DE3943475C2

DE3943475C2 - Capacitive pressure transducer with thermal bonded flexible diaphragm

Info

Publication number: DE3943475C2
Application number: DE19893943475
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. 7864 Maulburg De Hegner; Gerhard Dr. 7850 Loerrach De Dittrich; Thomas 7853 Steinen De Klaehn
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1988-07-22
Filing date: 1989-01-19
Publication date: 1991-07-25
Anticipated expiration: 2009-01-20

Abstract

A circular diaphragm (11) with plane-parallel surfaces is sepd. by an annular metallic distance piece (20) from the baseplate (12). Both diaphragm (11) and baseplate (12) may be mfd. of ceramic, glass or monocrystalline material and thermally bonded to the spacer (20) by active solder including strongly reactive Ti,Zr,Be,Hf, or Ta.Alternatively the diaphragm (11) and baseplate (12) may be mfd. of oxide ceramic or sapphire and joined to a Cu spacer (20) by direct Cu bonding, forming an eutectic melt of Cu and Cu2O at 1065 deg.C. The facing surfaces of the diaphragm (11) and baseplate (12) carry circular metallic conductive electrodes (14,15) from which leads (16,17) are taken out through gastight seals

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem Grundkör per und einer Membran, die unter Bildung einer Kammer in einem definierten Abstand parallel zueinander rings um den Umfang dicht zusammengefügt sind, wobei wenigstens eines der beiden zusammengefügten Teile aus Keramik, Glas, Metall oder einem einkristallinen Material besteht, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Drucksensors.The invention relates to a pressure sensor with a basic body per and a membrane that forms a chamber in a defined distance parallel to each other around the Are closely joined together, at least one of the two joined parts made of ceramic, glass, metal or a single crystalline material, and a method for the production of such a pressure sensor.

Es sind Drucksensoren dieser Art bekannt, bei denen die Mem bran und der Grundkörper durch eine geschmolzene, den Ab stand definierende Glasfritte miteinander verbunden sind. Diese Art der Verbindung hat den Nachteil, daß ihre mechani sche Festigkeit, Belastbarkeit und Temperaturwechselbestän digkeit gering sind. Ferner eignet sich Glasfritte nur be dingt für die Verbindung von Teilen aus Nichtoxidkeramik und höchstreiner Oxidkeramik, die das bevorzugte Material für den Grundkörper und die Membran von Drucksensoren der vor stehend angegebenen Art ist. Pressure sensors of this type are known in which the mem bran and the base body through a melted, the Ab stand defining glass frit are connected. This type of connection has the disadvantage that its mechani strength, resilience and temperature change resistance are low. Furthermore, glass frit is only suitable essential for the connection of parts made of non-oxide ceramics and ultra pure oxide ceramic, which is the preferred material for the base body and the membrane of pressure sensors in front standing type is.

In der DE-OS 20 21 479 ist andererseits ein Drucksensor be schrieben, der zwei aus Quarzglas oder quarzähnlichem Glas gefertigte Membranen aufweist, die an ihren Rändern durch ein Klebemittel, durch Verlötung oder durch Verschmelzung zu einer Doppelmembran miteinander verbunden sind, wobei das Verbindungsmaterial die beiden Membranen in einem definier ten Abstand hält. Diese Druckschrift läßt jedoch nicht er kennen, wie eine Verbindung durch Verlöten hergestellt wer den kann, obwohl bekannt ist, daß übliches Metallot zur Ver bindung von Teilen aus Quarzglas ungeeignet ist.In DE-OS 20 21 479, on the other hand, a pressure sensor is be wrote the two of quartz glass or quartz-like glass manufactured membranes, which by their edges an adhesive, by soldering or by fusion a double membrane are interconnected, the Connection material to define the two membranes in one keeps the distance. However, he does not leave this document know how to make a connection by soldering which, although it is known that common Metallot ver bonding of quartz glass parts is unsuitable.

Bei Drucksensoren mit zwei zu beiden Seiten einer starren Grundplatte angeordneten Metallmembranen ist es aus der DE-OS 27 15 339 bekannt, die beiden Metallmembranen rings um ihren Umfang durch Verschweißen oder Verlöten mit einem me tallischen Abstandsring zu verbinden, der auch die Grund platte trägt. In ähnlicher Weise sind bei einem aus der DE-OS 26 31 883 bekannten Drucksensor zwei zu beiden Seiten einer starren Grundplatte aus Keramikmaterial angeordnete Metallmembranen an ihren Rändern jeweils mit einer auf die Grundplatte aufgebrachten ringförmigen Elektrode durch Löt mittel oder auf andere Weise, z. B. durch ein Epoxi-Klebe mittel, verbunden, wobei der Abstand einerseits durch die Grundplatte mit den darauf angebrachten ringförmigen Elek troden und andererseits durch die Form der Metallmembranen bestimmt ist.For pressure sensors with two rigid on either side Base plate arranged metal membranes, it is from the DE-OS 27 15 339 known, the two metal membranes around their scope by welding or soldering to a me to connect the metallic spacer ring, which is also the reason plate carries. Similarly, one of the DE-OS 26 31 883 known pressure sensor two on both sides a rigid base plate made of ceramic material Metal membranes on their edges with one on each Base plate applied annular electrode by soldering medium or otherwise, e.g. B. by an epoxy adhesive medium, connected, the distance on the one hand by the Base plate with the ring-shaped elec tread and on the other hand through the shape of the metal membranes is determined.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Drucksensors der eingangs angegebenen Art, der sehr robust und insbeson dere nicht temperaturschockempfindlich ist und Bestandteile aus schwer fügbaren Materialien, wie hochreiner Oxidkeramik, enthalten kann, sowie eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Drucksensors. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 5 oder 7 angegebenen Maßnahmen gelöst.The object of the invention is to create a pressure sensor of the type specified at the outset, which is very robust and in particular whose components are not sensitive to thermal shock made of difficult-to-fit materials, such as high-purity oxide ceramics, can contain, as well as a method for producing a such a pressure sensor. This task is carried out in the Claims 1, 5 or 7 specified measures solved.

Ein besonderer Vorteil des Aktivlötens besteht darin, daß damit praktisch alle Materialien fügbar sind, die für die Membranen und/oder Grundkörper von Drucksensoren in Betracht kommen, wie Oxidkeramiken, Nichtoxidkeramiken, Gläser und Einkristalle. Die durch Aktivlöten hergestellten Drucksenso ren zeichnen sich durch eine hohe mechanische Festigkeit, Belastbarkeit und Temperaturwechselbeständigkeit sowie durch eine gute und sichere Vakuumdichtigkeit aus. Vor allem sind durch dieses Verfahren auch Teile aus Keramiken fügbar, die durch Glasfritte oder gewöhnliches Metallot überhaupt nicht oder nicht ohne weiteres gefügt werden können. Ferner kann die Qualität der Fügung schnell und einfach mit Röntgen durchstrahlung geprüft werden.A particular advantage of active soldering is that so that practically all materials are available for the Membranes and / or body of pressure sensors into consideration come like oxide ceramics, non-oxide ceramics, glasses and Single crystals. The pressure sensors manufactured by active soldering are characterized by high mechanical strength, Resilience and resistance to temperature changes as well good and safe vacuum tightness. Most of all are parts made of ceramics can also be added by this method not at all due to glass frit or ordinary metallot or cannot be added easily. Furthermore, the quality of the joint quickly and easily with x-rays radiography can be checked.

Insbesondere ist es überraschend, daß trotz der sehr unter schiedlichen Temperaturabhängigkeiten der Ausdehnungskoeffi zienten von Metall und Keramik ein Metallot zur Fügung von Keramikteilen für Drucksensoren verwendet werden kann. Bei den nach der Erfindung hergestellten Drucksensoren konnten jedoch in einem großen Temperaturbereich keine nachteiligen Auswirkungen auf das Sensorverhalten, wie Kriechen, Hystere se oder Empfindlichkeitsänderungen, festgestellt werden.In particular, it is surprising that despite the very under different temperature dependencies of the expansion coefficient metal and ceramics are used to add metal Ceramic parts can be used for pressure sensors. At the pressure sensors manufactured according to the invention however, no disadvantage in a wide temperature range Effects on sensor behavior, such as creep, hysteresis se or changes in sensitivity.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:Further details and advantages of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment, which is shown in the drawing. The drawing shows:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Drucksensor nach der Erfindung und Fig. 1 is a plan view of a pressure sensor according to the invention and

Fig. 2 eine Schnittansicht des Drucksensors von Fig. 1 entlang der Schnittlinie A-B. Fig. 2 is a sectional view of the pressure sensor of Fig. 1 along the section line AB.

Der in der Zeichnung dargestellte Drucksensor 10 hat eine Membran 11 in Form einer kreisrunden Scheibe mit planparal lelen Flächen, die rings um den Umfang mit einem kreisrunden Grundkörper 12 in einem definierten Abstand d zusammengefügt ist, so daß zwischen der ebenen Oberseite des Grundkörpers 12 und der gegenüberliegenden Fläche der Membran 11 eine Kammer 13 gebildet ist. Die Membran 11 kann aus Keramik, Glas oder einem einkristallinen Material bestehen. Desglei chen kann der Grundkörper 12 aus Keramik, Glas oder einem einkristallinen Material bestehen, wobei jedoch die Materia lien, aus denen die Membran 11 und der Grundkörper 12 beste hen, voneinander verschieden sein können. Die Membran 11 ist elastisch, so daß sie sich unter einem darauf einwirkenden Druck verformen kann. Der Grundkörper 12 kann massiv und starr sein, er kann aber auch, falls erwünscht, in gleicher Weise wie die Membran 11 als flache elastische Scheibe aus gebildet sein.The pressure sensor 10 shown in the drawing has a membrane 11 in the form of a circular disk with planparal lelen surfaces, which is joined around the circumference with a circular base body 12 at a defined distance d, so that between the flat top of the base body 12 and the opposite surface of the membrane 11, a chamber 13 is formed. The membrane 11 can consist of ceramic, glass or a single-crystalline material. Likewise, the base body 12 can consist of ceramic, glass or a single-crystalline material, but the materials from which the membrane 11 and the base body 12 are made can be different from one another. The membrane 11 is elastic so that it can deform under a pressure acting thereon. The base body 12 can be solid and rigid, but it can also, if desired, be formed in the same way as the membrane 11 as a flat elastic disk.

An den einander zugewandten Flächen der Membran 11 und des Grundkörpers 12 sind innerhalb der Kammer 13 kreisförmige Leiterschichten 14 bzw. 15 aus Metall angebracht, die sich im Abstand gegenüberliegen. Mit der Leiterschicht 14 ist ein Anschlußleiter 16 verbunden, der gasdicht durch die Membran 11 nach außen geführt ist. In gleicher Weise ist mit der Leiterschicht 15 ein Anschlußleiter 17 verbunden, der gas dicht durch den Grundkörper 12 nach außen geführt ist. Die beiden Leiterschichten bilden die Elektroden eines Kondensa tors, dessen Kapazität von dem Abstand zwischen den Leiter schichten abhängt. Wenn sich die Membran 11 unter der Ein wirkung eines Drucks verformt, ändert sich der Abstand zwi schen den beiden Leiterschichten und damit die Kapazität des Sensors. Die Kapazität des Sensors, die mittels einer an die Anschlußleiter 16 und 17 angeschlossenen elektronischen Schaltung gemessen werden kann, ist daher ein Maß für den auf die Membran 11 einwirkenden Druck.On the mutually facing surfaces of the membrane 11 and the base body 12 , circular conductor layers 14 and 15 made of metal are attached within the chamber 13 , which lie opposite one another at a distance. With the conductor layer 14 , a connecting conductor 16 is connected, which is guided gas-tight through the membrane 11 to the outside. In the same way, a connecting conductor 17 is connected to the conductor layer 15 and is guided gas-tight through the base body 12 to the outside. The two conductor layers form the electrodes of a capacitor, the capacitance of which depends on the distance between the conductor layers. If the membrane 11 deforms under the action of a pressure, the distance between the two conductor layers and thus the capacitance of the sensor changes. The capacitance of the sensor, which can be measured by means of an electronic circuit connected to the connecting conductors 16 and 17 , is therefore a measure of the pressure acting on the membrane 11 .

Die Besonderheit des dargestellten Drucksensors besteht in der Art und Weise, wie die Membran 11 und der Grundkörper 12 zusammengefügt sind. Dies geschieht durch ein ringförmiges Formteil 20 aus Aktivlot, das eine Verbindung zwischen der Membran 11 und dem Grundkörper herstellt und zugleich als Abstandshalter dient, indem es die Membran 11 in dem defi nierten Abstand d von dem Grundkörper 12 hält. Die Verwen dung eines Formteils 20 aus Aktivlot ermöglicht eine direkte Verbindung der Membran 11 und des Grundkörpers 12 ohne vor heriges Aufbringen einer Metallisierung und ohne Anwendung eines Flußmittels.The special feature of the pressure sensor shown is the way in which the membrane 11 and the base body 12 are joined together. This is done by an annular molded part 20 made of active solder, which creates a connection between the membrane 11 and the base body and at the same time serves as a spacer by holding the membrane 11 in the defined distance d from the base body 12 . The use of a molded part 20 from active solder enables a direct connection of the membrane 11 and the base body 12 without prior application of a metallization and without the use of a flux.

Aktivlot besteht aus einem Lotmaterial, meistens einem Hart lot, wie Ag, Ag-Cu oder Ag-Cu-In, dem wenigstens ein reak tives Element, wie Ti, Zr, Be, Hf oder Ta, zulegiert ist. Dabei hat sich Ti als wirksamstes Legierungselement erwie sen. Das reaktive Element benetzt die Oberfläche der zu ver lötenden Teile während des Lötens. Wenn die zu verlötenden Teile aus Oxidkeramik bestehen, bewirkt die hohe Affinität des reaktiven Elements zum Sauerstoff eine Reaktion mit der Keramik, was zur Bildung von Mischoxiden und freien chemi schen Valenzen führt.Active solder consists of a solder material, usually a hard solder, such as Ag, Ag-Cu or Ag-Cu-In, which has at least one reak tive element, such as Ti, Zr, Be, Hf or Ta, is alloyed. Ti has proven to be the most effective alloying element sen. The reactive element wets the surface of the ver soldering parts during soldering. If the to be soldered Parts made of oxide ceramics cause the high affinity of the reactive element to oxygen a reaction with the Ceramic, which leads to the formation of mixed oxides and free chemi valences.

Die reaktive Komponente des Lotes ist in eine Matrix anderer Legierungselemente, wie Ag-Cu, eingebettet. Diese bilden das eigentliche Lotmaterial.The reactive component of the solder is in a matrix of others Alloy elements, such as Ag-Cu, are embedded. These form the actual solder material.

Moderne Aktivlot-Legierungen sind duktil und enthalten zwi schen 2 bis 5% Ti, das homogen in einer Matrix von z. B. Ag- Cu eingebettet ist. Diese Legierungen können wie normale Hartlote zu beliebigen Formteilen ausgebildet werden, also auch zu dem in Fig. 2 dargestellten, als Abstandshalter die nenden ringförmigen Formteil 20.Modern active solder alloys are ductile and contain between 2 to 5% Ti, which is homogeneous in a matrix of z. B. Ag-Cu is embedded. Like normal hard solders, these alloys can be formed into any shaped parts, that is also to the annular shaped part 20 shown as a spacer in FIG. 2.

Typische im Handel befindliche Aktivlote sind die Legierun gen Ag-Ti, Ag-Cu-Ti und Ag-Cu-In-Ti, deren Löttemperaturen zwischen 750 und 1000°C liegen. Stufenlötungen (Abstufungen in den Schmelzpunkten) sind also auch bei Aktivloten mög lich. Die Festigkeiten der Aktivlote sind identisch zu den Festigkeiten vergleichbarer Ti-freier Hartlote. Die Haftfe stigkeit zur Keramik ist größer als die Festigkeit der Kera mik selbst; im Zugversuch liegt daher der Bruch in der Kera mik, nicht in der Grenzschicht Keramik-Lot. Typical active solders are alloys gene Ag-Ti, Ag-Cu-Ti and Ag-Cu-In-Ti, their soldering temperatures between 750 and 1000 ° C. Step soldering (gradations in the melting points) are also possible with active solders Lich. The strengths of the active solders are identical to those Strengths of comparable Ti-free brazing alloys. The Haftfe The strength of the ceramics is greater than the strength of the Kera mik itself; the break in the tensile test is therefore in the kera mic, not in the ceramic-solder interface.

Die Verbindung der Keramikteile mit Aktivlot erfolgt vor zugsweise im Vakuum bei mindestens 10^-5 mbar, besser im Be reich von 10^-6 mbar. Sehr gutes Vakuum ist erforderlich, um Reaktionen des Ti mit dem Restgas zu vermeiden und eine gute Benetzung der Keramik zu erreichen.The connection of the ceramic parts with active solder is done preferably in a vacuum at least 10 ^-5 mbar, better in the range of 10 ^-6 mbar. A very good vacuum is required to avoid reactions of the Ti with the residual gas and to achieve good wetting of the ceramic.

Zur Erzielung bestimmter Lötergebnisse, beispielsweise zur Verminderung des Abdampfens des Lotes oder zur Reduktion von Oberflächenoxiden, kann es zweckmäßig sein, den Aufheiz bzw. Lötvorgang in einer definierten Gasatmosphäre aus iner tem Gas und/oder Reaktivgas vorzunehmen. Die Partialdrücke dieser Gase liegen vorzugsweise unter 10^-1 mbar.To achieve certain soldering results, for example to reduce the evaporation of the solder or to reduce surface oxides, it may be expedient to carry out the heating or soldering process in a defined gas atmosphere from inert gas and / or reactive gas. The partial pressures of these gases are preferably below 10 ^-1 mbar.

Wie beim üblichen Löten wird auch beim Aktivlöten das Lot vollständig durchgeschmolzen. Die Löttemperatur muß aber beim Aktivlot zweckmäßigerweise 70 bis 100°C über der Li quidustemperatur liegen, damit eine optimale Reaktion des Ti mit der Keramik erhalten wird. Dadurch wird eine hohe Fe stigkeit und Vakuumdichtigkeit erzielt.As with normal soldering, solder is also used for active soldering completely melted. But the soldering temperature must in the active solder suitably 70 to 100 ° C above the Li quidus temperature, so that an optimal reaction of the Ti with the ceramic is obtained. This makes a high Fe stability and vacuum tightness achieved.

Claims

1. Pressure sensor with a base body and a membrane, which are joined together to form a chamber at a defined distance parallel to each other around the circumference, at least one of the two joined parts made of ceramic, glass or a single-crystalline material, characterized in that the base body and the membrane are soldered to one another by a molded part made of active solder, which also serves as a spacer.

2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the active solder is a silver-copper alloy, which as contains reactive element titanium.

3. Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the molded part around the chamber closing ring is.

4. Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the mutually facing surfaces of the base body and the membrane are flat and that the Ab stood between the body and the membrane Lich is determined by the molded part arranged in between.

5. A method of manufacturing a pressure sensor according to a of claims 1 to 4, characterized in that the reason body and membrane with the shape arranged in between Part of active solder placed in a vacuum and in it until complete melting of the active solder are heated.

6. The method according to claim 5, characterized in that the vacuum has a residual gas pressure of less than 10 ^-5 mbar.

7. Method for producing a pressure sensor according to an elnem of claims 1 to 4, characterized in that the reason body and membrane with the shape arranged in between part from active solder in a defined gas atmosphere with a Pressure brought to a maximum of 0.1 mbar and up to full constant melting of the active solder are heated.

8. The method according to claim 7, characterized in that the gas atmosphere consists of an inert gas.

9. The method according to claim 7, characterized in that the gas atmosphere consists of a reactive gas.

10. The method according to claim 7, characterized in that the gas atmosphere from a mixture of inert and / or re active gases.

11. The method according to claim 5 or claim 7, characterized ge indicates that the body and the membrane without before Metallization from the molded part made of active solder be soldered together.