DE60018611T2 - Verfahren und vorrichtung für einen direkt gebondeten isolierten drucksensor - Google Patents

Verfahren und vorrichtung für einen direkt gebondeten isolierten drucksensor Download PDF

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DE60018611T2
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L. Roger FRICK
C. Fred SITTLER
C. Adrian TOY
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0075—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass

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Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Drucksensoren.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bei Luftfahrt- oder industriellen Fluiddruckmessanwendungen können Fluide (druckbeaufschlagte Medien) Metallmessfilme korrodieren. Metallmessfilme werden daher vorzugsweise im Inneren eines Drucksensorkörpers angeordnet und Anschlussleitungen werden vorzugsweise derart durch den Körper geführt, dass korrosive Prozessfluide nicht in Kontakt mit den Messfilmen und Anschlussleitungen kommen, siehe beispielsweise WO-A-96/27123. Korrosive Prozessfluide können Gase in einem Luft/Raumfahrt- oder stationären Turbinenmotor, Säuren, Ätzmittel, Öle, Petrochemikalien und dgl. umfassen.
  • Aluminiumoxid ist ein bevorzugtes Material für Sensorkörper, da es ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit besitzt. Es ist jedoch schwierig, in Aluminiumoxid Bohrungen für Anschlussleitungen zwischen einem Messfilm und einer externen elektronischen Schaltung zu bohren. Aluminiumoxidsensoren werden vorzugsweise durch direktes Verbinden (direct bonding) zusammengesetzt. Beim direkten Verbinden sind die Kontaktflächen von Aluminiumlagen optisch flach, sauber und vollständig in Kontakt miteinander und keine Haftsubstanz wird zwischen den Lagen verwendet. Irgendwelche Unregelmäßigkeiten, wie z.B. ein an den Kontaktflächen hindurchgeführter Metallfilm würde die Kontaktflächen um einen mikroskopischen Betrag auseinanderhalten und das direkte Verbinden störend beeinflussen.
  • Für anspruchsvolle industrielle, Luft/Raumfahrt- und Turbinen-Anwendungen wird eine einfach herzustellende Durchführungsdichtung benötigt, welche nicht die Leistungsfähigkeit eines direkt verbundenen Aluminiumoxid-Drucksensors vermindert.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen Drucksensor bereit, umfassend einen Träger, welcher integral um einen zentralen Kanal herum ausgebildet ist, wobei der Träger ein integrales blindes Ende hat, welches für eine Fluiddruckbeaufschlagung ausgebildet ist, und ein entgegengesetztes Ende hat, welches so geformt ist, dass es eine Stufenecke bereitstellt, wobei sich ein Spalt an der Basis der Stufenecke öffnet, wo der Spalt gegenüber dem Fluid isoliert ist; einen Messfilm in dem Kanal benachbart dem blinden Ende, wobei der Messfilm einen elektrischen Parameter hat, welcher sich mit dem Druck ändert, und elektrische Leitungen hat, welche sich von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; und eine Dichtung, welche den Spalt um die Leitungen füllt, wobei die Dichtung einen Abschnitt der Stufenecke füllt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors bereit, umfassend Formen mehrfacher Lagen, um Komponenten eines Trägers auszubilden; Aufbringen eines Messfilms auf wenigstens einer der mehrfachen Lagen; Aufeinanderschichten der geformten Lagen in direktem Kontakt miteinander, um den Träger auszubilden, welcher einen zentralen Kanal hat, der an einem Ende blind ist, und eine Stufenecke hat, wobei sich ein Spalt an der Basis der Stufenecke an dem anderen Ende öffnet, und wobei sich der Messfilm in dem Kanal befindet, wobei sich Leitungen von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; und Abdichten des Kanals durch Verschmelzen einer Dichtung in dem Spalt um die Leitungen, wobei die Dichtung einen Abschnitt der Stufenecke füllt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Drucksensormodul bereit, umfassend einen Träger, welcher integral um einen zentralen Kanal herum ausgebildet ist, wobei der Träger ein integrales blindes Ende hat, welches für eine Fluiddruckbeaufschlagung ausgebildet ist, und ein entgegengesetztes Ende hat, welches so geformt ist, dass es eine Stufenecke bereitstellt, wobei sich ein Spalt an der Basis der Stufenecke öffnet, wo der Spalt gegenüber dem Fluid isoliert ist; einen Messfilm in dem Kanal benachbart dem blinden Ende, wobei der Messfilm einen elektrischen Parameter hat, welcher sich mit dem Druck ändert, und elektrische Leitungen hat, welche sich von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; eine Dichtung, welche den Spalt um die Leitungen füllt, wobei die Dichtung einen Abschnitt der Stufenecke füllt; und einen Isolierbecher, welcher eine Öffnung hat, die zu einer Außenfläche des Trägers zwischen dem blinden Ende und dem entgegengesetzten Ende abgedichtet ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Drucktransmitter bereit, umfassend einen integral ausgebildeten Träger mit einem zentralen Kanal längs des Trägers, wobei der Träger ein integrales blindes Ende hat, welches für eine Fluiddruckbeaufschlagung ausgebildet ist, und ein entgegengesetztes Ende hat, welches so geformt ist, dass es eine Stufenecke mit einem Spalt an der Basis der Stufenecke, wo der Spalt gegenüber dem Fluid isoliert ist, bereitstellt; einen Messfilm in dem Kanal benachbart dem blinden Ende, wobei der Messfilm einen elektrischen Parameter hat, welcher sich mit dem Druck verändert und elektrische Leitungen hat, welche sich von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; eine Dichtung, welche den Spalt um die Leitungen füllt, wobei die Dichtung einen Abschnitt der Stufenecke füllt; und eine elektro nische Schaltung, welche mit den Leitungen gekoppelt ist und eine Transmitterausgabe bereitstellt, welche den erfassten Druck wiedergibt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Turbinenmotordrucksensor bereit, umfassend einen Befestigungssockel mit einem ersten Ende, welches für eine Befestigung an einem Turbinenmotorgehäuse ausgebildet ist, und einem zweiten Ende, welches von dem ersten Ende beabstandet ist und eine Öffnung hat, welche so geformt ist, dass sie einen Drucksensor aufnimmt und sich durch den Befestigungssockel hindurch zu dem ersten Ende erstreckt; und einen Drucksensor, umfassend einen in der Öffnung angeordneten Träger, welcher integral um einen zentralen Kanal herum ausgebildet ist, wobei der Träger ein integrales blindes Ende hat, welches für einen Druck in dem Luftstrom ausgebildet ist, und ein entgegengesetztes Ende hat, welches so geformt ist, dass es eine Stufenecke bereitstellt, wobei sich ein Spalt an der Basis der Stufenecke öffnet, wo der Spalt gegenüber dem Luftstrom isoliert ist; einen Messfilm in dem Kanal benachbart dem blinden Ende, wobei der Messfilm einen elektrischen Parameter hat, welcher sich mit dem Druck verändert, und elektrische Leitungen hat, welche sich von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; und eine Dichtung, welche den Spalt um die Leitungen füllt, wobei die Dichtung einen Abschnitt der Stufenecke füllt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Drucksensor bereit, umfassend ein erstes Mittel zum Bereitstellen eines Sensorkörpers, welcher integral um einen zentralen Kanal herum ausgebildet ist, wobei das erste Mittel ein integrales blindes Ende hat, welches für eine Fluiddruckbeaufschlagung ausgebildet ist, und ein entgegengesetztes Ende hat, welches so geformt ist, dass es eine Stufenecke bereitstellt, wobei sich ein Spalt an der Basis der Stufenecke öffnet, wo der Spalt gegenüber dem Fluid isoliert ist; ein zweites Mittel zur Erfassung, welches in dem Kanal benachbart dem blinden Ende ausgebildet ist, wobei das zweite Mittel einen elektrischen Parameter hat, der sich mit dem Druck verändert und elektrische Leitungen hat, welche sich von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; und ein drittes Mittel zum Abdichten des Spalts um die Leitungen, wobei das dritte Mittel einen Abschnitt der Stufenecke füllt.
  • In der vorliegenden Erfindung wird eine Durchgangsdichtung ausgebildet, indem Leitungen durch einen Spalt an einer Stufenecke zwischen direkt verbundenen Lagen aus Aluminiumoxid hindurchgeführt werden und dann wenigstens ein Abschnitt der Stufenecke mit einer den Spalt füllenden Dichtung gefüllt wird.
  • Der Drucksensor umfasst einen Träger mit einem blinden Ende, welches durch ein Fluid mit Druck beaufschlagt wird, und ein entgegengesetztes Ende, welches so ausgebildet ist, dass es eine Stufenecke bereitstellt, wobei sich der Spalt an der Basis der Stufenecke öffnet, wo der Spalt gegenüber dem Fluid isoliert ist. Der Träger ist um einen zentralen Kanal herum ausgebildet, der durch den Spalt an dem isolierten Ende öffnet. Der Messfilm, welcher einen elektrischen Parameter hat, welcher sich mit dem Druck ändert, ist in dem Kanal angeordnet. Der Messfilm ist mit den Leitungen verbunden, welche sich durch den Spalt hinaus erstrecken. Die Dichtung füllt den Spalt um die Leitungen und füllt einen Abschnitt der Stufenecke, was den Kanal abdichtet. Der Träger, welcher das blinde Ende umfasst, ist integral ausgebildet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine typische industrielle Umgebung;
  • 2 zeigt eine Ausführungsform eines Transmitters;
  • 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines direkt verbundenen Aluminiumoxiddrucksensors;
  • 4 zeigt eine Explosionsansicht einer Ausführungsform eines direkt verbundenen Aluminiumoxiddrucksensors;
  • 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines direkt verbundenen Aluminiumoxidsensors;
  • 6 zeigt eine Ansicht einer ersten Lage eines direkt verbundenen Aluminiumoxiddrucksensors;
  • 7 zeigt eine Ansicht einer zweiten Lage eines direkt verbundenen Aluminiumoxiddrucksensors;
  • 8 zeigt Schnittansichten eines Drucksensors während eines Verfahrens zur Herstellung eines direkt verbundenen Aluminiumoxiddrucksensors;
  • 9 zeigt eine Ausführungsform eines Messmoduls mit einem direkt verbundenen Aluminiumoxiddrucksensors;
  • 10 zeigt eine Ausführungsform eines Isolationsmoduls mit einem direkt verbundenen Aluminiumoxiddrucksensor.
  • 11, 12, 13 zeigen eine Ausführungsform eines direkt verbundenen Aluminiumoxiddrucksensors ähnlich dem in den 3, 4, 5 gezeigten, welcher jedoch eine flache Lage umfasst; und
  • 14 zeigt eine Ausführungsform eines direkt verbundenen Aluminiumoxiddrucksensors für einen Turbinenmotor.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In 1 ist eine typische Umgebung für einen industriellen Drucksensor bei 20 veranschaulicht. Prozessgrößentransmitter, wie z.B. ein Durchflussmesser 22 in der Prozessfluidleitung 23, Füllstandstransmitter 24, 26, 36 nahe einem Tank 28 und ein integraler Öffnungsdurchflussmesser 30 in der Prozessleitung 31 sind elektrisch mit dem Steuer/Regelsystem 32 verbunden gezeigt. Das Steuer/Regelsystem 32 steuert/regelt den Strom zu dem Druckwandler 38, welcher das Steuer/Regelventil 40 steuert/regelt. Die Prozessgrößentransmitter können so konfiguriert sein, dass sie eine oder mehrere Prozessgrößen (Prozessvariablen) überwachen, welche mit Fluiden in einer verfahrenstechnischen Anlage, wie z.B. Aufschlämmungen, Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase, in chemischen, Zellstoff-, Petroleum-, Gas-, pharmazeutischen, Nahrungsmittel- und anderen Fluid-verarbeitenden Anlagen in Zusammenhang stehen. Die überwachten Prozessgrößen können Druck, Temperatur, Strömung, Füllstand, pH, Leitfähigkeit, Trübung, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung oder andere Eigenschaften von Fluiden sein. Ein Prozessgrößentransmitter umfasst einen oder mehrere Sensoren, welche entweder in dem Transmitter oder außerhalb des Transmitters sein können, abhängig von den Einbauerfordernissen der verfahrenstechnischen Anlage.
  • Prozessgrößentransmitter erzeugen eine oder mehrere Transmitterausgaben, welche die erfasste Prozessgröße repräsentieren. Die Transmitterausgaben sind für eine Transmission über lange Distanzen zu einer Steuer/Regeleinrichtung oder Anzeigevorrichtung über Kommunikationsbusse 34 konfiguriert. In typischen Fluidverarbeitungsanlagen kann ein Kommunikationsbus 34 ein 4–20 Milliampere-Stromkreis sein, welcher den Transmitter mit Energie versorgt, oder eine Feldbusverbindung, eine HART-Protokoll-Kommunikation oder eine faseroptische Verbindung zu einer Steuer/Regeleinrichtung, einem Steuer/Regelsystem oder einer Anzeige. In Transmittern, welche durch einen Zweidrahtkreis mit Energie versorgt werden, wird die Energie niedrig gehalten, um eine Eigensicherheit in explosiven Atmosphären bereitzustellen.
  • 2 zeigt eine Explosionsansicht eines Beispiels eines Drucktransmitters 50. Der Transmitter 50 umfasst einen Flansch 52 zur Aufnahme eines Differenzdrucks und ein Sensormodul 54, welches zwei Absolutdrucksensoren (nicht gezeigt) besitzt. Das Sensormodul 54 ist mit einem Gehäuse 55 gekoppelt, welches Elektronik 56 enthält. Der Transmitter 50 ist mit dem Flanschadapter 58 verschraubt. Der Flanschadapter 58 ist mit Impulsrohren verbunden, welche mit Flanschadapterverbindungsstutzen 60 oder anderer Verbindungshardware verbunden ist. Jeder Absolutdrucksensor in dem Sensormodul 54 umfasst einen integralen Träger, welcher dem Prozessfluid ausgesetzt ist, und isolierte Sensorleitungen, welche durch einen abgedichteten Spalt in dem Träger hindurchführen und mit einer Transmitterelektronik 56 verbunden sind.
  • 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Drucksensors 100. Der Drucksensor 100 umfasst einen Träger 102, welcher integral um einen zentralen Kanal herum ausgebildet ist. Der Träger 102 hat ein integrales blindes Ende 104, welches für eine externe Fluiddruckbeaufschlagung ausgebildet ist, und ein entgegengesetztes Ende 106, welches so geformt ist, dass es eine Stufenecke bereitstellt, wobei sich ein Spalt 108 an der Basis der Stufenecke öffnet, wo der Spalt gegenüber dem Fluid isoliert ist Der Begriff "blind" besagt, dass das Ende geschlossen oder abgedichtet ist. Der Spalt 108 ist ein offenes Ende des zentralen Kanals. Ein Messfilm 112 (im Inneren des Sensors 100) ist in dem Kanal benachbart dem blinden Ende angeordnet. Der Messfilm besitzt einen elektrischen Parameter, welcher sich mit dem Druck ändert, und elektrische Leitungen, wie z.B. die Leitung 110, welche sich von dem Kanal und aus dem Spalt 108 erstrecken. Nachdem der Träger integral ausgebildet wurde, wird eine Dichtung 115 über dem Spalt 108 angebracht, um den Spalt 108 um die Leitungen 110 zu füllen. Die Dichtung füllt einen Abschnitt der Stufenecke. Das Anordnen der Dichtung in der Stufenecke oder dem konkaven Bereich schützt die Dichtung vor einer Beschädigung während einer Handhabung und stellt einen sehr zuverlässigen Verschluss für den Kanal in dem Sensor bereit. Die Dichtung ist in einem hohlen oder konkaven Bereich, wo sie nicht nach außen hin vorsteht und es ist unwahrscheinlich, dass sie während der Handhabung angeschlagen wird. Die Anordnung des Spalts 108 an der Basis der Stufenecke stellt eine große Verbindungsfläche um den Spalt herum sicher, was die Zuverlässigkeit erhöht.
  • Der Träger 102 wird gebildet, indem Aluminiumoxidlagen 114 und 116 direkt miteinander verbunden werden. Nach dem direkten Verbinden ist keine Trennfuge bei 118 vorhanden und der Träger 102 ist zusammen mit seinem blinden Ende 104 ein einziges integriertes Teil mit einer kontinuierlichen Kristallstruktur über die unterbrochene Linie 118. Der Begriff "direktes Verbinden" (direct bonding) bedeutet, dass optisch flache saubere Flächen in Kontakt miteinander gebracht werden, sodass sie sich verbinden, ohne irgendwelche dazwischenliegende Dichtmaterialien und ohne die Anwendung eines elektrischen Potenzials oder einer Spannung und ohne die Verbindungsflächen zusammenzuschmelzen oder zusammenzuschweißen oder zusammenzusintern. Eine äußerste chemische und physikalische Sauberkeit und eine präzise Ausrichtung der Oberflächen werden verlangt, um eine direkte Bindung zu erreichen. Ein Einkristallsaphir ist bevorzugt.
  • In 4 ist eine Explosionsansicht des Sensors 100 der 1 gezeigt. Der integral ausgebildete Träger 102 ist bevorzugt aus direkt verbundenen geformten Aluminiumoxidlagen 114 und 116 ausgebildet und der Spalt 108 ist zwischen den Lagen 114, 116. Eine erste Lage 114 ist geätzt, um eine erste Aushöhlung 22 auszubilden, welche von einem äußeren Rand 120 umgeben ist. Eine zweite Lage 116 ist geätzt, um eine zweite Aushöhlung 124 auszubilden, welche sich über den äußeren Rand 120 hinaus erstreckt, was den Spalt 108 zwischen der zweiten Aushöhlung 124 und dem äußeren Rand 120 bildet.
  • In 5 ist eine Querschnittsansicht des Drucksensors 100 in den 3 und 4 gezeigt. Bei der Montage wird eine erste Tafel 130 nach einer zweiten Tafel 132 ausgerichtet und die Tafeln 130, 132 werden integral miteinander verbunden, um eine integrale Halterung auszubilden. Wenn der Sensor 100 später mit einem Isolationsbecher verbunden wird, wird die integrale Halterung nach den Verbindungsflächen des Messbechers ausgerichtet, um eine zusätzliche Halterung bereitzustellen. Dritte und vierte Tafeln 134 und 136 sind entfernt von dem blinden Ende und näher dem isolierten Ende angeordnet. Bei der Montage berühren sich die Tafeln 134, 136 nicht. Die Tafeln 134 und 136 haben metallisches Kontaktmaterial an ihren zueinanderweisenden Flächen. Nachdem das direkte Verbinden der Lagen 114 und 116 beendet ist, wird der Sensor 100 erhitzt, um zu bewirken, dass das metallische Kontaktmaterial auf den Tafeln 134 und 136 wächst und eine elektrische Verbindung zwischen den zwei Tafeln 134 und 136 komplettiert. Diese elektrische Verbindung wird nach dem direkten Verbinden komplettiert, sodass sie nicht den engen Kontakt beeinträchtigt, welcher zwischen den Lagen 114 und 116 für das direkte Verbinden erforderlich ist. Das wachsfähige Material kann Tantal oder Platin sein.
  • Das Vorhandensein eines Kanals in jeder der Lagen macht es einfacher, die Lagen mit präziser Ausrichtung zwischen den Kontaktflächen zu montieren. Es ist ein Spalt übrig für die Leitungen, um den Kanal zu verlassen, sodass die Leitungen nicht die präzise Ausrichtung beeinträchtigen. Nachdem das direkte Verbinden beendet ist, wird die Dichtung 115 angebracht. Die Dichtung 115 ist von der Druckerfassung an dem blinden Ende 104 gut beabstandet, sodass der verschiedene Temperaturexpansionskoeffizient der Dichtung 115 relativ zu dem Träger 102 die Erfassung am blinden Ende 104 nicht nachteilig beeinflusst, wenn es Temperaturänderungen gibt.
  • In 6 ist eine Draufsicht der Lage 116 der 3 bis 5 detaillierter gezeigt. Der Messfilm 112 umfasst eine erste Kondensatorplatte 140 mit einer elektrischen Leitung oder Verbindung 142, welche sich von dem Kanal 124 aus dem Spalt 108 zu einem elektrischen Anschlussflecken 146 erstreckt. Der Messfilm 112 umfasst auch eine elektrostatische Abschirmleitung 148, welche die Kondensatorplatte 140 vor einer Streukopplung abschirmt. Die elektro statische Abschirmleitung 148 erstreckt sich auch von dem Kanal 124 und aus dem Spalt 108 zu einem Anschlussflecken 150. Die Tafel 136 umfasst eine Leitung 152 zur Verbindung. Ein Temperaturerfassungselement 154 ist auch auf der Lage 116 enthalten. Das Temperaturerfassungselement 154 ist mit elektrischen Anschlussflecken 156 verbunden.
  • Wenn das blinde Ende 112 einem Prozessdruck ausgesetzt wird, wölbt sich die Kondensatorplatte 140 zu einer zugewandten Kondensatorplatte auf der Lage 114 und ein elektrischer Parameter, die Kapazität zwischen den Platten, verändert sich als eine Funktion des Drucks.
  • Wolfram ist für die Kondensatorplatten und die Leitungen bevorzugt.
  • In 7 ist eine Draufsicht der Lage 114 der 3 bis 5 detaillierter gezeigt. Der Messfilm 112 umfasst eine zweite Kondensatorplatte 160 mit einer elektrischen Leitung oder Verbindung 162, welche sich zu der Tafel 134 erstreckt. Die Verbindung mit der Kondensatorplatte 160 erstreckt sich durch den gewachsenen Kontakt auf der Tafel 134 zu der Tafel 136 und zu der Leitung 152, welche sich aus dem Spalt 108 zu einem elektrischen Anschlussflecken erstreckt, der in 7 gezeigt ist.
  • Alternativ kann der Sensor auch unter Verwendung von drei oder mehreren Kondensatorplatten konstruiert sein, um die Bildung von Verbindungen für Kondensatorleitungen zwischen den Substraten zu vermeiden. Die Anordnung von den drei Kondensatorplatten bildet eine Reihenschaltung von zwei Kapazitäten aus, die sich beide in derselben Richtung mit Druckänderungen verändern. Die Verwendung elektrischer Verbindungen zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat wird so vermieden.
  • Der Sensor wird durch ein bevorzugtes Verfahren hergestellt, welches durch Schnittansichten in 8 veranschaulicht ist. Als Erstes werden mehrere Lagen 163, 164 derart geformt, dass sie die Komponenten eines Trägers bilden, wie bei 170 gezeigt. Die Passflächen 165, 166 sind oberflächenbearbeitet, um für das direkte Verbinden optisch flach zu sein. Als Nächstes werden die Messfilme 167, 168 auf einer oder mehreren der Lagen aus Aluminiumoxid aufgebracht, wie bei 172 gezeigt. Dann werden die geformten Lagen 163, 164 in direktem Kontakt miteinander aufeinandergeschichtet, um den Träger auszubilden, welcher einen zentralen Kanal 171 besitzt, welcher an einem Ende 173 blind ist und einen Spalt 175 an dem anderen Ende besitzt und die Messfilme 167, 168 sind in dem Kanal 171, wobei sich Leitungen 177 von dem Kanal und aus dem Spalt 175 erstrecken, wie bei 174 gezeigt. Der Träger wird dann erhitzt, was einen integralen Träger 176 ausbildet, indem die aufeinandergeschichteten Lagen erhitzt werden, während die Lagen in direktem Kontakt zueinander sind.
  • Der Kanal wird abgedichtet, indem eine Dichtung 178 in dem Spalt um die Leitungen ausgebildet wird, wie gezeigt. Die Dichtung 178 ist vorzugsweise eine Glasfritte und der Kanal ist vorzugsweise mit einem Vakuum in ihm abgedichtet, um den Sensor zu einem Absolutdrucksensor zu machen.
  • In 8 wird die Dichtung 178 in der Stufenecke des Sensors zunächst mit einer viskosen Mischung ausgebildet, welche Ethylcellulose und feinverteilten Glasstaub umfasst, oder mit anderen Worten eine Glasfritte. Nachdem die Dichtung 178 angebracht ist, wird die Temperatur des Sensors auf etwa 400°C in Luft erhöht. Bei dieser Temperatur wird die Ethylencellulose zersetzt, wobei sie Wasserdampf und Kohlendioxid freigibt, was die Dichtung 178 in einem porösen Zustand hinterlässt.
  • Der Sensor wird dann in einer Hochvakuumkammer angeordnet, um ein Hochvakuum zwischen 10–6 und 10–7 Torr bereitzustellen. Der Wasserdampf und andere Gase in dem Kanal strömen durch die poröse Dichtung 178 aus. Der mit der Glasfritte abgedeckte Spalt hat eine Breite, welche eng genug ist, um zu verhindern, dass die Glasfritte in den Kanal gezogen wird, aber breit genug, um zu erlauben, dass Feuchtigkeit und andere Gase aus der porösen Dichtung innerhalb eines geeigneten Zeitraums herausströmen und breit genug, um sicherzustellen, dass die elektrischen Leitungen auf einem Substrat nicht das zugewandte Substrat während der Verbindung der Substrate kontaktiert. Es hat sich herausgestellt, dass eine Breite von etwa 0,5 μm in einer Ausführungsform funktioniert, jedoch kann diese Breite abhängig von der Geometrie des Kanals, den Porositätscharakteristika der Fritte und der Temperatur des Sensors während der Evakuierung wie erforderlich variiert werden, um einen zweckmäßigen Zeitraum für die Evakuierung zu erreichen.
  • Die Temperatur des Sensors wird dann auf etwa 650 °C erhöht. Bei dieser Temperatur verschmelzen die Kontaktflächen der Partikel in der Fritte miteinander. Die Dichtung verdichtet sich, was die Poren in der Dichtung 178 schließt. Die Dichtung 178 verbindet sich fest mit der Stufenecke des Sensorkörpers, was den Kanal mit einem in dem Kanal eingeschlossenen Vakuum hoher Qualität abdichtet. Die Dichtung 178 ist vor einer mechanischen Beschädigung in der Stufenecke geschützt.
  • Der Sensor darf dann in der Hochvakuumkammer abkühlen und die Fritte verfestigt sich, was eine permanente nicht-poröse Dichtung über dem Spalt an der Basis der Stufenecke ausbildet, mit einem in dem Kanal eingeschlossenen Vakuum hoher Qualität in der Größenordnung von 10–6 bis 10–7 Torr. Es hat sich herausgestellt, dass das Vakuum äußerst hoher Qualität in dem Sensorhohlraum einen Sensor bereitstellt, welcher sehr temperaturunempfindlich und sehr stabil über lange Zeitspannen ist.
  • Wenn es mehrere Kanäle gibt und eine einzelne elektrische Leitung aus jedem Kanal herausgeführt ist, können die mehreren Dichtungen auch aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein. Wenn mehrere Kanäle verwendet werden, sind elektrisch leitfähige Materialien bevorzugt, da die leitfähigen Dichtungen auch als ein Verbindungsfleck zum Anschluss einer Drahtzuleitung außerhalb des Sensors dienen können. Verschiedene Gläser, Metalle oder andere Materialien können verwendet werden, um die Dichtung 178 auszubilden, vorausgesetzt dass die Materialien hermetische Dichtungen ausbilden, keine Dämpfe erzeugen, welche das Hochvakuum in dem Kanal verschlechtern können, und nicht korrosiv sind.
  • In 9 ist ein Druckerfassungsmodul 180 gezeigt, welches dem in 2 gezeigten Flansch 52 entspricht. Der Aufbau 180 umfasst, wie in den 3 bis 7 gezeigt, zwei Sensoren 182, 184. In 9 besitzt ein Isolationsbecher 198 eine Öffnung 200, welche zu einer Außenfläche des Trägers zwischen dem blinden Ende und dem entgegengesetzten isolierten Ende abgedichtet ist.
  • In 10 ist ein Messmodul 210 gezeigt, welches eine Isolationsmembran 212 mit einem Rand 214 umfasst, welcher zu einem Isolationsbecher 216 abgedichtet ist. Die Isolationsmembran 212 trennt ein Prozessfluid 218 von einem Isolationsfluid 220, welches in dem von dem Isolationsbecher 216 und der Isolationsmembran eingeschlossenen Raum abgedichtet ist. Der Sensor 222 ist, wie in den 4 bis 8 gezeigt, konstruiert und ist gegenüber einer Öffnung 224 in dem Isolationsbecher 216 abgedichtet. Die Isolationsmembran 212 und das Isolationsfluid 220 koppeln den Druck zum Sensor 222, während sie den Sensor gegenüber dem Prozessfluid 218 isolieren. Der Isolationsbecher 216 hat einen Sensor 222, welcher durch die abgedichtete Öffnung 224 hindurchgeht, und isoliert elektrische Verbindungen 226 an dem Sensor 222 sowohl gegenüber dem druckbeaufschlagten Prozessfluid 218 als auch dem druckbeaufschlagten Isolationsfluid 220. Der Isolationsbecher kann eine Rückwand 228 umfassen, welche einen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzt, welcher eng zu dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des Sensors 222 passt. Ein Materialblock 230 kann in den Isolationsbecher 216 gepresst sein und das Material 230 hat einen Temperaturausdehnungskoeffizienten, welcher teilweise den Temperaturausdehnungskoeffizienten des Isolationsfluids 220 kompensiert, um unerwünschte Bewegungen der Isolationsmembran 212 infolge Temperaturveränderungen zu begrenzen. Ein mit dem Isolationsfluid 220 gefüllter schmaler Spalt ist zwischen dem Block 230 und dem Sensor 222 vorgesehen.
  • Ein in den 12, 13 und 14 gezeigter alternativer Sensor ist dem in den 3, 4 und 5 gezeigten Sensor ähnlich. In den 11, 12 und 13 hat die Lage 114A eine ebene Fläche, während die entsprechende Lage 114 in den 3, 4 und 5 eine Nut in ihr hat. In den 12, 13 und 14 ist ein verengter Hals 132A anstelle einer Tafel 132 vorhanden, um eine Abstützung für die Montage bereitzustellen. Die in den 11, 12 und 13 gezeigte Anordnung ist auch mir einer Dichtung 115 abgedichtet. Die in den 12, 13 und 14 verwendeten Bezugszahlen sind dieselben wie die in den 3, 4 und 5 verwendeten und kennzeichnen ähnliche Merkmale.
  • 14 zeigt eine Drucksensoranordnung 62 für eine Turbinenmotoranordnung 64. Der Turbinenmotor umfasst Turbinenmotorschaufeln, wie z.B. eine Schaufel 66, welche in einem Turbinenmotorgehäuse 68 rotiert. Ein Loch 70 ist in dem Turbinenmotorgehäuse 68 vorgesehen, um den Druck in dem Turbinenmotor zu erfassen. Die Drucksensoranordnung 62 ist durch einen Sockel 72 von dem Turbinengehäuse 68 beabstandet. Der Sockel 72 setzt die Drucksensoranordnung 62 von dem Turbinengehäuse weg, um eine niedrigere Temperaturumgebung für die Drucksensoranordnung 62 bereitzustellen. Ein Durchgang 74 durch den Sockel 72 koppelt die druckbeaufschlagten Gase in dem Turbinengehäuse mit der Druckmessanordnung 62. Der Drucksensor 74 ist in der Druckmessanordnung 62 enthalten. Der Drucksensor 74 umfasst einen integralen Träger mit einem den druckbeaufschlagten Gasen ausgesetzten integralen blinden Ende 76. Der Drucksensor 74 umfasst auch isolierte Sensorleitungen 78, welche durch einen abgedichteten Spalt 80 in dem Träger hindurchgehen und mit elektronischen Konversionsschaltungen (nicht gezeigt) durch Leitungen 82 verbunden ist.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Facharbeiter erkennen, dass Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims (17)

  1. Drucksensor, umfassend: einen Träger, welcher integral um einen zentralen Kanal herum ausgebildet ist, wobei der Träger ein integrales blindes Ende hat, welches für eine Fluiddruckbeaufschlagung ausgebildet ist, und ein entgegengesetztes Ende hat, welches so geformt ist, dass es eine Stufenecke bereitstellt, wobei sich ein Spalt an der Basis der Stufenecke öffnet, wo der Spalt gegenüber dem Fluid isoliert ist; einen Messfilm in dem Kanal benachbart dem blinden Ende, wobei der Messfilm einen elektrischen Parameter hat, welcher sich mit dem Druck ändert, und elektrische Leitungen hat, welche sich von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; und eine Dichtung, welche den Spalt um die Leitungen füllt, wobei die Dichtung einen Abschnitt der Stufenecke füllt.
  2. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Träger aus direkt verbundenen geformten Aluminiumoxidlagen ausgebildet ist, und der Spalt sich zwischen den Lagen befindet.
  3. Drucksensor nach Anspruch 2, wobei die Lagen umfassen: eine erste Lage mit einer ersten Aushöhlung, welche in die erste Lage geätzt ist, wobei die erste Aushöhlung von einem äußeren Rand umgeben ist; eine zweite Lage mit einer zweiten Aushöhlung, welche in die zweite Lage geätzt ist, wobei die sich über den äußeren Rand hinaus erstreckende zweite Aushöhlung den Spalt zwischen der zweiten Aushöhlung und dem äußeren Rand bildet.
  4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der elektrische Parameter, welcher sich mit dem Druck verändert, die Kapazität ist.
  5. Drucksensor nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 und 4, wenn von diesem abhängig, wobei wenigstens eine der Aluminiumoxidlagen aus Einkristallaluminiumoxid gebildet ist.
  6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Träger aus mehrfachen Lagen aus Einkristallmaterial gebildet ist.
  7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die aus dem Spalt herausführenden Leitungen aus demselben Material wie der Messfilm gebildet sind.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors, umfassend: Formen mehrfacher Lagen, um Komponenten eines Trägers auszubilden; Aufbringen eines Messfilms auf wenigstens einer der mehrfachen Lagen; Aufeinanderschichten der geformten Lagen in direktem Kontakt miteinander, um den Träger auszubilden, welcher einen zentralen Kanal hat, der an einem Ende blind ist, und eine Stufenecke hat, wobei sich ein Spalt an der Basis der Stufenecke an dem anderen Ende öffnet, und wobei sich der Messfilm in dem Kanal befindet, wobei sich Leitungen von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; und Abdichten des Kanals durch Schmelzen einer Dichtung in dem Spalt um die Leitungen, wobei die Dichtung einen Abschnitt der Stufenecke füllt.
  9. Drucksensormodul, umfassend: einen Träger, welcher integral um einen zentralen Kanal herum ausgebildet ist, wobei der Träger ein integrales blindes Ende hat, welches für eine Fluiddruckbeaufschlagung ausgebildet ist, und ein entgegengesetztes Ende hat welches so geformt ist, dass es eine Stufenecke bereitstellt, wobei sich ein Spalt an der Basis der Stufenecke öffnet, wo der Spalt gegenüber dem Fluid isoliert ist; einen Messfilm in dem Kanal benachbart dem blinden Ende, wobei der Messfilm einen elektrischen Parameter hat, welcher sich mit dem Druck ändert, und elektrische Leitungen hat, welche sich von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; eine Dichtung, welche den Spalt um die Leitungen füllt, wobei die Dichtung einen Abschnitt der Stufenecke füllt; und einen Isolierbecher, welcher eine Öffnung hat, die zu einer Außenfläche des Trägers zwischen dem blinden Ende und dem entgegengesetzten Ende abgedichtet ist.
  10. Drucksensormodul nach Anspruch 9, wobei der Träger aus Aluminiumoxid ausgebildet ist.
  11. Drucksensormodul nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, ferner umfassend: ein Isolationsfluid, welches den Isolationsbecher füllt; und eine Isolationsmembran, welche einen Rand hat, welcher zu dem Isolationsbecher abgedichtet ist, wobei die Isolationsmembran dazu ausgebildet ist, ein Prozessfluid von dem druckbeaufschlagten Isolationsfluid zu trennen.
  12. Drucktransmitter, umfassend: einen integral ausgebildeten Träger mit einem zentralen Kanal längs des Trägers, wobei der Träger ein integrales blindes Ende hat, welches für eine Fluiddruckbeaufschlagung ausgebildet ist und ein entgegengesetztes Ende hat, welches so geformt ist, dass es eine Stufenecke mit einem Spalt an der Basis der Stufenecke, wo der Spalt gegenüber dem Fluid isoliert ist, bereitstellt; einen Messfilm in dem Kanal benachbart dem blinden Ende, wobei der Messfilm einen elektrischen Parameter hat, welcher sich mit dem Druck verändert, und elektrische Leitungen hat, welche sich von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; eine Dichtung, welche den Spalt um die Leitungen füllt, wobei die Dichtung einen Abschnitt der Stufenecke füllt; und eine elektronische Schaltung, welche mit den Leitungen gekoppelt ist und eine Transmitterausgabe bereitstellt, welche den erfassten Druck wiedergibt.
  13. Drucktransmitter nach Anspruch 12, wobei der Träger aus Aluminiumoxid gebildet ist.
  14. Transmitter nach Anspruch 12, ferner umfassend: einen Isolator mit einer ersten Öffnung, welche gegenüber einer Außenfläche des Trägers zwischen dem blinden Ende und dem entgegengesetzten Ende abgedichtet ist, und einer zweiten Öffnung, welche mit einer Isolationsmembran abgedichtet ist.
  15. Transmitter nach Anspruch 12, ferner umfassend: einen zweiten Träger, eine zweite Dichtung und zweite Messfilme, welche mit der elektronischen Schaltung gekoppelt sind, wobei der Transmitter einen Differenzdruck misst.
  16. Turbinenmotordrucksensor, umfassend: einen Befestigungssockel mit einem ersten Ende, welches für eine Befestigung an einem Turbinenmotorgehäuse ausgebildet ist, und einem zweiten Ende, welches von dem ersten Ende beabstandet ist und eine Öffnung hat, welche so geformt ist, dass sie einen Drucksensor aufnimmt und sich durch den Befestigungssockel hindurch zu dem ersten Ende erstreckt; und einen Drucksensor, umfassend: einen in der Öffnung angeordneten Träger, welcher integral um einen zentralen Kanal herum ausgebildet ist, wobei der Träger ein integrales blindes Ende hat, welches für einen Druck in dem Luftstrom ausgebildet ist, und ein entgegengesetztes Ende hat, welches so geformt ist, dass es eine Stufenecke bereitstellt, wobei sich ein Spalt an der Basis der Stufenecke öffnet, wo der Spalt gegenüber dem Luftstrom isoliert ist; einen Messfilm in dem Kanal benachbart dem blinden Ende, wobei der Messfilm einen elektrischen Parameter hat, welcher sich mit dem Druck verändert, und elektrische Leitungen hat, welche sich von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; und eine Dichtung, welche den Spalt um die Leitungen füllt, wobei die Dichtung einen Abschnitt der Stufenecke füllt.
  17. Drucksensor, umfassend: ein erstes Mittel zum Bereitstellen eines Sensorkörpers, welcher integral um einen zentralen Kanal herum ausgebildet ist, wobei das erste Mittel ein integrales blindes Ende hat, welches für eine Fluiddruckbeaufschlagung ausgebildet ist, und ein entgegengesetztes Ende hat, welches so geformt ist, dass es eine Stufenecke bereitstellt, wobei sich ein Spalt an der Basis der Stufenecke öffnet, wo der Spalt gegenüber dem Fluid isoliert ist; ein zweites Mittel zur Erfassung, welches in dem Kanal benachbart dem blinden Ende ausgebildet ist, wobei das zweite Mittel einen elektrischen Parameter hat, der sich mit dem Druck verändert, und elektrische Leitungen hat, welche sich von dem Kanal und aus dem Spalt erstrecken; und ein drittes Mittel zum Abdichten des Spalts um die Leitungen, wobei das dritte Mittel einen Abschnitt der Stufenecke füllt.
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