DE102016112198A1 - Pressure transducer - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Es ist eine Druckaufnehmer mit einer unter Einschluss einer Druckkammer (1) auf einem metallischen Träger (3) angeordneten metallischen Membran (5) und einer Membran (5) und Träger (3) miteinander verbindenden Fügung (9, 11) beschrieben, bei dem die Qualität der Fügung (9, 11) und die Auswahl an für die Membran (5) und den Träger (3) einsetzbaren Werkstoffen dadurch verbessert wurde, dass die Fügung (9, 11) eine durch Interdiffusion von Metallatomen zwischen einer auf eine Fügefläche (13) des Trägers (3) aufgebrachten, aus einem ersten Fügepartner bestehenden Beschichtung (15) und einer flächig an die Beschichtung (15) angrenzenden, aus einem zweiten Fügepartner bestehenden Oberflächenschicht (17, 19) der Membran (5) erzeugte Thermokompressionsbondung umfasst.The invention relates to a pressure sensor with a metallic membrane (5) arranged on a metallic carrier (3), including a pressure chamber (1), and a joint (9, 11) interconnecting a membrane (5) and carrier (3) Quality of the joining (9, 11) and the choice of materials which can be used for the membrane (5) and the carrier (3) has been improved by making the joint (9, 11) interdiffusion between metal atoms between a joining surface (13 ) of the carrier (3), consisting of a first joining partner coating (15) and a surface of the coating (15) adjacent, consisting of a second joining partner surface layer (17, 19) of the membrane (5) produced thermocompression bonding.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer mit einer unter Einschluss einer Druckkammer auf einem metallischen Träger angeordneten metallischen Membran und einer Membran und Träger miteinander verbindenden Fügung.The invention relates to a pressure sensor with a metallic membrane including a pressure chamber arranged on a metallic support and a joint connecting the membrane and the carrier.

Druckaufnehmer der eingangs genannten Art werden z.B. in der industriellen Druckmesstechnik verwendet.Pressure transducers of the type mentioned above are e.g. used in industrial pressure measurement.

Dort können sie beispielsweise als Bestandteil eines kompakten Druckmessgeräts eingesetzt werden. Kompakte Druckmessgeräte weisen auf der von der Membran abgewandten Rückseite des Trägers ein Gehäuse mit einem in einer Druckmesskammer angeordneten Drucksensor auf. Bei diesen Druckmessgeräten ist die unter der Membran im Druckaufnehmer eingeschlossene Druckkammer über eine durch den Träger hindurch verlaufende Bohrung mit der Druckmesskammer verbunden. Zusätzlich sind Druckkammer, Bohrung und Druckmesskammer mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit befüllt, die einen von außen auf die Membran einwirkenden Druck auf den Drucksensor überträgt.There they can be used for example as part of a compact pressure gauge. Compact pressure measuring devices have a housing with a pressure sensor disposed in a pressure measuring chamber on the side facing away from the membrane back of the carrier. In these pressure gauges, the pressure chamber enclosed under the membrane in the pressure transducer is connected to the pressure measuring chamber via a bore extending through the carrier. In addition, the pressure chamber, bore and pressure measuring chamber are filled with a pressure-transmitting liquid, which transmits an externally acting on the membrane pressure on the pressure sensor.

Alternativ können Druckaufnehmer als Druckmittler eingesetzt werden, die einen von außen auf deren Membran einwirkenden Druck aufnehmen und über eine an eine durch den Träger hindurch verlaufende Bohrung mit der Druckkammer verbundene Druckübertragungsleitung an einen vom Druckaufnehmer entfernten Zielort übertragen. Auch hier sind Druckkammer, Bohrung und Druckübertragungsleitung mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit befüllt, die einen von außen auf die Membran einwirkenden Druck an den Zielort überträgt. Dabei kann der Zielort z.B. eine mit einem Drucksensor ausgestattete Druckmesskammer eines entfernt vom Druckaufnehmer angeordneten Druck- oder Differenzdruckmessgeräts sein.Alternatively, pressure transducers can be used as a pressure transmitter, which receive a pressure acting from the outside on the diaphragm pressure and transmitted via a connected to a bore extending through the carrier bore with the pressure chamber to a remote from the pressure transducer destination. Again, pressure chamber, bore and pressure transfer line are filled with a pressure-transmitting liquid which transmits an externally applied to the membrane pressure to the destination. The destination may e.g. be equipped with a pressure sensor pressure measuring chamber of a remote from the pressure transducer arranged pressure or differential pressure gauge.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Druckaufnehmern mit einer metallischen Membran und einem metallischen Träger sind Membran und Träger über eine druckdichte Fügung miteinander verbunden. Dabei werden zum Fügen der beiden metallischen Bauteile aus der Metallverarbeitung bekannte Verfahren, wie das Löten oder Schweißen eingesetzt.In known from the prior art pressure transducer with a metallic membrane and a metallic carrier membrane and carrier are connected to each other via a pressure-tight joint. In this case, known methods, such as soldering or welding are used for joining the two metal components from metal processing.

Ein heute zum Fügen von metallischen Trägern und metallischen Membranen von Druckaufnehmern eingesetztes Schweißverfahren, ist das Laserstrahlschweißen. Hierüber lassen sich hochwertige, druckfeste Fügungen zwischen Trägern aus Edelstahl und Membranen aus Edelstahl oder aus Nickellegierungen, wie z.B. unter dem Markennamen Hastelloy bekannten Legierungen, erzeugen. Die beim Laserstrahlschweißen entstehenden Schweißnähte weisen jedoch eine vergleichsweise hohe Oberflächenrauigkeit. Druckaufnehmer mit rauen Oberflächen können jedoch in der Regel nicht in Anwendungen eingesetzt werden, in denen hohe Anforderungen an die Hygiene und die Reinigbarkeit des Aufnehmers bestehen. Darüber hinaus erhöhen Schweißnähte die Gefahr von Korrosion, die auf Dauer im schlimmsten Fall sogar zum Ausfall des Druckaufnehmers führen kann.A welding method used today for joining metallic supports and metallic diaphragms of pressure transducers is laser beam welding. This can be high-quality, pressure-resistant joints between stainless steel supports and membranes made of stainless steel or nickel alloys, such. under the brand name Hastelloy known alloys produce. However, the welds produced during laser beam welding have a comparatively high surface roughness. However, rough surface pressure transducers typically can not be used in applications where high demands are placed on the hygiene and cleanability of the transducer. In addition, welds increase the risk of corrosion, which can eventually lead in the worst case even to failure of the pressure transducer.

Diesem Problem kann in aus dem Stand der Technik bekannter Weise dadurch abgeholfen werden, dass die Membran flächig auf den Träger aufgelötet oder geklebt wird. Beim Löten wird ein zur Fügung der Werkstoffe von Membran und Träger geeignetes Lot, in der Regel eine Speziallegierung auf Silber-, Kupfer- oder Nickelbasis, als Lotschicht zwischen die Fügeflächen von Träger und Membran eingebracht und unter Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre aufgeschmolzen. Mit diesem Verfahren lassen sich Druckaufnehmer mit sehr glatten und damit hohe Hygieneanforderungen erfüllenden mediumsberührten Oberflächen erzeugen.This problem can be remedied in a manner known from the prior art by soldering or gluing the membrane flat on the carrier. During soldering, a solder suitable for joining the materials of membrane and carrier, usually a special alloy based on silver, copper or nickel, is introduced as solder layer between the joining surfaces of carrier and membrane and melted under vacuum or in a protective gas atmosphere. With this method, pressure transducers can be produced with very smooth, and thus high hygienic requirements, medium-contacting surfaces.

Lötungen können jedoch nur dann problemlos eingesetzt werden, wenn Träger und Membran gleiche oder zumindest ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der Grund hierfür besteht darin, dass beim Löten von metallischen Bauteilen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgrund der zum Aufschmelzen des Lots erforderlichen hohen Löttemperatur thermomechanische Spannungen entstehen, die zu bleibenden Verspannungen der Membran führen. Die Löttemperatur ist Abhängig von der Wahl des Lotes und kann bei heute gängigen Loten ohne Weiteres im Bereich von ca. 700 °C bis 1100°C liegen. Bei diesen hohen Temperaturen führen auch vergleichsweise geringe Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu bleibenden Verspannungen der Membran, die deren Druckübertragungseigenschaften nachhaltig beeinträchtigen.However, soldering can only be used without problems if the carrier and the membrane have the same or at least similar coefficients of thermal expansion. The reason for this is that when soldering metallic components with different coefficients of thermal expansion due to the required for melting the solder high soldering temperature thermo-mechanical stresses arise that lead to permanent tension of the membrane. The soldering temperature depends on the choice of the solder and can easily be in the range of approx. 700 ° C to 1100 ° C for today's standard solders. At these high temperatures, comparatively small differences in the coefficients of thermal expansion also lead to permanent stresses in the membrane, which have a lasting adverse effect on their pressure transfer properties.

Darüber hinaus besteht beim Löten von Träger und Membran die Gefahr, dass während des Lötvorgangs flüssiges Lot in die Druckkammer eindringt. Eindringendes Lot führt zu einer unkontrollierten Reduktion des Innenvolumens der Druckkammer, zu einer unbestimmten Veränderung der Membranflexibilität und kann unter Umständen zu Einschränkungen oder Beeinträchtigungen der Auslenkungen führen, die die Membran in Abhängigkeit von einem darauf einwirkenden Druck und der Temperatur erfährt. Ein weiterer Nachteil flächiger Lötungen besteht darin, dass sich zwischen den Fügeflächen von Träger und Membran aufgrund von Gaseinschlüssen im flüssigen Lot eingeschlossene Gasblasen ausbilden können, die dazu führen können, dass nach dem Abkühlen innerhalb der Fügung Hohlräume bestehen bleiben, die Qualität der Fügung beinträchtigen.Moreover, when soldering the carrier and the membrane, there is the risk that liquid solder will penetrate into the pressure chamber during the soldering process. Penetrating solder leads to an uncontrolled reduction in the internal volume of the pressure chamber, to an indeterminate change in membrane flexibility and may, under certain circumstances, lead to restrictions or impairments of the deflections experienced by the membrane as a function of a pressure and the temperature acting thereon. A further disadvantage of planar soldering is that gas bubbles trapped in the liquid solder between the joining faces of the carrier and the membrane can form due to gas inclusions, which can lead to the following Cooling within the cavity cavities remain, affecting the quality of the joint.

Sowohl beim Löten als auch beim Schweißen ist die Auswahl der Werkstoffe oder der Werkstoffkombinationen, die durch das jeweilige Verfahren miteinander verbunden werden können begrenzt.Both in brazing and welding, the choice of materials or combinations of materials that can be connected by the respective process is limited.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Druckaufnehmer, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, der die vorgenannten Probleme überwindet.It is an object of the invention to provide a pressure transducer, as well as a method for its production, which overcomes the aforementioned problems.

Hierzu umfasst die Erfindung einen Druckaufnehmer mit einer unter Einschluss einer Druckkammer auf einem metallischen Träger angeordneten metallischen Membran und einer einer Membran und Träger miteinander verbindenden Fügung, der sich dadurch auszeichnet, dass die Fügung eine durch Interdiffusion von Metallatomen zwischen einer auf eine Fügefläche des Trägers aufgebrachten, aus einem ersten Fügepartner bestehenden Beschichtung und einer flächig an die Beschichtung angrenzenden, aus einem zweiten Fügepartner bestehenden Oberflächenschicht der Membran erzeugte Thermokompressionsbondung umfasst.For this purpose, the invention comprises a pressure transducer with a metallic membrane, which includes a pressure chamber on a metallic support, and a join joining a membrane and support, which is characterized in that the join is applied by interdiffusion of metal atoms between one on a joining surface of the support , Coating consisting of a first joining partner and a thermocompression bonding produced on the surface adjacent to the coating, consisting of a second joining partner.

Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberflächenschicht eine auf eine dem Träger zugewandte Oberfläche der Membran aufgebrachte Beschichtung, insb. eine vollflächig auf die Oberfläche aufgebracht Beschichtung, ist.A first development is characterized in that the surface layer is a coating applied to a surface of the membrane facing the support, in particular a coating applied over the entire surface to the surface.

Eine Weiterbildung der ersten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberflächenschicht vor dem Fügen eine Schichtdicke von größer gleich 5 µm, insb. von 5 µm bis 20 µm, aufweist.A development of the first development is characterized in that the surface layer before joining has a layer thickness of greater than or equal to 5 μm, in particular of 5 μm to 20 μm.

Eine weitere Weiterbildung der ersten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Membran aus Stahl, insb. aus Edelstahl, aus einer Nickellegierung, insb. einer Nickel und Molybdän oder Nickel, Molybdän und Chrom enthaltenden Legierung, aus einer Nickel/Kupfer Legierung, insb. Monel, aus Zirkon, aus Titan oder aus Tantal besteht.A further development of the first development is characterized in that the membrane made of steel, esp. Made of stainless steel, of a nickel alloy, esp. Of a nickel and molybdenum or nickel, molybdenum and chromium-containing alloy, made of a nickel / copper alloy, esp. Monel, made of zirconium, titanium or tantalum.

Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberflächenschicht durch eine dem Träger zugewandte Oberschicht der Membran gebildet ist.A second development is characterized in that the surface layer is formed by a top layer of the membrane facing the wearer.

Eine Weiterbildung der zweiten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Membran aus Gold, aus einer Goldlegierung, insb. einer Gold-Nickel Legierung, einer Gold-Kobalt Legierung oder einer Gold-Titan Legierung, aus Silber oder aus einer Silberlegierung besteht.A further development of the second development is characterized in that the membrane consists of gold, a gold alloy, in particular a gold-nickel alloy, a gold-cobalt alloy or a gold-titanium alloy, silver or a silver alloy.

Eine weitere Weiterbildung der zweiten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Membran einschließlich deren die Oberflächenschicht bildenden Oberschicht eine Membranstärke von 25 µm bis 200 µm aufweist.A further development of the second development is characterized in that the membrane, including its upper layer forming the surface layer, has a membrane thickness of 25 μm to 200 μm.

Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Beschichtung vor dem Fügen eine Schichtdicke von größer gleich 5 µm, insb. von 10 µm bis 50 µm, aufweist.A third development is characterized in that the coating before joining has a layer thickness of greater than or equal to 5 .mu.m, in particular of 10 .mu.m to 50 .mu.m.

Eine vierte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Träger aus Stahl, insb. einem Edelstahl, aus einer Nickellegierung, insb. einer Nickel und Molybdän oder Nickel, Molybdän und Chrom enthaltenden Legierung, aus einer Nickel/Kupfer Legierung, insb. Monel, aus Bronze oder aus Kupfer besteht.A fourth development is characterized in that the carrier is made of steel, in particular a stainless steel, of a nickel alloy, in particular of a nickel and molybdenum or nickel, molybdenum and chromium-containing alloy, of a nickel / copper alloy, especially Monel Bronze or made of copper.

Weitere Weiterbildungen zeichnen sich dadurch aus, dass

• – beide Fügepartner aus Silber, aus Gold oder aus Zinn bestehen,
• – einer der Fügepartner aus Kupfer und der andere Fügepartner aus Silber oder einer Silberlegierung besteht, oder
• – einer der Fügepartner aus Silber oder aus Gold und der andere Fügepartner aus Gold, aus einer Goldlegierung, insb. einer Gold-Nickel Legierung, einer Gold-Kobalt Legierung oder einer Gold-Titan Legierung, aus Silber oder aus einer Silberlegierung besteht.

Further developments are characterized by the fact that

• - both joining partners are made of silver, gold or tin,
• - one of the joining partners is copper and the other joining partner is silver or a silver alloy, or
• - One of the joining partners of silver or gold and the other joining partner of gold, a gold alloy, esp. A gold-nickel alloy, a gold-cobalt alloy or a gold-titanium alloy, silver or a silver alloy.

Eine weitere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, die Fügepartner verschieden sind und der erste Fügepartner eine metallische Komponente umfasst, die mit einer metallischen Komponente des zweiten Fügepartners unbegrenzte Mischkristalle ausbildet.A further development is characterized by the joining partners being different and the first joining partner comprising a metallic component which forms unlimited mixed crystals with a metallic component of the second joining partner.

Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers, das sich dadurch auszeichnet, dass

• – die Beschichtung auf eine Fügefläche des Trägers aufgebracht wird, insb. als galvanische Beschichtung aufgebracht wird,
• – Membran und Träger derart aufeinander angeordnet werden, dass deren Fügeflächen einander gegenüber liegen und Beschichtung und Oberflächenschicht im Bereich der herzustellenden Fügung aufeinander aufliegen,
• – die auf diese Weise erzeugte Anordnung unter Beaufschlagung mit einem Fügedruck, insb. einem Fügedruck im Bereich von 10 MPa bis 100 MPa, auf eine unterhalb der Schmelztemperaturen der beiden Fügepartner liegende Fügetemperatur erwärmt wird, bei der Metallatome der Beschichtung durch Diffusion in die Oberflächenschicht eindringen und/oder Metallatome der Oberflächenschicht durch Diffusion in die Beschichtung eindringen.

Furthermore, the invention comprises a method for producing a pressure transducer according to the invention, which is characterized in that

• - The coating is applied to a joint surface of the carrier, esp. Applied as a galvanic coating,
• Membrane and carrier are arranged on one another in such a way that their joining surfaces lie opposite one another and the coating and surface layer rest on one another in the region of the joint to be produced.
• - The arrangement thus produced is subjected to a joining pressure, esp. A joining pressure in the range of 10 MPa to 100 MPa, heated to below the melting temperatures of the two joining partners joining temperature at the metal atoms of the coating penetrate by diffusion into the surface layer and / or metal atoms of the surface layer penetrate by diffusion into the coating.

Eine Weiterbildung des vorgenannten Verfahren zur Herstellung eines Druckaufnehmers gemäß der ersten Weiterbildung zeichnet sich, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht als Beschichtung, insb. als vollflächige Beschichtung, insb. als galvanische Beschichtung, auf die vorgefertigte Membran aufgebracht wird bevor Membran und Träger aufeinander angeordnet werden. A development of the aforementioned method for producing a pressure sensor according to the first development is characterized in that the surface layer is applied as a coating, in particular as a full-surface coating, in particular as a galvanic coating on the prefabricated membrane before membrane and carrier are arranged on each other ,

Weitere Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass

• – der erste Fügepartner Gold oder Silber umfasst, der zweite Fügepartnern Gold oder Silber umfasst und die Thermokompressionsbondung bei einer Fügetemperatur im Bereich von 700°C bis 950°C erfolgt,
• – beide Fügepartner aus Silber bestehen und die Thermokompressionsbondung bei einer Fügetemperatur im Bereich von 750°C bis 850°C erfolgt,
• – einer der Fügepartner aus Kupfer und der andere aus Silber besteht und die Thermokompressionsbondung bei einer Fügetemperatur im Bereich von 500°C bis 750°C erfolgt,
• – mindestens einer der Fügepartner Zinn umfasst und die Thermokompressionsbondung bei einer unterhalb der Schmelztemperatur von Zinn liegenden Fügetemperatur erfolgt, oder
• – beide Fügepartner aus Zinn bestehen und die Thermokompressionsbondung bei einer Fügetemperatur im Bereich von 180°C bis 210°C erfolgt.

Further developments of the method according to the invention is characterized in that

• The first joining partner comprises gold or silver, the second joining partner comprises gold or silver and the thermocompression bonding takes place at a joining temperature in the range from 700 ° C. to 950 ° C.,
• Both joining partners are made of silver and the thermocompression bonding takes place at a joining temperature in the range of 750 ° C. to 850 ° C.,
• - one of the joining partners is copper and the other is silver and the thermocompression bonding takes place at a joining temperature in the range of 500 ° C to 750 ° C,
• - At least one of the joining partners comprises tin and the thermocompression bonding is carried out at a below the melting temperature of tin bonding temperature, or
• - Both joining partners are made of tin and the thermocompression bonding takes place at a joining temperature in the range of 180 ° C to 210 ° C.

Die erfindungsgemäßen Druckaufnehmer weisen den Vorteil auf, dass die metallischen Werkstoffe, aus denen Membran und Träger bestehen, innerhalb sehr weiter Grenzen nahezu frei wählbar sind. Dabei kann der Träger aus jedem beliebigen Werkstoff bestehen, der mit dem ersten Fügepartner beschichtet werden kann. Analog kann die Membran entweder insgesamt aus einem in Kombination mit dem ersten Fügepartner einsetzbaren zweiten Fügepartner bestehen oder aber aus einem Werkstoff bestehen, der mit dem zweiten Fügepartner beschichtet werden kann.The pressure transducers according to the invention have the advantage that the metallic materials that make up the membrane and carrier are almost freely selectable within very wide limits. In this case, the carrier can be made of any material that can be coated with the first joining partner. Analogously, the membrane may consist either of a total of a second joining partner which can be used in combination with the first joining partner or else consist of a material which can be coated with the second joining partner.

Im Unterschied zu Lötungen, bei denen aufgeschmolzenes Lot während des Lötvorgangs in die Druckkammer eindringen kann, findet die Interdiffusion bei der Herstellung der Fügung bereits bei einer unterhalb der Schmelztemperaturen der Fügepartner liegenden Fügetemperatur statt. Da keiner der Fügepartner aufgeschmolzen wird kann auch kein Fügematerial in die Druckkammer eindringen. Da die Interdiffusion bereits bei einer Fügetemperatur stattfindet, bei der Beschichtung und Oberflächenschicht als Festkörper vorliegen, ist eine durch Gaseinschlüsse verursachte Blasenbildung, wie sie in flüssigem Lot auftreten kann, ausgeschlossen. Die Fügungen von erfindungsgemäßen Druckaufnehmern enthalten somit praktisch keine die Qualität der Fügung beeinträchtigenden Hohlräume.In contrast to soldering, in which molten solder can penetrate into the pressure chamber during the soldering process, the interdiffusion takes place during the production of the joint already at a below the melting temperatures of the joining partners lying joint temperature. Since none of the joining partners is melted, no joining material can penetrate into the pressure chamber. Since the interdiffusion already takes place at a joining temperature in which the coating and surface layer are present as solids, bubble formation caused by gas inclusions, as can occur in liquid solder, is ruled out. The Fügungen of pressure transducers according to the invention thus contain virtually no impairment of the quality of the joint cavities.

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 gleichen Bezugszeichen versehen.The invention and its advantages will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, in which two embodiments are shown; the same elements are provided in the figures with the same reference numerals.

1 zeigt: einen erfindungsgemäßen Druckaufnehmer mit einer beschichteten Membran; und 1 shows: a pressure sensor according to the invention with a coated membrane; and

2 zeigt: einen erfindungsgemäßen Druckaufnehmer mit einer monolithischen Membran. 2 shows: a pressure sensor according to the invention with a monolithic membrane.

1 und2 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers mit einer unter Einschluss einer Druckkammer1 auf einem metallischen Träger3 angeordneten metallischen Membran5. Der Druckaufnehmer kann z.B. dazu verwendet werden, einen von außen auf dessen Membran5 einwirkenden Druck p aufzunehmen, der dann über den Druckaufnehmer an einen Zielort übertragen wird. In dem Fall ist im Träger3 eine durch den Träger3 hindurch führenden Bohrung7 vorgesehen, über die die Druckkammer1 unmittelbar oder über eine an die Bohrung7 angeschlossene – hier nicht dargestellte – Druckübertragungsleitung mit dem Zielort zu verbinden ist. Dabei erfolgt die Druckübertragung des von außen auf die Membran5 einwirkenden Drucks p über eine die Druckkammer5, die Bohrung7, sowie die gegebenenfalls vorgesehene Druckübertragungsleitung ausfüllende, Druck übertragende Flüssigkeit. Insoweit wird auf die eingangs genannten Anwendungsbeispiele verwiesen. Bei diesen Anwendungen ist der Träger3 ist vorzugsweise als Prozessanschluss, z.B. als Flansch, ausgebildet, mit dem der Druckaufnehmer an einem Einsatzort montiert werden kann. 1 and 2 each show an embodiment of a pressure sensor according to the invention with a inclusion of apressure chamber 1 on ametallic carrier 3 arrangedmetallic membrane 5 , The pressure transducer can be used, for example, an externally on themembrane 5 acting pressure p, which is then transmitted via the pressure transducer to a destination. In the case is in thecarrier 3 one by thecarrier 3 passing throughbore 7 provided over which thepressure chamber 1 directly or via one to thebore 7 connected - not shown here - pressure transmission line is to be connected to the destination. The pressure is transferred from the outside to themembrane 5 acting pressure p via apressure chamber 5 , thehole 7 , as well as the possibly provided pressure transmission line filling, pressure-transmitting liquid. In that regard, reference is made to the application examples mentioned above. In these applications, the carrier is 3 is preferably designed as a process connection, for example as a flange, with which the pressure sensor can be mounted at a place of use.

Membran5 und Träger3 sind miteinander über eine Fügung9 bzw.11 verbunden. Um die erfindungswesentlichen Merkmale der Fügungen9,11 im Detail darstellen zu können, wurde bei beiden Ausführungsbeispielen eine nicht maßstabsgetreue Darstellung gewählt.membrane 5 andcarriers 3 are with each other over acoincidence 9 respectively. 11 connected. To the invention essential features of thejoints 9 . 11 to be able to represent in detail, in both embodiments, a not to scale representation has been selected.

Erfindungsgemäß umfassen die Fügungen9,11 jeweils eine durch Interdiffusion von Metallatomen zwischen einer auf eine Fügefläche13 des Trägers3 aufgebrachten, aus einem ersten Fügepartner bestehenden Beschichtung15 und einer flächig an die Beschichtung15 angrenzenden, aus einem zweiten Fügepartner bestehenden Oberflächenschicht17 bzw.19 der Membran5 erzeugte Thermokompressionsbondung.According to the invention, the joints comprise 9 . 11 one by interdiffusion of metal atoms between one on ajoint surface 13 of thecarrier 3 applied, consisting of a first joiningpartner coating 15 and one surface to thecoating 15 adjacent, consisting of a second jointpartner surface layer 17 respectively. 19 themembrane 5 produced thermocompression bonding.

Hierzu bestehen die Beschichtung15 und die Oberflächenschicht17 bzw.19 aus Fügepartnern, deren Metallatome interdiffundieren. Interdiffusion im vorliegend verwendeten Sinn bezeichnet einen während der Herstellung der Fügung9,11 bei einer Erwärmung der Fügepartner auf eine unterhalb der Schmelztemperaturen beider Fügepartner liegenden Fügetemperatur erfolgenden Vorgang, bei dem Metallatome der Beschichtung15 durch Diffusion in die daran angrenzende Oberflächenschicht17,19 eindringen und/oder Metallatome der Oberflächenschicht17,19 in die daran angrenzende Beschichtung15 eindringen. Dabei können die Fügepartner, aus denen die Beschichtung15 und die Oberflächenschicht17,19 bestehen identisch oder verschieden sein. Sind die Fügepartner verschieden, so wird vorzugsweise eine Fügepartnerkombination gewählt, bei der jeder Fügepartner eine metallische Komponente aufweist, die mit einer metallischen Komponente des anderen Fügepartners unbegrenzte Mischkristalle ausbildet.For this purpose, the coating exist 15 and thesurface layer 17 respectively. 19 out Joining partners whose metal atoms interdiffuse. Interdiffusion as used herein refers to one during manufacture of thejoint 9 . 11 when the joining partners are heated to a joining temperature below the melting temperatures of both joining partners, in the case of the metal atoms of thecoating 15 by diffusion into theadjacent surface layer 17 . 19 penetrate and / or metal atoms of thesurface layer 17 . 19 in the adjoiningcoating 15 penetration. It can be the joining partners that make up thecoating 15 and thesurface layer 17 . 19 be identical or different. If the joining partners differ, it is preferable to choose a joining partner combination in which each joining partner has a metallic component which forms unlimited mixed crystals with a metallic component of the other joining partner.

Um die Fügung9,11 bei möglichst niedrigen Fügetemperaturen herstellen zu können werden, werden vorzugsweise Fügepartnerkombinationen eingesetzt, deren Metallatome bereits bei vergleichsweise niedrigen Fügetemperaturen eine hohe Beweglichkeit aufweisen.To thecoincidence 9 . 11 be prepared at the lowest possible joining temperatures, joining partner combinations are preferably used, the metal atoms have a high mobility even at relatively low joining temperatures.

Besonders bevorzugte Fügepartnerkombinationen sind insoweit Silber und Silber, Gold und Gold, Zinn und Zinn, Kupfer und Silber, sowie Silber und Gold. Weitere Fügepartnerkombinationen bestehen darin in den vorgenannten Fügepartnerkombinationen für einen der beiden Fügepartner anstelle des jeweiligen reinen Metalls, einen das jeweilige Metall enthaltenden Werkstoff einzusetzen. So kann beispielsweise anstelle von Gold eine Goldlegierung bzw. anstelle von Silber ein Silberlegierungen eingesetzt werden.Particularly preferred joining partner combinations are insofar silver and silver, gold and gold, tin and tin, copper and silver, and silver and gold. Further joining partner combinations consist in the abovementioned joining partner combinations for one of the two joining partners instead of the respective pure metal to use a material containing the respective metal. For example, instead of gold, a gold alloy or instead of silver, a silver alloy can be used.

Die beiden Ausführungsbeispiele stellen alternative Ausführungen dar, die sich lediglich dadurch unterscheiden, dass die Oberflächenschicht17 bei dem in1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine vor dem Fügen auf die dem Träger3 zugewandte Oberfläche der Membran5 aufgebrachte Beschichtung, insb. eine vollflächig aufgebrachte Beschichtung, ist, während die Oberflächenschicht19 bei dem in2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine dem Träger3 zugewandte Oberschicht der Membran5 gebildet ist.The two embodiments represent alternative embodiments that only differ in that thesurface layer 17 at the in 1 illustrated embodiment, one before joining on thecarrier 3 facing surface of themembrane 5 applied coating, esp. A coating applied over the entire surface, while thesurface layer 19 at the in 2 illustrated embodiment by a thecarrier 3 facing upper layer of themembrane 5 is formed.

Die Herstellung der in1 dargestellten Druckaufnehmer erfolgt, indem der Träger3, einschließlich der darin eingeschlossenen Druckkammer1, sowie der ggfs. vorzusehenden Bohrung7 und die Membran5 vorgefertigt werden. Dabei wird zur Herstellung der Membran5 vorzugsweise eine Metallfolie verwendet. Metallfolien bieten den Vorteil, dass sie vergleichsweise geringe Oberflächenrauigkeit ausweisen, so dass die Außenseite des Druckaufnehmer hohen Hygieneanforderungen genügt. Der Träger3 kann beispielsweise als Drehteil gefertigt werden.The production of in 1 illustrated pressure transducer is made by thecarrier 3 including the pressure chamber enclosed therein 1 , as well as the possibly to be providedbore 7 and themembrane 5 prefabricated. This is for the preparation of themembrane 5 preferably a metal foil used. Metal foils have the advantage that they have comparatively low surface roughness, so that the outside of the pressure transducer meets high hygiene requirements. Thecarrier 3 can be manufactured for example as a turned part.

Danach wird die Beschichtung15 aus dem ersten Fügepartner auf die Fügefläche des Trägers3 aufgebracht. Anschließend oder parallel dazu wird die Oberflächenschicht17 aus dem zweiten Fügepartner als vollflächige Beschichtung auf die vorgefertigte Membran5 aufgebracht.After that, the coating becomes 15 from the first joining partner to the joining surface of thecarrier 3 applied. Subsequently or in parallel, the surface layer becomes 17 from the second joining partner as a full-surface coating on theprefabricated membrane 5 applied.

Dabei wird sowohl zur Beschichtung des Trägers3 mit der Beschichtung15 als auch zur Beschichtung der Membran5 mit der Oberflächenschicht17 vorzugsweise ein galvanischen Beschichtungsverfahren eingesetzt. Galvanische Beschichtungsverfahren sind hinlänglich bekannt und daher hier nicht im Detail beschrieben. Sie bieten den Vorteil, dass hierdurch eine große Vielzahl von Werkstoffen mit einer Vielzahl unterschiedlicher Beschichtungswerkstoffe beschichtet werden kann, die sich insb. durch den Einsatz von Haftschichten noch weiter vergrößern lässt. Dabei wird die Haftschicht in Form einer sehr dünnen Zwischenschicht, z.B. einer nur 100 nm bis 500 nm dicken Zwischenschicht, z.B. einer Goldschicht, auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht, auf die dann der jeweilige Fügepartner galvanisch aufgebracht wird. So kann beispielsweise Zinn, Kupfer oder Silber galvanisch auf eine dünne Haftschicht aus Gold aufgebracht werden.It is used both for coating thecarrier 3 with thecoating 15 as well as for coating themembrane 5 with thesurface layer 17 preferably a galvanic coating method used. Galvanic coating processes are well known and therefore not described in detail here. They offer the advantage that, as a result, a large number of materials can be coated with a large number of different coating materials, which can be further increased, in particular, by the use of adhesive layers. In this case, the adhesive layer in the form of a very thin intermediate layer, for example, only a 100 nm to 500 nm thick intermediate layer, such as a gold layer, applied to the surface to be coated, then the respective joint partner is then applied galvanically. For example, tin, copper or silver can be applied galvanically to a thin adhesion layer of gold.

Erfindungsgemäße Druckaufnehmer bieten den Vorteil, dass der Träger3 aus jedem beliebigen Metall bestehen kann, das mit einem der Fügepartner beschichtet werden kann. Dabei kann der Träger beispielsweise aus einem Stahl, z.B. Edelstahl, aus einer Nickellegierung, z.B. einer Nickel und Molybdän oder Nickel, Molybdän und Chrom enthaltenden Legierung, wie sie z.B. unter dem Markennamen Hastelloy erhältlich sind, aus einer Nickel/Kupfer Legierung, z.B. Monel, aus Bronze oder aus Kupfer bestehen.Pressure transducers according to the invention offer the advantage that thecarrier 3 can be made of any metal that can be coated with one of the joining partners. In this case, the support may be made of a steel, eg stainless steel, of a nickel alloy, eg a nickel and molybdenum or nickel, molybdenum and chromium-containing alloy, such as those available under the trade name Hastelloy, from a nickel / copper alloy, eg Monel, made of bronze or copper.

Genauso kann auch die vor dem Fügen mit der Oberflächenschicht17 beschichtete Membran5 aus jedem beliebigen Metall bestehen, das mit dem zweiten Fügepartner beschichtet werden kann. Dabei kann die Membran5 beispielsweise aus Stahl, z.B. Edelstahl, aus einer Nickellegierung, z.B. einer Nickel und Molybdän oder Nickel, Molybdän und Chrom enthaltenden Legierung, wie sie z.B. unter dem Markennamen Hastelloy erhältlich sind, aus einer Nickel/Kupfer Legierung, z.B. Monel, aus Zirkon, aus Titan oder aus Tantal bestehen.The same can be done before joining with thesurface layer 17coated membrane 5 consist of any metal that can be coated with the second joining partner. In this case, themembrane 5 For example, from steel, eg stainless steel, from a nickel alloy, such as a nickel and molybdenum or nickel, molybdenum and chromium-containing alloy, such as those available under the brand name Hastelloy, from a nickel / copper alloy, eg Monel, zirconium, titanium or tantalum.

Nachfolgend wird die Fügung zwischen Träger3 und Membran5 erzeugt, indem die beschichtete Membran5 und der beschichtete Träger3 derart aufeinander angeordnet werden, dass deren Fügeflächen einander gegenüber liegen und Beschichtung15 und Oberflächenschicht17 im Bereich der herzustellenden Fügung9 aufeinander aufliegen. Im Anschluss wird die auf diese Weise erzeugte Anordnung unter Beaufschlagung mit einem Fügedruck, z.B. einem Fügedruck von größer gleich 10 MPa und kleiner gleich 100 MPa, auf eine Fügetemperatur erwärmt, bei der Metallatome der auf den Träger3 aufgebrachten Beschichtung15 durch Diffusion in die auf die Membran5 aufgebrachte Oberflächenschicht17 eindringen und/oder Metallatome der auf die Membran5 aufgebrachten Oberflächenschicht17 durch Diffusion in die auf den Träger3 aufgebrachte Beschichtung15 eindringen. Abschließend kühlt die Anordnung wieder ab, wobei aufgrund der während der Fügedauer zwischen der Beschichtung15 und der Oberflächenschicht17 stattgefundenen Interdiffusion von Metallatomen eine druckfeste Verbindung entsteht.Below is the joining betweencarriers 3 andmembrane 5 generated by thecoated membrane 5 and thecoated carrier 3 be arranged one above the other so that their joining surfaces face each other andcoating 15 andsurface layer 17 in the area of the joint to be produced 9 rest on each other. Subsequently, the arrangement produced in this way is heated to a joining temperature by applying a joining pressure, for example a joining pressure of greater than or equal to 10 MPa and less than or equal to 100 MPa, with the metal atoms being heated to thesupport 3 appliedcoating 15 by diffusion into themembrane 5 appliedsurface layer 17 penetrate and / or metal atoms on themembrane 5 appliedsurface layer 17 by diffusion into thecarrier 3 appliedcoating 15 penetration. Finally, the arrangement cools again, due to the during the joining time between thecoating 15 and thesurface layer 17 occurred interdiffusion of metal atoms, a pressure-resistant connection.

Die Fügetemperatur liegt unterhalb der Schmelztemperaturen der beiden Fügepartner und ist in Abhängigkeit von der Wahl der Fügepartner vorzugeben. Dabei wird bei einer Fügepartnerkombination, bei der der erste Fügepartner Gold oder Silber umfasst und der zweite Fügepartnern Gold oder Silber umfasst, vorzugsweise eine Fügetemperatur im Bereich von 700°C bis 950°C angesetzt. Bestehen beide Fügepartner aus Silber, so wird vorzugsweise eine Fügetemperatur im Bereich von 750°C bis 850°C angesetzt. Besteht einer der Fügepartner aus Kupfer und der andere aus Silber, so genügt bereits eine Fügetemperatur im Bereich von 500°C bis 750°C. Eine noch weitere Reduktion der Fügetemperatur lässt dadurch erzielen, dass mindestens einer der Fügepartner Zinn umfasst. Bestehen beide Fügepartner aus Zinn, so genügt bereits eine unterhalb der sehr niedrigen Schmelztemperatur von Zinn liegende Fügetemperatur, wie z.B. eine Fügetemperatur im Bereich von 180°C bis 210°C.The joining temperature is below the melting temperatures of the two joining partners and must be specified depending on the choice of the joining partner. In this case, in the case of a joining partner combination in which the first joining partner comprises gold or silver and the second joining partner comprises gold or silver, preferably a joining temperature in the range from 700 ° C. to 950 ° C. is used. If both joining partners consist of silver, preferably a joining temperature in the range of 750 ° C. to 850 ° C. is used. If one of the joining partners consists of copper and the other of silver, then a joining temperature in the range of 500 ° C. to 750 ° C. is sufficient. An even further reduction in the bonding temperature can be achieved by at least one of the joining partners comprising tin. If both joining partners consist of tin, it is sufficient to have a bonding temperature below the very low melting point of tin, such as e.g. a joining temperature in the range of 180 ° C to 210 ° C.

Dabei bieten die auf diese Weise erzielbaren geringen Fügetemperaturen den Vorteil, dass herstellungsbedingte Verspannungen der Membran5 auch dann noch vergleichsweise gering sind, wenn Membran5 und Träger3 aus Werkstoffen bestehen, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten verschieden sind.The low joining temperatures which can be achieved in this way offer the advantage that the production-related tensions of themembrane 5 even then are comparatively low, ifmembrane 5 andcarriers 3 consist of materials whose thermal expansion coefficients are different.

Die zur Erzeugung der Thermokompressionsbondung erforderliche Fügedauer, während der die Anordnung unter dem Fügedruck auf der Fügetemperatur gehalten werden muss, ist abhängig von der Fügetemperatur und dem Fügedruck. Sie kann je nach Wahl dieser Parameter beispielsweise in einem Bereich von 30 Minuten bis zu 10 Stunden liegen. Dabei ist die Fügedauer umso geringer, je höher die Fügetemperatur ist. Genauso ist sie umso geringer, je höher der Fügedruck ist.The time required to produce the thermocompression bond during which the assembly must be kept below the joining pressure at the joining temperature depends on the joining temperature and the joining pressure. Depending on the choice of these parameters, for example, it can range from 30 minutes to 10 hours. The joining time is the lower, the higher the bonding temperature. Likewise, it is the lower, the higher the joining pressure.

Zur Erzeugung der Thermokompressionsbondung genügt es bereits, wenn Beschichtung15 und die damit durch Interdiffusion zu verbindende Oberflächenschicht17 vor der Erzeugung der Fügung9 eine Schichtdicke von wenigen Mikrometern, vorzugsweise von größer gleich 5 µm, aufweisen. Diese Mindestschichtdicke ist ausreichend, um sicher zu stellen, dass die Verbindung zwischen Beschichtung15 und Träger3, sowie zwischen Oberflächenschicht17 und Membran5 durch den Interdiffusionsprozess nicht beeinträchtigt wird. Dabei ist der Schutz dieser Verbindung natürlich umso besser, je größer die Schichtdicke ist.To produce the thermocompression bonding, it is sufficient if coating 15 and the surface layer to be connected therewith byinterdiffusion 17 before the generation of the coincidence 9 a layer thickness of a few micrometers, preferably greater than or equal to 5 microns. This minimum layer thickness is sufficient to ensure that the connection betweencoating 15 andcarriers 3 , as well as betweensurface layer 17 andmembrane 5 is not affected by the interdiffusion process. Of course, the greater the layer thickness, the better the protection of this compound.

Dementsprechend weist die auf den Träger3 aufgebrachte Beschichtung15 vor dem Fügen vorzugsweise eine deutlich größere Schichtdicke auf, die vorzugsweise in der Größenordnung von 10 µm bis 50 µm liegt. Diese größere Schichtdicke bietet einen verbesserten Schutz der Verbindung zwischen Beschichtung15 und Träger3. Darüber hinaus bietet sie den Vorteil, dass durch die größere Schichtdicke auch größere Unebenheiten der Fügefläche13 des Trägers3 ohne Weiteres ausgeglichen werden können. Das bietet den Vorteil, dass die Fügefläche13 des Trägers3 vor deren Beschichtung auch dann nicht poliert oder geschliffen werden muss, wenn sie herstellungsbedingt eine vergleichsweise große Oberflächenrauigkeit aufweist.Accordingly, it points to thecarrier 3 appliedcoating 15 preferably before joining a significantly greater layer thickness, which is preferably in the order of 10 microns to 50 microns. This greater layer thickness provides improved protection of the bond between thecoating 15 andcarriers 3 , In addition, it offers the advantage that the greater layer thickness also greater unevenness of thejoint surface 13 of thecarrier 3 can be compensated easily. This offers the advantage that the joiningsurface 13 of thecarrier 3 before the coating even then does not need to be polished or ground, if it has a comparatively large surface roughness due to manufacturing reasons.

Demgegenüber weist die auf die Membran5 aufgebrachte Oberflächenschicht17 vor dem Fügen eine für den Schutz der Verbindung zwischen Oberflächenschicht17 und Membran5 ausreichende, ansonsten aber vorzugsweise möglichst geringe Schichtdicke auf. Eine geringe Schichtdicke bietet bei vollflächig mit der Oberflächenschicht17 beschichteten Membranen5 den Vorteil, dass sich hierdurch der Einfluss der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Membran5 und Oberflächenschicht17 auf die Temperaturabhängigkeit des Druckübertragungsverhalten des Druckaufnehmers verringert.In contrast, it points to themembrane 5 appliedsurface layer 17 before joining one for the protection of the connection betweensurface layer 17 andmembrane 5 sufficient, but otherwise preferably as small as possible layer thickness. A small layer thickness provides full surface with thesurface layer 17coated membranes 5 the advantage that in this way the influence of the different thermal expansion coefficients ofmembrane 5 andsurface layer 17 reduced to the temperature dependence of the pressure transmission behavior of the pressure transducer.

Hierzu liegt die Schichtdicke der Oberflächenschicht17 vorzugsweise in der Größenordnung von 5 µm bis 20 µm. Sie ist vorzugsweise umso geringer, je geringer die Materialstärke der Membran5 ist.For this the layer thickness of the surface layer lies 17 preferably in the order of 5 microns to 20 microns. It is preferably the lower, the lower the material thickness of themembrane 5 is.

Die Materialstärke der Membran5 wird üblicher Weise in Abhängigkeit von der der Größe der vom Druckaufnehmer aufzunehmenden oder zu übertragenden Drücke vorgegeben und liegt typischer Weise im Bereich von 20 µm bis 200 µm. Im Vergleich dazu ist der Träger3 ein massives Bauteil, dessen Bauhöhe typischer Weise im Zentimeterbereich liegt und dessen Durchmesser oder dessen Seitenlängen typischer Weise eine Länge von mehreren Zentimetern oder sogar im Dezimeterbereich aufweisen.The material thickness of themembrane 5 is usually given as a function of the size of the pressure transducer to be absorbed or transmitted pressures and is typically in the range of 20 microns to 200 microns. In comparison, the carrier is 3 a solid component whose overall height is typically in the centimeter range and whose diameter or side lengths typically have a length of several centimeters or even in the decimeter range.

Die Herstellung des in2 dargestellten Druckaufnehmers erfolgt völlig analog zu der zuvor beschriebenen Herstellung des in1 dargestellten Druckaufnehmers, wobei der Verfahrensschritt der Beschichtung der Membran5 entfällt und die Interdiffusion der Metallatome während der Fügedauer zwischen der auf den Träger3 aufgebrachten Beschichtung15 und der Membran5 stattfindet. Auch hier weist die auf den Träger3 aufgebrachte Beschichtung15 vor dem Fügen vorzugsweise eine Schichtdicke von größer gleich wenigen Mikrometern, insb. von größer gleich 5 µm, auf, die vorzugsweise in der Größenordnung von 10 µm bis 50 µm liegt.The production of in 2 shown pressure transducer is completely analogous to the previously described production of in 1 illustrated pressure transducer, wherein the step of coating themembrane 5 deleted and the interdiffusion of the metal atoms during the joining time between the on thecarrier 3 appliedcoating 15 and themembrane 5 takes place. Here, too, points to thecarrier 3 appliedcoating 15 Before joining preferably a layer thickness of greater than or equal to a few microns, esp. Of greater than or equal to 5 microns, which is preferably in the order of 10 microns to 50 microns.

Bei dieser Variante weist die Membran5 einschließlich deren die Oberflächenschicht19 bildenden Oberschicht vorzugsweise eine Membranstärke von 25 µm bis 200 µm µm auf.In this variant, themembrane 5 including thesurface layer 19 forming upper layer preferably has a membrane thickness of 25 .mu.m to 200 .mu.m.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der anhand von2 beschriebenen Variante besteht darin, dass die Beschichtung15 aus Silber oder aus Gold besteht und die die Oberflächenschicht19 umfassende Membran5 aus einer Folie aus Gold oder einer ggfs. im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften der Membran5 besser geeigneten Goldlegierung, z.B. einer Gold-Nickel Legierung, einer Gold-Kobalt Legierung oder einer Gold-Titan Legierung, besteht. Folien aus Gold bzw. aus einer Goldlegierung bieten den Vorteil, dass diese Werkstoffe in hohem Maße korrosionsbeständig sind und eine sehr wirksame Diffusionssperre gegenüber Wasserstoff bilden.A particularly preferred embodiment of the basis of 2 variant described is that thecoating 15 is made of silver or gold and which is thesurface layer 19comprehensive membrane 5 from a film of gold or, if appropriate, with regard to the mechanical properties of themembrane 5 more suitable gold alloy, such as a gold-nickel alloy, a gold-cobalt alloy or a gold-titanium alloy consists. Gold or gold alloy foils have the advantage that these materials are highly resistant to corrosion and form a very effective diffusion barrier to hydrogen.

Alternativ kann die Beschichtung15 aus Silber oder aus Gold bestehen und die Membran5 aus einer Folie aus Silber oder einer Silberlegierung bestehen. Genau wie Membranen5 aus Gold oder einer Goldlegierung, bilden auch Membranen5 aus Silber oder einer Silberlegierung eine sehr wirksame Diffusionssperre gegenüber Wasserstoff.Alternatively, thecoating 15 made of silver or gold and themembrane 5 consist of a foil of silver or a silver alloy. Just likemembranes 5 made of gold or a gold alloy, also formmembranes 5 made of silver or a silver alloy a very effective diffusion barrier to hydrogen.

Eine Wasserstoffdiffusionssperre ist insb. bei mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit befüllten Druckaufnehmern von erheblichem Vorteil, da in die Flüssigkeit eindringender Wasserstoff zu erheblichen Veränderungen der Druckübertragungseigenschaften dieser Druckaufnehmer, sowie im schlimmsten Fall sogar zum Ausfall des Druckaufnehmers führen kann.A hydrogen diffusion barrier is esp. At filled with a pressure-transmitting liquid pressure transducers of considerable advantage, as in the liquid penetrating hydrogen can lead to significant changes in the pressure transmission properties of these pressure transducers, and in the worst case even to the failure of the pressure transducer.

Aus dem Stand der Technik sind Druckaufnehmer bekannt, bei denen einem Eindringen von Wasserstoff in die Druckkammer dadurch entgegen gewirkt wird, dass die Außenseite der Membran mit einer galvanisch aufgebrachten Goldschicht beschichtet wird. Galvanisch aufgebrachte Goldbeschichtungen weisen jedoch herstellungsbedingt eine deutlich höhere Porösität auf als Folien aus Gold, Goldlegierungen, Silber oder Silberlegierungen. Diese Porösität begrenzt den Druckbereich und den Temperaturbereich, indem die galvanisch aufgebrachte Goldschicht eine zuverlässige Diffusionssperre für Wasserstoff bildet. Außerdem kann es bei hohen Drücken und/oder hohen Temperaturen zu punktueller Korrosion oder sogar zu einer Ablösung der Goldbeschichtung von der Membran kommen. Diese Probleme werden durch erfindungsgemäße Druckaufnehmer mit einer aus einer Folie aus Gold, einer Goldlegierung, Silber oder einer Silberlegierung bestehenden Membran5 überwunden.Pressure sensors are known from the prior art, in which the penetration of hydrogen into the pressure chamber is counteracted by the fact that the outer side of the membrane is coated with a galvanically applied gold layer. Galvanically applied gold coatings, however, have a significantly higher porosity due to the production than films made of gold, gold alloys, silver or silver alloys. This porosity limits the pressure range and the temperature range, as the gold-plated gold layer forms a reliable diffusion barrier for hydrogen. In addition, at high pressures and / or high temperatures, punctiform corrosion or even peeling of the gold coating from the membrane may occur. These problems are caused by pressure transducers according to the invention with a membrane made of a film of gold, a gold alloy, silver or asilver alloy 5 overcome.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Druckkammer pressure chamber

33

Träger carrier

55

Membran membrane

77

Bohrung drilling

99

Fügung coincidence

1111

Fügung coincidence

1313

Fügefläche des Trägers Joining surface of the carrier

1515

Beschichtung coating

1717

Oberflächenschicht surface layer

1919

Oberflächenschicht surface layer

Claims (14)

Translated fromGerman

Druckaufnehmer, mit – einer unter Einschluss einer Druckkammer (1) auf einem metallischen Träger (3) angeordneten metallischen Membran (5), und – einer Membran (5) und Träger (3) miteinander verbindenden Fügung (9,11),dadurch gekennzeichnet, dass – die Fügung (9,11) eine durch Interdiffusion von Metallatomen zwischen einer auf eine Fügefläche (13) des Trägers (3) aufgebrachten, aus einem ersten Fügepartner bestehenden Beschichtung (15) und einer flächig an die Beschichtung (15) angrenzenden, aus einem zweiten Fügepartner bestehenden Oberflächenschicht (17,19) der Membran (5) erzeugte Thermokompressionsbondung umfasst.Pressure transducer, with - including a pressure chamber ( 1 ) on a metallic support ( 3 ) arranged metallic membrane ( 5 ), and - a membrane ( 5 ) and supports ( 3 ) joining together ( 9 . 11 ),characterized in that - the addition ( 9 . 11 ) one by interdiffusion of metal atoms between one on a joint surface ( 13 ) of the carrier ( 3 ), consisting of a first joining partner coating ( 15 ) and a surface of the coating ( 15 ) adjacent, consisting of a second joining partner surface layer ( 17 . 19 ) of the membrane ( 5 ) comprises thermocompression bonding.Druckaufnehmer gemäß Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (17) eine auf eine dem Träger (3) zugewandte Oberfläche der Membran (5) aufgebrachte Beschichtung, insb. eine vollflächig auf die Oberfläche aufgebracht Beschichtung, ist.Pressure transducer according to claim 1,characterized in that the surface layer ( 17 ) one on one the carrier ( 3 ) facing surface of the membrane ( 5 ) applied coating, esp. A coating applied over the entire surface of the surface, is.Druckaufnehmer gemäß Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (17) vor dem Fügen eine Schichtdicke von größer gleich 5 µm, insb. von 5 µm bis 20 µm, aufweist.Pressure transducer according to claim 2,characterized in that the surface layer ( 17 ) before joining a layer thickness of greater than or equal to 5 microns, esp. Of 5 microns to 20 microns having.Druckaufnehmer gemäß Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) aus Stahl, insb. aus Edelstahl, aus einer Nickellegierung, insb. einer Nickel und Molybdän oder Nickel, Molybdän und Chrom enthaltenden Legierung, aus einer Nickel/Kupfer Legierung, insb. Monel, aus Zirkon, aus Titan oder aus Tantal besteht.Pressure sensor according to claim 2,characterized in that the membrane ( 5 ) of steel, in particular of stainless steel, of a nickel alloy, in particular of an alloy containing nickel and molybdenum or nickel, molybdenum and chromium, of a nickel / Copper alloy, esp. Monel, made of zirconium, titanium or tantalum.Druckaufnehmer gemäß Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (19) durch eine dem Träger (3) zugewandte Oberschicht der Membran (5) gebildet ist.Pressure transducer according to claim 1,characterized in that the surface layer ( 19 ) by a carrier ( 3 ) facing upper layer of the membrane ( 5 ) is formed.Druckaufnehmer gemäß Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) aus Gold, aus einer Goldlegierung, insb. einer Gold-Nickel Legierung, einer Gold-Kobalt Legierung oder einer Gold-Titan Legierung, aus Silber oder aus einer Silberlegierung besteht.Pressure sensor according to claim 5,characterized in that the membrane ( 5 ) consists of gold, a gold alloy, in particular a gold-nickel alloy, a gold-cobalt alloy or a gold-titanium alloy, silver or a silver alloy.Druckaufnehmer gemäß Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) einschließlich deren die Oberflächenschicht (19) bildenden Oberschicht eine Membranstärke von 25 µm bis 200 µm aufweist.Pressure sensor according to claim 5,characterized in that the membrane ( 5 ) including the surface layer ( 19 ) forming upper layer has a membrane thickness of 25 microns to 200 microns.Druckaufnehmer gemäß Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (15) vor dem Fügen eine Schichtdicke von größer gleich 5 µm, insb. von 10 µm bis 50 µm, aufweist.Pressure transducer according to claim 1,characterized in that the coating ( 15 ) before joining a layer thickness of greater than or equal to 5 microns, esp. From 10 .mu.m to 50 .mu.m.Druckaufnehmer gemäß Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) aus Stahl, insb. einem Edelstahl, aus einer Nickellegierung, insb. einer Nickel und Molybdän oder Nickel, Molybdän und Chrom enthaltenden Legierung, aus einer Nickel/Kupfer Legierung, insb. Monel, aus Bronze oder aus Kupfer besteht.Pressure transducer according to claim 1,characterized in that the carrier ( 3 ) made of steel, in particular a stainless steel, of a nickel alloy, in particular of an alloy containing nickel and molybdenum or nickel, molybdenum and chromium, of a nickel / copper alloy, in particular Monel, of bronze or of copper.Druckaufnehmer gemäß Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass – beide Fügepartner aus Silber, aus Gold oder aus Zinn bestehen, – einer der Fügepartner aus Kupfer und der andere Fügepartner aus Silber oder einer Silberlegierung besteht, oder – einer der Fügepartner aus Silber oder aus Gold und der andere Fügepartner aus Gold, aus einer Goldlegierung, insb. einer Gold-Nickel Legierung, einer Gold-Kobalt Legierung oder einer Gold-Titan Legierung, aus Silber oder aus einer Silberlegierung besteht.Pressure sensor according to claim 1,characterized in that - both joint partners made of silver, gold or tin, - one of the joining partners of copper and the other joining partner of silver or a silver alloy, or - one of the joining partners of silver or gold and the other joining partner consists of gold, a gold alloy, in particular a gold-nickel alloy, a gold-cobalt alloy or a gold-titanium alloy, silver or a silver alloy.Druckaufnehmer gemäß Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner verschieden sind und der erste Fügepartner eine metallische Komponente umfasst, die mit einer metallischen Komponente des zweiten Fügepartners unbegrenzte Mischkristalle ausbildet.Pressure sensor according to claim 1,characterized in that the joining partners are different and the first joining partner comprises a metallic component which forms unlimited mixed crystals with a metallic component of the second joining partner.Verfahren zur Herstellung eines Druckaufnehmer gemäß Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass – die Beschichtung (15) auf eine Fügefläche des Trägers (3) aufgebracht wird, insb. als galvanische Beschichtung aufgebracht wird, – Membran (5) und Träger (3) derart aufeinander angeordnet werden, dass deren Fügeflächen einander gegenüber liegen und Beschichtung (15) und Oberflächenschicht (17,19) im Bereich der herzustellenden Fügung (9,11) aufeinander aufliegen, – die auf diese Weise erzeugte Anordnung unter Beaufschlagung mit einem Fügedruck, insb. einem Fügedruck im Bereich von 10 MPa bis 100 MPa, auf eine unterhalb der Schmelztemperaturen der beiden Fügepartner liegende Fügetemperatur erwärmt wird, bei der Metallatome der Beschichtung (15) durch Diffusion in die Oberflächenschicht (17,19) eindringen und/oder Metallatome der Oberflächenschicht (17,19) durch Diffusion in die Beschichtung (15) eindringen.Method of manufacturing a pressure transducer according to claim 1,characterized in that - the coating ( 15 ) on a joining surface of the carrier ( 3 ) is applied, in particular. Is applied as a galvanic coating, - membrane ( 5 ) and supports ( 3 ) are arranged on one another in such a way that their joining surfaces are opposite one another and coating ( 15 ) and surface layer ( 17 . 19 ) in the area of the joint ( 9 . 11 ), the arrangement produced in this way is heated to a joining temperature below the melting temperatures of the two joining partners while being subjected to a joining pressure, in particular a joining pressure in the range from 10 MPa to 100 MPa, at the metal atoms of the coating ( 15 ) by diffusion into the surface layer ( 17 . 19 ) and / or metal atoms of the surface layer ( 17 . 19 ) by diffusion into the coating ( 15 ).Verfahren gemäß Anspruch 12 zur Herstellung eines Druckaufnehmer gemäß Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (17) als Beschichtung, insb. als vollflächige Beschichtung, insb. als galvanische Beschichtung, auf die vorgefertigte Membran (5) aufgebracht wird bevor Membran (5) und Träger (3) aufeinander angeordnet werden.Process according to claim 12 for the production of a pressure sensor according to claim 2,characterized in that the surface layer ( 17 ) as a coating, especially as a full-surface coating, in particular as a galvanic coating, on the prefabricated membrane ( 5 ) is applied before membrane ( 5 ) and supports ( 3 ) are arranged on top of each other.Verfahren gemäß Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Fügepartner Gold oder Silber umfasst, der zweite Fügepartnern Gold oder Silber umfasst und die Thermokompressionsbondung bei einer Fügetemperatur im Bereich von 700°C bis 950°C erfolgt, – beide Fügepartner aus Silber bestehen und die Thermokompressionsbondung bei einer Fügetemperatur im Bereich von 750°C bis 850°C erfolgt, – einer der Fügepartner aus Kupfer und der andere aus Silber besteht und die Thermokompressionsbondung bei einer Fügetemperatur im Bereich von 500°C bis 750°C erfolgt, – mindestens einer der Fügepartner Zinn umfasst und die Thermokompressionsbondung bei einer unterhalb der Schmelztemperatur von Zinn liegenden Fügetemperatur erfolgt, oder – beide Fügepartner aus Zinn bestehen und die Thermokompressionsbondung bei einer Fügetemperatur im Bereich von 180°C bis 210°C erfolgt.A method according to claim 12,characterized in that - the first joining partner comprises gold or silver, the second joining partners comprises gold or silver and the thermocompression bonding takes place at a joining temperature in the range of 700 ° C to 950 ° C, - both joining partners are made of silver and the thermocompression bonding takes place at a joining temperature in the range from 750 ° C to 850 ° C, - one of the joining partners is copper and the other silver and the thermocompression bonding takes place at a joining temperature in the range of 500 ° C to 750 ° C, - at least one the joining partner comprises tin and the thermocompression bonding takes place at a joining temperature below the melting point of tin, or - both joining partners are made of tin and the thermocompression bonding takes place at a joining temperature in the range from 180 ° C. to 210 ° C.

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