CN101622527B - 传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有在电阻层(13)中形成的叉指电极(14)的用于检测表面上凝露的传感器装置(100)，该传感器装置形成在衬底材料(10)上。为进一步改进传感器装置(100)，从而进一步提高传感器装置(100)的检测速度，本发明提出了通过涂敷的冷凝核，叉指电极(14)和叉指电极(14)之间的凹槽(16)具有湿敏亲水表面(18)。

Description

传感器装置
技术领域
本发明涉及一种具有形成在电阻层中的叉指电极的用于检测表面上的凝露(thawing)的传感器装置，该传感器装置形成在衬底材料上。本发明也涉及一种制备具有衬底材料的传感器装置的方法。
背景技术
现有技术中已经涉及所提及的这种类型的传感器装置，并且本领域技术人员对这种类型的传感器装置已经熟悉。
在EP1021704B1中公开了一种传感器装置，其中金属层被施加到基底层。金属层又以构成电容器的叉指电极的形式存在，其中同时作为温度传感器和加热部件的热变电阻(temperature-dependent resistor)被集成到该电容器中。此外，钝化层被施加到金属层。钝化层由两层组成，即下面的疏水层(hydrophobic layer)和设置在其之上的亲水层(hydrophilic layer)。亲水层又具有冷凝核(condensation core)，从而确保当传感器装置在达到露点前冷却几度开氏温度时形成产生能被分析的信号的能检测的水膜。本实例中，上层和下层直接涂敷到叉指电极所形成的电容器。保护层可以是聚合物层。
在DE3720189C1中公开了另一种所提及类型的传感器装置。DE3720189C1描述了一种用于测量气体中水蒸气露点的露点仪的露点传感器，具有暴露给被测量气体的传感器表面，其中当冷却到露点温度时，水蒸气在该传感器表面上冷凝；并且具有两个安装在传感器表面上的具有均匀间隔开地相互平行的电极段的叉指电极，其被湿不敏感(moisture-insensitive)绝缘层覆盖，其中通过测量这两个叉指电极之间的阻抗或电容来确定达到露点温度。在此，叉指电极被涂覆以湿不敏感的绝缘层，该湿不敏感的绝缘层完全覆盖叉指电极的齿(teeth)的所有空闲表面。绝缘层由化学性质稳定、电绝缘、完全湿不敏感的材料构成。也可以考虑用合适的金属氧化物实现此目的。露点检测是基于总阻抗在达到露点温度时变化这样的事实。这是因为冷凝滴(condensation droplet)开始在传感器表面上形成。因此，在传感器表面形成单独的冷凝滴层，涂覆有绝缘层的叉指电极仍然存在于传感器表面上。
因此，为了实现现有技术的传感器装置的功能，传感器装置必须具有包括冷凝核层在内的多个层。原则上，为了传感器信号的有效变化，使用亲水表面。
发明内容
基于对所述现有技术的分析，本发明的目的在于设计一种所提类型的传感器装置，使得不存在单独的冷凝核层，并且电阻层同时作为冷凝核层。
该目的是通过分别具有权利要求1和12所示特征的传感器装置和方法实现的。
在从属权利要求中描述了本发明的优选方案和合适的进一步的改进。
根据本发明，在传感器装置中，电阻层也形成敏感层，其中电阻层是通过形成两个叉指彼此啮合(engaging)的电极的结构化过程而形成的。
然而，本发明的核心思想在于，叉指电极的结构化与借助于成束的激光束形成叉指电极的湿敏亲水表面同时发生。
通过选择合适的激光处理参数，产生延伸直至衬底材料的激光辐射作用。在该过程中蒸发的电阻材料和衬底材料沉积到叉指电极上，并且在表面上作为冷凝核层，而不需要完全形成封闭的层。在环境大气中，电阻材料和衬底材料的局部蒸发导致作为叉指电极表面上的核沉积到中间间隔中的材料的氧化。这以一种特别简单独特的方式实现表面的亲水性，其中该表面起冷凝核层的作用。因此，相比于激光烧蚀中的真空设备，不需要昂贵的生产设备。在接下来的烧结过程中，具有核的表面被机械地稳定。
组合的传感器和电极层作为耐腐蚀层存在，其不需要额外的保护层或冷凝核层。相比现有技术中的传感器，由于没有覆盖层被涂敷到传感层，根据本发明的传感器装置测量非常迅速。典型的凝露检测时间低于500ms。另外，由于简化的结构，可以达到相对湿度的灵敏度高于90％，特别地达到95％，这明显高于现有技术。
相比于所述现有技术，根据本发明的传感器装置具有显著简化、并因此经济的构造，该构造具有单独晶核化层的优势，并因此特别地允许在短的检测时间内高的信号行程。
由于蒸汽压力减小，湿敏亲水表面导致表面上露点温度的升高。因此，凝露发生，而对环境气候(露点温度和相对湿度)没有要求。传感器表面上的水分子吸附被用作为传感器装置的测量效应。
在这种情况下，一方面，由于介电常数变化而发生电极结构的电容变化，另一方面，由于被吸附的水的导电率因离子导电以及因Grothus机构而导致的变化而发生电阻变化。
根据本发明的传感器结构提供衬底材料上的要结构化的电阻层。有利地，金属氧化物层可用作电阻层，优选是由氧化钌，钌酸盐(ruthenate)或氧化铱形成的金属氧化物层。
本领域技术人员熟知的典型材料可用作衬底材料，例如板状或膜状的电路板材料、陶瓷、玻璃或聚合物。
连接到叉指电极的两个接触电极优选被设置在衬底材料上。
接触电极优选由金属涂层和能被焊接、能粘结或能与导电粘合剂接触的另一层组成。
本发明还使得可实现SMD 技术的凝露传感器的更廉价的生产。在该技术中，借助于能被焊接或粘合的连接面，能表面设置的部件(例如电阻器或电容器)被直接设置在电路板上。在此，标准的陶瓷基底可用作衬底材料。本发明的传感器装置适于电路板的自动SMD装配。
如果该保护层被去除，则同时有利地分离传感器表面上松散的未粘附的材料，使得以激光方法所产生的剩余核形成层具有特别的长期机械稳定性。
本发明也提供了一种生产带有衬底材料的传感器装置的方法，所述衬底材料优选由氧化铝陶瓷形成，其中与产生叉指电极同时地形成湿敏亲水表面到叉指电极和凹槽上，其中冷凝核被涂敷到叉指电极和凹槽。
其中，所述方法包括以下步骤：
a)将接触电极设置到衬底材料上，
b)将电阻层涂敷到衬底材料上，
c)通过借助于激光辐射加热、熔化和蒸发部分衬底材料和电阻层而由电阻层生成叉指电极，
d)蒸发的部分衬底材料和蒸发的部分电阻层冷凝到叉指电极上和位于叉指电极之间的凹槽中。
e)通过烧结，将冷凝核机械地稳定到叉指电极上和/或凹槽中。
在根据本发明的方法的框架中，如描述的，叉指电极可以由金属氧化物层形成。在此情况下合适的是，激光辐射具有248nm到1200nm的波长。
在烧结过程中，该非完全封闭的冷凝核层被机械地稳定。其中，选择烧结参数，使得一定颗粒大小的冷凝粒子优选相互烧结在一起。在本发明的进一步的优选方案中，去除未烧结的冷凝核。
另外，在SDM技术的方案中，所述方法规定，涂敷保护漆和设置能焊接的(例如借助于电流分离)端电极或能粘结的端电极，以及随后分离保护漆，并同时去除未烧结的冷凝核。
为保证梳状敏感结构不会也被覆盖，必须在制造端电极之前通过合适的保护层盖住梳状敏感结构，所述保护层在处理完成后再被去除，其中该梳状敏感结构体现在叉指电极中、由激光辐射所生成的凹槽中、电阻层中或衬底材料中。
附图说明
下面结合图1和2更加详细地描述本发明。在附图中：
图1示出了根据本发明的传感器装置的正视图，其中借助于激光束在电阻层上形成叉指电极；
图2示出了图1中传感器装置的剖面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的传感器装置，用附图标记100表示。
传感器装置100具有衬底材料10。衬底材料10可以是氧化铝基底。另外，接触电极11，12被设置在衬底材料10上。如图1所示，电阻层13也被设置在衬底材料10上，优选是金属氧化物层。接触电极11、12和金属氧化物层都可以通过丝网印刷工艺被施加，然后在合适的温度被煅烧。
传感器装置100具有叉指电极14，其中借助于激光辐射17在金属氧化物层中生成所述叉指电极。电阻层13为敏感层，其中通过这个对叉指电极的结构生成过程形成电阻层13，根据本发明，该敏感层由于冷凝核19的引入而成为湿敏表面。然而，在图1所示实施例中，叉指电极14没有被完全显示。原则上，叉指电极14具有相互插入的梳子的形状，其中叉指电极14的平行延伸的齿15通过由成束的激光束17所形成的沟状凹槽16而彼此分隔开。叉指电极14被连接到接触电极11、12，以便能够施加电压。沟状凹槽16突出穿过电阻层13进入衬底材料10。叉指电极14和凹槽16具有湿敏亲水表面18，该表面包含烧结的冷凝核19。在环境空气条件下，利用激光束17将电阻层13和衬底材料10的材料局部蒸发就导致作为冷凝核19沉积到叉指电极14上的材料的氧化。这以一种特别简单、独特的方式生成叉指电极14表面的亲水化。冷凝核19借助于激光辐射17被传送到叉指电极14表面，其中该激光辐射17导致部分电阻层13和衬底材料10的加热、熔化和蒸发。该过程在图1中以附图标记20示出。如图1所示，叉指电极14表面上冷凝核19的密度在凹槽16方向上增大。
结合图2再次说明带有被涂敷或引进的冷凝核19的湿敏亲水表面的形成过程。在图2所示实施例中，氧化铝基底也作为衬底材料10，其中接触电极11、12和作为电阻层13的金属氧化物层也例如通过丝网印刷工艺被涂敷到氧化铝基底，然后在合适的温度下煅烧氧化铝基底。在电阻层13中，通过成束的激光束17、优选在波长约为532nm或波长在1064nm附近的情况下生成叉指电极14。激光束17生成凹槽16，该凹槽突出穿过电阻层13进入衬底材料10。激光束17的延伸到衬底材料10中的作用导致加热、熔化和蒸发部分电阻层13和部分衬底材料10。这又导致以熔化区的形式形成反应区21。这样产生的材料蒸气22从凹槽16逸出，并且以冷凝核19的形式沉积到叉指电极14和凹槽16上，从而叉指电极14的表面以作为冷凝核层的湿敏亲水表面的形式存在，但没有形成单独的层。在随后的烧结过程中，通过在叉指电极和中间空间的表面上烧结冷凝核19，冷凝核19被稳定。因此，在传感器装置100上形成具有机械稳定的冷凝核层功能的湿敏亲水表面18。其中，选择烧结参数，使得一定颗粒尺寸的冷凝核19优选烧结在一起。剩余的未烧结的冷凝核在电镀后随电镀保护层被去除。
附图标记列表：
100传感器装置
10衬底材料
11接触电极
12接触电极
13电阻层
14叉指电极
15齿
16凹槽
17激光束
18湿敏亲水表面/冷凝核层
19冷凝核
20过程
21反应区
22材料蒸气

Claims (19)

1.一种具有构造在电阻层(13)中的叉指电极(14)的用于检测表面上的凝露的传感器装置(100)，所述电阻层(13)形成在衬底材料(10)上，其特征在于：通过涂敷的冷凝核(19)，叉指电极(14)和凹槽(16)具有湿敏亲水表面(18)，其中所述冷凝核被烧结，
其中叉指电极(14)的平行延伸的齿(15)通过由成束的激光束(17)所形成的沟状凹槽(16)而彼此分隔开，叉指电极(14)被连接到接触电极(11，12)，以便能够施加电压，沟状凹槽(16)突出穿过电阻层(13)进入衬底材料(10)。
2.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：所述电阻层(13)由形成于衬底材料(10)上的金属氧化物层形成。
3.如权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于：冷凝核由部分金属氧化层和部分衬底材料(10)组成。
4.如权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于：衬底材料(10)为氧化铝、电路板材料、玻璃或玻璃陶瓷。
5.如权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于：两个接触电极(11，12)被设置在衬底材料(10)上。
6.如权利要求2所述的传感器装置，其特征在于：所述金属氧化物层由氧化钌、钌酸盐或氧化铱构成。
7.如权利要求2所述的传感器装置，其特征在于：所述金属氧化物层为金属氧化物糊剂。
8.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：未烧结的冷凝核被去除。
9.如权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于：凹槽(16)位于叉指电极(14)的齿(15)之间，其中通过激光束(17)生成所述凹槽，其中叉指电极(14)上冷凝核(19)的密度在凹槽(16)方向上增大。
10.一种用于制造具有衬底材料(10)的传感器装置(100)的方法，其中所述衬底材料由氧化铝陶瓷构成，其特征在于：与生成叉指电极(14)同时地将湿敏亲水表面(18)形成到叉指电极(14)和凹槽(16)上，其中冷凝核(19)被涂敷到叉指电极(14)和凹槽(16)的表面上，
其特征还在于以下方法步骤：
a)将接触电极(11，12)设置到衬底材料(10)上，
b)将电阻层(13)涂敷到衬底材料(10)上，
c)通过借助于激光辐射加热、熔化和蒸发部分衬底材料和电阻层，在电阻层(13)中生成叉指电极(14)，
d)部分蒸发的衬底材料(10)和部分蒸发的电阻层(13)冷凝到叉指电极(14)上和位于叉指电极(14)之间的凹槽(16)中，
e)通过烧结，将冷凝核(19)机械地稳定到叉指电极(14)上和/或凹槽(16)中。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：在SMD技术的实施中，首先涂敷保护漆，然后设置借助于电流分离能够焊接的端电极、或能粘结的端电极，以及最后分离保护漆，同时去除未烧结的冷凝核(19)。
12.如权利要求10至11之一所述的方法，其特征在于：厚层质地的氧化铝陶瓷被用作为衬底材料(10)。
13.如权利要求10至11之一所述的方法，其特征在于：所述叉指电极(14)由金属氧化物层形成。
14.如权利要求10至11之一所述的方法，其特征在于：所述叉指电极(14)由氧化钌，钌酸盐或氧化铱形成。
15.如权利要求10至11之一所述的方法，其特征在于：所述激光辐射(17)在248nm至1200nm的波长的情况下进行。
16.如权利要求10至11之一所述的方法，其特征在于：通过烧结过程实现机械稳定化。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述未烧结的冷凝核在电镀之后随电镀保护层被去除。
18.如权利要求10至11之一所述的方法，其特征在于：所述方法不在真空中进行。
19.如权利要求10至11之一所述的方法，其特征在于：利用激光辐射(17)形成反应区(21)，其中在所述反应区中实现衬底材料(10)和电阻层(13)的加热、熔化和蒸发。
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