DE102014101532A1 - Method for plastically deforming a plate-shaped glass body and for producing counter-bodies for the production of pressure-measuring cells - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum plastischen Verformen eines plattenförmigen Glaskörpers umfasst: Positionieren des Glaskörpers auf einem Träger, welcher den Glaskörper zumindest in einem Bereich nicht unterstützt, und Erwärmen des Glaskörpers, so dass eine plastische Verformung des zumindest einen nicht unterstützten Bereichs durch thermisches Einsinken des nicht unterstützten Bereichs erfolgt, wobei das thermische Einsinken unter Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre erfolgt wobei der Träger mindestens einen Graphitkörper aufweist, auf welchem der Glaskörper aufliegt, wobei eine Oberfläche des mindestens einen Graphitkörpers, auf welcher der Glaskörper aufliegt, mindestens eine Vertiefung aufweist, über welcher der Glaskörper nicht unterstützt ist, wobei die Vertiefung nicht mehr als 1 mm, insbesondere nicht mehr als 500 µm und bevorzugt nicht mehr als 400 µm beträgt.A method for plastically deforming a plate-shaped glass body comprises: positioning the glass body on a support which does not support the glass body in at least one area, and heating the glass body so as to plastically deform the at least one unsupported area by thermally sinking the unsupported area wherein the thermal sinking takes place under vacuum or a protective gas atmosphere wherein the carrier has at least one graphite body on which rests the glass body, wherein a surface of the at least one graphite body on which the glass body rests, at least one recess, above which the glass body not is supported, wherein the recess is not more than 1 mm, in particular not more than 500 microns and preferably not more than 400 microns.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum plastischen Verformen eines plattenförmigen Glaskörpers und zum Herstellen von Gegenkörpern für die Herstellung von Druckmesszellen.The present invention relates to a method for plastically deforming a plate-shaped glass body and for producing counter-bodies for the production of pressure-measuring cells.
Druckmesszellen umfassen gewöhnlich mindestens einen Gegenkörper und eine Messmembran, welche mit dem Gegenkörper druckdicht gefügt ist, wobei die Messmembran ein Volumen in zwei Teilvolumina voneinander trennt, wobei die Messmembran in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den in den beiden Teilvolumina herrschenden Drücken auslenkbar ist, wobei die Druckmesszelle ferner einen Wandler umfasst, um ein von der Verformung der Messmembran abhängiges Signal zu erzeugen.Pressure measuring cells usually comprise at least one counter-body and a measuring membrane, which is pressure-tightly joined to the counter-body, wherein the measuring membrane separates a volume into two sub-volumes, the measuring diaphragm being deflectable in dependence on the difference between the pressures prevailing in the two sub-volumes Pressure measuring cell further comprises a transducer to generate a dependent of the deformation of the measuring diaphragm signal.
Je nach der Art der beteiligten Drücke unterscheidet man insbesondere in der industriellen Prozessmesstechnik zwischen Absolut-, Relativ- und Differenzdruckmesszellen. Bei Absolut- und Relativdruckmesszellen wird jeweils ein Mediendruck gegen Vakuum bzw. Atmosphärendruck gemessen, während bei Differenzdruckmesszellen die Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten Mediendruck zu bestimmen ist.Depending on the type of pressures involved, a distinction is made between absolute, relative and differential pressure measuring cells, especially in industrial process measuring technology. In the case of absolute and relative pressure measuring cells, in each case a media pressure is measured against vacuum or atmospheric pressure, while differential pressure measuring cells are used to determine the difference between a first and a second media pressure.
Insbesondere bei Differenzdruckmesszellen – aber nicht nur bei diesen – besteht die Gefahr, dass die Differenz zwischen den beteiligten Drücken so groß werden kann, dass die Messmembran zu stark ausgelenkt und dadurch beschädigt wird. Es gibt daher Bemühungen, einerseits die Druckdifferenz zwischen den Teilvolumina zu begrenzen, beispielsweise durch hydraulische Messwerke mit Überlastmembranen, und andererseits die Messmembran durch eine geeignete Kontur an dem Gegenkörper abzustützen, um eine weitere Auslenkung zu verhindern.In particular with differential pressure measuring cells - but not only with these - there is a risk that the difference between the pressures involved can become so great that the measuring membrane is deflected too much and thus damaged. There are therefore efforts, on the one hand to limit the pressure difference between the sub-volumes, for example by hydraulic metering with overload membranes, and on the other hand to support the diaphragm by a suitable contour on the counter body to prevent further deflection.
Die vorliegende Erfindung betrifft die letztgenannte Alternative. Eine geeignete Kontur soll dabei insbesondere die Biegelinie der Messmembran approximieren. Gattungsgemäße Verfahren zum Präparieren solcher Konturen in Gegenkörpern aus Glas sind in den Offenlegungsschriften
Aufgrund der gewöhnlich hohen Prozesstemperaturen, die deutlich oberhalb der Glastemperatur des Materials liegt, welches der Glaskörper aufweist, kann es zu stoffschlüssigen Verbindungen zwischen dem Glaskörper und dem Träger kommen, wenn dieser ein metallisches Material, Keramik oder Quarzglas aufweist, was letztlich zu einer verschlechterten Ausbeute führt.Due to the usually high process temperatures, which is well above the glass transition temperature of the material, which the glass body has, it can lead to cohesive connections between the glass body and the carrier, if this has a metallic material, ceramic or quartz glass, which ultimately leads to a deteriorated yield leads.
Weiterhin haben Untersuchungen der Erfinder ergeben, dass eine Kontrolle der thermischen Bedingungen vorteilhaft ist, um eine gewünschte Konturform zu erzielen.Furthermore, investigations of the inventors have shown that a control of the thermal conditions is advantageous in order to achieve a desired contour shape.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.It is therefore the object of the present invention to remedy this situation.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.The object is achieved by the method according to the independent claim. 1
Das erfindungsgemäße Verfahren zum plastischen Verformen eines plattenförmigen Glaskörpers, umfasst:
Positionieren des Glaskörpers auf einem Träger welcher den Glaskörper zumindest in einem Bereich nicht unterstützt,
und Erwärmen des Glaskörpers, so dass eine plastische Verformung des zumindest einen nicht unterstützten Bereichs durch thermisches Einsinken des nicht unterstützten Bereichs erfolgt,
wobei das thermische Einsinken unter Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre erfolgt;
wobei der Träger mindestens einen Graphitkörper aufweist, auf welchem der Glaskörper aufliegt, wobei eine Oberfläche des mindestens einen Graphitkörpers, auf welcher der Glaskörper aufliegt, mindestens eine Vertiefung aufweist, über welcher der Glaskörper nicht unterstützt ist, wobei die Vertiefung nicht mehr als 1 mm, insbesondere nicht mehr als 500 µm und bevorzugt nicht mehr als 400 µm beträgt.The method according to the invention for plastically deforming a plate-shaped glass body comprises:
Positioning the glass body on a support which does not support the glass body in at least one area,
and heating the glass body to plastically deform the at least one unsupported area by thermally sinking the unsupported area,
wherein the thermal sinking takes place under vacuum or a protective gas atmosphere;
wherein the support has at least one graphite body on which the glass body rests, wherein a surface of the at least one graphite body on which the glass body rests has at least one recess over which the glass body is not supported, wherein the recess is not more than 1 mm, in particular not more than 500 microns and preferably not more than 400 microns.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Graphitkörper plattenförmig ausgebildet und weist eine Tiefe auf, die nicht mehr als 10%, insbesondere nicht mehr als 5%, bevorzugt nicht mehr als 4% der Stärke des plattenförmigen Graphitkörper beträgt.In one embodiment of the invention, the graphite body is plate-shaped and has a depth which is not more than 10%, in particular not more than 5%, preferably not more than 4% of the thickness of the plate-shaped graphite body.
Der plattenförmige Graphitkörper weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beispielsweise eine Stärke von nicht weniger als 5 mm, insbesondere nicht weniger als 8 mm und bevorzugt etwa 10 mm auf.The plate-shaped graphite body, according to a development of the invention, for example, a thickness of not less than 5 mm, in particular not less than 8 mm and preferably about 10 mm.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Glaskörper durch den Graphitkörper beheizt, wozu insbesondere unterhalb des Graphitkörpers eine Wärmequelle angeordnet ist, und/oder wobei der Graphitkörper als Widerstandsheizelement betrieben wird, also durch Beaufschlagen mit elektrischem Strom erwärmt wird.In one development of the invention, the glass body is heated by the graphite body, for which purpose a heat source is arranged in particular below the graphite body, and / or wherein the graphite body is operated as a resistance heating element, that is heated by applying electrical current.
Die Oberfläche des Graphitkörpers wird durch das erweichte Glasmaterial des Glaskörpers praktisch nicht benetzt, so dass es zu keiner stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Glaskörper und dem Graphitkörper kommt. The surface of the graphite body is practically not wetted by the softened glass material of the glass body, so that there is no cohesive connection between the glass body and the graphite body.
Dadurch dass die Vertiefungen nicht als durchgehende Bohrungen in dem Graphitkörper, sondern mit einer definierten Tiefe ausgebildet sind, wird der Glaskörper einer wesentlich homogeneren Heizleistung von Seiten des Graphitkörpers ausgesetzt, da durchgehende Bohrungen als besonders andersartige Wärmequellen oder Wärmesenken entfallen.The fact that the wells are not formed as through holes in the graphite body, but with a defined depth, the glass body is exposed to a much more homogeneous heating power from the side of the graphite body, as through holes account for a particularly different types of heat sources or heat sinks.
Dies führt zu einer ungewünschten Konturform.This leads to an unwanted contour shape.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Vertiefung im wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Achse, die eine Oberflächennormale zur Oberfläche bildet.In one development of the invention, the at least one depression is essentially rotationally symmetrical about an axis which forms a surface normal to the surface.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die mindestens eine Vertiefung bezogen auf den die Vertiefung umgebenden Bereich der Oberfläche eine Tiefe von nicht mehr als 20%, insbesondere nicht mehr als 10% des Durchmessers der Vertiefung auf.In a further development of the invention, the at least one depression has a depth of not more than 20%, in particular not more than 10% of the diameter of the depression, relative to the region of the surface surrounding the depression.
Eine typische Tiefe der Sacklöcher beträgt erfindungsgemäß beispielsweise 400 µm bis 500 µm bei einem Durchmesser der Vertiefung zwischen 3 mm und 6 mm insbesondere zwischen 4 mm und 5 mm.A typical depth of the blind holes according to the invention is for example 400 microns to 500 microns with a diameter of the recess between 3 mm and 6 mm, in particular between 4 mm and 5 mm.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird durch das thermische Einsinken eine Einsinktiefe z0 der Konturen erzielt, die nicht weniger als 0,2% und nicht mehr als 10% der Materialstärke, insbesondere nicht weniger als 0,5% und nicht mehr als 5% der Materialstärke des Glaskörpers, beträgt.In a further development of the invention, a penetration depth z 0 of the contours is achieved by the thermal sinking, not less than 0.2% and not more than 10% of the material thickness, particularly not less than 0.5% and not more than 5% of the Material thickness of the glass body is.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Stärke eines plattenförmigen Glaskörpers nicht weniger als 500 µm insbesondere nicht weniger als 700 µm und in einer derzeit bevorzugten Ausführungsform etwa 800 µm.According to one embodiment of the invention, the thickness of a plate-shaped glass body is not less than 500 microns, in particular not less than 700 microns and in a presently preferred embodiment about 800 microns.
Beispielsweise beträgt die Einsinktiefe nicht weniger als etwa 2 µm insbesondere nicht weniger als 4 µm, und nicht mehr als 80 µm, insbesondere nicht mehr als 50 µm, bevorzugt nicht mehr als 40 µm.For example, the sinking depth is not less than about 2 μm, in particular not less than 4 μm, and not more than 80 μm, in particular not more than 50 μm, preferably not more than 40 μm.
Aus dem obigen ergibt sich, dass der Boden der Vertiefungen nicht zum Abstützen des einsinkenden Glaskörpers dient, sondern lediglich eine homogenere Temperaturverteilung bewirkt.From the above it follows that the bottom of the recesses does not serve to support the sinking glass body, but merely causes a more homogeneous temperature distribution.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das thermische Einsinken bei einer Temperatur oder Temperaturen, die nicht weniger als 200°C, insbesondere nicht weniger als 250°C und bevorzugt nicht weniger als 280°C über der Glastemperatur eines Glases liegt bzw. liegen, aus welchem der Glaskörper gebildet ist. Die Glastemperatur Tg ist gemäß
Ein Borosilikatglaskörper kann beispielsweise auf eine Temperatur von 760°C geheizt werden und bei dieser Temperatur für einige Stunden gehalten werden, um das thermische Einsinken zu ermöglichen.For example, a borosilicate glass body may be heated to a temperature of 760 ° C and held at that temperature for a few hours to allow thermal sinking.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das thermische Einsinken bei einem Druck von nicht mehr als 10–4 mbar, insbesondere nicht mehr als 10–5 mbar. Die beschriebenen Druckwerte gewährleisten, dass das vorhandene Restgas, den Glaskörper nicht kontaminiert, und den Graphitkörper nicht oxidiert. In mechanischer Hinsicht ist ein derart geringer Druck praktisch zu vernachlässigen und trägt zur Verformung des Glaskörpers nichts bei.In one development of the invention, the thermal sinking takes place at a pressure of not more than 10 -4 mbar, in particular not more than 10 -5 mbar. The pressure values described ensure that the residual gas present, the glass body is not contaminated, and the graphite body is not oxidized. Mechanically, such a low pressure is practically negligible and does not contribute to the deformation of the glass body.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Glaskörper nach dem thermischen Einsinken mittels mindestens eines Saughebers oder durch Neigen bzw. Wenden des Trägerkörpers um eine horizontale Achse, von dem Trägerkörper entfernt. Selbstverständlich kann der Glaskörper nach dem thermischen Einsinken zunächst so weit abkühlen, dass er eine solche Formsteifigkeit erreicht, dass er nach dem Entfernen vom Trägerkörper seine Form beibehält.In a development of the invention, the glass body is removed from the carrier body after the thermal sinking by means of at least one suction lifter or by tilting or turning the carrier body about a horizontal axis. Of course, after the thermal sinking, the glass body can first cool down to such an extent that it achieves such a dimensional stability that it retains its shape after removal from the carrier body.
Beim Neigen des Trägerkörpers kann der Glaskörper vom Trägerkörper gleiten, wobei hierbei die durch das Einsinken geformten Konturen dem Gleiten des Glaskörpers kaum einen Widerstand entgegensetzen.When tilting the carrier body of the glass body can slide from the carrier body, in which case the contours formed by the sinking barely oppose the sliding of the glass body resistance.
Durch das thermische Einsinken kann an der dem Trägerkörper zugewandten Unterseite des plattenförmigen Glaskörpers für jede eingesunkene Kontur eine vorstehende Kontur entstehen, wobei das Verfahren eine Nachbehandlung des plattenförmigen Glaskörpers umfasst, bei dem die Rückseite des plattenförmigen Glaskörpers durch Entfernen zumindest des Materials von der vorstehenden Kontur bzw. Konturen eingeebnet wird.Due to the thermal sinking, a protruding contour can arise on the lower side of the plate-shaped glass body facing the carrier body for each sunken contour, the method comprising aftertreatment of the plate-shaped glass body, in which the rear side of the plate-shaped glass body is removed by removing at least the material from the protruding contour Contours are leveled.
In einer Weiterbildung der Erfindung dient das Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Gegenkörpern zur Verwendung bei der Herstellung von Druckmesszellen, welche Druckmesszellen jeweils eine in der Gleichgewichtslage ebene Messmembran, und mindestens einen Gegenkörper aufweisen, wobei die Messmembran bei einer betriebsbereiten Druckmesszelle mit mindestens einem solchen Gegenkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht gefügt ist,
wobei das Verfahren das Verformen eines plattenförmigen Glaskörpers gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst,
wobei der Gegenkörper Glas, insbesondere ein Borosilikatglas aufweist, wobei der Gegenkörper eine Glasoberfläche mit einem planaren Randbereich umfasst, der mit einer Messmembran zu fügen ist, wobei der Randbereich eine ihm gegenüber vertiefte Kontur umgibt, um die Messmembran im Falle einer Überlast abzustützen, wobei die Glasoberfläche eine Oberflächenrauheit Ra < 200 nm, vorzugsweise < 100 nm aufweist,
wobei aus dem plattenförmigen Glaskörper, die Vielzahl der Gegenkörper zu präparieren ist, und wobei der Träger auf dem der Glaskörper zu positionieren ist, eine Vielzahl von Aussparungen oder Vertiefungen aufweist, über denen jeweils ein nicht unterstützter Bereich des Glaskörpers angeordnet ist, dessen plastische Verformung durch thermisches Einsinken erfolgt, um jeweils die vertiefte Kontur eines Gegenkörpers zu bilden.In a further development of the invention, the method is used for producing a plurality of counter-bodies for use in the production of pressure measuring cells, which pressure measuring cells each have a flat in the equilibrium measurement membrane, and at least one counter-body, wherein the measuring membrane is pressure-tightly joined with at least one such counter-body along an encircling joint in an operational pressure measuring cell,
the method comprising deforming a plate-shaped glass body according to the method of any one of the preceding claims,
wherein the counter body comprises glass, in particular a borosilicate glass, wherein the counter body comprises a glass surface with a planar edge region to be fitted with a measuring membrane, wherein the edge region surrounds a recessed contour to support the measuring diaphragm in the event of overload, wherein the Glass surface has a surface roughness R a <200 nm, preferably <100 nm,
wherein from the plate-shaped glass body, the plurality of counter-bodies is to prepare, and wherein the support is to be positioned on the glass body, a plurality of recesses or depressions, above each of which an unsupported portion of the glass body is arranged, the plastic deformation by thermal sinking takes place to form each of the recessed contour of a counter body.
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Vertiefungen oder Aussparungen im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser auf, der mindestens das Vierfache, insbesondere mindestens das Sechsfache der Materialstärke des plattenförmigen Glaskörpers beträgt.In a further development of the invention, the depressions or recesses essentially have a circular cross-section with a diameter which is at least four times, in particular at least six times, the material thickness of the plate-shaped glass body.
In einer Weiterbildung der Erfindung approximieren die vertieften Konturen jeweils die Biegelinie der mit dem Gegenkörper zu fügenden Messmembran.In a development of the invention, the recessed contours in each case approximate the bending line of the measuring diaphragm to be joined to the counterbody.
Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with reference to the embodiment shown in the drawings.
Es zeigen:Show it:
Zunächst wird das Prinzip des Verformens von Glaskörpern zum Präparieren von Gegenkörpern für Drucksensoren anhand der Schrittfolge in
Die dargestellte Reihenfolge von Fertigungsschritten beginnt in Schritt (a) mit einem Graphitkörper
Nach dem Fräsen der Vertiefungen wird die Oberfläche des Graphit-Trägerkörpers mittels Schleifen und Läppen geglättet, um eine definierte Auflagefläche für den Glaskörper bereitstellen zu können.After milling the recesses, the surface of the graphite carrier body is smoothed by means of grinding and lapping in order to be able to provide a defined support surface for the glass body.
Die Vertiefungen
In einem zweiten Schritt (b) wird ein Glaskörper
In einem dritten Schritt (c) wird der Stapel mit dem Graphitkörper
Die so präparierten Konturen wurden interferometrisch vermessen, wobei eine Abbildung der ermittelten Konturen in
In einem vierten Schritt (d) wird der Glaskörper vom Graphitkörper
In einem fünften Schritt (e) wird ein Messmembranwafer
Ein solchermaßen präparierter Differenzdrucksensor kann beispielsweise mit einer Silizium-Messmembran in einer Stärke von 30 µm einen Messbereich von 10 mbar bei einer Überlastfestigkeit gegen einseitige Überlasten von mehr als 100 bar, insbesondere mehr als 150 bar aufweisen, da die Messmembran an der Kontur eines Gegenkörpers zur Anlage kommt und abgestützt wird. Hinsichtlich des Wandlers gelten die Ausführungen zum Ausführungsbeispiel aus
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|---|---|---|---|---|
| WO2018048788A1 (en) * | 2016-09-08 | 2018-03-15 | Honeywell International Inc. | Buried cavity sense die diaphragm stop for force sensors |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| WO1996026662A1 (en) * | 1995-02-27 | 1996-09-06 | Butler Delicia M | Decorative light-transmitting panel |
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-
2014
- 2014-02-07 DE DE102014101532.0A patent/DE102014101532A1/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ISO 7884-8 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2018048788A1 (en) * | 2016-09-08 | 2018-03-15 | Honeywell International Inc. | Buried cavity sense die diaphragm stop for force sensors |
| CN109804231A (en) * | 2016-09-08 | 2019-05-24 | 霍尼韦尔国际公司 | Flush type cavity sense die diaphragm retainer for force snesor |
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