DE102019133818A1 - Pressure measuring device - Google Patents
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Abstract
Es ist eine Druckmesseinrichtung mit einem Drucksensor (1) mit einer keramischen Messmembran (3), der derart in einem Gehäuse (5) angeordnet ist, dass die Messmembran (3) durch eine Öffnung (7) des Gehäuses (5) hindurch mit einem zu messenden Druck (p) beaufschlagbar ist, und einer zwischen einem äußeren Rand der Messmembran (3) und dem Gehäuse (5) angeordneten, einen Gehäuseinnenraum (11) gegenüber der Öffnung (7) abdichtenden Dichtvorrichtung (9), beschrieben, deren Dichtvorrichtung elastomerfrei, diffusionsdicht und in hohem Maße korrosionsbeständig beständig ist, und mit der Drücke, insb. auch kleine Drücke, wie z.B. Drücke von kleiner gleich 0,05 bar, mit einer vergleichsweise hohen Messgenauigkeit bestimmt werden können. Diese Druckmesseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Dichtvorrichtung (9) einen freistehend im Gehäuse (5) angeordneten Entkopplungsring (13) mit zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten umfasst, eine der beiden Stirnseiten mittels einer ersten Fügung (15) mit einem äußeren Rand der Messmembran (3) verbunden ist und die andere Stirnseite mittels einer zweiten Fügung (17) mit einem die Öffnung (7) außenseitlich allseitig umgebenden Gehäusebereich (19) des Gehäuse (5) verbunden ist, und die erste Fügung (15) und die zweite Fügung (17) jeweils als elektrisch leitfähige Fügung ausgebildet sind, deren der Öffnung (7) zugewandte Innenfläche mit einer galvanisch darauf abgeschiedenen Korrosionsschutzschicht (21) aus einem Edelmetall, aus einem mindestens ein Edelmetall umfassenden Schichtmaterial, aus Kohlenstoff oder aus einem Kohlenstoff umfassenden Schichtmaterial beschichtet ist.It is a pressure measuring device with a pressure sensor (1) with a ceramic measuring membrane (3) which is arranged in a housing (5) in such a way that the measuring membrane (3) through an opening (7) of the housing (5) with a to measuring pressure (p) can be applied, and a sealing device (9) which is arranged between an outer edge of the measuring membrane (3) and the housing (5) and seals a housing interior (11) with respect to the opening (7), the sealing device of which is elastomer-free, Diffusion-tight and corrosion-resistant to a high degree, and with which pressures, in particular also small pressures, such as pressures of less than or equal to 0.05 bar, can be determined with a comparatively high measurement accuracy. This pressure measuring device is characterized in that the sealing device (9) comprises a free-standing decoupling ring (13) in the housing (5) with two opposite end faces, one of the two end faces by means of a first joint (15) with an outer edge of the measuring membrane ( 3) and the other end face is connected by means of a second joint (17) to a housing area (19) of the housing (5) surrounding the opening (7) on all sides on the outside, and the first joint (15) and the second joint (17) ) are each designed as an electrically conductive joint, the inner surface of which facing the opening (7) is coated with a galvanically deposited corrosion protection layer (21) made of a noble metal, a layer material comprising at least one noble metal, carbon or a layer material comprising carbon.
Description
Die Erfindung betrifft eine Druckmesseinrichtung mit
- einem Drucksensor mit einer keramischen Messmembran, der derart in einem Gehäuse angeordnet ist, dass die Messmembran durch eine Öffnung des Gehäuses hindurch mit einem zu messenden Druck beaufschlagbar ist, und
- einer zwischen einem äußeren Rand der Messmembran und dem Gehäuse angeordneten, einen Gehäuseinnenraum gegenüber der Öffnung abdichtenden Dichtvorrichtung,
- a pressure sensor with a ceramic measuring membrane, which is arranged in a housing in such a way that the measuring membrane can be subjected to a pressure to be measured through an opening in the housing, and
- a sealing device which is arranged between an outer edge of the measuring membrane and the housing and seals a housing interior from the opening,
Druckmesseinrichtungen der eingangs genannten Art werden z.B. in der industriellen Messtechnik zur messtechnischen Erfassung von Drücken eingesetzt.Pressure measuring devices of the type mentioned above are used, for example, in industrial measuring technology for measuring pressures.
Keramische Drucksensoren bieten den Vorteil, dass deren keramische Messmembran aufgrund der vergleichsweise hohen chemischen und mechanischen Beständigkeit von Keramik unmittelbar, insb. ohne vorgeschalteten Druckmittler, einem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium ausgesetzt werden kann. Hierzu werden keramische Drucksensoren üblicher Weise mittels einer Einspannvorrichtung in einem Gehäuse befestigt, in der ein äußerer Rand des Drucksensors in axialer, d.h. parallel zu einer Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung eingespannt ist. Dabei umfasst das Gehäuse in der Regel einen zylindrischen, den Drucksensor außenseitlich allseitig umgebenden Gehäuseabschnitt, an den endseitig eine sich radial einwärts erstreckende Schulter angeformt ist. Diese Schulter bildet zusammen mit einem in das Gehäuse eingesetzten Gegenlager die Einspannvorrichtung, in der der äußere Rand des Drucksensors derart eingespannt ist, dass die Messmembran durch eine außenseitlich allseitig von der Schulter umgebende Öffnung hindurch mit dem zu messenden Druck beaufschlagbar ist. Zusätzlich ist zwischen einem äußeren Rand der Messmembran und der Schulter eine Dichtvorrichtung, wie z.B. ein O-Ring aus einem Elastomer, eingespannt, die eine Abdichtung eines Gehäuseinnenraums gegenüber der Öffnung bewirkt. Es gibt jedoch einige Anwendungen, in denen Elastomere, z.B. aus hygienischen Gründen, nicht eingesetzt werden dürfen.Ceramic pressure sensors offer the advantage that, due to the comparatively high chemical and mechanical resistance of ceramics, their ceramic measuring membrane can be exposed directly to a medium under the pressure to be measured, especially without an upstream pressure transmitter. For this purpose, ceramic pressure sensors are usually fastened in a housing by means of a clamping device in which an outer edge of the pressure sensor is clamped in an axial direction, i.e. parallel to a surface normal to the measuring membrane. In this case, the housing generally comprises a cylindrical housing section which surrounds the pressure sensor on all sides on the outside and on which a shoulder extending radially inward is integrally formed on the end. This shoulder, together with a counter-bearing inserted into the housing, forms the clamping device in which the outer edge of the pressure sensor is clamped in such a way that the pressure to be measured can be applied to the measuring membrane through an opening surrounding the shoulder on all sides. In addition, a sealing device, such as an O-ring made of an elastomer, is clamped between an outer edge of the measuring membrane and the shoulder, which seals the interior of the housing from the opening. However, there are some applications in which elastomers may not be used, e.g. for hygienic reasons.
Die zur Einspannung des Drucksensors und zur Sicherstellung der Dichtwirkung der Dichtvorrichtung mittels der Einspannvorrichtung auf den Drucksensor ausgeübten Kräfte können sich unter Umständen nachteilig auf die erzielbare Messgenauigkeit auswirken. Diese Kräfte können sich insb. aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des in der Regel aus Kostengründen aus Edelstahl bestehenden Gehäuses und des keramischen Drucksensors in Abhängigkeit von der Temperatur, sowie ggfs. auch in Abhängigkeit von dem auf die Messmembran einwirkenden Druck, verändern. Problematisch sind insoweit insb. temperaturabhängige Kräfte, durch die in radialer Richtung wirkende, die druckabhängige Verformbarkeit der Messmembran verändernde, thermomechanische Spannungen auf die Messmembran übertragen werden. Letztere führen zu einem temperaturabhängigen Messfehler, der nicht ohne weiteres kompensierbar ist.The forces exerted on the pressure sensor to clamp the pressure sensor and to ensure the sealing effect of the sealing device by means of the clamping device can, under certain circumstances, have a disadvantageous effect on the measurement accuracy that can be achieved. These forces can change due to the different thermal expansion coefficients of the housing, which is usually made of stainless steel for reasons of cost, and the ceramic pressure sensor depending on the temperature, and possibly also depending on the pressure acting on the measuring membrane. In this respect, particularly temperature-dependent forces are problematic, as a result of which thermomechanical stresses acting in the radial direction and changing the pressure-dependent deformability of the measuring membrane are transmitted to the measuring membrane. The latter lead to a temperature-dependent measurement error that cannot be easily compensated for.
Diesem Problem kann dadurch entgegengewirkt werden, dass die Einspannvorrichtung mit einem in axialer Richtung elastischen Element ausgestattet wird, mit dem auf Druck- und/oder Temperaturänderungen zurückzuführende Änderungen der Einspannkräfte ausgeglichen werden.This problem can be counteracted by equipping the clamping device with an element which is elastic in the axial direction and with which changes in the clamping forces that are due to pressure and / or temperature changes are compensated.
Darüber hinaus kann zum Schutz der Messmembran vor darauf übertragbaren, in radialer Richtung wirkenden Spannungen eine in der
Zur Abdichtung des Gehäuseinnenraums einsetzbare Dichtungsmaterialien, wie z.B. Elastomere oder Thermoplaste, wie z.B. Polytetrafluorethylen, sind jedoch nicht diffusionsdicht und altern mit der Zeit. Letzteres ist insb. im Hinblick auf die Messung von sehr kleinen Drücken, wie z.B. unterhalb des Atmosphärendrucks von einem Bar liegenden Drücken, problematisch, da sich hier bereits sehr kleine Veränderungen der Einspannkräfte nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirken und die Dichtheit der durch die Dichtvorrichtung bewirkten Abdichtung sehr hohen Anforderungen genügen muss.Sealing materials that can be used to seal the interior of the housing, such as elastomers or thermoplastics such as polytetrafluoroethylene, are not diffusion-proof and age over time. The latter is particularly problematic with regard to the measurement of very small pressures, such as pressures below the atmospheric pressure of one bar, since even very small changes in the clamping forces have a detrimental effect on the measurement accuracy and the tightness of the seal created by the sealing device must meet very high requirements.
Diesem Problem kann auf die in der am 19.09.2018 eingereichten Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
Prozessanschluss angeordnete Träger mittels einer ersten Fügung mit einem äußeren Rand der Messmembran des Drucksensor und mittels einer zweiten Fügung mit dem Prozessanschluss verbunden.This problem can be referred to in the German patent application filed on September 19, 2018 with the file number
Process connection arranged carrier connected by means of a first joint to an outer edge of the measuring membrane of the pressure sensor and by means of a second joint to the process connection.
Diese Druckmesseinrichtungen bieten den Vorteil, dass über die erste Fügung und die zweite Fügung eine elastomer- und thermoplastfreie, langlebige, druckfeste und diffusionsdichte Abdichtung gegeben ist. Darüber hinaus ist über den freistehenden, hinsichtlich dessen thermischem Ausdehnungskoeffizienten sehr gut an die Keramik des Drucksensors angepassten Träger eine thermomechanische Entkopplung zwischen dem Prozessanschluss und dem Drucksensor gegeben, die den Drucksensor vor darauf übertragbaren, auf die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Prozessanschluss und Träger zurückzuführenden, thermomechanischen Spannungen schützt.These pressure measuring devices offer the advantage that an elastomer-free and thermoplastic-free, long-lasting, pressure-resistant and diffusion-tight seal is provided via the first joint and the second joint. In addition, there is a thermomechanical decoupling between the process connection and the pressure sensor via the free-standing carrier, which is very well adapted to the ceramic of the pressure sensor in terms of its thermal expansion coefficient, which the pressure sensor can transfer to, due to the different thermal expansion coefficients of the process connection and carrier, thermomechanical Protects against tension.
Nachteilig ist jedoch, dass die erste Fügung und die zweite Fügung im Messbetrieb dem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium ausgesetzt sind. Das birgt die Gefahr, dass die Fügungen durch Korrosion angegriffen werden können.However, it is disadvantageous that the first joint and the second joint are exposed to the medium under the pressure to be measured during measurement operation. This harbors the risk that the joints can be attacked by corrosion.
In der
- einem Drucksensor mit einer keramischen Messmembran, der derart in einem Gehäuse angeordnet ist, dass die Messmembran durch eine Öffnung des Gehäuses hindurch mit einem zu messenden Druck beaufschlagbar ist, und
- einer zwischen einem äußeren Rand der Messmembran und dem Gehäuse angeordneten, einen Gehäuseinnenraum gegenüber der Öffnung abdichtenden Dichtvorrichtung, beschrieben.
- a pressure sensor with a ceramic measuring membrane, which is arranged in a housing in such a way that the measuring membrane can be subjected to a pressure to be measured through an opening in the housing, and
- a sealing device arranged between an outer edge of the measuring membrane and the housing and sealing a housing interior with respect to the opening is described.
Bei dieser Druckmesseinrichtung ist die Dichtvorrichtung als Lötung ausgebildet, die einen äußeren Rand der Messmembran unmittelbar mit einem sich radial nach innen erstreckenden, die Öffnung außenseitlich umgebenden Gehäusebereich des Gehäuses verbindet. Diese Lötung ist durch eine durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebrachte Korrosionsschutzschicht aus Tantal geschützt, die sich über eine der Öffnung zugewandte Innenfläche der Fügung, einen Übergangsbereich zwischen der Fügung und der Messmembran und einen Übergangsbereich zwischen der Fügung und der Schulter des Gehäuses erstreckt. Dabei ist die an die Lötung angrenzende Membranoberfläche entweder vollständig oder nur im Übergangsbereich zur Fügung von der Korrosionsschutzschicht bedeckt. Im zweiten Fall wird die beschichtungsfreie Membranoberfläche entweder bei der Erzeugung der Korrosionsschutzschicht ausgespart oder zunächst mitbeschichtet und nachträglich durch ein Ätzverfahren oder durch mechanische Bearbeitung wieder freigelegt.In this pressure measuring device, the sealing device is designed as a soldering which connects an outer edge of the measuring membrane directly to a housing area of the housing that extends radially inward and surrounds the opening on the outside. This soldering is protected by a corrosion protection layer of tantalum applied by deposition from the gas phase, which extends over an inner surface of the joint facing the opening, a transition area between the joint and the measuring membrane and a transition area between the joint and the shoulder of the housing. In this case, the membrane surface adjoining the soldering is either completely covered by the corrosion protection layer or only in the transition area. In the second case, the coating-free membrane surface is either left out during the creation of the anti-corrosion layer or is initially also coated and subsequently exposed again by an etching process or by mechanical processing.
Tantal ist ein unedles Metall, dass an Luft eine Oxidschicht ausbildet und somit gegenüber einer Vielzahl von Substanzen korrosionsbeständig ist. Es gibt jedoch Substanzen, wie z.B. konzentrierte Schwefelsäure, Fluor, Fluorwasserstoff, Flusssäure, Fluoridionen enthaltende saure Lösungen und alkalische Lösungen, durch die Tantal angegriffen wird.Tantalum is a base metal that forms an oxide layer in air and is therefore corrosion-resistant to a large number of substances. However, there are substances such as concentrated sulfuric acid, fluorine, hydrogen fluoride, hydrofluoric acid, acidic solutions containing fluoride ions, and alkaline solutions that attack tantalum.
Ein Nachteil dieser Druckmesseinrichtungen besteht darin, dass durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Drucksensors und des Gehäuses thermomechanische Spannungen verursacht werden, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändern und sich über die Lötung und die Korrosionsschutzschicht unmittelbar auf die druckabhängige Verformbarkeit der Messmembran auswirken. Darüber hinaus belasten diese thermomechanischen Spannungen die Lötung und die mit dem Gehäuse, der Lötung und der Messmembran verbundene Korrosionsschutzschicht. Das birgt die Gefahr, dass sich in der Lötung und/oder in der Korrosionsschutzschicht Mikrorisse ausbilden können, die unter Belastung mit der Zeit anwachsen und langfristig die Funktion der Korrosionsschutzschicht, sowie ggfs. auch die Dichtheit der durch die Lötung bewirkten Abdichtung beeinträchtigen. Dabei besteht bezüglich der Korrosionsschutzschicht das zusätzliche Problem, dass Tantal mit Sauerstoff reagiert und Wasserstoff und Stickstoff aufnehmen kann. Das kann auf Dauer zu einer die Bildung von Mikrorissen begünstigenden Versprödung der Korrosionsschutzschicht führen.A disadvantage of these pressure measuring devices is that the different thermal expansion coefficients of the ceramic pressure sensor and the housing cause thermomechanical stresses that change depending on the temperature and have a direct effect on the pressure-dependent deformability of the measuring membrane via the soldering and the corrosion protection layer. In addition, these thermomechanical stresses stress the soldering and the corrosion protection layer connected to the housing, the soldering and the measuring membrane. This harbors the risk that microcracks can form in the soldering and / or in the corrosion protection layer, which grow under load over time and in the long term impair the function of the corrosion protection layer and possibly also the tightness of the sealing caused by the soldering. With regard to the corrosion protection layer, there is the additional problem that tantalum reacts with oxygen and can absorb hydrogen and nitrogen. In the long run, this can lead to the formation of microcracks in the anti-corrosion layer becoming brittle.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Druckmesseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, deren Dichtvorrichtung elastomerfrei, diffusionsdicht und in hohem Maße korrosionsbeständig beständig ist, und mit der Drücke, insb. auch kleine Drücke, wie z.B. Drücke von kleiner gleich 0,05 bar, mit einer vergleichsweise hohen Messgenauigkeit bestimmt werden können.It is an object of the invention to provide a pressure measuring device of the type mentioned, the sealing device of which is elastomer-free, diffusion-tight and corrosion-resistant to a high degree, and with which pressures, especially small pressures, such as pressures less than or equal to 0.05 bar, can be determined with a comparatively high measurement accuracy.
Hierzu umfasst die Erfindung eine Druckmesseinrichtung mit
- einem Drucksensor mit einer keramischen Messmembran, der derart in einem Gehäuse angeordnet ist, dass die Messmembran durch eine Öffnung des Gehäuses hindurch mit einem zu messenden Druck beaufschlagbar ist, und
- einer zwischen einem äußeren Rand der Messmembran und dem Gehäuse angeordneten, einen Gehäuseinnenraum gegenüber der Öffnung abdichtenden Dichtvorrichtung,
- die sich dadurch auszeichnet, dass
- die Dichtvorrichtung einen freistehend im Gehäuse angeordneten Entkopplungsring mit zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten umfasst,
- eine der beiden Stirnseiten mittels einer ersten Fügung mit einem äußeren Rand der Messmembran verbunden ist und die andere Stirnseite mittels einer zweiten Fügung mit einem die Öffnung außenseitlich allseitig umgebenden Gehäusebereich des Gehäuse verbunden ist, und
- die erste Fügung und die zweite Fügung jeweils als elektrisch leitfähige Fügung ausgebildet sind, deren der Öffnung zugewandte Innenfläche mit einer galvanisch darauf abgeschiedenen Korrosionsschutzschicht aus einem Edelmetall, aus einem mindestens ein Edelmetall umfassenden Schichtmaterial, aus Kohlenstoff oder aus einem Kohlenstoff umfassenden Schichtmaterial beschichtet ist.
- a pressure sensor with a ceramic measuring membrane, which is arranged in a housing in such a way that the measuring membrane can be subjected to a pressure to be measured through an opening in the housing, and
- a sealing device which is arranged between an outer edge of the measuring membrane and the housing and seals a housing interior from the opening,
- which is characterized by the fact that
- the sealing device comprises a free-standing decoupling ring in the housing with two opposite end faces,
- one of the two end faces is connected to an outer edge of the measuring membrane by means of a first joint and the other end face is connected by means of a second joint to a housing area of the housing surrounding the opening on all sides, and
- the first joint and the second joint are each designed as an electrically conductive joint, the inner surface of which facing the opening is coated with a galvanically deposited corrosion protection layer made of a noble metal, made of a layer material comprising at least one noble metal, made of carbon or made of a layer material comprising carbon.
Erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen bieten den Vorteil, dass der Drucksensor ohne den Einsatz von im Messbetrieb mit dem Medium in Kontakt gelangende Elastomeren in der Druckmesseinrichtung befestigt ist und über die erste und die zweite jeweils durch die Korrosionsschutzschicht vor Korrosion geschützte Fügung eine langlebige, korrosionsbeständige, druckfeste und diffusionsdichte Abdichtung gegeben ist.Pressure measuring devices according to the invention offer the advantage that the pressure sensor is fastened in the pressure measuring device without the use of elastomers which come into contact with the medium during measuring operation and a long-lasting, corrosion-resistant, pressure-resistant and diffusion-tight joint, which is each protected from corrosion by the corrosion protection layer Sealing is given.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Korrosionsschutzschicht herstellungsbedingt die erste Fügung vollständig überdeckt, ohne jedoch mit der unmittelbar daran angrenzenden Messmembran verbunden zu sein. Im Unterschied zu der in der
Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Korrosionsschutzschicht den Vorteil, dass Korrosionsschutzschichten aus mindestens einem Edelmetall oder aus Kohlenstoff nicht nur eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweisen als Tantal, sondern darüber hinaus auch elastischer sind als Tantal. Letzteres bietet den Vorteil, dass die Korrosionsschutzschicht besser in der Lage ist, darauf einwirkende, durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ersten Fügung, des Entkopplungsrings, der zweiten Fügung, sowie ggfs. auch des Gehäuses bedingte thermomechanische Spannungen aufzunehmen. Hierdurch ist ein dauerhafter, zuverlässiger Schutz der Korrosionsschutzschicht vor deren Funktion beeinträchtigenden Mikrorissen gewährleistet.In addition, the corrosion protection layer according to the invention offers the advantage that corrosion protection layers made of at least one noble metal or made of carbon not only have a higher corrosion resistance than tantalum, but are also more elastic than tantalum. The latter offers the advantage that the anti-corrosion layer is better able to absorb thermomechanical stresses acting on it due to the different thermal expansion coefficients of the first joint, the decoupling ring, the second joint, and possibly also the housing. This ensures permanent, reliable protection of the anti-corrosion layer from microcracks that impair its function.
Darüber hinaus ist über den freistehenden Entkopplungsring eine thermomechanische Entkopplung zwischen dem Gehäuse und dem Drucksensor gegeben, die den Drucksensor vor darauf übertragbaren, auf die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Gehäuse und Drucksensor zurückzuführenden thermomechanischen Spannungen schützt. Das wirkt sich positiv auf die erzielbare Messgenauigkeit aus und bietet den Vorteil, dass das Gehäuse aus einem im Vergleich zu Spezialwerkstoffen, wie z.B. Titan, sehr kostengünstigen Edelstahl bestehen kann, ohne dass sich die erzielbare Messgenauigkeit hierdurch maßgeblich verschlechtert.In addition, there is a thermomechanical decoupling between the housing and the pressure sensor via the free-standing decoupling ring, which protects the pressure sensor from thermomechanical stresses that can be transmitted to it and are attributable to the different thermal expansion coefficients of the housing and pressure sensor. This has a positive effect on the achievable measurement accuracy and offers the advantage that the housing can be made of stainless steel, which is very inexpensive compared to special materials such as titanium, without the achievable measurement accuracy being significantly impaired as a result.
Bevorzugte Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass die Korrosionsschutzschicht aus Gold, aus Platin, aus Palladium, aus einem mindestens eines der Edelmetalle: Gold, Platin und Palladium umfassenden Schichtmaterial besteht.Preferred configurations are characterized in that the corrosion protection layer consists of gold, platinum, palladium, and a layer material comprising at least one of the noble metals: gold, platinum and palladium.
Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Korrosionsschutzschicht eine Schichtdicke von 0,1 µm bis 5 µm aufweist.A first further development is characterized in that the corrosion protection layer has a layer thickness of 0.1 μm to 5 μm.
Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
- die Messmembran als elektrischer Isolator ausgebildet ist, und
- die Korrosionsschutzschicht die der Öffnung zugewandte Innenfläche der ersten Fügung vollständig überdeckt, ohne mit der daran angrenzenden Messmembran verbunden zu sein.
- the measuring membrane is designed as an electrical insulator, and
- the corrosion protection layer completely covers the inner surface of the first joint facing the opening without being connected to the measuring membrane adjoining it.
Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
- der Entkopplungsring elektrisch leitfähig ist, und
- die Korrosionsschutzschicht als eine zusammenhängende Beschichtung ausgebildet ist, die sich über die der Öffnung zugewandte Innenfläche der ersten Fügung, eine der Öffnung zugewandte Innenfläche des Entkopplungsrings und eine der Öffnung zugewandte Innenfläche der zweiten Fügung erstreckt.
- the decoupling ring is electrically conductive, and
- the corrosion protection layer is designed as a cohesive coating which extends over the inner surface of the first joint facing the opening, an inner surface of the decoupling ring facing the opening and an inner surface of the second joint facing the opening.
Eine vierte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
- der Entkopplungsring als elektrischer Isolator ausgebildet ist,
- eine der der Öffnung zugewandte Innenfläche des Entkopplungsring mit einer leitfähigen Beschichtung, einer als Metallisierung ausgebildeten leitfähigen Beschichtung oder einer Chrom oder Nickel umfassenden, leitfähigen Beschichtung beschichtet ist, und
- die Korrosionsschutzschicht als zusammenhängende Beschichtung ausgebildet ist, die sich über die der Öffnung zugewandte Innenfläche der ersten Fügung, eine der Öffnung zugewandte Innenfläche der Beschichtung und die der Öffnung zugewandte Innenfläche der zweiten Fügung erstreckt.
- the decoupling ring is designed as an electrical insulator,
- one of the inner surface of the decoupling ring facing the opening is coated with a conductive coating, a conductive coating designed as a metallization or a conductive coating comprising chromium or nickel, and
- the corrosion protection layer is designed as a cohesive coating which extends over the inner surface of the first joint facing the opening, an inner surface of the coating facing the opening and the inner surface of the second joint facing the opening.
Eine fünfte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Korrosionsschutzschicht einen an die zweite Fügung angrenzenden, sich über eine innere, die Öffnung außenseitlich umgebende Mantelfläche des Gehäusebereichs erstreckenden Bereich umfasst.A fifth further development is characterized in that the corrosion protection layer comprises an area of the housing area adjoining the second joint and extending over an inner jacket surface of the housing area surrounding the opening on the outside.
Bevorzugte Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass
das Gehäuse aus einem Metall oder einem Edelstahl beseht,
die Messmembran aus Keramik oder aus Aluminiumoxid besteht, und/oder der Entkopplungsring:
- a) einen an einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und/oder
- b) entweder aus einem elektrisch leitfähigen Material, aus Titan, aus Tantal, aus einer Eisen, Nickel und Kobalt umfassenden Legierung, oder aus einem Titan oder Tantal umfassenden Material besteht oder aus einem Isolator, aus Keramik, aus der Keramik der Messmembran und/oder aus Aluminiumoxid besteht.
the housing is made of a metal or a stainless steel,
the measuring membrane is made of ceramic or aluminum oxide, and / or the decoupling ring:
- a) has a thermal expansion coefficient matched to a thermal expansion coefficient of the measuring membrane, and / or
- b) consists either of an electrically conductive material, of titanium, of tantalum, of an alloy comprising iron, nickel and cobalt, or of a material comprising titanium or tantalum, or of an insulator, of ceramic, of the ceramic of the measuring membrane and / or consists of aluminum oxide.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass der Entkopplungsring eine axiale Höhe von größer gleich 1 mm oder von 1 mm bis 2 mm aufweist, eine radiale Breite von kleiner gleich 3,5 mm oder von 1 mm bis 3,5 mm aufweist, und/oder eine axiale Höhe aufweist, die größer als dessen radiale Breite ist.Further preferred configurations are characterized in that the decoupling ring has an axial height of greater than or equal to 1 mm or from 1 mm to 2 mm, a radial width of less than or equal to 3.5 mm or from 1 mm to 3.5 mm, and / or has an axial height that is greater than its radial width.
Eine sechste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Drucksensor:
- als freistehender, ausschließlich mittels der ersten Fügung befestigter Drucksensor ausgebildet ist, oder
- im Gehäuse mittels einer auf einer der Messmembran gegenüberliegenden Rückseite des Drucksensors angeordneten Sensorabstützung rückseitig abgestützt ist.
- is designed as a free-standing pressure sensor fastened exclusively by means of the first joint, or
- is supported on the rear side in the housing by means of a sensor support arranged on a rear side of the pressure sensor opposite the measuring membrane.
Eine siebte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
- der Entkopplungsring aus Titan oder einem Titan umfassenden Material besteht, und
- mindestens eine der beiden die erste Fügung und die zweite Fügung umfassenden Fügungen jeweils als eine mittels eines Hartlots erzeugte Fügung ausgebildet ist, wobei das Hartlot frei von zum Aktivhartlöten einsetzbaren aktiven Komponenten ist.
- the decoupling ring is made of titanium or a material comprising titanium, and
- at least one of the two joints comprising the first joint and the second joint is each designed as a joint produced by means of a hard solder, the hard solder being free of active components that can be used for active brazing.
Eine Weiterbildung der siebten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Fügung eine mittels eines Silber und Kupfer umfassenden Hartlots, eines ausschließlich Silber und Kupfer umfassenden Hartlots, eines Silber, Kupfer und eine weitere nicht aktive Komponente umfassenden Hartlots, eines Silber-Kupfer-Indium-Hartlots oder eines Silber-Kupfer-Zinn-Hartlots erzeugte erste Fügung ist.A further development of the seventh further development is characterized in that the first joint is a hard solder comprising silver and copper, a hard solder comprising exclusively silver and copper, a hard solder comprising silver, copper and another non-active component, a silver-copper-indium -Hard solder or a silver-copper-tin hard solder is the first joint.
Eine weitere Weiterbildung der siebten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Fügung eine Schweißung oder eine mittels eines Hartlots erzeugte Fügung ist, wobei das zur Erzeugung der zweiten Fügung eingesetzte Hartlot entweder
- a) gleich dem zur Erzeugung der ersten Fügung eingesetzten Hartlots ist oder zumindest eine Schmelztemperatur aufweist, die im Wesentlichen gleich der Schmelztemperatur des zur Erzeugung der ersten Fügung eingesetzten Hartlots ist, oder
- b) eine Schmelztemperatur aufweist, die geringer als eine Schmelztemperatur des zur Erzeugung der ersten Fügung eingesetzten Hartlots ist.
- a) is the same as the hard solder used to produce the first joint or at least has a melting temperature which is essentially the same as the melting temperature of the hard solder used to produce the first joint, or
- b) has a melting temperature which is lower than a melting temperature of the hard solder used to produce the first joint.
Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung, das sich dadurch auszeichnet, dass
der Drucksensor, das Gehäuse und der Entkopplungsring vorgefertigt werden,
der Drucksensor unter Zwischenfügung des Entkopplungsrings auf dem Gehäusebereich montiert wird, indem die erste Fügung und die zweite Fügung erzeugt werden, und
ein galvanisches Beschichtungsverfahren ausgeführt wird, mittels dessen die Korrosionsschutzschicht galvanisch aufgebracht wird.Furthermore, the invention comprises a method for producing a pressure measuring device according to the invention, which is characterized in that
the pressure sensor, the housing and the decoupling ring are prefabricated,
the pressure sensor is mounted on the housing area with the interposition of the decoupling ring, in that the first joint and the second joint are produced, and
a galvanic coating process is carried out, by means of which the corrosion protection layer is applied galvanically.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zur Herstellung einer Druckmesseinrichtung gemäß der siebten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
die erste Fügung erzeugt wird, indem eine Anordnung erzeugt wird, in der die Fügeflächen von Entkopplungsring und Messmembran unter Zwischenfügung des Hartlots aufeinander aufliegen, und die Anordnung auf eine Fügetemperatur erwärmt wird, bei der das Hartlot aufgeschmolzen wird und ein Anteil des im Entkopplungsring enthaltenen Titans durch das mit dem Entkopplungsring in Kontakt stehende, aufgeschmolzene Hartlot hindurch zur Messmembran diffundiert und dort derart mit der Keramik reagiert, dass sich eine Titan umfassende chemische Verbindung ausbildet, und
die zweite Fügung entweder im Anschluss an die Erzeugung der ersten Fügung mittels eines Hartlots erzeugt wird, dessen Schmelztemperatur geringer als eine Schmelztemperatur des zur Erzeugung der ersten Fügung verwendeten Hartlots ist, oder in einem Lötverfahren erzeugt wird, in dem zeitgleich auch die erste Fügung erzeugt wird, wobei die zweite Fügung mittels eines Hartlots erzeugt wird, das entweder gleich dem zur Erzeugung der ersten Fügung eingesetzten Hartlot ist oder eine Schmelztemperatur aufweist, die im Wesentlichen gleich der Schmelztemperatur des zur Erzeugung der ersten Fügung eingesetzten Hartlots ist.A further development of the method for producing a pressure measuring device according to the seventh further development is characterized in that
the first joint is created by creating an arrangement in which the joining surfaces of the decoupling ring and measuring membrane lie on top of one another with the interposition of the hard solder, and the assembly is heated to a joining temperature at which the hard solder is melted and a proportion of the titanium contained in the decoupling ring diffuses through the molten hard solder in contact with the decoupling ring to the measuring membrane and reacts there with the ceramic in such a way that a chemical compound comprising titanium is formed, and
the second joint is either produced following the production of the first joint by means of a hard solder, the melting temperature of which is lower than a melting temperature of the hard solder used to produce the first joint, or is produced in a soldering process in which the first joint is also produced at the same time , wherein the second joint is produced by means of a hard solder which is either the same as the hard solder used to produce the first joint or has a melting temperature which is essentially the same as the melting temperature of the hard solder used to produce the first joint.
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. Um Elemente sehr unterschiedlicher Abmessungen darstellen zu können, wurde eine nicht immer maßstabsgetreue Darstellung gewählt.
-
1 zeigt: ein Beispiel einer Druckmesseinrichtung; -
2 zeigt: eine vergrößerte Darstellung des in1 eingekreisten Ausschnitts der Druckmesseinrichtung von1 ; und -
3 zeigt: eine alternative Ausführungsform des in1 eingekreisten Ausschnitts der Druckmesseinrichtung von1 .
-
1 shows: an example of a pressure measuring device; -
2 shows: an enlarged representation of the in1 circled section of the pressure measuring device from1 ; and -
3rd shows: an alternative embodiment of the in1 circled section of the pressure measuring device from1 .
Erfindungsgemäß umfasst die Dichtvorrichtung
Darüber hinaus sind die erste Fügung
Für diesen Zweck insb. im Hinblick auf deren Elastizität und deren Korrosionsbeständigkeit besonders geeignete Edelmetalle sind Gold, Platin und Palladium. Insoweit besteht die Korrosionsschutzschicht
Optional ist der Entkopplungsring
Alternativ ist der Entkopplungsring
Eine derzeit bevorzugte Alternative besteht darin, dass der als Isolator ausgebildete Entkopplungsrings
Erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen werden vorzugsweise hergestellt, indem der Drucksensor
Anschließend wird ein galvanisches Beschichtungsverfahren ausgeführt, mittels dessen die Korrosionsschutzschicht
Zur galvanischen Erzeugung einer Korrosionsschutzschicht
Zur galvanischen Erzeugung einer mindestens ein Edelmetall umfassenden Korrosionsschutzschicht
Anschließend wird eine Gleichspannung an die als Anode dienende Elektrode und eine als Kathode dienende Gegenelektrode angelegt, wobei die Gegenelektrode die erste Fügung
Bei den zuvor beschriebenen galvanischen Beschichtungsverfahren ist eine Schichtdicke der Korrosionsschutzschicht
Optional kann die Korrosionsschutzschicht
Während des galvanischen Beschichtungsverfahrens verhindert die als elektrischer Isolator ausgebildete keramische Messmembran
Im Gegensatz hierzu ist das metallische Gehäuse
Alternativ können einzelne oder alle während des Beschichtungsverfahren mit dem Elektrolyt in Kontakt stehenden Oberflächenbereiche des Gehäuse
Erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen weisen die zuvor genannten Vorteile auf. Dabei können einzelne Bestandteile optional unterschiedliche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbare Ausgestaltungen aufweisen. Einige derzeit besonders bevorzugte Ausgestaltungen sind nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.Pressure measuring devices according to the invention have the advantages mentioned above. Individual components can optionally have different configurations that can be used individually or in combination with one another. Some currently particularly preferred embodiments are described below with reference to the figures.
In erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannte keramische Drucksensoren
Der Drucksensor
Der Drucksensor
Alternativ können natürlich auch andere aus dem Stand der Technik bekannte keramische Drucksensoren eingesetzt werden, die eine mit dem Druck p beaufschlagbare, keramische Messmembran aufweisen. Diese Sensoren können z.B. einen anderen mechanischen Aufbau aufweisen, auf andere Weise elektrisch anschließbar sein und/oder einen nach einem anderen Wandlerprinzip arbeitenden elektromechanischen Wandler, wie z.B. einen optischen oder einen piezoresistiven Wandler, umfassen.Alternatively, of course, other ceramic pressure sensors known from the prior art can also be used, which have a ceramic measuring membrane that can be acted upon by the pressure p. These sensors can, for example, have a different mechanical structure, can be electrically connected in a different way and / or comprise an electromechanical transducer operating according to a different transducer principle, such as an optical or a piezoresistive transducer.
Das Gehäuse
Im Unterschied hierzu weist der Entkopplungsring
Dabei kann die erste Fügung
Besteht der Entkopplungsring
Dabei wird ganz bewusst kein Aktivhartlot eingesetzt, obwohl bekannt ist, dass in Aktivhartloten enthaltene aktive Komponenten die Benetzung der Keramik fördern und die Ausbildung einer mechanisch hochfesten, chemischen Verbindung bewirken. Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass der Lötvorgang verfahrenstechnisch sehr viel leichter und besser kontrollierbar ist, als das bei der Verwendung von Aktivhartloten der Fall ist. Darüber hinaus weist das aufgeschmolzene Hartlot im Vergleich zu alternativ einsetzbaren Aktivhartloten deutlich bessere Fließeigenschaften auf. Beides führt im Ergebnis zu qualitativ hochwertigen ersten Fügungen
Als Hartlote eignen sich insoweit insb. in der
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Hartlote ohne aktive Komponente, wie z.B. die vorgenannten Silber und Kupfer umfassenden Hartlote, eine niedrigere Schmelztemperatur aufweisen als eine aktive Komponente umfassende Aktivhartlote, wie z.B. Silber, Kupfer und Titan umfassende Aktivhartlote. Das bietet den Vorteil, dass das Fügeverfahren bei einer Fügetemperatur ausgeführt werden kann, die größer gleich der Schmelztemperatur des Hartlots ist und die geringer als eine Schmelztemperatur eines Aktivhartlots ist, das die im Hartlot enthaltenen Komponenten und Titan als aktive Komponente enthält. Während zur Herstellung einer Aktivhartlötung mittels eines Silber, Kupfer und Titan umfassenden Aktivhartlots eine oberhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende Fügetemperatur im Bereich von 870 °C bis 950 °C erforderlich ist, genügt in Verbindung mit den zuvor genannten Hartloten ohne aktive Komponente bereits eine oberhalb der Schmelztemperatur des Hartlots liegende Fügetemperatur, die ausreicht, um die Diffusion des Titans des Entkopplungsrings
Die geringe Fügetemperatur bietet den Vorteil, dass sie geringer als die zur Erzeugung der als Aktivhartlötung ausgebildeten Fügung
Die geringere Fügetemperatur bietet darüber hinaus den Vorteil, dass sich zwischen Drucksensor
Besteht der Entkopplungsring
Die geringere Schmelztemperatur des zur Erzeugung der zweiten Fügung
Alternativ kann zur Erzeugung der zweiten Fügung
Optional weist der Entkopplungsring
Alternativ oder zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ist der Drucksensor
Alternativ kann der Drucksensor
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- DrucksensorPressure sensor
- 33
- MessmembranMeasuring membrane
- 55
- Gehäusecasing
- 77th
- Öffnungopening
- 99
- DichtvorrichtungSealing device
- 1111
- GehäuseinnenraumHousing interior
- 1313th
- EntkopplungsringDecoupling ring
- 1515th
- Erste FügungFirst fortune
- 1717th
- Zweite FügungSecond coincidence
- 1919th
- GehäusebereichHousing area
- 2121
- KorrosionsschutzschichtCorrosion protection layer
- 2222nd
- Beschichtung Coating
- 2323
- BereichArea
- 2525th
- GrundkörperBase body
- 2727
- DruckkammerPressure chamber
- 2929
- FügungCoincidence
- 3131
- ReferenzdruckzuleitungReference pressure supply line
- 3333
- AnschlussleitungConnecting cable
- 3535
- MesselektronikMeasurement electronics
- 3737
- MesselektrodeMeasuring electrode
- 3939
- GegenelektrodeCounter electrode
- 4141
- SensorabstützungSensor support
- 4343
- DruckringPressure ring
- 4545
- Elementelement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 10334854 A1 [0006]DE 10334854 A1 [0006]
- DE 102018123041 [0008]DE 102018123041 [0008]
- DE 102011083333 A1 [0011, 0018]DE 102011083333 A1 [0011, 0018]
- DE 102018108744 A1 [0063]DE 102018108744 A1 [0063]
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-
2019
- 2019-12-10 DE DE102019133818.2A patent/DE102019133818A1/en active Pending
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