen können, obwohl das Material der Kappe
hinsichtlich seines Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Material des Grundkörpers angepasst ist. industrial process measurement, however, such disturbances can occur, for example, due to cleaning cycles and process-related temperature fluctuations. There are therefore known efforts to encapsulate the electronic circuits, which are also called on-site electronics, to protect them from environmental influences. The laid-open specification DE 101 35 568 A1 discloses a pressure sensor in which a metallic cap comprising an iron-nickel-cobalt alloy is hermetically sealed on the rear side of an aluminum oxide base body by means of an active brazing plug, one under the cap enclosed electronic circuit to protect. The approach described there leaves much to be desired insofar as an active brazing alloy whose coefficient of thermal expansion is adapted to that of the aluminum oxide can only be brazed at temperatures which would impair an electronic circuit enclosed under the cap. Therefore, only those solders in question, which have a different coefficient of thermal expansion, so that arise in the joint thermo-mechanical stresses that can distort the reading of the pressure measuring cell, although the material of the cap is adapted to the material of the body in terms of its thermal expansion coefficient.
EP 1 463 927 B1 offenbart einen Relativdrucksensor mit einem kerami- sehen Grundkörper und einer keramischen Messmembran, wobei auf der Rückseite des Grundkörpers ein keramischer Topf angeordnet ist, der eine elektronische Schaltung umschließt, wobei der keramische Topf mit einem Kleber oder durch ein metallisches Lot auf dem Grundkörper befestigt ist. Mit einem Kleber lässt sich jedoch eine hinreichende hermetische Dichtigkeit nicht erzielen, und bei dem metallischen Lot stellt sich wieder das beschriebene Spannungsfeld zwischen passendem Ausdehnungskoeffizienten und Verarbeitungstemperatur, wie bereits im Zusammenhang mit der zuvor diskutierten Offenlegungsschrift erörtert wurde. Zudem enthalten metallische Lote Flussmittel, die zu eingeschlossenen Dämpfen oder korrosiven Flüssigkeiten in der Kapsel führen können, was die elektronische Schaltung beeinträchtigen kann. EP 1 463 927 B1 discloses a relative pressure sensor with a ceramic basic body and a ceramic measuring membrane, wherein a ceramic pot is arranged on the back of the base body, which encloses an electronic circuit, wherein the ceramic pot with an adhesive or by a metallic solder attached to the main body. With an adhesive, however, a sufficient hermetic tightness can not be achieved, and in the case of the metallic solder, the described stress field again arises between the matching expansion coefficient and the processing temperature, as already discussed in connection with the previously discussed disclosure. In addition, metallic solders contain fluxes that can lead to trapped vapors or corrosive liquids in the capsule, which can affect the electronic circuitry.
Die Offenlegungsschrift DE10326975A1 offenbart einen Drucksensor, welcher eine elektronische Schaltung zur Vorverarbeitung seiner Messsig- nale aufweist, die in einer metallischen Kapsel aus Kobalt, Korund oder Glas angeordnet ist, wobei die Kapsel weitgehend mechanisch isoliert von dem Grundkörper der Druckmesszelle positioniert ist, um mechanische Wechselwirkungen zwischen der Druckmesszelle und der Kapsel weitgehend zu vermeiden. Zudem weist die Kapsel eine erheblich geringere late- rale Ausdehnung auf als die Druckmesszelle, da um die Kapsel herum noch ein Flächenanteil der Druckmesszelle freizuhalten ist, um die Druckmesszelle rückseitig abzustützen. Daher muss die elektronische Schaltung in der Kapsel kompakt angeordnet sein, so dass kaum Raum zum Abbau von Temperaturspitzen über lange Abstände zur Verfügung steht. Andererseits muss beim Verschließen der Kapsel mittels eines Löt- oder Schweißverfahrens dennoch gewährleistet werden, dass die elektronische Schaltung in der Kapsel nicht überhitzt.
Die zuvor beschriebenen Ansätze zum Schutz der elektronischen Schaltungen bzw. Verarbeitungsschaltungen haben alle ihre Berechtigung, jedoch gehen sie alle mit Einschränkungen hinsichtlich der Wahl der Fügematerialien einher, was Kompromisse hinsichtlich der Dichtigkeit bedeutet, oder sie führen zu mechanischen Wechselwirkungen zwischen der Kapsel und der Druckmesszelle, sodass weiterhin ein Bedarf nach einer verbesserten Kapselung der elektronischen Schaltung eines The published patent application DE10326975A1 discloses a pressure sensor, which has an electronic circuit for preprocessing its Messsig- signals, which is arranged in a metallic capsule of cobalt, corundum or glass, the capsule is largely mechanically isolated from the body of the pressure measuring cell is positioned to mechanical interactions to be largely avoided between the pressure measuring cell and the capsule. In addition, the capsule has a considerably smaller lateral extent than the pressure measuring cell, since an area portion of the pressure measuring cell is still to be kept free around the capsule in order to support the pressure measuring cell on the back. Therefore, the electronic circuit must be arranged compactly in the capsule, so that there is hardly room for the reduction of temperature peaks over long distances available. On the other hand, when closing the capsule by means of a soldering or welding process, it must nevertheless be ensured that the electronic circuit in the capsule does not overheat. The above-described approaches to protecting the electronic circuits or processing circuits are all justified, but they are all accompanied by restrictions on the choice of joining materials, which means compromise in terms of tightness, or they lead to mechanical interactions between the capsule and the pressure measuring cell, so that there remains a need for improved encapsulation of the electronic circuitry of a
Drucksensors besteht. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen keramischen Drucksensor bereitzustellen, welcher eine elektronische Verarbeitungsschaltung aufweist, die nahe der Druckmesszelle angeordnet und hermetisch dicht gekapselt ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8. Pressure sensor exists. It is therefore the object of the present invention to provide a ceramic pressure sensor having an electronic processing circuit, which is arranged near the pressure measuring cell and hermetically sealed. The object is achieved by the pressure sensor according to the independent claim 1 and the method according to the independent claim. 8
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst eine Druckmesszelle, welche einen keramischen Grundkörper, eine keramische Messmembran und einen elektrischen Wandler aufweist, wobei die keramische Messmembran mit dem Grundkörper verbunden ist, wobei zwischen dem Grundkörper und der Messmembran eine Messkammer ausgebildet ist, und wobei zumindest eine dem Grundkörper abgewandte Seite der Messmembran mit einem zu messenden Druck beaufschlagbar ist, wobei der elektrische Wandler zum Wandeln einer Verformung der Messmembran in ein elektri- sches Signal vorgesehen ist; wobei der Drucksensor weiterhin eine elektronische Schaltung zum Betreiben des elektrischen Wandlers und eine Kapsel umfasst, wobei die elektronische Schaltung in der Kapsel angeordnet ist, die durch den Grundkörper und mindestens einem zweiten Kapselkörper gebildet wird, wobei der zweite Kapselkörper mit dem Grundkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle hermetisch dicht gefügt ist, wobei erfindungsgemäß die umlaufende Fügestelle ein Glaslot umfasst.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Grundkörper eine der Messmembran abgewandte Rückseite, welche im wesentlichen eben ist. Der zweite Kapselkörper ist dann vorzugsweise im wesentlichen topfförmig ausgebildet, also mit einer hohlzylindrischen Form, die jeweils eine offene und eine geschlossene Stirnfläche aufweist. Der zweite Kapselkörper ist mit seiner offenen Stirnfläche unter Einschluss der The pressure sensor according to the invention comprises a pressure measuring cell, which has a ceramic base body, a ceramic measuring membrane and an electrical transducer, wherein the ceramic measuring membrane is connected to the base body, wherein between the base body and the measuring diaphragm a measuring chamber is formed, and wherein at least one of the base body facing away Side of the measuring diaphragm can be acted upon with a pressure to be measured, wherein the electrical converter is provided for converting a deformation of the measuring diaphragm into an electrical signal; wherein the pressure sensor further comprises an electronic circuit for operating the electrical transducer and a capsule, wherein the electronic circuit is arranged in the capsule, which is formed by the main body and at least a second capsule body, wherein the second capsule body with the main body along a circumferential joint hermetically sealed, according to the invention, the circumferential joint comprises a glass solder. In a further development of the invention, the main body comprises a rear side facing away from the measuring diaphragm, which is essentially planar. The second capsule body is then preferably formed substantially cup-shaped, that is, with a hollow cylindrical shape, each having an open and a closed end face. The second capsule body is with its open end face including the
elektronischen Schaltung auf die Rückseite des Grundkörpers aufgesetzt und an dieser mit einer umlaufenden Fügestelle, die ein Glaslot aufweist, hermetisch dicht befestigt. mounted electronic circuit on the back of the body and hermetically attached to this with a circumferential joint, which has a glass solder.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfasst der Grundkörper eine der Messmembran abgewandte Rückseite, welche im wesentlichen topfförmig ausgebildet ist, also mit einer hohlzylindrischen Form, welche in ihrer membranabgewandten Stirnfläche eine Öffnung aufweist. Der zweite Kapselkörper kann dann eine dem Grundkörper zugewandte ebene Seite aufweisen, die unter Einschluss der elektronischen Schaltung auf die Rückseite des Grundkörpers aufgesetzt und an dieser mit einer umlaufenden Fügestelle, die ein Glaslot aufweist, hermetisch dicht befestigt ist. Zur Kontaktierung der elektronischen Schaltung weist die Kapsel gemäß einer Weiterbildung der Erfindung insbesondere hermetisch dichte In another embodiment of the invention, the base body comprises a rear side facing away from the measuring membrane, which is formed substantially pot-shaped, ie with a hollow cylindrical shape, which has an opening in its end face remote from the membrane. The second capsule body can then have a planar side facing the base body, which, with the inclusion of the electronic circuit, is placed on the rear side of the base body and hermetically sealed thereto with a circumferential joint which has a glass solder. For contacting the electronic circuit, the capsule according to an embodiment of the invention, in particular hermetically sealed
Durchführungen auf, welche hier nicht näher dargestellt sind, und welche in dem zweiten Kapselkörper präpariert sind. Gleichermaßen ist der elektrische Wandler, der insbesondere ein kapazitiver oder resistiver Wandler sein kann, über Durchführungen durch den Grundkörper kontaktiert. Die Durchführungen können von der Schaltung mittels Feedthroughs, which are not shown here in detail, and which are prepared in the second capsule body. Likewise, the electrical converter, which may be a capacitive or resistive converter in particular, is contacted via feedthroughs through the main body. The feedthroughs can be used by the circuit
Bonddrähten, Leiterbahnen an den Oberflächen der keramischen Bauteile, flexiblen Leiterplatten, Steckverbindungen, insbesondere Bonding wires, conductor tracks on the surfaces of the ceramic components, flexible printed circuit boards, plug-in connections, in particular
Steckverbindungen mit Schneidkontakten, so genannten Grid-Arrays, insbesondere mit Lotperlen, oder mittels anderer SMD- Kontaktierungsmethoden kontaktiert werden.
Für einen Relativdrucksensor ist eine Referenzluftzufuhr in die Messkammer der Druckmesszelle bereitzustellen. Hierzu kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beispielsweise ein Referenzluftpfad außerhalb des zweiten Kapselkörpers verlaufen, oder es kann ein Referenzluftpfad durch den Kapselkörper hindurch geführt werden, wozu beispielsweise eine keramische Kapillare, eine Glaskapillare oder eine Kapillare aus Kovar ® oder Invar ® geeignet ist, die vor oder nach dem Fügen des zweiten Kapselkörpers mit dem Grundkörper oder im gleichen Arbeitsschritt mit dem Kapselkörper zu verbinden ist. Plug connections with cutting contacts, so-called grid arrays, in particular with solder balls, or be contacted by means of other SMD contacting methods. For a relative pressure sensor, a reference air supply into the measuring chamber of the pressure measuring cell is to be provided. For this purpose, according to an embodiment of the invention, for example, a reference air path outside the second capsule body run, or it can be a reference air path through the capsule body passed, including, for example, a ceramic capillary, a glass capillary or capillary made of Kovar ® or Invar ® is suitable before or after joining the second capsule body with the main body or in the same step to connect to the capsule body.
In einer derzeit bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Glaslot bei der Präparation der Fügestelle mittels eines Lasers oder mittels Elektronenstrahls aufgeschmolzen. Es ist grundsätzlich bekannt, dass diese Verbindungen zwischen keramischen Komponenten mit einem Glaslot hergestellt werden können, wie dies beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 103 08 820 A1 und in dem US-Patent 4,380,041 für die Fügestelle zwischen einem Grundkörper und einer Messmembran beschrieben ist. Demnach sind also Glaslote bekannt, die von ihrem Ausdehnungskoeffizienten zu den keramischen Fügepartnern zur Herstellung einer Druckmesszelle passen, nämlich einer Messmembran und einem Grundkörper aus Aluminiumoxid. Bisher ist es jedoch problematisch, mit solchen Glaslotverbindungen elektronische Schaltungen zu kapseln, da die Glaslote häufig bei Temperaturen von oberhalb 500 °C verarbeitet werden müssen, wodurch die elektronischen Schaltungen beschädigt werden können. In a currently preferred embodiment of the invention, the glass solder is melted during the preparation of the joint by means of a laser or electron beam. It is generally known that these compounds can be produced between ceramic components with a glass solder, as described for example in the published patent application DE 103 08 820 A1 and in US Pat. No. 4,380,041 for the joint between a base body and a measuring diaphragm. Accordingly, therefore, glass solders are known which fit from their expansion coefficient to the ceramic joining partners for the production of a pressure measuring cell, namely a measuring membrane and a base body made of aluminum oxide. So far, however, it is problematic to encapsulate electronic circuits with such glass solder joints, since the glass solders often have to be processed at temperatures above 500 ° C, whereby the electronic circuits can be damaged.
Der Einsatz von steuerbaren Wärmequellen wie einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl ermöglichen dagegen eine räumlich und zeitlich sehr genau kontrollierbare Erwärmung des Glaslots und der unmittelbaren Umgebung des Glaslots in den Oberflächenbereichen der Fügepartner, so dass ein lokales Schmelzen des Lots und Diffusionsprozesse an der Oberfläche der Fügepartner zur Herstellung der Lotverbindung ermöglicht
werden, ohne die Fügepartner oder die zwischen den Fügepartnern eingeschlossene elektronische Schaltung über einen Temperaturgrenzwert zu erwärmen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kapseln einer elektronischen Schaltung eines Drucksensors, der eine keramische Druckmesszelle mit einem keramischen Grundkörper, einen zweiten keramischen Kapselkörper und eine elektronische Schaltung zum Betreiben eines elektrischen Wandlers der Druckmesszelle aufweist, umfasst: The use of controllable heat sources such as a laser beam or an electron beam, however, allow a spatially and temporally very precisely controllable heating of the glass solder and the immediate vicinity of the glass solder in the surface areas of the joining partners, so that a local melting of the solder and diffusion processes on the surface of the joining partners Production of solder joint allows without heating the joining partners or the electronic circuit enclosed between the joining partners above a temperature limit value. The inventive method for encapsulating an electronic circuit of a pressure sensor comprising a ceramic pressure measuring cell with a ceramic base body, a second ceramic capsule body and an electronic circuit for operating an electrical transducer of the pressure measuring cell comprises:
Positionieren des Grundkörpers und des zweiten Kapselkörpers Positioning the base body and the second capsule body
zueinander unter Einschluss der Schaltung in einen Kapselinnenraum zwischen dem Grundkörper und dem zweiten Kapselkörper und Verschließen des Kapselinnenraums mit einer hermetisch dichten to each other, including the circuit in a capsule interior between the main body and the second capsule body and closing the capsule interior with a hermetically sealed
Fügestelle, die ein Glaslot aufweist, wobei das Glaslot mittels mindestens eines Laserstrahls und/oder mittels mindestens eines Elektronenstrahls erwärmt wird. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann ein Drucksensor, der im wesentlichen Zylindergeometrie aufweist, um seine Zylinderachse rotieren, um zur Vermeidung von thermomechanischen Spannungen die Fügestelle umlaufend gleichmäßig zu erwärmen. Weiterhin kann gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Joint, which has a glass solder, wherein the glass solder is heated by means of at least one laser beam and / or by means of at least one electron beam. According to one embodiment of the invention, a pressure sensor which has substantially cylinder geometry, rotate about its cylinder axis to heat uniformly around the joint to avoid thermo-mechanical stresses. Furthermore, according to a development of the invention
Verfahrens eine Strahlungsquelle gepulst und/oder im Dauerstrich - und/oder im Rastermodus betrieben werden, um ein gewünschtes Temperaturprofil im Bereich der Fügestelle zu erreichen. Weiterhin kann mit mehreren Lasern gearbeitet werden, um ein A pulsed radiation source and / or operated in continuous wave and / or in the raster mode to achieve a desired temperature profile in the region of the joint. Furthermore, you can work with several lasers to a
gewünschtes Temperaturprofil im Bereich der Fügestelle einzustellen. set desired temperature profile in the area of the joint.
Beispielsweise kann ein C02-Laser im Rastermode eine kontrollierte Erwärmung der Umgebung des Glaslots erreichen, wobei dann das
eigentliche Aufschmelzen mit einem zweiten Laser erfolgen kann, der beispielsweise ein gepulster Nd-YAG-Laser sein kann. For example, a C02 laser in raster mode can achieve a controlled heating of the environment of the glass solder, in which case the actual melting can be done with a second laser, which may be, for example, a pulsed Nd-YAG laser.
Eine solchermaßen hergestellte Fügestelle führt zu einer hermetisch dichten Kapselung der elektronischen Schaltung nahe dem Grundkörper, wobei die Kapsel insbesondere feuchte- und gasdicht ist, wodurch Feuchteeinflüsse auf die Signalverarbeitung vollständig eliminiert sind. A joint thus produced leads to a hermetically sealed encapsulation of the electronic circuit near the base body, wherein the capsule is in particular moisture and gas-tight, whereby moisture influences on the signal processing are completely eliminated.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt: The invention will now be explained with reference to the embodiments illustrated in the drawings. It shows:
Fig. 1 : einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines 1 shows a longitudinal section through an embodiment of a
erfindungsgemäßen Relativdrucksensors; und Fig. 2: einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines relative pressure sensor according to the invention; and FIG. 2 shows a longitudinal section through an embodiment of a
erfindungsgemäßen Absolutdrucksensors. Absolute pressure sensor according to the invention.
Der in Fig. 1 dargestellte Relativdrucksensor 1 umfasst eine Druckmesszelle mit einem keramischen Grundkörper 2 und einer keramischen Mess- membran 3, die unter Bildung einer Messkammer 4 zwischen dem Grundkörper und der Messmembran miteinander druckdicht verbunden sind. Die Druckmesszelle umfasst einen hier nicht näher spezifizierten elektrischen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran 3 in ein elektrisches Signal. Der Wandler kann beispielsweise ein kapazitiver oder resistiver Wandler sein. The relative pressure sensor 1 illustrated in FIG. 1 comprises a pressure measuring cell with a ceramic base body 2 and a ceramic measuring membrane 3, which are connected to one another in a pressure-tight manner to form a measuring chamber 4 between the base body and the measuring diaphragm. The pressure measuring cell comprises an unspecified electrical converter for converting a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm 3 into an electrical signal. The converter may be, for example, a capacitive or resistive converter.
Zum Betreiben des elektrischen Wandlers weist der erfindungsgemäße Drucksensor 1 eine elektronische Schaltung 5 auf, welche hermetisch dicht zu kapseln ist, um sie vor Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchte zu schützen. Hierzu bilden der Grundkörper 2 und ein topfförmiger Kapselkörper 6, der auf die Rückseite des Grundkörpers aufgesetzt wird, eine Kapsel, die in ihrem Inneren eine Kammer 7 aufweist, in welcher die elektronische Schaltung 5 angeordnet ist. Die Kapsel ist mit einer umlaufen-
den Fügestelle 8, die ein Glaslot aufweist und zwischen dem Grundkörper 2 und dem zweiten Kapselkörper 6 verläuft, hermetisch dicht verschlossen. Beim Schließen der Kapsel wird das Glaslot mittels eines Lasers oder Elektronenstrahls lokal erwärmt, um die in der Kapsel eingeschlossenen Komponenten nicht zu beeinträchtigen. For operating the electrical converter, the pressure sensor 1 according to the invention has an electronic circuit 5 which is to be hermetically sealed in order to protect it from environmental influences, in particular moisture. For this purpose, the main body 2 and a cup-shaped capsule body 6, which is placed on the back of the body, a capsule having in its interior a chamber 7, in which the electronic circuit 5 is arranged. The capsule is equipped with a the joint 8, which has a glass solder and runs between the base body 2 and the second capsule body 6, hermetically sealed. When closing the capsule, the glass solder is locally heated by means of a laser or electron beam so as not to affect the components enclosed in the capsule.
Insoweit, als der Drucksensor 1 ein Relativdrucksensor ist, muss die Messkammer 4 mit dem Atmosphärendruck in der Umgebung des Relativdrucksensors beaufschlagt werden. Hierzu führt ein keramisches Kapillar- rohr 9 durch die Kapsel hindurch und schließt an eine Bohrung durch den Grundkörper 2 an, wobei das keramische Rohr 9 vor dem Schließen der Kapsel mit einem Glaslot 10 hermetisch dicht an der Rückseite des Insofar as the pressure sensor 1 is a relative pressure sensor, the measuring chamber 4 must be subjected to the atmospheric pressure in the vicinity of the relative pressure sensor. For this purpose, a ceramic capillary tube 9 passes through the capsule and adjoins a bore through the base body 2, the ceramic tube 9 being hermetically sealed to the rear side of the capsule with a glass solder 10 before closing the capsule
Grundkörpers 2 gefügt ist, und wobei nach dem Aufsetzen des zweiten Kapselkörpers 6 auf dem Grundkörper 2 das keramische Rohr 9 mit einer zweiten Fügestelle 1 1 , welche ein Glaslot aufweist, hermetisch dicht mit der Außenseite des Kapselkörpers 6 gefügt ist. Zur Kontaktierung des elektrischen Wandlers durch die elektronische Schaltung 5 sind Durchführungen 12 in dem Grundkörper 2 vorgesehen, wobei die Durchführungen beispielsweise eingelötete Metallstifte, insbesondere Tantalstifte um- fassen können. Die elektronische Schaltung 5 ist über ein Flachbandkabel 13 an Durchführungen 14 angeschlossen, welche sich durch den zweiten Kapselkörper 6 erstrecken und in diesem hermetisch dicht gefügt sind. Der Grundkörper 2, die Messmembran 3, der zweite Kapselkörper 6, ein Träger der elektronischen Schaltung 5 und das keramische Rohr 9 weisen vorzugsweise thermomechanisch kompatible Werkstoffe auf, wobei es derzeit bevorzugt ist, dass alle die genannten Komponenten Korund aufweisen. Durch Auswahl eines Glaslots für die Fügestelle zwischen dem Grundkörper und dem zweiten Kapselkörper sowie zwischen dem Base body 2 is joined, and wherein after placing the second capsule body 6 on the base body 2, the ceramic tube 9 with a second joint 1 1, which has a glass solder, hermetically sealed with the outside of the capsule body 6 is added. To contact the electrical converter through the electronic circuit 5 bushings 12 are provided in the base body 2, wherein the bushings may include, for example, soldered metal pins, in particular tantalum pins. The electronic circuit 5 is connected via a ribbon cable 13 to bushings 14, which extend through the second capsule body 6 and are hermetically sealed in this. The base body 2, the measuring membrane 3, the second capsule body 6, a carrier of the electronic circuit 5 and the ceramic tube 9 preferably have thermomechanically compatible materials, it being presently preferred that all of the said components have corundum. By selecting a glass solder for the joint between the main body and the second capsule body and between the
keramischen Rohr 9 und dem Grundkörper 2 beziehungsweise dem zweiten Kapselkörper 6, welches einen zu dem keramischen Werkstoff passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, können thermo- mechanische Spannungen weitgehend vermieden werden, und eine
langfristig stabile hermetische Kapselung der elektronischen Schaltung 5 kann erreicht werden. ceramic tube 9 and the base body 2 and the second capsule body 6, which has a matching to the ceramic material thermal expansion coefficient, thermo-mechanical stresses can be largely avoided, and a long-term stable hermetic encapsulation of the electronic circuit 5 can be achieved.
Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ab- solutdrucksensors 21 umfasst eine Druckmesszelle mit einem Grundkörper 22, und einer Messmembran 23, die unter Bildung einer evakuierten Messkammer 24 mit dem Grundkörper druckdicht gefügt ist. Der Absolutdrucksensor 21 umfasst weiterhin einen elektrischen Wandler und eine elektronische Schaltung 25 zum Treiben des Wandlers, wobei die elektro- nische Schaltung hermetisch dicht gekapselt ist. Die Kapsel wird zwischen dem Grundkörper 22 und einem zweiten Kapselkörper 26 gebildet, wobei der Grundkörper 22 in seiner dem zweiten Kapselkörper 26 zugewandten Rückseite eine Aussparung 27 aufweist, welche im Wesentlichen den Innenraum der Kapsel definiert. Der zweite Kapselkörper 26 und der Gründkörper 22 sind entlang einer umlaufenden Fügestelle 28, die ein Glaslot aufweist, hermetisch dicht miteinander gefügt. Die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Wandler und der elektronischen Schaltung 25 erfolgt über Durchführungen 32 durch den Grundkörper 23, welche an ihrem anderen Ende Leiterbahnen 33 an der kapselseitigen Oberfläche des zweiten Kapselkörpers 26 kontaktieren, die mit Kontaktflächen der elektronischen Schaltung 25 in Verbindung stehen. Die Anschlüsse nach außen zum Übertragen der elektronischen Schaltung 25 werden über Durchführungen 34 durch den zweiten Kapselkörper 26 geführt, wobei die Durchführungen 34 die elektronische Schaltung 25 über Lotbälle in einem so genannten Grid-Array kontaktieren. The embodiment shown in FIG. 2 of an absolute pressure sensor 21 according to the invention comprises a pressure measuring cell with a main body 22, and a measuring diaphragm 23, which is pressure-tightly joined to the main body to form an evacuated measuring chamber 24. The absolute pressure sensor 21 further comprises an electric transducer and an electronic circuit 25 for driving the transducer, wherein the electronic circuit is hermetically sealed. The capsule is formed between the base body 22 and a second capsule body 26, wherein the base body 22 in its second capsule body 26 facing the rear side has a recess 27 which essentially defines the interior of the capsule. The second capsule body 26 and the base body 22 are hermetically sealed together along a circumferential joint 28, which has a glass solder. The electrical connection between the electrical converter and the electronic circuit 25 via feedthroughs 32 through the base body 23, which contact at its other end conductor tracks 33 on the capsule-side surface of the second capsule body 26, which are in contact with contact surfaces of the electronic circuit 25. The connections to the outside for transmitting the electronic circuit 25 are guided via bushings 34 through the second capsule body 26, wherein the bushings 34 contact the electronic circuit 25 via solder balls in a so-called grid array.
Hinsichtlich der Materialwahl für die Messmembran, den Grundkörper, den zweiten Kapselkörper und einen keramischen Träger der elektronischen Schaltung 25 gelten die Erläuterungen zum ersten Ausführungsbeispiel sinngemäß.
With regard to the choice of material for the measuring diaphragm, the main body, the second capsule body and a ceramic carrier of the electronic circuit 25, the explanations to the first embodiment apply mutatis mutandis.
Claims
Patentansprüche claims
Drucksensor (1 ; 21 ), umfassend: eine Druckmesszelle, welche einen keramischen Grundkörper (2; 22), eine keramische Messmembran (3; 23) und einen elektrischen Wandler aufweist, wobei die keramische Messmembran mit dem Grundkörper (2; 22) verbunden ist, wobei zwischen dem Grundkörper (2; 22) und der Messmembran eine Messkammer ausgebildet ist, und wobei zumindest eine dem Grundkörper (2; 22) abgewandte Seite der Messmembran mit einem zu messenden Druck beaufschlagbar ist, wobei der elektrische Wandler zum Wandeln einer Verformung der Messmembran in ein elektrisches Signal vorgesehen ist; wobei der Drucksensor weiterhin eine elektronische Schaltung (5; 25) zum Betreiben des elektrischen Wandlers und eine Kapsel umfasst, wobei die elektronische Schaltung (5; 25) in der Kapsel angeordnet ist, die durch den Grundkörper (2; 22) und mindestens einem zweiten Kapselkörper gebildet ist, wobei der zweite Kapselkörper mit dem Grundkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle (8; 28) hermetisch dicht gefügt ist, und wobei die umlaufende Fügestelle (8; 28) ein Glaslot umfasst.
Drucksensor nach Anspruch 1 , wobei der Grundkörper (2) eine der Messmembran (3) abgewandte Rückseite umfasst, wobei der zweite Kapselkörper (6) im wesentlichen eine Pressure sensor (1; 21), comprising: a pressure measuring cell which has a ceramic base body (2; 22), a ceramic measuring diaphragm (3; 23) and an electrical transducer, the ceramic measuring diaphragm being connected to the base body (2; 22) wherein between the base body (2; 22) and the measuring diaphragm a measuring chamber is formed, and wherein at least one of the base body (2; 22) facing away from the measuring membrane is acted upon with a pressure to be measured, wherein the electrical transducer for converting a deformation of Measuring diaphragm is provided in an electrical signal; said pressure sensor further comprising an electronic circuit (5; 25) for operating said electrical transducer and a capsule, said electronic circuit (5; 25) being disposed in said capsule passing through said body (2; 22) and at least a second one Capsule body is formed, wherein the second capsule body with the main body along a circumferential joint (8; 28) hermetically sealed, and wherein the peripheral joint (8; 28) comprises a glass solder. Pressure sensor according to claim 1, wherein the base body (2) comprises a rear side facing away from the measuring diaphragm (3), wherein the second capsule body (6) is essentially a
hohlzylindrische Form mit jeweils einer offenen und einer hollow cylindrical shape, each with an open and a
geschlossenen Stirnfläche aufweist, wobei der zweite Kapselkörper (6) mit seiner offenen Stirnfläche unter Einschluss der elektronischen Schaltung (5) auf die Rückseite des Grundkörpers (2) aufgesetzt und an dieser mit einer having the closed end face, wherein the second capsule body (6) with its open end face including the electronic circuit (5) placed on the back of the base body (2) and at this with a
umlaufenden Fügestelle (8), die ein Glaslot aufweist, hermetisch dicht befestigt ist. circumferential joint (8), which has a glass solder, hermetically sealed.
Drucksensor nach Anspruch 1 , wobei der Grundkörper (22) eine der Messmembran (23) Pressure sensor according to claim 1, wherein the main body (22) one of the measuring membrane (23)
abgewandte Rückseite aufweist, welche eine hohlzylindrische Form mit einer Öffnung in ihrer membranabgewandten Stirnfläche aufweist, wobei der zweite Kapselkörper (26) eine dem Grundkörper (23) zugewandte Seite aufweist, die unter Einschluss der elektronischen Schaltung (25) auf die Rückseite des Grundkörpers (22) aufgesetzt und an dieser mit einer umlaufenden Fügestelle (28), die ein Glaslot aufweist, hermetisch dicht befestigt ist. has the rear side facing away, which has a hollow cylindrical shape with an opening in its end face remote from the membrane, wherein the second capsule body (26) has a side facing the main body (23), which includes the electronic circuit (25) on the back of the main body (22 ) and attached to this with a peripheral joint (28) having a glass solder, hermetically sealed.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapsel zur Kontaktierung der elektronischen Schaltung elektrische Durchführungen aufweist, die durch den zweiten Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the capsule for contacting the electronic circuit having electrical feedthroughs, which by the second
Kapselkörper verlaufen.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor ein Relativdrucksensor ist und eine Referenzluftzufuhr in die Messkammer der Druckmesszelle umfasst. Capsule body run. Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the pressure sensor is a relative pressure sensor and comprises a reference air supply into the measuring chamber of the pressure measuring cell.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Pressure sensor according to one of claims 1 to 4, wherein the
Drucksensor ein Absolutdrucksensor ist und eine evakuierte Messkammer aufweist. Pressure sensor is an absolute pressure sensor and having an evacuated measuring chamber.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem das Glaslot bei der Präparation der Fügestelle mittels eines Lasers oder mittels eines Elektronenstrahls aufgeschmolzen wird. Pressure sensor according to one of the preceding claims, obtainable by a method in which the glass solder is melted during the preparation of the joint by means of a laser or by means of an electron beam.
Verfahren zum Kapseln einer elektronischen Schaltung eines Drucksensors, der eine keramische Druckmesszelle mit einem keramischen Grundkörper, einen zweiten keramischen Kapselkörper und eine elektronische Schaltung zum Betreiben eines elektrischen Wandlers der Druckmesszelle aufweist, umfassend: A method of encapsulating an electronic circuit of a pressure sensor comprising a ceramic pressure measuring cell having a ceramic body, a second ceramic capsule body and an electronic circuit for operating an electrical transducer of the pressure measuring cell, comprising:
Positionieren des Grundkörpers und des zweiten Kapselkörpers zueinander unter Einschluss der Schaltung in einen Positioning the main body and the second capsule body to each other including the circuit in a
Kapselinnenraum, der zwischen dem Grundkörper und dem zweiten Kapselkörper; und Capsule interior, between the main body and the second capsule body; and
Verschließen des Kapselinnenraums mit einer hermetisch dichten Fügestelle, die ein Glaslot aufweist, wobei das Glaslot mittels mindestens eines Laserstrahls und/oder mittels mindestens eines Elektronenstrahls erwärmt wird. Closing the capsule interior with a hermetically sealed joint, which has a glass solder, wherein the glass solder is heated by means of at least one laser beam and / or by means of at least one electron beam.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Drucksensor im The method of claim 8, wherein the pressure sensor in
wesentlichen zumindest abschnittsweise Zylindergeometrie aufweist, wobei der Drucksensor bei dem Aufschmelzen des Glaslots um seine Zylinderachse rotiert.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei mehrere Laser verwendet werden, um ein gewünschtes Temperaturprofil Bereich der Fügestelle einzustellen.
has substantially at least partially cylinder geometry, wherein the pressure sensor rotates in the melting of the glass solder around its cylinder axis. The method of claim 8 or 9, wherein a plurality of lasers are used to set a desired temperature profile region of the joint.
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