Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Drucksensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Keramische Drucksensoren umfassen einen Grundkörper und eine Messmembran, wobei die Messmembran mittels eines Aktivhartlots mit dem Grundkörper gefügt ist. Ein geeignetes Aktivhartlot zum Fügen von Keramikteilen aus Korund ist beispielsweise eine Zr-Ni-Ti-Legierung, da diese von ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten mit Korund kompatibel ist. Im Europäischen Patent EP 0 490 807 B1 ist ein solches Aktivhartlot offenbart. Die Patentschrift EP 0 558 874 B1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Ringen aus einem solchen Aktivhartlot, Ringe aus

Aktivhartlot werden zum Verbinden von Messmembran und den

Grundkörper als Abstandhalter zwischen die beiden Teile gelegt, und in einem Hochvakuum lötprozess aufgeschmolzen, wodurch eine druckdichte und hochfeste ringförmige Verbindung zwischen den beiden Keramikteilen entsteht. Eine Alternative zum Aufbringen des Lots in Form von

vorgefertigten Ringen besteht darin, das Aktivhartlot in einem

Siebdruckverfahren bereitzustellen. Eine siebdruckfähige Paste des Aktivhartlots und ein Verfahren zu deren Herstellung ist in der

Offenlegungsschrift EP 0 988 919 A1 offenbart.

Aus dem Wunsch zur Miniaturisierung von Drucksensoren folgt indirekt der Bedarf nach einer dünneren Fügestelle, da - beispielsweise bei einem keramischen Drucksensor mit einem kapazitiven Wandler - die

Miniaturisierung zu einer Verkleinerung der Elektrodenflächen des kapazitiven Wandlers führt, die dann durch eine Verringerung des

Abstands zu kompensieren ist, wenn die Kapazität unverändert bleiben soll.

Die Ringe lassen sich jedoch nur in einer Mindeststärke von etwa 30 pm in reproduzierbarer Stärke herstellen, so dass dünnere Fügestellen, mit derartigen Aktivlotringen nicht mit hinreichend geringer Streuung herzustellen sind.

Gleichermaßen führt der Einsatz einer siebdruckfähigen Paste aufgrund der Körnung des Lots zu Mindeststärken der Fügestelle von 30 pm, wenn eine hinreichende Homogenität der Fügestelle und eine geringe Streuung des Abstands zwischen den Keramikteilen erzielt werden soll.

Die noch unveröffentlichte Anmeldung DE 10 2010 0431 19 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors, in dem das ganze Material der Fügestelle mittels Gasphasenabscheidung präpariert wird. Wenngleich sich damit beliebig dünne Fügestellen präparieren lassen, ist es doch ein vergleichsweise teures Verfahren, da bei der Gasphasenabscheidung naturgemäß nur ein Bruchteil des verdampften Materials zum Substrat gelangt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein danach hergestelltes keramisches Produkt bereitzustellen, welche die Nachteile des Stands der Technik überwinden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und den Drucksensor gemäß Patentanspruch 13.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines keramischen Drucksensors umfasst:

Bereitstellen eines keramischen Grundkörpers, einer keramischen

Messmembran, und eines Zwischenrings;

Bereitstellen eines Aktivhartlotmaterials mittels Gasphasenabscheidung zumindest auf einem ersten Oberflächenabschnitt einer ersten Oberfläche und auf einem zweiten Oberflächenabschnitt einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine Oberfläche des Grundkörpers ist, die mit dem Zwischenring mittels des Aktivhartlots zu verbinden ist, oder eine Oberfläche des Zwischenrings, die mittels des Aktivhartlots mit dem Grundkörper zu verbinden ist; wobei die zweite Oberfläche eine Oberfläche der Messmembran ist, die mit dem Zwischenring mittels des Aktivhartlots zu verbinden ist, oder Oberfläche des Zwischenrings, die mittels des Aktivhartlots mit dem zweiten Keramikkörper zu verbinden ist; Positionieren des Zwischenrings zwischen der Messmembran und dem Grundkörper; und

Erhitzen des Aktivhartlots in einem Lötprozess, wobei erfindungsgemäß der Zwischenring während des Lötprozesses im Wesentlichen ein

Festkörper bleibt. Der Lötprozess kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung

insbesondere ein Vakuum lötprozess oder ein Lötprozess unter Schutzgas sein.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Zwischenring einen metallischen Werkstoff welcher insbesondere W, MoTiZr, MoCu aufweist, oder einen keramischen Werkstoff, insbesondere Korund

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Zwischenring eine Stärke von nicht weniger als 10 pm auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Zwischenring eine Stärke von nicht mehr als 60 pm, insbesondere nicht mehr als 45 pm, bevorzugt nicht mehr als 30 und besonders bevorzugt nicht mehr als 25 pm auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Stärke des mittels Gasphasenabscheidung auf einem Oberflächenabschnitt bereitgestellten Aktivhartlotmaterials nicht weniger als 0,05 pm, vorzugsweise nicht weniger als 0, 1 pm. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Bereitstellen des Aktivhartlotmaterials mittels Gasphasenabscheidung in der Weise, dass jeweils auf beiden mit dem Zwischenring zu fügenden Oberflächenabschnitten des Grundkörpers bzw. der Messmembran und auf mindestens einer zu fügenden Oberfläche des Zwischenrings, vorzugsweise auf beiden zu fügenden Oberflächen des Zwischenrings das Aktivhartlotmaterial mittels Gasphasenabscheidung bereitgestellt wird.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung erfolgt das

Bereitstellen des Aktivhartlotmaterials mittels Gasphasenabscheidung in der Weise, dass auf beiden zu fügenden Oberflächen des Zwischenrings und auf mindestens einem der mit dem Zwischenring zu fügenden

Oberflächenabschnitte des Grundkörpers bzw. der Messmembran, vorzugsweise auf beiden zu fügenden Oberflächenabschnitte des

Grundkörpers und der Messmembran das Aktivhartlotmaterial mittels Gasphasenabscheidung bereitgestellt wird.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann das Bereitstellen des Aktivhartlots mittels Gasphasenabscheidung in der Weise erfolgen, dass mindestens eine keramische Oberfläche bzw. ein keramischer Oberflächenabschnitt zumindest mit einer aktiven Komponente des Aktivhartlots beschichtet wird. Anschließend kann auf die Schicht der aktiven Komponente das Aktivlot eine Mischung aller Komponenten des Aktivlots abgeschieden werden um ein lotfähiges Aktivhartlot

bereitzustellen, und/oder eine Mischung der Komponenten des

Aktivhartlots kann auf einer Oberfläche bzw. einem Oberflächenabschnitt bereitgestellt werden, welcher mit der keramischen Oberfläche bzw. mit dem keramischen Oberflächenabschnitt zu fügen ist, die bzw. der mit der aktiven Komponente beschichtet ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Beschichtung mit der mindestens einen aktiven Komponente eine Stärke von nicht weniger als 20 nm, insbesondere nicht weniger als 40 nm auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Beschichtung mit der mindestens einen aktiven Komponente eine Stärke von nicht mehr als 200 nm, insbesondere nicht mehr als 100 nm auf.

Das Bereitstellen des Aktivhartlots mittels Gasphasenabscheidung kann beispielsweise durch Sputtern bzw. Kathodenzerstäubung, insbesondere in einer Anlage mit einem Hochleistungsmagnetron oder durch

thermisches Verdampfen des Aktivhartlotmaterials erfolgen. Beim Sputtern kann ein Target bzw. eine Kathode eingesetzt werden, welche das

Aktivhartlot in der gewünschten Zusammensetzung der Komponenten des bereitzustellenden Aktivhartlots enthält. Beim thermischen Verdampfen des Aktivhartlotmaterials aus einer Schmelze der Legierung besteht das Risiko der Segregation der einzelnen Komponente in der Schmelze, was zu einer Anreicherung einer Komponente an der Oberfläche der Schmelze führen könnte, wodurch die Zusammensetzung des verdampften Materials nicht mehr der ursprünglichen Zusammensetzung des Aktivhartlots entsprechen würde. Daher ist es für das thermische Verdampfen vorzuziehen, separate Quellen für die einzelnen Komponenten des

Aktivhartlots bereitzustellen und die resultierende Zusammensetzung des abgeschiedenen Aktivhartlots über die jeweiligen Verdampfungsraten der Komponenten zu steuern.

Die mindestens eine aktive Komponente umfasst insbesondere Titan oder Zirkonium, wobei die Fügestelle eine Zr-Ni-Ti-Legierung aufweist. In einer Weiterbildung der Erfindung enthält die mindestens eine Beschichtung Zr und Ti.

Zumindest die Messmembran weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung Korund auf, wobei es derzeit bevorzugt ist, dass auch der Grundkörper Korund aufweist.

Soweit der Zwischenring ein metallischer Zwischenring ist, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auf dem Zwischenring ein Haftvermittler, insbesondere Titan abgeschieden werden, um die Haftung des

Aktivhartlots am Zwischenring zu erleichtern bzw. zu verbessern.

Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst einen keramischen

Grundkörper, eine keramische Messmembran, und einen Zwischenring, der zwischen dem Grundkörper und der Messmembran angeordnet ist, wobei der Grundkörper mit dem Zwischenring mittels einer ersten

Fügestelle und der Zwischenring mit der Messmembran mittels einer zweiten Fügestelle verbunden sind, wobei die erste und die zweite

Fügestellen jeweils ein Aktivhartlot aufweisen. Das Aktivhartlot umfasst gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Zr- Ni-Ti-Legierung.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Zwischenring einen metallischen Werkstoff welcher insbesondere W, MoTiZr, MoCu aufweist, oder einen keramischen Werkstoff, insbesondere Korund In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Zwischenring eine Stärke von nicht weniger als 10 pm auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Zwischenring eine Stärke von nicht mehr als 60 pm, insbesondere nicht mehr als 45 pm, bevorzugt nicht mehr als 30 und besonders bevorzugt nicht mehr als 25 pm auf. Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst weiterhin einen hier nicht näher dargestellten Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen

Verformung der Messmembran in ein elektrisches oder optisches Signal. Der Wandler kann insbesondere ein kapazitiver, ein resistiver oder ein interferometrischer Wandler sein. Der Drucksensor kann insbesondere einen Absolutdrucksensor, einen Relativdrucksensor oder einen Differenzdrucksensor umfassen. Bei einem Differenzdrucksensor, kann eine Messmembran beispielsweise zwischen zwei Grundkörpern angeordnet sein, oder ein Grundkörper trägt zwei Messmembranen, die über eine Übertragungsflüssigkeit im Grundkörper hydraulisch miteinander gekoppelt sind. Zumindest eine der Verbindungen zwischen der einen Messmembran und den beiden Grundkörpern bzw. zwischen den beiden Messmembranen und dem einen Grundkörper umfasst erfindungsgemäß einen Zwischenring, der mittels einer ersten Fügestelle mit dem Grundkörper und mittels einer zweiten Fügestelle mit der Messmembran verbunden ist, wobei bevorzugt jeweils beide

Verbindungen einen solchermaßen verbunden Zwischenring aufweisen.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:

einen Längsschnitt durch die Komponenten eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors; einen Längsschnitt durch die Komponenten eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors; einen Längsschnitt durch die Komponenten eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors und einen Längsschnitt durch die Komponenten eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors.

Die in Fig. 1 dargestellten Komponenten eines Drucksensors 1 umfassen eine kreisscheibenförmige Messmembran 2 und einen

kreisscheibenförmigen Grundkörper 3, wobei sowohl die Messmembran als auch der Grundkörper Korund aufweisen. Die Messmembran und der Grundkörper weisen beispielsweise einen Durchmesser von nicht weniger als 1 cm und nicht mehr als 7 cm auf. Die Messmembran weist

beispielsweise eine Stärke von nicht weniger als 50 pm und nicht mehr als 3 mm auf. Die tatsächlich gewählte Stärke der Messmembran ist - bei gegebener Festigkeit des Membranmaterials - insbesondere eine Funktion des Druckmessbereichs, der zu erwartenden Überlasten und des

Durchmessers der Messmembran. Der Grundkörper weist eine Stärke von einigen mm auf, um bezüglich der auf ihn wirkenden Kräfte möglichst steif zu sein. Zwischen der Messmembran 2 und dem Rundkörper 3 ist ein Zwischenring 4 angeordnet, welcher beispielsweise eine Materialstärke von etwa 25 pm aufweist und beispielsweise aus einer Molybdän-Kupfer- Legierung gebildet ist.

Der Außendurchmesser des Zwischenrings ist im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Grundkörpers und der Messmembran, wobei der Innendurchmesser beispielsweise 2 bis 8 mm weniger beträgt, um eine hineichend große Auflagefläche für einen Randbereich der Messmembran bereitzustellen, wobei im Messbetrieb auf dem Randbereich der

Messmembran gewöhnlich ein Dichtring aufliegt, der zwischen dem Drucksensor und einer Dichtfläche um eine Gehäuseöffnung eingespannt ist.

Zum Verbinden der Messmembran mit dem Zwischenring und des Grundkörpers mit dem Zwischenring sind auf der Messmembran 2 und dem Grundkörper 3 jeweils fluchtend mit dem Zwischenring Schichten eines Aktivhartlots 5, 6 mittels Gasphasenabscheidung präpariert, wobei die Schichten beispielsweise eine Stärke von etwa 5 pm aufweisen. Das Aktivhartlot kann insbesondere ein Zr-Ni-Ti-Aktivhartlot sein.

Beim Abscheiden des Aktivhartlots auf den Oberflächen der

Messmembran 2 und des Grundkörpers 3 sind die nicht zu

beschichtenden Oberflächenabschnitte mit Masken abzudecken.

Die beschriebenen Komponenten werden in der dargestellten Anordnung aufeinander gelegt und anschließend in einem Hochvakuumlötprozess miteinander gefügt. Wodurch zwischen Messmembran eine

Referenzdruckkammer gebildet wird, deren Höhe durch die Stärke des Zwischenrings und die jeweiligen Stärken der Aktivhartlotschichten definiert ist.

Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen Drucksensors 1 1 umfasst eine Messmembran 12, einen Grundkörper 13, wobei für die Materialien und Abmessungen der Messmembran, des Grundkörpers und des Zwischenrings die Ausführung zum ersten Ausführungsbeispiel entsprechend gelten. Im hier betrachteten Ausführungsbeispiel ist jedoch der Zwischenring 14 mit einer ersten Schicht des Aktivhartlots 15 und mit einer zweiten Schicht des

Aktivhartlots 16 beschichtet, so dass ein Abscheiden des Aktivhartlots auf der Messmembran bzw. dem Grundkörper entfallen kann. Zum Verbinden der genannten Komponenten werden selbige in der dargestellten

Reihenfolge aufeinander gelegt und in einem Hochvakuumlötprozess miteinander gefügt. Ein Vorteil des hier gezeigten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Maskierung der Messmembran und des

Grundkörpers für das Abscheiden des Aktivhartlots entfallen kann, und für den Zwischenring 14 ist eine Maskierung nicht erforderlich.

Das in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen Drucksensors 21 umfasst wiederum eine

Messmembran 22 und einen Grundkörper 23 sowie einen Zwischenring 24, wobei hier sämtliche zu fügende Oberflächenabschnitte mittels

Gasphasenabscheidung mit einem Aktivhartlot beschichtet sind. So ist für die Verbindung zwischen dem Grundkörper 23 und dem Zwischenring 24 auf einer dem Grundkörper zugewandten ersten Oberfläche des

Zwischenrings eine Schicht des Aktivhartlot 25a und auf dem Grundkörper eine ringförmige Schicht des Aktivhartlots 25b abgeschieden.

Entsprechend ist auf einer der Messmembran zugewandten zweiten Oberfläche des Zwischenrings 24 eine Schicht des Aktivhartlots 26a und auf der Messmembran eine ringförmige Schicht des Aktivhartlots 26b abgeschieden. Die hier beschriebene Vorgehensweise kann

beispielsweise vorteilhaft sein, um eine gleichmäßige Benetzung der Oberflächen mit dem Aktivhartlot zu gewährleisten. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn auch der Zwischenring 24 wie die Messmembran 22 und der Grundkörper 23 einen keramischen Werkstoff, insbesondere Korund aufweist.

Das in Fig. 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen Drucksensors 31 entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei nun die Messmembran 32 und der

Grundkörper 33 in der Weise mit dem Aktivhartlot beschichtet sind, dass zunächst auf der Stirnfläche des Grundkörpers und auf der dem

Grundkörper bzw. dem Zwischenring zugewandten Oberfläche der Messmembran ein ringförmiger Bereich mit einer aktiven Komponente 35a, 36a des Aktivhartlots beschichtet werden, bevor zur

Vervollständigung des Aktivhartlots alle Komponenten des Aktivhartlots in einer zweiten Schicht 35b, 36b auf der aktiven Komponente abgeschieden werden. Die Stärke der Schicht der aktiven Komponente 35a, 35b kann beispielsweise jeweils etwa 100 nm betragen, während die zweite Schicht des Aktivhartlots 35b, 36b jeweils etwa 1 pm beträgt.

Sämtliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Drucksensors umfassen weiterhin einen Wandler, zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran, wobei der Wandler ein kapazitiver, ein (piezo-) resistiver oder ein optischer Wandler sein kann. Einzelheiten hierzu sind dem Fachmann geläufig und bedürfen nicht der näheren Darstellung.

Gleichermaßen kann der Drucksensor ein Absolutdrucksensor oder ein Relativsensor sein, wobei bei einem Absolutdrucksensor die zwischen der Messmembran und dem Grundkörper gebildete Referenzdruckkammer evakuiert ist, während sie bei einem Relativdrucksensor über einen Kanal durch den Grundkörper mit dem Umgebungsdruck beaufschlagbar ist. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Drucksensor ein

Differenzdrucksensor sein, wozu beispielsweise ein Grundkörper zwischen zwei Messmembranen jeweils mit einem Zwischenring zu fügen ist, oder wozu eine Messmembran jeweils mit einem Zwischenring zwischen zwei Grundkörpern anzuordnen ist. Der grundsätzliche Aufbau der

geschilderten Arten von Differenzdrucksensoren mit einem Grundkörper zwischen zwei Messmembranen oder einer Messmembran zwischen zwei Grundkörpern sind dem Fachmann geläufig und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden.