WO2016066322A1 - Keramischer drucksensor und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Keramischer drucksensor und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

Info

Publication number
WO2016066322A1
WO2016066322A1 PCT/EP2015/071284 EP2015071284W WO2016066322A1 WO 2016066322 A1 WO2016066322 A1 WO 2016066322A1 EP 2015071284 W EP2015071284 W EP 2015071284W WO 2016066322 A1 WO2016066322 A1 WO 2016066322A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
edge region
temperature
pressure
measuring
ceramic
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/071284
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anh Tuan Tham
Andreas Rossberg
Elke Schmidt
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg filed Critical Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
Publication of WO2016066322A1 publication Critical patent/WO2016066322A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • G01L9/0072—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
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/145—Housings with stress relieving means

Definitions

  • the invention relates to a ceramic pressure sensor, with an acted upon by a pressure, pressure-dependent elastically deformable ceramic measuring membrane, a base body, and an outer edge of the measuring membrane, including a pressure chamber with an outer edge of the measuring membrane facing the end face of the body connecting Aktivhartlötung, and a Process for its preparation.
  • Ceramic pressure sensors include absolute pressure sensors, one on the
  • Differential pressure sensors that detect a pressure difference between two pressures acting on it.
  • An active peripheral soldering connecting an outer edge of the measuring diaphragm with the inclusion of a pressure chamber with an outer edge of an end face of the base body facing the measuring diaphragm.
  • Measuring diaphragm and body of these pressure sensors consist e.g. of aluminum oxide and are pressure-tight joined by means of a Zr-Ni alloy and titanium ternary active brazing.
  • solder layer is arranged between the measuring diaphragm and the base body, which is introduced as a prefabricated solder preform or alternatively applied as a solder paste.
  • DE 10 2010 043 1 19 A1 describes applying the solder layer to the outer edge of the measuring diaphragm and / or the base body by vapor deposition.
  • the Aktivhartlötung done by the arrangement formed by the main body, the solder layer and the measuring membrane under vacuum in total to one above the Melting temperature of the solder soldering temperature is heated and held there for a longer period, esp. A period of 5 min to 15 min.
  • solder preform and measuring diaphragm are heated up to a total of soldering temperature, it takes a correspondingly long time for the active brazing to take place
  • Messmembran and body of ceramic pressure sensors can be improved by the solder layer is arranged between the diaphragm and the body completely melted under vacuum by laser radiation.
  • the laser radiation is directed through the outer edge of the measuring diaphragm onto the active hard solder.
  • a complete laser melting of the solder layer uses a laser which operates in a wavelength range in which the ceramic of the measuring diaphragm is substantially transparent.
  • the molten active brazing material is kept at the brazing temperature by the laser irradiation for a period of not more than one minute.
  • Cooling of Aktivhartlötung can be done. This provides less time for nucleation and growth of segregated phases.
  • the active hard solders used in the above known from the prior art method have a coefficient of thermal expansion, which is adapted to the thermal expansion coefficient of the ceramic body and measuring diaphragm.
  • the coefficients of expansion are not identical, so that in spite of the comparatively good adaptation during cooling of the active brazing or of the pressure sensor from the brazing temperature to room temperature, mechanical stresses form in the pressure sensor.
  • the largest voltages in terms of magnitude are formed where the materials with different thermal expansion coefficients meet. Accordingly, the stresses are concentrated both in an edge region of the active brazing facing the measuring membrane and in an edge region of the active brazing facing the base body.
  • Temperature dependence of the measurement results can cause a dependent on the time course of the ambient temperature and / or the pressure to be measured hysteresis of the measurement results, which leads to a deterioration of the achievable measurement accuracy.
  • the invention comprises a ceramic pressure sensor, with
  • the invention comprises a method for producing a ceramic
  • Pressure sensor in particular a pressure sensor according to the invention, in which
  • deformable ceramic diaphragm and a base body are prefabricated, and
  • an outer edge of the measuring diaphragm, including a pressure chamber, is connected to an outer edge of an end side of the main body facing the measuring diaphragm by means of active brazing,
  • treatment temperature is heated, which is greater than or equal to a temperature at which the active braze is plastically deformable.
  • a first variant of the method according to the invention provides that the edge region is heated to an aftertreatment temperature at which stresses existing in the edge region are released essentially by plastic deformation of the edge region.
  • the after-treatment temperature is in a temperature range comprising temperatures greater than or equal to
  • Soldering temperature of the active hard solder lying aftertreatment temperature is heated, in which the edge area melts.
  • the heating of the edge region to the aftertreatment temperature is effected by laser irradiation by means of a laser aligned on the edge region, in particular of a pulse laser.
  • a development of the last-mentioned further development is characterized in that - the laser operates in a wavelength range in which the ceramic of the measuring diaphragm is substantially transparent, and
  • the edge region has a layer thickness in the
  • An advantage of the invention is that production-related stresses within the pressure sensor are deliberately reduced by the inventive spatially limited after-treatment of the measuring membrane facing edge region of Aktivhartlötung where they are particularly large and have a particularly adverse effect on the measurement properties of the pressure sensor. Not only are tensions within the border area resolved, but there is also an adaptation of the
  • Edge region of the force acting on the edge region stress conditions in the immediate vicinity instead.
  • the quality of the joint in particular its strength, can be improved in the edge area by melting the edge area at the same time.
  • the heating of the edge region by means of a laser offers the advantage that the
  • Energy supply can be limited to a spatially very narrow range.
  • the post-treatment temperature, the aftertreatment time and the dimensions of the edge region to be heated can be specified very precisely via a corresponding selection and activation of the laser.
  • a further advantage is that the end faces of the active soldering edge region to be heated are enclosed between the measuring diaphragm and the core area of the active hard soldering. While Aktivhartlötungen must be performed regularly under vacuum or under a protective gas atmosphere due to the reactivity of the active brazing, the aftertreatment due to the addition of the comparatively small edge surfaces complete inclusion of the edge region between the measuring diaphragm and the core area of the active hard soldering.
  • Fig. 1 shows: a ceramic pressure sensor
  • Fig. 2 shows an enlargement of the active brazing of Fig. 1;
  • Fig. 1 shows a section through an embodiment of a ceramic pressure sensor. This comprises a pressure membrane p acted upon and pressure-dependent elastically deformable measuring membrane 1, which is arranged on a base body 3.
  • the measuring membrane 1 and preferably also the base body 3 are made of ceramic, for example of aluminum oxide (Al 2 0 3 ), and are pressure-tightly connected to each other, including a pressure chamber 5. For this purpose, an outer edge of the main body. 3
  • the active brazing material used for this purpose is preferably a ternary active brazing solder having a Zr-Ni alloy and titanium, as described, for example, in US Pat. is described in the aforementioned EP 490 807 A2.
  • the illustrated pressure sensor can be designed as an absolute pressure sensor.
  • the pressure chamber 5 enclosed under the measuring diaphragm 1 is evacuated.
  • it can be formed as a relative pressure sensor by the pressure chamber 5 via a through leading the base body 3, dashed lines in Fig. 1 shown bore 9, a reference pressure p ref , for example, an atmospheric pressure is supplied, based on the pressure acting on the measuring diaphragm 1 pressure p is to be detected.
  • the pressure sensor comprises an electromechanical transducer which serves to metrologically detect a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm 1.
  • a capacitive converter for this purpose, which has at least one capacitor with a capacitance which changes as a function of the pressure-related deflection of the measuring diaphragm 1.
  • This comprises an electrode 1 1 applied on a side of the measuring diaphragm 1 facing the base body 3 and an end face of the front side facing the measuring diaphragm 1
  • Base 3 applied counter-electrode 13.
  • the pressure-dependent capacitance of this capacitor or its changes are detected by a connected to the electrode 1 1 and the counter electrode 13, not shown here measuring electronics and converted into a pressure-dependent measurement signal, which then for display, for further processing and / or evaluation is available.
  • the pressure sensor is manufactured by prefabricating measuring diaphragm 1 and base body 3. For this, e.g. Sintering be used, in which measuring membrane 1 and base 3 are each made of a granulate, which is filled in a correspondingly shaped prefabricated mold, pressed in the mold and then sintered.
  • Manufacturing tolerances is required to be subjected to a corresponding mechanical hard machining.
  • hard machining methods such as e.g. Turning, milling, drilling, sawing, lapping or grinding can be used.
  • an electrical connection of the counter electrode 13 can be provided by a contact pin 15, e.g. a tantalum pin is inserted into a bore leading through the base body 3, which produces an electrically conductive connection to the counterelectrode 13.
  • Pressure chamber 5 pressure-tightly connected by active brazing.
  • active brazing between facing by the Aktivhartlötung 7 outer facing each other Edges of the base body 3 and measuring membrane 1 arranged a solder layer.
  • Lot Mrs can e.g. applied as solder paste or in the form of a prefabricated
  • Solder preform e.g. a solder ring
  • solder preforms e.g. the solder preforms described in EP 490 807 A1 are used. Due to the Melt-Spinning process used for their production, these have a minimum thickness of the order of magnitude of 30 ⁇ m.
  • a lower minimum thickness of the measuring membrane 1 and base body 3 connecting active brazing 7 and, consequently, a lower electrode spacing, which is more advantageous for achieving a higher measuring accuracy, can be achieved according to a method described in DE 10 2010 043 1 19 A1.
  • the active brazing solder 7 required active brazing material is applied by means of vapor deposition on the joining surfaces.
  • the arrangement formed by the main body 3, the solder layer and the measuring membrane 1 is heated in total to a soldering temperature above the melting temperature of the active hard solder and heated there over a longer period of time, in particular a period of 5 min to 15 min, held.
  • the above-mentioned in DE 10 201 1 005 665 A1 described Aktivhartlöt compiler can be used, in which the solder layer is completely melted by laser radiation under vacuum.
  • the molten active brazing material is held by the laser irradiation for a period of not more than one minute at a brazing temperature which is greater than or equal to the liquidus temperature of the active brazing above which the active brazing material is completely liquefied.
  • the active component of the active brazing material here titanium, reacts with the ceramic.
  • a reduction of the ceramic causes a mechanically high-strength chemical bond between the ceramic and the active brazing material.
  • Soldering temperatures in the range of 880 ° C to 920 ° C, required.
  • Fig. 2 shows a not to scale magnification of the circled in Fig. 1
  • the two edge regions 17, 19 each comprise a connecting layer 21, in which the chemical bonding between the ceramic caused by the active brazing process
  • edge regions 17,19 in which form the largest stresses, regularly have a compared to the height h of Aktivhartlötung 7 small layer thickness d in the order of a few microns, esp. In the order of 2 ⁇ to 3 ⁇ , on.
  • the active brazing 7 of the pressure sensor is subjected to an aftertreatment, which serves to reduce the stresses in the edge region 17 facing the measuring membrane 1. This is done by targeted spatially on the
  • Edge region 17 concentrated heating of the edge region 17th
  • a laser 25 is preferably used.
  • Particularly suitable for this are pulse lasers which generate laser pulses of short duration.
  • the energy supply caused by the laser pulses is spatially even more limited, the shorter the pulse duration.
  • the laser irradiation of the edge region 17 preferably takes place through the measuring membrane 1.
  • a laser 25 is used, which operates at a wavelength that is used to a large extent by the active hard solder, but not or at least only in significant To a lesser extent of the ceramic of the measuring membrane 1, is absorbed.
  • CO2 or Nd-YAG lasers with wavelengths in the visible to near infrared range are suitable for this purpose in conjunction with the abovementioned aluminum oxide ceramic and the Zr-Ni alloy and titanium-containing ternary active hard solder.
  • the measuring membrane 1 is so far preferably made of a ceramic, which is characterized by a low density
  • Scattering centers in the visible wavelength range is characterized. Particularly suitable for this purpose are high-purity alumina ceramics, as are described, for example, in US Pat. in DE 10 2008 036 381 B3 are described.
  • the laser irradiation can be carried out, for example, in the manner shown in FIG. 2 by arranging the laser 25 above the measuring diaphragm 1, and by means of a laser beam
  • Beam guiding device 27 is aligned with the edge region 17 of Aktivhartlötung 7. Subsequently, laser 25 and pressure sensor are moved relative to each other such that the laser beam sweeps over the entire base surface of the edge region 17. Thereby the laser power and the irradiation time are adjusted according to the
  • Temperature of the edge region 17 are monitored by pyrometric temperature measurements.
  • the edge region 17 is heated to an after-treatment temperature which is greater than or equal to the temperature at which the active brazing material used is plastically deformable.
  • Post-treatment temperature is to which the edge region 17 is heated.
  • the aftertreatment time over which the edge region 17 is maintained at the post-treatment temperature is dependent on the
  • After-treatment temperatures shortly aftertreatment times are required and vice versa.
  • the aftertreatment time depends on the after-treatment temperature, e.g. in the order of a few seconds.
  • edge region 17 To reduce stresses caused by active brazing, it is sufficient to heat the edge region 17 to an after-treatment temperature T at which plastic deformations occur in the edge region 17. This is already the case in a near range below the solidus temperature of the active hard solder temperatures.
  • the post-treatment temperature is in a temperature range, the Includes temperatures greater than the solidus temperature of the active braze and exceeding the solidus temperature by less than 50 ° C.
  • a temperature range of 800 ° C. to 850 ° C. results for this purpose.
  • edge region 17 adapts optimally to the plastic deformation
  • the edge region 17 is preferably heated to an after-treatment temperature at which the edge region 17 melts. This is the case in the area of the soldering temperature of the active brazing material.
  • the edge region 17 As a result of the melting of the edge region 17, stresses in the edge region 17 are completely released. During the subsequent solidification, the edge region also adapts optimally to the stress conditions in its immediate vicinity, so that here also within the edge region 17 existing, as well as on the measuring membrane 1 and the core region of Aktivhartlötung 7 in the edge region 17 acting stresses through the aftertreatment be reduced.
  • the invention can be used completely analogously also in conjunction with ceramic pressure sensors designed as differential pressure sensors.
  • 3 shows an exemplary embodiment of a differential pressure sensor with a ceramic main body 23, on the opposite end faces of which in each case a measuring diaphragm 1 is arranged.
  • Each of the measuring membranes 1 is in each case including a pressure chamber 5 via a
  • the pressure chambers 5 are filled with a pressure-transmitting liquid and connected to each other via a pressure-transmitting line 31 also filled with a pressure-transmitting liquid.
  • the first measuring diaphragm 1 is acted upon by a first pressure pi and the second measuring diaphragm 1 by a second pressure p 2 and the resulting deflection of at least one of the two measuring diaphragms 1 dependent on the pressure difference between the first and second pressures pi, p 2 detected by means of an electromechanical transducer, such as a capacitive transducer, metrologically, and converted into a corresponding differential pressure measurement signal.
  • an electromechanical transducer such as a capacitive transducer, metrologically, and converted into a corresponding differential pressure measurement signal.
  • the one of the respective measuring membrane 1 is also facing here

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Child & Adolescent Psychology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Es ist ein keramischer Drucksensor mit einer mit einem Druck (p, p1, p2) beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren keramischen Messmembran (1), einem Grundkörper (3, 29) und einer einen äußeren Rand der Messmembran (1) unter Einschluss einer Druckkammer (5) mit einem äußeren Rand einer der Messmembran (1) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (3, 29) verbindenden Aktivhartlötung (7) mit verbesserten Messeigenschaften, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben, bei dem die verbesserten Messeigenschaften dadurch erzielt werden, dass in einem der Messmembran (1) zugewandten Randbereich (17) der Aktivhartlötung (7) enthaltene Spannungen durch gezieltes, räumlich auf den Randbereich (17) konzentriertes Erwärmen des Randbereichs (17) auf eine Nachbehandlungstemperatur (T), die größer gleich einer Temperatur ist, bei der das Aktivhartlot plastisch verformbar ist, reduziert werden.

Description

Keramischer Drucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen keramischen Drucksensor, mit einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren keramischen Messmembran, einem Grundkörper, und einer einen äußeren Rand der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Keramische Drucksensoren umfassen Absolutdrucksensoren, die einen auf die
Messmembran einwirkenden Druck gegenüber Vakuum messen, Relativdrucksensoren, die den auf die Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Druckkammer zugeführten Referenzdruck, z.B. einen Atmosphärendruck, messen, sowie
Differenzdrucksensoren, die eine Druckdifferenz zwischen zwei darauf einwirkenden Drücken erfassen.
Keramische Drucksensoren der eingangs genannte Art finden heute weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik. In der EP 490 807 A1 ist ein keramischer Drucksensor beschrieben, mit
- einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren
keramischen Messmembran,
- einem Grundkörper und
- einer einen äußeren Rand der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung.
Messmembran und Grundkörper dieser Drucksensoren bestehen z.B. aus Aluminiumoxid und sind mittels eines eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlots druckdicht gefügt.
Bei dem in der EP 490 807 A1 beschriebenen Lötverfahren wird hierzu eine Lotschicht zwischen Messmembran und Grundkörpers angeordnet, die als vorgefertigtes Lotformteil eingebracht oder alternativ als Lotpaste aufgetragen wird. Als Alternative hierzu ist in der DE 10 2010 043 1 19 A1 beschrieben, die Lotschicht durch Gasphasenabscheidung auf den äußeren Rand der Messmembran und/oder des Grundkörpers aufzubringen.
Die Aktivhartlötung erfolgt, indem die durch den Grundkörper, die Lotschicht und die Messmembran gebildete Anordnung unter Vakuum insgesamt auf eine oberhalb der Schmelztemperatur des Lots liegende Löttemperatur aufgeheizt und dort über einen längeren Zeitraum, insb. einen Zeitraum von 5 min bis 15 min, gehalten wird.
Da Grundkörper, Lotformteil und Messmembran hierbei insgesamt auf die Löttemperatur aufgeheizt werden, dauert es entsprechend lange, bis sich die Aktivhartlötung im
Anschluss an den Lötvorgang abkühlt. Lange Abkühldauern begünstigen die Ausbildung grobkörnigerer Strukturen durch Phasenausscheidungen, die sich nachteilig auf die Qualität der Aktivhartlötung, insb. deren Festigkeit, auswirken. Gemäß der DE 10 201 1 005 665 A1 kann die Qualität der Aktivhartlötung von
Messmembran und Grundkörper keramischer Drucksensoren verbessert werden, indem die zwischen Messmembran und Grundkörper angeordnete Lotschicht unter Vakuum durch Laserstrahlung vollständig aufgeschmolzen wird. Die Laserstrahlung wird hierzu durch den äußeren Rand der Messmembran hindurch auf das Aktivhartlot gerichtet. Zum
vollständigen Aufschmelzen der Lotschicht wird hierzu ein Laser verwendet, der in einem Wellenlängenbereich arbeitet, in dem die Keramik der Messmembran im Wesentlichen transparent ist. Dabei wird das geschmolzene Aktivhartlot durch die Laserbestrahlung über einen Zeitraum von nicht mehr als einer Minute auf der Löttemperatur gehalten. Indem beim Aktivhartlöten nur die Lotschicht auf die Löttemperatur gebracht wird, ist die dem Drucksensor insgesamt zugeführte Wärmeenergie geringer, so dass eine schnellere
Abkühlung der Aktivhartlötung erfolgen kann. Damit steht weniger Zeit für Keimbildung und Wachstum segregierter Phasen zur Verfügung.
Die in den oben genannten aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verwendeten Aktivhartlote weisen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik von Grundkörper und Messmembran angepasst ist. Die Ausdehnungskoeffizienten sind jedoch nicht identisch, so dass sich trotz der vergleichsweise guten Anpassung beim Abkühlen der Aktivhartlötung bzw. des Drucksensors von der Löttemperatur auf Raumtemperatur mechanische Spannungen im Drucksensor ausbilden. Dabei bilden sich die betragsmäßig größten Spannungen dort aus, wo die Werkstoffe mit den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufeinander treffen. Entsprechend konzentrieren sich die Spannungen sowohl in einem der Messmembran zugewandten Randbereich der Aktivhartlötung, als auch in einem dem Grundkörper zugewandten Randbereich der Aktivhartlötung.
Während Spannungen in dem dem Grundkörper zugewandten Randbereich im Hinblick auf die Messeigenschaften vergleichsweise geringe Auswirkungen haben, wirken sich
Spannungen in dem der Messmembran zugewandten Randbereich unmittelbar auf die druckabhängige Verformbarkeit der Messmembran aus und beeinflussen somit die Messeigenschaften des Drucksensors. Diese regelmäßig in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur veränderlichen Spannungen bewirken eine zusätzliche
Temperaturabhängigkeit der Messergebnisse. Darüber hinaus können sie eine vom zeitlichen Verlauf der Umgebungstemperatur und/oder des zu messenden Drucks abhängige Hysterese der Messergebnisse bewirken, die zu einer Verschlechterung der erzielbaren Messgenauigkeit führt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen keramischen Drucksensor mit verbesserten Messeigenschaften sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben. Zur Lösung dieser Aufgabe umfasst die Erfindung einen keramischen Drucksensor, mit
- einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren
keramischen Messmembran,
- einem Grundkörper, und
- einer einen äußeren Rand der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung,
die sich dadurch auszeichnet, dass
- die Aktivhartlötung einen der Messmembran zugewandten Randbereich aufweist, in dem darin enthaltene Spannungen durch gezieltes räumlich auf den Randbereich
konzentriertes Erwärmen des Randbereichs auf eine Nachbehandlungstemperatur, die größer gleich einer Temperatur ist, bei der das Aktivhartlot plastisch verformbar ist, reduziert wurden.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen
Drucksensors, insb. eines erfindungsgemäßen Drucksensors, bei dem
- eine im Messbetrieb mit einem Druck beaufschlagbare, druckabhängig elastisch
verformbare keramische Messmembran und ein Grundkörper vorgefertigt werden, und
- ein äußerer Rand der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers mittels einer Aktivhartlötung verbunden wird,
das sich dadurch auszeichnet, dass
- ein der Messmembran zugewandter Randbereich der Aktivhartlötung einer
Nachbehandlung unterzogen wird, während der der Randbereich durch gezieltes, räumlich auf den Randbereich konzentriertes Erwärmen auf eine
Nachbehandlungstemperatur aufgeheizt wird, die größer gleich einer Temperatur ist, bei der das Aktivhartlot plastisch verformbar ist.
Eine ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Randbereich auf eine Nachbehandlungstemperatur aufgeheizt wird, bei der sich im Randbereich vorhandene Spannungen im Wesentlichen durch plastische Verformung des Randbereichs lösen. Gemäß einer Ausgestaltung der ersten Variante liegt die Nachbehandlungstemperatur in einem Temperaturbereich, der Temperaturen umfasst, die größer gleich der
Solidustemperatur des Aktivhartlots sind und die Solidustemperatur um weniger als 50°C übersteigen. Eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
der Randbereich auf eine Nachbehandlungstemperatur, insb. eine im Bereich der
Löttemperatur des Aktivhartlots liegende Nachbehandlungstemperatur, aufgeheizt wird, bei der der Randbereich aufschmilzt. Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Erwärmen des Randbereichs auf die Nachbehandlungstemperatur durch Laserbestrahlung mittels eines auf den Randbereich ausgerichteten Lasers, insb. eines Pulslasers.
Eine Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass - der Laser in einem Wellenlängenbereich arbeitet, in dem die Keramik der Messmembran im Wesentlichen transparent ist, und
- die Laserbestrahlung des Randbereichs durch die Messmembran hindurch erfolgt.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drucksensors, sowie des
erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Randbereich eine Schichtdicke in der
Größenordnung von wenigen Mikrometern, insb. von 2 μιτι bis 3 μιη, auf.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die erfindungsgemäße räumlich begrenzte Nachbehandlung des der Messmembran zugewandten Randbereichs der Aktivhartlötung herstellungsbedingte Spannungen innerhalb des Drucksensors gezielt dort reduziert werden, wo sie besonders groß sind und sich besonders nachteilig auf die Messeigenschaften des Drucksensors auswirken. Dabei werden nicht nur Spannungen innerhalb des Randbereichs gelöst, sondern es findet auch eine Anpassung des
Randbereichs an die auf den Randbereich einwirkenden Spannungsverhältnisse in dessen unmittelbarer Umgebung statt.
Zusätzlich kann durch das Aufschmelzen des Randbereichs zugleich auch die die Qualität der Fügung, insb. deren Festigkeit, im Randbereich verbessert werden. Die Erwärmung des Randbereichs mittels eines Lasers bietet den Vorteil, dass die
Energiezufuhr auf einen räumlich sehr eng begrenzten Bereich beschränkt werden kann. Dabei können die Nachbehandlungstemperatur, die Nachbehandlungsdauer und die Abmessungen des zu erwärmenden Randbereichs über eine entsprechende Auswahl und Ansteuerung des Lasers sehr genau vorgegeben werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Stirnflächen des zu erwärmenden Randbereichs der Aktivhartlötung zwischen der Messmembran und dem Kernbereich der Aktivhartlötung eingeschlossen sind. Während Aktivhartlötungen aufgrund der Reaktivität des Aktivhartlots regelmäßig unter Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre ausgeführt werden müssen, kann die Nachbehandlung aufgrund des abgesehen von den vergleichsweise kleinen Randflächen vollständigen Einschlusses des Randbereichs zwischen
Messmembran und Kernbereich an Atmosphäre erfolgen. Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt: einen keramischen Drucksensor;
Fig. 2 zeigt: eine Vergrößerung der Aktivhartlötung von Fig. 1 ; und
Fig. 3 zeigt: einen keramischen Differenzdrucksensor. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines keramischen Drucksensors. Dieser umfasst eine mit einem Druck p beaufschlagbare und druckabhängig elastisch verformbare Messmembran 1 , die auf einem Grundkörper 3 angeordnet ist.
Die Messmembran 1 und vorzugsweise auch der Grundkörper 3 bestehen aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid (Al203), und sind miteinander unter Einschluss einer Druckkammer 5 druckdicht verbunden. Hierzu ist ein äußerer Rand einer dem Grundkörper 3
zugewandten Seite der Messmembran 1 unter Einschluss der Druckkammer 5 mittels einer Aktivhartlötung 7 mit einem äußeren Rand einer der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 3 verbunden. Als Aktivhartlot wird hierzu vorzugsweise ein eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisendes ternäres Aktivhartlot eingesetzt, wie es z.B. in der eingangs genannten EP 490 807 A2 beschrieben ist.
Der dargestellte Drucksensor kann als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. In dem Fall ist die unter der Messmembran 1 eingeschlossene Druckkammer 5 evakuiert. Alternativ kann er als Relativdrucksensor ausgebildet werden, indem der Druckkammer 5 über eine durch den Grundkörper 3 hindurch führende, in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Bohrung 9 ein Referenzdruck pref, z.B. ein Atmosphärendruck, zugeführt wird, bezogen auf den der auf die Messmembran 1 einwirkende Druck p erfasst werden soll. Der Drucksensor umfasst einen elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran 1 messtechnisch zu erfassen. In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen ist hierzu ein kapazitiver Wandler vorgesehen, der mindestens einen Kondensator mit einer sich in Abhängigkeit von der druckbedingten Auslenkung der Messmembran 1 verändernden Kapazität aufweist. Dieser umfasst eine auf einer dem Grundkörper 3 zugewandten Seite der Messmembran 1 aufgebrachte Elektrode 1 1 und eine auf einer der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite des
Grundkörpers 3 aufgebrachte Gegenelektrode 13. Die druckabhängige Kapazität dieses Kondensators bzw. deren Änderungen werden über eine an die Elektrode 1 1 und die Gegenelektrode 13 angeschlossene, hier nicht dargestellte Messelektronik erfasst und in ein druckabhängiges Messsignal umgewandelt, das dann zur Anzeige, zur weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.
Der Drucksensor wird hergestellt, indem Messmembran 1 und Grundkörper 3 vorgefertigt werden. Hierzu können z.B. Sinterverfahren eingesetzt werden, bei denen Messmembran 1 und Grundkörper 3 jeweils aus einem Granulat gefertigt werden, das in eine entsprechend geformte vorgefertigte Form eingefüllt, in der Form verpresst und anschließend gesintert wird.
Nachfolgend können die auf diese Weise erhaltenen Sinterkörper, soweit dies z.B.
aufgrund der gewünschten Formgebung dieser Bauteile oder einzuhaltender
Fertigungstoleranzen erforderlich ist, einer entsprechenden mechanischen Hartbearbeitung unterzogen werden. Hierzu können Hartbearbeitungsverfahren wie z.B. Drehen, Fräsen, Bohren, Sägen, Läppen oder Schleifen eingesetzt werden. Im Anschluss an ggfs. vorzunehmende Hartbearbeitungen von Messmembran 1 und/oder Grundkörper 3 werden die Elektrode 1 1 und die Gegenelektrode 13 auf die
entsprechenden Stirnflächen von Messmembran 1 und Grundkörper 3 aufgebracht, z.B. flächig aufgesputtert. Dabei kann zugleich ein elektrischer Anschluss der Gegenelektrode 13 vorgesehen werden, indem ein Kontaktstift 15, z.B. ein Tantalstift, in eine durch den Grundkörper 3 führende Bohrung eingesetzt wird, der eine elektrisch leitfähige Verbindung zur Gegenelektrode 13 herstellt.
Nachfolgend werden Messmembran 1 und Grundkörper 3 unter Einschluss der
Druckkammer 5 durch Aktivhartlöten druckdicht miteinander verbunden. Hierzu wird zwischen den durch die Aktivhartlötung 7 zu verbindenden äußeren einander zugewandten Rändern von Grundkörper 3 und Messmembran 1 eine Lotschicht angeordnet. Die
Lotschicht kann z.B. als Lotpaste aufgetragen oder in Form eines vorgefertigten
Lotformteils, z.B. eines Lotrings, eingebracht werden. Als Lotformteile können z.B. die in der EP 490 807 A1 beschriebenen Lotformteile eingesetzt werden. Diese weisen aufgrund des zu deren Herstellung verwendeten Melt-Spinning-Verfahrens eine Mindestdicke in der Größenordnung von 30 μιη auf.
Eine geringere Mindestdicke der Messmembran 1 und Grundkörper 3 verbindenden Aktivhartlötung 7 und damit einhergehend ein zur Erzielung einer höheren Messgenauigkeit vorteilhafterer geringerer Elektrodenabstand kann gemäß einem in der DE 10 2010 043 1 19 A1 beschriebenen Verfahren erzielt werden. Dabei wird das für die Aktivhartlötung 7 benötigte Aktivhartlot mittels Gasphasenabscheidung auf die Fügeflächen aufgebracht. Hierdurch können Aktivhartlötungen 7 mit geringerer Bauhöhe h, z.B. mit einer Bauhöhe h in der Größenordnung von 10 μιη, hergestellt werden.
Nach dem Einbringen bzw. Aufbringen der Lotschicht wird die durch den Grundkörper 3, die Lotschicht und die Messmembran 1 gebildete Anordnung insgesamt unter Vakuum auf eine oberhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende Löttemperatur aufgeheizt und dort über einen längeren Zeitraum, insb. einen Zeitraum von 5 min bis 15 min, gehalten.
Alternativ kann das eingangs erwähnte in der DE 10 201 1 005 665 A1 beschriebene Aktivhartlötverfahren verwendet werden, bei dem die Lotschicht unter Vakuum durch Laserstrahlung vollständig aufgeschmolzen wird. Dabei wird das geschmolzene Aktivhartlot durch die Laserbestrahlung über einen Zeitraum von nicht mehr als einer Minute auf einer Löttemperatur gehalten, die größer gleich der Liquidus-Temperatur des Aktivhartlots ist, oberhalb derer das Aktivhartlot vollständig verflüssigt.
Bei der Löttemperatur reagiert die aktive Komponente des Aktivhartlots, hier Titan, mit der Keramik. Dabei wird durch Reduktion der Keramik eine mechanisch hochfeste chemische Verbindung zwischen der Keramik und dem Aktivhartlot bewirkt.
In Verbindung mit den oben genannten eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartloten sind regelmäßig Löttemperaturen oberhalb von 800°C, insb.
Löttemperaturen im Bereich von 880°C bis 920°C, erforderlich.
Beim anschließenden Abkühlen der Aktivhartlötung 7 bzw. des Drucksensors von der Löttemperatur auf die Umgebungstemperatur bilden sich aufgrund der ähnlichen, aber nicht identischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aktivhartlot und Keramik
Spannungen aus. Die betragsmäßig größten Spannungen entstehen dort, wo die beiden Werkstoffe unmittelbar aufeinander treffen. Entsprechend konzentrieren sich die
Spannungen sowohl in einem der Messmembran 1 zugewandten Randbereich 17 der Aktivhartlötung 7, als auch in einem dem Grundkörper 3 zugewandten Randbereich 19 der Aktivhartlötung 7.
Fig. 2 zeigt eine nicht maßstabsgetreue Vergrößerung des in Fig. 1 eingekreisten
Ausschnitts der Messmembran 1 und Grundkörper 3 verbindenden Aktivhartlötung 7. Die beiden Randbereiche 17, 19 umfassen jeweils eine Verbindungsschicht 21 , in der die durch die Aktivhartlötung bewirkte chemische Verbindung zwischen der Keramik der
Messmembran 1 und dem Aktivhartlot bzw. zwischen der Keramik des Grundkörpers 3 und dem Aktivhartlot besteht, sowie eine an die jeweilige Verbindungsschicht 21 unmittelbar angrenzende Aktivhartlotschicht 23 der Aktivhartlötung 7.
Die Randbereiche 17,19, in denen sich die größten Spannungen ausbilden, weisen regelmäßig eine im Vergleich zur Bauhöhe h der Aktivhartlötung 7 geringe Schichtdicke d in der Größenordnung von wenigen Mikrometern, insb. in der Größenordnung von 2 μιτι bis 3 μιη, auf.
Spannungen in dem dem Grundkörper 3 zugewandten Randbereich 19 sind im Hinblick auf die Messeigenschaften des Drucksensors vergleichsweise unkritisch. Demgegenüber wirken sich Spannungen in dem der Messmembran 1 zugewandten Randbereich 17 der Aktivhartlötung 7 unmittelbar auf die druckabhängige Verformbarkeit der Messmembran 1 aus, und führen somit zu den oben genannten Beeinträchtigungen der Messeigenschaften des Drucksensors.
Erfindungsgemäß wird die Aktivhartlötung 7 des Drucksensors einer Nachbehandlung unterzogen, die dazu dient, die Spannungen in dem der Messmembran 1 zugewandten Randbereich 17 zu reduzieren. Dies geschieht durch gezieltes räumlich auf den
Randbereich 17 konzentriertes Erwärmen des Randbereichs 17.
Zur gezielten räumlich auf den Randbereich 17 begrenzten Erwärmung wird vorzugsweise ein Laser 25 eingesetzt. Hierzu eignen sich insb. Pulslaser, die Laserpulse kurzer Dauer generieren. Dabei ist die durch die Laserpulse bewirkte Energiezufuhr räumlich umso stärker begrenzbar, je kürzer die Pulsdauer ist. Insoweit eignen sich z.B.
Picosekundenlaser. Eine noch höhere räumliche Begrenzung lässt sich durch die
Verwendung von Femtosekundenlasern erzielen.
Die Laserbestrahlung des Randbereichs 17 erfolgt vorzugsweise durch die Messmembran 1 hindurch. Hierzu wird ein Laser 25 eingesetzt, der bei einer Wellenlänge arbeitet, die in hohem Maß vom verwendeten Aktivhartlot, nicht jedoch oder zumindest nur in deutlich geringerem Maße von der Keramik der Messmembran 1 , absorbiert wird. In Verbindung mit der oben genannten Aluminiumoxid-Keramik und dem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartloten eignen sich hierzu z.B. CO2 oder Nd-YAG Laser mit Wellenlängen im sichtbaren bis nahen infraroten Bereich. Die Messmembran 1 besteht insoweit vorzugsweise aus einer Keramik, die sich durch eine geringe Dichte an
Streuzentren im sichtbaren Wellenlängenbereich auszeichnet. Hierzu eignen sich insb. hochreine Aluminiumoxid-Keramiken, wie sie z.B. in der DE 10 2008 036 381 B3 beschrieben sind. Die Laserbestrahlung kann beispielsweise auf die in Fig. 2 dargestellte Weise erfolgen, indem der Laser 25 oberhalb der Messmembran 1 angeordnet, und mittels einer
Strahlführungseinrichtung 27 auf den Randbereich 17 der Aktivhartlötung 7 ausgerichtet wird. Im Anschluss werden Laser 25 und Drucksensors derart relativ zueinander bewegt, dass der Laserstrahl die gesamt Grundfläche des Randbereichs 17 überstreicht. Dabei werden Laserleistung und Bestrahlungsdauer entsprechend der
Nachbehandlungstemperatur, auf die der Randbereich 17 erwärmt werden soll, und der Nachbehandlungsdauer, während der Randbereich 17 auf der
Nachbehandlungstemperatur gehalten werden soll, eingestellt. Zusätzlich kann die
Temperatur des Randbereichs 17 durch pyrometrische Temperaturmessungen überwacht werden.
Erfindungsgemäß wird der Randbereich 17 auf eine Nachbehandlungstemperatur aufgeheizt, die größer gleich derjenigen Temperatur ist, ab der das verwendete Aktivhartlot plastisch verformbar ist.
Aufgrund der eingebrachten Wärmeenergie lösen sich Spannungen im Randbereich 17. Dabei bauen sich Spannungen umso schneller ab, je höher die
Nachbehandlungstemperatur ist, auf die der Randbereich 17 aufgeheizt wird.
Dementsprechend ist die Nachbehandlungsdauer, über die der Randbereich 17 auf der Nachbehandlungstemperatur gehalten wird, in Abhängigkeit von der
Nachbehandlungstemperatur vorzugeben, wobei bei höheren
Nachbehandlungstemperaturen kürze Nachbehandlungsdauern erforderlich sind und umgekehrt. Die Nachbehandlungsdauer liegt je nach Nachbehandlungstemperatur z.B. in der Größenordnung von wenigen Sekunden.
Zur Reduktion von durch die Aktivhartlötung verursachten Spannungen genügt es bereits, den Randbereich 17 auf eine Nachbehandlungstemperatur T aufzuheizen, bei der im Randbereich 17 plastische Verformungen auftreten. Das ist bereits ab in einem Nahbereich unterhalb der Solidustemperatur des Aktivhartlots liegenden Temperaturen der Fall.
Vorzugsweise liegt die Nachbehandlungstemperatur in einem Temperaturbereich, der Temperaturen umfasst, die größer gleich der Solidustemperatur des Aktivhartlots sind und die Solidustemperatur um weniger als 50°C übersteigen. In Verbindung mit den oben genannten eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartloten ergibt sich hierfür ein Temperaturbereich von 800°C bis 850°C.
Bei diesen im Vergleich zur Schmelztemperatur des Aktivhartlots niedrigen
Nachbehandlungstemperaturen findet der Spannungsabbau im Wesentlichen
durch plastische Verformungen innerhalb des Randbereichs 17 statt. Darüber hinaus passt sich der Randbereich 17 durch plastische Verformung optimal an die
Spannungsverhältnisse in dessen unmittelbarer Umgebung an, so dass auch über die Messmembran 1 und den Kernbereich der Aktivhartlötung 7 auf den Randbereich 17 ausgeübte Spannungen durch plastische Verformungen des Randbereichs 17 abgebaut werden. Hierdurch werden zumindest teilweise auch solche Spannungen abgebaut, die durch eine vorausgegangene Hartbearbeitung der Messmembran 1 in die Messmembran 1 eingebracht wurden, und über die Verbindungsschicht 21 auf den Randbereich 17 wirken.
Bei höheren Nachbehandlungstemperaturen kommt es in zunehmendem Maße zu einer Umbildung des Gefüges innerhalb des Randbereichs 17. Durch die erfindungsgemäße Nachbehandlung des Randbereichs 17 können somit nicht nur Spannungen abgebaut werden, sondern auch gezielte Veränderungen der Struktur des Gefüges im nachbehandelten Randbereich 17 vorgenommen werden. Hierzu wird der Randbereich 17 vorzugsweise auf eine Nachbehandlungstemperatur aufgeheizt, bei der der Randbereich 17 aufschmilzt. Das ist im Bereich der Löttemperatur des Aktivhartlots der Fall.
Durch das Aufschmelzen des Randbereichs 17 werden Spannungen im Randbereich 17 vollständig gelöst. Beim nachfolgenden Erstarren passt sich der Randbereich auch hier optimal an die Spannungsverhältnisse in dessen unmittelbarer Umgebung an, so dass auch hier innerhalb des Randbereichs 17 bestehende, sowie über die Messmembran 1 und den Kernbereich der Aktivhartlötung 7 in den Randbereich 17 hinein wirkende Spannungen durch die Nachbehandlung abgebaut werden.
Da bei der Nachbehandlung nur der im Vergleich zum Gesamtvolumen der Aktivhartlötung 7 vergleichsweise kleine Randbereich 17 aufgeschmolzen wird, wird hierzu sehr viel weniger Wärmeenergie benötigt, als bei der zuvor ausgeführten Aktivhartlötung.
Entsprechend lassen sich beim Abkühlen des Randbereichs 17 deutlich höhere
Abkühlraten erzielen. Hohe Abkühlraten führen dazu, dass der Randbereich 17 zu einem feinkörnigeren Gefüge mit höherer Festigkeit erstarrt. Damit werden durch die
Nachbehandlung nicht nur die Messeigenschaften beeinträchtigende Spannungen abgebaut, sondern es wird zugleich die Qualität, insb. die Festigkeit, der Aktivhartlötung 7 in dem aufgrund seiner unmittelbaren Verbindung zur Messmembran 1 mechanisch am stärksten beanspruchten Randbereich 17 verbessert. Die Erfindung ist völlig analog auch in Verbindung mit als Differenzdrucksensoren ausgebildeten keramischen Drucksensoren einsetzbar. Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Differenzdrucksensor mit einem keramischen Grundkörper 23, auf dessen gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine Messmembran 1 angeordnet ist. Jede der Messmembranen 1 ist jeweils unter Einschluss einer Druckkammer 5 über eine
Aktivhartlötung 7 mit der ihr zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 29 verbunden. Die Druckkammern 5 sind mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllt und über eine ebenfalls mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllte Druckübertragungsleitung 31 miteinander verbunden. Im Messbetrieb wird die erste Messmembran 1 mit einem ersten Druck p-i und die zweite Messmembran 1 mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagt und die resultierende, von der Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p-i , p2 abhängige Auslenkung mindestens einer der beiden Messmembranen 1 mittels eines elektromechanischen Wandlers, z.B. eines kapazitiven Wandlers, messtechnisch erfasst, und in ein entsprechendes Differenzdruckmesssignal umgewandelt. Erfindungsgemäß wird auch hier der der jeweiligen Messmembran 1 zugewandte
Randbereich der beiden Aktivhartlötungen 7 der anhand von Fig. 1 beschriebenen
Nachbehandlung unterzogen.
1 Messmembran
3 Grundkörper
5 Druckkammer
7 Aktivhartlötung
9 Bohrung
1 1 Elektrode
13 Gegenelektrode
15 Kontaktstift
17 Randbereich
19 Randbereich
21 Verbindungsschicht
23 Aktivhartlotschicht
25 Laser
27 Strahlführungseinrichtung
29 Grundkörper
31 Druckübertragungsleitung

Claims

Patentansprüche
1. Keramischer Drucksensor, mit
- einer mit einem Druck (p, p-ι, p2) beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch
verformbaren keramischen Messmembran (1 ),
- einem Grundkörper (3, 29), und
- einer einen äußeren Rand der Messmembran (1 ) unter Einschluss einer Druckkammer (5) mit einem äußeren Rand einer der Messmembran (1 ) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (3, 29) verbindenden Aktivhartlötung (7),
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Aktivhartlötung (7) einen der Messmembran (1 ) zugewandten Randbereich (17) aufweist, in dem darin enthaltene Spannungen durch gezieltes räumlich auf den Randbereich (17) konzentriertes Erwärmen des Randbereichs (17) auf eine
Nachbehandlungstemperatur (T), die größer gleich einer Temperatur ist, bei der das Aktivhartlot plastisch verformbar ist, reduziert wurden.
2. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Drucksensors, insb. eines Drucksensors gemäß Anspruch 1 , bei dem
- eine im Messbetrieb mit einem Druck (p, p-ι, p2) beaufschlagbare, druckabhängig elastisch verformbare keramische Messmembran (1 ) und ein Grundkörper (3, 29) vorgefertigt werden, und
- ein äußerer Rand der Messmembran (1 ) unter Einschluss einer Druckkammer (5) mit einem äußeren Rand einer der Messmembran (1 ) zugewandten Stirnseite des Grundkörpers (3, 29) mittels einer Aktivhartlötung (7) verbunden wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- ein der Messmembran (1 ) zugewandter Randbereich (17) der Aktivhartlötung (7) einer Nachbehandlung unterzogen wird, während der der Randbereich (17) durch gezieltes, räumlich auf den Randbereich (17) konzentriertes Erwärmen auf eine
Nachbehandlungstemperatur aufgeheizt wird, die größer gleich einer Temperatur ist, bei der das Aktivhartlot plastisch verformbar ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Randbereich (17) auf eine Nachbehandlungstemperatur aufgeheizt wird, bei der sich im Randbereich (17) vorhandene Spannungen im Wesentlichen durch plastische Verformung des Randbereichs (17) lösen.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Nachbehandlungstemperatur in einem Temperaturbereich liegt, der Temperaturen umfasst, die größer gleich der Solidustemperatur des Aktivhartlots sind und die Solidustemperatur um weniger als 50°C übersteigen.
5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Randbereich (17) auf eine Nachbehandlungstemperatur, insb. eine im Bereich der Löttemperatur des Aktivhartlots liegende Nachbehandlungstemperatur, aufgeheizt wird, bei der der Randbereich (17) aufschmilzt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Erwärmen des Randbereichs (17) auf die Nachbehandlungstemperatur durch Laserbestrahlung mittels eines auf den Randbereich (17) ausgerichteten Lasers (25), insb. eines Pulslasers, erfolgt.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Laser (25) in einem Wellenlängenbereich arbeitet, in dem die Keramik der
Messmembran (1 ) im Wesentlichen transparent ist, und
- die Laserbestrahlung des Randbereichs (17) durch die Messmembran (1 ) hindurch erfolgt.
8. Drucksensor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Randbereich (17) eine Schichtdicke (d) in der Größenordnung von wenigen Mikrometern, insb. von 2 μιτι bis 3 μιη, aufweist.
9. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Randbereich (17) eine Schichtdicke (d) in der Größenordnung von wenigen Mikrometern, insb. von 2 μιτι bis 3 μιη, aufweist.
PCT/EP2015/071284 2014-10-30 2015-09-17 Keramischer drucksensor und verfahren zu dessen herstellung WO2016066322A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014115801.6 2014-10-30
DE102014115801.6A DE102014115801A1 (de) 2014-10-30 2014-10-30 Keramischer Drucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016066322A1 true WO2016066322A1 (de) 2016-05-06

Family

ID=54147196

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2015/071284 WO2016066322A1 (de) 2014-10-30 2015-09-17 Keramischer drucksensor und verfahren zu dessen herstellung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102014115801A1 (de)
WO (1) WO2016066322A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0490807A2 (de) * 1990-11-13 1992-06-17 Endress U. Hauser Gmbh U. Co. Ternäres Aktivlot auf der Basis einer Zirconium/Nickel-Legierung
DE102011005665A1 (de) * 2011-03-16 2012-09-20 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Keramische Druckmesszelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
EP2756915A1 (de) * 2013-01-18 2014-07-23 Siemens Aktiengesellschaft Auftragsschweißen mit vorherigem Umschmelzen

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005004942B4 (de) * 2005-02-02 2014-10-02 Armaturenbau Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Membran-Druckmittlers
US20070241169A1 (en) * 2006-04-13 2007-10-18 General Electric Company Method for welding nickel-based superalloys
DE102008036381B3 (de) 2008-08-05 2010-04-22 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Membran aus Al2O3- Keramik für einen Drucksensor und Drucksensor mit einer solchen Messmembran
DE102010043119A1 (de) 2010-10-29 2012-05-03 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Keramikteilen, insbesondere von Teilen eines Drucksensors, und ein keramisches Produkt, insbesondere einen keramischen Drucksensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0490807A2 (de) * 1990-11-13 1992-06-17 Endress U. Hauser Gmbh U. Co. Ternäres Aktivlot auf der Basis einer Zirconium/Nickel-Legierung
DE102011005665A1 (de) * 2011-03-16 2012-09-20 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Keramische Druckmesszelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
EP2756915A1 (de) * 2013-01-18 2014-07-23 Siemens Aktiengesellschaft Auftragsschweißen mit vorherigem Umschmelzen

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014115801A1 (de) 2016-05-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102014114764B4 (de) Keramischer Drucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung
EP0445382B1 (de) Drucksensor und dessen Herstellverfahren
EP2686653B1 (de) Keramische druckmesszelle und verfahren zu ihrer herstellung
EP3177900B1 (de) Sensoren sowie verfahren zur herstellung von sensoren
EP2566808B1 (de) Verfahren zur herstellung eines gegenlagers mit asphärischem membranbett
EP1440322A1 (de) Mikrosensor
DE102005063276B4 (de) Verfahren zum Herstellen von Glasbauteilen mit strukturierter Oberfläche
DE102018108744A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors
WO2016087148A1 (de) Druckmesszelle
DE102014104506A1 (de) Drucksensor
EP3304019B1 (de) Drucksensor mit einer aktivhartlötung
WO2022069443A1 (de) Verfahren zur herstellung von lastenanzeigenden verbindungsbauteilen und entsprechendes lastanzeigendes verbindungsbauteil
WO2016066322A1 (de) Keramischer drucksensor und verfahren zu dessen herstellung
DE102015121625A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Druckmesseinrichtung
DE102016112198A1 (de) Druckaufnehmer
EP3807608B1 (de) Druckmesseinrichtung und verfahren zu deren herstellung
DE10240355B4 (de) Verbundbauteil und Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles
DE2906451C2 (de) Piezoelektrisches Wandlerelement und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102016102775A1 (de) Kapazitiver Drucksensor
EP3576898B1 (de) Verfahren zum fügen von bauteilen auf eine trägerstruktur unter einsatz von elektromagnetischer strahlung
WO2016058744A1 (de) Drucksensor
WO2022048900A1 (de) Drucksensor und verfahren zur herstellung eines drucksensors
EP3339829A1 (de) Sensorgehäuse für einen kraft- oder drucksensor, kraft- oder drucksensor sowie verfahren zur herstellung eines sensorgehäuses
WO2016198226A1 (de) Aktivhartlot zum aktivhartlöten von keramik
WO2016008683A1 (de) Keramischer drucksensor mit einer aktivhartlötung und verfahren zur aktivhartlötung zweier bauteile

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15766139

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15766139

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1