电容式陶瓷压力测量传感器及其生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电容式陶瓷压力测量传感器及其生产方法。
【背景技术】
[0002]普通的压力测量传感器具有陶瓷测量膜和陶瓷基体，所述测量膜沿着周向连接头与所述基体相压密连接，特别是具有活性黄铜焊料，其中在测量膜和陶瓷基体之间形成有压力腔，其中，所述测量膜的平衡位置是由于压力腔中的主要压力与测量膜的背向压力腔外侧上的作用压力之间的差产生的。普通的压力测量传感器还包括电容式换能器，用于将测量膜的与压力有关的变形转换成电信号。
[0003]特别是氧化铝陶瓷被用作所述基体和所述测量膜的材料，由于它们的弹性特性和它们对介质的阻抗而适用于压力测量传感器的生产。特别使用优选包含Zr-N1-Ti的活性黄铜焊料将所述的陶瓷组分添加进来。对这种活性黄铜焊料的生产已经被公开，例如，在欧洲公开的专利申请EP 0 490 807 A2中。根据该公开所描述的方法，尤其能够使用活性黄铜焊接材料来生产必须放置在测量膜与基体之间以将二者焊接在一起的环状物。
[0004]如在EP 0 544 934 A1公开中的描述，例如铌、钽或碳化硅是已知的用作电容式换能器电极的电极材料，其中，可选择的在所述电极的表面使用玻璃层来保护。类似的，在玻璃基质中包含金属粒子的电极是已知的，并且，例如在公开的专利申请DE 10 2007 026243 A1中有过描述。
[0005]所述的电极材料适用于在高温真空焊接工艺中使用活性黄铜焊料将氧化铝陶瓷添加进来。
[0006]然而，使得活性黄铜焊料与陶瓷材料形成高质量压密连接的温度范围相当窄。在太低的温度处，一方面焊料不能充分的反应，另一方面它太粘稠而不能均匀地分散在要被浸润的表面区域。
[0007]但是，在太高的温度处，也存在风险，即:焊料具有低的粘稠度而进入了那些本不需要被其浸润的区域。
[0008]然而，在大批测量传感器的生产中，不可避免的是在恒温箱中给定温度的分布，其采用的是可用的温度范围。不过，已知的是提供焊料阻挡来获得有用的结果，该焊料阻挡可限制活性焊料的蔓延。限制径向内部流动的活性黄铜焊料的一种使用的方法是对包含钽的膜电极表面的氧化，该膜电极应当与活性黄铜焊料伽伐尼式(galvanic)接触。在相对低的焊料温度处，活性黄铜焊料进入压力腔能够被阻止而有可接收的产出率。然而，如果焊料的温度增大，所述焊料阻挡不再可靠的发挥作用，则所述焊料在所述钽电极的边缘上方流进所述压力腔。除了要被焊接的所述压力测量传感器狭窄的温度范围，还有另外的缺点是此时电极具有至少两个热膨胀系数不同的层，即金属钽层和氧化钽层。这将导致在测量膜表面上依赖于温度的机械应力，其产生了温度的滞后。
【发明内容】
[0009]因此，本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷的压力测量传感器。
[0010]根据本发明，通过依据权利要求1所述的压力测量传感器以及依据独立权利要求8所述的生产压力测量传感器的方法来实现该目的。
[0011]在改善焊料阻挡方面的近期工作提供了实现该目的的方法。为此，尚未公布的德国专利申请DE 10 2013 105 132.4公开了一种压力测量传感器，具有陶瓷测量膜和陶瓷基体，其中所述测量膜与所述基体压密地接合一起，通过活性黄铜焊接的方式在测量膜与基体之间形成压力腔，其中，在测量膜和/或基体的表面上，所述压力测量传感器还具有焊料阻挡层，当测量膜与基体接合一起的时候，通过所述焊料阻挡层阻止活性黄铜焊料从内部径向的进入所述压力腔，其中，该焊料阻挡层例如包括氧化钛。
[0012]这种焊料阻挡层已被证明是非常有效的，对压力测量传感器的接合拓展了更宽的温度范围。
[0013]基于这项发现，本发明目前延续该策略，制备焊料阻挡以及至少带有相同的材料系统的膜电极，即氧化钛，例如可以掺杂有Cr、Nb、W。
[0014]根据本发明的压力测量传感器，包括陶瓷测量膜和陶瓷基体，其中所述测量膜与所述基体以压密方式接合，使得在测量膜与基体之间形成压力腔，其中，所述压力测量传感器还包括电容性换能器，用于检测所述测量膜的依赖于压力的变形，其包括布置在测量膜上的至少一个膜电极和在基体侧的至少一个电极，其中，根据本发明，所述膜电极包括氧化钛。
[0015]根据本发明的优选实施例，所述氧化钛布置在所述测量膜的陶瓷材料上而无需中间层。
[0016]这样，消除了由于不同热膨胀系数而干扰机械应力的所有源头。如果氧化钛的热膨胀系数能良好的适应金刚砂的热膨胀系数，因为具有不同膨胀系数的附加层的原因将再次损失所获得的一些优势。
[0017]根据本发明的实施例，膜电极包括氧化钛，其为非化学计量的，特别是Ti407、Ti509或 Ti60n。
[0018]非化学计量的氧化钛具有比化学计量的氧化钛更高的导电率，并且特别的，更适合作为电极材料。
[0019]根据本发明的实施例，膜电极包括掺杂的氧化钛，特别的，其掺杂有Cr、Nb或W。
[0020]根据实施例，相关于Ti原子，所述掺杂可达到大约10原子百分比，特别的不超过8原子百分比，且优选的不超过6原子百分比。
[0021]所述氧化钛的掺杂导致了所述电极材料导电率的进一步增大。
[0022]根据本发明的实施例，测量膜利用活性黄铜焊料接合到基体，其中所述膜电极与所述活性黄铜焊料伽伐尼式接触。
[0023]以这种方式，所述膜电极还用作焊料阻挡，当焊接所述压力测量传感器时，用于阻止所述活性黄铜焊料进入所述压力腔。由于电极与所述活性黄铜焊料是伽伐尼接触的，所述膜电极能够经由接合处从压力测量传感器的外侧面被接触，其中，在基体侧上的电极可通过与接合处接触的基体外侧面的导电涂层的方式来获得屏蔽，特别是采用法拉第屏蔽罩的形式，并且如果必要，背向所述测量膜的所述基体后侧的导电涂层。
[0024]根据本发明的实施例，测量膜和基体的陶瓷材料包括氧化铝陶瓷，特别是高纯度氧化铝陶瓷，例如，像德国专利DE 10 2008 036 381 B3中描述的那样。其中描述的纯度等级特别与测量膜的陶瓷有关，然而对于所述基体来说，这种高纯度的陶瓷并不是强制的。
[0025]根据本发明的实施例，活性黄铜焊料包括含有锆-镍-钛的活性黄铜焊料，例如，像EU专利申请EP 0 490 807 A2中描述的那样。
[0026]根据本发明制造电容式压力测量传感器的方法，包括:
[0027]提供陶瓷测量膜和基体；
[0028]制备在测量膜上的至少一个膜侧电极，以及在基体侧的在其表面上的至少一个电极；
[0029]把测量膜压密接合到所述基体使得在测量膜和基体之间形成压力腔，
[0030]其中，根据本发明，膜电极包括至少氧化钛。
[0031]根据一个实施例，至少通过首先溅镀金属层来制备膜电极，该金属层即钛层或者掺杂有例如Cr、Nb和/或W的钛层，然后该金属层被热氧化。
[0032]本发明的实施例中，所述氧化通过在含氧的大气例如空气中加热来实施，通过加热至不低于500°C，特别是不低于600°C的温度来发生该氧化。
[0033]本发明的实施例中，所述膜电极至少通过氧化钛的反应溅镀来制备，氧化钛尤其是掺杂的，特别是掺杂有Cr、Nb和/或W。
[0034]经由反应溅镀的氧化钛的制备，可省略后续的氧化。
[0035]根据本发明的实施例，将测量膜与基体接合包括下述步骤:
[0036]在测量膜与陶瓷基体之间、在将要被浸润的测量膜与基体的表面区域设置活性黄铜焊料；
[0037]在真空下加热测量膜、基体以及活性黄铜焊料，直到所述活性黄铜焊料融化且与测量膜和基体反应的温度；以及
[0038]通过使接合部冷却下来，而形成所述压力测量传感器。
[0039]本发明的实施例中，陶瓷部件与活性黄铜焊料的接合发生在不低于800°C，特别是不低于840°C的温度时。
【附图说明】
[0040]下面参考附图示出的示例实施例对本发明进行论述。其中
[0041]图1:根据本发明的压力测量传感器的纵截