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Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensorelement, ein Thermometer, die Verwendung des Sensorelements, sowie die auf ein Verfahren zur Bestimmung einer vorgegebenen Temperatur.
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Derartige Sensorelemente, die beispielsweise zur Erfassung einer Temperatur verwendet werden und beispielsweise aus einem temperaturabhängigen Widerstand bestehen, sind aus einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere der Prozessautomatisierungstechnik bekannt geworden.
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So ist beispielsweise aus der Patentanmeldung
DE 2251969 A eine Vorrichtung zur Temperaturkonstanthaltung bekannt geworden, bei der ein Transistor als Heizelement und eine Diode mit temperaturabhängigen Eigenschaften aus einer Substanz mit einem anormalen Sprung der elektrischen Leitfähigkeit vorgeschlagen wird.
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Ferner ist aus der Offenlegungsschrift
DE 2300199 A eine Pulvermasse bestehend aus Widerstandoxiden bekannt geworden.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 2424468 A ist eine temperaturkompensierte Thermorelaiseinrichtung bekannt geworden, bei der bei einer vorgegebenen Übergangstemperatur eine plötzliche Impedanzveränderung auftritt.
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Aus der Patentschrift
DE 2436911 B ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtheißleiterelementen auf der Basis von Vanadiumoxid bekannt geworden, bei dem auf ein geeignetes Substrat eine dünne Schicht aufgebracht wird, die überwiegend aus einem Vanadiumoxidmaterial besteht, wobei das Vanadiumoxidmaterial ferner mit Fremdatomen dotiert wurde.
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Prinzipiell ist es bei der Temperaturmessung ein Problem eine verlässliche Temperaturmessung zu gewährleisten, bei der beispielsweise keine altersbedingten Drift-Effekte auftreten. Zudem ist es ein notorisches Problem bei der Messung einer Temperatur den Messaufnehmer, das sogenannte Temperatursensorelement zu validieren, justieren, kalibrieren und/oder zu eichen. Insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik sind derartige Sensorelemente wie bspw. in Thermometern oder allgemein Vorrichtungen zur Bestimmung einer Temperatur oftmals derart in den Prozess integriert, dass ein Ausbau einer derartigen Vorrichtung oftmals nur mit größerem Aufwand möglich ist oder besondere Vorrichtungen, wie beispielsweise Einbauarmaturen erfordert, die zu diesem Zweck überhaupt geeignet sind. Bspw. befasst sich die Offenlegungsschrift
DE 102010040039 A1 mit der bei der Justierung, Kalibrierung oder Eichung auftretenden Problemstellungen bei Thermometern.
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Ausgehend von diesen aus dem Stand der Technik bekannten Problemstellungen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine langzeitstabile Kalibrierung, Validierung, Justierung und/oder Eichung auf besonders einfache insbesondere kompakte Weise zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Sensorelement, ein Thermometer mit einem Sensorelement, die Verwendung des Sensorelements sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer vorgegebenen Temperatur gelöst.
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Hinsichtlich des Sensorelements wird die Aufgabe durch ein Sensorelement gelöst, wobei das Sensorelement mit eine Messstrecke umfasst, die durch ein Dielektrikum von einem Referenzelement getrennt ist, welches Referenzelement aus einem Material besteht, das bei einer vorgegebenen Temperatur einen Phasenübergang erfährt, durch den sich die elektrische Leitfähigkeit des Materials ändert.
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Durch die Änderung der chemischen und physikalischen Eigenschaften des Materials aus dem das Referenzelement wenigstens zum Teil besteht, kann über die Wechselwirkung des Referenzelements mit der Messstrecke der Phasenübergang des Materials aus dem das Referenzelement besteht ermittelt werden. Dadurch entsteht ein Vergleichswert, der bei einer vorgegebenen und somit bekannten Temperatur eine sich ändernde physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Materials des Referenzelements hervorruft, zur Verfügung, um ein Messsignal, das vermittels der ersten Messstrecke aufgenommen wird, zu validieren, zu kalibrieren, zu justieren und/oder zu eichen.
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In einer Ausführungsform des Sensorelements ist das Sensorelement derart bezüglich der Messstrecke angeordnet, dass im Falle eines Phasenübergangs des Referenzelements das Referenzelement kapazitiv mit der Messstrecke beziehungsweise mit einem Teil der Messstrecke koppelt. Beispielsweise können sich in Folge des Phasenübergangs die elektrischen Eigenschaften, des Materials aus dem das Referenzelement besteht, ändern. Vorzugsweise ist dabei das Material derart ausgewählt, dass mit einem Phasenübergang des Referenzelements eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Referenzelements einhergeht. Durch eine entsprechende Anordnung des Referenzelements kann über eine kapazitive Einkopplung des Referenzelements bezüglich der Messstrecke eine Änderung eines Messsignals mit dem die Messstrecke beaufschlagt ist in Abhängigkeit der vorliegenden Phase des Referenzelements ermittelt werden. Dadurch kann auf die, in der unmittelbaren Umgebung des Sensorelements vorliegende Temperatur geschlossen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements weist die Messstrecke zumindest abschnittsweise einen mäanderförmigen Verlauf auf. Durch diesen mäanderförmigen Verlauf kann eine besonders große Kontaktfläche der Messstrecke zu dem Dialektrikum, auf dem die Messstrecke vorzugsweise aufgebracht ist, hergestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements besteht die Messstrecke aus einem metallischen Material vorzugsweise Platin.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements sind die Messstrecke und das Referenzelement auf demselben Substrat angeordnet. Beispielsweise kann das Substrat eine Vorder- und eine Rückseite aufweisen, wobei das Referenzelement auf der Rückseite und die Messstrecke auf der Vorderseite des Substrats angeordnet sind.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements dient eine die Messstrecke und das Referenzelement trennende Schicht als Dielektrikum. Bei dem Dielektrikum handelt es sich bevorzugt um das Substrat auf den, die Messtrecke und bevorzugt auch das Referenzelement aufgebracht sind.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements handelt es sich bei dem Material aus dem Referenzelement besteht um ein Übergangsmetall vorzugsweise Vanadium oder ein Vanadiumoxid beziehungsweise ein übergangsmetallenthaltendes, vorzugsweise ein Vanadium- oder ein Vanadiumoxid enthaltendes Material.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements bestehen die Messstrecke, das Dielektrikum und/oder das Referenzelement aus einem Dünnfilm beziehungsweise einem Dickfilm. Vorzugsweise ist dabei insbesondere die Messtrecke und das Referenzelement als Dünnfilmschicht ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements verändert sich durch den Phasenübergang der elektrische Widerstand des Sensorelements.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements geht das Referenzelement durch den Phasenübergang von einem Zustand mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit in einen Zustand mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit über.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements geht das Referenzelement durch den Phasenübergang von einem Zustand in welchem das Referenzelement elektrisch im Wesentlichen isoliert in einen elektrisch leitfähigen Zustand über.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements dient eine Beaufschlagung der Messstrecke mit einem Messsignal, vorzugsweise eine Impedanzmessung dazu, den Phasenzustand des Referenzelements zu bestimmen.
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Zu diesem Zweck können beispielsweise eine oder mehrere Signalabgriffe vorgesehen sein, durch die Messstrecke auf einem Dünnfilmsegment definiert wird. Durch die Impedanzmessung kann dann die zur Messstrecke bzw. zum Sensorelement gehörende Kapazität ermittelt werden, die in Abhängigkeit der vorliegenden Phase des Referenzelements unterschiedliche Werte aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements wird anhand, der mit dem Messsignal beaufschlagten Messstrecke eine Temperatur beziehungsweise das Erreichen einer Temperatur, vorzugsweise der vorgegebenen Temperatur bei der das Material aus dem das Referenzelement besteht einen Phasenübergang erfährt, bestimmt. Beispielsweise kann sich in dem Fall eines Phasenübergangs des Referenzelements ein charakteristischer insbesondere stufenförmigen Signalverlauf des Messsignals einstellen.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements besteht das Referenzelement aus mehreren Abschnitten mit unterschiedlichen Phasenübergangstemperaturen vorzugsweise aus einem Material mit unterschiedlicher Dotierung, wobei die Abschnitte besonders bevorzugt voneinander getrennt sind. Insbesondere dadurch kann ein mehrstufiger Verlauf der Impedanz beziehungsweise der Kapazität oder allgemein eines Messsignals mit dem die Messstrecke beaufschlagt wird, erfolgt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements sind die Abschnitte des Sensorelements parallel zueinander elektrisch leitend miteinander verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements weisen die Abschnitte einen unterschiedliche Stärke, Dicke und/oder Dotierung auf. Durch derartige Maßnahmen kann die Übergangstemperatur, bei der ein Phasenübergang des Materials stattfindet, beeinflusst werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements sind die Abschnitte des Referenzelements übereinander in Schichten angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements sind die Abschnitte des Referenzelements nebeneinander vorzugsweise im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet.
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Hinsichtlich des Thermometers wird die Aufgabe durch ein Thermometer mit einem Sensorelement nach einer der vorherigen Ausführungsformen gelöst.
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Hinsichtlich der Verwendung des Sensorelements wird die Aufgabe durch die Verwendung des Sensorelements zur Justierung, Validierung, Kalibrierung und/oder Eichung eines Thermometers gelöst.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung einer vorgegebenen Temperatur gelöst, wobei eine Messstrecke mit einem Messsignal beaufschlagt wird, welche Messstrecke durch ein Dielektrikum getrennt von einem Referenzelement angeordnet ist, welches Referenzelement bei der vorgegebenen Temperatur einen Phasenübergang erfährt, wobei das Messsignal mit einem Referenzwert verglichen wird, um die Phase des Referenzelements zu ermitteln. Anhand der ermittelten Phase kann somit auch die vorliegende Temperatur geschlossen werden und dieser mit dem Messsignal bestimmten Temperaturwert verglichen werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird vermittels des Messsignals eine Impedanzmessung durchgeführt und ein Impedanzwert ermittelt, der mit einem Referenzwert verglichen wird. Die Impedanzmessung erfolgt dabei durch Beaufschlagung der Messstrecke mit dem Messsignal.
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Die Messstrecke und das Referenzelement können also in dem Fall in das Referenzelement sich einem elektrisch leitfähigen Zustand befindet, wie ein Kondensator wirken, welchen Kondensator beispielsweise die Funktion eines Bandpasses zukommt, so dass nur bestimmte Messsignale beziehungsweise Messsignale mit einem bestimmten Frequenzanteil ungefiltert über die Messstrecke übertragen werden. Anhand des Phasenübergangs beziehungsweise der auftretenden Phasenübergänge des Referenzelements beziehungsweise des Materials aus dem das Referenzelement besteht kann somit einen charakteristischen insbesondere stufenförmigen Kapazitätsverlauf des Sensorelements beziehungsweise der Messstrecke ermittelt werden.
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Es wird somit ein Sensorelement vorzugsweise zur Temperaturmessung vorgeschlagen, das insbesondere in Vorrichtungen der Prozessautomatisierungstechnik, wie beispielsweise einem Messeinsatz verwendet werden kann. Derartige Vorrichtungen verfügen beispielsweise über ein Schutzrohr indem der Messeinsatz eingeführt werden kann, um die Temperatur eines Messstoffs zu erfassen. Das Sensorelement weist zu diesem Zweck beispielsweise zumindest eine oder vorzugsweise mehrere Dünnfilmsegmente auf. Ein erster dieser Dünnfilmsegmente kann beispielsweise aus einem mäanderförmigen Platindünnfilm bestehen, der auf ein dielektrisches Substrat aufgebracht ist, das beispielsweise aus einer aluminiumoxidhaltigen Keramik besteht. Über dieses als Dielektrikum wirkendes Substrat kann der metallische Dünnfilm der als Messstrecke dient kapazitiv an ein weiteres Dünnfilmsegment koppeln, das beispielsweise aus einem dotierten oder undotierten Vandiumoxid besteht. Das vanadiumoxidhaltige Dünnfilmsegment ist dabei von dem mäanderförmigen Platindünnfilmsegment, welches beispielsweise auf demselben Substrat aufgebracht ist, durch eine dielektrische Zwischenschicht getrennt. Durch diese Zwischenschicht erfolgt eine kapazitive Kopplung des Referenzelements dienenden Dünnfilmsegments zu der Messstrecke. Vanadiumoxid erfährt bei einer Temperatur von zirka 60°C einen Halbleitermetallübergang, d. h. eine Phasenumwandlung. Diese Phasenumwandlung führt zu einer Widerstandsänderung des Vanadiumoxids. Dies wird erfindungsgemäß genutzt, um einen sich aufgrund einer kapazitiven Kopplung zwischen dem Referenzelement und der Messstrecke ergebenden Impedanzwert zu bestimmen, der als Referenzgröße fungiert. Die Widerstandsmessung des temperaturabhängigen Widerstandselementes beispielsweise in Form einer Dünnfilmschicht beziehungsweise eines Dünnfilmsegments ausgestaltet ist, kann dabei zur selben Zeit wie die Impedanzmessung der Messstrecke erfolgen.
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Beispielsweise kann auf einer Vorderseite des Substrats und auf einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite des Substrats die Messstrecke beziehungsweise das Referenzelement in Form eines Dünnfilms aufgebracht sein. Dabei kann beispielsweise planare Ätzung oder eine planare Vertiefung, welche durch Ablationstechniken vorgenommen wurde, vorgesehen sein, um mehrere parallel geschaltete Vanadiumoxidschichten unterschiedlicher Dotierung nebeneinander anzuordnen und randständig zu kontaktieren.
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Das Referenzelement kann auch aus mehreren beispielsweise stufenförmigen aufeinanderliegenden, d. h. übereinander angeordneten Vanadiumoxidschichten, die beispielsweise eine unterschiedliche Dotierung aufweisen bestehen. Die Dotierung dient dazu, die Phasenumwandlungstemperatur des Referenzelements herabzusetzen oder zu steigern. Eine Veränderung der Phasenumwandlungstemperatur kann auch durch eine Anpassung der Stärke oder Breite der Schichten erfolgen. Beispielsweise kann dadurch eine abgestufte Impedanzveränderung der Messstrecke beziehungsweise der gesamten kapazitiven Messanordnung erfolgen.
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Weiterhin das Substrat auch nur einseitig beschichtet sein. Beispielsweise kann eine mäanderförmige metallische Struktur, die die erste Messstrecke bildet mit einer dielektrischen Deckschicht von 0,2 bis 3 µm beschichtet sein. Auf diese Deckschicht wiederum können mehrere aufeinanderliegende, sich zumindest teilweise überlappende Schichten eines Referenzmaterials beispielsweise Vanadiumoxid mit unterschiedlicher Dotierung angeordnet sein. Messstrecke und Referenzelement bilden also einen Kondensator.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung, in einer Draufsicht,
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2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung, ebenfalls in einer Draufsicht,
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3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung, in einem Querschnitt,
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4: eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung, in einer Draufsicht und
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5: eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung, in einer Explosionsdarstellung.
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1 zeigt ein Substrat 3, d.h. einen Träger, auf dem eine Messtrecke 11 in Form eines meandrierenden metallischen Drahtes aufgebracht ist. Auf den Draht ist eine Deckschicht 16 aufgebracht, die als Dielektrium dient, und die Messtrecke 11 von einem auf der Deckschicht 16 von einem Referenzmaterial 12 getrennt.
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Die Messtrecke 11 ist mit Abgriffen 4 und 6 versehen, die zum Abgreifen bzw. Beaufschlagen der Messtrecke 11 mit einem Messsignal dienen. Ferner ist ein Abgriff 5 an dem Referenzelement 12 vorgesehen, über welchen Abgriff die Kapazität des aus der Messstrecke 11 und dem Referenzelement 12 bestehenden Kondensators bestimmt werden kann.
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Aufgrund der Tatsache, dass das Referenzelement 12 bzw. das Material, aus dem das Referenzelement besteht, einen Phasenübergang bei einer im für die Kalibrierung, Validierung, Justierung oder Eichung relevanten Temperaturbereich erfährt, durch den sich eine elektrische Eigenschaft wie bspw. die elektrische Leitfähigkeit des Referenzelements 12 ändert, kann anhand der Bestimmung der Kapazität zwischen der Messtrecke und dem Referenzelement 12, das Erreichen der Phasenübergangstemperatur ermittelt werden.
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Anstatt der Deckschicht kann auch das Substrat 3 als Dielektrikum dienen und bspw. die Messstrecke 11 auf einer dem Referenzelement 12 gegenüberliegenden Seite des Substrats 3 angeordnet sein.
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2 zeigt eine Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung, wobei anstatt einer, mehrere Referenzelemente bzw. ein Referenzelement, das aus Abschnitten (12, 13, 14, 15) besteht die eine unterschiedliche Phasenübergangstemperatur aufweisen.
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Die Abschnitte (12, 13, 14, 15) können bspw. aus Vanadiumoxid-Schichten mit unterschiedlicher Dotierung bestehen.
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Diese Vanadiumoxid-Schichten können bspw. über einen leiterbahn-artigen Abgriff 9, 10 (gemeinsam), vorzugsweise randständig, d.h. an einem Rand der Schichten bzw. Abschnitte 12, 13, 14, 15 verlaufend, elektrisch kontaktiert sein. Ferner können diese Schichten über einen punkt-artigen elektrischen Kontakt einzeln kontaktiert sein.
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Somit kann die Kapazität des aus Referenzelement 12 und Messstrecke 11 bestehenden Sensorelements bestimmt werden. Da die verschiedenen Abschnitte 12, 13, 14, 15 bzw. Schichten unterschiedliche Übergangtemperaturen aufweisen, ergibt sich auch ein stufenartiger Verlauf der Kapazität bei durchlaufen der jeweiligen Phasenübergangstemperaturen der verschiedenen Abschnitte 12, 13, 14, 15.
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3 zeigt eine Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung bei der auf einer Seite der Substrats 3, der Vorderseite, die Messstrecke 11 angeordnet und auf der der Vorderseite gegenüberliegenden Seite, der Rückseite mehrere übereinander liegende Schichten 12, 13, 14, 15 die jeweils aus Materiealien mit einer bestimmten Phasenübergangstemperaturen bestehen, wobei sich die elektrischen Eigenschaften der Materiealien in Abhängigkeit der Phase, in der das jeweilige Referenzmaterial 12, 13, 14, 15 sich befindet, abhängig ist.
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Die Schichten 12, 13, 14, 15 sind dabei randständig elektrisch über einen leiterbahn-artigen Abgriff miteinander verbunden. Im Falle eines Phasenübergangs von niedrigen zu Hohen Temperaturen bei welchem bspw. die Leitfähigkeit der jeweiligen Schicht 12, 13, 14, 15 ansteigt, steigt somit auch die Kapazität des aus Messtrecke 11 und Referenzelement 12 bestehenden Kondensators schritt oder stufenweise an.
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4 zeigt eine Ausführungsform bei der auf einem Substrat 3 ebenso wie in 1 eine Messtrecke aus einem metallischen Material aufgebracht ist und von einer Deckschicht 16 bedeckt ist.
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Ferner ist ein Referenzelement, das mehrere nebeneinander angeordnete Abschnitte 12, 13, 14, 15 aufweist, auf die Deckschicht bzw. das Substrat aufgebracht.
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Die Abschnitte 12, 13, 14, 15 des Referenzelements sind randständig durch eine erste leiterbahnartige und einer zweite leiterbahnartigen Abgriff 9, 10 elektrisch miteinander verbunden. Es können jedoch auch nur ein Teil dieser Abschnitte elektrisch miteinander verbunden sein, während ein anderer Teil bspw. einen oder mehrere Abschnitte enthält die elektrisch voneinander isoliert sind.
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Es ist somit möglich die vorliegende Phase einer oder mehrere der Abschnitte des Referenzelements 12, 13, 14, 15 und somit eine Referenztemperatur, wie bspw. einen Temperaturbereich oder eine Phasenübergangstemperatur, einerseits durch einen Signalabgriff zw. dem ersten und zweiten leiterbahn-artigen Abgriff 9, 10 und andererseits zwischen einer der leiterbahn-artigen Abgriffe 9, 10 und der Messtrecke 11 zu bestimmen.
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5 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung.
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Auf ein Substrat 3 kann eine Messtrecke 11 aufgebracht werden, die wiederum von einer Deckschicht 16 bedeckt wird. Die Deckschicht 16 dient dabei als Dielektrikum.
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Auf die Deckschicht 16 kann ein Referenzelement aufgebracht werden, das mehrere randständig kontaktierte Abschnitte 12, 13, 14, 15 aufweist, welche Abschnitte 12, 13, 14, 15 bevorzugt eine unterschiedliche Phasenübergangstemperatur aufweisen.
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Allgemein handelt es sich bei der Messtrecke 11 bevorzugt um einen temperaturabhängigen Widerstand handeln, wie er heutzutage oftmals zur Bestimmung einer Temperatur bspw. eines Messstoffs in einem Behälter eingesetzt wird. Derartige Messtrecken bestehen heutzutage bspw. aus einer Dünnfilmschicht.
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Das Referenzelement 12 kann somit zur in-situ Kalibrierung des temperaturanhängigen Widerstands verwendet werden, d.h. ohne ein entsprechendes Messgerät aus einem Behälter ausbauen zu müssen und dabei ggfs. den Prozess zu unterbrechen, der in dem Behälter abläuft.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Messstrecke
- 3
- Substrat
- 4
- Erster Abgriff
- 6
- Zweiter Abgriff
- 5
- Dritter Abgriff
- 7
- Vierter Abgriff
- 9
- Leiterbahn-artige Kontaktierung
- 12
- Abschnitt mit einer ersten Phasenübergangstemperatur
- 13
- Abschnitt mit einer zweiten Phasenübergangstemperatur
- 14
- Abschnitt mit einer dritten Phasenübergangstemperatur
- 15
- Abschnitt mit einer vierten Phasenübergangstemperatur
- 16
- Deckschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2251969 A [0003]
- DE 2300199 A [0004]
- DE 2424468 A [0005]
- DE 2436911 B [0006]
- DE 102010040039 A1 [0007]
