Entwurf und galvanotechnische Fertigung metallischer Trennmembranen für mediengetrennte Drucksensoren

Die Grundlage für die Auslegung der Trennmembran bildet ein Modell der ölgefüllten Sensorzelle, das auf geometrischen und materialspezifischen Parametern beruht. Die Auslegung der Trennmembran erfolgt mit einem Optimierungsverfahren auf Basis analytischer Gleichungen der Plattentheorie. Zur Berechnung der akustischen Nachgiebigkeit der Trennmembran werden analytische Gleichungen aus den Ergebnissen von FEM-Simulationen mit Hilfe der nichtlinearen Regression abgeleitet. Zur stabilen Steuerung des galvanischen Prozesses werden die Einflussmöglichkeiten durch die Bad und Prozessparameter auf die Niederschläge aus Nickelsulfamatelektrolyten eingehend untersucht. Das Entwurfsverfahren wird durch Überprüfung mit FEM-Simulationen und Messergebnissen der gefertigten Trennmembranen mit Abweichungen unter 5 % qualifiziert. Die entwickelten Messzellen weisen ein piezoresistives Messelement sowie eine galvanisch abgeschiedene Nickelmembran mit einem Durchmesser von 9 mm auf. Das Sensorgehäuse ist aus LTC-Keramik gefertigt, die Signalverarbeitungselektronik ist integriert. Das Volumen des Differenzdruck-Messumformers beträgt 3,6 cm³. Die Messunsicherheit im Temperaturbereich von -25°C bis +85°C liegt unter 0,2 %.

A Model of the oil filled sensor cell, using geometric and material specific parameters, constitutes the basis for diaphragms design. The temperature and pressure caused behaviour is calculated to determine the demands on diaphragms rigidity. The design of the metallic diaphragm is done by an optimisation procedure using analytic equations of plates and shells. For the calculation of diaphragms acoustic rigidity analytic equations are derived from FEM-simulations using the nonlinear regression. For a reliable control of the galvanic deposit of the electroplated metal film the effects of the electrolytic process are investigated systematically. The procedure of diaphragms design using analytic equations is qualified by comparison with FEM-simulations and measuring results of the electroplated diaphragms underbidding a difference of 5 %. The developed pressure transmitters contain a piezoresistive measuring element and an electroplated nickel diaphragm showing a diameter of 9 mm. The housing of the sensor consists of LTC-ceramic. An electronic circuit for signal conditioning is integrated. The volume of the differential pressure transmitter amounts to 3.6 cm³. The measuring uncertainty in a temperature range between -25 °C and 85 °C is below 0,2 %.