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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer Differenzdruckmesszelle sowie eine mit dem Verfahren hergestellte Differenzdruckmesszelle.
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Differenzdruckmesszellen weisen zur Messung der Differenz zweier statischer Drücke p1 und p2 eine Messmembran auf, welche unter Bildung zweier voneinander hermetisch abgetrennter Messkammern zwischen zwei Gegenkörpern angeordnet ist. Die Messkammern werden über in die Gegenkörper eingebrachte Druckkanäle jeweils mit den Drücken p1 und p2 beaufschlagt. Eine Auslenkung der Messmembran ist damit ein Maß für die Druckdifferenz |p1 – p2|, wobei die Auslenkung der Membran anhand eines Wandlers in ein elektronisches Messsignal umgewandelt wird. Beispielsweise bildet bei kapazitiven Differenzdruckmesszellen die Messmembran zusammen mit einer der Messmembran zugewandten und zu der Messmembran parallelen und leitfähigen Ebene des Gegenkörpers einen Kondensator. Somit bestimmt die Auslenkung der Messmembran den Kondensatorabstand, so dass der auf die Messmembran einwirkende Differenzdruck über Kapazitätsmessungen in ein Messsignal umgewandelt werden kann. Eine derartige Druckdifferenzmesszelle ist beispielsweise in der Patentschrift
DE 103 94 943 B3 beschrieben. Druckdifferenzmesszellen, welche in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik industrieller Anlagen zur Überwachung von Prozessdrücken eingesetzt werden, werden von der E + H Gruppe in unterschiedlichsten Ausgestaltungen hergestellt und vertrieben.
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Da Differenzdruckmesszellen darauf ausgelegt sind, geringe Druckdifferenzen |p1 – p2| bei gleichzeitigen hohen statischen Drücken p1, p2 zu messen, ist die richtige Balance zwischen Empfindlichkeit und Überlastsicherung von zentraler Bedeutung. So kann beispielsweise für den Messbereich der Druckdifferenz |p1 – p2| folgender Zusammenhang gelten: |p1 – p2|/p1 < 1%. Entfällt in einer Prozessanlage einer der beiden Drücke (z.B. p2) erreicht |p1 – p2|/p1 nahezu 100%. In diesem Fall wird die Differenzdruckmesszelle also mit mehr als dem 100-fachen des Messbereichs belastet, was einer sehr hohen einseitigen Druckbelastung entspricht. Für Differenzdruckmesszellen mit einem sehr feinen Messbereich von |p1 – p2| ~ 10 mbar ist bei einem typischen Prozessdruck von 160 bar die einseitige Druckbelastung im Verhältnis zum Messbereich entsprechend höher.
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Eine sehr hohe Druckbelastung kann auch zu einer Verformung des Gegenkörpers selbst führen. Dadurch wird die Stabilität der Differenzdruckmesszelle maßgeblich beeinflusst, beispielsweise indem die Stützfunktion der Membranbetten beeinträchtigt wird. Im Rahmen der Aufbau- und Verbindungstechnik einer Differenzdruckmesszelle ist es daher vorgesehen, die Gegenkörper zwischen zwei Stützkörper einzufassen, wobei der Stützkörper der Stabilisierung dient und einer Verformung des Gegenkörpers entgegenwirken kann. Dabei ist typischerweise der Stützkörper aus einem Werkstoff mit einem Elastizitätsmodul gefertigt, welcher mindestens so groß wie das des Gegenkörpers ist. Für ein möglichst gutes Abstützen des Gegenkörpers am Stützkörper ist es hierbei von Vorteil, wenn eine möglichst steife Verbindung zwischen Gegenkörper und Stützkörper besteht. Beispiele für eine Versteifung der Stützkörper/Gegenkörper Grenzfläche sind in der
JP 57040626 A1 oder der
DE 10 2012 113 033 A1 offenbart.
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In der Aufbau- und Verbindungstechnik von auf Silizium basierenden mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS) werden die einzelnen Komponenten mit einem Glaslot gefügt. Bei diesem als Glaslot-Bonden bezeichneten Prozess wird das Fügematerial in der Regel nicht vollflächig aufgetragen, sondern in Form eines feinen Rahmens, dem sogenannten Bond-Rahmen aufgebracht. Auf diese Art wird keine vollflächig gefügte Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten erreicht. Im Gegensatz dazu ist es bei einer auf einem MEMS-Sensor basierenden Differenzdruckmesszelle wünschenswert, dass die Verbindungsebene zwischen Gegenkörper und Stützkörper vollflächig gefügt sind. Dadurch kann eine möglichst steife Verbindung zwischen Gegenkörper und Stützkörper erhalten werden, welche für die Stabilität der Differenzdruckmesszelle bzw. die Überlastsicherung von großer Bedeutung ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Fügen einer Differenzdruckmesszelle anzugeben, um eine stabile Differenzdruckmesszelle zu erhalten.
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Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren zum Fügen einer Differenzdruckmesszelle, welche Differenzdruckmesszelle umfasst: eine Messmembran; einen Wandler, einen ersten und einen zweiten Gegenkörper sowie einen ersten und einen zweiten Stützkörper wobei die Messmembran zwischen dem ersten Gegenkörper und dem zweiten Gegenkörper angeordnet und mit beiden Gegenkörpern druckdicht verbunden ist,
- – wobei zwischen der Messmembran und dem ersten Gegenkörper eine erste Messkammer und zwischen der Messmembran und dem zweiten Gegenkörper (42) eine zweite Messkammer gebildet wird,
- – wobei der erste Gegenkörper und erste Stützkörper sowie der zweite Gegenkörper und zweite Stützkörper einen Druckkanal aufweisen, durch den die erste Messkammer mit einem ersten Druck und die zweite Messkammer mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist und
- – wobei der Wandler dazu ausgestaltet ist, ein elektrisches Messsignal aus einer durch die Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck bedingte Verformung der Messmembran zu erzeugen;
wobei sich das Fügen in folgende Verfahrensschritte unterteilt:
- – Vorfertigung der beiden Gegenkörper und druckdichtes Verbinden der Messmembran mit den beiden Gegenkörpern
- – Aufbringen eines Fügematerials auf die der Messmembran zugewandte Stirnfläche des ersten Stützkörpers und/oder auf die der Messmembran abgewandte Stirnfläche des ersten Gegenkörpers und auf die der Messmembran zugewandte Stirnfläche des zweiten Stützkörpers und/oder auf die der Messmembran abgewandte Stirnfläche des zweiten Gegenkörpers, wobei auf mindestens einer der Stirnflächen das Fügematerial bereichsweise aufgetragen wird, so dass Bereiche mit Fügematerial und Bereiche ohne Fügematerial gebildet werden,
- – Druckdichtes Verbinden der jeweils der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers mit der der Messmembran zugewandten Stirnfläche des Stützkörpers, wobei während dem Verbinden von zumindest einem der Gegenkörper mit dem angrenzenden Stützkörper das Fügematerial in der Stirnfläche mit dem bereichsweise aufgetragenen Fügematerial in der zu der Stirnfläche senkrechten Richtung verkleinert und in mindestens einer zu der Stirnfläche ebenen Richtungen vergrößert wird, wobei durch die Vergrößerung des Fügematerials in der zu der Stirnfläche ebenen Richtung die Bereiche mit Fügematerial vergrößert und die Bereiche ohne Fügematerial verkleinert werden, so dass allmählich ein einziger zusammenhängender Bereich mit Fügematerial gebildet wird, welcher Bereich sich bis auf eine den Druckkanal umgebende innere Ausparung über die gesamte Stirnfläche erstreckt, so dass nach dem druckdichten Verbinden Gegenkörper und Stützkörper im Wesentlichen vollflächig gefügt sind.
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In ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden also zunächst die beiden Gegenkörper vorgefertigt. Während des druckdichten Verbindens der Messmembran mit den beiden Gegenkörpern wird die Messmembran zwischen den beiden Gegenkörpern angeordnet und die Messkammern gebildet. Die Vorfertigung im ersten Verfahrensschritt umfasst dabei auch die Anordnung all derjenigen Komponenten zwischen den Gegenkörpern, welche für die Erzeugung bzw. Wandlung des Messsignals benötigt werden, wie beispielsweise die Membranelektroden und der Wandler. Auch die beiden Stützkörper werden vorgefertigt.
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Im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fügematerial in der Stirnfläche eines Gegenkörpers und/oder Stützkörpers strukturiert aufgebracht. Die Strukturierung wird dabei so vorgenommen, dass es nach dem Auftragen des Fügematerials voneinander getrennte Bereiche mit und ohne Fügematerial gibt. Die vollflächige gefügte Verbindung wird nicht dadurch erhalten, dass das Fügematerial flächig aufgetragen wird, sondern das Fügematerial wird zunächst nur in bestimmten Bereichen aufgetragen und dann bei dem druckdichten Verbinden in einer zu der Stirnfläche ebenen Richtung vergrößert. Auf diese Weise wird bei der Verbindung von Gegenkörper und Stützkörper letztendlich einen einziger zusammenhängender, sehr homogener Bereich mit Fügematerial in der Verbindung von Gegenkörper und Stützkörper gebildet.
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Dadurch wird eine im Wesentlichen (bis auf eine den Druckkanal umgebende Ausparung) vollverfügte Fläche zwischen Gegenkörper und Stützkörper erreicht. Als Resultat wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Differenzdruckmesszelle mit einer sehr stabilen Verbindung zwischen Gegenkörper und Stützkörper, und damit insgesamt eine Differenzdruckmesszelle von hoher Stabilität erhalten.
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Wird im erfindungsgemäßen Verfahren das Fügematerial auf die Stirnfläche des Stützkörpers aufgebracht, so erfolgt die druckdichte Verbindung von Stützkörper und Gegenkörper in einem nachfolgenden Verfahrensschritt. Dabei handelt es sich um einen Zeitpunkt, welcher vor dem Verfahrensschritt des druckdichten Verbindens liegt. Im Rahmen dieser Anmeldung ist in diesem Fall „die der Messmembran zugewandte Stirnfläche des Stützkörpers“ diejenige Stirnfläche, welche zu der Verbindung mit der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörper vorgesehen ist. Die der Messmembran zugewandte Stirnfläche des Stützkörpers ist also die, welche bei der Positionierung von Gegenkörper und Stützkörper mit der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers kombiniert werden soll. Die Stirnfläche von Gegenkörper und Stützkörper ist dabei im Wesentlichen in einer zur Messmembranebene parallelen Ebene.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fügematerial zumindest bereichsweise in Form von mindestens einem Kreisring aufgebracht, wobei die innere Ausparung im Zentrum des Kreisrings liegt. Ein Kreisring ist im Rahmen dieser Anmeldung definiert als die Fläche, welche von zwei konzentrischen Kreisen begrenzt wird. Ein Kreisring hat dabei eine Kreisringbreite, die durch die Differenz der Radien der beiden konzentrischen Kreise gegeben ist. Im Falle von mehreren konzentrischen Kreisringen können die Kreisringe auch von unterschiedlicher Kreisringbreite sein. Wird das Fügematerial nur bereichsweise aufgetragen, liegen Segmente von Kreisringen vor.
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Das Ziel im Vorgehen zum Erreichen der vollflächig gefügten Verbindung von Gegenkörper und Stützkörper ist dabei, dass das durch die Vergrößerung des Fügematerials in der zur Stirnfläche ebenen Richtung das zunächst nur bereichsweise aufgetragene Fügematerial im Wesentlichen die Form einer Kreisfläche bildet, wobei die innere Ausparung im Zentrum der Kreisfläche liegt. Bei dem druckdichten Verbinden wird dann durch die weitere Vergrößerung des kreisflächenförmigen Fügematerials in der zur Stirnfläche ebenen Richtung das Fügematerial gleichmäßig über die ganze Verbindungsebene zwischen Gegenkörper und Stützkörper verteilt.
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In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fügematerial in Form von mehreren konzentrischen Kreisringen auf die Stirnfläche aufgebracht, wobei die innere Ausparung im Zentrum der Kreisfläche liegt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist ein Bereich ohne Fügematerial als Entlüftungsbereich vorgesehen. Der Entlüftungsbereich erstreckt sich von der inneren Ausparung ausgehend bis zu einem Randbereich der Stirnfläche. Während des druckdichten Verbindens wird der Entlüftungsbereich kontinuierlich verkleinert, indem der Entlüftungsbereich von der inneren Ausparung ausgehend bis zum Randbereich kontinuierlich mit Fügematerial aufgefüllt wird. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird durch das kontinuierliche Auffüllen mit Fügematerial von der inneren Ausparung ausgehend der Entlüftungsbereich allmählich geschlossen. Die Luft, welche im Entlüftungsbereich eingeschlossen ist, kann über den innerhalb der inneren Ausparung angeordneten Druckkanal und/oder den Randbereich entweichen. Dadurch wird sichergestellt, dass sich keine Lufteinschlüsse im Fügematerial bilden. Beispielsweise ist der Entlüftungsbereich ein keilförmiger Bereich ohne Fügematerial zwischen zwei Kreisringabschnitten eines Kreisrings aus Fügematerial.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fügematerial auf der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers in einem ersten Bereich und auf der Stirnfläche des angrenzenden Stützkörpers in einem zweiten, zum ersten Bereich komplementären Bereich aufgebracht. Die beiden zueinander komplementären Bereiche ergänzen sich zu einer vorgegebenen geometrischen Form. Als angrenzender Stützkörper wird im Rahmen dieser Anmeldung derjenige Stützkörpers bezeichnet, welche zu der Positionierung an der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers vorgesehen ist. Da sich die beiden komplementären Bereiche zu einer vorgegebenen Form ergänzen, stellt der erste Bereich das Negativ des zweiten Bereichs dar und umgekehrt.
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In dieser besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können Gegenkörper und Stützkörper beim druckdichten Verbinden zueinander ausgerichtet werden, indem die zueinander komplementären Bereiche aus Fügematerial passförmig ineinander einrasten, um die vorgegebene geometrische Form zu bilden. Je nach Art des Fügematerials gestaltet sich die genaue Auftragung und Dosierung des Fügematerials einfacher als die genaue Ausrichtung von Gegenkörper und Stützkörper zueinander. Anhand der Strukturierung des Fügematerials in vorgegebenen Bereichen der Stirnfläche kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren daher eine Selbstausrichtung (self-alignment) von Gegenkörper und Stützkörper zueinander erreicht werden.
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In einer Weiterbildung haben die zueinander komplementären Bereiche die Form von konzentrischen Kreisringen und/oder Abschnitten von konzentrischen Kreisringen. Die vorgegebene geometrische Form ist also im Wesentlichen eine Kreisfläche ist oder die Gesamtheit von konzentrischen Kreisringen.
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Das Fügematerial wird beispielsweise in Form von zueinander komplementären Abschnitten konzentrischer Kreisringe auf der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers und auf der der Messmembran zugewandten Stirnfläche des angrenzenden Stützkörpers aufgetragen. Auf diese Art werden durch das passförmige Einrasten der zueinander komplementären Abschnitte von konzentrischen Kreisringen vollständige konzentrische Kreisringe aus Fügematerial gebildet. Die vollständigen konzentrischen Kreisringe bilden dann beim druckdichten Verbinden den zusammenhängenden Bereich mit Fügematerial.
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Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, auf der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers erste konzentrische Kreisringe und auf der der Messmembran zugwandten Stirnfläche des angrenzenden Gegenkörpers zweite konzentrische Kreisringe des Fügematerials aufzubringen. Die ersten und zweiten konzentrischen Kreisringe ergänzen sich zu gemeinsamen konzentrischen Kreisringen, wobei die Kreisringbreite der gemeinsamen konzentrischen Kreise die Summe der Kreisringbreiten der ersten und zweiten konzentrischen Kreise ist. Beispielsweise können die ersten konzentrischen Kreisringe innerhalb der zweiten konzentrischen Kreisringe angeordnet sein. Auf diese Art werden die gemeinsamen konzentrischen Kreisringen gebildet. Dabei können zwischen den gemeinsamen konzentrischen Kreisringen weiterhin Bereiche ohne Fügematerial vorgesehen sein, solange beim druckdichten Verbinden durch die Vergrößerung des Fügematerials in der zu der Stirnfläche ebenen Richtung ein einziger zusammenhängender Bereich mit Fügematerial gebildet wird, welcher sich im Wesentlichen über die ganze Stirnfläche erstreckt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Fügematerial anhand eines Siebdruckverfahrens aufgebracht. Da bei Siebdruckverfahren die Dosierung und/oder Strukturierung des Fügematerials sehr gut einstellbar bzw. steuerbar ist, eignen sich diese in besonders hohem Maße für das erfindungsgemäße Verfahren. Im Siebdruckverfahren ist es beispielsweise möglich, dass anhand von computerunterstützten Methoden automatisiert hergestellte Siebdruckmatrizen erzeugt werden. Somit können sehr genau definierte Muster von Fügematerial auf der Stirnfläche aufgetragen werden und anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ein hoher Automatisierungsgrad bei der Herstellung von Differenzdruckmesszellen erreicht werden.
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Als Fügematerial wird in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Glaslot, Klebstoff oder metallisches Lot verwendet. Das Glaslot wird insbesondere beim Fügen von auf MEMS basierenden Differenzdruckmesszellen verwendet.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Fügematerial mit einer vorgebbaren Schichtdicke aufgebracht, wobei sich bei dem druckdichten Verbinden die vorgebbare Schichtdicke in der zu der Stirnfläche senkrechten Richtung auf eine resultierende vorgebbare Schichtdicke verkleinert. Das Fügematerial weist nach dem Aufbringen eine Schichtdicke dv auf. Beispielsweise wird die Schichtdicke dv nach der Verkleinerung des Fügematerials in der zur Stirnfläche senkrechten Richtung um 20–40% kleiner. Damit ist die resultierende Schichtdicke um 20–40% kleiner als die vorgebbare Schichtdicke dv. Die vorgebbare resultierende Schichtdicke dr beträgt dabei etwa zwischen 5–50 Mikrometern. Für den Fall eines Glaslots beträgt die resultierende Schichtdicke des Fügematerials im Wesentlichen zwischen 10–20 Mikrometern.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Gegenkörper mit dem angrenzenden Stützkörper mit einer näherungsweise homogenen Anpressdruckverteilung und mit einem vorgebbaren Anpressdruck Pf druckdicht verbunden wird. Ist die Anpressdruckverteilung im Wesentlichen homogen, wird eine im Wesentlichen konstante resultierende Schichtdicke des Fügematerials nach dem druckdichten Verbinden erreicht. Da der Anpressdruck in der Regel noch besser einstellbar bzw. steuerbar ist als die Schichtdicke des Fügematerials beim Auftragen und/oder die Oberflächenstruktur der vorgefertigten Gegenkörper und Stützkörper, wird in dieser Ausgestaltung eine besonders homogene vollflächige Verbindung von Stützkörper und Gegenkörper erreicht.
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In der Regel weisen der Gegenkörper und/oder der Stützkörper mindestens eine Symmetrieachse auf, wobei der Gegenkörper und/oder der Stützkörper im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse ist. Die Symmetrieachse kann beispielsweise die Spiegelachse einer Spiegelsymmetrie sein, oder auch die Rotationsachse einer Rotationssymmetrie. Die Symmetrieachse kann dabei in der Ebene der Stirnfläche liegen, oder senkrecht zu der Stirnfläche sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Fügematerial in mindestens einer der Stirnflächen so strukturiert wird, dass das Fügematerial im Wesentlichen symmetrisch um mindestens eine Symmetrieachse angeordnet wird. Die Symmetrieachse ist damit eine gemeinsame Symmetrieachse von Stützkörper und/oder Gegenkörper und dem Fügematerial.
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Die Erfindung beinhaltet eine Differenzdruckmesszelle, wobei die Differenzdruckmesszelle aus dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde, umfassend; eine Messmembran; einen Wandler, einen ersten und einen zweiten Gegenkörper, sowie einen ersten und einen zweiten Stützkörper,
- – wobei die Messmembran zwischen dem ersten Gegenkörper und dem zweiten Gegenkörper angeordnet und mit beiden Gegenkörpern druckdicht verbunden ist,
- – wobei zwischen der Messmembran und dem ersten Gegenkörper eine erste Messkammer und zwischen der Messmembran und dem zweiten Gegenkörper eine zweite Messkammer gebildet ist,
- – wobei der erste Gegenkörper und Stützkörper und der zweite Gegenkörper und Stützkörper jeweils einen Druckkanal aufweisen, durch den die erste Messkammer mit einem ersten Druck (p1) und die zweite Messkammer mit einem zweiten Druck (p2) beaufschlagbar ist und
- – wobei der Wandler dazu ausgestaltet ist, ein elektrisches Messsignal aus einer durch die Differenz zwischen dem ersten Druck (p1) und dem zweiten Druck (p2) bedingte Verformung der Messmembran zu erzeugen;
wobei die der Messmembran abgewandte Stirnfläche von zumindest einem der Gegenkörper mit der der Messmembran zugewandten Stirnfläche des angrenzenden Stützkörpers druckdicht und im Wesentlichen vollflächig verbunden ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der Stützkörper und/oder der Gegenkörper aus einem keramischen Material.
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In einer weiteren Ausgestaltung besteht der Stützkörper und/oder der Gegenkörper im Wesentlichen aus Silizium (Si), aus einem amorphen oder kristallinem Oxid (SiO2), Carbid (SiC) und/oder Nitrid (Si3N4) des Siliziums und/oder aus einem amorphen oder kristallinem Oxid (Al2O3) und/oder Nitrid des Aluminiums (AlN). Das Carbid des Siliziums, welches in vielen, energetisch fast gleichwertigen Polytopen vorliegen kann, eignet sich dabei aufgrund seiner großen Härte. Demgegenüber weist Siliziumnitrit eine leicht geringere Härte, dafür aber eine hohe Bruchfestigkeit in Kombination mit einem niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen relativ kleinen Elastizitätsmodul auf. Siliziumdioxid bildet sich in der Regel als native, zumindest nanometerdicke Oxidationsschicht auf Silizium, Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid in Kontakt mit Umgebungsluft.
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Anhand der Wahl der Kombination der Materialen lässt sich auch der Elastizitätsmodul der Komponenten der Differenzdruckmesszelle einstellen. In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Elastizitätsmodul des Stützkörpers so angepasst, dass es gleich oder größer dem Elastizitätsmodul des Gegenkörpers ist. Als obere Grenze sollte der Elastizitätsmodul des Stützkörpers in dieser Weiterbildung maximal dreimal so groß wie der Elastizitätsmodul des Gegenkörpers sein. In dieser Ausgestaltung ist der Stützkörper also mindestens so stabil wie der Gegenkörper.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1: Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Differenzdruckmesszelle
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2a, b: Eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene
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Differenzdruckmesszelle
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3: Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
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4: Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
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In 1 ist eine Aufsicht auf die der Messmembran 2 abgewandte Stirnfläche 12a des ersten Gegenkörpers 41 (links) und die der Messmembran 2 zugewandte Stirnfläche 13a des ersten Stützkörpers 51 (rechts) gezeigt. Bei dem hier dargestellten Verfahrensschritt handelt es sich um das Auftragen des strukturierten Fügematerials FM auf die der Messmembran 2 zugewandte Stirnfläche 13a des ersten Stützkörpers 51. Der erste Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens (die Vorfertigung der beiden Gegenkörper 41, 42 und das druckdichtes Verbinden der Messmembran 2 mit den beiden Gegenkörpern 41, 42) ist dem Verfahrensschritt des Auftragens des Fügematerials FM vorausgegangen. Die Messmembranebene ME liegt damit in der Verbindungsebene der beiden Gegenkörper 41, 42. Die zu den Stirnflächen 12a, 12b senkrechten Seitenflächen der Gegenkörper 41, 42 sind als schraffierte Flächen dargestellt. Im Zentrum der der Messmembran 2 zugewandten Stirnfläche 13a des ersten Stützkörpers 51 ist der Druckkanal 7 angeordnet, über den die Messkammer 61 mit dem Druck p1 beaufschlagbar ist.
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Das Fügematerial FM wird auf die der Messmembran 2 zugwandten Stirnfläche 13a des Stützkörpers 51 strukturiert aufgetragen. In dem hier gezeigten Fall wurde das Fügematerial FM in Form von konzentrischen Kreisringen aufgetragen. Auch ist eine Symmetrieachse SA eingezeichnet, um die das Fügematerial FM symmetrisch angeordnet ist. Der Vorgang des druckdichten Verbindens ist durch die gestrichelten Pfeile in 1 angedeutet.
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2a ist eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Differenzdruckmesszelle 1 während des druckdichten Verbindens gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zur Orientierung wurden in 1 und 2a die Gerade AB (gestrichelte Linie) eingezeichnet. Die konzentrischen Kreisringe des Fügematerials FM aus 1 sind in 2a nun im Profil zu sehen. Beim druckdichten Verbinden werden der Gegenkörper 41 und der Stützkörper 51 nun mit dem Anpressdruck Pf einer gleichförmigen Anpressdruckverteilung verbunden. Dadurch wird das Fügematerial FM in der zu der Stirnfläche 13a senkrechten Richtung verkleinert 81 und in der radialen Richtung 82 der konzentrischen Kreisringe vergrößert. Dabei wird die vorgebbare anfängliche Schichtdicke dv des Fügematerials FM auf die resultierende Schichtdicke dr des Fügematerials FM verkleinert.
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2b ist eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Differenzdruckmesszelle 1, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus 1 erhalten wurde. Die Messmembran 2, welche einen Durchmesser dM aufweist, ist zwischen den beiden Gegenkörpern 41, 42, angeordnet. Der Durchmesser dM ist im Rahmen dieser Anmeldung der Durchmesser der Messmembran 2 im Bereich der Messkammer 61; 62. Die Gegenkörper 41, 42 sind dabei mit der Messmembran 2 unter Bildung der Messkammern 61, 62 druckdicht miteinander verbunden. Die beiden Messkammern 61, 62 können über jeweils einen Druckkanal 7 mit den Drücken p1 und p2 beaufschlagt werden. Bei dem druckdichten Verbinden wird erfindungsgemäß im Wesentlichen eine bis auf eine den Druckkanal 7 umgebende innere Ausparung 15 vollflächige gefügte Verbindung zwischen Gegenkörper 41 und Stützkörper 51 erreicht.
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In diesem Ausführungsbeispiel wurde in beiden Stirnflächen 13a, 13b das Fügematerial FM strukturiert. Nichtsdestotrotz können die im Folgenden beschriebenen Komponenten auch Teil einer erfindungsgemäßen Differenzdruckmesszelle 1 sein, in der die Verbindung zwischen beiden Gegenkörpern 41, 42 und dem angrenzenden Stützkörper 51, 52 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügt wurden. Es sei darauf hingewiesen, dass die hier gezeigte schematische Darstellung keineswegs maßstabsgetreu ist.
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Die Differenzdruckmesszelle
1 umfasst weiterhin einen kapazitiven Wandler (hier nicht gezeigt), welcher eine von einer Differenz der beiden Drücke |p1 – p2| abhängige Auslenkung der Messmembran
2 in ein elektrisches Signal wandelt. Hierzu weisen die beiden Gegenkörper
41,
42 beispielsweise jeweils an ihrer membranseitigen Stirnfläche
11a,
11b mindestens eine Messelektrode
10a,
10b auf, wobei die Messmembran
2 beidseitig jeweils eine Membranelektrode
14a,
14b aufweist, die einer Messelektrode
10a,
10b zugewandt ist. In einer einfachen Ausgestaltung des kapazitiven Wandlers ergibt sich die zu messende Druckdifferenz |p1 – p2| aus der Differenz der Kehrwerte der Kapazitäten zwischen jeweils einer Messelektrode
10a,
10b und der gegenüberliegenden Membranelektrode
14a,
14b. Die Summe der Kapazitätskehrwerte kann zur Bestimmung des statischen Drucks p1, p2 herangezogen werden, dem die zu messende Druckdifferenz |p1 – p2| überlagert ist. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können die Stirnflächen der Gegenkörper
41,
42 jeweils eine kreisscheibenförmige Zentralelektrode und eine diese umgebende, insbesondere kapazitätsgleiche, Ringelektrode aufweisen. Einzelheiten zur Beschaltung eines solchen kapazitiven Wandlers sind bekannt und beispielsweise in
EP 1 883 797 B1 offenbart.
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Zum Erfassen des statischen Drucks p1, p2 kann mindestens noch ein weiterer kapazitiver Wandler vorgesehen sein, welcher jeweils eine Elektrode an der der Messmembran 2 abgewandten Stirnfläche 12a, 12b des Gegenkörpers 41, 42 oder der der Messmembran 2 zugewandten Stirnfläche 13a, 13b des Stützkörpers 51, 52 aufweist. Gleichermaßen kann ein resistiver Wandler zum Erfassen des statischen Drucks p1, p2 vorgesehen sein, wobei der Stützkörper 51, 52 bzw. Gegenkörper 41, 42 in diesem Fall verformungsabhängige Widerstandselemente aufweist. Letztere können beispielsweise Dehnungsmessstreifen umfassen, wobei im Fall einer Differenzdruckmesszelle 1, die ein Halbleitermaterial aufweist, piezoresistive Widerstandselemente vorzuziehen sind.
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In 3 ist, analog zu 1, das Auftragen des Fügematerials FM nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Aufsicht auf die beiden Stirnflächen 12a, 13a dargestellt. Die Bezugszeichen sind identisch zu denen in 1 und 2 In diesem Ausführungsbeispiel wurde das Fügematerial FM sowohl auf die der Messmembran 2 abgewandten Stirnfläche 12a des Gegenkörpers 41 als auch auf die der Messmembran 2 zugewandten Stirnfläche 13a des angrenzenden Stützkörpers 51 aufgetragen. Das Fügematerial FM auf der der Messmembran 2 abgewandten Stirnfläche 12a des Gegenkörpers 41 bildet dabei einen ersten Bereich 17a einer vorgebbaren geometrischen Form 18. In beiden Stirnflächen 12a, 13a sind die Bereiche mit 32 und ohne 31 Fügematerial FM so strukturiert, dass die beiden zueinander komplementären Bereiche 17a, 17b gebildet werden. Die vorgebbare geometrische Form 18 sind hier konzentrische Kreisringe, und die beiden zueinander komplementären Bereiche 17a, 17b bestehen aus Kreisringabschnitten der konzentrischen Kreisringe.
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In 4 ist der Entlüftungsbereich 16 bzw. das kontinuierliche Auffüllen des Entlüftungsbereichs 16 mit Fügematerial FM dargestellt. Der Entlüftungsbereich 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine keilförmige Öffnung in einem ansonsten kreisflächenförmigen Bereich 32 mit Fügematerial FM. Die keilförmige Öffnung 16 erstreckt sich von der inneren Ausparung 15 ausgehend bis zum Randbereich RB. Der ansonsten kreisflächenförmige Bereich 32 mit Fügematerial FM ist ein zusammenhängender Bereich 32 mit Fügematerial FM. Er kann dabei auch aus konzentrischen Kreisringen (vgl. 1) mit einem gemeinsamen Entlüftungsbereich 16 hervorgegangen sein. Beim druckdichten Verbinden wird durch das Fügematerial FM in den zu der Messmembran 2 zugewandten Stirnfläche 12a des Gegenkörpers 51 ebenen Richtungen vergrößert, und so der Entlüftungsbereich 16 allmählich (von links nach rechts) mit Fügematerial FM aufgefüllt. Auf diese Art wird ein die innere Ausparung 15 umgebender Bereich 32 mit Fügematerial FM ohne Lufteinschlüsse gebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Differenzdruckmesszelle
- 2
- Messmembran
- 31
- Bereich ohne Fügematerial
- 32
- Bereich mit Fügematerial
- 41
- erster Gegenkörper
- 42
- zweiter Gegenkörper
- 51
- erster Stützkörper
- 52
- zweiter Stützkörper
- 61
- erste Messkammer
- 62
- zweite Messkammer
- 7
- Druckkanal
- 81
- Verkleinerung des Fügematerials
- 82
- Vergrößerung des Fügematerials
- 9
- zusammenhängender Bereich mit Fügematerial
- 10a
- Messelektrode
- 10b
- Messelektrode
- 11a
- der Messmembran zugewandte Stirnfläche des ersten Gegenkörpers
- 11b
- der Messmembran zugewandte Stirnfläche des zweiten Gegenkörpers
- 12a
- der Messmembran abgewandte Stirnfläche des ersten Gegenkörpers
- 12b
- der Messmembran abgewandte Stirnfläche des zweiten Gegenkörpers
- 13a
- der Messmembran zugewandte Stirnfläche des ersten Stützkörpers
- 13b
- der Messmembran zugewandte Stirnfläche des zweiten Stützkörpers
- 14a
- Membranelektrode
- 14b
- Membranelektrode
- 15
- innere Ausparung
- 16
- Entlüftungsbereich
- 17a
- erster Bereich
- 17b
- zweiter Bereich
- 18
- vorgebbare geometrische Form
- p1
- erster Druck
- p2
- zweiter Druck
- FM
- Fügematerial
- RB
- Randbereich
- ME
- Messmembranebene
- SA
- Symmetrieachse
- dv
- vorgebbare Schichtdicke
- dr
- vorgebbare resultierende Schichtdicke
- Es
- Elastizitätsmodul des Stützkörpers
- Eg
- Elastizitätsmodul des Gegenkörpers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10394943 B3 [0002]
- EP 1299701 B1 [0004]
- DE 102006040325 A1 [0004]
- DE 102006057828 A1 [0004]
- US 4458537 [0004]
- DE 102009046229 A1 [0004]
- JP 57040626 A1 [0005]
- DE 102012113033 A1 [0005]
- EP 1883797 B1 [0041]