本发明涉及具有至少一个温度换能器的陶瓷压力测量单元和具有此类压力测量单元的压力传感器。
背景技术：
温度换能器或温度传感器通常集成到压力测量单元中，以便补偿压力测量期间的静态温度误差。在通用压力测量单元中，该温度传感器通常布置在陶瓷的后表面上；然而，它也可以包含在所连接的评估电子元件的内侧。如果压力测量单元与其周围环境热平衡，那么压力测量的温度依赖性可以通过此种温度传感器和测量信号的适当处理而被很好地补偿。然而，温度跃迁可能会引起严重测量误差，这几乎不能使用已知方法来补偿。尤其是在具有附接至对置主体(counter body)并且具有例如小于100μm的厚度的薄膜片的陶瓷压力测量单元中，当存在具有约1cm2至10cm2的介质接触表面时，测量膜片的温度以所需的任意速度跟随测量膜片上的介质的温度，而在对置主体的前侧和后侧之间的热传递仅非常缓慢地进行。这导致温度梯度，并且因此导致不利地影响压力测量的相关联机械应力。
专利申请DE 100 44 078 A1公开了具有两个电阻式温度传感器的压力测量单元，这两个电阻式温度传感器将在预期的温度梯度的方向上隔开布置。为此原因，第一温度传感器布置在形成压力测量单元的正面的测量隔膜处，在此它可以快速地跟随介质的温度改变，而第二温度传感器布置在压力测量单元的对置主体的背面并且背向测量膜片。
专利申请DE 10 2013 114 734 A1公开了压力测量单元，其中测量膜片的温度从测量膜片电极的阻抗导出。这显然支持对温度变化的最快速地检测。然而，这与更大的评估工作相关联。
技术实现要素：
本发明的目标是提供具有对温度梯度的简单和可靠检测的压力测量单元和压力传感器。
该目标根据本发明由根据独立权利要求1所述的压力测量单元和根据独立权利要求17所述的压力传感器来实现。
根据本发明的压力测量单元包括陶瓷对置主体；陶瓷测量膜片，所述陶瓷测量膜片经由圆周接合部以压力密封的方式连接至对置主体，在对置主体与测量膜片之间形成测量腔室，其中测量膜片可以通过将被测量的介质而变形；电转换器，所述电转换器用于将测量膜片的依赖于压力的变形转换成电信号；以及温度换能器，所述温度换能器用于提供取决于压力测量单元的温度或温度梯度提供至少一个电信号，其特征在于所述温度换能器具有至少第一热电偶，所述至少一个第一热电偶具有包括第一导电材料的第一导体(14)与包括至少第二导电材料的、与所述第一导体接触的第二导体(18)之间的电流接触。
在本发明的另一改进中，对置主体具有第一材料厚度(hg)，其中所述第一热电偶的电流接触与膜片的表面中的面向对置主体的一个表面分开不超过材料厚度的25％——特别地，不超过材料厚度的10％，且优选地，不超过材料厚度的5％。在本发明的另一改进中，所述接合部具有材料厚度(hf)，其中第一热电偶的电流接触与膜片的表面中的面向对置主体的一个表面分开不超过接合部的第二材料厚度的十倍——例如，不超过材料厚度的四倍，特别地，不超过第二材料厚度的两倍，且优选地，不超过第二材料厚度。
第一热电偶靠近测量膜片的布置确保快速记录可能发生的温度跃迁，特别是在改变过程设备中介质温度的情况下。
在本发明的另一改进中，温度换能器进一步具有至少第二热电偶，所述第二热电偶具有所述第一导体与包括至少第三导电材料的、与所述第一导体接触的第三导体之间的电流接触。
该布置容许对第二温度的测量，或者如果第一热电偶和第二热电偶串联连接，那么允许对温度梯度的直接测量。第二替换方案尤其会促进对由温度梯度所致使的压力测量误差的纠正。
压力测量单元根据前述权利要求中一项，其中第一材料选自包括以下材料的清单：金属、金属合金、金属硫族化物、金属氧化物——特别地，亚化学计量的金属氧化物，特别地：CuNi、NiV、Ti、TiW、TiBN(N2)、TiTiN(N2)、ZrNiTi、Ta/TaO、PtCu、Ta/TaO、TiOx、PbTe(SrTe)4Na2、Bi2Te3-Sb2Te3、Cu(2-x)Se、SrTiO3、SiGe。
在本发明的另一改进中，第一材料具有相对于Pt的塞贝克系数，塞贝克系数的量级达到不小于2μV/K——特别地，不小于4μV/K，优选地，不超过8μV/K，更优选地，不超过16μV/K，且特别优选地，不超过64μV/K。
在本发明的另一改进中，第一材料的塞贝克系数与第二材料的塞贝克系数之间的差异的量级达到不小于2μV/K——特别地，不小于4μV/K，优选地，不小于8μV/K，更优选地，不小于16μV/K，且特别优选地，不小于64μV/K。
在本发明的另一改进中，第二导体具有不同导电材料的多个区段，其中优选地，第二导体的相应相邻导电材料的塞贝克系数之间的差异量达到不超过第一材料的塞贝克系数与第二材料的塞贝克系数之间的差异量的一半——特别地，不超过四分之一，且优选地，不超过十分之一，和/或
其中第三导体具有不同导电材料的多个区段，其中优选地，第三导体的导电材料的塞贝克系数之间的差异量达到不超过第一材料的塞贝克系数与第三材料的塞贝克系数之间的差异量的一半——特别地，不超过四分之一，且优选地不超过十分之一。
在本发明的另一改进中，接合部包括与第一导体的导电材料接触的第二导电材料，其中第二导电材料特别地包括例如Zr-Ni-Ti合金的活性硬焊料，其中第二导体包括所述接合部和对置主体的后部的导电区段，可以是对置主体的外表面上的防护罩或者是对置主体中的电过渡接头。该改进是有利的，因为介质中的温度跃迁经由接合部传递到对置主体中，并且可以经由包围所述接合部的热电偶而被最快速地检测出。
在本发明的另一改进中，对置主体具有膜片侧端面和背向测量膜片的背面，所述膜片侧端面和所述背面彼此具有轴向距离(a)，其中所述第一导体在所述轴向距离(a)上延伸至少80％——特别地，至少90％，优选地，至少95％，且特别优选地，至少超过100％。因为温度跃迁之后的温度梯度确切地说在轴向方向上延伸，所以此处指定的轴向间隔有利于以足够的精度支持温度梯度的确定。
在本发明的另一改进中，第一导体沿对置主体的外表面延伸，所述外表面在膜片侧端面与背面之间延伸。第一热电偶的电流接触被以有利的方式布置在对置主体的外表面上。
在本发明的另一改进中，对置主体具有在膜片侧端面与背面之间的通孔或盲孔，其中第一导体在所述孔或盲孔内延伸。
在本发明的另一改进中，第一热电偶的电流接触被布置在对置主体的面向测量膜片的表面上，其中特别地，对置主体的面向测量膜片的表面具有半径，其中电流接触距离对置主体的外表面不超过所述半径的五分之一——特别地，不超过所述半径的十分之一。
在本发明的另一改进中，第二热电偶距离所述背面不超过所述轴向距离的20％——特别地，不超过10％，且优选地，不超过5％，并且所述第二热电偶优选地布置在背面上。
在本发明的另一改进中，电转换器是电容式转换器，具有布置在测量膜片上的膜片电极(7)和布置在对置主体(2)的膜片侧面上的至少一个对置主体电极(8、9)，其中所述膜片电极(7)与对置主体电极(8、9)之间的电容取决于测量膜片的依赖于压力的变形，其中对置主体电极包括第一材料或第二材料。
在本发明的另一改进中，第一和/或第二热电偶的至少一个导体特别地通过溅射而被沉积在对置主体上。
根据本发明的压力测量单元包括：根据前述权利要求中一项所述的压力测量单元；以及外壳，其中所述外壳的内部具有测量单元腔室，压力测量单元布置在所述测量单元腔室中，其中所述外壳具有介质端口，其中所述测量膜片面向介质端口并且其压力将被测量的介质可以经由介质端口而作用在所述测量膜片上。
在本发明的另一改进中，介质端口被环形密封座围绕，其中密封环布置在密封座与压力测量单元之间，其中所述压力测量单元被夹紧装置在轴向方向上夹靠密封环。
在本发明的另一改进中，压力测量检测器以下述方式布置：在流体介质的至少+80K的温度跃迁之后——在此之前介质具有300K+/-10K的初始温度并且发现压力测量检测器与介质和环境处于热平衡——对置主体具有不均匀的温度分布，具有最高温度点和最低温度点，其中第一热电偶和第二热电偶以下述方式布置：在温度跃迁之后的60秒至600秒——特别地，30秒至600秒，且优选地，15秒至600秒的时间跨度上，第一热电偶的电流接触的点处的当前第一温度与第二热电偶的电流接触的点处的当前第二温度之间的差异达到当前最高温度与当前最低温度之间的差异的不小于20％，特别地，不小于40％，且优选地不小于50％。
在本发明的另一改进中，压力测量检测器以下述方式布置：在流体介质的至少+80K的温度跃迁之后——在此之前介质具有300K+/-10K的初始温度并且发现压力测量检测器与介质和环境处于热平衡——对置主体具有不均匀的温度分布，具有最高温度点和最低温度点，其中第一热电偶以下述方式布置：在温度跃迁之后的60秒至600秒——特别地，30秒至600秒，且优选地，15秒至600秒的时间跨度上，当前最高温度与第一热电偶的电流接触的点处的当前第一温度之间的差异量达到当前最高温度与当前最低温度之间的差异的不超过50％，特别地不超过40％，且优选地不超过20％。
附图说明
下面依据附图中所示出的示例性实施例更加详细地解释了本发明。如图所示：
图1a是根据本发明的压力测量单元的第一示例性实施例的纵向切割图；
图1b是根据图1a的示例性实施例的对置主体的膜片侧前端的视图；
图2a是根据本发明的压力测量单元的第二示例性实施例的纵向切割图；
图2b是根据图2a的示例性实施例的对置主体的膜片侧前端的视图；
图2c是根据图2a的示例性实施例的膜片的背离对置主体的端部的视图；
图3a是根据本发明的压力测量单元的第三示例性实施例的纵向切割图；
图3b是根据图3a的示例性实施例的对置主体的膜片侧前端的视图；
图4是根据本发明的压力测量单元的示例性实施例的示意性纵向切割图；并且
图5是不具有和具有对温度梯度的补偿的温度跃迁期间的压力零点的压力信号。
具体实施方式
图1a和图1b中所表示的根据本发明的压力测量单元1的示例性实施例包括圆盘形陶瓷测量膜片2，其沿着外围圆周接合部4以压力密封的方式接合到显著更硬的圆盘形陶瓷对置主体3，在对置主体3与测量膜片2之间形成测量腔室5。测量膜片2和对置主体尤其包括金刚砂。接合部可以特别地包括活性硬焊料，例如Zr-Ni-Ti活性硬焊料。
测量膜片2在其对置主体侧表面上具有全表面膜片电极7，该膜片电极7具有半径R，其中R是测量膜片的可挠曲区域的半径，该半径对应于接合部4的内直径。在对置主体3的膜片侧端上，中心测量电极8被布置成被基准电极9截面地围绕。基准电极9至测量电极8和接合部4的距离分别为约0.1R。基准电极9和测量电极8经由金属过渡接头10、11穿过底座主体电接触。膜片电极7可以例如经由接合部被放置在接地开关上。为了确定压力测量值，一方面捕获测量电极8与膜片电极7之间的电容，另一方面捕获基准电极9与膜片电极7之间的电容。如果当测量腔室中和测量膜片的背向测量膜片的外侧上具有相同的压力时测量电极和基准电极的电容相对于膜片电极分别是相同的，那么可以依据电容的差分信号容易地确定将测量的压力。关于使用电容确定压力测量值的细节是已知的，并且在专利申请DE 10 2011 078 557 A1中进行了描述。
为了确定对置主体3的膜片侧面上的温度或温度梯度，压力测量单元1具有拥有两个热电偶的温度换能器。两个热电偶包括经由例如溅射过程沉积在对置主体3的膜片侧面上的TiO2-x条带作为公共第一导体14。第一导体相对于测量电极8、基准电极9和接合部4电绝缘，并且在径向方向上从测量腔室的边缘区域中的第一位置延伸至接近中心的第二位置。图1a中特别示出了关于接触第一导体14的细节，图1a示出沿图1b中的线A-A的纵向截面。
两个热电偶中的第一个附加地包括第一Ta销18作为第二导体，其从对置主体3的后侧引导通过轴向孔到达对置主体的膜片侧面上的第一位置，并且在此接触第一导体14。
两个热电偶中的第二个附加地包括第二Ta销16作为第二导体，其从对置主体3的后侧引导通过轴向孔到达对置主体的膜片侧面上的第二位置，并且在此接触第一导体14。
介质中的温度跃迁——其特别是由于SIP过程而出现——通过测量膜片2经由接合部4被引入到压力测量单元的介质中。这引起第一导体14的第一位置与第一导体的第二位置之间的温度梯度。不同的热电动势力因此产生在两个Ta销上的第一或第二位置处，该热电动势力的差分可以建立在第一Ta销18与第二Ta销16之间的背面上。
在该示例性实施例的替换设计中(这里未示出)，如果使得第一导体达到接合部4并且电流接触，那么第一Ta销18可以被省略。接合部4的外侧或外表面然后与跨对置主体3的外表面延伸到达背面的金属涂层接触。取决于测量腔室的边缘上的第一导体的第一位置与对置主体的膜片侧面的中心区域中的第一导体的第二位置之间的信号然后可以在金属涂层与第二Ta销16之间的背面上被拾取。对此的先决条件是第一导体的材料具有比接合部的材料和金属涂层的材料高得多的塞贝克(Seebeck)系数。
图2a至图2c中所表示的根据本发明的压力测量单元21的示例性实施例包括圆盘形陶瓷测量膜片22，其沿着圆周接合部24以压力密封的方式接合到显著更硬的圆盘形陶瓷对置主体23，从而在对置主体23与测量膜片22之间形成测量腔室25。测量膜片22和对置主体23尤其包括金刚砂。接合部包括活性硬焊料，例如Zr-Ni-Ti。
膜片电极22在其对置主体侧表面上具有全表面膜片电极27。在对置主体23的膜片侧面上，中心测量电极28被布置成被基准电极29环形围绕。基准电极29和测量电极28经由穿过对置主体的金属过渡接头30、31电接触。膜片电极27经由接合部被接地。为了确定压力测量值，对电容进行确定和评估，如结合第一示例性实施例所解释地。
为了确定对置主体23的膜片侧面上的温度或温度梯度，压力测量单元21具有拥有两个热电偶的温度换能器。作为公共第一导体34，两个热电偶包括位于外表面上的具有第一材料的涂层，第一材料具有足够大的塞贝克系数，例如TiO2-x、NiV或CuNi，并且经由溅射过程进行沉积。第一导体34与接合部24的外表面电流接触，接合部24具有呈活性焊料形式的第二导体，以使得温度换能器的第一热电偶在该接触处形成。第一导体34的层向上延伸至对置主体23的背面。第一导体34在这里接触呈金属接触焊盘38形式的第二导体，借此形成温度换能器的第二热电偶。为了能够使用第一热电偶的电势，Ta销36延伸穿过对置主体23，并且接触接合部24。
特别地，图2a中示出了关于接触第一导体14的细节，图2a示出沿图2c中的线A-A的纵向截面。
第一热电偶与第二热电偶的热电动势电压之间的差分在Ta销36与接触焊盘38之间被确定。
在第二示例性实施例中，第一导体34被示出为外表面的全表面涂层，以使得如果该涂层具有足够好的导电性，那么它可以同时充当用于测量电极28和基准电极30的防护罩。
如果第一导体的特定电阻过大而无法仍然充当防护罩，那么还可以使绝缘层(例如，SiO2)沉积在外表面的轴向区域中的第一导体上，在绝缘层上沉积有金属防护层，该金属防护层接触接合部或接合部的区域中的第一导体。在这种情况下，第一导体没有必要覆盖对置主体的整个外表面。条带在轴向方向上从接合部向上延伸至对置主体的背部上的接触焊盘即足够。
图3a和图3b中所表示的根据本发明的压力测量单元41的第三示例性实施例包括圆盘形陶瓷测量膜片42，其沿着圆周接合部44以压力密封的方式连接到显著更硬的圆盘形陶瓷对置主体43，从而在对置主体43与测量膜片42之间形成测量腔室45。测量膜片42和对置主体43尤其包括金刚砂。接合部包括活性硬焊料，例如Zr-Ni-Ti。
测量膜片42在其对置主体侧表面上具有全表面膜片电极47。在对置主体43的膜片侧端上，中心测量电极48被布置成被基准电极49环形围绕。基准电极49和测量电极48经由穿过对置主体的金属过渡接头50、51电接触。膜片电极47经由接合部被接地。为了确定压力测量值，对电容进行确定和评估，如结合第一示例性实施例所解释地。
为了确定对置主体43的膜片侧面上的温度或温度梯度，压力测量单元41具有拥有两个热电偶的温度换能器。两个热电偶包括呈外表面上和金刚砂销的面上的涂层54形式的公共第一导体，涂层54具有例如TiO2-x的第一材料，第一材料具有足够大的塞贝克系数并且经由溅射过程进行沉积。金刚砂销被穿过对置主体插入到贯通轴向孔中，以使得涂层54与接合部44的下侧电流接触，穿过对置主体的轴向孔在下侧处离开。有利地，陶瓷销经由相同的接合过程接合至接合部，在该接合过程中测量膜片被接合至对置主体。借此可靠地确保接合部44与涂层54之间的电流接触，第一热电偶经由该电流接触形成。
在对置主体43的背向膜片的背侧上，至第一涂层54的第二电流接触经由钎焊的接触焊盘58形成在金刚砂销上，借此实现温度换能器的第二热电偶。为了能够使用第一热电偶的电势，Ta销56延伸穿过对置主体43，并且接触接合部44。
特别地，图3a中示出了关于第一导体54的连接的细节，图3a示出沿图3b中的线A-A的纵向截面。
第一热电偶与第二热电偶的热电动势电压之间的差分在Ta销56与接触焊盘58之间被确定。
在该示例性实施例的替换设计中，如果接合部4的外侧或外表面与延伸跨过对置主体43的外表面到达背面的金属涂层接触，那么Ta销56可以被省略。取决于两个热电偶之间的温度差分的信号然后可以被建立在金属涂层与第二Ta销接触焊盘58之间的背面上。
图4中示出的根据本发明的压力测量检测器60的示例性实施例的包括根据本发明的具有测量膜片62和对置主体63的压力测量单元。温度换能器具有两个热电偶和电容换能器，其中前面讨论的示例性实施例的温度换能器和电容换能器的细节对应地在这里适用。
压力测量检测器60进一步包括圆柱形金属外壳70，其内部具有测量单元腔室71，测量单元腔室71可以经由端面侧开口72通过其压力将被测量的介质而被操作。开口72被圆周密封座围绕，该圆周密封座形成轴向止动表面。密封环73定位在压力测量单元61的测量膜片62与密封座之间，压力测量单元抵靠密封环73被轴向夹紧。为此目的，陶瓷支撑环74首先作用在测量单元61的对置主体63的背侧上，陶瓷支撑环部分被金属环首螺钉75支撑在背侧上，金属环首螺钉75用螺纹啮合在测量单元腔室71的壁中。
电容换能器和温度换能器连接至操作电路80，其中操作电路被布置在或靠近压力测量单元61的背侧。操作电路对换能器的信号进行评估，并且将它们准备用于进一步处理。操作电路80可以特别地具有ASIC。
特别地，温度补偿或温度梯度补偿是信号的进一步处理的一部分。为此目的，图5示出压力测量值的示例性数据集，其基于电容，以分别15秒的间隔在N＝400测量点上在针对80K的正温度跃迁和负温度跃迁的p＝0处确定。实线示出不具有温度补偿的压力测量值。虚线示出具有温度补偿的压力测量值，其中接合部的外表面与压力测量单元的背侧之间的温度梯度为此目的被纳入考虑。进入两个热电偶中的第一导体在这种情况下是压力测量单元的外表面的防护涂层。在结果中可以认识到，可以显著减小压力信号的零点波动。