WO2012079939A1 - Drucksensor und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2012079939A1
WO2012079939A1 PCT/EP2011/070824 EP2011070824W WO2012079939A1 WO 2012079939 A1 WO2012079939 A1 WO 2012079939A1 EP 2011070824 W EP2011070824 W EP 2011070824W WO 2012079939 A1 WO2012079939 A1 WO 2012079939A1
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active
ceramic
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pressure sensor
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Peter Selders
Andreas Rossberg
Dieter Schmidt
Andrea Berlinger
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Endress and Hauser SE and Co KG
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Endress and Hauser SE and Co KG
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • 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
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G01L9/0044—Constructional details of non-semiconductive diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to a ceramic pressure sensor and a method for its production.
  • Ceramic pressure sensors comprise a base body and a measuring diaphragm, wherein the measuring diaphragm is joined to the base body by means of an active brazing solder.
  • a suitable active brazing material for joining ceramic parts made of corundum is, for example, a Zr-Ni-Ti alloy, since it is compatible with corundum from its thermal expansion coefficient.
  • European Patent EP 0 490 807 B1 discloses such an active brazing material.
  • Patent EP 0 558 874 B1 discloses a method for producing rings from such an active brazing material, rings
  • Base body placed as a spacer between the two parts, and melted in a high vacuum soldering process, creating a pressure-tight and high-strength annular connection between the two ceramic parts.
  • prefabricated rings consists in the active brazing in one
  • the rings can be produced only in a minimum thickness of about 30 pm in reproducible thickness, so that thinner joints, with Such active solder rings are not to produce with sufficiently low scattering.
  • the still unpublished application DE 10 2010 0431 19 discloses a method for producing a pressure sensor, in which the entire material of the joint is prepared by means of vapor deposition. Although this makes it possible to prepare arbitrarily thin joints, it is still a comparatively expensive process, since naturally only a fraction of the evaporated material reaches the substrate in the vapor deposition.
  • the object is achieved by the method according to claim 1 and the pressure sensor according to claim 13.
  • the method according to the invention for producing a ceramic pressure sensor comprises:
  • an active brazing material by means of vapor deposition at least on a first surface portion of a first surface and on a second surface portion of a second surface, wherein the first surface is a surface of the body to be connected to the intermediate ring by means of the active braze, or a surface of the intermediate ring, the is to be connected by means of the active hard solder with the body; wherein the second surface is a surface of the measuring membrane to be connected to the intermediate ring by means of the active braze, or surface of the intermediate ring, which is to be connected by means of the active braze with the second ceramic body; Positioning the intermediate ring between the measuring diaphragm and the main body; and
  • the intermediate ring during the soldering process substantially a
  • the intermediate ring comprises a metallic material which in particular has W, MoTiZr, MoCu, or a ceramic material, in particular corundum
  • the intermediate ring has a thickness of not less than 10 ⁇ m.
  • the intermediate ring has a thickness of not more than 60 ⁇ m, in particular not more than 45 ⁇ m, preferably not more than 30 and particularly preferably not more than 25 ⁇ m.
  • the thickness of the active brazing material provided by means of vapor deposition on a surface section is not less than 0.05 ⁇ m, preferably not less than 0.1 ⁇ m.
  • the provision of the active brazing material by means of vapor deposition takes place in such a way that in each case on both to be joined with the intermediate ring surface portions of the base body or the measuring membrane and on at least one surface to be joined of the intermediate ring, Preferably, on both surfaces to be joined surfaces of the intermediate ring, the active brazing material is provided by means of vapor deposition.
  • the active brazing material is provided by means of vapor deposition.
  • the provision of the active braze by means of vapor deposition can be carried out in such a way that at least one ceramic surface or a ceramic surface portion is coated at least with an active component of the active brazing. Subsequently, a mixture of all components of the active solder can be deposited on the active component layer to form a solderable active brazing solder
  • Active braids may be provided on a surface portion to be joined to the ceramic surface or ceramic surface portion coated with the active component, respectively.
  • the coating with the at least one active component has a thickness of not less than 20 nm, in particular not less than 40 nm.
  • the coating with the at least one active component has a thickness of not more than 200 nm, in particular not more than 100 nm.
  • the provision of the active brazing material by means of vapor deposition can be achieved, for example, by sputtering or cathode sputtering, in particular in a plant with a high-performance magnetron or by
  • Active brazing material in the desired composition of the components of the active braze to be provided contains.
  • the thermal evaporation to separate sources for the individual components of the
  • the at least one active component comprises, in particular, titanium or zirconium, the joint having a Zr-Ni-Ti alloy.
  • the at least one coating Zr and Ti.
  • At least the measuring membrane has corundum, it being presently preferred that the basic body also has corundum.
  • an adhesion promoter in particular titanium, can be deposited on the intermediate ring in order to reduce the adhesion of the
  • the pressure sensor according to the invention comprises a ceramic
  • Main body Main body, a ceramic measuring diaphragm, and an intermediate ring which is arranged between the main body and the measuring diaphragm, wherein the main body with the intermediate ring by means of a first
  • Joining points each have an active hard solder.
  • the active brazing material according to a development of the invention comprises a Zr-Ni-Ti alloy.
  • the intermediate ring comprises a metallic material which in particular has W, MoTiZr, MoCu, or a ceramic material, in particular corundum. In one development of the invention, the intermediate ring has a thickness of not less than 10 ⁇ m.
  • the intermediate ring has a thickness of not more than 60 ⁇ m, in particular not more than 45 ⁇ m, preferably not more than 30 and particularly preferably not more than 25 ⁇ m.
  • the pressure sensor according to the invention further comprises a converter not shown here for converting a pressure-dependent
  • the converter can be a capacitive, a resistive or an interferometric converter.
  • the pressure sensor may in particular comprise an absolute pressure sensor, a relative pressure sensor or a differential pressure sensor.
  • a measuring diaphragm may be arranged between two basic bodies, or a basic body carries two measuring diaphragms which are hydraulically coupled to one another via a transfer fluid in the basic body.
  • At least one of the connections between the one measuring diaphragm and the two basic bodies or between the two measuring diaphragms and the one basic body comprises an intermediate ring which is connected to the base body by means of a first joint and by means of a second joint the measuring membrane is connected, wherein preferably both
  • a longitudinal section through the components of a first embodiment of a pressure sensor according to the invention a longitudinal section through the components of a second embodiment of a pressure sensor according to the invention; a longitudinal section through the components of a third embodiment of a pressure sensor according to the invention and a longitudinal section through the components of a fourth embodiment of a pressure sensor according to the invention.
  • the components of a pressure sensor 1 shown in FIG. 1 comprise a circular disk-shaped measuring diaphragm 2 and a
  • the measuring membrane and the base body have, for example, a diameter of not less than 1 cm and not more than 7 cm.
  • a thickness of not less than 50 pm and not more than 3 mm for example, a thickness of not less than 50 pm and not more than 3 mm.
  • the actual selected thickness of the measuring membrane is - with a given strength of the membrane material - in particular a function the pressure measuring range, the expected overloads and the
  • the main body has a thickness of a few mm in order to be as stiff as possible with respect to the forces acting on it.
  • an intermediate ring 4 is arranged, which for example has a material thickness of about 25 pm and is formed for example of a molybdenum-copper alloy.
  • the outer diameter of the intermediate ring is substantially equal to the outer diameter of the base body and the measuring diaphragm, wherein the inner diameter, for example, 2 to 8 mm less, to provide an inwardly large contact surface for a peripheral region of the measuring diaphragm, wherein in the measuring operation on the edge region of
  • Measuring diaphragm usually rests on a sealing ring which is clamped between the pressure sensor and a sealing surface around a housing opening.
  • the active brazing material may in particular be a Zr-Ni-Ti active braid.
  • Reference pressure chamber is formed, whose height is determined by the strength of Intermediate ring and the respective strengths of Aktivhartlot Anlagenen is defined.
  • pressure sensor 1 1 comprises a measuring diaphragm 12, a base body 13, wherein the execution of the first embodiment apply mutatis mutandis to the materials and dimensions of the measuring diaphragm, the base body and the intermediate ring.
  • the intermediate ring 14 with a first layer of the active braze 15 and with a second layer of the
  • Main body can be omitted for the separation of the active hard solder, and for the intermediate ring 14, a masking is not required.
  • the pressure sensor 21 according to the invention again comprises a
  • Gas phase deposition are coated with an active braze.
  • the intermediate ring 24, such as the measuring diaphragm 22 and the base body 23, also has a ceramic material, in particular corundum.
  • Pressure sensor 31 according to the invention largely corresponds to the first embodiment, wherein now the measuring membrane 32 and the
  • Base body 33 are coated in the manner with the active brazing, that initially on the end face of the body and on the
  • Base body or the intermediate ring facing surface of the measuring membrane an annular region with an active component 35a, 36a of the active brazing be coated before the
  • Completion of the active brazing all components of the active braze are deposited in a second layer 35b, 36b on the active component.
  • the thickness of the layer of the active component 35a, 35b may be about 100 nm, for example, while the second layer of the active hard solder 35b, 36b is about 1 pm each.
  • All embodiments of the pressure sensor according to the invention further comprise a transducer, for converting a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm, wherein the transducer may be a capacitive, a (piezo) resistive or an optical converter. Details of this are known to the expert and do not require the closer representation.
  • the pressure sensor may be an absolute pressure sensor or a relative sensor, wherein in an absolute pressure sensor between the Measuring membrane and the base body formed reference pressure chamber is evacuated, while it is acted upon in a relative pressure sensor via a channel through the body with the ambient pressure.
  • the pressure sensor according to the invention can be an absolute pressure sensor or a relative sensor, wherein in an absolute pressure sensor between the Measuring membrane and the base body formed reference pressure chamber is evacuated, while it is acted upon in a relative pressure sensor via a channel through the body with the ambient pressure.
  • Be differential pressure sensor including, for example, a base body between two measuring membranes is to be added in each case with an intermediate ring, or for which purpose a measuring diaphragm is to be arranged in each case with an intermediate ring between two basic bodies.

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors, umfasst: Bereitstellen eines keramischen Grundkörpers, einer keramischen Messmembran, und eines Zwischenrings; Bereitstellen eines Aktivhartlotmaterials mittels Gasphasenabscheidung zumindest auf einem ersten Oberflächenabschnitt einer ersten Oberfläche und auf einem zweiten Oberflächenabschnitt einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine Oberfläche des Grundkörpers ist, die mit dem Zwischenring mittels des Aktivhartlots zu verbinden ist, oder eine Oberfläche des Zwischenrings, die mittels des Aktivhartlots mit dem Grundkörper zu verbinden ist; wobei die zweite Oberfläche eine Oberfläche der Messmembran ist, die mit dem Zwischenring mittels des Aktivhartlots zu verbinden ist, oder Oberfläche des Zwischenrings, die mittels des Aktivhartlots mit dem zweiten Keramikkörper zu verbinden ist; Positionieren des Zwischenrings zwischen der Messmembran und dem Grundkörper; und Erhitzen des Aktivhartlots in einem Lötprozess, wobei erfindungsgemäß der Zwischenring während des Lötprozesses im Wesentlichen ein Festkörper bleibt.

Description

Drucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Drucksensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Keramische Drucksensoren umfassen einen Grundkörper und eine Messmembran, wobei die Messmembran mittels eines Aktivhartlots mit dem Grundkörper gefügt ist. Ein geeignetes Aktivhartlot zum Fügen von Keramikteilen aus Korund ist beispielsweise eine Zr-Ni-Ti-Legierung, da diese von ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten mit Korund kompatibel ist. Im Europäischen Patent EP 0 490 807 B1 ist ein solches Aktivhartlot offenbart. Die Patentschrift EP 0 558 874 B1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Ringen aus einem solchen Aktivhartlot, Ringe aus
Aktivhartlot werden zum Verbinden von Messmembran und den
Grundkörper als Abstandhalter zwischen die beiden Teile gelegt, und in einem Hochvakuum lötprozess aufgeschmolzen, wodurch eine druckdichte und hochfeste ringförmige Verbindung zwischen den beiden Keramikteilen entsteht. Eine Alternative zum Aufbringen des Lots in Form von
vorgefertigten Ringen besteht darin, das Aktivhartlot in einem
Siebdruckverfahren bereitzustellen. Eine siebdruckfähige Paste des Aktivhartlots und ein Verfahren zu deren Herstellung ist in der
Offenlegungsschrift EP 0 988 919 A1 offenbart.
Aus dem Wunsch zur Miniaturisierung von Drucksensoren folgt indirekt der Bedarf nach einer dünneren Fügestelle, da - beispielsweise bei einem keramischen Drucksensor mit einem kapazitiven Wandler - die
Miniaturisierung zu einer Verkleinerung der Elektrodenflächen des kapazitiven Wandlers führt, die dann durch eine Verringerung des
Abstands zu kompensieren ist, wenn die Kapazität unverändert bleiben soll.
Die Ringe lassen sich jedoch nur in einer Mindeststärke von etwa 30 pm in reproduzierbarer Stärke herstellen, so dass dünnere Fügestellen, mit derartigen Aktivlotringen nicht mit hinreichend geringer Streuung herzustellen sind.
Gleichermaßen führt der Einsatz einer siebdruckfähigen Paste aufgrund der Körnung des Lots zu Mindeststärken der Fügestelle von 30 pm, wenn eine hinreichende Homogenität der Fügestelle und eine geringe Streuung des Abstands zwischen den Keramikteilen erzielt werden soll.
Die noch unveröffentlichte Anmeldung DE 10 2010 0431 19 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors, in dem das ganze Material der Fügestelle mittels Gasphasenabscheidung präpariert wird. Wenngleich sich damit beliebig dünne Fügestellen präparieren lassen, ist es doch ein vergleichsweise teures Verfahren, da bei der Gasphasenabscheidung naturgemäß nur ein Bruchteil des verdampften Materials zum Substrat gelangt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein danach hergestelltes keramisches Produkt bereitzustellen, welche die Nachteile des Stands der Technik überwinden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und den Drucksensor gemäß Patentanspruch 13.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines keramischen Drucksensors umfasst:
Bereitstellen eines keramischen Grundkörpers, einer keramischen
Messmembran, und eines Zwischenrings;
Bereitstellen eines Aktivhartlotmaterials mittels Gasphasenabscheidung zumindest auf einem ersten Oberflächenabschnitt einer ersten Oberfläche und auf einem zweiten Oberflächenabschnitt einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine Oberfläche des Grundkörpers ist, die mit dem Zwischenring mittels des Aktivhartlots zu verbinden ist, oder eine Oberfläche des Zwischenrings, die mittels des Aktivhartlots mit dem Grundkörper zu verbinden ist; wobei die zweite Oberfläche eine Oberfläche der Messmembran ist, die mit dem Zwischenring mittels des Aktivhartlots zu verbinden ist, oder Oberfläche des Zwischenrings, die mittels des Aktivhartlots mit dem zweiten Keramikkörper zu verbinden ist; Positionieren des Zwischenrings zwischen der Messmembran und dem Grundkörper; und
Erhitzen des Aktivhartlots in einem Lötprozess, wobei erfindungsgemäß der Zwischenring während des Lötprozesses im Wesentlichen ein
Festkörper bleibt. Der Lötprozess kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
insbesondere ein Vakuum lötprozess oder ein Lötprozess unter Schutzgas sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Zwischenring einen metallischen Werkstoff welcher insbesondere W, MoTiZr, MoCu aufweist, oder einen keramischen Werkstoff, insbesondere Korund
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Zwischenring eine Stärke von nicht weniger als 10 pm auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Zwischenring eine Stärke von nicht mehr als 60 pm, insbesondere nicht mehr als 45 pm, bevorzugt nicht mehr als 30 und besonders bevorzugt nicht mehr als 25 pm auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Stärke des mittels Gasphasenabscheidung auf einem Oberflächenabschnitt bereitgestellten Aktivhartlotmaterials nicht weniger als 0,05 pm, vorzugsweise nicht weniger als 0, 1 pm. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Bereitstellen des Aktivhartlotmaterials mittels Gasphasenabscheidung in der Weise, dass jeweils auf beiden mit dem Zwischenring zu fügenden Oberflächenabschnitten des Grundkörpers bzw. der Messmembran und auf mindestens einer zu fügenden Oberfläche des Zwischenrings, vorzugsweise auf beiden zu fügenden Oberflächen des Zwischenrings das Aktivhartlotmaterial mittels Gasphasenabscheidung bereitgestellt wird.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung erfolgt das
Bereitstellen des Aktivhartlotmaterials mittels Gasphasenabscheidung in der Weise, dass auf beiden zu fügenden Oberflächen des Zwischenrings und auf mindestens einem der mit dem Zwischenring zu fügenden
Oberflächenabschnitte des Grundkörpers bzw. der Messmembran, vorzugsweise auf beiden zu fügenden Oberflächenabschnitte des
Grundkörpers und der Messmembran das Aktivhartlotmaterial mittels Gasphasenabscheidung bereitgestellt wird.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann das Bereitstellen des Aktivhartlots mittels Gasphasenabscheidung in der Weise erfolgen, dass mindestens eine keramische Oberfläche bzw. ein keramischer Oberflächenabschnitt zumindest mit einer aktiven Komponente des Aktivhartlots beschichtet wird. Anschließend kann auf die Schicht der aktiven Komponente das Aktivlot eine Mischung aller Komponenten des Aktivlots abgeschieden werden um ein lotfähiges Aktivhartlot
bereitzustellen, und/oder eine Mischung der Komponenten des
Aktivhartlots kann auf einer Oberfläche bzw. einem Oberflächenabschnitt bereitgestellt werden, welcher mit der keramischen Oberfläche bzw. mit dem keramischen Oberflächenabschnitt zu fügen ist, die bzw. der mit der aktiven Komponente beschichtet ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Beschichtung mit der mindestens einen aktiven Komponente eine Stärke von nicht weniger als 20 nm, insbesondere nicht weniger als 40 nm auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Beschichtung mit der mindestens einen aktiven Komponente eine Stärke von nicht mehr als 200 nm, insbesondere nicht mehr als 100 nm auf.
Das Bereitstellen des Aktivhartlots mittels Gasphasenabscheidung kann beispielsweise durch Sputtern bzw. Kathodenzerstäubung, insbesondere in einer Anlage mit einem Hochleistungsmagnetron oder durch
thermisches Verdampfen des Aktivhartlotmaterials erfolgen. Beim Sputtern kann ein Target bzw. eine Kathode eingesetzt werden, welche das
Aktivhartlot in der gewünschten Zusammensetzung der Komponenten des bereitzustellenden Aktivhartlots enthält. Beim thermischen Verdampfen des Aktivhartlotmaterials aus einer Schmelze der Legierung besteht das Risiko der Segregation der einzelnen Komponente in der Schmelze, was zu einer Anreicherung einer Komponente an der Oberfläche der Schmelze führen könnte, wodurch die Zusammensetzung des verdampften Materials nicht mehr der ursprünglichen Zusammensetzung des Aktivhartlots entsprechen würde. Daher ist es für das thermische Verdampfen vorzuziehen, separate Quellen für die einzelnen Komponenten des
Aktivhartlots bereitzustellen und die resultierende Zusammensetzung des abgeschiedenen Aktivhartlots über die jeweiligen Verdampfungsraten der Komponenten zu steuern.
Die mindestens eine aktive Komponente umfasst insbesondere Titan oder Zirkonium, wobei die Fügestelle eine Zr-Ni-Ti-Legierung aufweist. In einer Weiterbildung der Erfindung enthält die mindestens eine Beschichtung Zr und Ti.
Zumindest die Messmembran weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung Korund auf, wobei es derzeit bevorzugt ist, dass auch der Grundkörper Korund aufweist.
Soweit der Zwischenring ein metallischer Zwischenring ist, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auf dem Zwischenring ein Haftvermittler, insbesondere Titan abgeschieden werden, um die Haftung des
Aktivhartlots am Zwischenring zu erleichtern bzw. zu verbessern.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst einen keramischen
Grundkörper, eine keramische Messmembran, und einen Zwischenring, der zwischen dem Grundkörper und der Messmembran angeordnet ist, wobei der Grundkörper mit dem Zwischenring mittels einer ersten
Fügestelle und der Zwischenring mit der Messmembran mittels einer zweiten Fügestelle verbunden sind, wobei die erste und die zweite
Fügestellen jeweils ein Aktivhartlot aufweisen. Das Aktivhartlot umfasst gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Zr- Ni-Ti-Legierung.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Zwischenring einen metallischen Werkstoff welcher insbesondere W, MoTiZr, MoCu aufweist, oder einen keramischen Werkstoff, insbesondere Korund In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Zwischenring eine Stärke von nicht weniger als 10 pm auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Zwischenring eine Stärke von nicht mehr als 60 pm, insbesondere nicht mehr als 45 pm, bevorzugt nicht mehr als 30 und besonders bevorzugt nicht mehr als 25 pm auf. Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst weiterhin einen hier nicht näher dargestellten Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen
Verformung der Messmembran in ein elektrisches oder optisches Signal. Der Wandler kann insbesondere ein kapazitiver, ein resistiver oder ein interferometrischer Wandler sein. Der Drucksensor kann insbesondere einen Absolutdrucksensor, einen Relativdrucksensor oder einen Differenzdrucksensor umfassen. Bei einem Differenzdrucksensor, kann eine Messmembran beispielsweise zwischen zwei Grundkörpern angeordnet sein, oder ein Grundkörper trägt zwei Messmembranen, die über eine Übertragungsflüssigkeit im Grundkörper hydraulisch miteinander gekoppelt sind. Zumindest eine der Verbindungen zwischen der einen Messmembran und den beiden Grundkörpern bzw. zwischen den beiden Messmembranen und dem einen Grundkörper umfasst erfindungsgemäß einen Zwischenring, der mittels einer ersten Fügestelle mit dem Grundkörper und mittels einer zweiten Fügestelle mit der Messmembran verbunden ist, wobei bevorzugt jeweils beide
Verbindungen einen solchermaßen verbunden Zwischenring aufweisen.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
einen Längsschnitt durch die Komponenten eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors; einen Längsschnitt durch die Komponenten eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors; einen Längsschnitt durch die Komponenten eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors und einen Längsschnitt durch die Komponenten eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors.
Die in Fig. 1 dargestellten Komponenten eines Drucksensors 1 umfassen eine kreisscheibenförmige Messmembran 2 und einen
kreisscheibenförmigen Grundkörper 3, wobei sowohl die Messmembran als auch der Grundkörper Korund aufweisen. Die Messmembran und der Grundkörper weisen beispielsweise einen Durchmesser von nicht weniger als 1 cm und nicht mehr als 7 cm auf. Die Messmembran weist
beispielsweise eine Stärke von nicht weniger als 50 pm und nicht mehr als 3 mm auf. Die tatsächlich gewählte Stärke der Messmembran ist - bei gegebener Festigkeit des Membranmaterials - insbesondere eine Funktion des Druckmessbereichs, der zu erwartenden Überlasten und des
Durchmessers der Messmembran. Der Grundkörper weist eine Stärke von einigen mm auf, um bezüglich der auf ihn wirkenden Kräfte möglichst steif zu sein. Zwischen der Messmembran 2 und dem Rundkörper 3 ist ein Zwischenring 4 angeordnet, welcher beispielsweise eine Materialstärke von etwa 25 pm aufweist und beispielsweise aus einer Molybdän-Kupfer- Legierung gebildet ist.
Der Außendurchmesser des Zwischenrings ist im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Grundkörpers und der Messmembran, wobei der Innendurchmesser beispielsweise 2 bis 8 mm weniger beträgt, um eine hineichend große Auflagefläche für einen Randbereich der Messmembran bereitzustellen, wobei im Messbetrieb auf dem Randbereich der
Messmembran gewöhnlich ein Dichtring aufliegt, der zwischen dem Drucksensor und einer Dichtfläche um eine Gehäuseöffnung eingespannt ist.
Zum Verbinden der Messmembran mit dem Zwischenring und des Grundkörpers mit dem Zwischenring sind auf der Messmembran 2 und dem Grundkörper 3 jeweils fluchtend mit dem Zwischenring Schichten eines Aktivhartlots 5, 6 mittels Gasphasenabscheidung präpariert, wobei die Schichten beispielsweise eine Stärke von etwa 5 pm aufweisen. Das Aktivhartlot kann insbesondere ein Zr-Ni-Ti-Aktivhartlot sein.
Beim Abscheiden des Aktivhartlots auf den Oberflächen der
Messmembran 2 und des Grundkörpers 3 sind die nicht zu
beschichtenden Oberflächenabschnitte mit Masken abzudecken.
Die beschriebenen Komponenten werden in der dargestellten Anordnung aufeinander gelegt und anschließend in einem Hochvakuumlötprozess miteinander gefügt. Wodurch zwischen Messmembran eine
Referenzdruckkammer gebildet wird, deren Höhe durch die Stärke des Zwischenrings und die jeweiligen Stärken der Aktivhartlotschichten definiert ist.
Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Drucksensors 1 1 umfasst eine Messmembran 12, einen Grundkörper 13, wobei für die Materialien und Abmessungen der Messmembran, des Grundkörpers und des Zwischenrings die Ausführung zum ersten Ausführungsbeispiel entsprechend gelten. Im hier betrachteten Ausführungsbeispiel ist jedoch der Zwischenring 14 mit einer ersten Schicht des Aktivhartlots 15 und mit einer zweiten Schicht des
Aktivhartlots 16 beschichtet, so dass ein Abscheiden des Aktivhartlots auf der Messmembran bzw. dem Grundkörper entfallen kann. Zum Verbinden der genannten Komponenten werden selbige in der dargestellten
Reihenfolge aufeinander gelegt und in einem Hochvakuumlötprozess miteinander gefügt. Ein Vorteil des hier gezeigten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Maskierung der Messmembran und des
Grundkörpers für das Abscheiden des Aktivhartlots entfallen kann, und für den Zwischenring 14 ist eine Maskierung nicht erforderlich.
Das in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Drucksensors 21 umfasst wiederum eine
Messmembran 22 und einen Grundkörper 23 sowie einen Zwischenring 24, wobei hier sämtliche zu fügende Oberflächenabschnitte mittels
Gasphasenabscheidung mit einem Aktivhartlot beschichtet sind. So ist für die Verbindung zwischen dem Grundkörper 23 und dem Zwischenring 24 auf einer dem Grundkörper zugewandten ersten Oberfläche des
Zwischenrings eine Schicht des Aktivhartlot 25a und auf dem Grundkörper eine ringförmige Schicht des Aktivhartlots 25b abgeschieden.
Entsprechend ist auf einer der Messmembran zugewandten zweiten Oberfläche des Zwischenrings 24 eine Schicht des Aktivhartlots 26a und auf der Messmembran eine ringförmige Schicht des Aktivhartlots 26b abgeschieden. Die hier beschriebene Vorgehensweise kann
beispielsweise vorteilhaft sein, um eine gleichmäßige Benetzung der Oberflächen mit dem Aktivhartlot zu gewährleisten. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn auch der Zwischenring 24 wie die Messmembran 22 und der Grundkörper 23 einen keramischen Werkstoff, insbesondere Korund aufweist.
Das in Fig. 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Drucksensors 31 entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei nun die Messmembran 32 und der
Grundkörper 33 in der Weise mit dem Aktivhartlot beschichtet sind, dass zunächst auf der Stirnfläche des Grundkörpers und auf der dem
Grundkörper bzw. dem Zwischenring zugewandten Oberfläche der Messmembran ein ringförmiger Bereich mit einer aktiven Komponente 35a, 36a des Aktivhartlots beschichtet werden, bevor zur
Vervollständigung des Aktivhartlots alle Komponenten des Aktivhartlots in einer zweiten Schicht 35b, 36b auf der aktiven Komponente abgeschieden werden. Die Stärke der Schicht der aktiven Komponente 35a, 35b kann beispielsweise jeweils etwa 100 nm betragen, während die zweite Schicht des Aktivhartlots 35b, 36b jeweils etwa 1 pm beträgt.
Sämtliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Drucksensors umfassen weiterhin einen Wandler, zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran, wobei der Wandler ein kapazitiver, ein (piezo-) resistiver oder ein optischer Wandler sein kann. Einzelheiten hierzu sind dem Fachmann geläufig und bedürfen nicht der näheren Darstellung.
Gleichermaßen kann der Drucksensor ein Absolutdrucksensor oder ein Relativsensor sein, wobei bei einem Absolutdrucksensor die zwischen der Messmembran und dem Grundkörper gebildete Referenzdruckkammer evakuiert ist, während sie bei einem Relativdrucksensor über einen Kanal durch den Grundkörper mit dem Umgebungsdruck beaufschlagbar ist. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Drucksensor ein
Differenzdrucksensor sein, wozu beispielsweise ein Grundkörper zwischen zwei Messmembranen jeweils mit einem Zwischenring zu fügen ist, oder wozu eine Messmembran jeweils mit einem Zwischenring zwischen zwei Grundkörpern anzuordnen ist. Der grundsätzliche Aufbau der
geschilderten Arten von Differenzdrucksensoren mit einem Grundkörper zwischen zwei Messmembranen oder einer Messmembran zwischen zwei Grundkörpern sind dem Fachmann geläufig und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors, umfassend:
Bereitstellen eines keramischen Grundkörpers, einer keramischen Messmembran, und eines Zwischenrings;
Bereitstellen eines Aktivhartlotmaterials mittels
Gasphasenabscheidung zumindest auf einem ersten
Oberflächenabschnitt einer ersten Oberfläche und auf einem zweiten Oberflächenabschnitt einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine Oberfläche des Grundkörpers ist, die mit dem Zwischenring mittels des Aktivhartlots zu verbinden ist, oder eine Oberfläche des Zwischenrings, die mittels des Aktivhartlots mit dem Grundkörper zu verbinden ist; wobei die zweite Oberfläche eine Oberfläche der Messmembran ist, die mit dem Zwischenring mittels des Aktivhartlots zu verbinden ist, oder Oberfläche des Zwischenrings, die mittels des Aktivhartlots mit dem zweiten Keramikkörper zu verbinden ist;
Positionieren des Zwischenrings zwischen der Messmembran und dem Grundkörper; und Erhitzen des Aktivhartlots in einem Lötprozess, wobei
erfindungsgemäß der Zwischenring während des Lötprozesses im Wesentlichen ein Festkörper bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Lötprozess ein
Vakuum lötprozess oder ein Lötprozess unter Schutzgas ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zwischenring einen metallischen Werkstoff aufweist, insbesondere W, MoTiZr oder MoCu.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zwischenring keramischen Werkstoff aufweist, insbesondere Korund
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zwischenring eine Stärke von nicht weniger als 10 pm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zwischenring eine Stärke von nicht mehr als 60 pm, insbesondere nicht mehr als 45 pm, bevorzugt nicht mehr als 30 und besonders bevorzugt nicht mehr als 25 pm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stärke des mittels Gasphasenabscheidung auf einem Oberflächenabschnitt bereitgestellten Aktivhartlotmaterials nicht weniger als 0,05 pm, vorzugsweise nicht weniger als 0, 1 pm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bereitstellen des Aktivhartlotmaterials mittels Gasphasenabscheidung in der Weise erfolgt, dass jeweils auf beiden mit dem Zwischenring zu fügenden Oberflächenabschnitten des
Grundkörpers bzw. der Messmembran und auf mindestens einer zu fügenden Oberfläche des Zwischenrings, vorzugsweise auf beiden zu fügenden Oberflächen des Zwischenrings das Aktivhartlotmaterial mittels Gasphasenabscheidung bereitgestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bereitstellen des Aktivhartlotmaterials mittels Gasphasenabscheidung in der Weise erfolgt, dass auf beiden zu fügenden Oberflächen des
Zwischenrings und auf mindestens einem der mit dem Zwischenring zu fügenden Oberflächenabschnitte des Grundkörpers bzw. der Messmembran, vorzugsweise auf beiden zu fügenden
Oberflächenabschnitte des Grundkörpers und der Messmembran das Aktivhartlotmaterial mittels Gasphasenabscheidung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bereitstellen des Aktivhartlotmaterials mittels Gasphasenabscheidung in der Weise erfolgt, dass mindestens eine keramische Oberfläche bzw. ein keramischer Oberflächenabschnitt zumindest mit einer aktiven Komponente des Aktivhartlots beschichtet wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, wobei anschließend auf die Schicht der aktiven Komponente eine Mischung aller Komponenten des Aktivlots abgeschieden wird, um ein lotfähiges Aktivhartlot bereitzustellen, und/oder wobei eine Mischung aller Komponenten des Aktivhartlots auf einer Oberfläche bzw. einem Oberflächenabschnitt bereitgestellt wird, welcher mit der keramischen Oberfläche bzw. mit dem keramischen Oberflächenabschnitt zu fügen ist, auf der bzw. dem die aktive Komponente abgeschieden ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprühe, wobei der Zwischenring ein metallischer Zwischenring ist, wobei auf dem
Zwischenring ein Haftvermittler, insbesondere Ti abgeschieden wird. Drucksensor, umfassend einen keramischen Grundkörper, eine keramische Messmembran, und einen Zwischenring, der zwischen dem Grundkörper und der Messmembran angeordnet ist, wobei der Grundkörper mit dem Zwischenring mittels einer ersten Fügestelle und der Zwischenring mit der Messmembran mittels einer zweiten Fügestelle verbunden sind, wobei die erste und die zweite
Fügestellen jeweils ein Aktivhartlot aufweisen.
Drucksensor nach Anspruch 13, wobei die Messmembran und/oder der Grundkörper Korund aufweisen, und wobei das Aktivhartlot eine Zr-Ni-Ti-Legierung aufweist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der Zwischenring einen metallischen Werkstoff aufweist, insbesondere W, MoTiZr, MoCu aufweist, oder einen keramischen Werkstoff, insbesondere Korund.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 3 bis 1 5, wobei der Zwischenring eine Stärke von nicht mehr als 60 pm, insbesondere nicht mehr als 45 pm, bevorzugt nicht mehr als 30 und besonders bevorzugt nicht mehr als 20 pm aufweist.
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