Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit zwei miteinander über eine durch

Aktivhartlöten eines Aktivhartlots hergestellte Aktivhartlötung verbundenen Körpern, insb. einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren

Messmembran, insb. einer keramischen Messmembran, und einem Grundkörper, insb. einem keramischen Grundkörper, die durch eine einen äußeren Rand der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung verbunden sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Drucksensors.

Als Absolutdrucksensoren, als Relativdrucksensoren sowie als Differenzdrucksensoren ausgebildete Drucksensoren finden heute weit gefächert Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik.

In der EP 490 807 A1 ist ein keramischer Drucksensor beschrieben mit

- einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren,

keramischen Messmembran,

- einem keramischen Grundkörper und

- einer einen äußeren Rand der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung.

Zur Reduzierung von thermomechanischen Spannungen innerhalb des Drucksensors, insb. im Bereich der Messmembran, werden für die Aktivhartlötungen bevorzugt Aktivhartlote eingesetzt, die einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik von Grundkörper und Messmembran angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. In Verbindung mit Keramiken aus Aluminiumoxid eignen sich hierzu die in der EP 490 807 A1 genannten eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären

Aktivhartlote.

In der DE 10 2012 110 618 A1 ist ein keramischer Drucksensor mit einer über eine Aktivhartlötung mit einem keramischen Grundkörper verbundenen Messmembran beschrieben, für deren Herstellung ein Lotkern aus einem Aktivhartlot eingesetzt wurde, der auf dessen der Messmembran und auf dessen dem Grundkörper zugewandten

Stirnseite jeweils eine Grenzschicht aufweist, die aus einem Aktivhartlot besteht, das eine niedrigere Liquidustemperatur aufweist als das Aktivhartlot des Lotkerns. Es ist eine Grenzschicht genannt, die die Komponenten Zirkonium, Nickel, Titan und Aluminium aufweist. Die Fügung von Messmembran und Grundkörper erfolgt hier bei einer Löttemperatur, bei der die Grenzschichten aufschmelzen, während der Lotkern im

Wesentlichen unverändert bleibt. Dabei wird für den Lotkern ein zum Beispiel durch Variation der Zusammensetzung eines Zirkonium, Nickel und Titan aufweisenden

Aktivhartlots ermitteltes Aktivhartlot eingesetzt, das einen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem der Keramik von Messmembran und

Grundkörper möglichst ähnlich ist.

Thermomechanische Spannungen im Bereich der Aktivhartlötung lassen sich jedoch auch durch die zuvor genannten Maßnahmen nicht völlig vermeiden. Dabei führen auf die Messmembran einwirkende Spannungen zu einer Veränderung der druckabhängigen Verformbarkeit derselben und beeinflussen somit die Messeigenschaften des

Drucksensors. Diese regelmäßig in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur veränderlichen Spannungen bewirken eine zusätzliche Temperaturabhängigkeit der Messergebnisse. Darüber hinaus können sie eine vom zeitlichen Verlauf der

Umgebungstemperatur und/oder des zu messenden Drucks abhängige Hysterese der

Messergebnisse bewirken, die zu einer Verschlechterung der erzielbaren Messgenauigkeit führt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor mit verbesserten Messeigenschaften anzugeben.

Hierzu umfasst die Erfindung einen Drucksensor, mit

- zwei miteinander über eine durch Aktivhartlöten eines Aktivhartlots hergestellte

Aktivhartlötung verbundenen Körpern, insb. einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran, insb. einer keramischen

Messmembran, und einem Grundkörper, insb. einem keramischen Grundkörper, die durch eine einen äußeren Rand der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des

Grundkörpers verbindenden, Aktivhartlötung verbunden sind,

- dessen Aktivhartlötung einen von den Abmessungen der Aktivhartlötung und den

Werkstoffen der Körper abhängigen, an einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten mindestens eines der Körper, insb. der Messmembran, angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Eine Weiterbildung umfasst einen erfindungsgemäßen Drucksensor, bei dem eine

Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aktivhartlötung und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Körpers, an den die Anpassung erfolgt ist, insb. der Messmembran, betragsmäßig geringer ist, als eine Differenz zwischen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aktivhartlots und dem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten des Körpers.

Eine Ausgestaltung umfasst einen erfindungsgemäßen Drucksensor, bei dem

- mindestens einer der Körper, insb. die Messmembran oder die Messmembran und der Grundkörper, aus einer Oxidkeramik, insb. aus Aluminiumoxid, besteht, und

- das Aktivhartlot die Komponenten Zirkonium, Nickel und Titan aufweist.

Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltung enthält das Aktivhartlot Kupfer und/oder Aluminium.

Eine Weiterbildung umfasst einen erfindungsgemäßen Drucksensor, bei dem

die Aktivhartlötung aus einem Aktivhartlot hergestellt ist, das die Zusammensetzung Zr ₆₃ Ni22Tii5, Zr ₆ oNi ₈ Ti2Cu2oAlio,

Zr52,5Ni ₁ 4 _i6 Ti ₅ Cu ₁ 7,9AI ₁ o, Ζ^Ν^ ^" ^, oder Zr ₁₁ Ni ₈ Ti ₃₄ Cu47 aufweist.

Weiter umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung eines thermischen

Ausdehnungskoeffizienten einer Aktivhartlötung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, mit

- zwei Messkörpern, insb. zwei Messkörpern, die aus dem Werkstoff des Körpers des

Drucksensors, an den die Anpassung erfolgt, bestehen,

- die über eine Aktivhartlötung miteinander verbunden sind, die aus dem gleichen

Aktivhartlot hergestellt ist, aus dem auch die den zu messenden Ausdehnungskoeffizient aufweisende Aktivhartlötung hergestellt wird, und die gleichen Abmessungen wie diese aufweist,

- die auf deren dem jeweils anderen Messkörper zugewandten Stirnseite jeweils eine

Elektrode aufweisen, wobei die Elektroden einen Kondensator mit einer von deren von einer temperaturabhängigen Höhe der Aktivhartlötung abhängigen Elektrodenabstand abhängigen Kapazität bilden,

- einer Heizvorrichtung, und

- einer an die Elektroden angeschlossenen Messschaltung, die die Kapazität des

Kondensators bei mindestens zwei verschiedenen Temperaturen der Aktivhartlötung misst, und anhand deren Abhängigkeit von der Höhe der Aktivhartlötung, insb. anhand deren Abhängigkeit von der Höhe der Aktivhartlötung und einer Temperaturabhängigkeit der gemessenen Kapazitäten, insb. einer von einer Temperaturabhängigkeit der Elektrodenflächen der Elektroden abhängige Temperaturabhängigkeit der gemessenen

Kapazitäten, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aktivhartlötung bestimmt.

Eine Weiterbildung der Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung bei der

- die Elektroden baugleich und kreisscheibenförmig sind, und - die Temperaturabhängigkeit der Elektrodenflächen der Elektroden anhand eines temperaturabhängen Durchmesser der Elektroden berücksichtigt wird, der

näherungsweise linear mit einem Elektrodenausdehnungskoeffizient mit der Temperatur ansteigt,

- wobei der Elektrodenausdehnungskoeffizient insb. ein Elektrodenausdehnungskoeffizient ist, der anhand von mit zwei, sich ausschließlich durch die Durchmesser von deren Elektroden unterscheidenden erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausgeführten

Kapazitätsmessungen bestimmt wurde. Eine weitere Weiterbildung der Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung bei der

die Elektroden scheibenförmig sind und eine im Vergleich zur Höhe der Aktivhartlötung geringe Scheibendicke, insb. eine Scheibendicke, die in der Größenordnung von zwei Zehnerpotenzen geringer ist, als die Höhe der Aktivhartlötung, aufweisen. Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, gemäß dem das Aktivhartlot zur Herstellung der Aktivhartlötung des Drucksensors durch ein Verfahren bestimmt wird, bei dem mindestens eine Messung durchgeführt wird, bei der ein thermischer Ausdehnungskoeffizient einer mit einem

Aktivhartlot ausführten Aktivhartlötung bestimmt wird, deren Abmessungen gleich den Abmessungen der Aktivhartlötung des Drucksensors sind und durch die zwei Körper, insb. zwei Körper aus dem Werkstoff des Körpers des Drucksensors, an den die Anpassung erfolgt, miteinander verbunden sind.

Eine Weiterbildung dieses Verfahrens sieht vor, dass die Messungen jeweils in einem Verfahren ausgeführt werden, bei dem

- zwei Messkörper, insb. zwei Messkörper, die aus dem Werkstoff des Körpers des

Drucksensors, an den die Anpassung erfolgt, bestehen, über eine Aktivhartlötung miteinander verbunden werden, die aus dem Aktivhartlot hergestellt wird, aus dem die den zu messenden Ausdehnungskoeffizient aufweisende Aktivhartlötung hergestellt wird, und die die gleichen Abmessungen wie letztere aufweist,

- wobei die Messkörper auf deren dem jeweils anderen Messkörper zugewandten

Stirnseite jeweils eine Elektrode aufweisen und die Elektroden einen Kondensator mit einer von deren von einer temperaturabhängigen Höhe der Aktivhartlötung abhängigen Elektrodenabstand abhängigen Kapazität bilden,

- die Kapazität des Kondensators bei mindestens zwei verschiedenen Temperaturen der Aktivhartlötung gemessen wird und anhand deren Abhängigkeit von der Höhe der Aktivhartlötung, insb. anhand deren Abhängigkeit von der Höhe der Aktivhartlötung und einer Temperaturabhängigkeit der gemessenen Kapazitäten, insb. einer von einer Temperaturabhängigkeit der Elektrodenflächen der Elektroden abhängige Temperaturabhängigkeit der gemessenen Kapazitäten, der thermische

Ausdehnungskoeffizient der Aktivhartlötung bestimmt wird.

Eine Weiterbildung des letztgenannten Verfahrens umfasst ein Verfahren, bei dem

- die Elektroden baugleich und kreisscheibenförmig sind, und

- die Temperaturabhängigkeit der Elektrodenflächen der Elektroden anhand eines

temperaturabhängen Durchmesser der Elektroden berücksichtigt wird, der

näherungsweise linear mit einem Elektrodenausdehnungskoeffizient mit der Temperatur ansteigt,

- wobei der Elektrodenausdehnungskoeffizient insb. ein Elektrodenausdehnungskoeffizient ist, der anhand von mit zwei, sich ausschließlich durch die Durchmesser von deren Elektroden unterscheidenden erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausgeführten

Kapazitätsmessungen bestimmt wurde. Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Verfahren, bei dem das Aktivhartlot, aus dem die Aktivhartlötung des Drucksensors hergestellt wird, ermittelt wird, indem

- zur Aktivhartlötung der Körper des Drucksensors geeignete Testlote unterschiedlicher Zusammensetzung, insb. Komponenten eines zur Aktivhartlötung der Körper geeigneten Ausgangslots enthaltende Testlote, ermittelt werden,

- die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von mit den Testloten erzeugten

Aktivhartlötungen gemessen werden, und

- anhand der gemessenen Ausdehnungskoeffizienten dasjenige Testlot als Aktivhartlot ermittelt wird, bei dem eine Differenz zwischen dem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten der damit hergestellten Aktivhartlötung und dem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten mindestens eines der Körper betragsmäßig den geringsten Wert aufweist.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der letztgenannten Weiterbildung

- besteht mindestens eines der Testlote ausschließlich aus den Komponenten des

Ausgangslots, und/oder

- weist mindestens eines der Testlote zusätzlich zu den Komponenten des Ausgangslots mindestens eine weitere Komponente auf.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung des letztgenannten Weiterbildung

- besteht mindestens einer der Körper aus Oxidkeramik, insb. aus Aluminiumoxid,

- weisen die Testlote die Komponenten Zirkonium, Nickel und Titan auf, und

- besteht mindestens ein Testlot ausschließlich aus Zirkonium, Nickel und Titan und/oder weist mindestens ein Testlot Zirkonium, Nickel und Titan und mindestens eine weitere Komponente, insb. Kupfer oder Aluminium, auf. Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ein Verfahren, bei dem ein thermischer Ausdehnungskoeffizient einer mit einem Aktivhartlot, insb. einem Ausgangslot oder einem Testlot, ausführten Aktivhartlötung bestimmt wird, das die Zusammensetzung Zr ₆₃ Ni ₂ 2Ti ₁₅ , Zr ₆ oNi ₈ Ti ₂ Cu2oAI ₁₀ , Zr ₄₇ Ni3 ₅ Ti ₁₈ , Zr ₅₈ Ni23Ti9Cu ₁₀ ,

Zr ₅ 2,5Nii ₄ ,6Ti ₅ Cui7,9Alio, Zr ₄₃ Ni ₃₃ Ti2 ₄ , oder Zr-nNisTi^Cu^ aufweist.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt: einen keramischen Drucksensor; und

Fig. 2 zeigt: eine Anordnung zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten einer Aktivhartlötung.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Drucksensors. Dieser umfasst eine mit einem Druck p beaufschlagbare und druckabhängig elastisch verformbare Messmembran 1 , die auf einem Grundkörper 3 angeordnet ist. Die Messmembran 1 und vorzugsweise auch der Grundkörper 3 bestehen vorzugsweise aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ), und sind miteinander unter Einschluss einer Druckkammer 5 druckdicht verbunden. Hierzu ist ein äußerer Rand einer dem Grundkörper 3 zugewandten Seite der Messmembran 1 unter Einschluss der Druckkammer 5 mittels einer

Aktivhartlötung 7 mit einem äußeren Rand einer der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 3 verbunden. Der Drucksensor umfasst also einen Verbund aus zwei über eine Aktivhartlötung 7 miteinander verbundenen Körpern.

Der dargestellte Drucksensor kann als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. In dem Fall ist die unter der Messmembran 1 eingeschlossene Druckkammer 5 evakuiert. Alternativ kann er als Relativdrucksensor ausgebildet werden, indem der Druckkammer 5 über eine durch den Grundkörper 3 hindurch führende, in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Bohrung 9 ein Referenzdruck p _ref , z.B. ein Atmosphärendruck, zugeführt wird, bezogen auf den der auf die Messmembran 1 einwirkende Druck p erfasst werden soll. Die Erfindung ist natürlich völlig analog auch in Verbindung mit als Differenzdrucksensoren ausgebildeten

Drucksensoren einsetzbar, die mindestens eine über eine Aktivhartlötung mit einem Grundkörper verbundene Messmembran aufweisen.

Der Drucksensor umfasst einen elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran 1 messtechnisch zu erfassen. Dieser umfasst z.B. mindestens einen Kondensator mit einer sich in Abhängigkeit von der druckbedingten Auslenkung der Messmembran 1 verändernden Kapazität, der eine auf einer dem Grundkörper 3 zugewandten Seite der Messmembran 1 aufgebrachte Elektrode 11 und eine auf einer der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 3 aufgebrachte Gegenelektrode 13 aufweist. Die druckabhängige Kapazität dieses

Kondensators bzw. deren Änderungen werden über eine an die Elektrode 11 und die

Gegenelektrode 13 angeschlossene, hier nicht dargestellte Messelektronik erfasst und in ein druckabhängiges Messsignal umgewandelt, das dann zur Anzeige, zur weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht. Erfindungsgemäße Drucksensoren werden hergestellt, indem Messmembran 1 und

Grundkörper 3 vorgefertigt werden und die Elektrode 11 und die Gegenelektrode 13 auf die entsprechenden Stirnflächen von Messmembran 1 und Grundkörper 3 aufgebracht, z.B. flächig aufgesputtert, werden. Dabei kann zugleich ein elektrischer Anschluss der

Gegenelektrode 13 vorgesehen werden, indem ein Kontaktstift 15, z.B. ein Tantalstift, in eine durch den Grundkörper 3 führende Bohrung eingesetzt wird, der eine elektrisch leitfähige Verbindung zur Gegenelektrode 13 herstellt. Nachfolgend werden Messmembran 1 und Grundkörper 3 unter Einschluss der Druckkammer 5 durch Aktivhartlöten druckdicht miteinander verbunden. Hierzu wird zwischen den durch die Aktivhartlötung 7 zu verbindenden äußeren einander zugewandten Rändern von Grundkörper 3 und

Messmembran 1 eine Lotschicht aus einem Aktivhartlot angeordnet. Die Lotschicht kann z.B. auf die in der EP 490 807 A1 beschriebene Weise als Lotpaste aufgetragen oder in Form eines vorgefertigten Lotformteils, z.B. eines Lotrings, eingebracht werden. Hierdurch lassen sich Aktivhartlötungen 7 mit Höhe h von größer gleich 30 μιη herstellen. Eine geringere Mindesthöhe der Messmembran 1 und Grundkörper 3 verbindenden

Aktivhartlötung 7 und damit einhergehend ein zur Erzielung einer höheren Messgenauigkeit vorteilhafterer geringerer Elektrodenabstand kann gemäß einem in der DE 10 2010 043 119 A1 beschriebenen Verfahren erzielt werden, indem die Lotschicht mittels

Gasphasenabscheidung auf eine der Fügeflächen oder anteilig auf beide Fügeflächen aufgebracht wird. Hierdurch können Aktivhartlötungen 7 mit einer Höhe h in der

Größenordnung von 10 μιη hergestellt werden.

Nach dem Einbringen bzw. Aufbringen der Lotschicht wird die durch den Grundkörper 3, die Lotschicht und die Messmembran 1 gebildete Anordnung insgesamt unter Vakuum auf eine oberhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende Löttemperatur aufgeheizt und dort über einen längeren Zeitraum, insb. einen Zeitraum von 5 min bis 15 min, gehalten. Alternativ kann ein in der DE 10 2011 005 665 A1 beschriebenes

Aktivhartlötverfahren verwendet werden, bei dem die Lotschicht unter Vakuum durch Laserstrahlung vollständig aufgeschmolzen wird. Bei der Löttemperatur reagiert die aktive Komponente des Aktivhartlots mit der Keramik. Dabei wird durch Reduktion der Keramik eine mechanisch hochfeste chemische

Verbindung zwischen der Keramik und dem Aktivhartlot bewirkt. Aufgrund dieser chemischen Reaktion bildet sich auf der der Messmembran 1 und auf der dem

Grundkörper 3 zugewandten Seite der Aktivhartlötung 7 jeweils eine Verbindungsschicht 17 aus, die sich sowohl im Hinblick auf deren Zusammensetzung als auch im Hinblick auf deren Eigenschaften vom verwendeten Aktivhartlot unterscheidet. Die

Verbindungsschichten 17 weisen eine Schichtdicke in der Größenordnung von wenigen Mikrometern, insb. in der Größenordnung von 2 μιτι bis 3 μιη, auf. Insb. bei

Aktivhartlötungen 7 mit vergleichsweise geringer Höhe h, insb. einer Höhe h in der

Größenordnung von 10 μιη bis 30 μιη, kommt ihnen somit ein nicht zu vernachlässigender Anteil an der Höhe h der Aktivhartlötung 7 zu.

Aufgrund der durch die chemischen Reaktionen eingetretenen Veränderungen weist die Aktivhartlötung 7 einen von deren Abmessungen und den Werkstoffen der damit verbundenen Körper abhängigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des zu deren Herstellung verwendeten

Aktivhartlots verschieden ist. Dabei ist der Unterschied zwischen diesen beiden thermischen Ausdehnungskoeffizienten umso größer, je größer der Anteil der

Verbindungsschichten 17 an der Aktivhartlötung 7 ist.

So weist beispielsweise ein Zirkonium, Nickel und Titan mit einer Zusammensetzung in Atom-% von Zr ₆₃ Ni ₂ 2Ti ₅ enthaltendes Aktivhartlot in einem Temperaturbereich von 30°C bis 125°C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 11 ppm/K auf, während eine aus diesem Aktivhartlot hergestellte kreisringförmige zwei Körper aus Aluminiumoxid

(Al ₂ 0 ₃ ) verbindende Aktivhartlötung 7 mit einem Innendurchmesser von 25 mm und einem rechteckigem Querschnitt mit einer Höhe h von 30 μιη und einer Breite b von 3,6 mm in diesem Temperaturbereich einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8,7 ppm/K aufweist. Keramiken aus Aluminiumoxid (AI2O ₃ ) weisen einen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 7 ppm/K bis 8 ppm/K auf. Die mit Zr ₆₃ Ni ₂ 2Tii ₅ ausgeführte Aktivhartlötung 7 weist hier einen sehr gut an diese Keramiken angepassten Ausdehnungskoeffizienten auf, während der Ausdehnungskoeffizienten des verwendeten Aktivhartlots Zr ₆₃ Ni ₂ 2Tii ₅ deutlich von dem der Keramik abweicht. Während im Stand der Technik zur Herstellung der Aktivhartlötung 7 Aktivhartlote eingesetzt werden, die einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Körper angepassten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wird bei den erfindungsgemäßen Drucksensoren stattdessen ein Aktivhartlot eingesetzt, bei dem die damit erzeugte Aktivhartlötung 7 einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten mindestens eines der Körper angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.

Erfindungsgemäß ist die Aktivhartlötung 7 also eine mittels eines Aktivhartlots hergestellte Aktivhartlötung 7, die im verlöteten Zustand einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem mindestens eines der über die Aktivhartlötung 7 verbundenen Körper möglichst ähnlich ist.

Dementsprechend ist die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aktivhartlötung 7 und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Körpers, an den die Anpassung erfolgt, bei einem erfindungsgemäßen Drucksensor betragsmäßig geringer als die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aktivhartlots und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieses Körpers.

Weisen Messmembran 1 und Grundkörper 3 unterschiedliche thermische

Ausdehnungskoeffizienten auf, so erfolgt die Anpassung vorrangig an den

Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran 1 , da auf die Messmembran 1

zurückwirkende thermomechanische Spannungen die Messeigenschaften des

Drucksensors in stärkerem Maße beeinträchtigen als auf den Grundkörper 3

zurückwirkende Spannungen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Aktivhartlots kann beispielsweise durch eine Dilatometer-Messung bestimmten werden, indem ein Körper aus dem Aktivhartlot in ein Dilatometer eingespannt, und dessen Längenausdehnung in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen wird. Analog kann auch die von der Temperatur abhängige Höhenänderung der Höhe h der

Aktivhartlötung 7 als Maß für den thermischen Ausdehnungskoeffizient der Aktivhartlötung 7 herangezogen werden. Diese kann grundsätzlich anhand der Temperaturabhängigkeit der Höhenänderung des Verbunds der beiden über die Aktivhartlötung 7 verbundenen Körper, der Höhe der Aktivhartlötung 7, den Höhen der beiden Körper und den separat z.B. durch eine Dilatometer-Messung bestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Körper bestimmt werden. Bei Drucksensoren besteht hierbei jedoch das Problem, dass dabei ggfs. entstehende thermomechanische Spannungen Verformungen, insb. der vergleichsweise dünnen Messmembran 1 , verursachen können, die zu Messfehlern bei der Bestimmung des Ausdehnungskoeffizienten der Aktivhartlötung 7 führen können.

Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aktivhartlötung 7 wird daher vorzugsweise eine in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung eingesetzt. Diese umfasst zwei über eine Aktivhartlötung T miteinander verbundene Messkörper 19, die aus dem Werkstoff des Körpers des Drucksensors, hier also vorzugsweise aus der Keramik der Messmembran 1 , bestehen, an den die Anpassung erfolgen soll. Zur Herstellung der die Messkörper 19 verbindenden Aktivhartlötung T wird das gleiche Aktivhartlot eingesetzt, das auch zur Herstellung der Aktivhartlötung 7, deren Ausdehnungskoeffizient gemessen werden soll, eingesetzt wird. Darüber hinaus weist die die Messkörper 19 verbindenden Aktivhartlötung 7' die gleichen Abmessungen auf wie die Aktivhartlötung 7, deren Ausdehnungskoeffizient gemessen werden soll. Vorliegend ist die Aktivhartlötung 7', genau wie die des

Drucksensors, als zu einem Ring geschlossene Aktivhartlötung 7' mit rechteckigem Querschnitt der Höhe h und der Breite b ausgebildet. Jeder der Messkörper 19 weist auf dessen dem jeweils anderen Messkörper 19 zugewandten Stirnseite eine Elektrode 21 auf. Die beiden Elektroden 21 sind planparallel zueinander angeordnet und bilden einen

Kondensator, dessen Kapazität umgekehrt proportional zum Elektrodenabstand zwischen den Elektroden 21 ist. Der Elektrodenabstand ist abhängig von der Höhe h der

Aktivhartlötung 7' und verändert sich demensprechend in Abhängigkeit von der Temperatur T entsprechend dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aktivhartlötung 7'. Die Messung des Ausdehnungskoeffizienten erfolgt, indem die Aktivhartlötung 7' mittels einer Heizvorrichtung 23, z.B. einem Ofen, auf mindestens zwei verschiedene Temperaturen aufgeheizt wird und die von der Temperatur der Aktivhartlötung 7' abhängigen Kapazitäten des Kondensators gemessen werden. Hierzu sind die Elektroden 21 über durch die Messkörper 19 hindurch verlaufende Kontaktstifte 15 an eine Messschaltung 25 angeschlossen, die die Kapazität des Kondensators bei mindestens zwei verschiedenen

Temperaturen bestimmt, und anhand der in Abhängigkeit von der Temperatur gemessenen Kapazitäten und deren Abhängigkeit von der ebenfalls temperaturabhängigen Höhe h der Aktivhartlötung 7' den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aktivhartlötung

7' bestimmt.

Die Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aktivhartlötung T anhand der Kapazitäten weist einen von den Temperaturen, bei denen die Kapazitäten gemessen werden, abhängigen Messfehler auf. Dieser Messfehler ist insb. abhängig von einer Temperaturabhängigkeit der gemessenen Kapazitäten.

Eine Ursache hierfür ist die thermische Ausdehnung der Messkörper 19 und der damit verbundenen Elektroden 21. Sie führt dazu, dass sich die wirksame Elektrodenflächen der Elektroden 21 und damit auch die Kapazität der Kondensators in Abhängigkeit von der Temperatur verändern.

Dieser Messfehler wird vorzugsweise dadurch reduziert, dass eine

Temperaturabhängigkeit der Größe der Elektrodenflächen der Elektroden 21 bei der Bestimmung des Ausdehnungskoeffizienten berücksichtigt wird. Dabei gilt für die bei einer Temperatur T gemessene Kapazität C des Kondensators: CO ^" ) = ε A(T)/h(T), wobei ε die Dielektriztätskonstante des den Kondensator füllenden Mediums, A(T) die temperaturabhängige Elektrodenfläche der Elektroden 21 und h(T) die

temperaturabhängige Höhe der Aktivhartlötung 7' ist.

Verwendet man zwei baugleiche kreisscheibenförmigen Elektroden 21 , so gilt für die temperaturabhängige Elektrodenfläche A(T):

A(T)= TT/4 d(T) ² wobei d(T) der temperaturabhänge Durchmesser der Elektroden 21 ist, der

näherungsweise durch: d(T) = [1+a _E (T-T ₀ )]d(T ₀ ) beschrieben werden kann, wobei a _E ein Elektrodenausdehnungskoeffizient ist.

Für die temperaturabhängige Höhe h(T) der Aktivhartlötung 7' gilt:

h(T)=[1-a _AHL (T-T ₀ )] h(T„)

wobei CIAHL der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aktivhartlötung 7' und h(T ₀ ) die Höhe h der Aktivhartlötung 7' bei der Temperatur T ₀ bedeuten.

Hieraus ergibt sich dann anhand des Verhältnisse C(T)/C(T ₀ ) der bei der Temperatur T und der Temperatur T ₀ gemessenen Kapazitäten C(T), C(T ₀ ) unter Berücksichtigung der temperaturabhängige Elektrodenfläche A(T) der thermische Ausdehnungskoeffizient O _A HL der Aktivhartlötung 7' gemäß:

C(T)

(\ + a _E (T -T _o y

C(T ₀ )

T -T ₀ Wie aus dieser Gleichung ersichtlich, kann der Elektrodenausdehnungskoeffizient a _E z.B. dadurch bestimmt werden, dass eine Referenzmessung mit einer zweiten Vorrichtung ausgeführt wird, die sich von der hier beschriebenen Vorrichtung ausschließlich dadurch unterscheidet, dass deren Elektroden 21 einen anderen Durchmesser d aufweisen. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten O _A HL der identischen Aktivhartlötungen 7' der beiden Vorrichtungen identisch sind, kann durch gleichsetzten der mit den beiden

Vorrichtungen jeweils als Funktion der bei den Temperaturen T und T ₀ gemessenen Kapazitäten C(T), C(T ₀ ) und des Elektrodenausdehnungskoeffizienten a _E bestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten CIAHL der Aktivhartlötung 7' der Elektrodenausdehnungskoeffizienten a _E der Elektroden 21 bestimmt werden. Dieser Elektrodenausdehnungskoeffizienten c^ kann nachfolgend für beliebig viele weitere Messungen von Ausdehnungskoeffizienten von Aktivhartlötungen 7' verwendet werden, die mit Vorrichtungen mit form- und materialgleichen Elektroden 21 und form- und

materialgleichen Messkörpern 19 ausgeführt werden.

Die Elektroden 21 sind scheibenförmig und weisen vorzugsweise eine im Vergleich zur Höhe der Aktivhartlötung 7' sehr geringe Scheibendicke auf. Vorzugsweise weisen die Elektroden 21 eine Scheibendicke auf, die in der Größenordnung von zwei

Zehnerpotenzen geringer ist, als die Höhe der Aktivhartlötung 7'. In Verbindung mit Aktivhartlötungen 7' mit einer Höhe von größer gleich 30 μιη, können z.B. Elektroden 21 mit einer Scheibendicke eingesetzt werden, die kleiner gleich einem oder wenigen

Zehntelmikrometern ist. Derart dünne Elektroden 21 bieten den Vorteil, dass der Einfluss einer temperatur-abhängigen Änderungen der Scheibendicke auf die Messgenauigkeit der Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aktivhartlötung

7' vernachlässigbar gering ist.

Die Messkörper 19 sind vorzugsweise vergleichsweise massive Körper. Hierdurch wird erreicht, dass die Messkörper 19 über einen weiten Temperaturbereich formstabil sind, und insb. durch thermomechanische Spannungen verursachte Durchbiegungen der Messkörper 19 vermieden werden. Hierzu können z.B. scheibenförmige Messkörper 19 eingesetzt werden, die eine Dicke bzw. eine Bauhöhe aufweisen, die deutlich größer als die Dicke der Messmembran 1 ist.

Die Herstellung erfindungsgemäßer Drucksensoren erfolgt vorzugsweise, indem anhand der Abmessungen der Aktivhartlötung 7 des Drucksensors vorab ein Aktivhartlot ermittelt wird, dass im verlöteten Zustand einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Körper, insb. der Messmembran 1 angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Hierzu wird ein Verfahren angewendet, bei dem mindestens eine Messung durchgeführt wird, bei der ein thermischer Ausdehnungskoeffizient einer mit einem

Aktivhartlot ausführten Aktivhartlötung 7' bestimmt wird, deren Abmessungen gleich den Abmessungen der Aktivhartlötung 7 des Drucksensors sind und durch die zwei Körper, insb. zwei Körper aus dem Werkstoff des Körpers des Drucksensors, an den die

Anpassung erfolgt, miteinander verbunden sind. Diese Messungen werden vorzugsweise auf die oben beschriebenen Weise ausgeführt.

Aktivhartlote, die im verlöteten Zustand einen an den thermischen

Ausdehnungskoeffizienten der Keramik angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, können zum Beispiel ermittelt werden, indem als Ausgangspunkt die Komponenten eines vorbekannten, zur Aktivhartlötung der Körper des Drucksensors geeigneten, Ausgangslots herangezogen werden. Zur Aktivhartlötung von Keramik, insb. von Aluminiumoxid, geeignete Ausgangslote sind z.B. die eingangs genannten, die Komponenten Zirkonium, Nickel und Titan enthaltenden Lote.

Hieraus werden Testlote abgeleitet, die die Komponenten des Ausgangslots in

unterschiedlicher Zusammensetzung enthalten. Anschließend wird für eine Reihe von Testloten jeweils der thermische Ausdehnungskoeffizient einer damit hergestellten

Aktivhartlötung 7' gemessen und diejenige Zusammensetzung ermittelt, bei der der thermische Ausdehnungskoeffizient der Aktivhartlötung T dem der zu verlötenden Körper am nächsten kommt.

Dabei können Testlote herangezogen werden, die ausschließlich aus den Komponenten des Ausgangslots bestehen und diese in von Testlot zu Testlot verschiedener

Zusammensetzungen enthalten.

Alternativ oder zusätzlich können Testlote abgeleitet werden, die die Komponenten des Ausgangslots und mindestens eine weitere zur gezielten Erhöhung oder Erniedrigung des Ausdehnungskoeffizienten dienende Komponente K enthalten. In Verbindung mit

Zirkonium, Nickel und Titan enthaltenden Ausgangsloten eignen sich hierzu insb. Kupfer und/oder Aluminium als weitere Komponenten K.

So weist beispielsweise ein Vierstoffsystem der Zusammensetzung

(100-X)% [Zr _a Ni Ti _c ]+ X% K, wobei a, b und c die Zusammensetzung des Ausgangslots in Atom-% angeben, und K die weitere Komponente bezeichnet, die hier entweder aus Kupfer oder aus Aluminium besteht, einen mit steigendem Anteil X der weiteren Komponente K sinkenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Analog kann auch ein

Fünfstoffsystem aus Zirkonium, Nickel, Titan, Kupfer und Aluminium als Legierung mit einem die Zusammensetzung des Ausgangslots aufweisenden ersten Anteil von

(100-Y) % [Zr _a Ni _b Ti _c ] und einem die Komponenten Kupfer und Aluminium enthaltenden zweiten Anteil von Y% [Cu _d Al _e ], ausgedrückt werden, wobei a, b und c die

Zusammensetzung des Ausgangslots in Atom-% , und d und e die Zusammensetzung des zweiten Anteils in Atom-% angeben, ausgedrückt werden. Auch dieses Fünfstoffsystem weist einen von der Größe Y und der Zusammensetzung d, e des zweiten Anteils abhängigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, wobei der Ausgangswert ausgehend von dem sich der thermische Ausdehnungskoeffizient in Abhängigkeit von der Größe Y und der Zusammensetzung d, e des zweiten Anteils verändert von der

Zusammensetzung des Ausgangslots abhängig ist. Zur Veranschaulichung der Bandbreite, der auf die oben beschriebene Weise erzielbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist in der nachfolgenden Tabelle für eine Auswahl von Zirkonium, Nickel und Titan in unterschiedlicher Zusammensetzung enthaltenden Testloten, sowie von Zirkonium, Nickel und Titan sowie Kupfer und/oder Aluminium in unterschiedlicher Zusammensetzung enthaltenden Testloten der auf die oben

beschriebene Weise in einem Temperaturbereich von 30 °C bis 125 °C gemessene thermische Ausdehnungskoeffizient einer mit dem jeweiligen Testlot hergestellten kreisringförmigen zwei Messkörper 19 aus Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ) verbindende

Aktivhartlötung 7' mit einem Innendurchmesser 25 mm und einem rechteckigem

Querschnitt der Höhe h = 30 μιη und der Breite b = 3,6 mm angegeben.

Auch wenn die Erfindung vorliegend am Beispiel einer eine Messmembran 1 aus

Aluminiumoxid mit einem Grundkörper 3 aus Aluminiumoxid verbindenden Aktivhartlötung 7 eines Drucksensors beschrieben ist, kann sie natürlich völlig analog auch auf andere miteinander über eine Aktivhartlötung verbundene Körper eines Drucksensors aus Aluminiumoxid oder aus anderen Werkstoffen eingesetzt werden, indem auch hier Aktivhartlötungen vorgesehen werden, die im verlöteten Zustand einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizient der Körper angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dabei gelten die obigen Ausführungen entsprechend, wobei die beiden Messkörper 19 der Vorrichtung zur Messung des Ausdehnungskoeffizienten, je nach Formgebung der Aktivhartlötung, deren Ausdehnungskoeffizient gemessen werden soll, auch über zwei oder mehr die Abmessung der Aktivhartlötung, deren

Ausdehnungskoeffizient gemessen werden soll, aufweisende Aktivhartlötungen verbunden sein können, die zwischen den Messkörpern 19 derart angeordnet sind, dass sie eine planparallele Ausrichtung der Messkörper 19 bzw. der darauf angeordneten Elektroden 21 bewirken.

Da die oben in der Tabelle aufgeführten Testlote auf Aluminiumoxid eine extrem große Bandbreite von thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8,7 ppm/K bis 19,9 ppm/K abdecken, eignen sie sich insb. als Ausgangspunkt, um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren für eine Vielzahl von unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisenden Materialien jeweils ein Aktivhartlot zu ermitteln, bei dem damit ausgeführte Aktivhartlötungen einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zu verlötenden Körper optimal angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Dabei können die oben genannten Testlote bei entsprechendem Ausdehnungskoeffizienten der damit hergestellten zwei Messkörper 19 aus dem jeweiligen Material der Körper verbindenden Aktivhartlötungen 7' unmittelbar als Aktivhartlot zum Aktivhartlöten des jeweiligen Materials eingesetzt werden, oder als Ausgangslot herangezogen werden, anhand dessen dann anhand des oben beschriebenen Verfahrens ein Aktivhartlot ermittelt wird, bei dem damit hergestellte Aktivhartlötungen einen an den thermischen

Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Körper angepassten thermischen

Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Dabei wird jedes der genannten Testlote vorzugsweise als Aktivhartlot oder als

Ausgangslot zur Ermittlung eines Aktivhartlots zur Aktivhartlötung von Körpern eingesetzt, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient im Bereich des für das jeweilige Testlot in der Tabelle aufgeführten thermischen Ausdehnungskoeffizienten der damit ausgeführten Aktivhartlötung liegt.

Als Beispiel hierzu wird für keramische Körper aus Zirkoniumoxid mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 11 ,0 ppm/K vorzugsweise

Zr ₆ oNi ₈ Ti ₂ Cu2oAI ₀ oder Zr ₄₇ Ni ₃₅ Ti ₁₈ als Aktivhartlot oder als Ausgangslot verwendet, während für keramische Körper aus Aluminiumoxid mit einem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von

7 ppm/K bis 8 ppm/K vorzugsweise Zr ₆₃ Ni22Ti ₁₅ oder Zr _54i5 Ni ₈ Ti _7i5 Cu2oAI ₁ o verwendet wird. Für Körpern aus Zirkonium- und Aluminiumoxid enthaltenden Dispersionskeramiken, die einen zwischen den Ausdehnungskoeffizienten von Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid liegenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wird je nach Größe des Ausdehnungskoeffizienten Zr ₆ oNi ₈ Ti2Cu2oAI ₁₀ , Zr _54i5 Ni ₈ Ti _7i5 Cu2oAI ₁ o , Zr ₄₇ Ni ₃₅ Ti _18i Zr ₄₃ Ni ₃₃ Ti ₂₄ oder Zr ₆₃ Ni ₂ 2Tii ₅ als Aktivhartlot oder als Ausgangslot verwendet. Für Körpern aus Werkstoffen mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 6 ppm/K bis

8 ppm/K, wie zum Beispiel Titanoxid (T1O2) oder Steatit, eignen sich je nach Größe des Ausdehnungskoeffizienten insb. Zr ₆₃ Ni ₂ 2Ti ₅ oder Zr _{54 5} Ni ₈ Ti _{7 5} Cu2oAI o als Aktivhartlot oder als Ausgangslot. Messmembran

Grundkörper

Druckkammer

Aktivhartlötung

Bohrung

Elektrode

Gegenelektrode

Kontaktstift

Verbindungsschicht

Messkörper

Elektrode

Heizeinrichtung

Messschaltung