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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Sensoreinheit und ferner eine elektrische Sensoreinheit.
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Elektrische Sensoren werden in vielfältigen Umgebungen eingesetzt und dienen zum Erfassen von unterschiedlichsten Messwerten. Dabei weisen elektrische Sensoreinheiten je nach Zweck und Ort ihres Einsatzes spezifische Ausprägungen im Aufbau auf, der durch das entsprechende zugrundeliegende Messprinzip bestimmt ist. Zum Verwenden eines elektrischen Sensors ist in der Regel auch eine Elektronik bereitzustellen, mit deren Hilfe sich erfasste Messsignale des Sensors in Form von elektrischen Signalen erfassen, aufzeichnen, darstellen, interpretieren oder aufbereiten lassen.
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Üblicherweise werden elektrische Sensoren in speziellen Verfahren hergestellt, die sich stark von Herstellungsverfahren für die benötigte Elektronik oder der entsprechenden benötigten Leiterplatten unterscheiden. Dies geht darauf zurück, dass in der Regel unterschiedliche Materialien zur entsprechenden Herstellung benötigt werden und folglich unterschiedliche Prozessschritte durchgeführt werden müssen. Auch werden elektrische Sensoren häufig in einer wesentlich reineren Prozessumgebung hergestellt, als eine entsprechende Elektronik. So ist es üblich, dass Sensoren und deren benötigte Elektronik in unabhängigen und voneinander getrennten Verfahren hergestellt werden.
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Eine unabhängige Herstellung von Sensoren und dafür vorgesehenen Elektronikkomponenten führt dazu, dass beim Einsatz entsprechender elektrischer Sensoreinheiten aus Sensoren und der zugehörigen Elektronik ein Sensor auf einfache Weise ersetzt werden kann, ohne die Elektronik mit auszuwechseln. Bereits bei der Herstellung defekt Sensoren werden zudem überhaupt nicht eingesetztem, sondern direkt entsorgt. Andererseits kann selbstverständlich auch die Elektronik ausgetauscht werden, ohne dass zwangsläufig ein Sensor mit ausgetauscht werden müsste.
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Es ist häufig unmöglich, eine elektrische Sensoreinheit mit einem Sensor und einem Elektronikbereich, wie etwa einem Leiterplatten-Layout in einem einzigen Herstellungsverfahren herzustellen, bei dem wesentliche Herstellungsschritte sowohl zum Ausbilden des Sensors als auch des Layouts durchführbar sind.
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Eine möglichst zusammengefasste Herstellung von Sensoren und der zugehörigen Elektronik kann aber zu beträchtlichen Einsparungen von Arbeitsaufwand und Kosten führen und deshalb erwünscht sein.
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Beim Beschichten von Sensorsubstraten mit Nickel oder Molybdän aufweisenden Metallen werden außerdem häufig sogenannte Aktivierungsschichten zwischen dem Metall und dem Werkstück angeordnet. Eine derartige Aktivierungsschicht wird beispielsweise aus Kupfer hergestellt und dient dem Anhaften des Nickel oder Molybdän aufweisenden Metalls, das somit nicht unmittelbar auf dem Substrat angeordnet wird, sondern auf der das Substrat bedeckenden Aktivierungsschicht. Eine derartige Aktivierungsschicht kann eine gewünschte Auswirkung auf die mechanische Stabilität eines Sensors haben, indem die Aktivierungsschicht als mechanische Verstärkung fungiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Sensoreinheit anzugeben, bei dem möglichst wenige und einfache Herstellungssschritte durchgeführt werden, wobei aber im Gegensatz zu vergleichbaren herkömmlichen Sensoreinheiten verbesserte elektrische Eigenschaften und verbesserte Messempfindlichkeiten erreicht werden. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Sensoreinheit anzugeben, welche einfach und kostengünstig herstellbar ist und dabei die genannten Vorteile bietet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine entsprechende Vorrichtung ist in Anspruch 13 definiert. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Herstellen einer elektrischen Sensoreinheit und weist einen Schritt auf zum Fertigen eines elektrisch isolierenden polymerhaltigen Formstücks mit einem Sensorbereich und einem Grundbereich durch ein Spritzgießverfahren, wobei der Sensorbereich mit einer Dicke von bis zu 0,4 mm ausgebildet wird.
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Es wird also mithilfe eines Spritzgießverfahrens ein Spritzguss hergestellt, der das Formstück bildet. Das Formstück besteht – freilich ebenso wie das Grundmaterial aus dem das Formstück in dem Spritzgießverfahren hergestellt wird – aus einem elektrisch isolierenden Material, das wenigstens ein Polymer enthält. Das Formstück kann also beispielsweise aus einem Kunststoff bestehen, der Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid und/oder Silikon enthält. Beispielsweise besteht das Formstück aus einer Materialmischung aus Glas und einem synthetischen Polymere auf Kohlenstoffbasis, wobei der Anteil an Glas höher ist als der Anteil an Polymer. Der Anteil von Glas zu den übrigen Materialien kann dabei beispielsweise 30 bis 80 Gewichtsprozent betragen.
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Das Formstück weist einen Sensorbereich auf, der im Wesentlichen die Ausgangsstruktur zum Ausbilden eines elektrischen Sensors darstellt. Außerdem weist das Formstück einen Grundbereich auf, der eine von dem Sensorbereich abgetrennte Einheit darstellt, aber dennoch ein Formstück mit diesem bildet. Der Grundbereich kann beispielsweise als Ausgangsstruktur zum Ausbilden eines Leiterbahnen-Layouts oder von Handhabungshilfen wie etwa einem Bereich zum Greifen der Sensoreinheit dienen.
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Ferner weist das Verfahren einen Schritt auf zum Beschichten des Formstücks mit einem Nickel oder Molybdän aufweisenden Metall zum Bilden einer Metallschicht in dem Sensorbereich und dem Grundbereich, wobei die Metallschicht wenigstens in dem Sensorbereich unmittelbar auf dem Formstück angeordnet wird. Unter einem Nickel oder Molybdän aufweisenden Metall sei beispielsweise eine Metallmischung oder eine Metalllegierung verstanden, die Nickel bzw. Molybdän aufweist, oder im wesentlichen reines Nickel bzw. Molybdän. Molybdän kann etwa quasi in Reinform als Metallschicht auf das Formstück aufgebracht werden, während Nickel zum Beispiel in Form von Reinnickel, als sog. „galvanisch Nickel” oder als sog. „chemisch Nickel” mit einem Phosphoranteil von ca. 3 bis 15 Gewichtsprozent verwendet werden kann. Im Gegensatz zu etablierten Verfahren zum Beschichten von Werkstücken mit Nickel, Molybdän oder Metallen, die Nickel oder Molybdän aufweisen, wird also das Nickel oder Molybdän aufweisende Metall – mithin also auch im Wesentlichen reines Nickel bzw. Molybdän – wenigstens in dem Sensorbereich in Form einer Beschichtung unmittelbar auf dem Formstück angeordnet, ohne dass eine Zwischenschicht aus Kupfer oder anderen Materialien vorgesehen ist.
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Es ist dabei auch möglich, den Sensorbereich vollständig oder nur teilweise mit dem Nickel oder Molybdän aufweisenden Metall zu beschichten. Daneben ist es auch möglich, dass der Grundbereich ganz oder teilweise mit dem Metall beschichtet wird.
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Glas ist deshalb als Bestandteil des Formstücks vorteilhaft, da es einen ähnlichen Temperaturkoeffizienten aufweist wie Nickel und Molybdän, die später als Metallbeschichtung vorgesehen sind. Dadurch können Temperaturänderungen bzw. Temperaturgefälle in der elektrischen Sensoreinheit oder deren Umgebung auftreten, ohne dass sich die Metallbeschichtung von dem Formstück durch eine mechanische Verspannungen ablöst. Beispielsweise kann bei der Verwendung eines überwiegend Molybdän aufweisenden Metalls das Formstück aus einem Material vorgesehen sein, das einen hohen Glasanteil aufweist, während bei der Verwendung eines überwiegend Nickel aufweisenden Metalls ein Material für das Formstück vorgesehen sein kann, das überwiegend ein Polyamid aufweist.
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Zudem weist das Verfahren einen Schritt auf zum Ausbilden einer elektrischen Sensorstruktur in der Metallschicht des Sensorbereichs durch ein teilweises Entfernen des Metalls auf. Das Nickel oder Molybdän aufweisende Metall wird also an manchen Stellen entfernt, wobei es beispielsweise durch Ätzmittel weggeätzt oder mithilfe von durch eine Heizvorrichtung oder eine Lichtquelle erzeugter Wärme weggedampft wird. Es versteht sich, dass eine gewünschte Form der elektrischen Sensorstruktur zunächst ausgewählt und dann das Entfernen des Metalls so exakt durchgeführt wird, dass die gewünschten Strukturen übrig bleiben und lediglich nicht benötigte Bereiche des Metalls entfernt werden. Vorzugsweise wird das zu entfernende Metall mittels eines ungepulsten oder gepulsten Laserstrahls abgetragen, was auch als Laserablation bezeichnet wird. Dabei entsteht durch die Bestrahlung des Metalls mit hochenergetischem Laserlicht eine Erhitzung, die eine Plasmabildung an der Oberfläche des Metalls an der bestrahlten Stelle zur Folge hat. Durch die Plasmabildung wird das entsprechende Metall abgetragen und das Material des Formstücks tritt zum Vorschein, so dass isolierende Abschnitte entstehen.
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Es ist aber auch möglich, Teile der Metallschicht mit einem Wasserstrahl abzutragen. Der Wasserstrahl weist dabei einen entsprechend kleinen Querschnitt auf und wird mit einem ausreichend hohen Druck auf das Metall geschossen. Das Metall wird an der Stelle des Auftreffens des Wasserstrahls erhitzt und aufgeraut, anschließend abgetragen und weggespült, so dass die gewünschten Strukturen aus der verbleibenden Metallschicht und isolierenden Abschnitten verbleiben.
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Mit einer Sensorstruktur ist hierbei eine solche Anordnung des Metalls auf dem Formstück gemeint, die zum Sensorisieren, also Messen von physikalischen oder chemischen Parametern eingesetzt werden kann. Da hierzu die Metallschicht zur Verfügung steht, aus der Abschnitte entfernt werden, sind selbstverständlich keine mechanischen bzw. beweglichen Sensorstrukturen gemeint, sondern Anordnungen aus dem Metall bzw. dem Material des Formstücks, mithin also aus leitenden und isolierenden Bereichen, die im Wesentlichen planar sind. Beispielsweise kann ein Leiterbahn-ähnlicher Metallbereich als elektrische Sensorstruktur für eine potentiometrische Messung vorgesehen sein. Oder es kann eine kreisförmig ausgebildete Leiterbahn aus dem Metall als Leiterschleife für eine induktive Messung vorgesehen sein. Für eine Sensorstruktur zum Messen eines chemischen Parameters wird beispielsweise eine einfachen Sensorfläche ähnlich einem Kontaktpad zum Sensorisieren von pH-Werten in Flüssigkeiten ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform wird in dem Schritt zum Ausbilden der Sensorstruktur auch eine Layout-Struktur in der Metallschicht des Grundbereichs durch ein teilweises Entfernen des Metalls ausgebildet. In demselben Schritt, in dem die Metallschicht des Sensorbereichs teilweise entfernt wird, um eine Sensorstruktur zu erzeugen, wird also auch das Metall des Grundbereichs teilweise entfernt, so dass eine Layout-Struktur gebildet wird. Als Layout-Struktur ist hierbei beispielsweise eine Leiterbahnanordnung zu verstehen, wie sie etwa Leiterplatten bzw. Platinen aufweisen. Allerdings ist es aufgrund des Vorliegens des Metalls möglich, nicht nur Leiterbahnen als Layout-Struktur auszubilden, sondern auch aus dem Metall bestehende planare elektrische Komponenten wie etwa Widerstände oder Spulen in Form von Leiterschleifen.
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Sowohl vor als auch nach dem teilweisen Entfernen des Metalls der Metallbeschichtung des Sensorbereichs bzw. des Grundbereichs liegt wenigstens ein Teil des Metalls bzw. der Metallschicht zwischen dem Sensorbereich und dem Grundbereich vor. So ist die Sensorstruktur in dem Sensorbereich über das Metall der Metallbeschichtung des Formstücks direkt mit der Layout-Struktur verbunden. Somit liegt also eine Metallschicht wenigstens insoweit in zusammenhängender Form vor, als sich das Metall sowohl zu der Sensorstruktur des Sensorbereichs als auch zu der Layout-Struktur des Grundbereichs erstreckt. Falls die Layout-Struktur lediglich aus Leiterbahnen und einem Kontaktierungsbereich besteht, weist die elektrische Sensoreinheit somit die Sensorstruktur, die Leiterbahnen und den Kontaktierungsbereich in Form einer Metallbeschichtung auf, wobei die Sensorstruktur in dem Sensorbereich direkt in Leiterbahnen des Grundbereichs mündet, ohne dass eine Unterbrechung der Metallschicht vorliegt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Sensorstruktur oder die Layout-Struktur jeweils durch wenigstens einen elektrisch leitenden sowie einen isolierenden Abschnitt gebildet und ist ausgewählt aus der Gruppe Leiterbahn, Lötpad, Interdigitalstruktur, Mäanderstruktur, Spiralstruktur. Wie bereits oben beschrieben, bestehen Sensorstrukturen und Layout-Strukturen typischer Weise nicht nur aus einem Stück Metall, sondern werden durch eine bestimmte Anordnung des Metalls sowie entsprechender isolierender Bereiche gebildet. Die resultierende Formgebung kann in einem einfachen Fall eine Leiterbahn sein. Auch die Form eines Lötpads ist möglich, beispielsweise durch einen verbreiterten Abschlussbereich einer Leiterbahnstruktur. Bei einer Interdigitalstruktur greifen gegenüberliegende, aber durch isolierende Bereiche voneinander getrennte, kammförmige Leiterbahnstrukturen ineinander. Mit derartigen Sensorstrukturen können beispielsweise, wie auch mit Mäander- und Spiralstrukturen, kapazitive Messungen für eine Verwendung als Sensoren zum Messen von Feuchtigkeit, Stoffwechselaktivität oder Adhäsionsverhalten von biologischen Zellen durchgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das gesamte Formstück vollständig mit dem Metall beschichtet, so dass es an seiner gesamten äußeren Oberfläche mit einer Metallschicht bedeckt ist. Dadurch liegt das Material des Formstücks nach dem Beschichten an keiner Stelle nach außen sichtbar frei.
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Das Beschichten des Formstücks mit dem Nickel oder Molybdän aufweisenden Metall kann auf unterschiedliche Weisen durchgeführt werden. Gemäß einer Ausführungsform wird zum Beschichten des Formstücks eine außenstromlose, chemische Galvanisierung durchgeführt, im Zuge derer das Metall in einer im Wesentlichen gleichmäßigen Stärke auf dem Formstück abgeschieden wird und abriebfest auf diesem befestigt bleibt. Das Formstück wird hierzu wenigstens mit einem Teil des Sensorbereichs in ein eine Lösung des Metalls aufweisendes Bad eingetaucht, wobei das Metall wird darauf abgeschieden wird. Somit ist sichergestellt, dass das Beschichten des Formstück mit dem Metall jedenfalls in einem Teilbereich des Sensorbereichs erfolgt. Dadurch wird bei einer anschließenden Strukturierung in dem Sensorbereich die Herstellung eines funktionsfähigen Sensors in dem Sensorbereich ermöglicht.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen wird zum Beschichten des Formstücks mit dem Metall das Metall auf das Formstück aufgesputtert, aufgedampft, aufgewalzt oder aufgeklebt. Hierfür sind entsprechende Anlagen, wie etwa Sputteranlagen oder Bedampfungsanlagen einsetzbar. Bei einem Aufwalzen des Metalls auf das Formstück wird das Metall unter der Einwirkung eines Druckes auf das Formstück und sogar in dieses hinein gepresst, wobei durch thermische und mechanische Effekte eine feste Anhaftung des Metalls erreicht wird. Bei einem Aufkleben des Metalls auf dem Formstück wird vorzugsweise ein Anhaften durch eine Oberflächenbehandlung erreicht, durch welche die Oberflächenstruktur des Metalls und/oder des Formstücks ein Anhaften ermöglicht. Beispielsweise werden mechanische Mikrostrukturen ähnlich wie bei einem Klettverschluss, oder Mikrobereiche mit der Fähigkeit zum Ansaugen aufgrund eines Unterdrucks ausgebildet. Dadurch ist das Metall unmittelbar auf dem Material des Formstücks anordenbar, ohne dass es einer Zwischenschicht bedarf. Es ist aber auch möglich, einen Klebstoff als Haftmittel zwischen dem Formstück und dem Metall zu verwenden, wobei der Klebstoff sich aber vorzugsweise nach einem Zusammenhaften des Metalls mit dem Formstück verflüchtigt oder etwa zu dem Material des Formstücks umwandelt. Somit liegt wiederum das Metall unmittelbar auf dem Formstück auf.
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Es kann freilich auch eine Zwischenschicht zwischen dem Metall und dem Formstück vorgesehen sein, beispielsweise wenn materialbedingte Effekte für die Funktion eines Sensors ausgenutzt werden sollen. Allerdings wird es vorzugsweise zu vermeiden sein, eine Zwischenschicht einzusetzen, um zusätzliche Verfahrensschritte ebenso wie den Bedarf an zusätzlichem Material zu verhindern. Auch ist durch das Vermeiden einer Zwischenschicht eine Einsparung von Gewicht der elektrischen Sensoreinheit möglich, wobei auch eine mechanische Flexibilität des Formstücks mit dem Metall unbeeinträchtigt bleibt. Dies kann dann besonders gewünscht sein, wenn etwa der Sensorbereich bzw. der schließlich fertig ausgebildete Sensor neben seiner Aufgabe zum Messen von physikalischen Parametern auch für mechanische Parameter sensibilisiert sein soll. Als Beispiel sei hier genannt, dass der Sensorbereich der hier beschriebenen elektrischen Sensoreinheit in einem Luftstrom angeordnet wird, um ein Messung eines Volumenflusses oder eines Masseflusses der Luft zu ermöglichen. Dabei kann der Sensorbereich und angesichts der dünnen Metallbeschichtung also der gesamte Sensor in Form eines dünnen Plättchens mit einer großen Oberfläche aber einer geringen Stärke ausgebildet sein, so dass sich der Sensor in dem Luftstrom elastisch verbiegt. Dieses Verbiegen kann einen Einfluss auf die elektrische Messung und wiederum auf den Luftstrom selbst haben und soll daher vorzugsweise auf eine vorhersehbare Art erfolgen. Der Einsatz einer Zwischenschicht kann im Gegensatz dazu unerwünschte und unvorhersehbare mechanische Eigenschaften für den Sensor haben.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Metall bei allen der oben genannten Arten der Beschichtung jeweils direkt auf dem Formstück ausgebildet, wobei keine Zwischenschicht zwischen dem Formstück und dem Metall bereitgestellt wird. Dies trifft also beispielsweise sowohl für den Fall einer Galvanisierung zu, als auch bei einem Aufsputtern, Aufdampfen, Aufwalzen oder Aufkleben.
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Es ist auch möglich, dass während oder nach dem Fertigen des Formstücks ein das Formstück durchdringender Kanal gebildet wird, so dass das Formstück ein Loch aufweist. Die innere Wandung des Kanals wird beim Beschichten mit dem Metall teilweise oder vollständig mit einer Metallschicht ausgekleidet, wobei das Metall jedenfalls durchgehend von einer Öffnung des Kanals auf der äußeren Oberfläche des Formstücks zu der anderen Öffnung aufgebracht wird. Somit liegt eine Möglichkeit zur elektrischen Durchkontaktierung von einer Seite des Formstücks auf die andere Seite vor. Die Form bzw. der Verlauf des Kanals ist dabei durch eine entsprechende Formgebung beim Spritzgießen oder aufgrund eines nachträglichen Bohrens frei wählbar, so dass beispielsweise gerade oder gebogene Verläufe möglich sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Metallschicht in einer Stärke von 2 bis 7 μm auf dem Formstück ausgebildet.
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Es ist gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens möglich, dass die Nickel oder Molybdän aufweisende Metallschicht mit einer Goldschicht beschichtet wird. Dabei kann die Beschichtung mit Gold vor dem Schritt des Ausbildens der elektrischen Sensorstruktur bzw. der Layout-Struktur erfolgen oder danach. Auch ist es möglich, dass die gesamte Metallschicht mit dem Gold beschichtet wird, oder auch nur ein Teil davon. Die Goldbeschichtung kann einen besonders verträglichen und hygienischen Kontakt mit einem menschlichen Benutzer der Sensoreinheit erlauben, und kann insbesondere bei einer Unverträglichkeit gegen Nickel oder Molybdän eingesetzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Beschichten des Formstücks mit dem Nickel oder Molybdän aufweisenden Metall und vor dem Ausbilden der elektrischen Sensorstruktur in der Metallschicht des Sensorbereichs die Metallschicht in dem Sensorbereich mit einem Schutzlack beschichtet. Anschließend wird das Formstück wiederum mit einem Nickel oder Molybdän aufweisenden Metall zum Vergrößern der Dicke der Metallschicht und dem Grundbereich beschichtet. Das Metall ist dabei vorzugsweise gleich dem zuvor aufgeschichteten Metall, weist also die gleiche Zusammensetzung auf. Dann wird der Schutzlack von der Metallschicht in dem Sensorbereich entfernt. Folglich liegt eine elektrische Sensoreinheit als Erzeugnis vor, bei der die Metallschicht in dem Sensorbereich dünner ist, als die Metallschicht in dem Grundbereich. Eine anschließende Strukturierung zum Erzeugen einer Sensorstruktur bzw. einer Layout-Struktur kann wie oben beschrieben durchgeführt werden, so dass also die Schichtdicke in der resultierenden Layout-Struktur größer ist, als in der resultierenden Sensorstruktur. Dies kann etwa dann erwünscht sein, wenn in der Sensorstruktur nur ein sehr geringer Strom fließen soll, während in der Layout-Struktur größere Ströme benötigt werden. Die dickere Metallschicht in dem Grundbereich eignet sich dann sehr gut zum Leiten größerer Ströme, während in der Sensorstruktur keine hohen Widerstände aufgrund größerer Leitungsdicken auftreten und ein geringer Strom weitgehend ungehindert fließen kann.
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Der Sensorbereich wird vorzugsweise im Wesentlichen planförmig ausgebildet, erstreckt sich also deutlich weiter in die Richtungen von zwei von drei zueinander senkrecht liegenden Raumachsen als in die Richtung der übrigen Raumachse. Somit entsteht eine planare oder flache Form des Sensorbereichs, der etwa eine rechteckige, trapezförmige, quadratische oder runde Grundfläche aufweist. Der Sensorbereich weist demnach zwei Seiten auf, nämlich eine Oberseite sowie eine Unterseite. Die Sensorstruktur wird gemäß einer weiteren Ausführungsform sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite des Sensorbereichs ausgebildet, wobei eine elektrische Verbindung zwischen der Oberseite und der Unterseite aufgrund der Metallschicht vorliegt. Das bedeutet anders ausgedrückt, dass sich eine zusammenhängende Sensorstruktur über die Oberseite und die Unterseite erstrecken kann. Es ist aber auch möglich, eine erste Sensorstruktur auf der Oberseite auszubilden und eine weitere, von der ersten unabhängige Sensorstruktur auf der Unterseite auszubilden.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Sensoreinheit weist einen aus einem elektrisch isolierenden polymerhaltigen Formstück gefertigten Sensorbereich und einen Grundbereich auf, wobei der Sensorbereich eine Dicke von bis zu 0,4 mm aufweist. „Dicke” ist hierbei, wie oben bereits erläutert, synonym zu „Stärke” zu verstehen. Der Sensorbereich und der Grundbereich sind wenigstens teilweise mit einer zusammenhängenden Metallschicht aus einem Nickel oder Molybdän aufweisenden Metall belegt, wobei die Metallschicht wenigstens in dem Sensorbereich unmittelbar auf dem Formstück angeordnet ist. Wie oben beschrieben, ist also keine zusätzliche Schicht zwischen dem Formstück und dem Metall vorgesehen. Ferner weist der Sensorbereich eine elektrische Sensorstruktur und der Grundbereich eine Layout-Struktur auf, die jeweils durch die Metallschicht und elektrisch isolierende Abschnitte gebildet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Grundbereich einen Kontaktierungsabschnitt auf, an dem die Metallschicht elektrisch kontaktierbar ist. Dabei unterscheidet sich der Kontaktierungsabschnitt von einem beliebigen freiliegenden elektrisch leitenden Abschnitt dadurch, dass er explizit für eine Kontaktierung vorgesehen ist. Beispielsweise ist der Kontaktierungsabschnitt ausreichend großflächig ausgebildet, damit etwa eine Kontaktklemme daran anklemmbar ist. Auch kann der Kontaktierungsabschnitt aus einem oben bereits beschriebenen Kanal mit einer Metallbeschichtung seiner Wandung bestehen, der somit wie etwa eine Steckerbuchse zum Aufnehmen eines Steckers verwendbar ist.
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Die oben beschriebenen Herstellungsverfahren und entsprechenden Erzeugnisse bzw. die gezeigten elektronischen Sensoreinheiten weisen eine Fülle von vorteilhafte Eigenschaften auf. So ist es beispielsweise möglich, eine zum Messen von entsprechenden Parametern einsatzfähige elektronische Sensoreinheit oder jedenfalls eine elektronische Sensoreinheit bereitzustellen, die fertig zum Bestücken und zum anschließenden Einsatz ist, die in sehr wenigen Schritten hergestellt wurde. Da der Sensorbereich und der Grundbereich aus einem Formstück bestehen, das in einem einzigen Verfahrensschritt, nämlich dem Spritzgießen hergestellt wurde, sind keine weiteren Schritte notwendig, wie etwa ein Zusammenfügen von getrennten Sensorbereichen und Grundbereichen. Bei einem Verkleben von getrennten Bereichen könnte beispielsweise ein Trocknen eines Klebstoffes eine unerwünschte Formänderung durch ein Verziehen entstehen.
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Auch ist die Zusammensetzung des Materials des Sensorbereichs und des Grundbereichs aufgrund der Herstellung als ein zusammenhängender Spritzguss identisch. Dadurch sind die mechanischen Eigenschaften dieser beiden Bereiche bereits beim Entwerfen gut vorhersehbar und es liege keine Problembereiche wie etwa Klebestellen vor. Ferner ist durch die gleiche Materialbeschaffenheit auch ein Anhaften der Metallschicht in beiden Bereichen gleich und wiederum in einem einzigen Verfahrensschritt zum Beschichten durchführbar.
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Falls der Sensorbereich und der Grundbereich nicht als ein zusammenhängendes Formstück gefertigt wären, wie dies bei herkömmlichen Verfahren und Einheiten vorkommt, wäre neben einem Verkleben oder anderweitigen Zusammenfügen der beiden Bereiche jedenfalls eine elektrische Kontaktierung notwendig. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der elektronischen Sensoreinheit aber nicht der Fall. Die Metallschicht erstreckt sich nämlich zwischen dem Grundbereich und dem Sensorbereich, also in diese beiden Bereiche hinein, so dass stets eine elektrische Verbindung zwischen beiden Bereichen besteht, ohne dass eine zusätzliche elektrische Kontaktierung notwendig ist. Eine zusätzliche Kontaktierung müsste etwa über ein aufwändiges Spezial-Bonding durchgeführt werden, da ein reguläres Kupferbonding bei besonders feinen Metallstrukturen nicht möglich ist. Dadurch würde aber eine erhebliche Einflussnahme auf die elektrischen und thermischen Eigenschaften einer Sensoreinheit entstehen, etwa durch signifikante elektrische Widerstände oder unerwünschte Kapazitäten aufgrund von Leitungsverläufen. Ferner ändert sich durch ein Bonding die Wärmekapazität und folglich auch die Menge an möglicher Wärmeabstrahlung aufgrund zusätzlicher Leitungen und Kontaktstellen. Insbesondere bei sehr sensiblen Temperaturmessungen wäre dies jedoch fatal für eine Messgenauigkeit.
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Durch das einheitliche Spritzgießen und Metallbeschichten bleiben aber die elektrischen Eigenschaften insoweit ungestört, als kein zusätzliches Bonding notwendig ist und ein Stromfluss zwischen dem Sensorbereich und dem Grundbereich über die Metallschicht selbst möglich ist. Dadurch sind auch sehr geringe Ströme einsetzbar, was entsprechende empfindliche Messungen erlaubt. Auch die thermischen Eigenschaften ausgebildeter Sensor- oder Layout-Strukturen sind bereits beim Design der Strukturen bestimmbar und ändern sich nicht noch im Nachhinein aufgrund von Kontaktierungen. Somit kann insbesondere die Sensorstruktur für hochempfindliche thermische Messungen realisiert werden.
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Bei den hier beschriebenen Erzeugnissen können die Sensor- und Layout-Strukturen beliebig ausgebildet werden. Bereits bei einem Design der Strukturen kann exakt festgelegt werden, an welcher Stelle welche Strukturen vorliegen sollen. Hier wird nun zur Veranschaulichung eine Ausführungsform erläutert, in dem die Sensorstruktur aus einem mäanderförmigen Heizelement und einem mäanderförmigen Temperatursensor besteht, was insgesamt als Massenflusssensor fungieren soll. In der Layout-Struktur ist eine Messbrücke mit einem Operationsverstärker vorgesehen. Da kein zusätzlicher Platz für ein Bonding notwendig ist, und bereits beim Entwurf der Strukturen alle Positionen exakt festgelegt werden können, ist es möglich, die Position des Operationsverstärkers, also bei einem nachträglichen Bestücken aufgrund der Position der entsprechenden Kontaktpads möglichst nahe an der Sensorstruktur anzuordnen. Dadurch verkürzen sich die Zuleitungen zwischen dem Sensor und dem Operationsverstärker der Messbrücke auf ein Minimum, so dass die Sensorik eine reduzierte Störanfälligkeit aufweist.
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Da die Messbrücke sehr empfindlich ist, ist es sehr vorteilhaft, dass all ihre Komponenten in denselben Herstellungsprozessen erzeugt wurden. Somit weisen jedenfalls die Leitungen und gegebenenfalls auch planar ausgebildete Widerstände nahezu identische elektrische und thermische Eigenschaften auf und erlauben eine in einem Arbeitspunkt quasi ideal ausgeglichene Messbrücke, was herkömmlicher Weise äußerst schwierig zu realisieren ist, wenn unabhängig voneinander hergestellte Bauteile eingesetzt werden. Mit der hier beschriebenen entsprechend bestückten elektronischen Sensoreinheit ist somit eine hochgenaue Massenflussmessung eines an dem Sensorbereich vorbeiströmenden Luftstroms möglich, wobei die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Sensorbereichs und des Grundbereichs wie auch die elektrischen Eigenschaften der elektrischen Strukturen vollständig bekannt sind und hochpräzise Messungen bei einem extrem niedrigen Stromverbrauch ermöglicht sind.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein in Form eines Blockschaltbildes skizziertes Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung;
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2 ein in skizzierter Form dargestelltes Zwischenerzeugnis eines Herstellungsverfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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3 ein in skizzierter Form dargestelltes weiteres Zwischenerzeugnis des Herstellungsverfahrens nach 2;
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4 ein in skizzierter Form dargestelltes Erzeugnis eines Herstellungsverfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5 ein in skizzierter Form dargestelltes Erzeugnis eines Herstellungsverfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine in skizzierter Form dargestellte elektrische Sensoreinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 sind Verfahrensschritte gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer elektrischen Sensoreinheit gezeigt. Zunächst erfolgt ein Schritt S1, in welchem ein elektrisch isolierendes polymerhaltige Formstücks mit einem Sensorbereich und einem Grundbereich durch ein Spritzgießverfahren gefertigt wird. Dabei wird der Sensorbereich mit einer Dicke von bis zu 0,4 mm ausgebildet. Als nächstes wird ein Schritt S2 ausgeführt, in welchem, das Formstück beschichtet wird. Das Beschichten erfolgt mit einem Nickel oder Molybdän aufweisenden Metall, mithin also etwa auch quasi reines Nickel oder Molybdän. Dabei wird eine Metallschicht in dem Sensorbereich und dem Grundbereich gebildet.
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Das Beschichten erfolgt außerdem derart, dass die Metallschicht jedenfalls in dem Sensorbereich unmittelbar auf dem Formstück angeordnet wird. Anschließend wird ein Schritt S1 ausgeführt, wobei eine elektrische Sensorstruktur in der Metallschicht des Sensorbereichs durch ein teilweises Entfernen des Metalls ausgebildet wird. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Laserablation, mit der ausgewählte Bereiche des Metallschicht abgetragen werden.
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In 2 ist ein durch ein Spritzgießverfahren hergestelltes Formstück 2 dargestellt, mit dem eine elektrische Sensoreinheit hergestellt wird. Das Formstück 2 ist elektrisch isolierend und besteht aus einem polymerhaltigen Material. Außerdem weist das Formstück 2 einen Sensorbereich 3 und einen Grundbereich 4 auf, wobei der Sensorbereich 3 mit einer Dicke bzw. Stärke von ca. 0,3 mm ausgebildet ist. Wie in der Fig. gezeigt, ist der Sensorbereich 3 plättchenförmig ausgebildet, wobei die Länge und die Breite des Sensorbereichs 2 deutlich größer sind als dessen Dicke.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird das Formstück 2 in dem Sensorbereich 3 und dem Grundbereich 4 mit einem Metall beschichtet, das Nickel oder Molybdän aufweist. Hier besteht das Metall abgesehen von üblichen herstellungsbedingten Verunreinigungen ausschließlich aus Nickel. Das Ergebnis der Beschichtung ist durch die metallbeschichteten Bereiche 3' und 4' dargestellt. Der Sensorbereich 3, genauer gesagt seine äußere Oberfläche, ist dabei vollständig mit Nickel umgeben. Der Grundbereich 4 ist allerdings nicht vollständig, sondern nur in dem Bereich 4' mit Nickel beschichtet. Das Nickel ist hier unmittelbar auf dem Formstück angeordnet. Wichtig ist hierbei, dass die Bereiche 3' und 4' eine zusammenhängende Metallschicht darstellen, so dass also in einem Übergangsbereich zwischen dem Sensorbereich 3 und dem Grundbereich 4 eine Nickelbeschichtung vorliegt.
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Gemäß dem Herstellungsverfahren wird eine elektrische Sensorstruktur 5 in der Metallschicht des Sensorbereichs 3 durch ein teilweises Entfernen des Metalls ausgebildet.
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Das Ergebnis ist in 3 in Form einer elektrischen Sensoreinheit 1 skizziert. Die zuvor in 1 mit 3' bezeichnete Nickelschicht wurde per Laseablation teilweise abgetragen, so dass die Sensorstruktur 5 durch elektrisch leitende Abschnitte 5a sowie isolierende Abschnitte 5b gebildet ist. Der elektrisch Leitende Abschnitt 5a, der aus dem nicht abgetragenen Nickel besteht, verläuft hier bis auf die Rückseite des Sensorbereichs 3 (nicht gezeigt), wo weitere Sensorstrukturen als die sichtbaren ausgebildet sein können. In der 2 ist auch gezeigt, dass das Metall 4' des Grundbereichs 4 vollständig erhalten geblieben ist, wie es beim Beschichten entstanden ist und nicht teilweise entfernt wurde.
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In 4 ist eine elektrische Sensoreinheit 1 gezeigt, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Sie unterscheidet sich von der elektrischen Sensoreinheit 1 aus 2B zunächst darin, dass in dem Schritt zum Beschichten des Formstücks 2 mit einem Nickel oder Molybdän aufweisenden Metall das gesamte Formstück 2 vollständig beschichtet wurde. Anschließend wurden in dem Sensorbereich 3 Sensorstrukturen 5 aus leitenden 5a und elektrisch isolierenden Abschnitten 5b mithilfe einer Laserstrukturierung gebildet. Auch das Metall des Grundbereichs 4 wurde per Laserstrukturierung teilweise abgetragen, so dass leitende 6a und nicht-leitende Abschnitte 6b gebildet wurden, die eine Layoutstruktur 6 im Grundbereich darstellen. Die Layoutstruktur weist außerdem einen Kontaktierungsabschnitt 7 auf, der ein Bestandteil des Grundbereichs 6 ist und dafür vorgesehen ist, dass ein externer elektrischer Anschuss wie etwa eine Anschlussklemme oder ein Federkontaktstift daran kontaktiert, um elektrische Signale abzugreifen. Dazu liegen in dem Kontaktierungsabschnitt 7 neben elektrisch isolierenden Bereichen relativ großflächige Metallflächen 6c vor, die für eine Kontaktierung vorgesehen sind.
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Die elektrische Sensoreinheit 1 ist zusätzlich mit aktiven und passiven elektrischen Bauteilen 8a bis 8d bestückt. Genauer gesagt ist die Layout-Struktur in dem Grundbereich 6 dafür ausgebildet worden, dass derartige Bauteile darauf aufgelötet werden können, um eine elektrische Schaltung zu erzeugen. Es sei aber beachtet, dass die Layout-Struktur nicht unbedingt nachträglich aufzulötender Bauteile bedarf, um eine Funktion einer elektrischen Schaltung zu erreichen. Vielmehr können beispielsweise elektrische Bauteile wie etwa Widerstände oder Induktionsspulen bzw. -schleifen bereits durch ein entsprechendes Abtragen von Teilen der Metallschicht in dem Grundbereich 4 ausgebildet werden. Auch ist es nicht immer notwendig, dass die funktionstüchtige elektrische Sensoreinheit 1 eine aktive Elektronik in dem Grundbereich aufweist. Sie kann nämlich beispielsweise auch dafür vorgesehen sein, mit ihrem Kontaktierungsabschnitt 7 in einen Steckplatz einer externen elektronischen Einheit eingesteckt zu werden, in welcher eine Auswerteelektronik für Daten des durch die Sensorstruktur 5 in dem Sensorbereich 3 gebildeten elektrischen Sensors bereitgestellt ist.
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Der elektrische Sensor weist hier eine mäanderförmige Struktur auf und kann beispielsweise für eine Temperaturmessung eingesetzt werden. Es ist aber auch möglich, dass mehrere Sensorstrukturen 5 in dem Sensorbereich 3 ausgebildet werden, so dass eine Mehrzahl an elektrischen Sensoren vorliegt. Die Sensoren können dabei zum messen derselben oder auch unterschiedlicher physikalischer Parameter vorgesehen sein, beispielsweise zur Temperaturmessung einerseits und zur Feuchtigkeitsmessung andererseits. Auch ist es möglich, dass mindestens eine Sensorstruktur 5 sowohl zum Sensorisieren eines physikalischen Parameters vorgesehen ist, als auch zur Funktion als aktives elektrisches Bauelement. So ist es etwa möglich, dass die skizzierte Mäanderform der gezeigten Sensorstruktur 5 einerseits als Temperatursensor eingesetzt wird, andererseits aber auch für ein Leiten eines elektrischen Stromes vorgesehen ist, wodurch Wärme erzeugt wird.
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5 zeigt eine elektronische Sensoreinheit 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht. Das Formstück 2 wurde zunächst mit chemisch Nickel beschichtet, das anschließend teilweise per Laserablation abgetragen wurde. In einem Sensorbereich 3 liegen dadurch Sensorstrukturen vor, während in einem Grundbereich 4 Layout-Strukturen, also Strukturen eines elektronischen Schaltungs-Layouts, vorliegen. Das Formstück 2 weist eine in zwei Abschnitte einteilbare Grundform auf. Der Sensorbereich 3 ist mit einer geringen Dicke planförmig ausgebildet und weist eine Oberseite 3a und eine Unterseite 3b auf. Der Grundbereich 4 ist im Wesentlichen keilförmig ausgebildet und weist Aussparungen 4a auf, die beispielsweise einer Handhabbarkeit mittels eines Greifwerkzeugs dienen können.
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In 6 ist eine elektrische Sensoreinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Ein als ein einziges, zusammenhängendes Formstück 2 gefertigtes Spritzgussprodukt weist einen Sensorbereich 3 sowie einen Grundbereich 4 auf. Der Sensorbereich 2 und der Grundbereich sind also vereinfacht ausgedrückt aneinander liegende Abschnitte des Formstücks 2 bzw. der elektrischen Sensoreinheit 1. Der Sensorbereich 3 sowie der Grundbereich 4 wurden mit einer zusammenhängenden Metallschicht belegt, insbesondere durch eine chemische Galvanisierung mit einem überwiegend Nickel oder Molybdän aufweisenden Metall. In der dargestellten elektrischen Sensoreinheit 1 ist das Metall sowohl in dem Sensorbereich 3 als auch in dem Grundbereich 4 unmittelbar auf dem Formstück bzw. auf dem Material des Formstücks 2 angeordnet.
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Es ist gezeigt, dass der Sensorbereich 3 eine elektrische Sensorstruktur 5 aufweist, die aus zwei mäanderförmigen Leiterbahnstrukturen besteht, nämlich einem Temperatursensor 5a und einem Heizelement 5b. Außerdem weist der Grundbereich 4 eine Layout-Struktur 6 auf. Die Sensorstruktur 5 aus Temperatursensor 5a und Heizelement 5b sowie die Layout-Struktur 6 wurden dadurch ausgebildet, dass entsprechende Teile der Metallbeschichtung mittels eines Laserstrahls abgetragen wurden. Somit liegen also beispielsweise in dem Grundbereich 4 aufgrund der verbliebenen Metallschicht leitende Abschnitte 6a und aufgrund des abgetragenen Metalls elektrisch isolierende Abschnitte 6b vor.
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Ein Ende des Grundbereichs 4 weist ferner eine schlitzförmige Einkerbung 9 auf, die es ermöglicht, die elektrische Sensoreinheit 1 in einen dafür vorgesehenen Steckplatz eines Gehäuses einzustecken. Es ist auch möglich, dass eine ähnliche schlitzförmige Einkerbung zwischen dem Temperatursensor 5a und dem Heizelement 5b vorgesehen ist (nicht gezeigt). Dadurch kann beispielsweise eine teilweise thermische Entkopplung des Temperatursensors von dem Heizelement erfolgen.
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Die Formgebung der nicht-leitenden Abschnitte 6b in dem Grundbereich 4 ist so gewählt, dass ein Schaltungs-Layout wie bei einer Leiterplatte vorliegt. Dabei ist beispielsweise eine Massefläche 6c ausgebildet, in die jeweils ein Ende der mäanderförmigen Strukturen der Sensorstrukturen 5a, 5b mündet. Die jeweils anderen Ende der Sensorstruktur 5a, 5b münden in voneinander elektrisch isolierten Potentialflächen 6d bzw. 6e. Hierbei ist zu beachten, dass die mäanderförmigen Sensorstrukturen 5a, 5b, wie oben beschrieben, in dem Sensorbereich 3 vorliegen, während die entsprechenden Enden bis in den Grundbereich 4 hinein verlaufen. Dabei ist die Metallschicht durchgängig und es besteht eine elektrische Verbindung über die Metallschicht von dem Sensorbereich 3 zu dem Grundbereich 4 und umgekehrt. Dies bedeutet also, dass bei dem teilweisen Abtragen der Metallisierung stets darauf geachtet wird, dass das Metall an der Grenze zwischen dem Sensorbereich 3 und dem Grundbereich 4 jedenfalls nicht vollständig entfernt wird.
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Die Layout-Struktur 6 in dem Grundbereich 4 erlaubt es, elektrische Komponenten wie etwa ICs oder Kondensatoren auf den Grundbereich 4 aufzulöten, so dass eine an die entsprechend ausgebildeten Sensorstrukturen 5 angepasste Messelektronik vorliegt. Hierbei zeigen sich folgende Vorteile der erfindungsgemäßen elektrischen Sensoreinheit, die maßgeblich auch aus dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren herrühren. Die Vorteile sind hier anhand des konkreten Beispiels gemäß 6 beschrieben, um die zugrunde liegenden Prinzipien zu verdeutlichen.
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Zunächst ist zu beachten, dass die Sensorstruktur 5 aus Temperatursensor 5a und Heizelement 5b die Funktion eines Sensors aufweist, obwohl eine der Strukturen, nämlich das Heizelement 5b, für sich genommen keinem Sensor, sondern einem aktiven Element entspricht. Allerdings ändert sich der Widerstand in dem Heizelement 5b, wenn es durch einen an der Sensorstruktur 5 vorbei fließenden Luftstrom abgekühlt wird. Somit ist eine Masseflussbestimmung möglich. Die von dem Temperatursensor 5a sensorisierte Temperatur des Luftstroms kann dazu dienen, eine Korrektur des gemessenen Masseflusses durchzuführen, so dass ein tatsächlicher Massefluss messbar ist, der unabhängig von der Temperatur des Luftstroms ist. Somit arbeiten der Temperatursensor 5a und das Heizelement 5b zusammen als ein Sensor zum Messen eines temperaturunabhängigen, tatsächlichen Masseflusses.
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Diese Messung erfolgt mithilfe einer Messbrücke, die aufgrund der Sensorstruktur 5 sowie der Layout-Struktur 4 und der entsprechenden Bestückung mit Bauteilen realisiert ist. In der Messbrücke sind alle Leitungen in denselben Herstellungsschritten erzeugt worden, so dass deren elektrische Eigenschaften nahezu identisch sind. Dadurch ist es möglich, einen Arbeitspunkt für die Messbrücke einzustellen, in dem die Messbrücke quasi ideal ausgeglichen ist, was eine hochempfindliche Messung bei extrem niedrigen Strömen ermöglicht.
