DE3817695A1

DE3817695A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE3817695A1
Application number: DE3817695A
Authority: DE
Inventors: Yasuhito Yajima
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-05-26
Filing date: 1988-05-25
Publication date: 1988-12-08
Anticipated expiration: 2008-05-26
Also published as: US4864271A; US4972579A; JPS63292032A; DE3817695C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kera mischen Drucksensor, genauer gesagt auf einen Drucksensor, der eine keramische Membran besitzt, die in Abhängigkeit vom aufgebrachten Druck verformt wird, sowie mindestens einen Widerstand, der auf der Membran ausgebildet ist und dessen Widerstandswert in Abhängigkeit von der Größe der Verformung der Membran variiert und somit den Druck dar stellt, der auf die Membran aufgebracht wird. Die vorlie gende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Her stellung eines keramischen Drucksensors der vorstehend wie dergegebenen Art.

Es ist ein Drucksensor oder Detektor eines Typs bekannt, bei dem Widerstände, die in der Form einer Wheatstone'schen Brücke geschaltet sind, auf einer Membran ausgebildet sind, die durch aufgebrachten Druck verformt wird. Die Verformung der Membran führt zu einer gewissen Spannung in den Wider ständen, wodurch in Abhängigkeit von dem auf die Membran aufgebrachten Druck ein Verlust des Brückenausgleichs der Widerstände entsteht. Gemäß diesem Prinzip kann der Druck sensor einen Druck messen. Als Drucksensor dieses Typs wird ein keramischer Drucksensor vorgeschlagen, wodurch der Sen sor Drücke bei erhöhten Temperaturen messen kann. Beispiele eines derartigen keramischen Sensors sind im SAE-Report 8 20 319 und 8 60 474 beschrieben.

Bei einem derartigen keramischen Drucksensor ist normaler weise eine keramische Membran mit Hilfe einer Glasverguß masse auf einer Basisplatte befestigt, und die Membran kann an einer ihrer gegenüberliegenden Flächen einen Druck auf nehmen, so daß die Membran aufgrund dieses Druckes verformt wird. Folglich werden die auf der verformten Membran be findlichen Widerstände einer entsprechenden Spannung aus gesetzt, die eine Änderung der Widerstandswerte der Wider stände bewirkt. Der auf die Membran aufgebrachte Druck wird durch Erfassung der Widerstandsänderung der Widerstände er mittelt.

Bei herkömmlich ausgebildeten keramischen Drucksensoren wird jedoch die Membran getrennt oder unabhängig von der Basisplatte ausgebildet und gebrannt. Die vorbereitete Membran wird mit Hilfe einer Vergußmasse oder eines Binde mittels, wie beispielsweise Glas, mit der getrennt herge stellten Basisplatte verbunden. Daher ist ein Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Bindemittel und der Membran oder zwischen dem Glas und der Basisplatte vorhanden. Dieser Unterschied kann zu einer Herabsetzung der Festigkeit der Grenzfläche zwischen der Membran und der Basisplatte und zu einer Verschlechterung der Druckfestig keit des Drucksensors führen, da der Sensor wiederholt in den Druckmeßzyklen hohen und niedrigen Temperaturen ausge setzt ist. Des weiteren kann der Unterschied im Wärmeaus dehnungskoeffizienten zwischen dem Bindemittel und der Membran in ungünstiger Weise eine Verformung der Membran und eine Änderung der Widerstandswerte der Widerstände hervorrufen, und zwar selbst dann, wenn kein Druck auf die Membran einwirkt. Somit kann der Drucksensor einen Druck meßfehler aufweisen oder eine geringere Genauigkeit in bezug auf die Druckmessung besitzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen keramischen Drucksensor zu schaffen, der eine besonders gute Druckmeß genauigkeit besitzt, und zwar selbst dann, wenn er bei schwankenden Temperaturen verwendet wird.

Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines geeig neten Verfahrens zur Herstellung eines derartigen kera mischen Drucksensors.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen keramischen Drucksensor gelöst, der die folgenden Bestand teile umfaßt: Eine keramische Membran, die in Abhängigkeit von einem aufgebrachten Druck verformbar ist, eine dem Umfang der keramischen Membran zugeordnete keramische Ba sis zur Lagerung der keramischen Membran und mindestens einen Widerstand, der auf der keramischen Membran so aus gebildet ist, daß der Widerstandswert des Widerstandes in Abhängigkeit von der Größe der Verformung der keramischen Membran variiert und dadurch den auf die Membran aufge brachten Druck verkörpert. Die keramische Membran und die keramische Basis sind zusammengebrannt und bestehen aus einem einstückigen Körper.

Da die keramische Membran und die keramische Basis des erfindungsgemäß ausgebildeten keramischen Drucksensors gemeinsam gebrannt sind und aus einem einheitlichen oder einstückigen Körper bestehen, der durch gemeinsames Brennen eines nicht gebrannten Membranelementes und eines nicht ge brannten Basiselementes erhalten wird, wird die Festigkeit der Verbindung zwischen der keramischen Membran und der ke ramischen Basis beträchtlich erhöht, wobei kein Bindemit tel, wie beispielsweise eine entsprechende Glasmasse, er forderlich ist, die in herkömmlicher Weise eingesetzt ist. Des weiteren ist es nicht erforderlich, einen Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Bindemittel oder Glas und der Membran und Basis zu berücksichtigen. Mit anderen Worten, der erfindungsgemäß vorgeschlagene kera mische Drucksensor ist frei von einer möglichen Festig keitsherabsetzung an der Grenzfläche zwischen der Membran und der Basis und frei von anderen Nachteilen, die aus dem Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten resultieren. Somit besitzt der erfindungsgemäß vorgeschlagene Druck sensor eine verbesserte Druckfestigkeit.

Des weiteren wird durch die Verbindung der Membran und der Basis durch Zusammenbrennen der entsprechenden ungebrannten Elemente zu dem einstückigen Körper in wirksamer Weise eine Verformung der Membran beseitigt, die bei den herkömmlich ausgebildeten Sensoren aufgrund eines Unterschiedes im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Bindemittel und der Membran und Basisplatte auftritt. Folglich stellt der erfindungsgemäß ausgebildete keramische Drucksensor eine verbesserte Meßgenauigkeit sicher.

Ferner ermöglicht der zusammengebrannte einstückige Körper, der aus dem Membranabschnitt und dem Basisabschnitt be steht, eine Herabsetzung der Gesamtgröße des Drucksensors und eine Herabsetzung der Zahl der Herstellschritte, wodurch die Wirksamkeit des Sensors verbessert wird und die Her stellkosten abgesenkt werden.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksen sors wird der zusammengebrannte einstückige Körper erhalten, indem ein ungebrannter laminarer Körper zusammen gebrannt wird, der eine Vielzahl von ungebrannten planaren keramischen Elementen oder Dickfilm-Keramikelementen auf weist, in denen entsprechende Hohlräume ausgebildet sind. Der einstückige Körper weist einen inneren Hohlraum auf, der den Hohlräumen entspricht, die in den ungebrannten Ke ramikelementen ausgebildet sind. Wenn diese ungebrannten planaren keramischen Elemente verwendet werden, so können diese Elemente aus frischen keramischen Lagen bestehen. Wenn ungebrannte Dickfilm-Keramikelemente verwendet werden, so können diese durch eine Dickfilmdrucktechnik hergestellt sein. Der innere Hohlraum kann vorzugsweise einen abgerun deten Rand mit einem vorgegebenen Krümmungsradius besitzen. In diesem Fall wird durch den abgerundeten Rand die Kon zentration von Spannungen am Umfang der Membran verhindert, und der Rand trägt in vorteilhafter Weise zur Verbesserung der Druckfestigkeit des Sensors bei.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Drucksensors besitzen die ungebrannten Kera mikelemente des ungebrannten laminaren Körpers mindestens einen Einsatz, der in die darin ausgebildeten Hohlräume eingesetzt ist. Jeder Einsatz weist ein geeignetes Volumen auf und besteht aus einem sublimierbaren Material, das beim Brennen des ungebrannten laminaren Körpers bei einer aus gewählten Sintertemperatur sublimiert und verschwindet. Auf diese Weise wird der innere Hohlraum im zusammengebrannten einstückigen Körper ausgebildet. Als sublimierbares Mate rial können vorzugsweise Theobromin und Indigo verwendet werden.

Bei einer Ausgestaltung der vorstehend beschriebenen Aus führungsform der Erfindung weist jeder Einsatz die gleichen Abmessungen wie die eines entsprechenden Hohlraumes auf, so daß jeder Einsatz mit enger Passung im entsprechenden Hohlraum angeordnet ist.

Bei einer anderen Ausgestaltung der gleichen Ausführungs form der Erfindung sublimiert das sublimierbare Material bei einer Temperatur, die höher ist als der Zersetzungs punkt eines im ungebrannten laminaren Körper enthaltenen Materiales, das sich während des gemeinsamen Brennens der ungebrannten Keramikelemente zersetzt.

Die vorstehend genannte zweite Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Drucksensors, der eine keramische Membran, die in Abhän gigkeit von einem aufgebrachten Druckverfahren verformbar ist, eine dem Umfang der keramischen Membran zugeordnete keramische Basis zur Lagerung der keramischen Membran und mindestens einen Widerstand aufweist, der auf der kera mischen Membran ausgebildet ist, wobei der Widerstandswert des Widerstandes sich in Abhängigkeit von der Größe der Verformung der keramischen Membran ändert und auf diese Weise den auf die keramische Membran aufgebrachten Druck verkörpert, gelöst, das die folgenden Schritte umfaßt:
Herstellen eines ungebrannten keramischen Membranelementes, das durch Brennen die keramische Membran ergibt, Herstellen eines ungebrannten keramischen Basiselementes, das durch Brennen die keramische Basis ergibt, die die keramische Membran lagert, Herstellen eines ungebrannten laminaren Körpers, der das ungebrannte keramische Membranelement und das ungebrannte keramische Basiselement umfaßt, und Brennen des ungebrannten laminaren Körpers, um auf diese Weise das ungebrannte keramische Membranelement und das ungebrannte keramische Basiselement zusammenzubrennen und einen zusam mengebrannten einstückigen Körper herzustellen, der einen Membranabschnitt, der als keramische Membran aus dem unge brannten keramischen Membranelement hergestellt worden ist, und einen Basisabschnitt aufweist, der als keramische Basis aus dem ungebrannten Basiselement hergestellt worden ist, wobei der Membranabschnitt und der Basisabschnitt ein stückig sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Aus führungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im ein zelnen erläutert. Es zeigen die

Fig. 1 bis 5 Ansichten, die unterschiedliche Aus führungsformen der vorliegenden Er findung zeigen, wobei die Fig. 1 (a), 2(a), 3(a), 4(a) und 5(a) perspektivische Ansichten wiedergeben, die laminare Strukturen von verschie denen ungebrannten Elementen zeigen, wobei die Fig. 1(b), 2(b), 3(b), 4(b) und 5(b) Querscnitte sind, die zusammengebrannte Körper darstel len, die aus den ungebrannten laminaren Strukturen erhalten worden sind, und wobei Fig. 5(c) ein Querschnitt ent lang Linie C-C in Fig. 5(a) ist, der einen konischen Einsatz zeigt;

Fig. 6(a) einen Querschnitt durch einen zusammen gebrannten Körper gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei ein modifizierter kreisförmiger Hohl raum mit abgerundeten Rändern darge stellt ist;

Fig. 6(b) eine Teilansicht, die in Vergrößerung den kreisförmigen Hohlraum der Fig. 6(a) zeigt; die

Fig. 7(a) und 7(b) Ansichten entsprechend den Fig. 6 (a) und 6(b), die einen weiteren modi fizierten kreisförmigen Hohlraum gemäß einer anderen Ausführungsform der Er findung zeigen;

Fig. 8 einen Querschnitt durch ein Aus führungsbeispiel der Anordnung eines Drucksensors, der einen zusammenge brannten Körper aufweist, welcher er findungsgemäß hergestellt worden ist; die

Fig. 9(a) und 9(b) einen Schnitt in waagerechter und senkrechter Richtung durch den zu sammengebrannten Körper der Fig. 8; und

Fig. 10 ein Diagramm, das eine auf dem zu sammengebrannten Körper der Fig. 8(a) und 8(b) ausgebildete Brücken schaltung zeigt.

In der perspektivischen Ansicht der Fig. 1(a) ist ein ungebrannter laminarer Körper gezeigt, der zu einem zu sammengebrannten einstückigen Körper gebrannt wird, wie er im Querschnitt in Fig. 1(b) dargestellt ist. Dieser zusammengebrannte einstückige Körper bildet die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In den Fig. 1(a) und 1(b) ist mit der Bezugsziffer 2 ein ungebranntes planares keramisches Element oder Dick film-Keramikelement in der Form eines ungebrannten Membran elementes bezeichnet, das zu einem Membranabschnitt 16 ge brannt wird, der in Abhängigkeit vom aufgebrachten Druck verformbar ist. Mit 4 ist ein ungebranntes planares kera misches Element in der Form eines ungebrannten Abstands elementes bezeichnet, das eine kreisförmige Öffnung 6 besitzt, die in einem mittleren Abschnitt desselben ausge bildet ist. Mit 8 ist ein ungebranntes planares oder kubisches keramisches Element in der Form eines ungebrann ten Basiselementes bezeichnet, das ein Durchgangsloch 10 aufweist, welches in einem mittleren Abschnitt desselben ausgebildet ist. Wie nachfolgend beschrieben wird, stehen die kreisförmige Öffnung 6 und das Durchgangsloch 10 nach dem Zusammenbrennen der ungebrannten Keramikelemente 2, 4, 8 des ungebrannten laminaren Körpers miteinander in Ver bindung.

Wenn das ungebrannte Membranelement 2, das ungebrannte Ab standselement 4 und das ungebrannte Basiselement 8 zu dem ungebrannten laminaren Körper der Fig. 1(a) zusammenge setzt werden, werden die kreisförmige Öffnung 6 und das Durchgangsloch 10 mit einem sublimierbaren Scheibeneinsatz 12 und einem sublimierbaren Stangeneinsatz 14 verfüllt. Genauer gesagt, der Einsatz 12 in der Form einer Scheibe und der Einsatz 14 in der Form einer runden Stange be sitzen im wesentlichen die gleichen Abmessungen wie die Öffnung 6 und das Durchgangsloch 10, so daß die Einsätze 12 und 14 mit enger Passung in der entsprechenden Öffnung 6 und dem Loch 10 sitzen. Der Scheibeneinsatz 12 und der Stangeneinsatz 14 bestehen im wesentlichen aus einem sub limierbaren Material. Wenn die Öffnung und das Loch 6, 10 mit diesen Einsätzen 12, 14 verfüllt worden sind, werden die ungebrannten Elemente 2, 4, 8 zu dem ungebrannten lami naren Körper aufeinander gesetzt. Danach wird der laminare Körper in üblicher Weise bei einer geeigneten Sintertempe ratur gebrannt. Das Membranelement 2, das Abstandselement 4 und das Basiselement 8 werden zu einem einstückigen Körper 20 zusammengebrannt, der in Fig. 1(b) dargestellt ist und aus dem Membranabschnitt 16 und einem Basisabschnitt 18 besteht, welcher einstückig mit dem Membranabschnitt 16 ausgebildet ist. Der Membranabschnitt 16 ist in Abhängig keit von der Größe eines aufgebrachten Drucks verformbar, und der Basisabschnitt 18 wirkt als Substrat, mit dem der Umfang des Membranabschnitts 16 verbunden ist, so daß der Membranabschnitt 16 vom Basisabschnitt 18 gelagert wird. Während des Zusammenbrennens des ungebrannten laminaren Körpers verschwinden der Scheibeneinsatz 12 und Stangen einsatz 14 aufgrund der Sublimation. Folglich werden ein kreisförmiger Hohlraum 22, der dem Scheibeneinsatz 12 entspricht, und ein Verbindungskanal 24 ausgebildet, der dem Stangeneinsatz 14 entspricht. Der kreisförmige Hohlraum 22 steht über den Verbindungskanal 24 mit der Umgebungs atmosphäre in Verbindung.

Der auf diese Weise hergestellte und ausgebildete, zusam mengebrannte einstückige Körper 20 kann in geeigneter Weise dazu verwendet werden, um einen keramischen Drucksensor zur Erfassung oder Bestimmung eines zu messenden Druckniveaus herzustellen. Wie später im einzelnen beschrieben wird, wird mindestens ein Widerstand auf einer Außenfläche des Membranabschnittes 16 ausgebildet. Der zu messende Druck wird auf eine Innenfläche des Membranabschnittes 16 durch den Verbindungskanal 24 und den Hohlraum 22 aufgebracht. Der auf den Membranabschnitt 16 einwirkende Druck verformt diesen, wodurch eine Änderung in den Widerstandswerten des Widerstandes hervorgerufen wird. Das Druckniveau kann auf der Basis dieser Änderung des Widerstandswertes ermittelt werden. Der Widerstand kann vor, während oder nach dem Zusammenbrechen des ungebrannten laminaren Körpers herge stellt werden. Hierbei kann ein geeignetes Material für den Widerstand auf die Außenfläche des ungebrannten Membran elementes 2 vor oder während des Zusammenbrennens aufge bracht werden. Das aufgebrachte Material kann ein elektrisch widerstandsfähiges Material oder ein Material sein, das nach dem Brennen zu einem elektrisch widerstands fähigen Material wird. Wo der Widerstand auf den zusammen gebrannten einstückigen Körper 20 ausgebildet wird, wird ein elektrisch widerstandsfähiges Material auf die Fläche des Membranabschnittes 16 gebracht. Ein geeignetes Glas oder ein keramischer Überzug kann auf dem Widerstand ausgebildet werden, um diesen zu schützen.

Der Drucksensor, bei dem der auf diese Weise ausgebildete zusammengebrannte einstückige keramische Körper 20 Ver wendung findet, enthält keine Verbindung, die durch irgendein herkömmlich eingesetztes Verbindungsmaterial, beispielsweise ein Glas, ausgebildet worden ist. Mit anderen Worten, der Membranabschnitt 16 und der Basisab schnitt 18 bilden den als Einheit gesinterten einstückigen Körper 20, wobei der Umfangsteil des Membranabschnittes 16 einstückig mit dem oberen Teil des Basisabschnittes 18 aus gebildet ist. In Abwesenheit eines Verbindungsmateriales ist die Verbindungsfestigkeit an der Grenzfläche zwischen dem Membranabschnitt 16 und dem Basisabschnitt 18 beträcht lich größer als die einer herkömmlich ausgebildeten Verbindung, die beispielsweise mit Hilfe eines Glases hergestellt worden ist. Des weiteren werden durch das Fehlen eines Verbindungsmateriales weitere mögliche Schwierigkei ten vermieden, wie beispielsweise eine Abtrennung oder ein Abblättern des Membranabschnittes 16 aufgrund einer wieder holten thermischen Hysterese während der Verwendung des Sensors bei sich ändernden niedrigen und hohen Tempera turen. Daher wird die Druckfestigkeit des Sensors beträchtlich verbessert. Darüber hinaus ist der Membranab schnitt 16 frei von der üblicherweise auftretenden Ver formung aufgrund eines Unterschiedes im Wärmeausdehnungs koeffizienten, so daß die Druckerfassungsgenauigkeit des Sensors verbessert wird.

Die keramischen Materialien für die ungebrannten Membran- Abstands- und Basiselemente 2, 4, 8, die den zusammenge brannten einstückigen Körper 20 ergeben, können aus be kannten keramischen Materialien ausgewählt werden, die in herkömmlicher Weise verwendet werden, um keramische Druck sensoren herzustellen. Beispielsweise werden vorzugsweise Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Mullit verwendet. Unter Verwendung der ausgewählten keramischen Materialien werden die ungebrannten keramischen Elemente 2, 4, 8 über ein be kanntes Verfahren zu planaren Elementen oder Dickfilmlagen geformt. Erfindungsgemäß werden die ungebrannten kera mischen Elemente 2, 4, 8 normalerweise aus dem gleichen keramischen Material hergestellt. Üblicherweise wird das ausgewählte keramische Material in der Form eines Pulvers verwendet, das einen Binder und ein Plastifiziermittel zur Erhöhung der Formbarkeit des Materiales aufweist. Des wei teren enthält das keramische Pulver andere geeignete Mittel, wie beispielsweise eine Sinterhilfe. Das herge stellte Pulvergemisch wird zu einer geeigneten keramischen Form weiterverarbeitet, beispielsweise eine durch ein bekanntes Verfahren hergestellte Rohlage oder eine Dick filmlage, die durch eine in üblicher Weise praktizierte Dickfilmdrucktechnik hergestellt wird.

Die kreisförmige Öffnung 6 und das Durchgangsloch 10, die in dem ungebrannten Abstandselement 4 und dem ungebrannten Basiselement 8 ausgebildet sind, werden mit dem Scheiben einsatz 12 und dem Stangeneinsatz 14 verfüllt, so daß der kreisförmige Hohlraum 22 und der Verbindungskanal 24 im zusammengebrannten einstückigen Körper 20 hergestellt wer den können. Wenn die Einsätze 12, 14 nach dem Brennen des ungebrannten laminaren Körpers nicht verschwinden, müssen sie vom zusammengebrannten einstückigen Körper 20 entfernt werden, wobei sie jedoch nach dem Brennen nicht mehr ent fernt werden können. Aus diesem Grunde sollten der Schei beneinsatz und Stangeneinsatz 12, 14 in erster Linie aus einem Material hergestellt werden, das während eines Brenn vorganges ausgebrannt werden kann, so daß das Material der Einsätze 12, 14 nicht im Hohlraum 22 und im Kanal 24 zu rückbleibt. Des weiteren sollen die Einsätze 12, 14 in ge eigneter Weise geformte Massen sein, die einer Kraft wider stehen können, welche auf das ungebrannte Abstands- und Basiselement 4, 8 ausgeübt wird, wenn die ungebrannten Ele mente 2, 4, 8 zu dem ungebrannten laminaren Körper kompak tiert werden. Mit anderen Worten, die Einsätze 12, 14 sollen verhindern, daß das ungebrannte keramische Material in die kreisförmige Öffnung 6 und das Durchgangsloch 10 verschoben wird, wenn die ungebrannten Elemente 2, 4, 8 unter Druck aufeinander angeordnet werden.

Der bei der vorliegenden Ausführungsform verwendete Schei beneinsatz 12 und Stangeneinsatz 14 wird im wesentlichen aus einem sublimierbaren Material hergestellt, das bei Raumtemperatur normalerweise nicht sublimiert. Es ist wünschenswert, daß das sublimierbare Material in einem organischen Lösungsmittel, wie beispielsweise Äther, das als Lösungsmittel für eine Paste des sublimierbaren Ma teriales verwendet wird, nur geringfügig löslich oder un löslich ist. Es wird insbesondere bevorzugt, ein subli mierbares Material zu verwenden, das bei einer Temperatur sublimiert, die höher ist als der Zersetzungspunkt der Additive, wie beispielsweise einem Binder und einem Plastifiziermittel, die im ungebrannten laminaren Körper 2, 4, 8 enthalten sind und sich während des Brennens des Körpers zersetzen. Theobromin, Indigo, 1,5 Diamino anthrachinon, Hexabrombenzol und Naphtazin (Naphtacene) sind besonders bevorzugte Beispiele für das sublimierbare Material. Wie das für die ungebrannten keramischen Ele mente 2, 4, 8 verwendete keramische Pulver wird das aus gewählte sublimierbare Material mit den vorstehend an gegebenen Additiven, wie beispielsweise einem Bindemittel und einem Plastiiziermittel, vermischt, und das Gemisch wird zu dem Scheibeneinsatz 12 und dem Stangeneinsatz 14 mit der geeigneten Form und dem geeigneten Volumen geformt.

Der Scheibeneinsatz 12 und der Stangeneinsatz 14, die hauptsächlich aus dem sublimierbaren Material in der vor stehend beschriebenen Weise geformt worden sind, besitzen im wesentlichen die gleichen Abmessungen und Formen wie die Öffnung 6 und das Loch 10 und werden daher mit enger Passung in diesen Hohlräumen 6, 10 angeordnet, so daß die Abschnitte des ungebrannten laminaren keramischen Körpers (2, 4, 8), die die Hohlräume begrenzen, nicht in die Hohl räume verlagert werden, während der laminare keramische Körper unter Kompaktionsdruck steht. Wenn jedoch die Ein sätze 12, 14 in der Lage sind, die vorstehend genannte Verlagerung im ungebrannten Körper (2, 4, 8) zu verhindern, müssen sie nicht aus einer festen Masse bestehen, d. h. sie können hohl oder anders ausgebildet sein oder aus einer geformten Masse bestehen.

Während vorstehend eine Ausführungsform des zusammenge brannten einstückigen Körpers, der für den Drucksensor geeignet ist, beschrieben wurde, ist die vorliegende Er findung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, son dern kann auch in anderer Weise verwirklicht werden. Einige dieser modifizierten Ausführungsformen werden in Verbin dung mit den Fig. 2(a) und 2(b) und den nachfolgenden Figuren erläutert.

Eine in den Fig. 2(a) und 2(b) gezeigte zweite Aus führungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungs form dadurch, daß ein Einsatz nicht aus einem sublimier baren Material hergestellt worden ist. Genauer gesagt, ein ungebranntes Basiselement 26 dient auch als das bei der ersten Ausführungsform verwendete Abstandselement 4, und der Einsatz kann vom ungebrannten laminaren Körper (2, 26) entfernt werden. Daher muß der Einsatz nicht aus einem sub limierbaren Material bestehen. Er kann beispielsweise ein zylindrischer Kern 28 sein, der in einer vergleichsweise großen zylindrischen Bohrung 30, die im ungebrannten Basis element 30 ausgebildet ist, mit enger Passung angeordnet wird, bevor das ungebrannte Membranelement 2 unter einem geeigneten Druck auf das ungebrannte Basiselement 26 ge setzt wird, um den ungebrannten laminaren Körper zu erzeu gen.

Danach wird der zylindrische Kern 28 vom hergestellten un gebrannten laminaren Körper (2, 26) entfernt, und der lami nare Körper wird zu dem einstückigen Körper 20 zusammen gebrannt, wie dies in Fig. 2(b) gezeigt ist. Der herge stellte einstückige Körper 20 besitzt einen zylindrischen Hohlraum 32, der mit der Umgebungsatmosphäre in Verbindung steht. Auf diese Weise besteht der zusammengebrannte ein stückige Körper 20 aus dem Membranabschnitt 16 und dem Ba sisabschnitt 18, die einstückig miteinander ausgebildet sind.

Eine dritte Ausführungsform, die in den Fig. 3(a) und 3 (b) dargestellt ist, unterscheidet sich von den vorher gehenden Ausführungsformen dadurch, daß ein ungebranntes Basiselement aus einer Vielzahl von ungebrannten planaren Basiselementen 34 a, 34 b . . . 34 n besteht. Ein ungebrannter laminarer Körper wird hergestellt, indem das ungebrannte Abstandselement 4 auf die aufeinandergesetzten planaren Basiselemente 34 und das ungebrannte Membranelement 2 auf das ungebrannte Abstandselement 4 gesetzt wird. Wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 wird der Scheibeneinsatz 12 in die kreisförmige Öffnung 6 im Abstandselement 4 eingesetzt, während der Stangeneinsatz 14 in ein Durchgangsloch einge setzt wird, das aus einer Vielzahl von Löchern 10 a, 10 b . . . 10 n besteht, die sich durch die entsprechenden planaren Elemente 34 a, 34 b . . . 34 n erstrecken.

Der auf diese Weise hergestellte ungebrannte laminare Körper wird in entsprechender Weise wie bei der ersten Ausführungsform zu dem einstückigen Körper 20 zusammen gebrannt, der in Fig. 3(b) gezeigt ist. Bei dieser dritten Ausführungsform kann die Ausbeute verbessert werden, wenn das Membranelement 2, das Abstandselement 4 und die planaren Basiselemente 34 a, 34 b . . . 34 n alle die gleiche Dicke besitzen.

Die in den Fig. 4(a) und 4(b) gezeigte vierte Aus führungsform zeigt ein Beispiel eines zusammengebrannten einstückigen Körpers 20 mit einem umschlossenen inneren Hohlraum 22. Wie in Fig. 1(a) dargestellt, findet bei dieser Ausführungsform ein ungebranntes Basiselement 36 Verwendung, das im Gegensatz zu den vorhergehenden Aus führungsformen kein Durchgangsloch aufweist, das eine Verbindung zwischen der kreisförmigen Öffnung 6 mit der Um gebungsatmosphäre herstellt.

Auf dieses ungebrannte Basiselement 36 werden das unge brannte Abstandselement 4 mit dem in der Öffnung 6 ange ordneten Scheibeneinsatz 12 und das ungebrannte Membran element 2 gesetzt. Der auf diese Weise erhaltene laminare Körper wird zu dem in Fig. 1(b) gezeigten einstückigen Körper 20 zusammengebrannt. Der innere kreisförmige Hohl raum 22, der im einstückigen Körper 20 ausgebildet ist, steht nicht mit der Umgebungsatmosphäre in Verbindung.

Der Drucksensor, bei dem der zusammengebrannte einstückige Körper 20 der Fig. 4(b) Verwendung findet, ist so aus gebildet, daß der zu erfassende Druck im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsformen nur auf die Außenfläche des Membranabschnitts 16 einwirkt.

Bei einer fünften Ausführungsform der Erfindung, die in den Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) dargestellt ist, findet kein ungebranntes Abstandselement, das bei den vorhergehenden Ausführungsformen mit der Bezugsziffer 4 bezeichnet ist, Verwendung. Statt dessen wird ein sublimierbarer Kern einsatz 38, der eine Querschnittsform gemäß Fig. 5(c) aufweist, zwischen das ungebrannte Membranelement 2 und Basiselement 8 gesetzt. Der entstandene ungebrannte lami nare Körper mit dem zwischen die Elemente 2, 8 eingeschobe nen Kerneinsatz 38 wird zu einem einstückigen Körper 20, wie er in Fig. 5(b) gezeigt ist, zusammengebrannt. Die ser einstückige Körper 20 weist einen konischen Hohlraum 40 auf, der dem Kerneinsatz 38 entspricht. Bei dieser Aus führungsform ist der Membranabschnitt 16 an seinem mittle ren Teil konvex ausgebildet und folgt dabei dem Profil des Kerneinsatz 38, während der Umfang des konvexen Teiles des Membranabschnittes 16 einstückig mit dem Basisabschnitt 18 ausgebildet ist.

Die vorstehend beschriebenen zusammengebrannten einstückigen Körper 20 gemäß der Erfindung können in vorteilhafter Weise derart modifiziert werden, daß der benachbart zum Membran abschnitt 16 angeordnete innere kreisförmige Hohlraum 22 mit einem runden Rand versehen wird, der einen geeigneten Krümmungsradius aufweist, wie dies bei 42 in den Fig. 6 (a), 6(b) und 7(a) und 7(b) angedeutet ist. Genauer ge sagt, der kreisförmige Hohlraum 22 ist am oberen Rand be nachbart zum Membranabschnitt 16, wie in den Fig. 6(a) und 6(b) dargestellt, mit einem geeigneten Krümmungs radius abgerundet. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7(a) und 7(b) sind der obere und untere Rand des kreis förmigen Hohlraumes 22 mit unterschiedlichen Krümmungs radien abgerundet, wie bei 44 angedeutet.

Die abgerundeten Ränder 42, 44 des kreisförmigen Hohlrau mes 20, der den Membranabschnitt 16 des zusammengebrannten einstückigen Körpers 20 bildet, behindern oder verhindern in wirksamer Weise Spannungskonzentrationen am Umfang des Membranabschnittes 16, wodurch die Haltbarkeit oder Druck festigkeit der einstückigen Körper 20 und somit des Druck sensors verbessert wird.

Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines Drucksensors, bei dem ein zusammengebrannter einstückiger Körper 20 Verwendung findet, der einstückig miteinander ausgebildete Membran- und Basisabschnitte 16, 18 enthält. Der einstückige Körper 20 ist in einem Gehäusekörper 50 angeordnet und mit einem Deckelelement 52 versehen. Die drei Elemente 20, 50, 52 werden im montierten Zustand durch ein Verstemmelement 54 gehalten, das mit dem Gehäusekörper 50 und dem Deckelele ment 52 in Eingriff steht, so daß der Umfangsteil des ein stückigen Körpers 20 durch das Deckelelement 52 gegen den Gehäusekörper 50 gepreßt wird. Ein O-Ring 56 ist zwischen der unteren Fläche des einstückigen Körpers 20 und der gegenüberliegenden Innenfläche des Gehäusekörpers 50 ange ordnet, um eine Dichtung dazwischen zu bilden. Der Ge häusekörper 58 besitzt ein sich durch ihn erstreckendes Druckloch 58, das mit dem im einstückigen Körper 20 aus gebildeten Verbindungskanal 24 und kreisförmigen Hohlraum 22 in Verbindung steht. In Funktion ist der Drucksensor so angeordnet, daß das Druckloch 58 zu einem Strömungsmittel hin offen ist, dessen Druck gemessen werden soll. Somit wirkt der Druck des in den Hohlraum 22 eingeführten Strö mungsmittels auf die Innenfläche des Membranabschnittes 16.

An der Außenfläche des Membranabschnittes 16 des zusammen gebrannten einstückigen Körpers 20 sind einstückig bei spielsweise vier Widerstände R 1, R 2, R 3 und R 4 ausgebil det, die als Brückenschaltung, beispielsweise Wheatstone'sche Brücke, geschaltet sind. Wenn der Membranab schnitt 16 durch den Druck des durch das Druckloch 51 ein geführten Strömungsmittels verformt wird, steigen die Wi derstandswerte der Widerstände R 1-R 4 an oder nehmen ab, und ein Ausgangssignal der Brückenschaltung wird über ein Lei tungskabel 60, das an die Schaltung angeschlossen ist, einer äußeren Vorrichtung zugeführt. Diese Widerstände R 1- R 4 sind aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material hergestellt, das aus Metallen, beispielsweise Pt, Au, Ag und Pd, oder Legierungen oder Oxiden dieser Metalle oder elektrisch leitenden Oxiden, wie beispielsweise RuO₂ oder Bi₂Ru₂O₇, ausgewählt ist.

Die Anordnung der vier Widerstände R 1-R 4, die so auf dem Membranabschnitt 16 des einstückigen Körpers 20 ausgebil det und über die Leiter 62 miteinander verbunden sind, ist in den Fig. 9(a) und 9(b) gezeigt. Bei der Brücken schaltung, die durch die Widerstände R 1-R 4 und die Leiter 62 gebildet wird, kann es sich um eine bekannte Aus führungsform handeln. Ein Beispiel dieser Brückenschaltung ist in Fig. 10 gezeigt. Mit 64 ist in Fig. 10 eine Stromquelle bezeichnet.

Erfindungsgemäß wird somit ein Drucksensor vorgeschlagen, der die folgenden Bestandteile umfaßt: Eine keramische Membran, die in Abhängigkeit von einem aufgebrachten Druck verformbar ist, eine keramische Basis, die dem Umfang der keramischen Membran zugeordnet ist, um die keramische Mem bran zu lagern, und mindestens einen Widerstand, der auf der keramischen Membran ausgebildet ist. Der Widerstands wert des Widerstandes schwankt in Abhängigkeit von der Größe der Verformung der keramischen Membran und gibt auf diese Weise den auf die keramische Membran aufgebrachten Druck wieder. Die keramische Membran und die keramische Basis bestehen aus einem zusammengebrannten Körper, der durch Zusammenbrennen eines ungebrannten Membranelementes und eines ungebrannten Basiselementes hergestellt worden ist.

Claims

1. Drucksensor, gekennzeichnet durch:
Eine keramische Membran (16), die in Abhängigkeit von einem aufgebrachten Druck verformbar ist;
eine keramische Basis (18), die dem Umfang der kera mischen Membran (16) zugeordnet ist, um diese zu la gern;
mindestens einen Widerstand (R 1, R 2, R 3, R 4), der auf der keramischen Membran (16) ausgebildet ist und des sen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Größe der Verformung der keramischen Membran (16) ändert und damit den auf die Membran aufgebrachten Druck wieder gibt; wobei
die keramische Membran (16) und die keramische Basis (18) aus einem zusammengebrannten einstückigen Körper (20) bestehen.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der zusammengebrannte einstückige Körper (20) durch Zusammenbrennen eines ungebrannten laminaren Körpers hergestellt ist, der eine Vielzahl von ungebrannten keramischen Formtei len oder Dickfilm-Keramikelementen (2, 4, 8) aufweist, in denen entsprechende Hohlräume (6, 10) ausgebildet sind, und daß der zusammengebrannte einstückige Kör per (20) einen inneren Hohlraum (22) aufweist, der den in den ungebrannten keramischen Elementen (2, 4, 8) ausgebildeten Hohlräumen (6, 10) entspricht.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die ungebrannten kera mischen Elemente (2, 4, 8) des ungebrannten laminaren Körpers mindestens einen Einsatz (12, 14) aufweisen, der in die Hohlräume (6, 10) eingesetzt ist, und daß der mindestens eine Einsatz (12, 14) aus einem sublimierbaren Material hergestellt ist, das beim Brennen des ungebrannten laminaren Körpers sublimiert und verschwindet, so daß der innere Hohlraum (22) im zusammengebrannten einstückigen Körper (20) aus gebildet wird.

4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Einsatz (12, 14) die gleichen Abmessungen wie ein entsprechender Hohl raum (6, 10) besitzt, so daß jeder Einsatz (12, 14) mit enger Passung in den entsprechenden Hohlraum (6, 10) eingesetzt ist.

5. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das sublimierbare Mate rial bei einer Temperatur sublimiert, die höher ist als der Zersetzungspunkt eines im ungebrannten lami naren Körper enthaltenen Materiales, das sich während des Zusammenbrennens der ungebrannten kera mischen Elemente (2, 4, 8) zersetzt.

6. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das sublimierbare Ma terial aus Theobromin oder Indigo besteht.

7. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge gekennzeichnet, daß die ungebrannten plana ren keramischen Elemente (2, 4, 8) aus keramischen Rohlagen bestehen.

8. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die ungebrannten Dick film-Keramikelemente (2, 4, 8) durch eine Dickfilm- Drucktechnik hergestellt worden sind.

9. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der innere Hohlraum (22) einen abgerundeten Rand (42, 44) mit einem vor gegebenen Krümmungsradius aufweist.

10. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Druck sensors mit einer keramischen Membran, die in Ab hängigkeit von einem aufgebrachten Druck verformbar ist, einer keramischen Basis, die dem Umfang der keramischen Membran zugeordnet ist und diese lagert, und mindestens einem auf der keramischen Membran ausgebildeten Widerstand, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Größe der Verformung der keramischen Membran ändert und damit den auf die keramische Membran aufgebrachten Druck wieder gibt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Herstellen eines ungebrannten keramischen Membran elementes, das durch Brennen die keramische Membran ergibt;
Herstellen eines ungebrannten keramischen Basisele mentes, das durch Brennen die die keramische Mem bran lagernde keramische Basis ergibt;
Herstellen eines ungebrannten laminaren Körpers, der das ungebrannte keramische Membranelement und das ungebrannte keramische Basiselement umfaßt; und
Brennen des ungebrannten laminaren Körpers, um auf diese Weise das ungebrannte keramische Membranele ment und das ungebrannte keramische Basiselement zu sammenzubrennen und einen zusammengebrannten ein stückigen Körper herzustellen, der einen als kera mische Membran aus dem ungebrannten keramischen Mem branelement hergestellten Membranabschnitt und einen als keramische Basis aus dem ungebrannten Basisele ment hergestellten Basisabschnitt aufweist, wobei der Membranabschnitt und der Basisabschnitt einstückig miteinander ausgebildet sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt der Ausbildung der Vielzahl der Widerstände auf dem ungebrannten Membran element des ungebrannten laminaren Körpers.

12. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt der Ausbildung der Vielzahl der Widerstände auf dem Membranabschnitt des zusammengebrannten einstückigen Körpers.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ge kennzeichnet durch den weiteren Schritt der Ausbildung einer Öffnung zwischen dem ungebrannten Membranelement und dem ungebrannten Basiselement, die einen inneren Hohlraum bildet, welcher im zusammengebrannten einstückigen Körper benachbart zum Membranabschnitt ausgebildet ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeich net durch den weiteren Schritt der Aus bildung eines Durchgangsloches durch das ungebrannte Basiselement, das einen im zusammengebrannten ein stückigen Körper ausgebildeten Kanal bildet, welcher mit dem inneren Hohlraum in Verbindung steht.

15. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeich net durch den weiteren Schritt der Auf füllung der Öffnung mit einem Material, das während des Brennens des ungebrannten laminaren Körpers verschwindet.

16. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeich net durch den weiteren Schritt der Auf füllung des Durchgangsloches mit einem Material, das während des Brennens des ungebrannten laminaren Körpers verschwindet.

17. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeich net durch den weiteren Schritt der Auf füllung der Öffnung mit einer festen Masse, bevor der ungebrannte laminare Körper hergestellt wird, und der Entfernung der festen Masse, bevor der unge brannte laminare Körper zu dem zusammengebrannten einstückigen Körper gebrannt wird.