Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen Drucksensor mit einem keramischen Grundkörper und einer keramischen Messmembran.

Drucksensoren im hier verwendeten Sinn umfassen Absolutdrucksensoren und Relativdrucksensoren, welche den absoluten Druck eines Messmediums gegen Vakuum bzw. die Differenz zwischen dem Druck in einem

Messmedium und dem aktuellen Atmosphärendruck messen. Weiterhin umfassen die Drucksensoren im Sinne der Erfindung

Differenzdrucksensoren, welche die Druckdifferenz zwischen einem ersten und zweiten Mediendruck erfassen. Ein gattungsgemäßer Drucksensor umfasst einen Grundkörper und mindestens eine Messmembran, die unter Bildung einer Messkammer mit dem Grundkörper mittels eines Aktivhartlots druckdicht verbunden ist, und einen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal, sowie einen

Primärsignalpfad, der sich durch den Grundkörper erstreckt. Der Wandler kann beispielsweise ein kapazitiver oder ein resistiver Wandler sein. Der Primärsignalpfad umfasst gewöhnlich mindestens eine elektrische

Durchführung durch den Grundkörper. Derartige Drucksensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung Cerabar hergestellt und in Verkehr gebracht.

Bei Drucksensoren mit keramischen Grundkörpern kann diese Durchführung beispielsweise ein Metallstift sein, der sich durch den Grundkörper erstreckt, wobei ein Ringspalt zwischen dem Metallstift und dem keramische Material mittels eines Aktivhartlots abgedichtet ist. Um die Kontaktierung der elektrischen Durchführung mittels einer Weichlotverbindung zu ermöglichen, wird ein Aktivlot eingesetzt, welches mit einem anschließenden Weichlotprozess kompatibel ist. Hierzu ist beispielsweise ein Ag-Cu-Aktivlot geeignet.

Die Patentschrift EP 0654174 B1 offenbart das gasdichten Fügen von elektrischen Durchführungsleitern mit Keramikkörpern. Hierzu wird ein massives Lotformteil, welches den Durchführungsleiter bildet in eine Bohrung durch den Keramikörper in enger Passung eingesetzt und verlötet. Als Legierungen werden dort verschiedene Cu-Ag-Aktivhartlote der

Patentinhaberin von EP 0654174 B1 genannt. Diese Lösung ist insoweit nachteilig, als das Cu-Ag-Aktivhartlot hinsichtlich seines

Wärmeausdehnungskoeffizienten nur eingeschränkt zu einem keramischen Werkstoff wie Aluminiumoxid passt. Daher sind massive Durchführungen aus diesen Legierungen problematisch. Sie können entweder zu Lecks oder zum Sprengen der Keramik führen.

Die Offenlegungsschrift WO2009/003826A1 offenbart einen Drucksensor, bei welchem eine elektrische Durchkontaktierung und ein Verschluss in der Weise hergestellt wird, dass eine Dickschichtpaste, mit welcher eine zu kontaktierende Elektrode gefertigt ist, durch eine Bohrung gezogen wird, welche sich von einer die Elektrode tragenden Fläche durch den

Grundkörper zur Rückseite des Grundkörpers angeordnet ist, wobei die Bohrung an der Rückseite des Grundkörpers in einer Vertiefung mündet, in welche ein Metallplättchen, mittels des gleichen Aktivhartlots eingelötet wird, mit dem die Messmembran am Grundkörper befestigt wird.

Die Metallplättchen dienen dann ggf. nach Beschichtung mit einem

kompatiblen Metall als Basis für eine Weichlotverbindung. Diese Lösung stößt aber bei einer weiteren Miniaturisierung an Grenzen, wenn kein hinreichender Platz mehr für die Plättchen selbst bzw. für die Ausbildung der Vertiefungen zur Positionierung der Plättchen gegeben ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Drucksensor bereitzustellen, welcher die Einschränkungen und Nachteile des Stands der Technik überwindet. Die Aufgabe wird gelöst durch den Drucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 .

Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst einen Grundkörper und mindestens eine Messmembran, die unter Bildung einer Messkammer mit dem Grundkörper mittels einer ersten Fügestelle, die ein erstes Aktivhartlot aufweist, druckdicht verbunden ist, und einen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in ein elektrisches

Primärsignal, sowie einen Primärsignalpfad; der sich von dem Wandler durch eine Bohrung durch den Grundkörper erstreckt, wobei der Primärsignalpfad mindestens eine elektrisch leitfähige Beschichtung umfasst, die sich entlang der Wand der Bohrung erstreckt, ohne die Bohrung zu verschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung mittels einer zweiten Fügestelle mit einem zweiten Aktivhartlot verschlossen ist, wobei das zweite Aktivhartlot die Bohrung freitragend verschließt, und wobei das zweite Aktivhartlot eine weichlotfähige Oberfläche aufweist.

Der Begriff Bohrung ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung breit zu verstehen, er bezeichnet eine durchgehende Öffnung die tatsächlich durch Bohren aber auch durch andere geeignete Verfahren präpariert sein können.

Der Grundkörper und/oder die Messmembran weisen vorzugsweise einen keramischen Werkstoff auf, insbesondere Korund.

Vorzugsweise weist das zweite Aktivhartlot zumindest Silber, Kupfer und Titan auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung enthält das zweite Aktivhartlot zusätzlich Ni. In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Metalle des zweiten

Aktivhartlots mindestens die folgenden Anteile in Masse-% auf:

Ag: 45, Cu: 30, Ni: 0,5 und Ti: 4, und bevorzugt mindestens die folgenden Anteile in Masse-%: Ag: 49, Cu: 35, Ni: 1 ,5 und Ti: 6

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Metalle des zweiten

Aktivhartlots höchstens die folgenden Anteile in Masse-% auf:

Ag: 57, Cu: 50, Ni: 4 und Ti: 14, und bevorzugt höchstens die folgenden Anteile in Masse-%: Ag: 53, Cu: 42, Ni: 2 und Ti: 12.

Ein derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Aktivhartlots wird erhalten indem einer Mischung oder Legierung mit den folgenden Anteilen in Masse- % Ag: ca. 56, Cu: ca. 42 und Ni: ca. 2 ein Anteil Titanhydrid zugegeben wird, der etwa 7 bis etwa 12 Masse-% bezogen auf die Masse der Mischung bzw. der Legierung von Ag, Cu und Ni beträgt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beträgt das Volumen V _B des zweiten Aktivhartlots in der Bohrung V _B = k (A / π) ^{3 2} , wobei A die lichte Querschnittsfläche, der Bohrung im Bereich des zweiten Aktivhartlots ist, und wobei für den Faktor k gilt: 2 < k < 30, vorzugsweise 3 < k < 20, weiter bevorzugt 3 < k < 15. Die lichte Querschnittsfläche in der Bohrung ist jener Teil der Querschnittsfläche, der nicht durch die leitfähige Beschichtung eingenommen wird. In dieser Betrachtung ist nur das Volumen des zweiten Aktivlots in der Bohrung berücksichtigt. Wenn also das zweite Aktivlot sich noch außerhalb der Bohrung auf eine angrenzende Oberfläche des

Grundkörpers erstreckt, so geht dieser Anteil des zweiten Aktivhartlots in die Volumenbetrachtung nicht ein.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die minimale Erstreckung dz _min des Aktivhartlots in der Bohrung in axialer Richtung der Bohrung mindestens einen halben effektiven Radius, vorzugsweise nicht weniger als eine effektiven Radius und besonders bevorzugt nicht weniger als das 1 ,5- fache eines effektiven Radius, wobei der effektive Radius r _e tf definiert ist als r _e ff :=-(A / TT) ^{1 2} , wobei A wieder die lichte Fläche der Bohrung ist. Insoweit als das Aktivlot an der Wand der Bohrung das keramische Material des Grundkörpers oder die leitfähige Schicht gut benetzt, bildet das Aktivlot einen Meniskus oder zwei Menisken aus, wobei sich die minimale

Erstreckung in axialer Richtung dz _min gewöhnlich vom Scheitelpunkt eines Meniskus aus zu messen sein wird.

Die Bohrung weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung einen Radius r _b von nicht mehr als 0,35 mm, vorzugsweise nicht mehr als 0,25 mm und besonders bevorzugt nicht mehr als 0,175 mm auf. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Radius etwa 0,15 mm.

Die Masse m ₂ des zweiten Akivhartlots an der zweiten Fügestelle beträgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung m ₂ = f _m ^■ r _e ff ³ , wobei m ₂ die Masse in mg und r _e ff der effektive Radius in mm ist, wobei insbesondere gilt 15 < f _m < 300. Gemäß eines Gesichtspunkts der Erfindung gilt: 36 < f _m ,

vorzugsweise 48 < f _m , und besonders bevorzugt 56 < f _m . Gemäß eines anderen Gesichtspunkts der Erfindung gilt: f _m < 144, vorzugsweise f _m < 96, und besonders bevorzugt f _m < 90.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Masse des zweiten

Aktivhartlots zum Verschließen einer Bohrung mit einem effektiven Radius von 0,14 mm beispielsweise zwischen 0,1 mg und 0,4 mg betragen, insbesondere zwischen 0,15 mg und 0,25 mg, vorzugsweise zwischen etwa 0,18 mg und 0,22 mg.

Das zweite Aktivhartlot kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung insbesondere mit einem Dispenser in pastöser Form aufgebracht werden, wobei den metallischen Komponenten ein organischer Binder zugesetzt ist, beispielsweise Terpineol oder ähnliche.

Die Bohrung weist insbesondere ein Verhältnis von Länge zu r _b von nicht weniger als 10:1 insbesondere nicht weniger als 20:1 auf. Die Stärke der leitfähigen Beschichtung beträgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nicht mehr als 25 μιτι vorzugsweise nicht mehr als etwa 20 μιτι.

Für die leitfähige Beschichtung ist gemäß einer Weiterbildung

edelmetallhaltige Glasschicht, insbesondere eine goldhaltige und/oder platinhaltige Glasschicht geeignet, wie sie beispielsweise in der

Offenlegungsschrift DE 10 2007 026243 A1 offenbart ist. Ggf. ist der bezüglich der dort beschriebenen Paste der Anteil an organischem Binder zu variieren, damit die Paste durch die Bohrung gezogen werden kann.

Für die erste Fügestelle sind derzeit ternäre Aktivhartlote bevorzugt, die eine Zr/Ni/Ti-Legierung aufweisen und beispielsweise in EP 0 490 807 B1 beschrieben sind. An dem zweiten Aktivhartlot kann der Primärsignalpfad fortgesetzt werden, indem beispielsweise eine Leitung zu einer Schaltung zur

Signalvorverarbeitung mittels einer Weichlotverbindung angeschlossen wird.

Die Anmelderin möchte nicht durch die folgenden Erklärungsansätze der Vorteile der Erfindung festgelegt werden, sie sollen aber einige

Gesichtspunkte zur Plausibilisierung des Nutzens der Erfindung nennen.

Die freitragende zweite Fügestelle weist im Verhältnis zum Radius der zu verschließenden Bohrung eine vergleichsweise geringe Erstreckung in axialer Richtung der Bohrung auf. Dies ermöglicht einen einfacheren

Ausgleich von Wärmeausdehnungsunterschieden zwischen dem

keramischen Material des Grundkörpers, insbesondere Korund, und dem zweiten Aktivhartlot als bei einer massiven metallischen Durchführung, d.h. einer Durchführung, bei welcher die Bohrung vollständig mit Aktivhartlot oder mit einem Metallstift, der von Aktivhartlot umgeben ist, gefüllt ist.

Ein weiterer Vorteil der geringen Menge des zweiten Aktivhartlots ergibt sich daraus, dass es einerseits hinreichend schnell zu erwärmen ist und andererseits nur ein Begrenztes Reservoir an aktiven Komponenten aufweist. So können die aktiven Komponenten das Glas der leitfähigen Beschichtung in der Bohrung nicht in einem solchen Maße um Sauerstoff entreichern, das zu einer Zerstörung der Beschichtung und einer

Unterbrechung der Kontaktierung führen würde.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Drucksensor eine insbesondere aufgesputterte metallische Beschichtung, welche die

Mantelfläche des zylindrischen Grundkörpers und dessen der Messmembran abgewandte Rückseite bis auf Aussparungen um die zweiten Fügestellen bedeckt, wobei die metallische Beschichtung im Falle eines kapazitiven

Wandlers eine Elektrode an der Innenseite der Messmembran über die erste Fügestelle kontaktiert um zusammen mit der Elektrode einen geschlossenen Faraday-Käfig zu bilden. Der Verschluss der elektrischen Durchführungen mittels der zweiten Fügestellen ohne die aus dem Stand der Technik bekannten Metallkörper ermöglicht eine minimale Größe des Verschlusses, wodurch auch die Aussparungen in der Beschichtung klein gehalten werden können, was die Störempfindlichkeit verringert.

Der erfindungsgemäße Drucksensor kann insbesondere ein

Absolutdrucksensor, ein Relativdrucksensor oder ein Differenzdrucksensor sein.

Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten

Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt.

Fig. 1 : einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen Drucksensors; und

Fig. 2: einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer zweiten

Fügestelle eines erfindungsgemäßen Drucksensors;

Der in Fig. 1 dargestellte Drucksensor 1 umfasst einen zylindrischen

Grundkörper 2, und eine kreisscheibenförmige Messmembran 3, wobei beide Korund als Werkstoff aufweisen. Der Grundkörper 2 und die Messmembran 3 sind mittels einer umlaufenden Fügestelle 4 druckdicht miteinander gefügt, wobei durch die Fügestelle 4, die ein Zr-Ni-Ti-Aktivhartlot umfasst, der Abstand zwischen der Messmembran und dem Grundkörper definiert ist. Zwischen der Messmembran 3 und dem Grundkörper 2 ist eine

Messkammer ausgebildet, in welcher je nach Zielsetzung des Drucksensors ein anderer Gegendruck zu einem auf die Außenseite der Messmembran einwirkenden Druck vorherrscht. Bei einem Relativdrucksensor ist der Gegendruck der Atmosphärendruck in der Umgebung des Sensors, der über einen hier nicht dargestellten Kanal in die Messkammer eingeleitet wird. Bei dem hier gezeigten Absolutdrucksensor soll der Gegendruck

vernachlässigbar gering sein, die Messkammer ist dementsprechend evakuiert. Der Drucksensor 1 umfasst einen kapazitiven Wandler. Der kapazitive

Wandler umfasst eine Messelektrode 5 auf messkammerseitigen Oberfläche der Messmembran 3, die über die Fügestelle 4 kontaktiert ist, und zwei Gegenelektroden, nämlich eine innere Gegenelektrode 6a und eine im wesentlichen flächengleiche, ringförmige äußere Gegenelektrode 6b welche die innere Gegenelektrode 6a umgibt. Der kapazitive Wandler umfasst damit einen Differential kondensator, dessen elektrische Primärmessgröße (c _p - c _r ) / c _r einen in erster Nährung druckproportionalen Wert aufweist, wobei c _p die Kapazität zwischen der inneren Elektrode 6a und der Messelektrode 5 und c _r die Kapazität zwischen der äußeren Elektrode 6b und der

Messelektrode 5 ist.

Die innere Gegenelektrode 6a und die äußere Gegenelektrode 6b sind jeweils über einen elektrischen Leiter 7a, 7b kontaktiert ist, der sich als Schicht an der Wand eine Öffnung 8a, 8b durch die Öffnung erstreckt, wobei die Öffnung von der Messkammer im wesentlichen in axialer Richtung durch den Grundkörper 2 verläuft. Die Öffnungen bzw. Bohrungen 8a, 8b weisen einen Durchmesser auf der beispielsweise nicht weniger als 0,3 mm und nicht mehr als 0,5 mm beträgt. Die Schichtdicke des elektrischen Leiter beträgt beispielsweise etwa 10 μιτι bis etwa 20 μιτι. Die innere Elektrode 6a, die äußere Elektrode 6b und die elektrischen Leiter 7a, 7b umfassen jeweils eine leitfähige Schicht, die Glas und mindestens ein Edelmetallelement enthält, beispielsweise Gold und/oder Platin. Das

Schichtmaterial ist als Paste auf- bzw. eingebracht und eingebrannt worden. Die Messelektrode kann im Wesentlichen das gleiche Material wie die elektrischen Leiter 7a, 7b und die beiden Gegenelektroden 6a, 6b aufweisen.

Gleichermaßen kann die Messelektrode aber auch eine aufgesputterte Metallschicht aufweisen, beispielsweise eine Ta-Schicht, die beispielsweise ein thermisches Oxid zur Stabilisierung der Messeigenschaften aufweisen kann.

Zur Kontaktierung der elektrischen Leiter 7a, 7b weist der Drucksensor an der rückseitigen Oberfläche des Grundkörpers 2 am Ende jeder der beiden Bohrungen 8a, 8b, durch welche die Leiter 7a, 7b verlaufen, jeweils eine

Fügestelle 10a, 10b mit einem Ag-Cu-Ni-Ti-Aktivhartlot auf. Wobei die Masse des Aktivhartlots der Fügestellen vorzugsweise gerade so bemessen ist, dass sie ausreicht um einen druckfesten Verschluss der Bohrungen 8a, 8b zu gewährleisten, so dass der Verschluss eine langzeitstabile

Vakuumdichtigkeit aufweist, und zwar über den Gesamten für den

Drucksensor spezifizierten Temperatureinsatzbereich. Hierzu ist die Masse des Aktivhartlots so bemessen, dass es nur wenige Radien der Bohrung in die Bohrung eindringen kann. An die Fügestellen 10a, 10b, welche eine weichlotfähige Oberfläche aufweisen sind Anschlussleitungen zu einer Vorverarbeitungsschaltung 12 angeschlossen, welche den kapazitiven Wandler speist und auswertet. Ein von der Vorverarbeitungsschaltung 12 ausgegebenes Signal wird über Leitungen 14 ausgegeben.

Die Mantelfläche und die Rückseite des Grundkörpers sind bis auf

Aussparungen um die rückseitigen Fügestellen 10a, 10b mit einer leitfähigen Metallschicht 16, besputtert, welche über die erste Fügestelle 4 die

Messelektrode 5 kontaktiert und einen geschlossenen Faraday-Käfig bildet.