DE102007030910A1

DE102007030910A1 - pressure sensor

Info

Publication number: DE102007030910A1
Application number: DE102007030910A
Authority: DE
Inventors: Ulfert Drewes; Frank Dr. Hegner; Andreas Dr. Roßberg; Elke Schmidt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-01-08
Also published as: WO2009003826A1

Abstract

Ein Drucksensor (1) umfasst einen Grundkörper (2) und eine Messmenbran (3), die unter Bildung einer Messkammer mit dem Grundkörper (2) mittels einer ersten Fügestelle (4), die ein Aktivhartlot aufweist, druckdicht verbunden ist, und einen Wandler (5, 6) zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal sowie einen Primärsignalpfad, der sich von dem Wandler durch den Grundkörper erstreckt, wobei der Primärsignalpfad mindestens einen elektrischen Leiter umfasst, der in einem Abschnitt durch eine Öffnung (7) durch den Grundkörper verläuft, wobei die Öffnung mittels eines metallischen Körpers (9) verschlossen ist, der eine ebene Fläche aufweist, die der Messkammer zugewandt ist, und die mittels einer die Öffnung (7) umschließenden zweiten Fügestelle (8), die ein Aktivhartlot aufweist, druckdicht mit dem Grundkörper (2) gefügt ist, wobei das Aktivhartlot der zweiten Fügestelle (8) einen Schmelzpunkt aufweist, der nicht mehr als 50°C bzw. 25°C niedriger ist als jener des Aktivhartlots der ersten Fügestelle (4).A pressure sensor (1) comprises a base body (2) and a measuring diaphragm (3), which is pressure-tightly connected to the base body (2) by means of a first joint (4), which has an active hard solder, forming a measuring chamber, and a transducer (3). 5, 6) for converting a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm into a primary electrical signal and a primary signal path extending from the transducer through the main body, wherein the primary signal path comprises at least one electrical conductor in a section through an opening (7) through the Body runs, wherein the opening by means of a metallic body (9) is closed, which has a flat surface which faces the measuring chamber, and by means of a the opening (7) enclosing the second joint (8), which has an active brazing, pressure-tight is joined to the base body (2), wherein the active brazing material of the second joint (8) has a melting point which is not more than 50 ° C and 25 ° C is lower than that of the active braid of the first joint (4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen Drucksensor mit einem keramischen Grundkörper und einer keramischen Messmembran.The The present invention relates to a pressure sensor, in particular a Pressure sensor with a ceramic base body and a ceramic measuring membrane.

Drucksensoren im hier verwendeten Sinn umfassen Absolutdrucksensoren und Relativdrucksensoren, welche den absoluten Druck eines Messmediums gegen Vakuum bzw. die Differenz zwischen dem Druck in einem Messmedium und dem aktuellen Atmosphärendruck messen. Weiterhin umfassen die Drucksensoren im Sinne der Erfindung Differenzdrucksensoren, welche die Druckdifferenz zwischen einem ersten und zweiten Mediendruck erfassen.pressure sensors As used herein, absolute pressure sensors and relative pressure sensors include which the absolute pressure of a medium against vacuum or the Difference between the pressure in a medium and the current atmospheric pressure measure up. Furthermore, the pressure sensors according to the invention include Differential pressure sensors, which the pressure difference between a capture first and second media print.

Ein gattungsgemäßer Drucksensor umfasst einen Grundkörper und mindestens eine Messmembran, die unter Bildung einer Messkammer mit dem Grundkörper mittels eines Aktivhartlots druckdicht verbunden ist, und 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.One generic pressure sensor comprises a main body and at least one measuring membrane forming a measuring chamber connected to the main body pressure-tight by means of an active brazing is, and a converter for converting a pressure-dependent Deformation of the measuring diaphragm into a primary electrical signal, and a primary signal path extending through the body extends. The converter may, for example, be a capacitive or to be a resistive transducer. The primary signal path comprises usually at least one electrical feedthrough through the main body.

Derartige Drucksensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung Cerabar hergestellt und in Verkehr gebracht.such Pressure sensors are named by the Applicant under the name Cerabar manufactured and placed on the market.

Bei Drucksensoren mit keramischen Grundkörpern kann diese Durchführung beispielsweise ein Metallstift sein, der sich durch den Grundkörper erstreckt, wobei ein Ringspalt zwischen dem Metallstift und dem keramische Material mittels eines Aktivlots abgedichtet ist. Um die Kontaktierung der elektrischen Durchführung mittels einer Weichlotverbindung zu ermöglichen, wird ein Aktivlot eingesetzt, welches mit einem anschließenden Weichlotprozess kompatibel ist. Hierzu ist beispielsweise ein Ag-Cu-Aktivlot geeignet. Ein derartiges Aktivlot weist jedoch einen um mehr als 100 K niedrigeren Schmelzpunkt auf, als die bevorzugten Aktivhartlote zum Fügen der Messmembran mit dem keramischen Grundkörper. Insoweit können in einem Hochvakuumlötprozess bis zum Erreichen der Schmelztemperatur des Aktivhartlots die Komponenten des Aktivlots aufgrund ihrer unterschiedlichen Dampfdruckwerte unterschiedlich stark abdampfen, wodurch einerseits die Zusammensetzung des Aktivlots sich nachteilig verändern kann, und andererseits eine Kontamination des Aktivhartlots bzw. der damit zu lötenden Oberflächen erfolgen kann.at Pressure sensors with ceramic bodies can perform this For example, be a metal pin extending through the body extends, wherein an annular gap between the metal pin and the ceramic material is sealed by means of an active solder. Around the contacting of the electrical implementation by means to allow a soft solder connection becomes an active solder used, which compatible with a subsequent soldering process is. For this purpose, for example, an Ag-Cu active solder is suitable. One however, such active solder has a melting point lower by more than 100K on, as the preferred active hard solder for joining the measuring membrane with the ceramic base body. In that regard, can in a high vacuum soldering process until reaching the melting temperature the active hard solder the components of the active slot due to their different Vapors vaporize different degrees of vaporization, which on the one hand the composition of Aktivlots adversely change can, and on the other hand, a contamination of the active braze or the surfaces to be soldered can be made.

Es bleibt daher nur ein enges Fenster von Prozessparametern, bei denen die Herstellung der beschriebenen Drucksensoren im Hochvakuumlötprozess überhaupt erfolgen kann. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Drucksensor bereitzustellen, der einem robusteren Fertigungsverfahren zugänglich ist.It therefore remains only a narrow window of process parameters in which the production of the described pressure sensors in Hochvakuumlötprozess at all can be done. It is therefore the object of the invention to provide a generic pressure sensor to provide a more robust manufacturing process accessible is.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Drucksensor gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.The Task is solved by the pressure sensor according to independent claim 1.

Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst einen Grundkörper und mindestens eine Messmembran, die unter Bildung einer Messkammer mit dem Grundkörper mittels einer ersten Fügestelle, die ein Aktivhartlot aufweist druckdicht verbunden ist, und einen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal, sowie einen Primärsignalpfad; der sich von dem Wandler durch den Grundkörper erstreckt, wobei der Primärsignalpfad mindestens einen elektrischen Leiter umfasst, der in einem Abschnitt durch eine Öffnung durch den Grundkörper verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung mittels eines metallischen Körpers verschlossen ist, der eine im wesentlichen ebene Fläche aufweist, die der Messkammer zugewandt ist, und die mittels einer die Öffnung umschließenden zweiten Fügestelle mittels eines Aktivhartlots druckdicht mit dem Grundkörper gefügt ist, wobei das Aktivhartlot der zweiten Fügestelle einen Schmelzpunkt aufweist, der nicht mehr als 50°C, vorzugsweise nicht mehr als 25°C niedriger ist als jener des Aktivhartlots der ersten Fügestelle.Of the Pressure sensor according to the invention comprises a main body and at least one measuring membrane forming a measuring chamber with the basic body by means of a first joint, which has a Aktivhartlot pressure-tight connected, and a Converter for converting a pressure-dependent deformation of Measuring diaphragm into a primary electrical signal, as well as a Primary signal path; extending from the transducer through the body extends, wherein the primary signal path at least one Electrical conductor comprises, in a section through an opening passing through the main body, characterized that the opening by means of a metallic body is closed, which is a substantially flat surface has, which faces the measuring chamber, and by means of an opening enclosing second joint by means of a Aktivhartlots pressure-tight joined to the body is, wherein the active hard solder of the second joint a Melting point not exceeding 50 ° C, preferably not more than 25 ° C lower than that of the active braid the first joint.

Der Grundkörper und/oder die Messmembran weisen vorzugsweise einen keramischen Werkstoff auf, insbesondere Korund.Of the The base body and / or the measuring membrane preferably have a ceramic material, in particular corundum.

Vorzugsweise weist die zweite Fügestelle das gleiche Aktivhartlot auf wie die erste Fügestelle. Derzeit bevorzugt sind ternäre Aktivhartlote, die eine Zr/Ni-Legierung und Ti aufweisen und in EP 0 490 807 B1 beschrieben sind.Preferably, the second joint has the same active brazing material as the first joint. Presently preferred are ternary active braids having a Zr / Ni alloy and Ti and in EP 0 490 807 B1 are described.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der metallische Körper eine der Messkammer abgewandte Oberfläche auf, die mittels eines Weichlots kontaktierbar ist. Hierzu kann die der Messkammer abgewandte Oberfläche des metallischen Körpers ggf. eine metallische Beschichtung aufweisen, beispielsweise eine Ni-Schicht, die zum Schutz vor Oxidation vergoldet sein kann. Die metallische Beschichtung bzw. die Ni-Schicht weist beispielsweise eine Stärke von nicht weniger als 0,5 µm, bevorzugt nicht weniger als 1 µm auf.In a development of the invention, the metallic body a surface facing away from the measuring chamber, by means of a soft solder is contactable. For this purpose, the remote from the measuring chamber Surface of the metallic body possibly one have metallic coating, for example a Ni layer, which may be gold plated for protection against oxidation. The metallic one Coating or the Ni layer has, for example, a thickness of not less than 0.5 μm, preferably not less than 1 μm.

In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Schichtstärke etwa 2 µm. Die Goldschicht kann einige 10 nm aufweisen, beispielsweise 20 nm.In a presently preferred embodiment is the layer thickness about 2 microns. The gold layer may have some 10 nm, for example, 20 nm.

Der Metallkörper kann beispielsweise Wolfram oder eine Legierung aufweisen, die Molybdän und Kupfer bzw. Molybdän, Titan und Zirkonium enthält. Bei der Materialwahl ist darauf zu achten, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient zu dem des Grundkörpermaterials bzw. des Aktivhartlots passt, wobei eine vollständige Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht zwingend erforderlich ist. Es reicht aus, wenn die unterschiedliche Wärmeausdehnung nicht zum Versagen der Lötstelle führt. Derzeit bevorzugt ist eine Mo-Ti-Zr-Legierung, die unter der Bezeichnung TZM von den Firmen Goodfellow und Plansee erhältlich ist.The metal body may, for example, Wolf ram or an alloy containing molybdenum and copper or molybdenum, titanium and zirconium. When choosing the material, it must be ensured that the thermal expansion coefficient matches that of the main body material or active brazing material, whereby a complete correspondence of the thermal expansion coefficients is not absolutely necessary. It is sufficient if the different thermal expansion does not lead to failure of the solder joint. Presently preferred is a Mo-Ti-Zr alloy available under the name TZM from Goodfellow and Plansee.

Der Metallkörper kann beispielsweise kreisscheibenförmig ausgebildet sein, und in eine passende Aussparung in einer Oberfläche des Grundkörpers eingelegt werden, wobei die Öffnung in der Aussparung mündet.Of the Metal body, for example, circular disk-shaped be formed, and in a matching recess in a surface the body are inserted, the opening in the recess opens.

Der elektrische Leiter kann beispielsweise ein Metallstift sein, insbesondere ein Ta-Stift, der sich von dem Wandler durch die Öffnung bis zu der zweiten Fügestelle erstreckt. In einer anderen Ausgestaltung umfasst der elektrische Leiter eine Beschichtung der Öffnungswand, die Glas und mindestens ein Edelmetallelement enthält. Ungeachtet der Materialwahl des elektrischen Leiters ist eine ausreichende Kontaktierung der zweiten Fügestelle zu gewährleisten, da der Primärsignalpfad über die zweite Fügestelle und den metallischen Körper verläuft.Of the electrical conductor may be, for example, a metal pin, in particular a Ta pin extending from the transducer through the opening extends to the second joint. In another Embodiment, the electrical conductor comprises a coating of the opening wall, containing the glass and at least one precious metal element. Regardless of the choice of material of the electrical conductor is a sufficient contact to ensure the second joint, since the Primary signal path via the second joint and the metallic body runs.

Auf der dem Wandler abgewandten Oberfläche des metallischen Körpers kann der Primärsignalpfad fortgesetzt werden, indem beispielsweise eine Leitung zu einer Schaltung zur Signalvorverarbeitung mittels einer Weichlotverbindung angeschlossen wird.On the transducer facing away from the surface of the metallic Body can continue the primary signal path For example, by connecting a line to a circuit Signal preprocessing is connected by means of a soft solder connection.

Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt.The The invention will now be described with reference to an embodiment shown in the drawing explained. It shows.

1: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor. 1 : a longitudinal section through a pressure sensor according to the invention.

Der in 1 dargestellte Drucksensor 1 umfasst einen zylindrischen Grundkörper 2, und eine kreisscheibenförmige Messmembran 3, wobei beide Korund als Werkstoff aufweisen. Der Grundkörper 2 und die Messmembran 3 sind mittels einer umlaufenden Fügestelle 4 druckdicht miteinander gefügt, wobei durch die Fügestelle 4, die ein Aktivhartlot umfasst, der Abstand zwischen der Messmembran und dem Grundkörper definiert ist.The in 1 illustrated pressure sensor 1 includes a cylindrical body 2 , and a circular disk-shaped measuring diaphragm 3 , both of which have corundum as the material. The main body 2 and the measuring membrane 3 are by means of a circumferential joint 4 pressure-tightly joined together, passing through the joint 4 comprising an active hard solder, the distance between the measuring diaphragm and the base body is defined.

Zwischen der Messmembran 3 und dem Grundkörper 2 ist eine Messkammer ausgebildet, in welcher je nach Zielsetzung des Drucksensors ein anderer Gegendruck zu einem auf die Außenseite der Messmembran einwirkenden Druck vorherrscht. Bei einem Relativdrucksensor ist der Gegendruck der Atmosphärendruck in der Umgebung des Sensors, der über einen hier nicht dargestellten Kanal in die Messkammer eingeleitet wird. Bei einem Absolutdrucksensor soll der Gegendruck vernachlässigbar gering sein, die Messkammer ist dementsprechend evakuiert.Between the measuring membrane 3 and the body 2 is a measuring chamber formed in which, depending on the objective of the pressure sensor, a different back pressure prevails to a force acting on the outside of the measuring diaphragm pressure. In a relative pressure sensor, the back pressure is the atmospheric pressure in the vicinity of the sensor, which is introduced into the measuring chamber via a channel, not shown here. In an absolute pressure sensor, the back pressure should be negligible, the measuring chamber is evacuated accordingly.

Der Drucksensor 1 umfasst einen kapazitiven Wandler. Der kapazitive Wandler umfasst eine Messelektrode 5 auf messkammerseitigen Oberfläche der Messmembran 3, die über die Fügestelle 4 kontaktiert ist, und mindestens eine Gegenelektrode 6 auf der messkammerseitigen Stirnfläche des Grundkörpers 2, die über einen elektrischen Leiter kontaktiert ist, der sich durch eine Öffnung 7 erstreckt, die von der Messkammer im wesentlichen in axialer Richtung durch den Grundkörper 2 verläuft.The pressure sensor 1 includes a capacitive transducer. The capacitive converter comprises a measuring electrode 5 on the measuring chamber side surface of the measuring diaphragm 3 that over the joint 4 is contacted, and at least one counter electrode 6 on the measuring chamber side end face of the body 2 which is contacted via an electrical conductor extending through an opening 7 extending from the measuring chamber substantially in the axial direction through the main body 2 runs.

Der elektrische Leiter umfasst eine leitfähige Schicht, die Glas und mindestens ein Edelmetallelement enthält, beispielsweise Gold und/oder Platin. Das Schichtmaterial ist als Paste in die Öffnung 7 eingebracht und in eingebrannt worden. Die Messelektrode und die Gegenelektrode können im Wesentlichen das gleiche Material wie der elektrische Leiter aufweisen.The electrical conductor comprises a conductive layer containing glass and at least one noble metal element, for example gold and / or platinum. The layer material is in the opening as a paste 7 introduced and baked in. The measuring electrode and the counter electrode may have substantially the same material as the electrical conductor.

Die Öffnung 7 ist mit einem mittels eines Aktivhartlotplättchens 8 gefügten, kreisscheibenförmigen Metallplättchen 9 verschlossen, welches eine Stärke von etwa 200 µm und einem Durchmesser von etwa 4 mm aufweist. Das Metallplättchen 9 umfasst eine Mo-Ti-Zr-Legierung.The opening 7 is with one by means of a Aktivhartlotplättchens 8th joined, circular disk-shaped metal plates 9 closed, which has a thickness of about 200 microns and a diameter of about 4 mm. The metal plate 9 includes a Mo-Ti-Zr alloy.

Um die Positionierung des Aktivhartlotrings 8, und des Metallplättchens 9 zu erleichtern, ist in der rückseitigen Stirnfläche 11 des Grundkörpers 2 eine Aussparung 10 vorgesehen, in welcher die Öffnung 7 mündet.To the positioning of the Aktivhartlotrings 8th , and the metal plate 9 To facilitate, is in the back face 11 of the basic body 2 a recess 10 provided in which the opening 7 empties.

Das Metallplättchen 9 weist als Weichlotkontaktpunkt auf seiner der Öffnung 7 abgewandten Oberfläche eine 2 µm starke Ni-Schicht auf, die mit einer 10 nm starken Au-Schicht gegen Oxidation geschützt ist. Vor dem Aufbringen der Ni-Schicht wurde die Oberfläche mittels Plasmaätzen vorbehandelt. An den solchermaßen präparierten Weichlotkontaktpunkt, können weitere Schaltungen zur Aufbereitung des Primärsignals angeschlossen werden, wobei die Herstellung der Weichlotkontakte auch in automatisierten Verfahren erfolgen kann. Unter Schutzgas kann hierbei ggf. auf Flussmittel verzichtet werden.The metal plate 9 has as soft solder contact point on its the opening 7 On the opposite surface of a 2 micron thick Ni layer, which is protected with a 10 nm thick Au layer against oxidation. Before applying the Ni layer, the surface was pretreated by plasma etching. At the thus prepared soft solder contact point, further circuits for the preparation of the primary signal can be connected, wherein the production of soft solder contacts can also be done in automated processes. Under protective gas can be dispensed with flux here if necessary.

Im Ergebnis erlaubt der erfindungsgemäße Drucksensor eine vereinfachte Herstellung, da die Fügestellen zwischen der Messmembran und dem Grundkörper einerseits sowie zwischen dem Metallkörper zum Verschluss der Öffnung für den Primärsignalpfad und dem Grundkörper andererseits ähnliche bzw. identische Materialeigenschaften aufweisen. Weiterhin erlaubt der erfindungsgemäße Drucksensor eine verbesserte Kontaktierung des Primärsignalpfads.As a result, the pressure sensor according to the invention allows a simplified production, since the joints between the measuring membrane and the base body on the one hand and between the metal body for closing the opening for the primary signal path and the base on the other ähnli che or have identical material properties. Furthermore, the pressure sensor according to the invention allows improved contacting of the primary signal path.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- EP 0490807 B1 [0010]

Claims

Pressure sensor ( 1 ), comprising: a body ( 2 ); and a measuring membrane ( 3 ), which forms a measuring chamber with the main body ( 2 ) by means of a first joint ( 4 ) having an active brazing, pressure-tight connected; and a transducer ( 5 . 6 ) for converting a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm into a primary electrical signal; and a primary signal path extending from the transducer through the body, the primary signal path including at least one electrical conductor disposed in a portion through an aperture (Fig. 7 ) passes through the body; characterized in that the opening by means of a metallic body ( 9 ) is closed, which has a substantially flat surface, which faces the measuring chamber, and by means of a the opening ( 7 ) surrounding second joint ( 8th ), which has an active hard solder, pressure-tight with the main body ( 2 ), wherein the active hard solder of the second joint ( 8th ) has a melting point which is not more than 50 ° C, preferably not more than 25 ° C lower than that of the Aktivhartlots the first joint ( 4 ).

Pressure sensor according to claim 1, wherein the base body and / or the measuring membrane have a ceramic material, especially corundum.

A pressure sensor according to claim 1 or 2, wherein the first and the second joint have the same active hard solder.

Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, wherein the metallic body ( 9 ) has a surface facing away from the measuring chamber, which is contactable by means of a soft solder.

Pressure sensor according to one of claims 1 to 4, wherein the measuring chamber facing away from the surface of the metallic body ( 9 ) has a Ni layer.

A pressure sensor according to claim 5, wherein the Ni layer is gold-plated for protection against oxidation.

Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the metal body ( 9 ) comprises an alloy containing molybdenum and copper or molybdenum, titanium and zirconium.

Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the electrical conductor comprises a metal pin.

Pressure sensor according to one of claims 1 to 7, wherein the electrical conductor is a coating of the wall of the opening ( 7 ) comprising glass and at least one noble metal element.