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Patent Searching and Data


Title:
PRESSURE-MEASURING CELL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/026541
Kind Code:
A1
Abstract:
A pressure-measuring cell (3) is described, with a basic body (7) and a ceramic measuring membrane (11), which is arranged on the basic body (7) enclosing a pressure-measuring chamber (9) and can be subjected from the outside to a pressure (p) to be measured, which pressure-measuring cell can be inserted without the use of seals into a metallic housing (1, 39) or into a metallic housing section (53) by the basic body (7) being composed of metal, and basic body (7) and measuring membrane (11) are connected to each other via an adaptation body (15) which surrounds the pressure-measuring chamber (9) laterally on the outside and has a thermal coefficient of expansion which, along the adaptation body (15) in a direction running from the basic body (7) to the measuring membrane (11), drops from a coefficient of expansion corresponding to a thermal coefficient of expansion (OM) of the basic body (7) to a coefficient of expansion corresponding to a thermal coefficient of expansion (ακ) of the measuring membrane (11).

Inventors:
ROSSBERG ANDREAS (DE)
SCHMIDT ELKE (DE)
BERLINGER ANDREA (DE)
Application Number:
PCT/EP2014/078600
Publication Date:
February 25, 2016
Filing Date:
December 18, 2014
Export Citation:
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Assignee:
ENDRESS & HAUSER GMBH & CO KG (DE)
International Classes:
G01L9/00; G01L13/02; G01L19/04
Domestic Patent References:
WO2014154394A12014-10-02
Foreign References:
US5076147A1991-12-31
EP2380686A22011-10-26
US5279909A1994-01-18
GB981741A1965-01-27
DE102007011878A12008-09-18
EP0826953A21998-03-04
Attorney, Agent or Firm:
ANDRES, ANGELIKA (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1 . Druckmesszelle, mit

- einem Grundkörper (7), und

- einer auf dem Grundkörper (7) unter Einschluss einer Druckmesskammer (9) angeordneten, von außen mit einem zu messenden Druck (p)

beaufschlagbaren, keramischen Messmembran (1 1 ),

dadurch gekennzeichnet, dass

- der Grundkörper (7) aus Metall besteht, und

- Grundkörper (7) und Messmembran (1 1 ) miteinander über einen die

Druckmesskammer (9) außenseitlich umschließenden Anpassungskörper (15) verbunden sind, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist, der entlang des Anpassungskörpers (15) in vom Grundkörper (7) zur

Messmembran (1 1 ) verlaufender Richtung von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (oM) des Grundkörpers (7) entsprechenden

Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten (ακ) der Messmembran (1 1 ) entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten abfällt.

Druckmesszelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

der Anpassungskörper (15) durch eine erste Fügung (17), insb. eine Schweißung, insb. eine Elektronenstrahlschweißung oder eine Laserschweißung, mit dem Grundkörper (7) und durch eine zweite Fügung (19) mit einem äußeren Rand der Messmembran (1 1 ) verbunden ist.

Druckmesszelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

- die zweite Fügung (19) eine Aktivhartlötung, insb. eine mittels eines ternären, eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden, Aktivhartlots ausgeführte Aktivhartlötung ist, oder

- der Anpassungskörper (15) ein aus Schichten aufgebauter Sinterkörper ist und die zweite Fügung (19) eine durch Aufsintern, insb. durch Lasersintern, einer der Messmembran (1 1 ) zugewandten äußersten Schicht (SN) des

Anpassungskörpers (15) auf der Messmembran (7) gebildete Fügung ist.

4. Druckmesszelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

auf einer äußeren Mantelfläche des Anpassungskörpers (15) eine Beschichtung (21 ) aus einem korrosionsbeständigen Material, insb. aus Keramik oder aus Tantal, vorgesehen ist.

5. Druckmesszelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein kapazitiver elektromechanischer Wandler vorgesehen ist, der mindestens einen Kondensator umfasst,

- der eine elektrisch isoliert gegenüber dem Grundkörper (7) auf einer der

Messmembran (11 ) zugewandten Stirnfläche des Grundkörpers (7), insb. einer Stirnfläche eines in Richtung der Messmembran (1 1 ) vorstehenden,

außenseitlich allseitig vom Anpassungskörper (15) umgebenen und allseitig vom Anpassungskörper (15) beabstandeten Absatzes (37), angeordnete, vom Anpassungskörper (15) beabstandete Elektrode (23) umfasst, und

- der eine auf einer dem Grundkörper (7) zugewandten Seite der Messmembran (1 1 ) angeordnete Gegenelektrode (25) umfasst.

6. Druckmesszelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

- eine durch den Grundkörper (7) hindurch führende an die Elektrode (23) angeschlossene elektrische Durchführung (31 ), insb. eine Glasdurchführung, vorgesehen ist, über die die Elektrode (23) elektrisch anschließbar ist, und/oder

- eine elektrisch leitfähige Beschichtung (35) vorgesehen ist, die sich von der Gegenelektrode (25) über eine innere Mantelfläche des Anpassungskörpers (15) bis zum Grundkörper (7) erstreckt, so dass die Gegenelektrode (25) über den Grundkörper (7) elektrisch anschließbar ist.

7. Druckmesszelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

- der Anpassungskörper (15) aufeinander angeordnete Schichten (S,)

unterschiedlicher Zusammensetzung, insb. durch Lasersintern von metallische und/oder keramische Anteile enthaltenden Pulverschichten aufeinander aufgebrachte Schichten, aufweist, und

- die Schichten (S,) einen Keramikanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, und einen Metallanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, wobei

- der Keramikanteil in vom Grundkörper (7) zur Messmembran (1 1 ) hin

verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht ansteigt, und

- der Metallanteil in vom Grundkörper (7) zur Messmembran (1 1 ) hin

verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt.

8. Druckmesszelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

- der Anpassungskörper (15) ein aus Schichten (S,) aufgebauter

Anpassungskörper ist,

- eine Anzahl (N) der Schichten (S,) größer gleich einer Differenz (Δα) zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (OM) des Grundkörpers (7) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ακ) der Messmembran (1 1 ) geteilt durch 2 ppm/K, insbesondere größer gleich der Differenz (Δα) geteilt durch 1 ppm/K, insb. größer gleich dem zweifachen der Differenz (Δα) geteilt durch 1 ppm/K, ist.

9. Druckmesszelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

- der Anpassungskörper (15) ein aus Schichten (S,) aufgebauter

Anpassungskörper ist, und

- die Schichten (S,) eine Schichtdicke (s) von nicht weniger als 10 μιη,

insbesondere nicht weniger als 20 μιη, insb. nicht weniger als 40 μιη aufweisen, und von nicht mehr als 400 μιη, insbesondere nicht mehr als 200 μιτι, insb. nicht mehr als 100 μιη aufweisen.

10. Druckmesszelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

- der Anpassungskörper (15) in vom Grundkörper (7) zur Messmembran (1 1 ) verlaufender Richtung eine Höhe (h), und senkrecht dazu eine Breite (d) aufweist, und

- ein Produkt aus einem Verhältnis von der Breite (d) des Anpassungskörpers (15) zur Höhe (h) des Anpassungskörpers (15) und dem Betrag der Differenz (Δα) der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ακ, αΜ) von Messmembran

(1 1 ) und Grundkörper (7) kleiner als eine Konstante ( ξ) mit der Dimension 1/K ist, wobei

- die Konstante ( ξ) kleiner als 0,1 %/K, insbesondere kleiner als 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder

- die Konstante ( ξ) gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen

Verformungsparameter (C) und einer Temperaturdifferenz (ΔΤ) zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur (Tmax, Tmin), bei der die

Druckmesszelle (3) eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1 % ist. 1 1. Druckmesszelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

- der Anpassungskörper (15) ein aus aufeinander angeordneten Schichten (S,) aufgebauter Anpassungskörper ist,

- die einzelnen Schichten (S,) jeweils eine sich parallel zur Flächennormalen auf die Schicht (S,) erstreckende Schichtdicke (s) und eine sich senkrecht zur Flächennormalen auf die Schicht (S,) erstreckende Breite (ds) aufweisen, und

- das Produkt aus dem Verhältnis der Breite (ds) der jeweiligen Schicht (S,) zu deren Schichtdicke (s) und dem Betrag der Differenz (Δα5 ) der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der an diese Schicht (S,) angrenzenden Schichten (Si-i , Sj+i ) kleiner als eine Konstante ( ξ) mit der Dimension 1/K ist, wobei - die Konstante { ξ) kleiner als 0,1 %/K, insbesondere kleiner 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder

- die Konstante ( ξ) gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen

Verformungsparameter (C) und einer Temperaturdifferenz (ΔΤ) zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur (Tmax, Tmin), bei der die

Druckmesszelle (3) eingesetzt werden soll, ist, und der

Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1 % ist.

12. Druckmesszelle nach Anspruch 1 ,4, 5, oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpassungskörper (15)

- ein durch Sintern eines in einem Siebdruckverfahren hergestellten Rohlings hergestellter Sinterkörper ist, und

- aus aufeinander angeordneten Schichten, insb. Schichten mit einer

Schichtdicke in der Größenordnung von wenigen Mikrometern, besteht,

- die entweder einen in vom Grundkörper (7) zur Messmembran (11 )

verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht ansteigenden Keramikanteil und einen in vom Grundkörper (7) zur Messmembran (11 ) verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnehmenden Metallanteil aufweisen, oder

- die in aufeinander angeordneten Schichtfolgen aus aufeinander angeordneten jeweils entweder ausschließlich aus Metall oder ausschließlich aus Keramik bestehenden Schichten aufeinander angeordnet sind, wobei eine Anzahl der in den einzelnen Schichtfolgenden enthaltenen, ausschließlich aus Keramik bestehenden Schichten und eine Anzahl der in den einzelnen

Schichtfolgenden enthaltenen, ausschließlich aus Metall bestehenden

Schichten derart vorgegeben ist, dass ein Keramikanteil der Schichtfolgen in vom Grundkörper (7) zur Messmembran (1 1 ) verlaufender Richtung von Schichtfolge zu Schichtfolge ansteigt und ein Metallanteil der Schichtfolgen in vom Grundkörper (7) zur Messmembran (1 1 ) verlaufender Richtung von

Schicht zu Schicht abnimmt.

13. Druckmesszelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Anpassungskörper (15) durch eine erste Fügung (17) mit dem Grundkörper (7) und durch eine zweite Fügung (19) mit einem äußeren Rand der

Messmembran (1 1 ) verbunden ist, wobei

- die erste und die zweite Fügung (17, 19) insb. durch das Sintern des zwischen dem Grundkörper (7) und der Messmembran (1 1 ) angeordneten Rohlings erzeugte Fügungen (17, 19) sind.

14. Differenzdruckmesszelle mit einer Druckmesszelle (3) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- auf einer von der Messmembran (11 ) abgewandten Rückseite der

Druckmesszelle (3) eine zweite Druckmesszelle (3), insb. eine identisch ausgebildete zweite Druckmesszelle (3), derart angeordnet ist, dass die

Messmembranen (1 1 ) der beiden Druckmesszellen (3) nach außen weisen, und

- die Druckmesskammern (9) der beiden Druckmesszellen (3) über eine

Druckübertragungsleitung (43) miteinander verbunden sind.

15. Differenzdruckmesszelle gemäß Anspruch 14 mit zwei Druckmesszellen (3) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der von der

Messmembran (11 ) abgewandten Rückseite jeder Druckmesszelle (3) jeweils eine an die durch den jeweiligen Grundkörper (7) hindurch verlaufende

Durchführung (31 ) anschließende weiterführende Durchführung (45) vorgesehen ist, die seitlich aus der Differenzdruckmesszelle (41 ) heraus führt.

16. Differenzdruckmesszelle gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass

- auf den von der jeweiligen Messmembran (1 1 ) abgewandten Rückseiten der Grundkörpers (7) jeweils eine Isolationsschicht (47), insb. eine Glasschicht, vorgesehen ist,

- auf den vom jeweiligen Grundkörper (7) abgewandten Oberflächen der

Isolationsschichten (47) jeweils eine Leiterbahn (49), insb. entlang der Oberfläche von einem Kontaktstift (33) der Durchführung (31 ) zu einer äußeren Mantelfläche der Differenzdruckmesszelle (41 ) verlaufende Leiterbahn (49), vorgesehen ist, und

- zwischen den beiden Leiterbahnen (49) eine weitere, die beiden Leiterbahnen (49) elektrisch gegeneinander isolierende Isolationsschicht (51 ), insb. eine die beiden Druckmesszellen (3) mechanisch miteinander verbindende

Isolationsschicht (51 ), vorgesehen ist.

17. Drucksensor mit einer Druckmesszelle (3) gemäß Anspruch 1 , dadurch

gekennzeichnet, dass

- der Grundkörper (7) in eine Ausnehmung eines Gehäuses (1 , 39) oder eines

Gehäuseabschnitts (53), insb. eines mit einem Prozessanschluss (5) ausgestatteten Gehäuses (1 , 39) oder Gehäuseabschnitts (53) eingesetzt, insb. eingeschweißt, ist, oder - der Grundkörper (7) und ein den Grundkörper (7) enthaltender

Gehäuseabschnitt, insb. ein mit einem Prozessanschluss (5) ausgestatteter Gehäuseabschnitt, als einteiliges Bauelement ausgebildet sind.

Description:
Druckmesszelle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckmesszelle mit einem Grundkörper und einer auf dem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordneten, von außen mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren, keramischen

Messmembran.

Druckmesszellen finden weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik.

Dort werden unter Anderem keramische Druckmesszellen eingesetzt.

Ein Beispiel einer keramischen Druckmesszelle ist in der EP 0 995 979 A1 beschrieben. Diese umfasst:

- einen keramischen Grundkörper, und

- eine auf dem keramischen Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordnete, von außen mit einem zu messenden Druck beaufschlagbare, keramische Messmembran.

Keramische Druckmesszellen bieten den Vorteil, dass die keramische

Messmembran unmittelbar dem Medium ausgesetzt werden kann, dessen Druck gemessen werden soll. Keramik weist insoweit für die Anwendung in der

Druckmesstechnik besonders vorteilhafte chemische und mechanische

Eigenschaften auf. Druckmittler, die den zu messenden Druck mittels einer Druck übertragenden Flüssigkeit auf die Druckmesszelle übertragen, sind somit nicht erforderlich.

Keramische Druckmesszellen müssen jedoch am Einsatzort montiert werden. Hierzu werden sie regelmäßig in ein mit einem Prozessanschluss ausgestattetes

metallisches Gehäuse eingesetzt, das eine die Messmembran frei gebende Öffnung aufweist. Im Gehäuse wird ein äußerer Rand der Druckmesszelle in axialer Richtung

- also parallel zu einer Flächennormale auf die Messmembran - unter

Zwischenfügung einer Dichtung eingespannt. Die Dichtung dient dazu, den

Innenraum des Gehäuses gegenüber der Umgebung abzudichten. Hierzu werden Elastomere, wie z.B. Acrylnitril-Butadien-Kautschuk oder Acrylat-Kautschuk, eingesetzt.

Organische Dichtungen weisen jedoch eine deutlich geringere chemische

Beständigkeit auf als keramische Druckmesszellen und müssen am Ende ihrer Lebensdauer ausgetauscht werden. Durch einen Austausch der Dichtung können sich die Einspannungsverhaltnisse der Druckmesszelle im Gehäuse und damit ggfs. auch deren Messeigenschaften verändern.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Druckmesszelle mit einer keramischen Messmembran anzugeben, die ohne den Einsatz von Dichtungen in ein metallisches Gehäuse einsetzbar ist.

Hierzu umfasst die Erfindung eine Druckmesszelle, mit

- einem Grundkörper, und

- einer auf dem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer

angeordneten, von außen mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren, keramischen Messmembran,

die sich dadurch auszeichnet, dass

- der Grundkörper aus Metall besteht, und

- Grundkörper und Messmembran miteinander über einen die Druckmesskammer außenseitlich umschließenden Anpassungskörper verbunden sind, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist, der entlang des Anpassungskörpers in vom Grundkörper zur Messmembran verlaufender Richtung von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten abfällt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Anpassungskörper durch eine erste Fügung, insb. eine Schweißung, insb. eine Elektronenstrahlschweißung oder eine Laserschweißung, mit dem Grundkörper und durch eine zweite Fügung mit einem äußeren Rand der Messmembran verbunden.

Eine erste Weiterbildung sieht vor, dass

- die zweite Fügung eine Aktivhartlötung, insb. eine mittels eines ternären, eine Zr-Ni- Legierung und Titan aufweisenden, Aktivhartlots ausgeführte Aktivhartlötung ist, oder

- der Anpassungskörper ein aus Schichten aufgebauter Sinterkörper ist und die zweite Fügung eine durch Aufsintern, insb. durch Lasersintern, einer der

Messmembran zugewandten äußersten Schicht des Anpassungskörpers auf der Messmembran gebildete Fügung ist.

Eine zweite Weiterbildung besteht darin, dass auf einer äußeren Mantelfläche des Anpassungskörpers eine Beschichtung aus einem korrosionsbeständigen Material, insb. aus Keramik oder aus Tantal, vorgesehen ist. Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass ein kapazitiver elektromechanischer Wandler vorgesehen ist, der mindestens einen Kondensator umfasst,

- der eine elektrisch isoliert gegenüber dem Grundkörper auf einer der

Messmembran zugewandten Stirnfläche des Grundkörpers, insb. einer Stirnfläche eines in Richtung der Messmembran vorstehenden, außenseitlich allseitig vom Anpassungskörper umgebenen und allseitig vom Anpassungskörper

beabstandeten Absatzes, angeordnete, vom Anpassungskörper beabstandete Elektrode umfasst, und

- der eine auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran angeordnete Gegenelektrode umfasst.

Eine dritte Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltung sieht vor, dass

- eine durch den Grundkörper hindurch führende an die Elektrode angeschlossene elektrische Durchführung, insb. eine Glasdurchführung, vorgesehen ist, über die die Elektrode elektrisch anschließbar ist, und/oder

- eine elektrisch leitfähige Beschichtung vorgesehen ist, die sich von der

Gegenelektrode über eine innere Mantelfläche des Anpassungskörpers bis zum Grundkörper erstreckt, so dass die Gegenelektrode über den Grundkörper elektrisch anschließbar ist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass

- der Anpassungskörper aufeinander angeordnete Schichten unterschiedlicher

Zusammensetzung, insb. durch Lasersintern von metallische und/oder keramische Anteile enthaltenden Pulverschichten aufeinander aufgebrachte Schichten, aufweist, und

- die Schichten einen Keramikanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, und einen Metallanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, wobei

- der Keramikanteil in vom Grundkörper zur Messmembran hin verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht ansteigt, und

- der Metallanteil in vom Grundkörper zur Messmembran hin verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass

- der Anpassungskörper ein aus Schichten aufgebauter Anpassungskörper ist,

- eine Anzahl der Schichten größer gleich einer Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers und dem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran geteilt durch 2 ppm/K, insbesondere größer gleich der Differenz geteilt durch 1 ppm/K, insb. größer gleich dem zweifachen der Differenz geteilt durch

1 ppm/K, ist. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass

- der Anpassungskörper ein aus Schichten aufgebauter Anpassungskörper ist, und

- die Schichten eine Schichtdicke von nicht weniger als 10 μιη, insbesondere nicht weniger als 20 μιη, insb. nicht weniger als 40 μιη aufweisen, und von nicht mehr als 400 μιη, insbesondere nicht mehr als 200 μιη, insb. nicht mehr als 100 μιη aufweisen.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass

- der Anpassungskörper in vom Grundkörper zur Messmembran verlaufender

Richtung eine Höhe, und senkrecht dazu eine Breite aufweist, und

- ein Produkt aus einem Verhältnis von der Breite des Anpassungskörpers zur Höhe des Anpassungskörpers und dem Betrag der Differenz der thermischen

Ausdehnungskoeffizienten von Messmembran und Grundkörper kleiner als eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, wobei

- die Konstante kleiner als 0,1 %/K, insbesondere kleiner als 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder

- die Konstante gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen

Verformungsparameter und einer Temperaturdifferenz zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur, bei der die Druckmesszelle eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1 % ist.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass

- der Anpassungskörper ein aus aufeinander angeordneten Schichten aufgebauter Anpassungskörper ist,

- die einzelnen Schichten jeweils eine sich parallel zur Flächennormalen auf die

Schicht erstreckende Schichtdicke und eine sich senkrecht zur Flächennormalen auf die Schicht erstreckende Breite aufweisen, und

- das Produkt aus dem Verhältnis der Breite der jeweiligen Schicht zu deren

Schichtdicke und dem Betrag der Differenz der thermischen

Ausdehnungskoeffizienten der an diese Schicht angrenzenden Schichten kleiner als eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, wobei

- die Konstante kleiner als 0,1 %/K, insbesondere kleiner 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder - die Konstante gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen

Verformungsparameter und einer Temperaturdifferenz zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur, bei der die Druckmesszelle (3) eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1 % ist.

Weiter umfasst die Erfindung eine erfindungsgemäße Druckmesszelle, die sich dadurch auszeichnet, dass der Anpassungskörper

- ein durch Sintern eines in einem Siebdruckverfahren hergestellten Rohlings hergestellter Sinterkörper ist, und

- aus aufeinander angeordneten Schichten, insb. Schichten mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von wenigen Mikrometern, besteht,

- die entweder einen in vom Grundkörper zur Messmembran verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht ansteigenden Keramikanteil und einen in vom Grundkörper zur Messmembran verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnehmenden Metallanteil aufweisen, oder

- die in aufeinander angeordneten Schichtfolgen aus aufeinander angeordneten, jeweils entweder ausschließlich aus Metall oder ausschließlich aus Keramik bestehenden Schichten aufeinander angeordnet sind, wobei eine Anzahl der in den einzelnen Schichtfolgenden enthaltenen, ausschließlich aus Keramik bestehenden Schichten und eine Anzahl der in den einzelnen Schichtfolgenden enthaltenen, ausschließlich aus Metall bestehenden Schichten derart vorgegeben ist, dass ein Keramikanteil der Schichtfolgen in vom Grundkörper zur

Messmembran verlaufender Richtung von Schichtfolge zu Schichtfolge ansteigt und ein Metallanteil der Schichtfolgen in vom Grundkörper zur Messmembran verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt.

Eine Weiterbildung der letztgenannten Druckmesszelle sieht vor, dass

- der Anpassungskörper durch eine erste Fügung mit dem Grundkörper und durch eine zweite Fügung mit einem äußeren Rand der Messmembran verbunden ist, wobei

- die erste und die zweite Fügung insb. durch das Sintern des zwischen dem

Grundkörper und der Messmembran angeordneten Rohlings erzeugte Fügungen sind.

Weiter umfasst die Erfindung eine Differenzdruckmesszelle mit einer

erfindungsgemäßen Druckmesszelle, die sich dadurch auszeichnet, dass

- auf einer von der Messmembran abgewandten Rückseite der Druckmesszelle eine zweite Druckmesszelle, insb. eine identisch ausgebildete zweite Druckmesszelle, derart angeordnet ist, dass die Messmembranen der beiden Druckmesszellen nach außen weisen, und

- die Druckmesskammern der beiden Druckmesszellen über eine

Druckübertragungsleitung miteinander verbunden sind.

Weiter umfasst die Erfindung eine erfindungsgemäße Differenzdruckmesszelle mit zwei Druckmesszellen gemäß der dritten Weiterbildung, die sich dadurch auszeichnet, dass auf der von der Messmembran abgewandten Rückseite jeder Druckmesszelle jeweils eine an die durch den jeweiligen Grundkörper hindurch verlaufende Durchführung anschließende weiterführende Durchführung vorgesehen ist, die seitlich aus der Differenzdruckmesszelle heraus führt.

Eine Weiterbildung der beiden erfindungsgemäßen Differenzdruckmesszellen sieht vor, dass

- auf den von der jeweiligen Messmembran abgewandten Rückseiten der

Grundkörper jeweils eine Isolationsschicht, insb. eine Glasschicht, vorgesehen ist,

- auf den vom jeweiligen Grundkörper abgewandten Oberflächen der

Isolationsschichten jeweils eine Leiterbahn, insb. entlang der Oberfläche von einem Kontaktstift der Durchführung zu einer äußeren Mantelfläche der

Differenzdruckmesszelle verlaufende Leiterbahn, vorgesehen ist, und

- zwischen den beiden Leiterbahnen eine weitere, die beiden Leiterbahnen elektrisch gegeneinander isolierende Isolationsschicht, insb. eine die beiden

Druckmesszellen mechanisch miteinander verbindende Isolationsschicht, vorgesehen ist.

Des Weiteren umfasst die Erfindung einen Drucksensor mit einer

erfindungsgemäßen Druckmesszelle, die sich dadurch auszeichnet, dass

- der Grundkörper in eine Ausnehmung eines Gehäuses oder eines

Gehäuseabschnitts, insb. eines mit einem Prozessanschluss ausgestatteten Gehäuses oder Gehäuseabschnitts eingesetzt, insb. eingeschweißt, ist, oder

- der Grundkörper und ein den Grundkörper enthaltender Gehäuseabschnitt, insb. ein mit einem Prozessanschluss ausgestatteter Gehäuseabschnitt, als einteiliges Bauelement ausgebildet sind. Die erfindungsgemäße Verbindung von Grundkörper und Messmembran über den Anpassungskörper ermöglicht es, die keramische Messmembran auf einem

Grundkörper aus Metall anzuordnen. Dabei werden die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundkörper und Messmembran über den Anpassungskörper schrittweise ineinander überführt. Hierdurch werden durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Grundkörper und Messmembran bedingte temperaturabhängige Spannungen betragsmäßig deutlich reduziert und in den Anpassungskörper hinein verlagert, über dessen gesamte Höhe verteilt sie dann schrittweise aufgenommen werden. Da Grundkörper und Messmembran jeweils an eine Stirnseite des

Anpassungskörpers angrenzen, die einen dem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten des jeweiligen Bauteils entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, verbinden die

Fügungen zwischen Anpassungskörper und Grundkörper, sowie zwischen

Anpassungskörper und Messmembran jeweils Grenzflächen mit gleichem oder zumindest sehr ähnlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten.

Dementsprechend sind die Fügungen nur sehr geringen temperaturabhängigen Belastungen ausgesetzt. Die erfindungsgemäßen Drucksensoren bieten den Vorteil, dass Gehäuse und

Grundkörper aus Metall bestehen und somit unmittelbar, d.h. ohne Zwischenfügung von Dichtungen, mit einander verbunden, insb. verschweißt, werden können.

Darüber hinaus weisen Grundkörper und Gehäuse vergleichbare, vorzugsweise sogar identische thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Das bietet den Vorteil, dass sich zwischen Grundkörper und Gehäuse keine temperaturabhängigen Spannungen ausbilden, die sich auf die Messmembran und damit auf die

Messgenauigkeit auswirken könnten. Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt: einen Drucksensor mit einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle;

und

Fig. 2 zeigt: einen Drucksensor mit einer erfindungsgemäßen

Differenzdruckmesszelle. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors mit einer in ein Gehäuse 1 eingesetzten erfindungsgemäßen Druckmesszelle 3. Das Gehäuse 1 besteht aus einem Metall, z.B. einem Edelstahl, und weist vorzugweise einen Prozessanschluss 5 auf, über den der Drucksensor am Einsatzort auf einem hierzu komplementären Gegenstück montiert werden kann. Der Prozessanschluss 5 ist z.B. - wie hier dargestellt- ein Flansch, mit dem der Drucksensor auf einen entsprechenden Gegenflansch am Einsatzort montiert werden kann. Alternativ können auch andere in der industriellen Messtechnik verwendete

Prozessanschlussvarianten, wie z.B. Außengewinde oder

Milchrohrverschraubungen, eingesetzt werden.

Die Druckmesszelle 3 umfasst einen metallischen Grundkörper 7 und eine auf dem Grundkörper 7 unter Einschluss einer Druckmesskammer 9 angeordnete keramische Messmembran 1 1 . Der Grundkörper 7 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie das Gehäuse 1 , in das die Druckmesszelle 3 eingesetzt werden soll. Der metallische Grundkörper 7 bietet den Vorteil, dass er unmittelbar, ohne Zwischenfügung von Dichtungen, mit dem Gehäuse 1 verbunden werden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 7 hierzu in einer formgleichen Ausnehmung im Gehäuse 1 angeordnet, und über eine - hier durch ein Dreieck symbolisierte - Schweißung mit dem Gehäuse 1 verbunden.

Alternativ können der Grundkörper 7 und zumindest ein den Grundkörper 7 enthaltender Gehäuseabschnitt des Gehäuses 1 als einteiliges Bauteil ausgebildet sein.

Grundkörper 7 und Gehäuse 1 weisen zumindest sehr ähnliche, vorzugweise identische, thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Das bietet den Vorteil, dass im Übergangsbereich von Gehäuse 1 und Grundkörper 7 keine temperaturabhängigen Spannungen auftreten, die sich nachteilig auf die Druckmesszelle 3, insb. deren Messgenauigkeit, auswirken könnten.

Die Messmembran 1 1 besteht zum Beispiel aus Aluminiumoxid (Al 2 0 3 ). Alternativ kann sie auch aus einem anderen keramischen Werkstoff, wie z.B. Siliziumcarbid- Keramik (SiC) oder Spinell bestehen.

Im Messbetrieb wird die vom Grundkörper 7 abgewandte Seite der Messmembran 1 1 von außen mit einem zu messenden Druck p beaufschlagt, der eine vom zu messenden Druck p abhängige Durchbiegung der Messmembran 1 1 bewirkt.

Die in Fig. 1 dargestellte Druckmesszelle 3 ist als Relativdruckmesszelle ausgebildet. Hierzu ist im Grundkörper 7 eine durch den Grundkörper 7 hindurch verlaufende in der Druckmesskammer 9 mündende Bohrung 13 vorgesehen, über die der

Druckmesskammer 9 ein Referenzdruck p ref , z.B. der Atmosphärendruck, auf den der zu messende Druck bezogen werden soll, zugeführt wird. Alternativ kann die Druckmesszelle als Absolutdruckmesszelle ausgebildet sein. In dem Fall entfällt die Bohrung 13, und die unter der Messmembran 1 1 eingeschlossene

Druckmesskammer 9 ist evakuiert. Der metallische Grundkörper 7 ist mit der keramischen Messmembran 1 1 über einen die Druckmesskammer 9 außenseitlich umschließenden Anpassungskörper 15 verbunden. Der Anpassungskörper 15 ist hierzu vorzugsweise als zu einem Ring, insb. zu einem kreisförmigen Ring, geschlossener Steg ausgebildet. Der Anpassungskörper 15 weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der entlang des Anpassungskörpers 15 in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 1 1 verlaufender Richtung von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten a M des Grundkörpers 7 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten auf einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ακ der Messmembran 1 1 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt.

Der Anpassungskörper 15 besteht hierzu vorzugsweise aus einer Anzahl N aufeinander angeordneten Schichten S, unterschiedlicher Zusammensetzung. Die einzelnen Schichten S, verlaufen parallel zueinander und parallel zur Messmembran 1 1. Die Zusammensetzung der einzelnen Schichten S, wird derart vorgegeben, dass die an den Grundkörper 7 angrenzende äußerste Schicht Si einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten a S i aufweist, der dem Ausdehnungskoeffizienten a M des Grundkörpers 7 entspricht, und ausgehend von dieser äußersten Schicht Si von Schicht zu Schicht schrittweise derart auf den thermischen

Ausdehnungskoeffizienten ακ der Messmembran 1 1 abfällt, dass die an die

Messmembran 1 1 angrenzende äußerste Schicht S N einen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten OSN aufweist, der dem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten α κ der Messmembran 1 1 entspricht. Hierzu weisen die Schichten S, jeweils einen Keramikanteil auf, der größer gleich 0% und kleiner gleich 100 % ist, und einen Metallanteil auf, der größer gleich 0% und kleiner gleich 100 % ist. Die Anteile sind vorzugsweise derart vorgegeben, dass der Keramikanteil der Schichten S, in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 1 1 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht ansteigt, während der Metallanteil der Schichten S, in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 1 1 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt. Ordnet man der dem Grundkörper 7 zugewandten äußersten Schicht Si des Anpassungskörpers 15 die Koordinate z=0, und der der Messmembran 1 1 zugewandten äußersten Schichte SN die Koordinate z=h zu, wobei h gleich der Höhe des Anpassungskörpers 15 ist, beträgt der Keramikanteil einer Schicht Si mit der mittleren axialen Koordinate z beispielsweise 100% x (z/h) und der Metallanteil dieser Schicht Si beträgt 100% x (1 - z/h).

Vorzugsweise ist der Anpassungskörper 15 ein Sinterkörper, dessen Schichten S, zum Beispiel durch Lasersintern von Pulverschichten entsprechender von Schicht zu Schicht unterschiedlicher Zusammensetzung erzeugt werden. Hierzu kann zum Beispiel das in der IMW- Industriemitteilung Nr. 29 (2004) von Trenke mit dem Titel „Selektives Lasersintern von metallisch/keramischen Schichtstrukturen"

beschriebene Laser-Sinterverfahren eingesetzt werden.

Die Komponenten können hierzu in Form von mikroskaligen Granulaten bereitgestellt werden, deren Korngröße vorzugsweise nicht mehr als 20 μιη und besonders bevorzugt nicht mehr als 10 μιη beträgt. Zum Präparieren einer Schicht wird die koordinaten-abhängige Mischung der

Granulate auf die bereits verfestigten Schichten aufgetragen und durch Lasersintern verfestigt. Die gewünschte Zusammensetzung der jeweiligen Schicht S, kann dadurch erzeugt werden, dass eine Metallpulver und Keramikpulver im gewünschten Mischungsverhältnis in durchmischter Form enthaltende Pulverschicht aufgebracht und durch Lasersintern verfestigt wird. Alternativ kann die Zusammensetzung dadurch erzielt werden, dass die entsprechende Menge Metallpulver und die entsprechende Menge Keramikpulver jeweils als Pulverschicht entsprechender Dicke aufeinander aufgebracht werden, und die beiden Pulverschichten durch Lasersintern durchmischt und verfestigt werden.

Ggf. kann der Sinterkörper nach erfolgter Präparation unter Druck bei hoher

Temperatur gehalten werden, um das Gefüge zu verdichten.

Die Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten asi, asi+i aneinander angrenzender Schichten S,, S i+ des Anpassungskörpers 15 sind umso geringer, je größer die Anzahl N der Schichten S ist. Je geringer diese Unterschiede sind, umso geringer sind auch die sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten ausbildenden temperarturabhängigen Spannungen. Die Anzahl N der Schichten wird daher in Abhängigkeit von der Differenz Δα = OM - ακ der über den Anpassungskörper 15 schrittweise aneinander anzupassenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten α Μ , ακ von Grundkörper 7 und

Messmembran 1 1 vorzugsweise derart vorgegeben, das die Anzahl N nicht weniger als (Δα)/(2 ppm/K), insbesondere nicht weniger als

(Δα)/(1 ppm/K) und bevorzugt nicht weniger als (2Δα)/(1 ppm/K) beträgt. Der Anpassungskörper 15 weist im Querschnitt in einer parallel zur Flächennormalen auf die Schichten S, vom Grundkörper 7 zur Messmembran 1 1 verlaufenden Richtung eine Höhe h und in einer senkrecht zur Flächennormalen auf die Schichten Si verlaufenden Richtung eine Breite d auf. Diese Abmessungen des

Anpassungskörpers 15 werden vorzugsweise derart vorgegeben, dass das Produkt aus dem Verhältnis von dessen Breite d zu dessen Höhe h und dem Betrag der Differenz Δα der thermischen Ausdehnungskoeffizienten α κ , α Μ von Grundkörper 7 und Messmembran 1 1 , kleiner als eine vorgegebene Konstante ξ mit der Dimension

1/K ist, für die gilt: ξ < 0,1 %/K, insbesondere < 500 ppm/K, vorzugsweise < 250 ppm/K, weiter bevorzugt < 125 ppm/K und besonders bevorzugt < 60 ppm/K:

— · \Αα\ < ξ ,

h 1 1

Die Konstante ξ wird vorzugsweise als Quotient aus einem dimensionslosen Verformungsparameter C und einer Tem raturdifferenz ΔΤ gemäß:

bestimmt, wobei

- die Temperaturdifferenz ΔΤ gleich der Differenz T max - T min der maximalen und der minimalen Temperatur T max , T min ist, bei der die Druckmesszelle 3 eingesetzt werden soll, und

- C ein dimensionsloser Verformungsparameter ist, für den gilt: C< 4%, insbesondere C< 2% und bevorzugt C<1 %.

Dabei werden die einzelnen Schichten S, des Anpassungskörpers 15 vorzugsweise derart bemessen, dass das Produkt aus dem Verhältnis der Breite d s der jeweiligen Schicht S, zu deren Schichtdicke s und der Betrag der Differenz Δα 5 der thermischen Ausdehnungskoeffizienten asi-i, asi+i der an diese Schicht S, angrenzenden

Schichten SM, S i+ ebenfalls kleiner als die oben genannte vorzugsweise als Quotient aus dem dimensionslosen Verformungsparameter C und der

Temperaturdifferenz ΔΤ bestimmten Konstante ξ ist. D. h.:

Die einzelnen Schichten S, weisen vorzugsweise eine Schichtdicke s von nicht weniger als 10 μιη, insbesondere nicht weniger als 20 μιη und bevorzugt nicht weniger als 40 μιη auf, und von nicht mehr als 400 μιη, insbesondere nicht mehr als 200 μιη und bevorzugt nicht mehr als 100 μιη auf. Nimmt man als Beispiel einen metallischen Grundkörper 7 aus Edelstahl mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten a M von 16 ppm/K und eine Messmembran 1 1 aus Aluminiumoxid-Keramik mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ακ von 8 ppm/K, dann beträgt die Differenz Δα der thermischen

Ausdehnungskoeffizienten 8 ppm/K. Hieraus ergibt sich eine bevorzugte

Mindestanzahl N > 2 Δα /(1 ppm/K) von

16 Schichten. Bei den oben angegebenen besonders bevorzugten Schichtdicken von 40 μιη bis 100 μιη ergibt sich hieraus eine bevorzugte Mindesthöhe h des

Anpassungskörpers 15 von 640 μιη bis 1 ,6 mm. Geht man von einem

Temperaturbereich von - 40°C bis + 130 °C aus, in dem der Drucksensor eingesetzt werden soll, erhält man unter Anwendung des besonders bevorzugten

Verformungsparameters C von 1 % für die Konstante ξ gemäß ξ = C/ΔΤ einen Wert von 58,88 ppm/K. Damit liegt die über die oben angeführte Bemessungsregel d/h ΙΔαΙ < ξ berechenbare Breite d des Anpassungskörpers 15 bei einer Höhe h von 640 μιη vorzugweise unterhalb von 4,8 mm.

Der Anpassungskörper 15 weist eine dem Grundkörper 7 zugewandte Stirnseite auf, die über eine erste Fügung 17 mit einer der Messmembran 1 1 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 7 druckdicht verbunden ist. Diese erste Fügung 17 ist vorzugsweise eine Schweißung, z.B. eine Elektronenstrahlschweißung oder eine Laserschweißung.

Die gegenüberliegende, der Messmembran 1 1 zugewandte Stirnseite ist über eine zweite Fügung 19 mit einem äußeren Rand der dem Grundkörper 7 zugewandten Seite der Messmembran 19 druckdicht verbunden. Diese zweite Fügung 19 wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass der Anpassungskörper 15 schichtweise auf dem Rand der Messmembran 1 1 aufgebaut wird. Dabei bildet sich die zweite Fügung 19 beim Aufsintern der äußersten Schicht SN auf dem Rand der Messmembran 1 1 aus.

Alternativ kann der Anpassungskörper 15 als separates Bauteil vorgefertigt werden. In dem Fall ist die zweite Fügung 19 zwischen Messmembran 1 1 und

Anpassungskörper 15 vorzugsweise eine Aktivhartlötung. Die Aktivhartlötung wird vorzugsweise mit einem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot ausgeführt. Derartige Aktivhartlote sind aus der EP 0 490 807 A2 bekannt, und weisen den Vorteil eines an den thermischen

Ausdehnungskoeffizienten der Keramik angepassten thermischen

Ausdehnungskoeffizienten auf. Alternativ kann der Anpassungskörper 15 ein durch Sintern eines in einem

Siebdruckverfahren hergestellten, aus aufeinander aufgedruckten Schichten bestehenden Rohlings hergestellter Sinterkörper sein. Die Herstellung des Rohlings erfolgt, indem die einzelnen Schichten in nacheinander ausgeführten

Druckvorgängen aufeinander aufgedruckt werden, wobei die aufgedruckten

Schichten jeweils z.B. durch Trocknung verfestigt werden, bevor sie mit der nächsten Schicht überdruckt werden.

Der im Siebdruckverfahren hergestellte Anpassungskörper 15 weist vorzugsweise Schichten mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von wenigen Mikrometern auf.

Durch Sintern von im Siebdruckverfahren hergestellten, aus aufeinander angeordneten Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebauten

Rohlingen erzeugte dreidimensionale Sinterkörper sind zum Beispiel in der EP 0 627 983 B1 beschrieben. Darüber hinaus ist in einem Handout zu einem im Rahmen des am 2. und 3. Juli 2014 in Dresden abgehaltenen 9. Seminars für aktuelle Trends in der Aufbau und Verbindungstechnik von Herrn Riecker vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung gehaltenen Vortrag mit dem Titel: '3D Siebdruck - Ein Verfahren zur Bauteilherstellung' eine dreidimensionale gradierte Struktur aus Stahl und Keramik dargestellt, deren Keramikanteil in einer Raumrichtung kontinuierlich abnimmt, und deren Stahlanteil in der gleichen

Raumrichtung entsprechend zunimmt.

Der auf diese Weise hergestellte Anpassungskörper 15 kann genau wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel aus aufeinander angeordneten Schichten unterschiedlicher, in Verbindung mit dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschriebener Zusammensetzung aufgebaut sein, deren Keramikanteil in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 11 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht ansteigt, und deren Metallanteil in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 1 1 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt. Für diese Ausführungsform gelten die oben angegebenen Bemessungsangaben für die Anzahl der Schichten N, das Verhältnis der Breite d des Anpassungskörpers 15 zu dessen Höhe h, sowie das Verhältnis der Breite d s der einzelnen Schichten zu deren Schichtdicke s

entsprechend, wobei sich die Bemessungsangaben hier auf die nach dem Sintern des Rohlings vorliegenden Abmessungen beziehen.

Alternativ kann der Anpassungskörper 15 aufeinander angeordnete Schichtfolgen aufweisen, die jeweils aus aufeinander angeordneten Schichten bestehen, die jeweils entweder ausschließlich aus Metall oder ausschließlich aus Keramik bestehen. Dabei wird die Anzahl der in den einzelnen Schichtfolgen enthaltenen, ausschließlich aus Keramik bestehenden Schichten und die Anzahl der in den einzelnen Schichtfolgenden enthaltenen, ausschließlich aus Metall bestehenden Schichten derart vorgegeben, dass der Keramikanteil der Schichtfolgen in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 11 verlaufender Richtung von Schichtfolge zu Schichtfolge ansteigt und der Metallanteil der Schichtfolgen in vom Grundkörper 7 zur Messmembran 1 1 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt.

Hierbei weisen die Schichten vorzugsweise eine möglichst geringe Dicke, insb. eine Dicke in der Größenordnung von wenigen Mikrometern, insb. 2 μιτι bis 3 μιη auf. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass nur zwei verschiedene Druckpasten, nämlich eine Keramik-Paste und eine Metall-Paste zur Erzeugung des Rohlings benötigt werden. Für das Aufdrucken der keramischen und der metallischen

Schichten wird somit jeweils nur ein Sieb benötigt, das zwischen aufeinander folgenden Druckvorgängen nicht gereinigt werden muss. In Verbindung mit einem im Siebdruckverfahren hergestellten Anpassungskörper 15 können die erste und die zweite Fügung 17, 19 dadurch erzeugt werden, dass der Rohling zwischen Grundkörper 7 und Messmembran 1 1 angeordnet und dort gesintert wird. Zur zusätzlichen Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Anpassungskörpers 15 kann auf einer äußeren Mantelfläche des Anpassungskörpers 15 eine

Beschichtung 21 aus einem korrosionsbeständigen Material, insb. aus Keramik, vorzugsweise aus der Keramik der Messmembran 1 1 , oder aus Tantal, aufgebracht werden. Die Beschichtung 21 kann je nach Materialwahl z.B. durch

Plasmabeschichtung oder durch Sputtern aufgebracht werden.

Über den Anpassungskörper 15 werden die unterschiedlichen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten von Messmembran 1 1 und Grundkörper 7 schrittweise ineinander überführt. Durch die unterschiedlichen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten bedingte thermomechanische Spannungen werden somit über die gesamte Höhe h des Anpassungskörpers 15 verteilt, und über diesen abgebaut.

Dies bewirkt eine deutliche Reduktion temperaturbedingter Spannungen im Bereich der ersten und der zweiten Fügung 17, 19 und im Bereich der Messmembran 1 1 .

Damit ist es möglich, den metallischen Grundkörper 7 mit der keramischen

Messmembran 1 1 zu verbinden, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Fügungen 17, 19 aufgrund temperaturbedingter Spannungen über Gebühr belastet werden oder sogar brechen, und ohne dass die Messgenauigkeit durch sich auf die Messmembran 1 1 auswirkende temperaturabhängige Verspannungen wesentlich beeinträchtigt wird.

Die Druckmesszelle 3 umfasst einen elektromechanischen Wandler, der dazu dient, die vom zu messenden Druck p abhängige Durchbiegung der Messmembran 1 1 in ein vom zu messenden Druck p abhängiges elektrisches Signal umzuwandeln, und zur Anzeige und/oder zur weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung zur Verfügung zu stellen. Als mögliches Ausführungsbeispiel eines solchen elektromechanischen Wandlers ist in Fig. 1 ein kapazitiver Wandler vorgesehen, der mindestens einen Kondensator mit einer von der Durchbiegung der Messmembran 1 1 abhängigen Kapazität aufweist. Der Kondensator umfasst eine auf einer der Messmembran 1 1 zugewandten Stirnfläche des Grundkörpers 7 angeordnete Elektrode 23, und eine auf der dem Grundkörper 7 zugewandten Seite der Messmembran 7 angeordnete

Gegenelektrode 25.

Die Elektrode 23 ist von dem Anpassungskörper 15 beabstandet, und damit diesem gegenüber elektrisch isoliert. Zur elektrischen Isolation der Elektrode 23 gegenüber dem Grundkörper 7 ist auf der Stirnseite des Grundkörpers 7 eine Isolationsschicht 27, z.B. eine Glasschicht oder eine Siliziumdioxid-Schicht (S1O2), vorgesehen, auf der die Elektrode 23 angeordnet ist.

Die druckabhängige Kapazität dieses Kondensators wird z.B. mittels einer an die Elektrode 23 und die Gegenelektrode 25 angeschlossenen Messelektronik 29 bestimmt, und beispielsweise anhand einer vorab im Rahmen eines

Kalibrationsverfahrens ermittelten Kennlinie einem auf die Messmembran 1 1 einwirkenden zu messenden Druck p zugeordnet. Der elektrische Anschluss der Elektrode 23 an die Messelektronik 29 erfolgt vorzugsweise über eine elektrische Durchführung 31 , die durch den Grundkörper 7 hindurch verläuft. Die Durchführung 31 ist z.B. eine Glasdurchführung mit einem bis zur Elektrode 23 geführten Kontaktstift 33, der z.B. über einen auf der Rückseite der Druckmesszelle 3 angeordneten Kontakt kontaktierbar ist.

Der elektrische Anschluss der Gegenelektrode 25 an die Messelektronik 29 erfolgt vorzugsweise über eine die Gegenelektrode 25 mit dem Grundkörper 7 verbindende elektrisch leitfähige Beschichtung 35. Diese erstreckt sich von der Gegenelektrode 25 über eine innere Mantelfläche des Anpassungskörpers 15 zum Grundkörper 7. Über die Beschichtung 35 liegt die Gegenelektrode 25 auf dem gleichen Potential wie der Grundkörper 7, so dass der Anschluss der Gegenelektrode 25 über einen z.B. auf der Rückseite des Grundkörpers 7 angeordneten Kontakt erfolgen kann.

Die leitfähige Beschichtung 35 wird vorzugsweise nach dem Aufsintern des

Anpassungskörpers 15 auf der Messmembran 1 1 bzw. nach der Fügung von

Messmembran 1 1 und Anpassungskörper 15 aufgebracht, bevor der Verbund aus Messmembran 1 1 und Anpassungskörper 15 mittels der ersten Fügung 17 auf dem Grundkörper 7 befestigt wird. Die leitfähige Beschichtung 35 ist vorzugsweise eine Metallisierung, die vorzugsweise in einem Arbeitsgang zusammen mit der hierzu ebenfalls als Metallisierung ausgebildeten Gegenelektrode 25 aufgebracht, z.B. aufgesputtert, wird.

Die mit dem kapazitiven elektromechanischen Wandler erzielbare Messgenauigkeit ist umso größer, je größer die Grundkapazität des durch die Elektrode 23 und die Gegenelektrode 25 gebildeten Kondensators ist. Diese Grundkapazität ist wiederum umso größer, je geringer der Elektrodenabstand zwischen Elektrode 23 und

Gegenelektrode 25 ist.

Bei mit einem kapazitiven elektromechanischen Wandler ausgestatten

erfindungsgemäßen Druckmesszellen 3 ist die Elektrode 23 daher vorzugsweise auf einem in Richtung der Messmembran 1 1 vorstehenden Absatz 37 des Grundkörpers 7 angeordnet. Der Absatz 37 ist außenseitlich allseitig vom Anpassungskörper 15 umgeben und allseitig von diesem beabstandet. Das bietet den Vorteil, dass über eine entsprechende Dimensionierung der Bauhöhe des Absatzes 37 ein geringer Elektrodenabstand erzielt werden kann, und die den Elektrodenabstand mitbestimmende Höhe h des Anpassungskörpers 15 zugleich entsprechend den oben beschriebenen Bemessungsregeln für eine optimale Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten ακ, OM von Messmembran 1 1 und Grundkörper 7 vorgegeben werden kann.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Drucksensors mit einer in einem metallischen Gehäuse 39 eingefassten

erfindungsgemäßen Differenzdruckmesszelle 41 . Aufgrund der weitgehenden Übereinstimmung mit dem in Fig. 1 dargestellten Drucksensor sind nachfolgend lediglich die bestehenden Unterschiede näher erläutert. Im Übrigen wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen.

Die Differenzdruckmesszelle 41 wird dadurch gebildet, dass auf der von der Messmembran 1 1 abgewandten Rückseite der erfindungsgemäßen Druckmesszelle 3, z.B. gemäß Fig. 1 , eine zweite, vorzugsweise identische Druckmesszelle 3 derart angeordnet wird, dass die Messmembranen 1 1 der beiden Druckmesszellen 3 nach außen weisen. Zusätzlich ist in der Differenzdruckmesszelle 41 eine

Druckübertragungsleitung 43 vorgesehen, über die die beiden Druckmesskammern 9 miteinander verbunden sind. Die Druckmesskammern 9 und die

Druckübertragungsleitung 43 sind mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit, z.B. Silikonöl, gefüllt.

Im Messbetrieb wird eine der beiden Messmembranen 1 1 mit einem ersten Druck p-i , und die andere Messmembran 1 1 mit einem zweiten Druck p 2 beaufschlagt. Diese Druckbeaufschlagung bewirkt eine vom zu messenden Differenzdruck Δρ zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p-ι, p 2 abhängige Durchbiegung der beiden Messmembranen 1 1 , die mittels eines elektromechanischen Wandlers

messtechnisch erfasst und in ein vom Differenzdruck Δρ= p p 2 abhängiges

Messsignal umgewandelt wird.

Auch hier kann zur messtechnischen Erfassung der Durchbiegungen der

Messmembranen 1 1 jeweils der bereits anhand von Fig. 1 beschriebenen kapazitive Wandler vorgesehen werden. Der Differenzdruck Δρ kann anhand der gemessenen Kapazität jedes der beiden Kondensatoren, oder anhand der differentiellen Änderung f der Kapazitäten C1 , C2 der beiden Kondensatoren bestimmt werden. Die differentiellen Änderung f der beiden Kapazitäten C1 , C2 wird hierzu z. B. als Verhältnis der Differenz der beiden Kapazitäten zu deren Summe gemäß: f = (C1 - C2)/C1 +C2) bestimmt.

Auch hier erfolgt der elektrische Anschluss der beiden Gegenelektroden 25 vorzugsweise jeweils über einen auf einer äußeren Mantelfläche des zugehörigen Grundkörpers 7 angeordnete Kontakt, der über den jeweiligen Grundkörper 7 und die jeweilige leitfähige Beschichtung 35 in elektrisch leitender Verbindung mit der jeweiligen Gegenelektrode 25 steht.

Der Anschluss der beiden Elektroden 23 erfolgt über die durch den jeweiligen Grundkörper 7 hindurch verlaufende Durchführung 31 und eine daran anschließend weiterführende Durchführung 45, über die der Anschluss seitlich aus der

Differenzdruckmesszelle 41 heraus geführt wird.

Jede dieser weiterführenden Durchführungen 45 weist eine auf der von der

Messmembran 1 1 abgewandten Rückseite des jeweiligen Grundkörpers 7 aufgebrachte Isolationsschicht 47, z.B. eine Glasschicht, auf, durch die der

Kontaktstift 33 der Durchführung 31 hindurch verläuft. Auf der vom jeweiligen Grundkörper 7 abgewandten Oberfläche der jeweiligen Isolationsschicht 47 ist jeweils eine Leiterbahn 49 vorgesehen, die entlang der Oberfläche vom Kontaktstift 33 zu einer äußeren Mantelfläche der Differenzdruckmesszelle 41 verläuft, wo sie über einen entsprechenden Kontakt kontaktierbar ist.

Zwischen den beiden Leiterbahnen 49 ist eine weitere Isolationsschicht 51 vorgesehen, über die die beiden Leiterbahnen 49 elektrisch gegeneinander isoliert sind. Diese weitere Isolationsschicht 51 wird vorzugsweise zugleich zur

mechanischen Verbindung der beiden rückseitig jeweils mit der Isolationsschicht 47 und der Leiterbahn 49 versehenen Grundkörper 7 genutzt. Hierzu kann sie z.B. als Glasschicht einer die Grundkörper 7 verbindenden Glaslötung ausgebildet sein.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Differenzdruckmesszelle 41 ohne Zwischenfügung von Dichtungen in das Gehäuse 39 eingesetzt, indem die

Grundkörper 7 unmittelbar mit dem Gehäuse 39 verbunden, insb. verschweißt, werden. Hierzu weist das Gehäuse 39 vorzugsweise zwei miteinander verbundene Gehäuseabschnitte 53 auf, die jeweils eine Ausnehmung zur Aufnahme eines der beiden miteinander verbundenen Grundkörper 7 aufweisen. Auf diese Weise kann jeder Gehäuseabschnitt 53 von außen über die jeweilige Messmembran 1 1 hinweg über den jeweiligen Grundkörper 7 geschoben und dort verschweißt werden.

Alternativ können die Grundkörper 7 und die den jeweiligen Grundkörper 7 enthaltenden Gehäuseabschnitte auch hier jeweils als einteiliges Bauelement ausgebildet sein.

Zusätzlich weist das Gehäuse 39 eine die auf der äußeren Mantelfläche der Differenzdruckmesszelle 41 angeordneten Kontakte für den Anschluss der

Elektroden 23 und der Gegenelektroden 25 frei legende Ausnehmung 55 auf, durch die hindurch die Elektroden 23 und die Gegenelektroden 25 an eine Messelektronik 57 anschließbar sind.

Jeder Gehäuseabschnitt 53 ist mit einem Prozessanschluss 5 ausgestattet, über den der Differenzdrucksensor 41 am Einsatzort mit einem hierzu komplementären Gegenstück verbindbar ist, über das der jeweiligen Messmembran 11 im

Messbetrieb der erste bzw. der zweiten Druck p-i , p 2 zugeführt wird. 1 Gehäuse

3 Druckmesszelle

5 Prozessanschluss

7 Grundkörper

9 Druckmesskammer

1 1 Messmembran

13 Bohrung

15 Anpassungskörper

17 Fügung

19 Fügung

21 Beschichtung

23 Elektrode

25 Gegenelektrode

27 Isolationsschicht

29 Messelektronik

31 Durchführung

33 Kontaktstift

35 Beschichtung

37 Absatz

39 Gehäuse

41 Druckmesszelle

43 Druckübertragungsleitung

45 Durchführung

47 Isolationsschicht

49 Leiterbahn

51 Isolationsschicht

53 Gehäuseabschnitt

55 Ausnehmung

57 Messelektronik