DE102008043567A1 - Pressure sensor e.g. absolute pressure sensor, for industrial measurement technique, has metal pin inserted into cylindrical opening and comprising pin end, which lies opposite to closing head and is alignably locked with end of opening - Google Patents
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- 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
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem Grundkörper, einer mit dem Grundkörper unter Bildung einer Messkammer druckdicht mittels einer Fügestelle verbundenen Messmembran, einem elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln, und einem durch den Grundkörper hindurch führenden Primärsignalpfad, über den der Wandler elektrisch anschließbar ist.The The invention relates to a pressure sensor with a base body, one with the main body to form a measuring chamber pressure-tight connected by a joint measuring membrane, an electromechanical transducer that serves to provide a pressure dependent Deformation of the measuring diaphragm into an electrical primary signal to transform, and one leading through the body Primary signal path through which the converter electrically is connectable.
Drucksensoren im hier verwendeten Sinn umfassen Absolutdrucksensoren, die den absoluten Druck eines Messmediums gegen Vakuum messen, Relativdrucksensoren, die die Differenz zwischen dem Druck in einem Messmedium und dem aktuellen Atmosphärendruck messen, sowie Differenzdrucksensoren, die eine Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Mediendruck erfassen.pressure sensors As used herein, absolute pressure sensors include the measure the absolute pressure of a measuring medium against vacuum, relative pressure sensors, which is the difference between the pressure in a measuring medium and the measure current atmospheric pressure, as well as differential pressure sensors, the one pressure difference between a first and a second Capture media print.
Sie finden heute weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik.she find today widely used application in almost all Areas of industrial metrology.
Entsprechende Drucksensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung Cerabar hergestellt und in Verkehr gebracht.Appropriate Pressure sensors are named by the Applicant under the name Cerabar manufactured and placed on the market.
Diese Drucksensoren weisen bevorzugt keramische Grundkörper und Membranen auf, da Keramik für die Anwendung in der Druckmesstechnik besonders vorteilhafte thermische, chemische und mechanische Eigenschaften aufweist, die unter anderem eine hohe Langzeitstabilität der erzielbaren Messergebnisse und einen innerhalb weiter Temperaturbereiche verhältnismäßig spannungsfreien Einbau des Sensors in entsprechende in der Regel metallische Sensorgehäuse und/oder Prozessanschlüsse erlauben.These Pressure sensors preferably have ceramic base body and Membranes on, as ceramic for use in pressure measurement particularly advantageous thermal, chemical and mechanical properties has, inter alia, a high long-term stability the achievable measurement results and within a wide temperature ranges relatively stress-free installation of the Sensors in corresponding usually metallic sensor housing and / or allow process connections.
Dabei erfolgt der elektrische Anschluss des Wandlers typischer Weise über eine auf der membran-zugewandten Seite des Grundkörpers aufgebrachte Elektrode des Wandlers und einen in eine zylindrische, durch den Grundkörper hindurch führende Öffnung eingesetzten Metallstift. Die elektrische Verbindung zwischen Metallstift und Elektrode wird dabei beispielsweise dadurch bewirkt, dass die zylindrische Öffnung an deren membran-zugewandten Ende einen sich trichterförmig in membran-zugewandter Richtung aufweitenden Abschnitt aufweist. Die Elektrode des Wandlers erstreckt sich über die innere Mantelfläche dieses Trichters. Der elektrische Kontakt wird hergestellt, indem der Metallstift passgenau in den Grundkörper eingesetzt und gegen ein auf der membran-abgewandten Seite des Grundkörpers angesetztes Widerlager gepresst wird. Dadurch wird das dem Widerlager gegenüber liegende Ende des Metallstifts gegen die auf der Mantelfläche des Trichters aufgebrachte Elektrode gepresst. Diese Kaltverschweißung bewirkt einen zuverlässigen elektrischen Kontakt.there the electrical connection of the converter typically takes place via a applied on the membrane-facing side of the body Electrode of the transducer and one in a cylindrical, through the Body through leading opening inserted metal pin. The electrical connection between metal pin and electrode is thereby effected, for example, that the cylindrical opening at the membrane-facing end a widening in a funnel shape in a membrane-facing direction Section has. The electrode of the transducer extends over the inner surface of this funnel. The electric Contact is made by fitting the metal pin accurately into the Basic body used and against a on the membrane-facing away Side of the body pressed abutment pressed becomes. This will be the opposite of the abutment End of the metal pin against the on the lateral surface of the Funnel applied electrode pressed. This cold welding causes a reliable electrical contact.
Zusätzlich wird ein zwischen dem Metallstift und der zylindrischen Öffnung bestehender Ringspalt auf der messmembran-abgewandten Seite des Grundkörpers mittels eines Aktivlots abgedichtet. Um die elektrische Kontaktierung des über den Metallstift verlaufenden Primärsignalpfads auf der messmembran-abgewandten Seite mittels einer Weichlotverbindung zu ermöglichen, wird hierzu ein Aktivlot eingesetzt, das mit dem anschließenden Weichlötprozess kompatibel ist. Hierzu eignen sich beispielsweise Ag-Cu-Aktivlote. Diese Lote weisen jedoch eine deutlich niedrigere Löttemperatur auf als die Aktivhartlote, die bevorzugt zum Fügen der Messmembran mit dem keramischen Grundkörper eingesetzt werden. Dies führt dazu, dass beim Fügen von Messmembran und Grundkörper in einem Hochvakuumlötprozess bis zum Erreichen der Löttemperatur des hierfür verwendeten Aktivhartlots Komponenten des auf der messmembran-abgewandten Seite des Grundkörpers aufgebrachten Aktivlots aufgrund ihrer unterschiedlichen Dampfdruckwerte unterschiedlich stark abdampfen. Hierdurch kann sich zum einen die Zusammensetzung des Aktivlots nachteilig verändern. Zum anderen kann hierdurch eine Kontamination des Aktivhartlots bzw. der damit zu verlötenden Oberflächen auf der messmembran-zugewandten Seite des Grundkörpers erfolgen. Es bleibt damit nur ein enges Fenster von Prozessparametern, bei denen die Herstellung dieser Drucksensoren im Hochvakuumlötprozess überhaupt erfolgen kann.additionally becomes one between the metal pin and the cylindrical opening existing annular gap on the messmembran-opposite side of the body sealed by means of an active solder. To the electrical contact the over the metal pin extending primary signal path on the side facing away from the diaphragm by means of a soft solder connection To enable this, an active solder is used, the compatible with the subsequent soldering process is. For example, Ag-Cu active solders are suitable for this purpose. These solders However, they have a much lower soldering temperature as the active hard solder, which is preferred for joining the measuring membrane be used with the ceramic body. this leads to in addition to that when joining measuring diaphragm and body in a high vacuum soldering process until the soldering temperature is reached of the active braze used for this purpose components of the messmembran-facing side of the body applied Aktivlots different due to their different vapor pressure values evaporate strongly. As a result, on the one hand, the composition of Aktivlots adversely affect. For another, this can contamination of the active brazing solder or the brazier to be soldered Surfaces on the messmembran-facing side of the body respectively. It therefore remains only a narrow window of process parameters, where the production of these pressure sensors in the high vacuum soldering at all can be done.
Eine
Lösung dieses Problems ist in der am 3.07.2007 angemeldeten
Um den Metallstift passgenau in den Grundkörper einsetzen zu können und eine zuverlässige elektrische Verbindung zu der Elektrode herstellen zu können, ist hier jedoch eine verhältnismäßig präzise Fertigung des Grundkörpers erforderlich. Dabei muss insb. sichergestellt sein, dass der Metallstift auf keinen Fall in die Messkammer hineinragt. Da der Abstand zwischen Grundkörper und Messmembran in Abhängigkeit von dem zu messenden auf die Messmembran einwirkenden Druck sehr gering sein kann, könnte dies unter Umständen zu einer Beeinträchtigung der druck-abhängigen Auslenkung der Messmembran führen. Bei kapazitiven Drucksensoren befindet sich auf der dem Grundkörper zugewandten Innenseite der Messmembran eine Gegenelektrode, die zusammen mit der auf dem Grundkörper aufgebrachten Messelektrode einen Kondensator bildet, dessen druck-abhängige Kapazität das eigentliche Messsignal des Wandlers bildet. In diesem Fall könnte ein in die Messkammer hineinragender Metallstift bei einer ausreichend großen Messmembranauslenkung zu einem Kurzschluss führen, der den Drucksensor unbrauchbar macht.Around Insert the metal pin precisely into the base body to be able to and a reliable electrical connection to be able to produce the electrode is here, however a relatively precise production of the basic body required. It must be ensured in particular be that the metal pin in no case protrudes into the measuring chamber. Since the distance between the base body and measuring diaphragm in Dependent on the measured membrane acting on the measuring membrane Pressure can be very low, this could possibly happen to an impairment of the pressure-dependent Deflection of the measuring membrane lead. For capacitive pressure sensors located on the base body facing inside the measuring membrane has a counter electrode, which together with the on the Base body applied measuring electrode a capacitor forms, whose pressure-dependent capacity is the actual Measuring signal of the converter forms. In this case, one could in the measuring chamber protruding metal pin at a sufficient large diaphragm displacement lead to a short circuit, which makes the pressure sensor useless.
Keramische Grundkörper werden heutzutage aus einem Granulat gefertigt, dass in eine vorgefertigte Form eingefüllt wird. Anschließend wird das Granulat gepresst, in dem ein entsprechend geformter Pressstempel passgenau in die Form hineingepresst wird, und es wird das gepresste Granulat gesintert.ceramic Basic bodies are made today from a granulate, that is filled in a prefabricated form. Subsequently the granules are pressed, in which a correspondingly shaped press die is pressed into the mold precisely and it is the pressed Granules sintered.
Auf diese Weise lässt sich die zylindrische, durch den Grundkörper führende Öffnung und eine daran angrenzende Ausnehmung mit sehr geringen Fertigungstoleranzen herstellen. Dabei werden die zylindrische Öffnung und die Ausnehmung durch die vorgefertigte Form granulatfrei gehalten, und der Pressstempel weist eine ebene Pressfläche auf. Durch das Verpressen gegebenenfalls entstehende Inhomogenitäten konzentrieren sich dabei in der Regel auf der dem Pressstempel zugewandten Oberseite der Keramik und können nachträglich durch Abschleifen entfernt werden. Um auch geringe Toleranzen der Dicke des Grundkörpers einhalten zu können, wird die durch das Abschleifen bewirkte Reduktion der Dicke durch ein entsprechende Schleifzugabe berücksichtigt.On this way, the cylindrical, through the main body leading opening and an adjacent recess produce with very low manufacturing tolerances. It will be the cylindrical opening and the recess through the prefabricated Mold kept free of granules, and the punch has a flat Pressing surface on. By pressing any resulting inhomogeneities concentrate thereby usually on the the punch facing Top of the ceramic and can be retrofitted be removed by grinding. In order to also small tolerances of Thickness of the body is to be able to the reduction in thickness caused by the grinding appropriate grinding allowance taken into account.
Versucht man jedoch, auf die gleiche Weise einen Grundkörper herzustellen, der eine zylindrische Öffnung aufweist, deren eines Ende trichterförmig verbreitert ist und an dessen anderem Ende eine Ausnehmung für den metallischen Körper vorgesehen ist, so treten deutlich größere Fertigungstoleranzen auf. Inhomogenitäten, die sich an den beiden gegenüberliegenden Grundkörperoberflächen ausbilden, können hier zwar auch abgeschliffen werden, dies führt jedoch dazu, dass sich die Höhe des für die Aufnahme des Metallstifts im Inneren des Grundkörpers zur Verfügung stehenden Innenraums, die durch die Höhe der zylindrischen Öffnung und des daran anschließenden trichterförmigen Bereichs vorgegebenen ist, verändern kann. Dementsprechend müsste jeder Grundkörper einzeln ausgemessen und die Länge des Metallstifts entsprechend angepasst werden. Alternativ könnte der Grundkörper ohne die Ausnehmung für den metallischen Körper gefertigt werden und diese Ausnehmung nachträglich unter Einhaltung sehr geringer Fertigungstoleranzen in den Grundkörper eingefräst werden. Beide Verfahren sind teuer und aufwendig und insb. für eine Serienfertigung in großen Stückzahlen zu umständlich und zu zeitaufwendig.Tries however, to make a body in the same way which has a cylindrical opening, one end of which widened funnel-shaped and at the other end a recess provided for the metallic body is, so occur significantly larger manufacturing tolerances on. Inhomogeneities, located at the two opposite Training body surfaces can Although these are also ground down, this leads to it to that the height of the recording of the metal pin inside the main body available standing interior, by the height of the cylindrical opening and the subsequent funnel-shaped Range is predetermined, can change. Accordingly each base body would have to be measured individually and the length of the metal pin to be adjusted accordingly. Alternatively, the main body without the recess be made for the metallic body and this recess subsequently while maintaining very low Manufacturing tolerances milled into the body become. Both methods are expensive and expensive and esp. For a series production in large numbers too cumbersome and too time consuming.
Dieses Problem tritt nicht nur bei keramischen Grundkörpern auf, sondern natürlich auch bei allen anderen Grundkörpern, die aus Kostengründen und/oder aus fertigungstechnischen Gründen nicht hochpräzise mit sehr geringen Fertigungstoleranzen herstellbar sind.This Problem not only with ceramic bodies, but of course also with all other basic bodies, for cost reasons and / or production engineering Reasons not to produce high precision with very low manufacturing tolerances are.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem der Primärsignalpfad auch dann auf zeiteffiziente kostengünstige Weise über einen in den Grundkörper eingesetzten Metallstift geführt werden kann, wenn der Grundkörper fertigungsbedingte Toleranzen aufweist.It is an object of the invention, a pressure sensor of the aforementioned Specify type, in which the primary signal path also on time efficient cost effective way over a guided into the body inserted metal pin can be when the body manufacturing tolerances having.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Drucksensor mit
- – einem Grundkörper,
- – einer mit dem Grundkörper unter Bildung einer Messkammer druckdicht mittels einer ersten Fügestelle verbundenen Messmembran, und
- – einem elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln, bei dem
- – im Grundkörper eine zylindrische durch den Grundkörper führende Öffnung vorgesehen ist,
- – auf einer der Messmembran zugewandten Seite des Grundkörpers eine topfförmige, in die Öffnung mündende erste Ausnehmung vorgesehen ist, deren Innenfläche mit einer Elektrode des Wandlers ausgekleidet ist, und
- – ein Metallstift in die Öffnung eingesetzt ist,
- – der ein vollständig in der ersten Ausnehmung angeordnetes, zu einem Schließkopf verformtes Stiftende aufweist, das flächig auf der die Ausnehmung auskleidenden Elektrode aufliegt, und
- – dessen dem Schließkopf gegenüberliegendes Ende bündig mit einem von der Messmembran abgewandten Ende der Öffnung abschließt. Gemäß einer Weiterbildung
- – umfasst die erste Fügestelle ein Aktivhartlot,
- – ist auf einer von der Messmembran abgewandten Seite des Grundkörpers eine an die Öffnung angrenzende zweite Ausnehmung vorgesehen, und
- – ist die zweite Ausnehmung mittels eines metallischen Körpers verschlossen, der eine ebene, der Messkammer zugewandte Fläche aufweist, die mittels einer zweiten, ein Aktivhartlot aufweisenden, die Öffnung druckdicht verschließenden Fügestelle mechanisch mit dem Grundkörper und elektrisch leitend mit dem Metallstift verbunden ist.
- A basic body,
- - One with the main body to form a measuring chamber pressure-tight connected by a first joint measuring membrane, and
- An electromechanical transducer which serves to convert a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm into a primary electrical signal, in which
- A cylindrical opening leading through the main body is provided in the main body,
- A pot-shaped first opening opening into the opening is provided on a side of the base body facing the measuring diaphragm, the inner surface of which is lined with an electrode of the transducer, and
- A metal pin is inserted in the opening,
- - Which has a completely arranged in the first recess, deformed to a closing head pin end, the area on the Ausneh mung lining electrode rests, and
- - The opposite end of the closing head is flush with an end remote from the measuring diaphragm end of the opening. According to a development
- The first joint comprises an active hard solder,
- - Is provided on a side facing away from the measuring membrane side of the base body adjacent to the opening a second recess, and
- - The second recess is closed by means of a metallic body having a planar, the measuring chamber facing surface which is mechanically connected by means of a second, an active braze, the opening pressure-tight closing joint mechanically connected to the base body and electrically conductive to the metal pin.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der Metallstift aus Tantal.According to one preferred embodiment, the metal pin made of tantalum.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung besteht der metallische Körper aus einer Mo-Ti-Zr Legierung, und die erste und die zweite Fügestelle umfassen ein ternäres Aktivhartlot, insb. ein eine Zr-Ni Legierung und Ti ausweisendes Aktivhartlot.According to one Another preferred embodiment is the metallic body made of a Mo-Ti-Zr alloy, and the first and second joints include a ternary active hard solder, esp. a Zr-Ni Alloy and Ti exhibiting active brazing alloy.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung bestehen der Grundkörper und die Messmembran aus Keramik, insb. aus Korund.According to one Another embodiment, the main body and the Measuring diaphragm made of ceramic, especially of corundum.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, bei dem
- – ein Widerlager am Grundkörper angesetzt wird, dass bündig mit dem von der topfförmigen Ausnehmung abgewandten Ende der Öffnung abschließt,
- – ein Metallstift derart in die Öffnung eingesetzt wird, dass er auf dem Widerlager aufsitzt und in die topfförmige Ausnehmung hinein ragt, und
- – der Metallstift mittels eines Pressstempels derart gegen das Widerlager gepresst wird, dass dessen in die topfförmige Ausnehmung hinein ragendes Stiftende derart verformt wird, dass es den Schließkopf bildet, der flächig auf der die Ausnehmung auskleidenden Elektrode aufliegt.
- - An abutment is attached to the base body that is flush with the end remote from the pot-shaped recess end of the opening,
- - A metal pin is inserted into the opening such that it rests on the abutment and protrudes into the cup-shaped recess, and
- - The metal pin is pressed by means of a ram against the abutment such that its protruding into the cup-shaped recess pin end is deformed such that it forms the closing head, which rests flat on the recess lining the electrode.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The Invention and its advantages will now be described with reference to the figures of the drawing, in which an embodiment is shown, closer explained. The same elements are in the figures with the provided the same reference numerals.
und
and
Die
Messmembran
Die
Elektrode
Auf
der der Messmembran
Bei
der Herstellung dieser erfindungsgemäßen Drucksensoren
wird dabei derart verfahren, dass ein Widerlager
Aufgrund
der topfförmigen Ausnehmung
Dieser
Vorteil der Toleranzverträglichkeit gilt natürlich
auch im Hinblick auf den Durchmesser der Öffnung
Ein
weiterer Vorteil der topfförmigen Ausnehmung
Besonders
vorteilhaft ist die Erfindung aus den eingangs erläuterten
Gründen in Verbindung mit einem Drucksensor einsetzbar,
bei dem auf der von der Messmembran
- 11
- Grundkörperbody
- 33
- Messkammermeasuring chamber
- 55
- Messmembranmeasuring membrane
- 77
- erste Fügestellefirst joint
- 99
- Elektrodeelectrode
- 1111
- Gegenelektrodecounter electrode
- 1313
- Öffnungopening
- 1515
- Metallstiftmetal pin
- 1717
- topfförmige Ausnehmungcup-shaped recess
- 1919
- Schließkopfclosing head
- 2121
- dem Schließkopf gegenüberliegendes Stiftendethe Closing head opposite pin end
- 2323
- Widerlagerabutment
- 2525
- Ende der ÖffnungThe End the opening
- 2727
- in die Ausnehmung hineinragendes Stiftendein the recess protruding pin end
- 2929
- Pressstempelpress die
- 3131
- Ausnehmungrecess
- 3333
- metallischer Körpermetallic body
- 3535
- zweite Fügestellesecond joint
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 102007030910 [0008] - DE 102007030910 [0008]
- - EP 0490807 B1 [0008] - EP 0490807 B1 [0008]
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|---|---|---|---|---|
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-
2008
- 2008-11-07 DE DE200810043567 patent/DE102008043567A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
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| WO2024125893A1 (en) | 2022-12-13 | 2024-06-20 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Method for producing a pressure sensor |
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| WO2025040307A1 (en) | 2023-08-18 | 2025-02-27 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Method for producing a hermetic, electrically conductive via |
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