具有层结构的膜装置

技术领域

本发明涉及一种膜装置，其具有一个至少施加在膜的部段上的层结构。

背景技术

在这里，层结构一般是指由不同材料构成的层的堆叠或序列，所述堆叠或序列例如可以通过薄膜技术或厚层技术方法来生产。相应方法，如物理或化学气相沉积，以及其他用于加工相应层的方法，如光刻或激光修整在现有技术中是已知的。

在示例性的设计方案中，该层结构是薄膜层结构。这是有利的，因为可以通过薄膜技术方法以特别有针对性的方式实现在后续段中阐述的特征和示例。

在此上下文中和尤其在该文件的范围内，施加或涂覆有层结构的膜部段也被称作基底。

具有层结构的膜装置用于例如测量技术领域。例如，在DE 10 2007 047 707中已知了压力测量单元，其具有基底，在该基底上涂覆有至少一个绝缘层。在绝缘层之后是带有印制导线的测量层，最后至少部分地通过钝化层或保护层覆盖所述测量层。在这种情况下，压力测量单元的柔性膜部段被称作基底，所述柔性膜部段完全被压力测量单元的刚性边缘部分承载。

这种膜装置经常被用于工业加工设备的压力测量。在此，柔性膜部段背离层结构的一侧暴露于工艺介质，如加压气体或加压液体。工艺介质的压力变化导致柔性膜部段不同程度偏转。由偏转引起的柔性膜部段的膨胀或收缩在此可以通过集成在层结构中的膨胀阻力来检测。

尤其是，如果工艺介质含有挥发性和/或反应性成分，在此会损害在层结构中的膜或测量电路。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提供一种膜装置，其不易受工艺介质和/或其他环境影响造成的损害，或能更好受保护以免因工艺介质和/或其他环境影响造成的损害。本发明的任务同样提供一种压力传感器以及膜装置的用途，通过其同样实现了这些优点。

该任务在膜装置方面通过权利要求1的特征的膜装置来实现。该膜装置的有利的改进方案是从属权利要求的主题。

在压力传感器方面，该任务通过根据权利要求14的相应装置解决，在用途方面该任务通过根据权利要求15的装置解决。

本发明的第一方面涉及一种膜装置，其具有一个柔性膜部段，其中该膜部段的第一侧暴露于工艺介质，或设置为暴露于工艺介质，和其中该膜部段的第二侧具有层结构。也就是说，层结构施加、设置在该柔性膜部段的第二侧的表面上或嵌入到该侧的表面中。该膜部段的第一面和第二面是该膜部段的对置的侧。该柔性膜部段也可以被称为基底，在所述基底上设置或施加有层结构，例如通过如针对现有技术阐述的沉积方法设置或施加。

该层结构至少包括一个第一层和一个第二层。所述第一层具有热膨胀系数，该热膨胀系数的值在膜部段的热膨胀系数的值和第二层的热膨胀系数的值之间。热膨胀系数，在实践中有时也被称为热的膨胀系数或只称为膨胀系数，在此是材料特征值，其描述了由相应的材料构成的物体在加热时的膨胀程度。热膨胀系数通常以[K

第二层对工艺介质或工艺介质的至少一种成分的渗透性低于膜部段对相同工艺介质或工艺介质的相同成分的相应渗透性。渗透性在此是材料特征值，其描述了由相应的材料构成的物体对特定气体或特定液体的原子或分子有何种程度的渗透性，这些原子或分子关于物体的两侧(例如在物体之前和之后)具有浓度梯度或压力梯度。其原子或分子渗透材料(即穿透材料)的物质，即气体或液体，在此上下文中也被称为渗透物；该过程也被称为渗透。在具有给定厚度的材料层的渗透性方面，对于大多数材料来说，可以确定：渗透随着材料层厚度增加而减少，但随着层的两侧之间的压力或渗透物的浓度差增加而升高。此外，材料的渗透性可能与温度有关。此外，对于不同的渗透物，渗透性可以是不同的，这通常被称为选择性的渗透性。由于渗透性的这些不同的相关性—渗透性部分也借助所谓的渗透系数来量化--在实践中，所述渗透性以许多不同的单位给出，这些单位通常取决于按照何种方法确定材料指数。因此，绝对值很可能视来源而定地不同，而如果根据相同方法确定所述值，则较高相关性归因于不同材料的值之比。在本文中，对涉及渗透物的原子或分子的表达省略地和简化地表达，例如渗透物渗透或穿透该材料，或材料或层对特定的渗透物具有特定的渗透性。因此，如果根据本发明，第二层的材料选择为使第二层对工艺介质或对工艺介质的一种成分的渗透性低于柔性膜部段的渗透性，这意味着：工艺介质或工艺介质的成分的原子或分子通过第二层与通过柔性膜部段相比只能更缓慢地或只能更低程度地渗透。

根据本发明，第一层在此直接或间接地施加在膜部段上，而第二层在此直接或间接地施加在第一层上。就本文而言，如果一层直接施加在另一层上，这意味着：这两者之间没有其他层或片层存在。如果一个层被间接地施加在另一层上，就本文而言，这又意味着：在这两个层之间设置有其他层或片层。

根据本发明的膜结构可以有利地实现对因工艺介质造成的损害的高耐受性。工艺介质或工艺介质的成分的渗透实际上可以被防止，至少显著被减慢或控制；此外经在柔性膜部段的表面上的不均匀渗透可以被防止，或者渗透至少在由层结构覆盖的柔性膜部段的面上显著更均匀地进行。因此，避免了局部不同程度的损害，否则可能会损害膜结构的耐受性或其他功能。

这些优点得以实现，因为本发明以一种创新的方式将多种效果相互关联：通过合适选择第一层的热膨胀系数，第一层有效地作为柔性膜部段和第二层之间的热膨胀效应的缓冲区起作用。如果第一层未设置在柔性膜部段与第二层之间，在温度变化时在柔性膜部段与第二层之间由于它们的热膨胀系数通常明显不同而可能会出现机械应力，上述机械应力因第一层的设置得到极大减小。这种机械应力在下文中也被称为热应力。邻接的层或材料的热膨胀系数的差异越大，则机械应力表现得越明显。由于第一层，柔性膜部段和第二层之间的热膨胀系数的总差几乎划分为两个界面，所述界面分别具有更小的差异并且因此具有更小的热应力。结合所选择的第二层的渗透性，这种效果导致了特别有效地减少由于工艺介质或工艺介质的成分的渗透造成的损害。由于通过第一层对热应力进行缓冲，第二层可以长期保持高质量，即第二层不受或至少明显更少地受微裂纹或其他损伤损害，这些损伤可能会因热应力长期或在层结构的制造过程中也已经形成。这种微裂缝或损伤可能会导致在层结构的面上不均匀显现的渗透。因此，第一层从根本上有助于第二层能够实现均匀地在层结构的整个面上的低的渗透性。

在膜装置的一个示例性设计方案中，膜部段的相应渗透性第二层或第二层所包括的子层对工艺介质或工艺介质的一种成分的渗透性比膜部段的相应渗透性低至少100倍，优选至少1000倍，特别优选至少10

当在本文中谈及第一层和第二层时，则由此总是指的是至少一个由一种具体材料组成的均匀层。而当—如上一段和以下各段那样—谈及第一层或第二层的一个或多个子层，那么总是指由不同材料构成的层堆叠中的一个或多个层。因此，在这样的示例性实施形式中，第一层或第二层可以分别包括不同子层的堆叠，其中然而每个子层总是满足所有也必须由单个第一层或第二层满足的要求。

在膜装置的另一示例性设计方案中，第一层或第一层所包括的子层具有结构常数，其值介于膜部段的相同结构常数的值和第二层的相同结构常数的值之间。结构常数尤其可以是分开的层的晶格常数或层内的平均原子距离。因此，第二层可以有效地防止或至少极大地减少由于结构常数不等而可能在柔性膜部段和第二层之间出现的机械应力。这种机械应力不仅由于温度变化时的不同膨胀特性而出现，而且基本上在彼此邻接的层或材料具有不同的结构常数时在边界层处产生。因此，这些机械应力在下文中也被称为固有应力。与在上文中描述的第一层作为热应力的缓冲层的作用方式类似，第一层在该设计方案中也可以作为固有应力的缓冲区起作用，并因此排除微裂纹和其他损伤的其他原因，或至少明显降低其影响。

在膜装置的另一示例性设计方案中，第一层或由第一层所包括的子层对工艺介质或工艺介质的成分具有渗透性，该渗透性低于膜部段的相应渗透性。由此，第一层或第一层的一个相应的子层已经可以形成阻挡作用，即有效地防止或至少明显地延迟工艺介质或工艺介质的一种成分的渗透。由此，第二层可以得到更有效保护，并且膜结构的耐受性和其他功能也可以得到进一步改善。

在膜装置的另一示例性设计方案中，第一层或第一层所包括的子层对工艺介质或工艺介质的一种成分的渗透性比膜部段的相应渗透性和/或第二层的相应渗透性低至少100倍，优选至少1000倍，特别优选至少10

在膜装置的另一示例性设计方案中，第一层或第一层所包括的子层对工艺介质或工艺介质的一种成分的渗透性比膜部段的相应渗透性更高。由此，可以实现第一层的提高的、加速的穿透，使得在膜部段的第一侧暴露于工艺介质的应用中在一定时间后出现工艺介质或工艺介质的一种成分的原子或分子对第一层的基本上均匀、一致的穿透。这又引起更均匀地渗透到第二层或穿过第二层。因此，第二层被工艺介质或工艺介质的一种成分的不均匀渗透或损害，即局部不同程度地表现的渗透或损害，可以被有效地防止或至少被明显减少。由此，整个膜装置和尤其是第二层在其耐受性和其他功能方面得到改善。

在膜装置的另一示例性设计方案中，第一层或第一层所包括的子层对工艺介质或工艺介质的一种成分的渗透性比膜部段的相应渗透性和/或第二层的相应渗透性高至少100倍，优选至少1000倍，特别优选至少10

在膜装置的另一示例性设计方案中，第一层或第一层所包括的子层是增附层。增附层的特征在于，其设置在不同材料的两个层之间，并且在此在两层处，即在对两个邻接的层的相应的界面处发挥稳定的附着作用。例如，增附层直接设置在柔性膜部段上，并因此可以有利地有助于将第一层的其他子层或后续的第二层稳定地相互粘附并且因此最后稳定地粘附在柔性膜部段上。由此可以有效地阻止或减少对层结构的损伤，如各个层的剥落。

在膜装置的另一示例性设计方案中，第一层包括至少二个子层，其热膨胀系数不同，但二者介于膜部段热膨胀系数的值和第二层的热膨胀系数的值之间。所述子层相继跟随地施加在膜部段上，使得最接近膜部段的第二侧的子层的热膨胀系数与膜部段的热膨胀系数相差最小，并且每个后续的子层相较于分别在前的层与膜部段在其热膨胀系数方面相差更大。通过该设计方案，通过第一层可以进一步改进在膜部段和第二层之间在热应力方面的缓冲作用。柔性膜部段和第二层之间的热膨胀系数的总差异在这里分布在更大数量的(与只具有单层的第一层的实施方案相比)中间步骤或中间界面上，并由此可以在第一层的子层之间的各个界面以及第二层的子层之间的各个界面处进一步减少热膨胀系数的各自差异以及因此进一步减小热应力。

在膜装置的另一示例性设计方案中，第一层具有介于10nm和5000nm之间的厚度。通过这样的层厚度可以特别有效地实现在前面的段中描述的与第一层结合会出现的作用和优点。

在膜装置的另一示例性设计方案中，第二层或第二层所包括的一个子层具有大于10MOhm的电阻，尤其是大于100MOhm(Mohm表示1000000Ohm)的电阻。第二层或第二层所包括的一个子层的电阻在此指的是相应的层的朝向第一层的下侧和相应的层的背离第一层的上侧之间的电阻。这种第二层或第二层的一个子层也可以被称为绝缘层。有利的是，该绝缘层可以有效地将跟着第二层后的其他层如印制导线层与位于其下方的可能导电的层或柔性膜部段电绝缘。例如，绝缘层可以由SiO

在膜装置的前述设计方案的一个示例性改进方案中，印制导线层直接或间接地施加在构成为绝缘层或包括绝缘层的第二层上。由此，膜装置可以有利地获得其他功能。例如，因此例如通过印制导线层可以产生测量电桥，其将柔性膜部段的表面的局部膨胀或延伸转换为可测量的电学变量。由此，当膜装置的第一侧暴露于加压工艺介质并发生弹性变形时，该膜装置可以用作压力测量的传感元件。

在这样的应用中，膜装置的特性可以被特别有利地利用：第一层对热应力的缓冲作用，和必要时，对固有应力的缓冲作用，在前面的段中已经就膜装置的各个设计方案进行了讨论，首先一般会降低通过膜装置形成的传感器元件对环境影响的敏感性，例如温度波动。由此，这样的传感器元件可以实现更高的可靠性、稳定性和测量精度。

此外，如在前面的段中已经就膜装置的不同设计方案进行了讨论，通过第一层和第二层的组合可以实现对工艺介质或工艺介质的一种成分的渗透非常有效的阻挡作用，或者至少明显降低渗透。此外或替选地，可以减少局部不均匀的渗透，即第二层和设置在其上的印制导线层被更均匀地渗透。因此，设置在第二层之上的印制导线层因渗透效应产生的损害得以明显减少，并且通过膜结构形成的传感器元件可以实现明显更好的长期稳定性和测量精度。

在上述膜装置的设计方案的示例性改进方案中，第一层具有在10nm到500nm之间的厚度，尤其是在20nm到200nm之间的厚度。通过这样的层厚度，如已经关于具有更大的层厚度范围的其他在前的示例性的设计方案所阐述的那样，可以特别有效地实现前面段中描述的与第一层结合能够出现的效果和优点。附加地，这里更窄地定义的层厚范围可以发挥其他有利特性，其只有与印制导线层结合才显现：如已经解释的那样，所谓的激光修整在现有技术中是已知的。在本文的上下文中，该方法被利用来操纵印制导线层的印制导线。例如，如果在印制导线层中通过电阻轨道的接线构成惠斯通测量电桥，则各个电阻轨道的电阻值可以通过激光修整进行精确地设定，其方式是：借助激光辐射将所谓的修整切片引入电阻轨道中。在该方法中，激光辐射的一部分通常也射到位于印制导线层下的层。适合于作为渗透阻挡层和绝缘层的第二层的材料通常对激光辐射是透明的，这尤其适用于SiO

在上述膜装置的设计方案的另一示例性改进方案中，膜装置包括一个保护层，该保护层直接或间接地施加在印制导线层上并至少分部段地覆盖印制导线层。由此可以有效地保护印制导线层以免损害。各个表面部段可以从保护层露出以便例如接触面可用于电接触印制导线层。保护层可以是漆或钝化层，所述漆或钝化层例如借助薄膜技术施加到印制导线层上。

在膜装置的一个示例性设计方案中，前面段中提到的工艺介质或工艺介质的至少提到的成分是氢，尤其是气态氢。这种元素是众多工业过程的重要组成部分。如现有技术中已知的膜装置会受到氢渗透不利影响，尤其是受到局部不均匀的渗透不利影响。例如，如果这种膜装置形成了传感器元件，那么传感器元件的通过印制导线层形成的测量电路可能会被渗透效应扰乱或改变，使得从长远来看，测量精度和信号稳定性可能会受威胁。根据该膜装置的该示例性设计方案，第二层对氢分子的渗透性比柔性膜部段的相应渗透性更低。与有效地减少了第二层中的各种形式的不期望的机械应力(即例如热应力和/或固有应力)的和从而抵消微裂缝和其他损伤的形成的第一层相结合，第二层可以最佳地发挥其对氢渗透的阻挡作用。

在膜装置的另一示例性设计方案中，第二层或第二层所包括的子层的材料通过通式Al

在膜装置的另一示例性设计方案中，构成柔性膜部段的材料是不锈钢，尤其是奥氏体钢，或特殊合金，尤其是商品名称为Elgiloy的一种Co-Cr-Ni合金、商品名称为Hasteloy的一种镍超合金、、316L或1.4404。这些材料的特征在于高机械和/或化学耐受性，并因此可以有利地用于膜装置，所述膜装置的第一侧与工艺介质接触，上述工艺介质具有高温和/或高压，或起化学和/或机械磨损作用。

在膜装置的另一示例性设计方案中，构成第一层或第一层所包括的至少一个子层的材料通过通式M

替选地，构成第一层或至少第一层包括的至少一个子层的材料可以是具有如下化学元素符号Be、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ce、Pr、Nd、Pm、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt或Th的金属中之一或是铁碳合金、镍基合金、不锈钢、钛合金或商品名称为Kovar的Fe–Ni合金，或具有化学键符号Si

本发明的另一方面涉及一种压力密封件(Druckmittler)，其包括根据本发明的第一方面的膜装置或前面提到的示例性设计方案或改进方案之一的膜装置。

本发明的另一方面涉及一种压力传感器，其包括根据本发明的第一方面的膜装置或前面提到的示例性设计方案例或改进方案之一的膜装置。优选地，该压力传感器的膜装置包括由不锈钢或特殊合金组成的柔性膜部段、由钛或氮化钛组成的第一层和由二氧化硅组成的第二层。通过这样的材料选择，可以特别有效地实现在前段中所讨论的本发明及其示例性设计方案的优点，而层结构同时可以通过薄膜技术方法低成本和高效地制造。此外，压力传感器包括印制导线层，其间接或直接地设置在第二层上。这可以构成测量电桥，其将柔性膜部段的表面的局部膨胀或延伸转换为可测量的电学变量。由于该层结构，该印制导线层得以有效保护以免因工艺介质或工艺介质的至少一个成分的渗透而造成的损害。这种压力传感器，尤其是连带前述示例性的材料组合，尤其可以有利地适合于与工艺介质氢或含氢的工艺介质结合使用，并阻止或至少极大地减少氢气通过该层结构的渗透。

对应地，本发明的另一方面也包括根据本发明的第一方面的膜装置的用途或具有工艺介质或用于工艺介质的膜装置、压力密封件和/或压力传感器的根据本发明的其他提及的方面的所述示例性设计方案之一，所述工艺介质是氢或包含氢。在使用于这样的氢应用时，在前段中介绍的本发明的不同方面、设计方案和改进方案的效果、作用和优点可以特别有效地使用。

本文的公开内容不限于上述示例，还包括其所有组合，只要它们在逻辑上不相互排斥。

附图说明

下面参照附图更详细地阐述本发明的示例性设计方案和实施例。在附图中：

图1和2示意性地示出了膜装置的截面图，

图3和4B以横截面视图示出了带有膜装置的压力传感器，

图4A示出了具有膜装置的压力传感器的透视图，以及

图5示意性地示出了带有压力传感器的压力测量仪器的横截面。

彼此相应部分在所有图中都设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1和图2示出了膜装置100，其具有局部示出的柔性膜部段110。具有一个第一层121和一个第二层122的层结构120设置在膜部段110的第二侧112上。膜部段110的第一侧111可以以未详细示出的方式暴露于工艺介质200。

在图2中，第一层121和第二层122分别包括多个子层121'、121”、121”'、122'、122”、122”'。

图3、4A和4B分别示出包括膜装置100的压力传感器400。压力传感器400呈压力测量盖(Druckmesskapsel)的形式构成。在此，呈空心圆柱体形式的实心刚性边缘区域410承载柔性膜部段110。

在图3中更详细地示出层结构120的横截面。在第二层122上施加印制导线层123以及还施加保护层124。

在图5中示出了压力测量仪器500的示意性横截面。该压力测量仪器包括连接件510以及测量仪器壳体520。经由连接件510，压力测量仪器500连接到过程设备600的测量接口610上，例如经由螺纹接口。连接件510具有进入开口511，工艺介质200经由进入开口从过程设备600输送到压力传感器400。压力传感器400在此对应于图4A和4B构成。所述压力传感器包括具有一个层结构120的一个柔性膜部段110，其中层结构120例如根据图3的实施形式构成。在层结构120的印制导线层123中构成带有压阻电阻轨道的测量电桥，其实现以测量技术方式检测模部段120的形变，所述形变由工艺介质200抵靠膜部段120的第一侧111而产生。印制导线层123通过示意性标示的线路，例如通过所谓的压接引线，与示意性示出的压力测量仪器500的评估电子装置530连接，评估电子装置测出测量电桥的电学特性并从中导出测量值，尤其是工艺介质200的压力。代表该测量值的测量值信号经由通信接口540提供，例如经由带有电子触点的插头插座提供或作为无线电信号。

本发明并不限于前述的实施例。本发明可以在后续的权利要求的范围内进行修改。同样地，来自从属权利要求的各个方面可以相互组合，只要它们在逻辑上不相互排斥。

附图标记表

100 膜装置

110 膜部段

111 膜部段的第一侧

112 膜部段的第二侧

120 层结构

121 第一层

121'、121”、121”'第一层的各个子层

122第二层

122'、122”、122”'第二层的各个子层

123 印制导线层

124 保护层

200工艺介质

300 压力密封件

400 压力传感器

410 边缘区域

500 压力测量仪器

510 连接件

511进入开口

520测量仪器壳体

530评估电子装置

540通信接口

600过程设备

610测量接口