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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Prozessgröße eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, mit einem Substrat und mit mindestens einer auf dem Substrat aufgebrachten für die Prozessgröße sensitiven Schicht. Bei der sensitiven Schicht handelt es sich beispielsweise um eine metallische Widerstandsschicht oder um das Polymer oder die Elektroden einer Kapazität zur Feuchtebestimmung.
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Zur Bestimmung der Temperatur eines flüssigen oder gasförmigen Mediums werden üblicherweise metallische Widerstandssensoren verwendet. Diese bestehen im Wesentlichen aus einer meist mäanderförmig auf einem Substrat aufgebrachten Metallschicht, wobei es sich meist um Platin handelt. Das Material der Metallschicht ist so gewählt, dass dessen elektrischer Widerstand eine ausgeprägte und eindeutige Temperaturabhängigkeit aufweist, sodass nach einer Kalibrierung die vorherrschende Temperatur durch den Widerstandswert der Metallschicht bestimmt werden kann. Um die Metallschicht vor Umwelteinflüssen wie Korrosion oder Feuchte zu schützen, ist sie meist mit einer Schutzschicht aus Glas oder Keramik versehen oder in ein Gehäuse eingebracht, welches beispielsweise aus Metall, Glas oder Keramik besteht. Beispielsweise ist aus der Schrift
DE 10 2007 046 900 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors bekannt, in welchem auf die Metallschicht eine keramische Zwischenschicht und darauf ein Deckel aus Keramik oder einer Glaskeramik aufgebracht wird.
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Der Nachteil, der durch den Einschluss der Metallschicht in ein z. B. metallisches Gehäuse entsteht, ist die Möglichkeit der Ausbildung einer reduzierenden Atmosphäre. Diese bildet sich bei hohen Temperaturen, sobald im Gehäuse Materialien eingeschlossen sind, die oxidiert werden können. Dies sind beispielsweise organische oder metallische Oberflächen. Im Fall von organischen Flächen genügen bereits Temperaturen von etwa 400°C, um zur Ausbildung einer reduzierenden Atmosphäre zu führen.
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Die Folge einer reduzierenden Atmosphäre ist eine Vergiftung der Metallschicht. Unter Vergiftung ist hierbei beispielsweise die Reaktion mit reduzierten Fremdatomen aus dem Material des Gehäuses, wie z. B. Siliziumatomen, zu verstehen. Weiterhin führt freier Wasserstoff in der Umgebung der Metallschicht dazu, dass die dünne Metalloxidschicht, welche die Oberfläche der Metallschicht bildet und zum Schutz derselben dient, reduziert wird. Ohne die Metalloxidschicht bilden sich an der Oberfläche der Metallschicht in Abhängigkeit der in der Umgebung vorliegenden Stoffe verschiedenartige Verbindungen. Zudem kann sich der Wasserstoff unter Umständen mit der Metallschicht verbinden.
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Eine Vergiftung der Metallschicht führt zu einer Veränderung des Widerstands der Metallschicht und dessen Temperaturabhängigkeit und somit zu verfälschten Messwerten bei der Temperaturbestimmung.
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Abhängig vom Material des Gehäuses dürfen Widerstandssensoren daher nur bis zu einer bestimmten oberen Grenztemperatur eingesetzt werden. In einigen Anwendungen kommt es vor, dass für kurze Zeit Temperaturen herrschen, welche diese Grenztemperatur überschreiten. Bereits das kurzfristige Überschreiten der Grenztemperatur führt zur Vergiftung des Widerstandssensors und somit zu falschen Messwerten. Eine Möglichkeit um eine Vergiftung zu verhindern ist, den Sensor so auszugestalten, dass eine Sauerstoffzufuhr aus der Umgebung möglich ist. Dies zieht jedoch den Nachteil mit sich, dass neben Sauerstoff auch andere Stoffe aus der Umgebung, sowie Feuchtigkeit zu der Widerstandsschicht gelangen können. Die Schutzwirkung des Gehäuses wird somit aufgehoben.
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Die Ausbildung einer reduzierenden Atmosphäre ist nicht nur im Falle von Widerstandssensoren problematisch. Auch andere sensitive Schichten, wie beispielsweise die Elektroden oder das Polymer eines kapazitiven Sensors, wie er beispielsweise zur Bestimmung eines Feuchtegehalts Anwendung findet, reagieren in reduzierender Atmosphäre mit Materialien aus der Umgebung oder werden reduziert, sodass der kapazitive Sensor keine zuverlässigen Messwerte mehr liefert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Sensor bereit zu stellen, welcher eine erhöhte Robustheit in reduzierender Atmosphäre aufweist.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Sensor einen sauerstoffhaltigen Stoff oder ein sauerstoffhaltiges Stoffgemisch enthält, und dass der sauerstoffhaltige Stoff oder das sauerstoffhaltige Stoffgemisch allmählich Sauerstoff an die Umgebung und/oder die mindestens eine sensitive Schicht abgibt, wenn die in der Umgebung vorliegende Sauerstoffkonzentration unter einen Normalwert sinkt. Unter einem Normalwert ist hierbei diejenige Sauerstoffkonzentration zu verstehen, welche bei Normaldruck und einer Temperatur von ca. 20°C vorliegt. Die Sauerstoffkonzentration ändert sich im Bereich um diese Temperatur nur wenig, kann jedoch bei hohen Temperaturen ab einigen 100°C stark abnehmen.
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Bei der Prozessgröße, welche mit dem Sensor bestimmt wird, handelt es sich beispielsweise um die Temperatur einer Flüssigkeit oder eines Gases oder um den Feuchtegehalt eines Gases, insbesondere der Luftfeuchte. Die sensitive Schicht ist beispielsweise die Metallschicht eines Widerstandssensors oder das Polymer eines kapazitiven Feuchtesensors.
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Durch den Sauerstoff, welcher von dem sauerstoffhaltigen Stoff abgegeben wird, kann die Ausbildung einer reduzierenden Atmosphäre in der Umgebung der sensitiven Schicht und somit deren Vergiftung für eine bestimmte Zeitspanne vermieden werden. Insbesondere nehmen bereits reduzierte Atome oder Moleküle den von dem sauerstoffhaltigen Stoff bereitgestellten Sauerstoff auf: Die oxidierten Atome oder Moleküle reagieren nicht mehr mit der sensitiven Schicht.
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Der sauerstoffhaltige Stoff ist hierbei beispielsweise in das Substrat oder in eine Keramik-, Glas- oder Glaskeramikschicht eingebracht, welche auf das Substrat oder die sensitive Schicht aufgebracht ist.
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Eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass der Sensor eine funktionelle Schicht aufweist, und dass die funktionelle Schicht aus einem Glas, einer Keramik oder einer Glaskeramik und dem sauerstoffhaltigen Stoff oder dem sauerstoffhaltigen Stoffgemisch besteht.
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Funktionelle Schicht heißt, dass die Schicht eine Funktion übernimmt. In diesem Fall ist die Funktion die Abgabe und gegebenenfalls auch die Wiederaufnahme von Sauerstoff. Die funktionelle Verbindung, welche diese Funktion übernimmt, ist der sauerstoffhaltige Stoff bzw. das sauerstoffhaltige Stoffgemisch.
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Weist der Sensor bereits eine Schutzschicht auf, beispielsweise eine Glasschicht zum Schutz vor Umwelteinflüssen wie Feuchte, ist es besonders vorteilhaft, den sauerstoffhaltigen Stoff bzw. das sauerstoffhaltige Stoffgemisch in das Material der Schutzschicht einzubringen. Hierdurch ist die Schutzschicht gleichzeitig auch die funktionelle Schicht. Dies bietet den Vorteil, dass zur Herstellung eines Sensors mit dem sauerstoffhaltigen Stoff gegenüber der Herstellung eines Sensors aus dem Stand der Technik kein zusätzlicher Verfahrensschritt notwendig ist; lediglich die Zusammensetzung des Materials der Schutzschicht unterscheidet sich.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die funktionelle Schicht auf die sensitive Schicht aufgebracht. Hierdurch gelangt der Sauerstoff, der bei der Ausbildung einer reduzierenden Atmosphäre aus der funktionellen Schicht austritt, direkt zur sensitiven Schicht und verhindert so deren Vergiftung.
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In einem alternativen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der Sensor in ein Gehäuse eingebracht und die funktionelle Schicht ist auf diejenige Substratseite aufgebracht, welche der sensitiven Schicht abgewandt ist. Bildet sich in der Umgebung des Sensors im Gehäuse eine reduzierende Atmosphäre aus, gibt die funktionelle Schicht Sauerstoff an die Umgebung ab. Da der Sensor in ein Gehäuse eingebracht ist, entweicht der Sauerstoff nicht oder nur teilweise und gelangt auch zur sensitiven Schicht, welche er vor Vergiftung schützt.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der funktionellen Schicht um eine Dickschicht. In einer alternativen Ausführung ist die funktionelle Schicht eine Dünnschicht oder sie besteht aus einem ausgesinterten Keramikgrünling.
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Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung beinhaltet, dass der Sensor eine Schutzschicht aufweist, welche aus der funktionellen Schicht und einer Passivierungsschicht aufgebaut ist. Die Passivierungsschicht kann sowohl auf die funktionelle Schicht als Deckschicht des Sensors, als auch auf die sensitive Schicht, als Zwischenschicht zwischen der sensitiven Schicht und der funktionellen Schicht aufgebracht sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die funktionelle Schicht in Form einer Paste in einem Siebdruckverfahren auf die sensitive Schicht, das Substrat oder die Passivierungsschicht aufgebracht.
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Alternativ ist die funktionelle Schicht in einem anderen vorteilhaften Verfahren aufgebracht, wie beispielsweise einem Tauch-, Schleuder-, Dispens-, oder Inkjet-Verfahren.
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Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass der sauerstoffhaltige Stoff oder das sauerstoffhaltige Stoffgemisch zu einem Anteil von 2% bis 50% in das Material der Schutzschicht eingebracht ist.
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Hierbei handelt es sich lediglich um einen bevorzugten Bereich; auch andere Konzentrationen sind denkbar. Der Anteil ist von den jeweiligen Materialien der Schutzschicht und von dem gewählten sauerstoffhaltigen Stoff/Stoffgemisch abhängig und variiert dementsprechend.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der sauerstoffhaltige Stoff oder das sauerstoffhaltige Stoffgemisch aus einer instabilen Verbindung, welche durch Erhitzen, Lichteinstrahlung, oder Alterung Sauerstoff abgibt.
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Die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Widerstandsschicht wird auf diese Weise für eine bestimmte Zeit erhöht, sodass die Ausbildung einer reduzierenden Atmosphäre vermieden wird. Ist der verfügbare Sauerstoff vollständig an die Umgebung abgegeben, und nimmt die Sauerstoffkonzentration weiter ab, kommt es letztendlich zur Ausbildung der reduzierenden Atmosphäre. Der Zeitpunkt, zu welchem dies geschieht, ist allerdings durch die Sauerstoffabgabe der instabilen Verbindung hinausgezögert worden, sodass der Sensor für einen längeren Zeitraum funktionsfähig ist. Beispielsweise ist es auch möglich, dass die Sauerstoffkonzentration nur kurzfristig abfällt, sodass die Abgabe an Sauerstoff durch die instabile Verbindung ausreicht, um die Ausbildung der reduzierenden Atmosphäre zu vermeiden.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors nimmt der sauerstoffhaltige Stoff oder das sauerstoffhaltige Stoffgemisch den abgegebenen Sauerstoff wieder auf, wenn die Sauerstoffkonzentration wieder steigt.
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Ein derartiger Stoff ist besonders vorteilhaft, da er über mehrere Zyklen verminderter Sauerstoffkonzentration die Eigenschaft beibehält, Sauerstoff abgeben zu können.
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Die Schutzschicht mit dem sauerstoffhaltigen Stoff/Stoffgemisch dient somit als Sauerstoffpuffer. Die Lebensdauer des Sensors wird hierdurch weiter erhöht.
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Bei einer weiteren Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dem in das Material der Schutzschicht eingebrachten sauerstoffhaltigen Stoff um ein Metalloxid.
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Weitere Ausführungsbeispiele sind denkbar, wo es sich bei dem in das Material der Schutzschicht eingebrachten sauerstoffhaltigen Stoffgemisch um mehrere Metalloxide handelt.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem sauerstoffhaltigen Stoff oder dem sauerstoffhaltigen Stoffgemisch um einen oder mehrere Stoffe, ausgewählt aus der Gruppe gebildet aus Ceriumoxid, Wolframoxid, Eisenoxid, Manganoxid, Kobaltoxid, Kupferoxid, Nickeloxid, Palladiumoxid und Titanat. Insbesondere handelt es sich um CeO2, Ce2O3, WO2, WO2.72, WO2.9, WO3, Fe2O3, Fe3O4, Mn2O3, Mn3O4, CoO, Co3O4, Cu2O, CuO, NiO oder PdO.
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Diese Stoffe eignen sich besonders als sauerstoffhaltiger Stoff in Zusammenhang mit der Erfindung, da sie die Eigenschaft besitzen, den abgegebenen Sauerstoff wieder aufzunehmen, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung wieder ansteigt.
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Sie üben somit eine Pufferfunktion aus. Eine Ausnahme hiervon bilden unter den aufgelisteten Verbindungen die Titanate, welche den Sauerstoff lediglich abgeben und nicht wieder aufnehmen können. In Abhängigkeit des Anwendungsbereiches des Sensors kann diese Eigenschaft aber bereits ausreichend sein, um den Sensor vor Vergiftung zu schützen.
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Die aufgelisteten Stoffe sind besonders geeignete Stoffe; es versteht sich von selbst, dass die Auflistung nicht abschließend ist.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die auf dem Substrat aufgebrachte sensitive Schicht eine metallische Widerstandsschicht, deren Widerstandswert von der Umgebungstemperatur abhängt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass es sich bei dem Sensor um einen Temperatursensor, Gassensor oder Strömungssensor handelt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Skizze des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer einlagigen Schutzschicht,
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2 zeigt eine Skizze des Aufbaus eines Sensors mit einer zweilagigen Schutzschicht.
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In 1 ist der Schichtaufbau eines Sensors 1 mit einer Schutzschicht 4, welche einen sauerstoffhaltigen Stoff enthält, dargestellt. Auf einem Substrat 2 ist als sensitive Schicht eine Widerstandsschicht 3 aufgebracht, deren Widerstand sich mit der Umgebungstemperatur ändert, sodass aus diesem Wert die vorherrschende Temperatur bestimmt werden kann. Die Widerstandsschicht 3 ist bevorzugt aus Platin oder einem anderen Metall gefertigt, dessen Widerstandskennlinie eine eindeutige Temperaturabhängigkeit aufweist, und ist beispielsweise mäanderförmig auf dem Substrat 2 angeordnet.
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Zum Schutz der Widerstandsschicht 3 vor Feuchte, Korrosion und Fremdatomen, welche sich auf der Widerstandsschicht 3 ablagern können, ist diese von einer Schutzschicht 4 bedeckt. Bei der Schutzschicht 4 handelt es sich bevorzugt um einen Dünn- oder Dickfilm aus Glas, Keramik, oder Glaskeramik. In das Material der Schutzschicht 4 ist ein sauerstoffhaltiger Stoff oder ein sauerstoffhaltiges Stoffgemisch eingebracht. Unter einem sauerstoffhaltigen Stoff oder Stoffgemisch ist ein eine chemische Verbindung oder ein Gemisch mehrerer chemischer Verbindungen zu verstehen, welche bzw. welches die Eigenschaft besitzt, unter bestimmten Bedingungen Sauerstoff an die Umgebung abzugeben.
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Im Zusammenhang mit der Widerstandsschicht 3 ist diese Eigenschaft sehr von Vorteil, da sich die Widerstandsschicht 3 bei Sauerstoffmangel vergiftet und so die Temperaturbestimmung an Hand deren Widerstandswert nicht mehr möglich ist. Zur Ausbildung einer reduzierenden Atmosphäre bzw. Sauerstoffmangel in der Umgebung der Widerstandsschicht 3 führen zum Beispiel der Einschluss der Widerstandsschicht 3 in ein geschlossenes Gehäuse und hohe Temperaturen.
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Durch das Einbringen des sauerstoffhaltigen Stoffs oder Stoffgemischs in das Material der Schutzschicht 4 steht gewissermaßen ein Sauerstoffreservoir zur Verfügung. Sinkt der Sauerstoffgehalt in der Umgebung der Widerstandsschicht 3 ab, gibt der sauerstoffhaltige Stoff oder das sauerstoffhaltige Stoffgemisch Sauerstoff an die Umgebung und die Widerstandsschicht 3 ab und hält den Sauerstoffgehalt so über eine bestimmte Zeitdauer hinweg auf einem ausreichenden Niveau um eine Vergiftung der Widerstandschicht 3 zu verhindern. Die Zeitdauer, über welche dies möglich ist, hängt von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise dem gewählten sauerstoffhaltigen Stoff oder Stoffgemisch sowie der Stärke des Abfalls des Sauerstoffgehalts ab.
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Bei hohen Temperaturen kann bei dem erfindungsgemäßen Sensor 1 Sauerstoff aus der Schutzschicht 4 zur Widerstandsschicht 3 gelangen. Auf diese Weise wird es unter anderem ermöglicht, dass eventuell bereits reduzierte Anteile der Metalloxidschicht, welche die Oberfläche der Widerstandsschicht 3 bildet, wieder oxidiert werden und somit weiterhin einen Schutz der Widerstandsschicht 3 darstellen.
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Ebenfalls denkbar ist das Einbringen einer instabilen Verbindung in die Schutzschicht als sauerstoffhaltigen Stoff. Die Sauerstoffabgabe der instabilen Verbindung wird hierbei beispielsweise durch Erhitzen oder Einstrahlung von Licht getriggert oder beginnt automatisch nach einer gewissen Zeit durch Zerfall der Verbindung. Solch eine instabile Verbindung liefert einmalig eine bestimmte Sauerstoffmenge.
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Besonders bevorzugt ist eine Schutzschicht 4 aus einer Glaskeramik, einem Glas, oder einer Keramik, in welche ein Metalloxid, insbesondere CeO2, Ce2O3, WO2, WO2.72, WO2.9, WO3, Fe2O3, Fe3O4, Mn2O3, Mn3O4, CoO, Co3O4, Cu2O, CuO, NiO oder PdO, eingebracht ist. Der Anteil an dem Metalloxid in der Schutzschicht 4 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 2 und 50%. Die genannten Metalloxide vertilgen über die weitere vorteilhafte Eigenschaft, dass sie Sauerstoff nicht nur abgeben, sondern auch wieder aufnehmen können. Steigt die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung wieder an, nehmen diese Stoffe zuvor abgegebenen Sauerstoff wieder auf. Die Schutzschicht 4 stellt somit eine Art Sauerstoffpuffer dar. Hierdurch wird die Widerstandsschicht 3 nicht nur einmalig vor Vergiftung geschützt, sondern wiederholt. Die Lebensdauer des Sensors 1 erhöht sich hierdurch merklich.
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In 2 ist eine alternative Ausgestaltung des Sensors 1 mit einer zweilagigen Schutzschicht dargestellt. Die Schutzschicht umfasst hierbei eine Passivierungsschicht 5 und eine funktionelle Schicht 6. Die funktionelle Schicht 6 übernimmt die Funktion des Sauerstoffreservoirs oder Sauerstoffpuffers, da in die funktionelle Schicht 6 der sauerstoffhaltige Stoff oder das sauerstoffhaltige Stoffgemisch eingebracht ist. Das Basismaterial der funktionellen Schicht 6 ist ein Glas, eine Keramik oder eine Glaskeramik, beispielsweise SiO2.
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Die Passivierungsschicht 5 besteht ebenfalls bevorzugt einem der genannten Basismaterialien der funktionellen Schicht 6 und dient dem Schutz der sensitiven Schicht 3 vor Umwelteinflüssen wie Feuchte und Korrosion oder dem Eindringen von Fremdatomen, welche sich an der sensitiven Schicht 3 anlagern.
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Gemäß 2 ist die Passivierungsschicht 5 auf die sensitive Schicht 3 aufgebracht, wobei sie diese auch seitlich umschließt. Die funktionelle Schicht 6 ist auf die Passivierungsschicht 5 aufgebracht. In einer alternativen Ausgestaltung ist die funktionelle Schicht 6 direkt auf der sensitiven Schicht 3 aufgebracht und die Passivierungsschicht 5 ist derart auf die funktionelle Schicht 6 und das Substrat 2 aufgebracht, dass sie die funktionelle Schicht 6 und die sensitive Schicht 3 umschließt.
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3 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung, in welcher der Sensor 1 in ein Gehäuse 7 eingebracht ist. Sensoren mit einer Widerstandsschicht als sensitive Schicht 3 sind oftmals in ein Metall- oder Keramikgehäuse eingebracht, um vor Umwelteinflüssen geschützt zu sein. Um die Ausbildung einer reduzierenden Atmosphäre in der durch das Gehäuse 7 abgeschlossenen Umgebung des Sensors 1 zu vermeiden kann der Sauerstoffabgebende Stoff oder das Sauerstoffabgebende Stoffgemisch an einer nahezu beliebigen Stelle innerhalb des Gehäuses 7 eingebracht sein. Beispielsweise ist der Sauerstoffabgebende Stoff in Form einer funktionellen Schicht 6 auf derjenigen Seite des Substrats 2, welche der sensitiven Schicht 3 abgewandt ist, aufgebracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Substrat
- 3
- Widerstandsschicht
- 4
- Schutzschicht
- 5
- Passivierungsschicht
- 6
- Funktionelle Schicht
- 7
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007046900 A1 [0002]
