DE102015113088A1

DE102015113088A1 - Thermoelementvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer solchen

Info

Publication number: DE102015113088A1
Application number: DE102015113088.2A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Neuschäfer
Original assignee: Neuschafer Elektronik GmbH
Current assignee: Neuschafer Elektronik GmbH
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-08-08
Also published as: DE102015113088B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Thermoelementvorrichtung (1), bei dem zunächst eine Folie (10) aus elektrisch leitendem Material mit einer Vorderseite (11) und einer Rückseite (12) bereitgestellt wird, auf deren Vorderseite (11) dann durch galvanotechnisches Auftragen wenigstens ein Streifen (20) aus einem zweiten elektrisch leitenden Material aufgebracht wird. Der oder die Streifen (20) werden dann auf der Vorderseite (11) der Folie (10) mit einer elektrisch nicht-leitenden ersten Schutzfolie (30) abgedeckt, bevor die Folie (10) aus Richtung der Rückseite (12) durch Ätzen derart bearbeitet wird, dass eine Leiterbahn (13) aus der Folie (10) freigestellt wird, die ein erstes elektrisches Anschlussende (14) und ein zweites elektrisches Anschlussende (15) aufweist und entlang derer der oder die Streifen (20) angeordnet sind, wobei die Leiterbahn (13) aus Folie (10) im Bereich des oder der Streifen (20) jeweils unterbrochen ist, und wobei der oder die Streifen (20) jeweils mit zwei endseitigen Kontaktbereichen (21, 22) mit der Leiterbahn (13) in Verbindung bleiben. Die Erfindung betrifft außerdem eine so hergestellte Thermoelementvorrichtung (1) sowie deren Verwendung als Füllstandsensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Thermoelementvorrichtung gemäß Anspruch 1, eine durch das Verfahren hergestellte Thermoelementvorrichtung nach Anspruch 18, und die Verwendung einer Thermoelementvorrichtung nach Anspruch 19.
Ein Thermoelement wandelt durch Thermoelektrizität Wärme in elektrische Energie um. Hierzu werden zwei elektrische Leiter aus unterschiedlichen Materialien elektrisch miteinander verbunden. Zwischen ihren Enden liegt dabei eine elektrische Spannung an, die von der Temperaturdifferenz zwischen den Enden und der Kontaktstelle abhängt. Hintereinandergeschaltete Thermoelemente bilden eine Thermosäule. Im Weiteren wird der Begriff Thermoelementvorrichtung benutzt, der sowohl einzelne Thermoelemente als auch Thermosäulen umfasst.
Thermoelementsäulen werden beispielsweise in Füllstandsensoren eingesetzt, welche der Bestimmung der Füllmenge eines Behälters dienen. Bei Kenntnis der Behälterform kann dies durch die Erfassung der Höhe des Füllstandspiegels erfolgen. Eine vertikal ausgerichtete Thermosäule nutzt ein Temperaturgefälle, das mittels eines Heizleiters erzeugt wird, dazu, eine Thermospannungen zu erzeugen, die davon abhängt, wie viele der Thermoelemente unterhalb des Füllstandspiegels liegen. Die Thermospannung wird gemessen und korreliert mit der Höhe des Füllstandspiegels.
Die Thermoelemente werden aus Strukturen ausgebildet, die aus zwei unterschiedlichen, elektrisch leitenden Werkstoffen bestehen. DE 40 30 401 A1 sieht vor, zunächst die eine Werkstoffkomponente der Thermoelemente durch Aufdampfen oder Aufdrucken eines Materials in Form einer Schar von Stegen auf der Kunststofffolie aufzubringen. Geeignet hierfür seien Halbmetalle, wie Tellur. Dann werden sowohl Anschluss- wie die Messleitungen auf der Vorderseite der Kunststofffolie aufgedruckt, welche jeweils das eine bzw. das andere Ende der einzelnen Stege überdecken. Außer der Kontaktierung wird dadurch gleichzeitig eine Thermospannung generiert, sofern zwischen diesen beiden Stegenden Temperaturunterschiede anfallen.
Aus der Praxis ist es insbesondere auch bekannt, die Thermoelemente durch Sputtern von Chrom-Nickel als ersten Werkstoff und Chrom als zweiten Werkstoff auf eine Kunststofffolie aufzubringen. Problematisch hierbei ist, dass der Auftrag zeit-, kosten- und arbeitsintensiv ist. Entsprechend teuer sind die Füllstandsensoren. Außerdem erweist sich Chrom-Nickel in Kombination mit Chrom als verhältnismäßig spröde. Biegungen der Kunststofffolie und Vibrationen können zu einer Zerstörung der Leiterbahn führen. Des Weiteren haften Kleber schlecht auf der gesputterten Oberfläche und ein Anlöten elektrischer Leiter ist ohne Hilfsmittel kaum möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung einer Thermoelementvorrichtung sowie eine Thermoelementvorrichtung bereitzustellen, die jeweils preiswert sind, wobei die Thermoelementvorrichtung dauerhaft zuverlässige und präzise Thermospannungen erzeugt.
Hauptmerkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 1, 18 und 19 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 17.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Thermoelementvorrichtung, bei dem zunächst ein Bereitstellen einer Folie aus elektrisch leitendem Material mit einer Vorderseite und einer Rückseite erfolgt. Es schließt sich ein galvanotechnisches Auftragen von wenigstens einem Streifen auf der Vorderseite der Folie aus einem zweiten elektrisch leitenden Material an. Es folgt ein Abdecken des oder der Streifen auf der Vorderseite der Folie mit einer elektrisch nicht-leitenden ersten Schutzfolie. Daraufhin wird die Folie aus Richtung der Rückseite durch Ätzen derart bearbeitet, dass eine Leiterbahn aus der Folie freigestellt wird, die ein erstes elektrisches Anschlussende und ein zweites elektrisches Anschlussende aufweist und entlang derer der oder die Streifen angeordnet sind. Dabei wird die Leiterbahn aus Folie im Bereich der Streifen jeweils unterbrochen, insbesondere ebenfalls durch Ätzen, wobei der oder die Streifen jeweils mit zwei endseitigen Kontaktbereichen mit der Leiterbahn in Verbindung bleiben. Auf diese Weise bilden die Streifen jeweils eine elektrisch leitende Brücke aus.
Vorteilhaft an dem Verfahren ist, dass das Ätzen ein sehr schnelles und präzises Verfahren ist, insbesondere wenn man es mit Auftragsverfahren wie der Galvanik, dem Druck und dem Sputtern oder mechanischen Abtragsverfahren wie Fräsen vergleicht. Auch der vorher durchgeführte galvanotechnische Auftrag ist schnell, präzise und kostengünstig. Der galvanische Auftrag lässt sich mikroskopisch im Schliffbild von anderen Auftragsverfahren unterscheiden. So bildet sich insbesondere zwischen dem Kupfer und dem Nickel eine Übergangsschicht aus. Durch das Abdecken mit der ersten Schutzfolie können feine Strukturen beim Ätzen erzeugt werden, ohne dass auf eine Eigenstabilität der Leiterbahn zu achten wäre. Diese wird nämlich insbesondere durch eine Verbindung mit der ersten Schutzfolie stabilisiert. Gewissermaßen übernimmt die erste Schutzfolie während des Ätzens mehr und mehr auch die Funktion einer Trägerfolie. Es entsteht eine präzise arbeitende Thermoelementvorrichtung, welche eine Thermosäule aus einer Vielzahl an Thermoelementen umfassen kann. Diese Anzahl hängt maßgeblich von der Anzahl der aufgebrachten Streifen ab.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist zumindest der Hauptbestandteil des zweiten elektrisch leitenden Materials Nickel. Das zweite elektrisch leitende Material kann also auch Nickel al solches sein. Die Folie behält während des galvanischen Nickelauftrags ihre Flexibilität und auch die Streifen aus Hauptbestandteil Nickel sind elastisch verformbar. Die Thermoelementvorrichtung ist daher robust gegen Verformung, Erschütterungen, Vibrationen und Materialbrüche. Entsprechend zuverlässig ist sie im Betrieb. Sie lässt sich insbesondere auch zur Bestimmung des Füllstands eines Kraftstofftanks einsetzen.
In einer näheren Ausgestaltung der Thermoelementvorrichtung ist zumindest der Hauptbestandteil des ersten elektrisch leitenden Materials Kupfer. Das erste elektrisch leitende Material kann also auch Kupfer als solches sein. Kupfer ist ein guter elektrischer Leiter und in großer Vielfalt als Folie verfügbar. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Kontaktierbarkeit der aus Kupfer bestehenden elektrischen Anschlussenden.
Um eine Thermosäule herzustellen, bietet es sich an die Leiterbahn mäanderförmig auszubilden. Hierdurch können die Streifen beispielsweise zumindest reihenweise parallel zueinander ausgerichtet auf die Folie aufgebracht werden. Die Streifen können beispielhaft in zwei benachbarten Reihen angeordnet werden, wobei die Streifen in der ersten Reihe versetzt zu den Streifen in der zweiten Reihe positioniert sind.
Die Streifen sollten insbesondere derart angeordnet und die Leiterbahn derart ausgebildet werden, dass die Streifen entlang der Leiterbahn jeweils mit dem Kontaktbereich, der auf Seiten des ersten elektrischen Anschlussendes liegt, in einem ersten Temperaturbereich einer Heizvorrichtung angeordnet sein, und mit dem Kontaktbereich, der auf Seiten des zweiten elektrischen Anschlussendes liegt, in einem zweiten Temperaturbereich der Heizvorrichtung angeordnet sein. Mit einer solchen Heizvorrichtung kann die Thermoelementvorrichtung insbesondere als Füllstandsensor eingesetzt werden.
In einer Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Schutzfolie auf die Vorderseite der Folie und über den oder die Streifen aufgeklebt wird, insbesondere vollflächig. Damit kann die erste Schutzfolie die Leiterbahn und die Streifen festlegen und sicher tragen. Außerdem werden Lufteinschlüsse vermieden, welche Oxidation und damit eine Änderung der Thermospannung bewirken können. Es eignen sich insbesondere Verfahren, bei welchen die erste Schutzfolie mit einem Klebesystem auf Basis von Acryl, Epoxidharz oder Teflon aufgeklebt wird.
Eine bevorzugte Verfahrensausgestaltung sieht vor, dass das Ätzen ein isotropisches Ätzen ist. Anhand des Ätzgrats lässt sich ein isotropisches Ätzen, insbesondere mit flüssigem Ätzmittel, feststellen, vor allem bei mikroskopischer Vergrößerung. Umgekehrt lässt sich die Anwendung anderer Verfahren bestimmen. Bei einem Lasern ist Schmelze nachweisbar, bei einem Mikrosandstrahlen sind feine Einschläge sichtbar, bei mechanischer Herstellung sind Fräskanten und Schneidspuren erkennbar, bei isotropem Sputterätzen ist kein Ätzgrat sichtbar und bei anisotropischem Ätzen ist eine gerade Kante erkennbar.
Insbesondere eignet sich ein Vorgehen, bei dem das Ätzen mit einem flüssigen Ätzmittel erfolgt.
Ferner sind Verfahrensausführungen besonders geeignet, nach denen das Ätzen mit einem chemischen Ätzmittel erfolgt.
In einer speziellen Verfahrensvariante erfolgt das Ätzen mit einem alkalischen Ätzmittel, insbesondere mit einem Ätzmittel, das einen Hauptbestandteil aus der Gruppe Ammoniumchlorid (NH4Cl) oder Ammoniumsulfat ((NH4)2SO4) aufweist. Durch Auswahl eines solchen Ätzmittels kann der Materialabtrag auf bestimmte Materialien beschränkt werden, zum Beispiel auf Kupfer. Nickel und Polyimide sind gegen dies Ätzmittel beispielsweise beständig.
Bei einer Variante des Verfahrens sind die erste Schutzfolie und das zweite elektrisch leitende Material resistent gegenüber dem Ätzmittel. Damit wird der Materialabtrag auf die Folie bzw. das erste elektrisch leitende Material beschränkt. Des Weiteren sollte die erste Schutzfolie resistent gegenüber dem Umgebungsmedium sein, in dem die Thermoelementvorrichtung später eingesetzt wird, bspw. Benzin, Diesel, Kerosin oder anderen Flüssigkeiten. Damit ist keine weitere Umhüllung notwendig, was preiswert ist und beispielsweise eine hohe Änderungsdynamik bei der Bestimmung von Füllstandspegeln erlaubt. Vorzugsweise besteht die erste Schutzfolie aus einem Polyimid (PI).
Gemäß einer näheren Verfahrenskonfiguration erfolgt das Ätzen unter Einsatz einer lithographischen Maske. Mit der lithographischen Maske wird präzise bestimmt welche Bereiche weggeätzt werden und welche nicht. Insbesondere wird ein beleuchteter Bereich weggeätzt, indem das Ätzmittel aktiviert wird.
Vorzugsweise wird bei dem Ätzen die Folie mit Ausnahme der Leiterbahn weggeätzt. Die erste Schutzfolie lässt sich so großflächig mit einer zweiten verbinden, um die Leiterbahn zu isolieren und vor Korrosion zu schützen.
Weiterhin sieht eine nähere Verfahrensausgestaltung vor, dass das galvanotechnische Auftragen unter Einsatz einer lithographischen Maske erfolgt. Hierdurch kann insbesondere an unbelichteten Stellen ein präziser galvanischer Auftrag des zweiten elektrisch leitenden Materials erfolgen.
Zum Schutz der Rückseite bietet es sich hilfsweise an, die Rückseite der Folie während des galvanischen Auftrags mit einem ersten Laminat abzudecken. Das erste Laminat wird anschließend entfernt.
Optional ist es auch möglich, die Vorderseite der Folie während des galvanischen Auftrags mit einem zweiten Laminat mit Maskenausnehmungen für den oder die Streifen abzudecken. Das zweite elektrisch leitende Material galvanisiert dann ausschließlich im Bereich dieser Maskenausnehmungen. Das zweite Laminat wird anschließend entfernt.
Um das Thermoelementvorrichtung in elektrisch leitenden und aggressiven Umgebungsmedien einsetzten zu können, kann das Verfahren dadurch ergänzt sein, dass nach dem Ätzen eine zweite Schutzfolie aus Richtung der Rückseite auf die Folie und die erste Schutzfolie aufgebracht wird. Bevorzugt wird die zweite Schutzfolie aufgeklebt, insbesondere vollflächig. Vorzugsweise wird ein Klebesystem auf Basis von Acryl, Epoxidharz oder Teflon eingesetzt. Geeignet ist vor allem eine zweite Schutzfolie, die aus einem Polyimid (PI) besteht.
Ein optionaler Verfahrensschritt sieht vor, dass eine Heizvorrichtung so angeordnet wird, dass der oder die Streifen entlang der Leiterbahn jeweils mit dem Kontaktbereich, der auf Seiten des ersten elektrischen Anschlussendes liegt, in einem ersten Temperaturbereich der Heizvorrichtung angeordnet sind, und mit dem Kontaktbereich, der auf Seiten des zweiten elektrischen Anschlussendes liegt, in einem zweiten Temperaturbereich der Heizvorrichtung angeordnet sind. Durch eine mit der Heizvorrichtung herbeigeführte Temperaturdifferenz über den einzelnen Thermoelementen, ist es so möglich eine kumulierte Thermospannung zu erzeugen. Dabei korreliert die kumulierte Thermospannung mit der Anzahl an Thermoelementen, die in einer bestimmten Umgebung, bspw. in der Luft oder in einer Flüssigkeit, angeordnet sind.
Zumindest einer der beiden Temperaturbereiche sollte mit definiertem Temperaturniveau beheizt sein. Der zweite Temperaturbereich kann die Umgebungstemperatur sein. Damit wird stets ein definiertes Temperaturgefälle in der gleichen Leitungsrichtung der Leiterbahn über den Streifen bereitgestellt. Entsprechend ist die erzeugte Thermospannung im Bereich eines jeden Streifens oberhalb eines Füllstandspiegels gleich groß. Hierzu sollten natürlich die Leiterquerschnitte der Streifen und der Leiterbahn jeweils einheitlich ausgebildet sein.
In einer speziellen Ausführung wird die Heizvorrichtung mit einem ersten Heizleiter mit erstem elektrischen Widerstand so angebracht, dass der erste Heizleiter jeweils auf der Seite des oder der Streifen angeordnet ist, die entlang der Leiterbahn jeweils in die gleiche Richtung weisen. Damit wird mit einem Heizleiter die gleiche Seite der Streifen erwärmt und das Temperaturgefälle erzeugt. In einer speziellen Variante weist die Heizvorrichtung einen ersten Heizleiter mit erstem elektrischen Widerstand auf, der auf der Seite der Streifen angeordnet ist, die entlang der Leiterbahn in Richtung des ersten elektrischen Anschlussendes weisen, und einen zweiten Heizleiter mit zweitem elektrischen Widerstand auf, der auf der Seite der Streifen angeordnet ist, die entlang der Leiterbahn in Richtung des zweiten elektrischen Anschlussendes weisen, wobei der erste elektrische Widerstand vom zweiten elektrischen Widerstand abweicht. Damit wird ein homogenes Temperaturgefälle über den einzelnen Streifen mit einer einfach ausgestalteten Heizvorrichtung erzielt. Hierbei ist es zu bevorzugen, wenn der erste Heizleiter elektrisch mit dem zweiten Heizleiter verbunden ist, wobei der erste Heizleiter einen ersten elektrischen Heizungsanschluss und der zweite Heizleiter einen zweiten elektrischen Heizungsanschluss ausbildet. Es muss dann nur eine Spannung angelegt werden, um die beiden Temperaturbereiche auszubilden. Einer der ersten und zweiten Heizleiter kann dabei einen so geringen Widerstand aufweisen, dass er nicht erwärmt. Stattdessen kann dieser Heizleiter als Kühlelement dienen, dass Wärme schnell von den Streifen ableitet.
Es bietet sich an, den ersten elektrischen Heizleiter auf der zweiten Schutzfolie aufzubringen, insbesondere bevor diese mit der ersten Schutzfolie verbunden wird. Der Heizleiter kann auf der Innenseite der zweiten Schutzfolie liegen. Dann sollte ein Klebstoff eine elektrische Isolationsschicht ausbilden. Weiterhin erzeugt die Heizvorrichtung bevorzugt ein einheitliches Temperaturgefälle über jedem der Streifen, insbesondere auch ein gleichgerichtetes Temperaturgefälle entlang der Leiterbahn.
Die Heizleiter können hierbei aus Kupfer bestehen. Herstellbar sind die Heizleiter äquivalent zu der Leiterbahn durch freistellendes Ätzen einer Kupferfolie/-schicht, die zuvor auf die zweite Schutzfolie aufgebracht wurde. Wichtig ist, dass die Heizleiter nicht elektrisch mit der Leiterbahn und den Streifen in Kontakt stehen dürfen, entweder durch Abstand oder eine Trennschicht/-folie.
Ergänzend kann das Verfahren eine chemische Behandlung des ersten und zweiten Anschlussendes umfassen, insbesondere durch Beschichten, vorzugsweise mit Zinn oder Gold. Hierdurch sind Anschlussmittel wie Kabel oder Klemmen gut an den Anschlussenden befestigbar und es wird eine dauerhaft hochwertige elektrische Verbindung erzielt. Unabhängig davon bestehen die Optionen, dass die Anschlussenden durch Kaltschweißen, Crimpen oder per Stecker mit einem Kabel verbunden werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Thermoelementvorrichtung die durch ein vorstehend beschriebenes Verfahren hergestellt ist. Die Vorteile des Verfahrens wohnen auch der Thermoelementvorrichtung als solches inne. Insbesondere ist diese kostengünstig fertigbar und liefert präzise und zuverlässige Thermospannungen.
Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung der vorstehend beschriebenen Thermoelementvorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandspiegels einer Flüssigkeit in einem Behälter. Die Verwendung hat den Vorteil, dass ein sehr kleiner, leichter und kostengünstiger Sensor eine präzise Füllstandsmessung erlaubt. Weil das Temperaturgefälle nur im trockenliegenden Bereich zu einer Thermospannung führt, im nassen Bereich unterhalb des Füllstandspiegels wird die Wärmenergie nämlich unmittelbar von der Flüssigkeit abgeführt, sodass kein Temperaturgefälle vorliegt, lässt sich aus der anliegenden Thermospannung auf die Anzahl der trockenliegenden Thermoelemente bzw. Streifen schließen. Diese Anzahl wiederum korreliert mit dem Füllstand.
Um eine korrekte Füllstandsanzeige unabhängig von der Umgebungstemperatur der Thermoelementvorrichtung zu erhalten, ist es möglich die optionale Heizvorrichtung zu deaktivieren und den elektrischen bzw. ohmschen Widerstand der Heizvorrichtung und/oder der Leiterbahn zu bestimmen. Dieser Widerstand korreliert mit der vorliegenden Umgebungstemperatur. Aufgrund der geringen Masse der Thermoelementvorrichtung entspricht deren Temperatur sehr schnell der Umgebungstemperatur, sodass in kurzen Zeitabständen zwischen Umgebungstemperaturbestimmung (Heizvorrichtung aus) und Füllstandsmessungen (Heizvorrichtung ein) abgewechselt werden kann.
Die Thermoelementvorrichtung ist jedoch nicht auf die Benutzung zur Bestimmung eines Füllstandes beschränkt, sondern umfasst auch weitere bzw. zweckentfremdete Nutzungen.
Gemäß einer näheren Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Thermoelementvorrichtung werden die Streifen zumindest reihenweise parallel zueinander ausgerichtet auf die Folie aufgebracht. Damit lässt sich eine kompakte Anordnung einer möglichst großen Anzahl an Thermoelementen erzielen.
Bei einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Thermoelementvorrichtung werden die Streifen in zwei benachbarten Reihen angeordnet, wobei die Streifen in der ersten Reihe versetzt, insbesondere mittig versetzt, zu den Streifen in der zweiten Reihe positioniert sind. Hierdurch lässt sich eine besonders hohe Anzahl an Streifen pro Eintauchtiefe bereitstellen. Entsprechend genau ist eine ermittelte Füllstandsangabe. Durch optionale weitere Reihen kann eine weitere Erhöhung der Anzahl an Streifen erreicht werden. Mehr als acht Reihen sind jedoch meist nicht notwendig. Des Weiteren ermöglicht die Anordnung in Reihen eine einfache und kostengünstige Ausgestaltung einer Heizvorrichtung zur Erzeugung eines Temperaturgefälles.
Vorzugsweise wird die Thermoelementvorrichtung streifenförmig ausgebildet. Vorzugsweise werden dabei die Anschlüsse der Heizleiter und die der Leiterbahn alle an einem schmalen Ende der Thermoelementvorrichtung angeordnet. Hierdurch wird ein einfacher Verbau erreicht, bei dem alle Anschlusskabel gebündelt von der Thermoelementvorrichtung weggeführt werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Thermoelementvorrichtung;
2 eine schematische Ansicht der Thermoelementvorrichtung nach 1 in einem Behälter und elektrisch verschaltet;
3 eine schematische Darstellung eines Längsschnittes durch eine Thermoelementvorrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch eine Thermoelementvorrichtung;
5a bis 5e eine schematische Ansicht der Verfahrensschritte zur Herstellung einer Thermoelementvorrichtung; und
6 eine schematische Ansicht einer Thermoelementvorrichtung mit acht Reihen an Streifen.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Thermoelementvorrichtung 1. Diese weist eine Folie 10 auf, deren Vorderseite (11) und Rückseite (12) gemäß der Darstellungsperspektive in der Blattebene liegen. Die Folie 10 besteht aus einem ersten elektrisch leitenden Material, insbesondere Kupfer. Wie man besser in den 3 und 4 erkennt, die jeweils einen Schnitt entlang den Schnittebenen A-A bzw. B-B gemäß 1 enthalten, sind auf der Vorderseite 11 Streifen 20 auf der Folie 10 aufgebracht. Die Streifen bestehen aus einem zweiten elektrisch leitenden Material, insbesondere Nickel. Die Streifen 20 sind durch galvanischen Auftrag auf die Folie 10 aufgebracht. Man erkennt, dass die Streifen 20 alle parallel zueinander ausgerichtet sind, und zwar in zwei benachbarten Reihen R1, R2, wobei die Streifen 20 in der ersten Reihe R1 mittig versetzt zu den Streifen 20 in der zweiten Reihe R2 positioniert sind. Außerdem liegen die zweiten Kontaktbereiche 22 entlang einer virtuellen Achse M und die ersten Kontaktbereiche 21 sind beabstandet zur virtuellen Achse M angeordnet.
Wie man insbesondere in den 3 und 4 sieht, sind die Streifen 20 aus Richtung der Vorderseite 11 der Folie 10 mit einer ersten Schutzfolie 30 abgedeckt, welche möglichst vollflächig mit der Folie 10 und mit den Streifen 30 verklebt ist. In der Realität sind die Schichtdicken der Folie 10 und der Streifen 20 so dünn, dass es de facto zu einer vollflächigen Verklebung ohne Lufteinschlüsse kommt.
Des Weiteren ist die Folie 10 aus Richtung der Rückseite 12 durch Ätzen so bearbeitet, dass eine Leiterbahn 13 aus der Folie 10 freigestellt ist, die ein erstes elektrisches Anschlussende 14 und ein zweites elektrisches Anschlussende 15 aufweist und entlang von der die Streifen 20 angeordnet sind. Dabei ist die Leiterbahn 13 aus Folie 10 im Bereich der Streifen 20 jeweils unterbrochen. Die Streifen 20 haben jeweils zwei endseitige Kontaktbereiche 21, 22, die mit der Leiterbahn 13 in Verbindung stehen. Hierdurch bilden die Streifen 20 jeweils eine elektrisch leitende Brücke aus. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Folie 10 mit Ausnahme der Leiterbahn 13 weggeätzt.
Ferner ist im Bereich der Leiterbahn 13 eine Heizvorrichtung 40 zur Erzeugung eines Temperaturgefälles angeordnet. Dabei sind die Streifen 20 entlang der Leiterbahn 13 jeweils mit dem Kontaktbereich 21, der auf Seiten des ersten elektrischen Anschlussendes 14 liegt, in einem ersten Temperaturbereich der Heizvorrichtung 40 angeordnet, und mit dem Kontaktbereich 22, der auf Seiten des zweiten elektrischen Anschlussendes 15 liegt, in einem zweiten Temperaturbereich der Heizvorrichtung 40 angeordnet. Hierzu verfügt die Heizvorrichtung 40 über einen ersten Heizleiter 41 mit erstem elektrischem Widerstand, der auf der Seite der Streifen 20 angeordnet ist, die entlang der Leiterbahn 13 in Richtung des ersten elektrischen Anschlussendes 14 weisen. Außerdem verfügt die Heizvorrichtung 40 über einen zweiten Heizleiter 42 mit zweitem elektrischem Widerstand, der auf der Seite der Streifen 20 angeordnet ist, die entlang der Leiterbahn 13 in Richtung des zweiten elektrischen Anschlussendes 14 zeigen. Durch unterschiedliche Leiterquerschnitte der Heizleiter 41, 42 weicht der erste elektrische Widerstand vom zweiten elektrischen Widerstand ab. Die zweite Heizleiterbahn 42 kann mit derart geringem elektrischen Widerstand ausgebildet sein, dass sie durch den Stromfluss nicht erwärmt. Sie dient dann als Kühlelement, welches die Wärme schnell von den Streifen 20 wegleitet.
Man erkennt, dass der erste Heizleiter 41 entlang der virtuellen Achse M verläuft und der zweite Heizleiter 42 U-förmig sowie spiegelsymmetrisch zur virtuellen Achse M verläuft. Auf der virtuellen Achse M sind der erste Heizleiter 41 und der zweite Heizleiter 42 elektrisch miteinander verbunden. Der erste Heizleiter 41 bildet einen zweigeteilten ersten elektrischen Heizungsanschluss 43, der bei einer elektronischen Verschaltung zu einem gemeinsamen Anschluss zusammengefast werden kann. Der zweite Heizleiter 42 bildet einen zweiten elektrischen Heizungsanschluss 44 aus. Wie insbesondere den 3 und 4 entnommen werden kann, sind der erste und zweite elektrische Heizleiter 41, 42 auf einer zweiten Schutzfolie 45 aufgebracht und mit einer Kleberschicht 46 abgedeckt.
2 zeigt die zuvor beschriebene Thermoelementvorrichtung 1 eingetaucht in eine Flüssigkeit 61, welche in einem Behälter 60 steht. Man sieht wie fünf der Streifen 20 unterhalb des Füllstandspiegels 62 liegen. Aus der Thermospannung, welche die fünf Streifen 20 oberhalb des Füllstandspiegels 62 erzeugen, lässt sich auf die Höhe des Füllstandspiegels 62 schließen.
Um die Messungen durchführen zu können, ist die Thermoelementvorrichtung 1 elektrisch verschaltet. Die beiden ersten elektrischen Heizungsanschlüsse 43 sind mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle 50 verbunden. Der zweite Heizungsanschluss 44 ist mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle 50 verbunden. Deaktiviert man die Spannung der Spannungsquelle 50 lässt sich mittels eines Widerstandsmessgerätes 51 der elektrische Widerstand des Heizleiters bestimmen. Dieser korreliert mit der Umgebungstemperatur. Durch Kenntnis der Umgebungstemperatur kann das Messergebnis präzise ausgewertet werden, welches mit Hilfe eines Spannungsmessgerätes 52 zwischen dem ersten und zweiten elektrischen Anschlussende 14, 15 abgegriffen wird. Die Auswertung erfolgt mithilfe einer Auswertungseinrichtung 63, welche als Eingangsgrößen den mit dem Widerstandsmessgerät 51 bestimmten Widerstand und die mit dem Spannungsmessgerät 52 bestimmte Thermospannung erhält. Mit der Auswertungseinrichtung 63 wird regelmäßig zwischen Widerstandsmessung ohne Heizbetrieb und Thermospannungsmessung abgewechselt.
Den 5a bis 5c kann chronologisch entnommen werden, wie sich die Verfahrensschritte zur Herstellung einer Thermoelementvorrichtung 1 aneinanderschließen. Gemäß 5a wird zunächst eine Folie 10 aus Kupfer mit einer Vorderseite 11 und einer Rückseite 12 bereitgestellt.
Anschließend werden gemäß 5b Streifen 20 aus Nickel durch galvanotechnisches Auftragen auf der Vorderseite 11 der Folie 10 aufgebracht. Während des galvanischen Auftrags wird die Rückseite 12 der Folie 10 mit einem ersten Laminat abgedeckt. Der galvanotechnische Auftrag erfolgt optional unter Einsatz einer lithographischen Maske oder indem die Vorderseite 11 der Folie 10 während des galvanischen Auftrags mit einem zweiten Laminat mit Maskenausnehmungen für die Streifen 20 abgedeckt wird.
Danach wird gemäß 5c eine elektrisch nicht-leitende erste Schutzfolie 30 aus Richtung der Vorderseite 11 auf die Streifen 20 und die Folie 10 aufgeklebt. Verwendet wird hierzu ein Klebesystem auf Basis von Acryl, Epoxidharz oder Teflon. Damit sind die Streifen 20 durch die erste Schutzfolie 30 abgedeckt.
Es schließt sich gemäß 5d eine ätzende Bearbeitung der Folie 10 aus Richtung der Rückseite 12 an. Hierbei wird eine Leiterbahn 13 aus Folie 10 freigestellt und der Rest der Folie 10 entfernt. Wie man sieht, ist die mäanderförmige Leiterbahn 13 aus Folie 10 im Bereich der Streifen 20 unterbrochen. Der Streifen 20 behält jedoch zwei endseitige Kontaktbereiche 21, 22 zur Leiterbahn 13. Hierdurch bildet der zu sehende Streifen 20 eine elektrisch leitende Brücke aus.
Das Ätzen erfolgt isotropisch mit einem flüssigen chemischen Ätzmittel. Insbesondere wird ein alkalisches Ätzmittel eingesetzt, insbesondere ein Ätzmittel, das einen Hauptbestandteil aus der Gruppe Ammoniumchlorid (NH4Cl) oder Ammoniumsulfat ((NH4)2SO4) aufweist. Hiermit wird die Folie 10 bereichsweise weggeätzt und die erste Schutzfolie 30 und das zweite elektrisch leitende Material Nickel sind resistent gegenüber dem Ätzmittel. Hierzu besteht die erste Schutzfolie 30 aus einem Polyimid (PI). Zur Festlegung des wegzuätzenden Bereichs wird eine lithographische Maske eingesetzt.
Schließlich wird gemäß 5e eine Heizvorrichtung 40 zur Erzeugung eines Temperaturgefälles im Bereich der Leiterbahn 13 aus Richtung der Rückseite 12 auf die Folie 10 und die erste Schutzfolie 30 aufgeklebt. Die Heizvorrichtung 40 setzt sich zusammen aus einer zweiten Schutzfolie 45 und ersten und zweiten Heizleiter 41, 42, die auf der zweiten Schutzfolie 45 aufgebracht sind. Die zweite Schutzfolie 45 besteht aus einem Polyimid (PI). Die Seite der zweiten Schutzfolie 45, auf welcher die ersten und zweiten Heizleiter 41, 42 angeordnet sind, weist in Richtung der Folie 10. Eine Kleberschicht 46 fixiert die Heizvorrichtung 40 auf der ersten Schutzfolie 30, der Folie 10 und den Streifen 20. Es wird ein Klebesystem auf Basis von Acryl, Epoxidharz oder Teflon eingesetzt. Die Kleberschicht 46 bildet hierbei einen elektrischen Isolator aus. Damit ist die thermische Isolation zwischen den Streifen 20 und den Heizleitern 41, 42 möglichst gering. Man erkennt wie der erste Heizleiter 41 in der Nähe des ersten Kontaktbereichs 21 und der zweite Heizleiter 42 in der Nähe des zweiten Kontaktbereichs 22 angeordnet ist.
Nicht näher erkennbar ist, dass das erste und zweite Anschlussende 14, 15 chemisch behandelt werden, insbesondere durch Beschichten mit Zinn oder Gold.
6 zeigt eine schematische Ansicht einer Thermoelementvorrichtung 1 mit acht Reihen R1, R2 an Streifen 20. Im Folgenden werden die wesentlichen Unterschiede zur Thermoelementvorrichtung nach 1 beschrieben. Die Ausführungen zu 1 gelten im Weiteren auch für 6.
Die auf der Vorderseite 11 auf der Folie 10 aufgebrachten Streifen 20 sind gemäß 6 in acht nebeneinander angeordneten Reihen R1, R2 angeordnet. In jeder Reihe R1, R2 sind die Streifen 20 parallel zueinander. Außerdem sind alle Streifen 20 entlang einer mäanderförmigen, insbesondere zickzack-förmigen, Leiterbahn 13 mit einem ersten und einem zweiten Anschlussende 14, 15 angeordnet.
Ferner ist im Bereich der Leiterbahn 13 eine Heizvorrichtung 40 zur Erzeugung eines Temperaturgefälles vorgesehen. Die Streifen 20 haben jeweils zwei endseitige Kontaktbereiche 21, 22, die mit der Leiterbahn 13 in Verbindung stehen. Dabei sind die Streifen 20 entlang der Leiterbahn 13 jeweils mit dem Kontaktbereich 21, der auf Seiten des ersten elektrischen Anschlussendes 14 liegt, in einem ersten Temperaturbereich der Heizvorrichtung 40 angeordnet, und mit dem Kontaktbereich 22, der auf Seiten des zweiten elektrischen Anschlussendes 15 liegt, in einem zweiten Temperaturbereich der Heizvorrichtung 40 angeordnet.
Hierzu verfügt die Heizvorrichtung 40 über einen ersten Heizleiter 41 mit erstem elektrischem Widerstand, der bei jedem Streifen 20 auf der Seite angeordnet ist, die entlang der Leiterbahn 13 in Richtung des zweiten elektrischen Anschlussendes 15 weist. Die andere Seite der Streifen 20, die entlang der Leiterbahn 13 in Richtung des ersten elektrischen Anschlussendes 14 weist, hat jeweils den gleichen Abstand zu dem Heizleiter 41. Es ergibt sich so über jedem Streifen 20 mit gleichen Umgebungsparametern ein einheitliches Temperaturgefälle.
Die erzeugte Thermospannung der einzelnen Materialübergänge zwischen den Streifen 20 und der Leiterbahn 13 hängt vorliegend insbesondere von der Umgebungstemperatur und der Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Mediums ab. Es wird bei dieser Ausführung also auf einen zweiten Heizleiter zur Erzeugung eines zweiten Temperaturbereichs verzichtet.
Man erkennt, dass der erste Heizleiter 41 entlang der Mitte zwischen zwei Reihen R1, R2 der Streifen 20 verläuft.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Thermoelementvorrichtung
10: Folie
11: Vorderseite
12: Rückseite
13: Leiterbahn
14: erstes elektrisches Anschlussende
15: zweites elektrisches Anschlussende
20: Streifen
21: erster endseitiger Kontaktbereich
22: zweiter endseitiger Kontaktbereich
30: erste Schutzfolie
40: Heizvorrichtung
41: erster Heizleiter
42: zweiter Heizleiter
43: erster elektrischer Heizungsanschluss
44: zweiter elektrischer Heizungsanschluss
45: zweite Schutzfolie
46: Kleberschicht
50: Spannungsquelle
51: Widerstandsmessgerät
52: Spannungsmessgerät
60: Behälter
61: Flüssigkeit
62: Füllstandspiegel
63: Auswertungseinrichtung
M: virtuelle Achse
R1: erste Reihe
R2: zweite Reihe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4030401 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Thermoelementvorrichtung (1) umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Folie (10) aus elektrisch leitendem Material mit einer Vorderseite (11) und einer Rückseite (12); b) galvanotechnisches Auftragen von wenigstens einem Streifen (20) auf der Vorderseite (11) der Folie (10) aus einem zweiten elektrisch leitenden Material; c) Abdecken des oder der Streifen (20) auf der Vorderseite (11) der Folie (10) mit einer elektrisch nicht-leitenden ersten Schutzfolie (30); d) Bearbeiten der Folie (10) aus Richtung der Rückseite (12) durch Ätzen derart, i. dass eine Leiterbahn (13) aus der Folie (10) freigestellt wird, die ein erstes elektrisches Anschlussende (14) und ein zweites elektrisches Anschlussende (15) aufweist und entlang derer der oder die Streifen (20) angeordnet sind, ii. wobei die Leiterbahn (13) aus Folie (10) im Bereich des oder der Streifen (20) jeweils unterbrochen ist, und iii. wobei der oder die Streifen (20) jeweils mit zwei endseitigen Kontaktbereichen (21, 22) mit der Leiterbahn (13) in Verbindung bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Hauptbestandteil des zweiten elektrisch leitenden Materials Nickel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Hauptbestandteil des ersten elektrisch leitenden Materials Kupfer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schutzfolie (30) auf die Vorderseite (11) der Folie (10) und über den oder die Streifen (20) aufgeklebt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen ein isotropisches Ätzen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen mit einem flüssigen Ätzmittel erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen mit einem chemischen Ätzmittel erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen mit einem alkalischen Ätzmittel erfolgt, insbesondere mit einem Ätzmittel, das einen Hauptbestandteil aus der Gruppe Ammoniumchlorid (NH₄Cl) oder Ammoniumsulfat ((NH₄)2SO₄) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schutzfolie (30) und das zweite elektrisch leitende Material resistent gegenüber dem Ätzmittel sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen unter Einsatz einer lithographischen Maske erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ätzen die Folie (10) mit Ausnahme der Leiterbahn (13) weggeätzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanotechnische Auftragen unter Einsatz einer lithographischen Maske erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (12) der Folie (10) während des galvanischen Auftrags mit einem ersten Laminat abgedeckt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite (11) der Folie (10) während des galvanischen Auftrags mit einem zweiten Laminat mit Maskenausnehmungen für den oder die Streifen (20) abgedeckt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ätzen eine zweite Schutzfolie (45) aus Richtung der Rückseite (12) auf die Folie (10) und die erste Schutzfolie (30) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizvorrichtung (40) so angeordnet wird, dass der oder die Streifen (20) entlang der Leiterbahn (13) jeweils mit dem Kontaktbereich (21), der auf Seiten des ersten elektrischen Anschlussendes (14) liegt, in einem ersten Temperaturbereich der Heizvorrichtung (40) angeordnet sind, und mit dem Kontaktbereich (22), der auf Seiten des zweiten elektrischen Anschlussendes (15) liegt, in einem zweiten Temperaturbereich der Heizvorrichtung (40) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Anschlussende (14, 15) chemisch behandelt werden, insbesondere durch Beschichten, vorzugsweise mit Zinn oder Gold.
Thermoelementvorrichtung (1) hergestellt durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung einer Thermoelementvorrichtung (1) nach Anspruch 18 zur Bestimmung eines Füllstandspiegels (62) einer Flüssigkeit (61) in einem Behälter (60).