DE102016116101A1 - Sensor element and thermal flow sensor for measuring a physical size of a measuring medium - Google Patents

Sensor element and thermal flow sensor for measuring a physical size of a measuring medium Download PDF

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Patrik Grob
Christoph Hepp
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Abstract

Die Erfindung umfasst ein Sensorelement (1) zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums (2), wobei das Sensorelement (1) derart ausgestaltet und auf einem Trägerelement (3), welches aus einem einzelnen Material oder aus einer Materialkombination besteht und mit dem Messmedium (2) in Kontakt steht, aufgebracht ist, dass das Sensorelement (1) in Richtung des Messmediums (2) eine Biot-Zahl < 0.1 aufweist. Des Weiteren umfasst die Erfindung einen thermischen Strömungssensor, welcher zumindest ein erfindungsgemäßes Sensorelement (1) aufweist.The invention comprises a sensor element (1) for measuring a physical size of a measuring medium (2), wherein the sensor element (1) is designed and mounted on a carrier element (3), which consists of a single material or a combination of materials and with the measuring medium ( 2) is in contact, is applied, that the sensor element (1) in the direction of the measuring medium (2) has a Biot number <0.1. Furthermore, the invention comprises a thermal flow sensor which has at least one sensor element (1) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums. Des Weiteren umfasst die Erfindung einen thermischen Strömungssensor.The invention relates to a sensor element for measuring a physical size of a measuring medium. Furthermore, the invention comprises a thermal flow sensor.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensorelemente zur Bestimmung der Temperatur eines Messmediums bekannt. Diese werden bspw. in Dünnschichttechnik gefertigt und weisen auf einem Substrat eine funktionale Schicht, bspw. aus Platin, auf. Mittels dieser funktionalen Schicht lässt sich die Temperatur eines Mediums, mit dem die funktionale Schicht in thermischer Wechselwirkung steht, bestimmen. Das Messmedium ist hierbei ein insbesondere gasförmiges oder flüssiges Fluid.Numerous sensor elements for determining the temperature of a measuring medium are known from the prior art. These are manufactured, for example, in thin-film technology and have a functional layer, for example of platinum, on a substrate. This functional layer can be used to determine the temperature of a medium with which the functional layer is in thermal interaction. The measuring medium is in this case a particular gaseous or liquid fluid.

Thermische Strömungssensoren bestehen typischerweise aus mehreren dieser Sensorelemente, üblicherweise aus einem niederohmigen Heizelement und einem hochohmigen Widerstandselement, welches als Temperatursensor dient. Alternativ sind thermische Strömungssensoren mit mehreren niederohmigen Heizelementen als Heizer und Temperatursensor aufgebaut.Thermal flow sensors typically consist of a plurality of these sensor elements, usually of a low-resistance heating element and a high-resistance element, which serves as a temperature sensor. Alternatively, thermal flow sensors are constructed with a plurality of low-resistance heating elements as a heater and temperature sensor.

Werden Heizer und Temperatursensor auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht, so ist die thermische Entkopplung zwischen Heizelement und Temperatursensor nicht ideal, so dass unter Umständen das Heizelement den Temperatursensor beeinflusst.If the heater and the temperature sensor are applied to a common substrate, the thermal decoupling between the heating element and the temperature sensor is not ideal, so that under certain circumstances the heating element influences the temperature sensor.

Alternativ hierzu können thermische Strömungssensoren aus zwei getrennten Sensorelementen, die nicht gemeinsam auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht sind, realisiert werden. Typischerweise werden die einzelnen Sensorelemente substratseitig auf Trägerelemente aufgelötet, welche mit dem Messmedium in Kontakt sind. Sie bestehen insbesondere aus Edelstahl oder aus anderen metallischen Materialien. Das Messen der Temperatur des Messmediums oder das Heizen des Messmediums erfolgt dann durch das Trägerelement hindurch.Alternatively, thermal flow sensors can be realized from two separate sensor elements which are not jointly applied to a common substrate. Typically, the individual sensor elements are soldered on the substrate side to carrier elements which are in contact with the measuring medium. They consist in particular of stainless steel or other metallic materials. The measuring of the temperature of the measuring medium or the heating of the measuring medium then takes place through the carrier element.

Von großem Nachteil ist hierbei, dass die Heizwärme – oder die Temperatur des Messmediums – durch das Substrat des jeweiligen Sensorelements zum Trägerelement, bzw. vice versa, geführt werden muss. Die Ansprechzeit eines Temperatursensors ist hierdurch verzögert, bzw. die Zeit ist erhöht, in welcher die Wärme des Heizelements das Messmedium erreicht. Entsprechend weist das Gesamtsystem eine hohe Biot-Zahl auf.Of great disadvantage here is that the heating heat - or the temperature of the medium to be measured - must be guided through the substrate of the respective sensor element to the support element, or vice versa. The response time of a temperature sensor is thereby delayed, or the time is increased, in which the heat of the heating element reaches the measuring medium. Accordingly, the overall system has a high Biot number.

Die Biot-Zahl ist eine dimensionslose Kennzahl der Thermodynamik und der Strömungsmechanik. Sie wird für die Berechnung von Erwärmungs- und Abkühlungsvorgängen verwendet und gibt beim Wärmetransport durch die Oberfläche eines Körpers das Verhältnis des Wärmeleitwiderstandes eines Körpers zum Wärmeübergangswiderstand des umgebenden Messmediums an.The Biot number is a dimensionless index of thermodynamics and fluid mechanics. It is used for the calculation of heating and cooling processes and indicates the ratio of the thermal resistance of a body to the heat transfer resistance of the surrounding medium during heat transport through the surface of a body.

Eine hohe Biot-Zahl, wie sie bei den genannten thermischen Strömungssensoren vorliegt, besagt, dass Temperaturunterschiede innerhalb des festen Körpers größer sind als in der Grenzschicht zum umgebenden Messmedium. Eine Verbesserung der äußeren Wärmeübertragung, beispielsweise durch erzwungene statt freier Konvektion beschleunigt den Wärmeübergang bei hoher Biot-Zahl daher nicht wesentlich.A high Biot number, as it is present in the mentioned thermal flow sensors, states that temperature differences within the solid body are greater than in the boundary layer to the surrounding medium. An improvement in the external heat transfer, for example, by forced instead of free convection therefore does not significantly accelerate the heat transfer at high Biot number.

Des Weiteren wird typischerweise Aluminiumoxid, insbesondere Al2O3, als Substratmaterial verwendet. Die thermische Leitfähigkeit von Aluminiumoxid ist aber selbst abhängig von der Temperatur. Mögliche Kalibrationen eines Sensorelements sind daher sehr aufwendig.Furthermore, aluminum oxide, in particular Al 2 O 3 , is typically used as the substrate material. The thermal conductivity of alumina is itself dependent on the temperature. Possible calibrations of a sensor element are therefore very expensive.

Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement und einen thermischen Strömungssensor vorzustellen, das eine optimierte Wärmeübertragung von dem Sensorelement zu einem Messmedium und umgekehrt erlaubt.Based on this problem, the invention has for its object to provide a sensor element and a thermal flow sensor, which allows an optimized heat transfer from the sensor element to a measuring medium and vice versa.

Die Aufgabe wird durch ein Sensorelement zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums gelöst, wobei das Sensorelement derart ausgestaltet und auf einem Trägerelement, welches aus einem einzelnen Material oder aus einer Materialkombination besteht und mit dem Messmedium in Kontakt steht, aufgebracht ist, dass das Sensorelement in Richtung des Messmediums eine Biot-Zahl < 0.1 aufweist.The object is achieved by a sensor element for measuring a physical size of a measuring medium, wherein the sensor element is configured and applied to a carrier element, which consists of a single material or a combination of materials and is in contact with the measuring medium, that the sensor element in Direction of the medium has a Biot number <0.1.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorelements liegt darin, dass eine gute Wärmeübertragung von dem Sensorelement zu dem Messmedium und vice versa erreicht wird.The advantage of the sensor element according to the invention is that a good heat transfer from the sensor element to the measuring medium and vice versa is achieved.

Applikationen zum Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorelements sind im einleitenden Teil der Beschreibung beispielhaft genannt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass der Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorelements nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern dem Fachmann bewusst ist, dass ein solches Sensorelement in einer Vielzahl weiterer Applikationen eingesetzt werden kann.Applications for the use of the sensor element according to the invention are exemplified in the introductory part of the description. However, it goes without saying that the use of the sensor element according to the invention is not limited to these examples, but the skilled worker is aware that such a sensor element can be used in a variety of other applications.

Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements weist das Sensorelement ein Substrat auf, wobei auf der dem Messmedium abgewandten Oberfläche des Substrats eine funktionale Schicht aufgetragen ist. Mittels Verwendung eines geeigneten, hoch wärmeleitfähigen Materials und einer möglichst geringen Schichtdicke wird die vorgegebene Biot-Zahl < 0.1 realisiert.According to a first variant of the sensor element according to the invention, the sensor element has a substrate, wherein a functional layer is applied to the surface of the substrate facing away from the measuring medium. By using a suitable, highly thermally conductive material and As small a layer thickness as possible, the given Biot number <0.1 is realized.

Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Substrat im Wesentlichen aus Aluminiumnitrid besteht. Aluminiumnitrid weist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit im Bereich von ungefähr 180–200 W/(m·K) auf.An embodiment of the first variant of the sensor element according to the invention provides that the substrate consists essentially of aluminum nitride. Aluminum nitride has a very high thermal conductivity in the range of about 180-200 W / (m · K).

Eine bevorzugte Weiterbildung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass auf der dem Messmedium zugewandten Oberfläche des Substrats eine lötbare Schicht aufgetragen ist, mittels derer das Sensorelement an dem Trägerelement angebracht ist. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Biot-Zahl, da die lötbare Schicht auf der Passivierungsschicht mit dem Trägerelement in unmittelbarem Kontakt steht.A preferred development of the first variant of the sensor element according to the invention provides that on the surface of the substrate facing the measuring medium, a solderable layer is applied, by means of which the sensor element is attached to the carrier element. This leads to a further reduction in the Biot number, since the solderable layer on the passivation layer is in direct contact with the carrier element.

Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Sensorelement ein Substrat mit einem ersten Wärmewiderstandswert aufweist, wobei auf der dem Messmedium zugewandten Oberfläche des Substrats eine funktionale Schicht aufgetragen ist. Der große Vorteil dieser zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements besteht darin, dass die Wärmeübertragung nicht mehr durch das Substrat hindurch erfolgen muss.According to a second variant of the sensor element according to the invention, it is provided that the sensor element has a substrate with a first thermal resistance value, wherein a functional layer is applied to the surface of the substrate facing the measurement medium. The great advantage of this second variant of the sensor element according to the invention is that the heat transfer no longer has to take place through the substrate.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Substrat eine Durchkontaktierung zur elektrischen Kontaktierung der funktionalen Schicht von der dem Messmedium abgewandten Oberfläche des Substrats aus aufweist. Die Anschlussdrähte kontaktieren die funktionale Schicht dadurch von der zur funktionalen Schicht gegenüberliegenden Seite des Substrats. Bei größerer Kontaktoberfläche des Sensorelements mit dem Trägerelement stellt sich bei gleichbleibender Chipdimensionierung ein größerer Wärmeübergang ein, bzw. verringert sich die Dimensionierung des Sensorelements bei gleichbleibender Kontaktoberfläche.An advantageous development of the sensor element according to the invention provides that the substrate has a via for the electrical contacting of the functional layer from the surface of the substrate facing away from the measurement medium. The leads contact the functional layer thereby from the side of the substrate opposite the functional layer. With a larger contact surface of the sensor element with the carrier element, a larger heat transfer occurs with constant chip dimensioning, or the dimensioning of the sensor element is reduced while the contact surface remains the same.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass auf der funktionalen Schicht eine Passivierungsschicht mit einem zweiten Wärmewiderstandswert aufgetragen ist, wobei der erste Wärmewiderstandswert des Substrats im Wesentlichen um einen Faktor 10 größer ist als der zweite Wärmewiderstandswert der Passivierungsschicht. Durch diese Anordnung wird das Sensorelement hinsichtlich Wärmeübertragung von dem Sensorelement zu einem Messmedium und umgekehrt optimiert. In Richtung der Seite des Messmediums weist das Sensorelement lediglich einen sehr geringen thermischen Widerstand auf, während in Richtung der dem Messmedium abgewandten Oberfläche ein hoher thermischer Widerstand vorliegt.A particularly advantageous embodiment of the second variant of the sensor element according to the invention provides that a passivation layer with a second thermal resistance value is applied to the functional layer, wherein the first thermal resistance value of the substrate is substantially greater by a factor of 10 than the second thermal resistance value of the passivation layer. With this arrangement, the sensor element is optimized in terms of heat transfer from the sensor element to a measuring medium and vice versa. In the direction of the side of the measuring medium, the sensor element has only a very low thermal resistance, while in the direction of the surface facing away from the measuring medium there is a high thermal resistance.

Die Verwendung einer Durchkontaktierung ermöglicht darüber hinaus ein symmetrisches Design des Sensorelements, wodurch der Einbau des Sensorelements richtungsunabhängig möglich ist. Des Weiteren können die Anschlussdrähte senkrecht über dem Sensorelement abgeführt werden, was eine kompakte Bauform ermöglicht.The use of a via also allows a symmetrical design of the sensor element, whereby the installation of the sensor element is independent of direction possible. Furthermore, the connecting wires can be removed vertically above the sensor element, which allows a compact design.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die Passivierungsschicht als Dickschicht ausgestaltet ist.A preferred embodiment of the sensor element according to the invention provides that the passivation layer is configured as a thick layer.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die Passivierungsschicht als Dünnschicht ausgestaltet ist. Die Verwendung einer Dünnschicht als Passivierungsschicht verringert die Biot-Zahl weiter, da die Dünnschichtpassivierung rund um das Zehnfache dünner als eine Dickschicht ist.A particularly preferred embodiment of the second variant of the sensor element according to the invention provides that the passivation layer is configured as a thin layer. The use of a thin film as a passivation layer further reduces the Biot number because the thin film passivation is about ten times thinner than a thick film.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements besteht die Passivierungsschicht im Wesentlichen aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Aluminiumnitrid, Tantaloxid oder aus einer Materialkombination. Bei Verwendung dieser Materialien anstatt Glas als Dünnschichtmaterial kann die Biot-Zahl weiter gesenkt werden, da die Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten dieser Materialien größer sind als der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von Glas.According to an advantageous embodiment of the second variant of the sensor element according to the invention, the passivation layer consists essentially of aluminum oxide, silicon nitride, silicon oxide, aluminum nitride, tantalum oxide or a combination of materials. By using these materials instead of glass as a thin film material, the Biot number can be further lowered since the thermal conductivity coefficients of these materials are larger than the thermal conductivity coefficient of glass.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass auf der Passivierungsschicht eine lötbare Schicht aufgetragen ist, mittels derer das Sensorelement an dem Trägerelement angebracht ist. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Biot-Zahl, da die Passivierungsschicht mit dem Trägerelement über die Lötschicht in unmittelbarem Kontakt steht.According to a preferred development of the second variant of the sensor element according to the invention, it is provided that a solderable layer is applied to the passivation layer, by means of which the sensor element is attached to the carrier element. This leads to a further reduction in the Biot number, since the passivation layer is in direct contact with the carrier element via the solder layer.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Substrat im Wesentlichen aus Zirkonoxid oder aus Glas besteht. Diese Materialien weisen eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch ein Wärmefluss von der funktionalen Schicht in Richtung der vom Messmedium abgewandten Seite zu einem Großteil unterbunden wird.In an advantageous embodiment of the second variant of the sensor element according to the invention it is provided that the substrate consists essentially of zirconium oxide or of glass. These materials have a low thermal conductivity, as a result of which heat flow from the functional layer in the direction of the side away from the measuring medium is largely prevented.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die funktionale Schicht aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, welcher ungleich Null ist, besteht. Die funktionale Schicht bildet daher, je nach Temperaturkoeffizient des verwendeten Materials, einen Kaltleiter(PTC)-Widerstand oder einen Heißleiter(NTC)-Widerstand.An advantageous development of the sensor element according to the invention provides that the functional layer consists of a material with a defined temperature coefficient of electrical resistance, which is not equal to zero. The functional layer therefore forms, depending on Temperature coefficient of the material used, a PTC resistor or a thermistor (NTC) resistance.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die funktionale Schicht im Wesentlichen aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, Nickel, oder Kupfer, besteht. Diese Materialien sind zum einen in der Mikrofertigung etabliert, zum anderen besitzen diese Materialien ausgeprägte Temperaturkennlinien aufgrund ihrer jeweiligen Temperaturkoeffizienten.An advantageous development of the sensor element according to the invention provides that the functional layer consists essentially of a metallic material, in particular platinum, nickel, or copper. On the one hand, these materials are well established in microfabrication, on the other hand, these materials have pronounced temperature characteristics due to their respective temperature coefficients.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die funktionale Schicht aus einem polykristallinen oder dotierten Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, Germanium oder Galliumarsenid, besteht. Es versteht sich von selbst, dass prinzipiell jedes gebräuchliche Halbleitermaterial verwendet werden kann.A further advantageous development of the sensor element according to the invention provides that the functional layer consists of a polycrystalline or doped semiconductor material, in particular silicon, germanium or gallium arsenide. It goes without saying that in principle any common semiconductor material can be used.

Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht als hochohmiges Widerstandselement ausgestaltet ist und wobei die Temperatur des Messmediums anhand eines auf direkte oder indirekte Weise gemessenen elektrischen Widerstandswerts des hochohmigen Widerstandelements bestimmt wird.According to a first embodiment of the sensor element according to the invention, it is provided that the functional layer is configured as a high-resistance resistance element and wherein the temperature of the measured medium is determined by means of a directly or indirectly measured electrical resistance value of the high-resistance resistance element.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht als niederohmige Heizstruktur zur Erzeugung von joulescher Wärme ausgestaltet ist, wodurch das Sensorelement als Heizelement zur Erwärmung des Messmediums dient. Da in Richtung der Seite des Messmediums lediglich ein sehr geringer thermischer Widerstand vorliegt, während in Richtung der nicht-Messmediumseite ein hoher thermischer Widerstand vorliegt, wird der Wärmefluss des Heizelements derart gerichtet, dass nahezu alle erzeugte Wärme in Richtung des Messmediums geleitet wird. Das Heizelement kann dadurch äußerst effizient genutzt werden.According to a second embodiment of the sensor element according to the invention it is provided that the functional layer is designed as a low-resistance heating structure for generating Joule heat, whereby the sensor element serves as a heating element for heating the measured medium. Since only a very low thermal resistance is present in the direction of the side of the measuring medium, while a high thermal resistance is present in the direction of the non-measuring medium side, the heat flow of the heating element is directed in such a way that almost all the heat generated is conducted in the direction of the measuring medium. The heating element can thereby be used extremely efficiently.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass es sich bei dem Trägerelement um ein Röhrchen, ein Plättchen oder um eine Hülse handelt, wobei das Trägerelement insbesondere aus einem metallischen Material besteht.In a preferred development of the sensor element according to the invention, it is provided that the carrier element is a tube, a plate or a sleeve, wherein the carrier element consists in particular of a metallic material.

Insgesamt ist das erfindungsgemäße Sensorelement hinsichtlich der folgenden Kennzahlen optimiert:

  • – sehr geringe Biot-Zahl in Richtung der Seite des Messmediums (ein Wert der Biot-Zahl kleiner als 0.1 wird in der Literatur als optimal betrachtet);
  • – Hoher thermischer Widerstand in Richtung der nicht-Messmediumseite; und
  • – Erhöhung der Kontaktfläche zu dem Trägerelement bei gleichbleibender Chipgeometrie mittels Durchkontaktierung.
Overall, the sensor element according to the invention is optimized with respect to the following characteristics:
  • - very low Biot number towards the side of the medium to be measured (a value of Biot number less than 0.1 is considered optimal in the literature);
  • High thermal resistance towards the non-measuring medium side; and
  • - Increasing the contact surface with the carrier element with the same chip geometry by means of through-hole.

Des Weiteren wird die Aufgabe durch einen thermischen Strömungssensor gelöst, welcher zumindest ein erfindungsgemäßes Sensorelement aufweist.Furthermore, the object is achieved by a thermal flow sensor which has at least one sensor element according to the invention.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Strömungssensors liegt darin, dass eine gute Wärmeübertragung von dem Sensorelement zu dem Messmedium und umgekehrt erreicht wird, wodurch die Empfindlichkeit des thermischen Strömungssensors in Bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums erheblich gesteigert wird.The advantage of the flow sensor according to the invention is that a good heat transfer from the sensor element to the measuring medium and vice versa is achieved, whereby the sensitivity of the thermal flow sensor is significantly increased with respect to the flow velocity of the measuring medium.

Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen thermischen Strömungssensors ist vorgesehen, dass das Sensorelement derart ausgestaltet ist, um abwechselnd das Medium zu beheizen und die Temperatur des Messmediums zu messen.According to a first variant of the thermal flow sensor according to the invention, it is provided that the sensor element is configured in such a way as to alternately heat the medium and to measure the temperature of the measuring medium.

Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen thermischen Strömungssensors ist vorgesehen, dass der thermische Strömungssensor ein weiteres erfindungsgemäßes Sensorelement aufweist, wobei das eine der zumindest zwei Sensorelemente als Heizelement zur Erwärmung des Messmediums dient, und wobei das weitere Sensorelement zum Messen der Temperatur des Messmediums dient. Die Durchflussgeschwindigkeit des Messmediums kann dabei über im Stand der Technik weitläufig bekannten Messprinzipien, wie beispielsweise der Heizdrahtmethode, des Aufheizverfahrens oder als Kalorimeter, bestimmt werden.According to a second variant of the thermal flow sensor according to the invention, it is provided that the thermal flow sensor has a further sensor element according to the invention, wherein the one of the at least two sensor elements serves as a heating element for heating the measured medium, and wherein the further sensor element is used for measuring the temperature of the measured medium. The flow rate of the medium to be measured can be determined by measuring principles that are widely known in the art, such as the heating wire method, the heating method or as a calorimeter.

Des Weiteren besteht die Möglichkeit, beide Sensorelemente auf einem Trägerprint zu montieren. Durch die Komponentenanordnung und verwendeten Materialien der erfindungsgemäßen Sensorelemente können diese dennoch als thermisch entkoppelt betrachtet werden.Furthermore, it is possible to mount both sensor elements on a carrier print. Due to the component arrangement and materials used the sensor elements according to the invention, these can still be considered as thermally decoupled.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows

1: eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements; und 1 a first embodiment of the sensor element according to the invention; and

2: eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Sensorelements. 2 A second embodiment of a sensor element according to the invention.

1 zeigt eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements 1. Auf einem Substrat 101 ist eine funktionale Schicht 102 aufgetragen, welche wiederum von einer Passivierungsschicht 103 bedeckt ist. 1 shows a first embodiment of the sensor element according to the invention 1 , On one substratum 101 is a functional layer 102 applied, which in turn of a passivation layer 103 is covered.

Bei der funktionalen Schicht 102 handelt es sich um eine Schicht aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, welcher ungleich Null ist. Die funktionale Schicht bildet daher, je nach Temperaturkoeffizient des verwendeten Materials, einen Kaltleiter(PTC)-Widerstand oder einen Heißleiter(NTC)-Widerstand. Insbesondere besteht die funktionale Schicht 102 aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, Nickel, oder Kupfer, oder aus einem polykristallinen oder dotierten Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, Germanium oder Galliumarsenid.At the functional layer 102 it is a layer of a material with a defined temperature coefficient of electrical resistance, which is not equal to zero. The functional layer therefore forms, depending on the temperature coefficient of the material used, a PTC resistor or a NTC resistor. In particular, there is the functional layer 102 from a metallic material, in particular platinum, nickel, or copper, or from a polycrystalline or doped semiconductor material, in particular silicon, germanium or gallium arsenide.

Diese funktionale Schicht 102 dient zum Bestimmen der Temperatur eines Messmediums 2, in dem der temperaturabhängige Widerstandswert der funktionalen Schicht 102 bestimmt wird. Alternativ wird die funktionale Schicht 102 mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt und erzeugt Joulesche Wärme, welche an das Messmedium 2 abgegeben wird.This functional layer 102 Used to determine the temperature of a medium to be measured 2 in which the temperature-dependent resistance value of the functional layer 102 is determined. Alternatively, the functional layer 102 applied with an electric power and generates Joule heat, which to the measuring medium 2 is delivered.

Bei dem Messmedium 2 handelt es sich insbesondere um ein gasförmiges oder um ein flüssiges Medium 2.With the measuring medium 2 it is in particular a gaseous or a liquid medium 2 ,

Die dem Messmedium 2 zugewandte Oberfläche des Substrats 101 ist mittels einer Lötschicht 105 an einem Trägerelement 3 befestigt. Dieses Trägerelement 3 ist mit dem Messmedium 2 in Kontakt.The measuring medium 2 facing surface of the substrate 101 is by means of a solder layer 105 on a support element 3 attached. This carrier element 3 is with the measuring medium 2 in contact.

Nachfolgend ist ein Beispiel eines gebräuchlichen Standard-Temperaturelements 1 aufgeführt, mitsamt den Dimensionen und Materialien der Komponenten des Sensorelements 1, wie es im Stand der Technik bekannt ist:
Konkret handelt es sich bei dem Substrat um Al2O3, welches eine Schichtdicke von ungefähr 350 µm aufweist. Die Passivierungsschicht besteht aus Glas und weist eine Schichtdicke von ungefähr 30 µm auf. Das Trägerelement ist ein Röhrchen aus Edelstahl mit einer Wandstärke von ungefähr 150 µm.The following is an example of a common standard temperature element 1 listed, along with the dimensions and materials of the components of the sensor element 1 as known in the art:
In concrete terms, the substrate is Al 2 O 3 , which has a layer thickness of approximately 350 μm. The passivation layer consists of glass and has a layer thickness of approximately 30 μm. The support member is a tube of stainless steel with a wall thickness of about 150 microns.

Ein solches Temperaturelement weist eine relativ hohe Biot-Zahl von ungefähr 0.236 auf. Nachteilig ist, dass die Heizwärme, oder die Temperatur des Messmediums, durch das Substrat 101 zum Trägerelement 3, bzw. vice versa, geführt werden muss. Die Ansprechzeit des Temperatursensors ist hierdurch verzögert, bzw. die Zeit ist erhöht, in welcher die Wärme des Heizelements das Messmedium 2 erreicht. Dies kann, aufgrund der hohen Biot-Zahl, auch nicht durch eine erzwungene Konvektion des Messmediums behoben werden.Such a temperature element has a relatively high Biot number of about 0.236. The disadvantage is that the heating heat, or the temperature of the medium to be measured, through the substrate 101 to the support element 3 or vice versa, must be performed. The response time of the temperature sensor is thereby delayed, or the time is increased, in which the heat of the heating element, the measuring medium 2 reached. Due to the high Biot number, this can not be remedied by forced convection of the measuring medium.

Das erfindungsgemäße Sensorelement 1 erlaubt durch Auswahl geeigneter Materialen für das Substrat, beispielsweise Aluminiumnitrid, welches eine sehr hohe Wärmeleitung aufweist, eine Verringerung der Biot-Zahl. Durch Verringerung der Schichtdicke des Substrats kann eine Biot-Zahl < 0.1 erreicht werden, was eine nahezu optimale Wärmeübertragung von der funktionalen Schicht zum Messmedium, bzw. umgekehrt, bedeutet.The sensor element according to the invention 1 allows by selecting suitable materials for the substrate, such as aluminum nitride, which has a very high heat conduction, a reduction in the Biot number. By reducing the layer thickness of the substrate, a Biot number <0.1 can be achieved, which means a nearly optimal heat transfer from the functional layer to the measuring medium, or vice versa.

2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements 1. 2 shows a second embodiment of the sensor element according to the invention 1 ,

Das Substrat 101 besteht aus Zirkonoxid mit einer Schichtdicke von ungefähr 150 µm. Dieses weist eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auf.The substrate 101 consists of zirconium oxide with a layer thickness of approximately 150 μm. This has a relatively low thermal conductivity.

Auf der dem Messmedium 2 zugewandten Oberfläche des Substrats ist eine funktionale Schicht 102 aufgetragen. Auch hierbei handelt es sich um eine Schicht aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, welcher ungleich Null ist. Die funktionale Schicht 102 bildet daher, je nach Temperaturkoeffizient des verwendeten Materials, einen Kaltleiter(PTC)-Widerstand oder einen Heißleiter(NTC)-Widerstand. Insbesondere besteht die funktionale Schicht 102 aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, Nickel, oder Kupfer, oder aus einem polykristallinen oder dotierten Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, Germanium oder Galliumarsenid.On the measuring medium 2 facing surface of the substrate is a functional layer 102 applied. Again, this is a layer of a material with a defined temperature coefficient of electrical resistance, which is not equal to zero. The functional layer 102 Therefore, depending on the temperature coefficient of the material used, a PTC resistor or a NTC resistor. In particular, there is the functional layer 102 from a metallic material, in particular platinum, nickel, or copper, or from a polycrystalline or doped semiconductor material, in particular silicon, germanium or gallium arsenide.

Auf der funktionalen Schicht 102 ist eine Passivierungsschicht 103 aufgetragen ist. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Passivierungsschicht 103 aus Al2O3 und besitzt eine Schichtdicke von ungefähr 3 µm. Die Passivierungsschicht 103 weist einen wesentlich geringeren, insbesondere mindestens um einen Faktor 10 kleineren, Wärmewiderstandswert als das Substrat 101 auf. Dadurch ist gewährleistet, dass ein Wärmefluss von der funktionalen Schicht 103 zu dem Messmedium 2, oder von dem Messmedium 2 zu der funktionalen Schicht 103 gerichtet ist und möglichst wenig Wärme durch das Substrat verloren geht.On the functional layer 102 is a passivation layer 103 is applied. In this embodiment, the passivation layer 103 made of Al 2 O 3 and has a layer thickness of about 3 microns. The passivation layer 103 has a much lower, in particular at least a factor of 10 smaller, thermal resistance value than the substrate 101 on. This ensures that a heat flow from the functional layer 103 to the measuring medium 2 , or from the measuring medium 2 to the functional layer 103 is directed and as little heat is lost through the substrate.

Die Passivierungsschicht 103 ist derart ausgestaltet, dass auf dieser eine Lötschicht 105 anbringbar ist und das Sensorelement 1 mittels dieser Lötschicht 105 an dem Trägerelement 3 befestigt ist. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Biot-Zahl, da die lötbare Schicht auf der Passivierungsschicht mit dem Trägerelement in unmittelbarem Kontakt steht.The passivation layer 103 is designed such that on this a solder layer 105 attachable and the sensor element 1 by means of this solder layer 105 on the carrier element 3 is attached. This leads to a further reduction in the Biot number, since the solderable layer on the passivation layer is in direct contact with the carrier element.

Das erfindungsgemäße Sensorelement 1 weist eine geringe Biot-Zahl von 0.097 auf und erlaubt daher eine gute Wärmeleitung von dem Sensorelement zu dem Messmedium und umgekehrt.The sensor element according to the invention 1 has a low Biot number of 0.097 and therefore allows good heat conduction from the sensor element to the measurement medium and vice versa.

In die dem Messmedium 2 abgewandte Seite des Substrats 101 kann eine oder mehrere Durchkontaktierungen 104 vorgesehen sein. Die Anschlussdrähte kontaktieren die funktionale Schicht 102 dadurch von der zur funktionalen Schicht 102 gegenüberliegenden Seite des Substrats 101. Bei größerer Kontaktoberfläche des Sensorelements 1 mit dem Trägerelement 3 stellt sich bei gleichbleibender Chipdimensionierung ein größerer Wärmeübergang ein, bzw. verringert sich die Dimensionierung des Sensorelements 1 bei gleichbleibender Kontaktoberfläche.Into the measuring medium 2 opposite side of the substrate 101 can have one or more vias 104 be provided. The connecting wires contact the functional layer 102 thereby from the to the functional layer 102 opposite side of the substrate 101 , For larger contact surface of the sensor element 1 with the carrier element 3 If the chip dimensions remain the same, a greater heat transfer occurs, or the dimensioning of the sensor element decreases 1 at constant contact surface.

Das erfindungsgemäße Sensorelement 1 kann in einer Vielzahl von Applikationen eingesetzt werden. So ist es beispielsweise vorgesehen, das Sensorelement 1 als Heizelement oder als Temperatursensor in einem thermischen Strömungssensor einzusetzen.The sensor element according to the invention 1 can be used in a variety of applications. For example, it is provided the sensor element 1 to be used as a heating element or as a temperature sensor in a thermal flow sensor.

Das Sensorelement 1 kann dafür derart ausgestaltet sein, um abwechselnd das Messmedium 2 zu beheizen und die Temperatur des Messmediums 2 zu messen. Das Abklingen der in das Messmedium 2 induzierten Temperatur ist hierbei ein Maß für die Durchflussgeschwindigkeit des Messmediums 2.The sensor element 1 can be designed in such a way to alternately the measuring medium 2 to heat and the temperature of the medium to be measured 2 to eat. The decay of the into the measuring medium 2 Induced temperature is a measure of the flow rate of the medium 2 ,

Alternativ kann die Durchflussgeschwindigkeit des Messmediums dabei über durch den Stand der Technik weitläufig bekannten Messprinzipien, wie beispielsweise der Heizdrahtmethode oder des Aufheizverfahrens, mit mindestens zwei der erfindungsgemäßen Sensorelemente 1 bestimmt werden.Alternatively, the flow rate of the measuring medium can be measured using measuring principles widely known from the prior art, such as, for example, the heating wire method or the heating method, with at least two of the sensor elements according to the invention 1 be determined.

Es versteht sich jedoch von selbst, dass der Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorelements nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern dem Fachmann bewusst ist, dass ein solches Sensorelement in einer Vielzahl weiterer Applikationen eingesetzt werden kann.However, it goes without saying that the use of the sensor element according to the invention is not limited to these examples, but the skilled worker is aware that such a sensor element can be used in a variety of other applications.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Sensorelement sensor element
101101
Substrat substratum
102102
funktionale Schicht functional layer
103103
Passivierungsschicht passivation
104104
Durchkontaktierung via
105105
Lötschicht solder layer
22
Messmedium measuring medium
33
Trägerelement support element

Claims (21)

Sensorelement (1) zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums (2), wobei das Sensorelement (1) derart ausgestaltet und auf einem Trägerelement (3), welches aus einem einzelnen Material oder aus einer Materialkombination besteht und mit dem Messmedium (2) in Kontakt steht, aufgebracht ist, dass das Sensorelement (1) in Richtung des Messmediums (2) eine Biot-Zahl < 0.1 aufweist.Sensor element ( 1 ) for measuring a physical quantity of a measuring medium ( 2 ), wherein the sensor element ( 1 ) and configured on a carrier element ( 3 ), which consists of a single material or a combination of materials and with the measuring medium ( 2 ) is in contact, is applied, that the sensor element ( 1 ) in the direction of the measuring medium ( 2 ) has a Biot number <0.1. Sensorelement (1) nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement (1) ein Substrat (101) aufweist, und wobei auf der dem Messmedium (2) abgewandten Oberfläche des Substrats (101) eine funktionale Schicht (102) aufgetragen ist.Sensor element ( 1 ) according to claim 1, wherein the sensor element ( 1 ) a substrate ( 101 ), and wherein on the the measuring medium ( 2 ) facing away from the surface of the substrate ( 101 ) a functional layer ( 102 ) is applied. Sensorelement (1) nach Anspruch 2, wobei das Substrat im Wesentlichen aus Aluminiumnitrid besteht.Sensor element ( 1 ) according to claim 2, wherein the substrate consists essentially of aluminum nitride. Sensorelement (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei auf der dem Messmedium zugewandten Oberfläche des Substrats (101) eine lötbare Schicht (105) aufgetragen ist, mittels derer das Sensorelement (1) an dem Trägerelement (3) angebracht ist.Sensor element ( 1 ) according to at least one of claims 2 or 3, wherein on the surface of the substrate facing the measuring medium ( 101 ) a solderable layer ( 105 ) is applied, by means of which the sensor element ( 1 ) on the carrier element ( 3 ) is attached. Sensorelement (1) nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement (1) ein Substrat (101) mit einem ersten Wärmewiderstandswert aufweist, und wobei auf der dem Messmedium (2) zugewandten Oberfläche des Substrats (101) eine funktionale Schicht (102) aufgetragen ist.Sensor element ( 1 ) according to claim 1, wherein the sensor element ( 1 ) a substrate ( 101 ) having a first thermal resistance value, and on which the measured medium ( 2 ) facing surface of the substrate ( 101 ) a functional layer ( 102 ) is applied. Sensorelement (1) nach Anspruch 5, wobei das Substrat (101) eine Durchkontaktierung (104) zur elektrischen Kontaktierung der funktionalen Schicht von der dem Messmedium abgewandten Oberfläche des Substrats (101) aus aufweist.Sensor element ( 1 ) according to claim 5, wherein the substrate ( 101 ) a via ( 104 ) for electrically contacting the functional layer of the surface of the substrate facing away from the measuring medium ( 101 ). Sensorelement (1) nach zumindest einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei auf der funktionalen Schicht (102) eine Passivierungsschicht (103) mit einem zweiten Wärmewiderstandswert aufgetragen ist, und wobei der erste Wärmewiderstandswert des Substrats (101) im Wesentlichen um einen Faktor 10 größer ist als der zweite Wärmewiderstandswert der Passivierungsschicht (103).Sensor element ( 1 ) according to at least one of claims 5 or 6, wherein on the functional layer ( 102 ) a passivation layer ( 103 ) is plotted with a second thermal resistance value, and wherein the first thermal resistance value of the substrate ( 101 ) is substantially greater by a factor of 10 than the second thermal resistance value of the passivation layer ( 103 ). Sensorelement (1) nach Anspruch 7, wobei die Passivierungsschicht (103) als Dickschicht ausgestaltet ist.Sensor element ( 1 ) according to claim 7, wherein the passivation layer ( 103 ) is designed as a thick film. Sensorelement nach Anspruch 7, wobei die Passivierungsschicht (103) als Dünnschicht ausgestaltet ist.Sensor element according to claim 7, wherein the passivation layer ( 103 ) is designed as a thin film. Sensorelement (1) nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Passivierungsschicht (103) im Wesentlichen aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Aluminiumnitrid, Tantaloxid, oder aus einer Materialkombination besteht.Sensor element ( 1 ) according to at least one of claims 7 to 9, wherein the passivation layer ( 103 ) consists essentially of alumina, silicon nitride, silicon oxide, aluminum nitride, tantalum oxide, or a combination of materials. Sensorelement (1) nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei auf der Passivierungsschicht (103) eine lötbare Schicht (105) aufgetragen ist, mittels derer das Sensorelement (1) an dem Trägerelement (3) angebracht ist. Sensor element ( 1 ) according to at least one of claims 7 to 10, wherein on the passivation layer ( 103 ) a solderable layer ( 105 ) is applied, by means of which the sensor element ( 1 ) on the carrier element ( 3 ) is attached. Sensorelement (1) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei das Substrat (101) im Wesentlichen aus Zirkonoxid, oder aus Glas besteht. Sensor element ( 1 ) according to at least one of claims 5 to 11, wherein the substrate ( 101 ) consists essentially of zirconium oxide, or of glass. Sensorelement (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei die funktionale Schicht (102) aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, welcher ungleich Null ist, besteht.Sensor element ( 1 ) according to at least one of claims 2 to 12, wherein the functional layer ( 102 ) consists of a material with a defined temperature coefficient of electrical resistance, which is not equal to zero. Sensorelement (1) nach Anspruch 13, wobei die funktionale Schicht (102) im Wesentlichen aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, Nickel, oder Kupfer, besteht.Sensor element ( 1 ) according to claim 13, wherein the functional layer ( 102 ) consists essentially of a metallic material, in particular platinum, nickel, or copper. Sensorelement (1) nach Anspruch 13, wobei die funktionale Schicht (102) aus einem polykristallinen oder dotierten Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, Germanium oder Galliumarsenid, besteht.Sensor element ( 1 ) according to claim 13, wherein the functional layer ( 102 ) consists of a polycrystalline or doped semiconductor material, in particular silicon, germanium or gallium arsenide. Sensorelement (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 15, wobei die funktionale Schicht (102) als hochohmiges Widerstandselement ausgestaltet ist und wobei die Temperatur des Messmediums (2) anhand eines auf direkte oder indirekte Weise gemessenen elektrischen Widerstandswerts des hochohmigen Widerstandelements bestimmt wird.Sensor element ( 1 ) according to at least one of claims 2 to 15, wherein the functional layer ( 102 ) is designed as a high-resistance element and wherein the temperature of the medium to be measured ( 2 ) is determined by means of a directly or indirectly measured electrical resistance value of the high-resistance element. Sensorelement (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 15, wobei die funktionale Schicht (102) als niederohmige Heizstruktur zur Erzeugung von joulescher Wärme ausgestaltet ist, wodurch das Sensorelement (1) als Heizelement zur Erwärmung des Messmediums dient.Sensor element ( 1 ) according to at least one of claims 2 to 15, wherein the functional layer ( 102 ) is designed as a low-resistance heating structure for generating Joule heat, whereby the sensor element ( 1 ) serves as a heating element for heating the medium to be measured. Sensorelement (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Trägerelement (3) um ein Röhrchen, ein Plättchen oder um eine Hülse, handelt, wobei das Trägerelement (3) insbesondere aus einem metallischen Material besteht. Sensor element ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, wherein the support element ( 3 ) is a tube, a wafer or a sleeve, wherein the carrier element ( 3 ) consists in particular of a metallic material. Thermischer Strömungssensor, aufweisend zumindest ein Sensorelement (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche.Thermal flow sensor, comprising at least one sensor element ( 1 ) according to at least one of the preceding claims. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 19, wobei das Sensorelement (1) derart ausgestaltet ist, um abwechselnd das Messmedium (2) zu beheizen und die Temperatur des Messmediums (2) zu messen.Thermal flow sensor according to claim 19, wherein the sensor element ( 1 ) is designed in such a way to alternately the measuring medium ( 2 ) and the temperature of the measuring medium ( 2 ) to eat. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 19, wobei der thermische Strömungssensor ein weiteres Sensorelement (1) aufweist, wobei das eine der zumindest zwei Sensorelemente (1) als Heizelement zur Erwärmung des Messmediums dient (2), und wobei das weitere Sensorelement (1) zum Messen der Temperatur des Messmediums (2) dient.Thermal flow sensor according to claim 19, wherein the thermal flow sensor comprises a further sensor element ( 1 ), wherein the one of the at least two sensor elements ( 1 ) serves as a heating element for heating the measured medium ( 2 ), and wherein the further sensor element ( 1 ) for measuring the temperature of the measuring medium ( 2 ) serves.
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