WO2022048900A1 - Drucksensor und verfahren zur herstellung eines drucksensors - Google Patents

Drucksensor und verfahren zur herstellung eines drucksensors Download PDF

Info

Publication number
WO2022048900A1
WO2022048900A1 PCT/EP2021/072738 EP2021072738W WO2022048900A1 WO 2022048900 A1 WO2022048900 A1 WO 2022048900A1 EP 2021072738 W EP2021072738 W EP 2021072738W WO 2022048900 A1 WO2022048900 A1 WO 2022048900A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure sensor
base body
measuring membrane
active
pressure
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/072738
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Elke Schmidt
Nils Ponath
Andreas Rossberg
Anh Tuan Tham
Original Assignee
Endress+Hauser SE+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 SE+Co. KG filed Critical Endress+Hauser SE+Co. KG
Priority to EP21763316.3A priority Critical patent/EP4208702A1/de
Priority to US18/044,042 priority patent/US20230393004A1/en
Priority to CN202180054233.8A priority patent/CN116018508A/zh
Publication of WO2022048900A1 publication Critical patent/WO2022048900A1/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
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G01L9/0044—Constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a pressure sensor with a base body and a pressure-sensitive ceramic measuring membrane, with an outer edge of the measuring membrane, including a pressure chamber, being pressure-tightly connected to a surface of the base body facing the outer edge of the measuring membrane by means of a circumferential joint.
  • the invention further relates to a method for producing a pressure sensor.
  • Absolute pressure, differential pressure and relative pressure sensors are known in pressure measurement technology. Absolute pressure sensors determine the prevailing pressure in absolute terms, i.e. typically in relation to vacuum, while differential pressure sensors determine the difference between two different pressures. In the case of gauge pressure sensors, the pressure to be measured is determined in relation to a reference pressure, with the atmospheric pressure prevailing in the area surrounding the gauge pressure sensor serving as the reference pressure.
  • a pressure sensor of this type comprises a base body and a ceramic measuring membrane, which is connected to the base body in a pressure-tight manner by means of an active brazing material, forming a measuring chamber. Furthermore, the pressure sensor generally includes a converter for converting a pressure-dependent deformation of the measuring membrane into an electrical primary signal, and a primary signal path that extends through the base body.
  • the converter can be a capacitive or a resistive converter, for example.
  • the primary signal path usually includes at least one electrical feedthrough through the body.
  • the circumferential joint between the base body and the measuring membrane largely determines the pressure resistance and tightness of the pressure sensor.
  • Such joints are often produced by means of an active brazing material, which comprises an active component that reacts with the ceramic of the measuring membrane and, if necessary, the ceramic of the base body during active brazing.
  • active brazing alloys offer the advantage that, due to the active component(s) they contain, they are able to wet ceramic components and enable direct soldering of ceramic components without prior metallization of the ceramic.
  • Active brazing is carried out by heating the assembly formed by the base body, the solder layer and the measuring membrane under vacuum or inert gas to a joining temperature that corresponds at least to the melting temperature of the solder and there over a longer period of time, in particular a period of 5 minutes to 15 minutes. is held.
  • a ternary active hard solder made of a zirconium/nickel alloy with titanium as the active component has become known, which can be used to manufacture a pressure sensor.
  • the melting temperature of the active braze in this composition is around 870°C.
  • soldering is typically carried out at a joining temperature which is above the melting temperature, for example approx. 30 K higher.
  • the known active hard solders have a coefficient of thermal expansion that is adapted to the coefficient of thermal expansion of the base body and measuring membrane.
  • the two coefficients of expansion are not identical, so that despite the comparatively good adaptation, mechanical stresses develop in the pressure sensor when the joint or the pressure sensor cools down from the joint temperature to room temperature.
  • the stresses with the highest absolute values form where the materials with different thermal expansion coefficients meet. Accordingly, the stresses are concentrated both in an edge area of the joint facing the measuring membrane and in an edge area of the joint facing the base body.
  • the object of the present invention is therefore to provide a pressure sensor in which stresses in the area of the joint are reduced and to specify a corresponding method for producing such a pressure sensor.
  • the object is achieved by a pressure sensor with a base body and a pressure-sensitive ceramic measuring membrane, wherein an outer edge of the measuring membrane including a pressure chamber with a surface of the base body facing the outer edge of the measuring membrane by means of a circumferential joint is connected in a pressure-tight manner, the joint having em ternary active braze in a eutectic composition, obtainable by a method which has the following steps:
  • the base body, the measuring membrane and the active braze Providing the base body, the measuring membrane and the active braze, positioning the active braze between the outer edge of the measuring membrane and a surface of the base body facing the outer edge of the measuring membrane, heating the base body, the measuring membrane and the active braze to a joining temperature which essentially corresponds to a temperature of the corresponds to the eutectic point of the active braze, and cooling the pressure sensor.
  • the active braze has a melting point which is lower than the respective melting points of the individual components of the active braze and which is the lowest melting point of all possible compositions of the ternary active braze. Due to the reduced temperature at the melting point, the joint can be soldered at a lower joint temperature, which in turn reduces the stresses in the area of the joint compared to higher joint temperatures.
  • active brazing alloy with a eutectic composition offers the advantage that at the melting point of the eutectic, the liquidus temperature is equal to the solidus temperature and all phases of the active brazing alloy are in equilibrium. If the active braze is melted in the region of the melting point and then cooled, a finely crystalline and uniform brazing joint is created. If the active braze were used in a non-eutectic composition, a significantly more inhomogeneous soldering point would be obtained, since due to the solidification areas present, different solid phases would be deposited which have different coefficients of thermal expansion, so that intrinsic stresses would arise at the phase boundaries. With the pressure sensor according to the invention, on the other hand, such stresses at phase boundaries are avoided or at least significantly reduced, since a homogeneous soldering point is obtained.
  • the eutectic composition of the active hard solder can be determined, for example, by chemical analysis of the joint.
  • Impurities in the raw materials can lead to small deviations from the ideal eutectic composition of the active brazing alloy, errors of up to ⁇ 5 at%, in particular errors of up to ⁇ 3 at%, up to ⁇ 2 at%, or up to ⁇ 1 at %, correspond.
  • the joining temperature is around 770°C.
  • the temperature at the melting point is around 770°C.
  • the joining temperature is thus well below the previous joining temperatures of pressure sensors of the generic type of around 900°C.
  • brazing can be carried out in a joining temperature range that is slightly higher than the actual melting temperature of the active brazing material. This means that soldering systems cannot be set to one temperature, but to a temperature range.
  • a further embodiment therefore provides that the joining temperature is in a temperature range which is 2-10% above the melting point of the active hard solder.
  • An alternative embodiment includes that the joining temperature is in a temperature range that is 2-5% above the melting point of the active hard solder.
  • the joining temperature is therefore in a temperature range from 770°C to 860°C.
  • the joining temperature is in a temperature range from 790°C to 820°C.
  • brazing can be carried out at a joining temperature that is up to 30 K above the melting temperature of the active brazing alloy.
  • the base body is advantageously ceramic.
  • the measuring membrane and/or the base body are preferably made of corundum.
  • the object is also achieved according to the invention by a method for producing a pressure sensor with a base body and a pressure-sensitive ceramic Measuring membrane, wherein the outer edge of the measuring membrane, including a pressure chamber, is connected in a pressure-tight manner to a surface of the base body facing the outer edge of the measuring membrane by means of a circumferential joint, the joint having a ternary and eutectic active brazing solder, the method comprising:
  • the method according to the invention makes it possible to produce a pressure sensor which, compared to the prior art, has fewer stresses in the area of the joint. This is achieved by using the active braze with a eutectic composition, which reduces the melting temperature of the active braze and also gives a finely crystalline and uniform joint when the eutectic composition of the active braze cools.
  • the error can be up to ⁇ 3 at%, up to ⁇ 2 at%, or up to ⁇ 1 at%.
  • the joining temperature is around 770°C.
  • a further embodiment provides that the joining temperature is in a temperature range which is 2-10% above the melting point of the active hard solder.
  • An alternative embodiment includes that the joining temperature is in a temperature range that is 2-5% above the melting point of the active hard solder.
  • the joining temperature is therefore in a temperature range from 770°C to 860°C.
  • the joining temperature is in a temperature range from 790°C to 820°C.
  • the base body is advantageously ceramic.
  • the measuring membrane and/or the base body are preferably made of corundum.
  • FIGS. 1-2 Show it:
  • the pressure sensor 1 as shown schematically in a sectional drawing in FIG. 1, comprises a ceramic base body 2, for example, and a ceramic measuring membrane 3. Both the base body 2 and the measuring membrane 3 are made of corundum in the present example. Enclosing a pressure chamber 4 , an outer edge of the measuring membrane 3 is connected in a pressure-tight manner to a surface of the base body 2 facing the outer edge of the measuring membrane 3 by means of a peripheral joint 5 .
  • a pressure supply line 10 optionally leads through the base body 2 into the pressure chamber 4 in order to apply a first pressure to the measuring membrane 3 .
  • the second pressure is made available to the measuring membrane 3 on its surface facing away from the pressure chamber 4 .
  • Such pressure sensors are manufactured and marketed by the applicant under the names Cerabar and Ceraphant.
  • the pressure sensor 1 also has, for example, a capacitive converter, which includes a measuring electrode 7 on the surface of the measuring membrane 3 facing the pressure chamber 4 and a counter-electrode 8 on a surface of the base body 2 facing the pressure chamber 4.
  • the counter-electrode 8 is contacted via an electrical conductor , which is designed as a contact pin 9, for example.
  • the joint 5 has a ternary active hard solder in a eutectic composition, with a joint temperature of the joint 5 essentially corresponding to a temperature of a melting point of the active hard solder 6 .
  • the joining temperature of the pressure sensor is approximately 770°C.
  • the joining temperature can optionally be in a temperature range which is 2-10% or in particular 2-5% above the melting point of the active hard solder 6 .
  • the joining temperature is in a temperature range from 770°C to 860°C or in particular in a range from 790°C to 820°C.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention for producing a pressure sensor 1 with a base body 2 and a pressure-sensitive ceramic measuring membrane 3 .
  • the pressure sensor according to the invention from FIG. 1 can be obtained by a method shown in FIG.
  • An outer edge of the measuring membrane 3 is pressure-tightly connected, enclosing a pressure chamber 4, to a surface of the base body 3 facing the outer edge of the measuring membrane 2 by means of a circumferential joint 5, the joint 5 having a ternary and eutectic active hard solder ß.
  • a first step 10 of the method according to the invention the base body 2, the measuring diaphragm 3 and the active brazing material 6 are first provided and in a second step 20 positioned in such a way that the active brazing material 6 is positioned between the outer edge of the measuring diaphragm 3 and one of the outer edges of the measuring diaphragm 3 facing surface of the base body 2 is arranged.
  • a third step 30 the base body 2 , the measuring membrane 3 and the active hard solder 6 are heated to a joining temperature which essentially corresponds to a temperature of the eutectic point of the active hard solder 6 .
  • the joining temperature is maintained for a defined period of time before the arrangement of measuring membrane 3 and base body 2 is cooled in a fourth step 40 . In this way, a pressure sensor with a homogeneous joint between the measuring membrane 3 and the base body 2 is obtained.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor (1) mit einem Grundkörper (2) und einer druckempfindlichen keramischen Messmembran (3), wobei ein äußerer Rand der Messmembran (3) unter Einschluss einer Druckkammer (2) mit einer dem äußeren Rand der Messmembran (3) zugewandten Fläche des Grundkörpers (2) mittels einer umlaufenden Fügestelle (5) druckdicht verbunden ist, wobei die Fügestelle (5) ein ternäres Aktivhartlot (6) in eutektischer Zusammensetzung aufweist. Der Drucksensor (1) ist erhältlich durch ein Verfahren, welches die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen des Grundkörpers (2), der Messmembran (3) und des Aktivhartlots (6); Positionieren des Aktivhartlots (6) wischen dem äußeren Rand der Messmembran (3) und einer dem äußeren Rand der Messmembran (3) zugewandten Fläche des Grundkörpers (2); Erwärmen des Grundkörpers (2), der Messmembran (3) und des Aktivhartlots (6) auf eine Fügetemperatur, welche im Wesentlichen einer Temperatur des eutektischen Punkts des Aktivhartlots (6) entspricht. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors (1).

Description

Drucksensor und Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem Grundkörper und einer druckempfindlichen keramischen Messmembran, wobei ein äußerer Rand der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einer dem äußeren Rand der Messmembran zugewandten Fläche des Grundkörpers mittels einer umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors.
In der Druckmesstechnik sind Absolutdruck-, Differenzdruck- und Relativdrucksensoren bekannt. Absolutdrucksensoren bestimmen den vorherrschenden Druck absolut, d.h. typischerweise in Bezug auf Vakuum, während Differenzdrucksensoren die Differenz zwischen zwei unterschiedlichen Drücken bestimmen. Bei Relativdrucksensoren wird der zu messende Druck gegenüber einem Referenzdruck bestimmt, wobei der in der Umgebung des Relativdrucksensors vorherrschende Atmosphärendruck als Referenzdruck dient.
Ein gattungsgemäßer Drucksensor umfasst einen Grundkörper und eine keramische Messmembran, die unter Bildung einer Messkammer mit dem Grundkörper mittels eines Aktivhartlots druckdicht verbunden ist. Weiterhin umfasst der Drucksensor in der Regel einen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal, sowie einen Primärsignalpfad, der sich durch den Grundkörper erstreckt. Der Wandler kann beispielsweise ein kapazitiver oder ein resistiver Wandler sein. Der Primärsignalpfad umfasst gewöhnlich mindestens eine elektrische Durchführung durch den Grundkörper.
Die umlaufende Fügestelle zwischen dem Grundkörper und der Messmembran bestimmt dabei die Druckfestigkeit und die Dichtheit des Drucksensors in hohem Maße. Derartige Fügestellen werden häufig mittels eines Aktivhartlots hergestellt, welches eine aktive Komponente umfasst, die beim Aktivhartlöten mit der Keramik der Messmembran und ggf. der Keramik des Grundkörpers reagiert. Dabei wird durch Reduktion der Oberfläche der Keramik eine mechanisch hochfeste chemische Verbindung zwischen der Keramik und dem Aktivhartlot bewirkt. Aktivhartlote bieten den Vorteil, dass sie aufgrund der darin enthaltenen aktiven Komponente(n) in der Lage sind, keramische Bauteile zu benetzen und ein direktes Löten von keramischen Bauteilen ohne vorherige Metallisierung der Keramik zu ermöglichen. Die Aktivhartlötung erfolgt, indem die durch den Grundkörper, die Lotschicht und die Messmembran gebildete Anordnung unter Vakuum oder Schutzgas insgesamt auf eine mindestens der Schmelztemperatur des Lots entsprechende Fügetemperatur aufgeheizt und dort über einen längeren Zeitraum, insb. einen Zeitraum von 5 min bis 15 min, gehalten wird. Aus der EP 0 490 807 B1 und der DE 10 2011 005 665 A1 ist em ternäres Aktivhartlot aus einer Zirkonium/Nickel-Legierung mit Titan als aktive Komponente bekannt geworden, welches zur Fertigung eines Drucksensors eingesetzt werden kann.
Beispielsweise wird ein solches Aktivhartlot in der Zusammensetzung Zr:Ni:Ti = 63:22:15 at% verwendet, um einen Drucksensor bei einer Fügetemperatur von etwa 900°C zu fügen. Die Schmelztemperatur des Aktivhartlots in dieser Zusammensetzung liegt bei etwa 870°C. Prozessbedingt wird typischerweise bei einer Fügetemperatur gelötet, welche oberhalb der Schmelztemperatur, beispielsweise ca. 30 K höher, liegt.
Die bekannten Aktivhartlote weisen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundkörper und Messmembran angepasst ist. Die beiden Ausdehnungskoeffizienten sind jedoch nicht identisch, so dass sich trotz der vergleichsweise guten Anpassung beim Abkühlen der Fügestelle bzw. des Drucksensors von der Fügetemperatur auf Raumtemperatur mechanische Spannungen im Drucksensor ausbilden. Dabei bilden sich die betragsmäßig größten Spannungen dort aus, wo die Werkstoffe mit den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufeinandertreffen. Entsprechend konzentrieren sich die Spannungen sowohl in einem der Messmembran zugewandten Randbereich der Fügestelle als auch in einem dem Grundkörper zugewandten Randbereich der Fügestelle.
Während Spannungen in dem dem Grundkörper zugewandten Randbereich der Fügestelle im Hinblick auf die Messeigenschaften vergleichsweise geringe Auswirkungen haben, wirken sich Spannungen in dem der Messmembran zugewandten Randbereich der Fügestelle 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.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Drucksensor bereitzustellen, bei welchem Spannungen im Bereich der Fügestelle reduziert werden, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines solchen Drucksensors anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Drucksensor mit einem Grundkörper und einer druckempfindlichen keramischen Messmembran, wobei ein äußerer Rand der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einer dem äußeren Rand der Messmembran zugewandten Fläche des Grundkörpers mittels einer umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, wobei die Fügestelle em ternäres Aktivhartlot in eutektischer Zusammensetzung aufweist, erhältlich durch ein Verfahren, welches die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen des Grundkörpers, der Messmembran und des Aktivhartlots, Positionieren des Aktivhartlots zwischen dem äußeren Rand der Messmembran und einer dem äußeren Rand der Messmembran zugewandten Fläche des Grundkörpers, Erwärmen des Grundkörpers, der Messmembran und des Aktivhartlots auf eine Fügetemperatur, welche im Wesentlichen einer Temperatur des eutektischen Punkts des Aktivhartlots entspricht, und Abkühlen des Drucksensors.
In der eutektischen Zusammensetzung weist das Aktivhartlot einen Schmelzpunkt auf, der kleiner als die jeweiligen Schmelzpunkte der einzelnen Komponenten des Aktivhartlots und der der kleinste Schmelzpunkt von allen möglichen Zusammensetzungen des ternären Aktivhartlots ist. Durch die verringerte Temperatur am Schmelzpunkt kann die Fügestelle bei einer erniedrigten Fügetemperatur gelötet werden, was wiederum die Spannungen im Bereich der Fügestelle im Vergleich zu höheren Fügetemperaturen verringert.
Darüber hinaus bietet der Einsatz des Aktivhartlots in eutektischer Zusammensetzung den Vorteil, dass am Schmelzpunkt des Eutektikums die Liquidus- gleich der Solidustemperatur ist und alle Phasen des Aktivhartlots im Gleichgewicht sind. Wird das Aktivhartlot also im Bereich der Temperatur des Schmelzpunkts aufgeschmolzen und anschließend abgekühlt, so entsteht eine feinkristalline und gleichmäßige Lötstelle. Bei einer Verwendung des Aktivhartlots in einer nicht-eutektischen Zusammensetzung würde eine wesentlich inhomogenere Lötstelle erhalten werden, da sich aufgrund der vorhandenen Erstarrungsbereiche verschiedene feste Phasen abscheiden würden, die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass dadurch intrinsische Spannungen an den Phasengrenzen entstünden. Beim erfindungsgemäßen Drucksensor hingegen werden derartige Spannungen an Phasengrenzen vermieden oder zumindest deutlich verringert, da eine homogene Lötstelle erhalten wird.
Im Vergleich zum Stand der Technik werden somit auf zwei Wegen Spannungen an der Fügestelle verringert: erstens durch eine niedrigere Fügetemperatur und zweitens durch das Erstarren des Aktivhartlots in eutektischer Zusammensetzung. Die eutektische Zusammensetzung des Aktivhartlots ist beispielsweise durch chemische Analyse der Fügestelle ermittelbar. In einer Ausgestaltung besteht das Aktivhartlot aus Zirkonium, Nickel und Titan in einem atomaren Verhältnis von Zr:Ni:Ti = 47:26:27 at% mit einem Fehler von ±5 at%. Dieses Verhältnis entspricht der eutektischen Zusammensetzung des Aktivhartlots aus einer Zr/Ni-Legierung mit Titan als aktiver Komponente. Durch Verunreinigungen der Rohmaterialien kann es zu geringen Abweichungen der idealen eutektischen Zusammensetzung des Aktivhartlots kommen, die Fehlern von bis zu ±5 at%, insbesondere Fehlern von bis zu ±3 at%, bis zu ±2 at%, oder bis zu ±1 at%, entsprechen.
In einer möglichen Ausgestaltung liegt die Fügetemperatur bei etwa 770°C. In der idealen eutektischen Zusammensetzung des Aktivhartlots beträgt die Temperatur am Schmelzpunkt etwa 770°C. Die Fügetemperatur liegt damit deutlich unter der bisherigen Fügetemperaturen von gattungsgemäßen Drucksensoren von etwa 900°C.
Um mögliche geringe Abweichungen von der idealen eutektischen Zusammensetzung des Aktivhartlots und die Bedingungen der Lötanlage zu berücksichtigen, kann in einem Bereich der Fügetemperatur gelötet werden, der etwas höher liegt als die eigentliche Schmelztemperatur des Aktivhartlots. So können Lötanlagen nicht auf eine Temperatur, sondern auf einen Temperaturbereich eingestellt werden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht daher vor, dass die Fügetemperatur in einem Temperaturbereich liegt, der 2-10% oberhalb des Schmelzpunkts des Aktivhartlots liegt.
Eine alternative Ausgestaltung beinhaltet, dass die Fügetemperatur in einem Temperaturbereich liegt, der 2-5% oberhalb des Schmelzpunkts des Aktivhartlots liegt.
In einer weiteren Ausgestaltung liegt die Fügetemperatur daher in einem Temperaturbereich von 770°C bis 860°C.
In einer alternativen Ausgestaltung liegt die Fügetemperatur in einem Temperaturbereich von 790°C bis 820°C. Um die genannten Probleme und Prozessbedingungen zu berücksichtigen, kann bei einer Fügetemperatur gelötet werden, die bis zu 30 K über der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegt.
Vorteilhafterweise ist der Grundkörper keramisch.
Bevorzugterweise sind die Messmembran und/oder der Grundkörper aus Korund gefertigt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit einem Grundkörper und einer druckempfindlichen keramischen Messmembran, wobei em äußerer Rand der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einer dem äußeren Rand der Messmembran zugewandten Fläche des Grundkörpers mittels einer umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, wobei die Fügestelle ein ternäres und eutektisches Aktivhartlot aufweist, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen des Grundkörpers, der Messmembran und des Aktivhartlots, Positionieren des Aktivhartlots zwischen dem äußeren Rand der Messmembran und einer dem äußeren Rand der Messmembran zugewandten Fläche des Grundkörpers,
Erwärmen des Grundkörpers, der Messmembran und des Aktivhartlots auf eine Fügetemperatur, welche im Wesentlichen einer Temperatur des eutektischen Punkts des Aktivhartlots entspricht, und Abkühlen des Drucksensors.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, einen Drucksensor herzustellen, welcher gegenüber dem Stand der Technik weniger Spannungen im Bereich der Fügestelle aufweist. Dies wird erreicht durch den Einsatz des Aktivhartlots in eutektischer Zusammensetzung, wodurch zum einen die Schmelztemperatur des Aktivhartlots verringert wird, und zum anderen beim Abkühlen der eutektischen Zusammensetzung des Aktivhartlots eine feinkristalline und gleichmäßige Fügestelle erhalten wird.
In einer Ausgestaltung besteht das Aktivhartlot aus Zirkonium, Nickel und Titan in einem atomaren Verhältnis von Zr:Ni:Ti = 47:26:27 at% mit einem Fehler von ±5 at%.
Insbesondere kann der Fehler bis zu ±3 at%, bis zu ±2 at% , oder bis zu ±1 at% betragen.
In einer möglichen Ausgestaltung liegt die Fügetemperatur bei etwa 770°C.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Fügetemperatur in einem Temperaturbereich liegt, der 2-10% oberhalb des Schmelzpunkts des Aktivhartlots liegt.
Eine alternative Ausgestaltung beinhaltet, dass die Fügetemperatur in einem Temperaturbereich liegt, der 2-5% oberhalb des Schmelzpunkts des Aktivhartlots liegt.
In einer weiteren Ausgestaltung liegt die Fügetemperatur daher in einem Temperaturbereich von 770°C bis 860°C.
In einer alternativen Ausgestaltung liegt die Fügetemperatur in einem Temperaturbereich von 790°C bis 820°C.
Vorteilhafterweise ist der Grundkörper keramisch. Bevorzugterweise sind die Messmembran und/oder der Grundkörper aus Korund gefertigt.
Im Weiteren soll anhand der nachfolgenden Figuren Fig. 1-2 die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors.
Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der erfindungsgemäße Drucksensor 1 , wie in Fig. 1 schematisch in einer Schnitt- Zeichnung dargestellt, umfasst einen, beispielsweise keramischen, Grundkörper 2 und eine keramische Messmembran 3. Sowohl der Grundkörper 2 als auch die Messmembran 3 sind im vorliegenden Beispiel aus Korund gefertigt. Unter Einschluss einer Druckkammer 4 ist ein äußerer Rand der Messmembran 3 mit einer dem äußeren Rand der Messmembran 3 zugewandten Fläche des Grundkörpers 2 mittels einer umlaufenden Fügestelle 5 druckdicht verbunden. Zur Beaufschlagung der Messmembran 3 mit einem ersten Druck führt durch den Grundkörper 2 optional eine Druckzuleitung 10 in die Druckkammer 4. Der zweite Druck wird der Messmembran 3 auf ihrer der Druckkammer 4 abgewandten Fläche bereitgestellt.
Derartige Drucksensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung Cerabar und Ceraphant hergestellt und vertrieben.
Der Drucksensor 1 weist weiterhin beispielsweise einen kapazitiven Wandler auf, welcher eine Messelektrode 7 auf der der Druckkammer 4 zugewandten Fläche der Messmembran 3 umfasst sowie eine Gegenelektrode 8 auf einer der Druckkammer 4 zugewandten Fläche des Grundkörpers 2. Die Gegenelektrode 8 ist über einen elektrischen Leiter kontaktiert, welcher beispielhaft als Kontaktstift 9 ausgeführt ist.
Die Fügestelle 5 weist ein ternäres Aktivhartlot in eutektischer Zusammensetzung auf, wobei eine Fügetemperatur der Fügestelle 5 im Wesentlichen einer Temperatur eines Schmelzpunkts des Aktivhartlots 6 entspricht. Das Aktivhartlot 6 kann beispielsweise aus Zirkonium, Nickel und Titan in einem atomaren Verhältnis von Zr: Ni:Ti = 47:26:27 at% mit einem Fehler von ±5 at% bestehen, insbesondere kann das Verhältnis von Zr: Ni:Ti = 47:26:27 at% einen Fehler von bis zu ±3 at%, bis zu ±2 at%, oder bis zu ±1 at% aufweisen.
Beispielsweise beträgt die Fügetemperatur des Drucksensors in etwa 770°C. Die Fügetemperatur kann optional in einem Temperaturbereich liegen, welcher 2-10% oder insbesondere 2-5% oberhalb des Schmelzpunkts des Aktivhartlots 6 liegt. Alternativ kann die Fügetemperatur in einem Temperaturbereich von 770 C bis 860 C oder insbesondere in einem Bereich von 790°C bis 820°C liegen.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Drucksensors 1 mit einem Grundkörper 2 und einer druckempfindlichen keramischen Messmembran 3 gezeigt. Der erfindungsgemäße Drucksensor aus Fig. 1 ist durch ein in Fig. 2 dargestelltes Verfahren erhältlich. Ein äußerer Rand der Messmembran 3 ist unter Einschluss einer Druckkammer 4 mit einer dem äußeren Rand der Messmembran 2 zugewandten Fläche des Grundkörpers 3 mittels einer umlaufenden Fügestelle 5 druckdicht verbunden, wobei die Fügestelle 5 ein ternäres und eutektisches Aktivhartlot ß aufweist. In einem ersten Schritt 10 des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst der Grundkörpers 2, die Messmembran 3 und das Aktivhartlot 6 bereitgestellt und in einem zweiten Schritt 20 derartig positioniert, dass das Aktivhartlot 6 zwischen dem äußeren Rand der Messmembran 3 und einer dem äußeren Rand der Messmembran 3 zugewandten Fläche des Grundkörpers 2 angeordnet ist. In einem dritten Schritt 30 erfolgt das Erwärmen des Grundkörpers 2, der Messmembran 3 und des Aktivhartlots 6 auf eine Fügetemperatur, welche im Wesentlichen einer Temperatur des eutektischen Punkts des Aktivhartlots 6 entspricht. Die Fügetemperatur wird für eine definierte Zeitspanne beibehalten, bevor in einem vierten Schritt 40 die Anordnung aus der Messmembran 3 und dem Grundkörper 2 abgekühlt wird. Auf diese Weise wird ein Drucksensor mit einer homogenen Fügestelle zwischen der Messmembran 3 und dem Grundkörper 2 erhalten.
Bezugszeichenhste
1 Drucksensor
2 Grundkörper 3 Messmembran
4 Druckkammer
5 Fügestelle
6 Aktivhartlot
7 Messelektrode 8 Gegenelektrode
9 Kontaktstift
10 Druckzuleitung

Claims

Patentansprüche Drucksensor (1) mit einem Grundkörper (2) und einer druckempfindlichen keramischen Messmembran (3), wobei ein äußerer Rand der Messmembran (3) unter Einschluss einer Druckkammer (4) mit einer dem äußeren Rand der Messmembran (3) zugewandten Fläche des Grundkörpers (2) mittels einer umlaufenden Fügestelle (5) druckdicht verbunden ist, wobei die Fügestelle (5) ein ternäres Aktivhartlot (6) in eutektischer Zusammensetzung aufweist, erhältlich durch ein Verfahren, welches die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen des Grundkörpers (2), der Messmembran (3) und des Aktivhartlots (6),
Positionieren des Aktivhartlots (6) zwischen dem äußeren Rand der Messmembran (3) und einer dem äußeren Rand der Messmembran (3) zugewandten Fläche des Grundkörpers (2),
Erwärmen des Grundkörpers (2), der Messmembran (3) und des Aktivhartlots (6) auf eine Fügetemperatur, welche im Wesentlichen einer Temperatur des eutektischen Punkts des Aktivhartlots (6) entspricht, und
Abkühlen des Drucksensors (1). Drucksensor nach Anspruch 1 , wobei das Aktivhartlot (6) aus Zirkonium, Nickel und Titan in einem atomaren Verhältnis von Zr:Ni:Ti = 47:26:27 at% % mit einem Fehler von ±5 at% besteht. Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1-2, wobei die Fügetemperatur bei etwa 770°C liegt. Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1-2, wobei die Fügetemperatur in einem Temperaturbereich liegt, der 2-10% oberhalb des Schmelzpunkts des Aktivhartlots (6) liegt. Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1-2, wobei die Fügetemperatur in einem Temperaturbereich liegt, der 2-5% oberhalb des Schmelzpunkts des Aktivhartlots (6) liegt. Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1-2, wobei die Fügetemperatur in einem Temperaturbereich von 770°C bis 860°C liegt. Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1-2, wobei die Fügetemperatur in einem Temperaturbereich von 790°C bis 820°C liegt.
9 Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, wobei der Grundkörper (2) keramisch ist. Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1-8, wobei die Messmembran (3) und/oder der Grundkörper (2) aus Korund gefertigt sind. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors (1) mit einem Grundkörper (2) und einer druckempfindlichen keramischen Messmembran (3), wobei ein äußerer Rand der Messmembran (3) unter Einschluss einer Druckkammer (4) mit einer dem äußeren Rand der Messmembran (3) zugewandten Fläche des Grundkörpers (2) mittels einer umlaufenden Fügestelle (5) druckdicht verbunden ist, wobei die Fügestelle (5) ein ternäres und eutektisches Aktivhartlot (6) aufweist, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen des Grundkörpers, der Messmembran und des Aktivhartlots (10), Positionieren des Aktivhartlots zwischen dem äußeren Rand der
Messmembran und einer dem äußeren Rand der Messmembran zugewandten Fläche des Grundkörpers (20),
Erwärmen des Grundkörpers, der Messmembran und des Aktivhartlots auf eine Fügetemperatur, welche im Wesentlichen einer Temperatur des eutektischen Punkts des Aktivhartlots entspricht (30), und
Abkühlen des Drucksensors (40).
PCT/EP2021/072738 2020-09-03 2021-08-16 Drucksensor und verfahren zur herstellung eines drucksensors WO2022048900A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21763316.3A EP4208702A1 (de) 2020-09-03 2021-08-16 Drucksensor und verfahren zur herstellung eines drucksensors
US18/044,042 US20230393004A1 (en) 2020-09-03 2021-08-16 Pressure sensor and method for manufacturing a pressure sensor
CN202180054233.8A CN116018508A (zh) 2020-09-03 2021-08-16 压力传感器和制造压力传感器的方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020123065.6 2020-09-03
DE102020123065.6A DE102020123065A1 (de) 2020-09-03 2020-09-03 Drucksensor und Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022048900A1 true WO2022048900A1 (de) 2022-03-10

Family

ID=77595542

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/072738 WO2022048900A1 (de) 2020-09-03 2021-08-16 Drucksensor und verfahren zur herstellung eines drucksensors

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230393004A1 (de)
EP (1) EP4208702A1 (de)
CN (1) CN116018508A (de)
DE (1) DE102020123065A1 (de)
WO (1) WO2022048900A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0490807B1 (de) 1990-11-13 1995-12-27 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
US20150135844A1 (en) * 2012-07-11 2015-05-21 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Method for joining ceramic bodies by means of an active hard solder, or braze, assembly having at least two ceramic bodies joined with one another, especially a pressure measuring cell

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012110618A1 (de) 2012-11-06 2014-05-22 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Baugruppe mit mindestens zwei miteinander gefügten Keramikkörpern, insbesondere Druckmesszelle, und Verfahren zum Fügen von Keramikkörpern mittels eines Aktivhartlots

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0490807B1 (de) 1990-11-13 1995-12-27 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
US20150135844A1 (en) * 2012-07-11 2015-05-21 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Method for joining ceramic bodies by means of an active hard solder, or braze, assembly having at least two ceramic bodies joined with one another, especially a pressure measuring cell

Also Published As

Publication number Publication date
CN116018508A (zh) 2023-04-25
EP4208702A1 (de) 2023-07-12
US20230393004A1 (en) 2023-12-07
DE102020123065A1 (de) 2022-03-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2632875B1 (de) Verfahren zum herstellen einer verbindung zwischen zwei keramikteilen, insbesondere von teilen eines drucksensors und ein keramischer drucksensor
EP0445382B1 (de) Drucksensor und dessen Herstellverfahren
EP2652472B1 (de) Drucksensor und verfahren zu dessen herstellung
EP1440322A1 (de) Mikrosensor
EP3008440B1 (de) Kapazitive, keramische druckmesszelle und verfahren zu ihrer herstellung
WO1990011610A1 (de) Elektrisch leitende durchführung und verfahren zu ihrer herstellung
EP2872280B1 (de) Baugruppe mit mindestens zwei miteinander gefügten keramikkörpern, insbesondere druckmesszelle ; verfahren zum herstellen einer solchen baugruppe
WO2015051473A1 (de) Verfahren zur herstellung einer metall-keramiklötverbindung
WO2014072193A1 (de) Baugruppe mit zwei miteinander gefügten keramikkörpern, insbesondere druckmesszelle, und verfahren zum fügen von keramikkörpern mittels eines aktivhartlots
WO2009003826A1 (de) Drucksensor
DE102013105132A1 (de) Keramische Druckmesszelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
WO2016087148A1 (de) Druckmesszelle
EP3304019B1 (de) Drucksensor mit einer aktivhartlötung
EP4208702A1 (de) Drucksensor und verfahren zur herstellung eines drucksensors
WO2008110244A2 (de) Isolatorschichtsystem für einen sensor und sensor mit einem solchen isolatorschichtsystem
DE2605874A1 (de) Hochtemperatur-loetvorformen und ihre verwendung in einem diffusions-loetverfahren
DE112018001267T5 (de) Messeinrichtung für physikalische Größen, Verfahren, um sie herzustellen, und Messelement für physikalische Größen
DE102016102775A1 (de) Kapazitiver Drucksensor
EP3197848B1 (de) Verfahren zum herstellen einer verbindung zwischen zwei keramikteilen, insbesondere von teilen eines drucksensors
WO2016198226A1 (de) Aktivhartlot zum aktivhartlöten von keramik
WO2024125893A1 (de) Verfahren zum herstellen eines drucksensors
DE102014115801A1 (de) Keramischer Drucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung
WO2016008683A1 (de) Keramischer drucksensor mit einer aktivhartlötung und verfahren zur aktivhartlötung zweier bauteile
DD149912A1 (de) Flaechenbondung von silizium mit silizium und verfahren zur herstellung derselben

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: 21763316

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021763316

Country of ref document: EP

Effective date: 20230403