DE102018112023A1

DE102018112023A1 - Method of making a thermometer

Info

Publication number: DE102018112023A1
Application number: DE102018112023.0A
Authority: DE
Inventors: Alfred Umkehrer; Torsten Iselt; Pavo Vrdoljak; Florian Krogmann; Patrik Grob; Fredy Klammsteiner; Jiri Polak; Harald Bründl
Original assignee: Innovative Sensor Technology IST AG; Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Innovative Sensor Technology IST AG; Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2019-11-21
Also published as: WO2019219322A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, welche Vorrichtung (1) ein Gehäuseelement (2) und zumindest ein Sensorelement (4) mit einem Temperatursensor (4a) umfasst, wobei zumindest auf einem Teilbereich einer Oberfläche des Gehäuseelements (2) zumindest eine erste Verbindungsschicht (6) aufgebracht wird, wobei zumindest auf einem Teilbereich einer dem Temperatursensor (4a) abgewandten Oberfläche des Sensorelements (4) zumindest eine zweite Verbindungschicht (7) aufgebracht wird, und wobei das Gehäuseelement (2) und das Sensorelement (4) vermittels der zwei Verbindungsschichten (6,7) miteinander verbunden werden, derart dass das Sensorelement (4) an dem Gehäuseelement (2) befestigt wird. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Vorrichtung (1).

The invention relates to a method for producing a device (1) for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium, which device (1) comprises a housing element (2) and at least one sensor element (4) with a temperature sensor (4a) , wherein at least on a partial area of a surface of the housing element (2) at least a first connection layer (6) is applied, wherein at least on a portion of the temperature sensor (4a) facing away from the surface of the sensor element (4) at least a second connection layer (7) is applied and wherein the housing element (2) and the sensor element (4) are connected to one another by means of the two connecting layers (6, 7) such that the sensor element (4) is fastened to the housing element (2). Furthermore, the present invention relates to a device produced by a method according to the invention (1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums sowie auf eine entsprechende Vorrichtung. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit oder um ein Gas. Das Medium befindet sich wiederum beispielsweise in einem Behälter oder in einer Rohrleitung. Die Prozessgröße ist beispielsweise die Temperatur des Mediums oder der Durchfluss des Mediums durch eine Rohrleitung.The invention relates to a method for producing a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium and to a corresponding device. The medium is, for example, a liquid or a gas. The medium is in turn, for example, in a container or in a pipeline. The process variable is, for example, the temperature of the medium or the flow of the medium through a pipeline.

Obgleich die vorliegende Erfindung sowohl auf Thermometer, als auch auf thermische Durchflussmessgeräte anwendbar ist, bezieht sich die nachfolgende Beschreibung der Einfachheit halber auf Thermometer. Die vorgebrachten Ausführungen lassen sich mutatis mutandis jedoch auch auf thermische Durchflussmessgeräte anwenden.Although the present invention is applicable to both thermometers and thermal flow meters, the following description refers to thermometers for the sake of simplicity. However, the presented versions can also be applied mutatis mutandis to thermal flowmeters.

Thermometer sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt geworden. So gibt es Thermometer, welche zur Messung der Temperatur die Ausdehnung einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Festkörpers mit bekanntem Ausdehnungskoeffizienten heranziehen, oder auch solche, welche die elektrische Leitfähigkeit eines Materials oder eine davon abgeleitete Größe mit der Temperatur in Zusammenhang bringen, wie beispielsweise den elektrischen Widerstand bei Verwendung von Widerstandselementen oder den thermoelektrischen Effekt im Falle von Thermoelementen. Dagegen wird bei Strahlungsthermometern, insb. Pyrometern, zur Bestimmung der Temperatur einer Substanz deren Wärmestrahlung ausgenutzt. Die jeweils zugrundeliegenden Messprinzipien sind jeweils in einer Vielzahl von Veröffentlichungen beschrieben worden.Thermometers have become known in a variety of configurations from the prior art. Thus, there are thermometers, which use the expansion of a liquid, a gas or a solid having a known coefficient of expansion for measuring the temperature, or even those which relate the electrical conductivity of a material or a quantity derived therefrom with the temperature, such as electrical resistance when using resistive elements or the thermoelectric effect in the case of thermocouples. In contrast, in radiation thermometers, esp. Pyrometers, to determine the temperature of a substance whose heat radiation is utilized. The respective underlying measurement principles have been described in a variety of publications.

Bei einem Temperatursensor in Form eines sogenannten Dünnschicht-Sensors, insbesondere eines Resistance Temperature Detectors (RTD), kommt beispielsweise ein mit Anschlussdrähten versehenes und auf ein Trägersubstrat aufgebrachtes Sensorelement zum Einsatz, wobei die Rückseite des Trägersubstrats in der Regel metallisch beschichtet ist. Als Sensorelemente werden dabei sogenannte Widerstandselemente, welche beispielsweise durch Platinelemente gegeben sind, verwendet, die unter anderem unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich sind.In the case of a temperature sensor in the form of a so-called thin-film sensor, in particular a Resistance Temperature Detector (RTD), a sensor element provided with connecting wires and applied to a carrier substrate is used, for example, the back side of the carrier substrate generally being metallically coated. As a sensor elements are so-called resistance elements, which are given for example by platinum elements used, which are also commercially available, inter alia, under the names PT10, PT100, and PT1000.

Die Widerstandselemente werden häufig mittels eines Lötverfahrens innerhalb eines Sensorkopfes, beispielsweise eine Fühlerspitze, und insbesondere auf den Innenboden einer z. B. aus Edelstahl bestehenden Hülse, eingebracht. Entsprechende Thermometer werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung Quicksens hergestellt und vertrieben.The resistance elements are often by means of a soldering process within a sensor head, such as a probe tip, and in particular on the inner bottom of a z. B. made of stainless steel sleeve introduced. Corresponding thermometers are manufactured and distributed by the applicant, for example under the name Quicksens.

Als Lötverfahren wird in vielen Fällen eine sogenannte SMD-Lötung durchgeführt, bei welcher zunächst ein Lot auf ein erstes Bauteil aufgebracht wird und anschließend ein zweites Bauteil aufgesetzt und durch Erhitzung mit dem ersten Bauteil verlötet wird. Für das Beispiel eines Sensorkopfes eines Widerstandsthermometers wird üblicherweise zunächst eine definierte Menge Lot in festem Zustand („Lotplättchen“) in den Sensorkopf eingebracht und durch anschließendes Erhitzen mit dem Innenboden des Sensorkopfes verschmolzen. Das Sensorelement wird dann mit seiner metallisierten Seite in das Lot eingetaucht und auf diese Weise innerhalb des Sensorkopfes verlötet. Verfahren zum Herstellen einer derartigen Lotverbindung für ein Thermometer sind beispielsweise aus den Offenlegungsschriften DE102006048448A1 oder DE102015112199A1 bekannt geworden. Grundsätzlich hat bei einem entsprechenden Widerstandsthermometer die Lotverbindung einen großen Einfluss auf die thermischen Eigenschaften des Thermometers, insbesondere auf die thermische Ankopplung zwischen Widerstandselement und Sensorkopf, und damit einhergehend auch auf die messtechnischen Eigenschaften.As soldering a so-called SMD soldering is performed in many cases, in which first a solder is applied to a first component and then a second component is placed and soldered by heating with the first component. For the example of a sensor head of a resistance thermometer, a defined amount of solder in the solid state ("solder plate") is usually first introduced into the sensor head and fused by subsequent heating with the inner bottom of the sensor head. The sensor element is then immersed with its metallized side in the solder and soldered in this manner within the sensor head. Methods for producing such a solder joint for a thermometer are, for example, from the published patent applications DE102006048448A1 or DE102015112199A1 known. In principle, in the case of a corresponding resistance thermometer, the solder connection has a great influence on the thermal properties of the thermometer, in particular on the thermal coupling between resistance element and sensor head, and consequently also on the metrological properties.

Dies betrifft insbesondere die Güte bzw. Qualität der jeweiligen Lötstelle, sowie deren Reproduzierbarkeit. Beispielsweise sollte gewährleistet sein, dass für jede Lötstelle stets die gleiche Menge an Lot verwendet wird. Die qualitative Reproduzierbarkeit einer Lötstelle kann darüber hinaus beispielsweise darüber entscheiden, ob das jeweilige Thermometer im Anschluss an die Fertigung einzeln kalibriert werden muss oder nicht. Mit Hinblick auf die Güte bzw. Qualität spielt unter anderem die Benetzung des Lotes auf der jeweiligen Oberfläche eine wichtige Rolle. Weiterhin sind die Stabilität der Lotverbindung, sowie die geometrische Verteilung des Lots zwischen den beiden Bauteilen von zentraler Bedeutung.This concerns in particular the quality or quality of the respective solder joint, as well as their reproducibility. For example, it should be ensured that the same amount of solder is always used for each solder joint. In addition, the qualitative reproducibility of a solder joint can decide, for example, whether or not the respective thermometer must be individually calibrated after production. Among other things, the wetting of the solder on the respective surface plays an important role with regard to the quality or quality. Furthermore, the stability of the solder joint, as well as the geometric distribution of the solder between the two components of central importance.

Beispielsweise hängt die im Endergebnis erzielte Lotverbindung von der Positioniergenauigkeit des Lotplättchens innerhalb der Hülse ab. Ein weiterer Faktor betrifft die Homogenität sowie die weitgehend einheitliche geometrische Verteilung des Lots innerhalb der Fühlerspitze. Darüber hinaus spielt aber auch die Beschaffenheit und/oder Materialzusammensetzung des Lötplättchens eine große Rolle. Beispielsweise kann das Vorhandensein eines Flussmittels, welches im Zuge der Erhitzung gegebenenfalls verdampft, einen Einfluss auf die resultierenden Adhäsions- und Kohäsionskräfte des flüssigen Lotes haben. Weitere entscheidende Faktoren sind ferner gegeben durch die Größe der Kraft, mittels welcher das jeweilige Sensorelement in das flüssige Lot in der Edelstahlhülse gedrückt wird sowie durch die Positioniergenauigkeit bei diesem Vorgang. Die Aufzählung macht deutlich, dass im Prinzip weder die Geometrie, insb. die Dicke, der Lotschicht, noch deren exakte räumliche Verteilung oder die exakte Positionierung des Sensorelements innerhalb der Hülse ohne aufwendige Vorarbeiten und Ablaufstrukturen hinreichend kontrollierbar sind.For example, the solder connection achieved in the end result depends on the positioning accuracy of the solder plate within the sleeve. Another factor concerns the homogeneity and the largely uniform geometric distribution of the solder inside the tip of the probe. In addition, however, the nature and / or material composition of the solder plate also plays a major role. For example, the presence of a flux, which may evaporate in the course of heating, may have an influence on the resulting adhesion and cohesion forces of the liquid solder. Further decisive factors are further given by the size of the force by means of which the respective sensor element is pressed into the liquid solder in the stainless steel sleeve and by the Positioning accuracy during this process. The enumeration makes it clear that, in principle, neither the geometry, in particular the thickness, the solder layer, nor their exact spatial distribution or the exact positioning of the sensor element within the sleeve without elaborate preparatory work and flow structures are sufficiently controllable.

Es sei darauf verwiesen, dass die hier getätigte Auflistung keinesfalls abschließend ist. Vielmehr sind beispielhaft einige mögliche Aspekte genannt, welche für die Messperformance, insbesondere die Messgenauigkeit und/oder Ansprechzeit, des Thermometers eine Rolle spielen.It should be noted that the listing made here is by no means exhaustive. Rather, by way of example, some possible aspects are mentioned which play a role for the measurement performance, in particular the measurement accuracy and / or response time, of the thermometer.

Ausgehend von der beschriebenen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums mit reproduzierbarer Messperformance, insbesondere Messgenauigkeit und/oder Ansprechzeit, anzugeben.Based on the described problem, the present invention is based on the object of specifying a method for producing a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium with reproducible measurement performance, in particular measurement accuracy and / or response time.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 10.This object is achieved by the method according to claim 1 and by the device according to claim 10.

Bezüglich des Verfahrens wird die der Erfindung zugrundliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, welche Vorrichtung ein Gehäuseelement und zumindest einen Sensorelement mit einem Temperatursensor umfasst, wobei zumindest auf einem Teilbereich einer Oberfläche des Gehäuseelements zumindest eine erste Verbindungsschicht aufgebracht wird, wobei zumindest auf einem Teilbereich einer dem Temperatursensor abgewandten Oberfläche des Sensorelements zumindest eine zweite Verbindungschicht aufgebracht wird, und wobei das Gehäuseelement und das Sensorelement vermittels der zwei Verbindungsschichten miteinander verbunden werden, derart dass das Sensorelement an dem Gehäuseelement befestigt wird.With regard to the method, the object underlying the invention is achieved by a method for producing a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium, which device comprises a housing element and at least one sensor element with a temperature sensor, wherein at least a portion of a surface of the Housing element is applied at least a first connection layer, wherein at least on a portion of a temperature sensor remote from the surface of the sensor element at least a second compound layer is applied, and wherein the housing member and the sensor element are interconnected by means of the two connecting layers, such that the sensor element attached to the housing member becomes.

Erfindungsgemäß können die erste und zweite Verbindungsschicht reproduzierbar auf das Gehäuseelement bzw. auf das Sensorelement aufgebracht werden. Entsprechend kann auch eine reproduzierbare Verbindung zwischen dem Gehäuseelement und dem Sensorelement gewährleistet werden. Insbesondere kann beispielsweise ein im Wesentlichen gleicher Abstand zwischen dem Gehäuseelement und dem Sensorelement bzw. eine gleichbleibende relative Positionierung der beiden zueinander gewährleistet werden.According to the invention, the first and second connecting layers can be reproducibly applied to the housing element or to the sensor element. Accordingly, a reproducible connection between the housing element and the sensor element can be ensured. In particular, for example, a substantially equal distance between the housing element and the sensor element or a constant relative positioning of the two can be ensured to each other.

Im Gegensatz zu einem Lötverfahren ist das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Verfahren ferner universell und für eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien für das Gehäuseelement und/oder das Sensorelement einsetzbar.In contrast to a soldering method, the method on which the present invention is based can furthermore be used universally and for a multiplicity of different materials for the housing element and / or the sensor element.

Die Vorrichtung, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar ist, kann, wie bereits erwähnt, einerseits ein Thermometer zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch ebenfalls für Messgeräte zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses, insbesondere des Massedurchflusses und/oder Volumendurchflusses eines Mediums durch eine Rohrleitung anwendbar. Entsprechende Durchflussmessgeräte basieren dann auf dem an sich aus dem Stand der Technik bestens bekannten thermischen Messprinzip und weisen als Teil der Sensoreinheit ebenfalls zumindest ein Sensorelement mit einem Temperatursensor auf.The device which can be produced by means of the method according to the invention can, as already mentioned, on the one hand be a thermometer for determining and / or monitoring the temperature of a medium. However, the method according to the invention is likewise applicable to measuring devices for determining and / or monitoring the flow, in particular the mass flow and / or volume flow of a medium through a pipeline. Corresponding flowmeters are then based on the well-known from the prior art thermal measuring principle and also have at least one sensor element with a temperature sensor as part of the sensor unit.

Bei dem Temperatursensor handelt es sich bei beiden Gattungen von Messgeräten bevorzugt um einen Temperatursensor in Form eines Widerstandselements, insbesondere eines Platinelements. Dieses kann beispielsweise auf ein Substrat aufgebracht sein. Die erste Verbindungsschicht wird in diesem Falle bevorzugt auf eine dem Sensorelement abgewandte Oberfläche des Substrats aufgebracht.The temperature sensor in both types of measuring devices is preferably a temperature sensor in the form of a resistance element, in particular a platinum element. This can for example be applied to a substrate. In this case, the first connection layer is preferably applied to a surface of the substrate facing away from the sensor element.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei dem Gehäuseelement um ein topfförmiges Element mit einer Bodenfläche und einer an die Bodenfläche angrenzenden Mantelfläche.In one embodiment of the method according to the invention, the housing element is a pot-shaped element having a bottom surface and a lateral surface adjoining the bottom surface.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Sensorelement derart in das topfförmige Element eingebracht wird, dass sich die beiden Verbindungsschichten gegenüberliegend befinden, wobei das topfförmige Element und das Sensorelement vermittels der zwei Verbindungsschichten miteinander verbunden werden, derart, dass sich das Sensorelement zumindest teilweise in einem Innenvolumen des topfförmigen Elements befindet. Gerade bei topfförmigen oder hülsenförmigen Gehäuseelementen ist eine einem Innenraum des Gehäuseelements zugewandte Oberfläche der Bodenfläche oft nur eingeschränkt erreichbar. Gerade auf diese Oberfläche wird aber üblicherweise das Sensorelement aufgebracht. Indem zuerst die Verbindungsschichten auf die beiden einzelnen Elemente, das Sensorelement und das Gehäuseelement aufgebracht werden, kann eine reproduzierbare Verbindung gewährleistet werden.Here, it is advantageous if the sensor element is introduced into the cup-shaped element in such a way that the two connecting layers are located opposite one another, the cup-shaped element and the sensor element being connected to one another by means of the two connecting layers, such that the sensor element is at least partially in one Inner volume of the cup-shaped element is located. Especially with cup-shaped or sleeve-shaped housing elements, an interior of the housing element facing surface of the bottom surface is often only partially accessible. However, the sensor element is usually applied to this surface. By first the connecting layers are applied to the two individual elements, the sensor element and the housing element, a reproducible connection can be ensured.

Alternativ ist es auch denkbar, dass die Mantelfläche des topfförmigen Elements nach dem Verbinden des Sensorelements mit dem Gehäuseelement an die Bodenfläche angebracht, insbesondere angeschweißt, wird. Auf diese Weise ist die jeweilige Oberfläche der Bodenfläche des Gehäuseelements zwar besser zugänglich - trotzdem lässt sich jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine besser reproduzierbare Verbindung des Gehäuseelements mit dem Sensorelement erzielen.Alternatively, it is also conceivable that the lateral surface of the pot-shaped element attached after connecting the sensor element with the housing element to the bottom surface, in particular welded, is. In this way, the respective surface of the bottom surface of the housing element Although more accessible - nevertheless, can be achieved with the inventive method a better reproducible connection of the housing element with the sensor element.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass jede der beiden Verbindungsschichten eine Vielzahl von einseitig an einer Oberfläche angebrachten Nanodrähten aufweist. Bei der jeweiligen Oberfläche, auf welcher die Nanodrähte angebracht sind, kann es sich einerseits um die jeweiligen Oberflächen des Sensorelements bzw. des Gehäuseelements handeln. Es ist aber auch denkbar ein Substrat zu verwenden, auf welchen die Nanodrähte jeweils aufgebracht werden.A particularly preferred embodiment includes that each of the two connection layers has a multiplicity of nanowires attached to one surface on one side. The respective surface on which the nanowires are mounted can on the one hand be the respective surfaces of the sensor element or of the housing element. However, it is also conceivable to use a substrate on which the nanowires are respectively applied.

Die Nanodrähte bilden bevorzugt einen sogenannten Nanorasen. Der Durchmesser der Nanodrähte beträgt bevorzugt etwa 10nm bis 4µm und die Länge der Nanodrähte liegt bevorzugt im Bereich von 0,1-400 µm.The nanowires preferably form a so-called nanorase. The diameter of the nanowires is preferably about 10 nm to 4 μm, and the length of the nanowires is preferably in the range of 0.1-400 μm.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass die Nanodrähte zumindest den Teilbereich der Oberfläche des Gehäuseelements und/oder den Teilbereich der dem Temperatursensor abgewandten Oberfläche des Sensorelements im Wesentlichen flächig bedecken. Die Verbindungsschichten weisen also eine flächige Bedeckung mit Nanodrähten auf, bzw. die jeweiligen Teilbereiche der jeweiligen Oberfläche sind im Wesentlichen vollständig von Nanodrähten bedeckt.Another particularly preferred embodiment includes that the nanowires cover at least the partial area of the surface of the housing element and / or the partial area of the temperature sensor remote from the surface of the sensor element substantially flat. The bonding layers thus have a planar covering with nanowires, or the respective subregions of the respective surface are essentially completely covered by nanowires.

Es ist ferner von Vorteil, wenn die Nanodrähte aus einem Metall, insbesondere Kupfer, Silber oder Platin, bestehen. Auf diese Weise kann eine elektrisch und thermisch leitfähige Verbindung des Gehäuseelements mit dem Sensorelement gewährleistet werden.It is also advantageous if the nanowires consist of a metal, in particular copper, silver or platinum. In this way, an electrically and thermally conductive connection of the housing element to the sensor element can be ensured.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest eine der beiden Verbindungsschichten mittels eines lonenspurätzverfahrens hergestellt. In a further, particularly preferred embodiment of the method according to the invention, at least one of the two connecting layers is produced by means of an ion spatter etching method.

Noch eine weitere, besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Verbindung des Gehäuseelements und des Sensorelements durch eine äußere Krafteinwirkung hergestellt wird. Beispielsweise können die beiden Verbindungsschichten durch ein Zusammendrücken oder Aufeinanderdrücken des Gehäuseelements und des Sensorelements verbunden, bzw. das Sensorelement an dem Gehäuseelement befestigt, werden.Yet another, particularly preferred embodiment provides that the connection of the housing element and the sensor element is produced by an external force. For example, the two connection layers can be connected by compressing or pressing the housing element and the sensor element together, or the sensor element can be fastened to the housing element.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, welche Vorrichtung ein Gehäuseelement und zumindest ein Sensorelement mit einem Temperatursensor umfasst, und welche Vorrichtung mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.The object underlying the invention is further achieved by a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium, which device comprises a housing element and at least one sensor element with a temperature sensor, and which device is produced by means of a method according to the invention.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es bei dem Temperatursensor um ein Widerstandselement, insbesondere ein Platinelement.In one embodiment of the device according to the invention, the temperature sensor is a resistance element, in particular a platinum element.

In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung handelt es sich bei dem Gehäuseelement um ein topfförmiges Element, insbesondere um eine Hülse, insbesondere eine Tiefziehhülse oder um eine gefräste oder gedrehte Hülse. Das topfförmige Element hat eine, insbesondere geschlossene Bodenfläche und eine Mantelfläche. Es ist sowohl denkbar, das Sensorelement in das topfförmige Element einzubringen, oder erst die Bodenfläche des topfförmigen Elements mit dem Sensorelement zu verbinden, bevor die Mantelfläche an die Bodenfläche angebracht wird.In a further embodiment of the device, the housing element is a pot-shaped element, in particular a sleeve, in particular a deep-drawn sleeve or a milled or turned sleeve. The pot-shaped element has a, in particular closed bottom surface and a lateral surface. It is also conceivable to introduce the sensor element into the cup-shaped element, or to connect the bottom surface of the pot-shaped element with the sensor element before the lateral surface is attached to the bottom surface.

Es ist es von Vorteil, wenn das topfförmige Element aus einem Metall, insbesondere aus Edelstahl, Kupfer, Aluminium, einer Nickelbasislegierung, oder Tantal, besteht.It is advantageous if the pot-shaped element consists of a metal, in particular stainless steel, copper, aluminum, a nickel-based alloy, or tantalum.

Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwenden lassen und umgekehrt.It should be pointed out that the embodiments described in connection with the method according to the invention can also be applied mutatis mutandis to the device according to the invention and vice versa.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: schematische Zeichnungen von Thermometern nach Stand der Technik, bei welchen die Temperatursensoren jeweils an ein Gehäuseelement angelötet sind,
2: eine erste Ausgestaltung einer nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums, und
3: eine zweite Ausgestaltung einer nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums.

The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings. It shows:

1 : schematic drawings of thermometers according to the prior art, in which the temperature sensors are each soldered to a housing element,
2 a first embodiment of a device produced by a method according to the invention for determining and / or monitoring the temperature of a medium, and
3 A second embodiment of a device produced by a method according to the invention for determining and / or monitoring the temperature of a medium.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Einfachheit halber bezieht sich auch die nachfolgende Beschreibung auf Thermometer. Wie bereits erwähnt, lassen sich die vorgenommenen Überlegungen mutatis mutandis auch auf thermische Durchflussmessgeräte anwenden.In the figures, the same elements are provided with the same reference numerals. For the sake of simplicity, the following description also refers to thermometers. As already mentioned, the considerations made can be mutatis mutandis applied to thermal flow meters.

In 1 ist sind drei schematische Zeichnungen von Thermometern 1 nach Stand der Technik gezeigt, bei welchen das Sensorelement 4 jeweils an einem Gehäuseelement 2 angelötet ist. Bei dem Gehäuseelement handelt es sich jeweils um ein topfförmiges Element mit einer Bodenfläche 3 und einer Mantelfläche 8. Das Sensorelement 4 ist mit auf der dem Temperatursensor 4a abgewandten Seite an die Bodenfläche 3 des Gehäuseelements 2 mittels des Lots 5 angelötet. Bei derartig gefertigten Thermometern 1 kann die Lotverbindung kritisch für die erzielbare Messperformance des Thermometers werden. Eine reproduzierbare Befestigung des Sensorelements 4 an dem Gehäuseelement 2 kann nicht immer gewährleistet sein. Beispielsweise unterscheiden sich die in 1a und 1b dargestellten Thermometer 1 dadurch, dass im Falle des Thermometers 1 aus 1b eine größere Menge an Lot verwendet wurde. Als Konsequenz ist ein Abstand zwischen der Bodenfläche 3 und dem Sensorelement 4 bei dem Thermometer 1 aus 1b größer als im Falle der 1a. Dies hat Auswirkungen auf die thermischen Eigenschaften der jeweiligen Thermometer 1 und damit einhergehend auf die erreichbare Messperformance.In 1 is three schematic drawings of thermometers 1 shown in the prior art, in which the sensor element 4 each on a housing element 2 is soldered. The housing element is in each case a cup-shaped element with a bottom surface 3 and a lateral surface 8th , The sensor element 4 is on with the temperature sensor 4a facing away from the floor surface 3 of the housing element 2 by means of the lot 5 soldered. In such manufactured thermometers 1 The solder joint can be critical for the achievable measurement performance of the thermometer. A reproducible attachment of the sensor element 4 on the housing element 2 can not always be guaranteed. For example, the differences in 1a and 1b illustrated thermometer 1 in that in the case of the thermometer 1 out 1b a larger amount of solder was used. As a consequence, there is a distance between the floor surface 3 and the sensor element 4 at the thermometer 1 out 1b greater than in the case of 1a , This has an effect on the thermal properties of the respective thermometer 1 and concomitantly with the achievable measurement performance.

Eine weitere Problematik betrifft beispielsweise die Ausrichtung des Sensorelements 4 relativ zum Gehäuseelement 2. Im Falle der 1c ist das Sensorelement 4 beispielsweise im Vergleich zu den Sensorelementen 4 aus den Figuren 1a und 1b gedreht. Dies kann beispielsweise durch auftretende Kapillarkräfte zwischen dem Lot 5 und Wandungen des Gehäuseelements 2 hervorgerufen werden. Es sei darauf verwiesen, dass neben den hier genannten Ursachen zahlreiche weitere Ursachen für eine mangelnde Reproduzierbarkeit eines Thermometers 1 mit auf ein Gehäuseelement 2 gelötetem Sensorelement 4 sorgen können, die hier nicht alle im Detail beschrieben werden können.Another problem concerns, for example, the orientation of the sensor element 4 relative to the housing element 2 , In case of 1c is the sensor element 4 for example, compared to the sensor elements 4 from the figures 1a and 1b turned. This can be done, for example, by occurring capillary forces between the solder 5 and walls of the housing element 2 be caused. It should be noted that in addition to the causes mentioned here numerous other causes of a lack of reproducibility of a thermometer 1 with on a housing element 2 soldered sensor element 4 not all of which can be described in detail here.

Um Thermometer mit möglichst reproduzierbarer, gleichbleibender Messperformance bereitstellen zu können, wird erfindungsgemäß zur Herstellung eines Thermometers zuerst jeweils eine Verbindungsschicht 6,7 auf das Sensorelement 4 und auf das Gehäuseelement 2 aufgebracht, bevor eine Verbindung der beiden Komponenten 2,4 vorgenommen wird.In order to be able to provide thermometers with a reproducible, consistent measurement performance that is as reproducible as possible, in order to produce a thermometer according to the invention, in each case first a connecting layer 6, 7 is applied to the sensor element 4 and on the housing element 2 applied before a connection of the two components 2,4 is made.

Eine erste mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 skizziert. Wie in 2a dargestellt ist, wird zuerst auf eine Oberfläche des Gehäuseelements 2 eine erste Verbindungsschicht 6 aufgebracht. Für das gezeigte Beispiel ist das Gehäuseelement 2 in Form eines topfförmigen Elements mit einer Bodenfläche 3 und einer Mantelfläche 8 ausgestaltet. Die erste Verbindungsschicht 6 wird auf eine einem Innenvolumen V zugewandte Oberfläche der Bodenfläche 3 aufgebracht.A first possible embodiment of the method according to the invention is in 2 outlined. As in 2a is first shown on a surface of the housing element 2 a first connection layer 6 applied. For the example shown, the housing element 2 in the form of a cup-shaped element with a bottom surface 3 and a lateral surface 8th designed. The first connection layer 6 is on an internal volume V facing surface of the floor surface 3 applied.

Anschließend wird auf die dem Temperatursensor 4a abgewandten Oberfläche des Sensorelements 4 eine zweite Verbindungsschicht 7 aufgebracht. Bevorzugt sind die erste und zweite Verbindungsschicht bezüglich ihrer Dimensionierung, bzw. bezüglich der Querschnittsflächen der jeweiligen Oberflächen, auf welche sie aufgebracht werden, im Wesentlichen identisch ausgestaltet.Subsequently, on the the temperature sensor 4a remote surface of the sensor element 4 a second connection layer 7 applied. Preferably, the first and second bonding layers are configured substantially identically with respect to their dimensioning or with respect to the cross-sectional areas of the respective surfaces to which they are applied.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn jede der beiden Verbindungsschichten 6,7 eine Vielzahl von einseitig an die jeweilige Oberfläche angebrachten Nanodrähten aufweist. Bei den beiden Verbindungsschichten 6,7 handelt es sich im Prinzip jeweils um einen Nanorasen, welcher die jeweiligen Oberflächen, auf welchen sich die Verbindungsschichten 6,7 jeweils befinden, flächig bedeckt.It is particularly advantageous if each of the two connecting layers 6, 7 has a multiplicity of nanowires attached to the respective surface on one side. In principle, the two connecting layers 6, 7 are in each case a nanorase, which covers the respective surfaces on which the connecting layers 6, 7 are in each case flat.

Im nächsten Verfahrensschritt, wie in 2b gezeigt, werden das Gehäuseelement 2 und das Sensorelement 4 vermittels der beiden Verbindungsschichten 6,7 miteinander verbunden, derart, dass das Sensorelement 2 an dem Gehäuseelement 4 befestigt wird. Bevorzugt sind die Verbindungsschichten so ausgestaltet, dass eine Verbindung durch eine äußere Krafteinwirkung, beispielsweise durch ein geeignetes Zusammendrücken des Sensorelements 4 und des Gehäuseelements 2 erzielt wird. Beispielsweise kann das Sensorelement 4 an das Gehäuseelement 2 angedrückt werden, oder umgekehrt.In the next process step, as in 2 B shown, the housing element 2 and the sensor element 4 connected by means of the two connecting layers 6,7, such that the sensor element 2 on the housing element 4 is attached. Preferably, the connecting layers are designed so that a connection by an external force, for example by a suitable compression of the sensor element 4 and the housing member 2 is achieved. For example, the sensor element 4 to the housing element 2 be pressed, or vice versa.

Das fertiggestellte Thermometer 1 ist schließlich in 2c dargestellt. Vorteilhaft ist die mittels der beiden Verbindungsschichten 6,7 herstellbare Verbindung reproduzierbar und sorgt für eine stets gleichbleibende Anordnung des jeweiligen Sensorelements 4 in dem jeweiligen Gehäuseelement 2 für unterschiedliche Thermometer 1. Das hohe Maß an Reproduzierbarkeit kann insbesondere auch im Falle konstruktiv schwerer zugänglicher Geometrien, wie im Falle topförmig ausgestalteter Gehäuseelemente 2, gewährleistet werden.The finished thermometer 1 is finally in 2c shown. Advantageously, the means of the two connecting layers 6 . 7 producible connection reproducible and ensures an always consistent arrangement of the respective sensor element 4 in the respective housing element 2 for different thermometers 1 , The high degree of reproducibility can also be particularly in the case of structurally difficult to access geometries, such as in the case of cup-shaped housing elements 2 , be guaranteed.

Eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand von 3. Auch hier handelt es sich bei dem Gehäuseelement 2 um ein topfförmiges Element mit einer Bodenfläche 3 und einer Mantelfläche 8. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung aus 2 wird die Mantelfläche 8 allerdings erst nach dem Verbinden des Gehäuseelements 2 mit dem Sensorelement 4 an die Bodenfläche 3 angebracht, wie in 3c zu sehen ist.A second embodiment of the method according to the invention is the subject of 3 , Again, it is in the housing element 2 around a cup-shaped element with a bottom surface 3 and a lateral surface 8th , In contrast to the design of 2 becomes the lateral surface 8th however, only after the connection of the housing element 2 with the sensor element 4 to the floor surface 3 attached, as in 3c you can see.

Ähnlich wie im Falle der Ausgestaltung aus 2 werden zuerst die Verbindungsschichten 6,7 auf das Gehäuseelement 2, hier auf die Bodenfläche 3 des Gehäuseelements 2, sowie auf das Sensorelement 4, bzw. auf die dem Temperatursensor 4a abgewandten Oberfläche des Sensorelements 4, aufgebracht (vgl. 3a). Im nächsten Verfahrensschritt werden, wie aus 3b ersichtlich, das Gehäuseelement 2 und das Sensorelement 4 mittels der beiden Verbindungsschichten 6,7 miteinander verbunden. Auch dieser Verfahrensschritt ist ähnlich den äquivalenten Verfahrensschritten der in 2 gezeigten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens (vgl. insbesondere 2b und 2c). Auch im Falle der Ausgestaltung aus 3 ist das Ergebnis ein Thermometer 1 mit einem Gehäuseelement 2 und einem Sensorelement 4, bei welchem eine hohe Reproduzierbarkeit der Anordnung für unterschiedliche Thermometer 1 gewährleistet werden kann.Similar as in the case of the embodiment 2 first become the connecting layers 6 . 7 on the housing element 2 , here on the floor surface 3 of the housing element 2 , as well as on the sensor element 4 , or on the temperature sensor 4a remote surface of the sensor element 4 , applied (cf. 3a) , In the next step, as out 3b seen, the housing element 2 and the sensor element 4 by means of the two connecting layers 6,7 with each other connected. Also, this process step is similar to the equivalent process steps of in 2 shown embodiment of the method according to the invention (see, in particular 2 B and 2c ). Also in the case of the design 3 the result is a thermometer 1 with a housing element 2 and a sensor element 4 in which a high reproducibility of the arrangement for different thermometers 1 can be guaranteed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Thermometerthermometer
22: Gehäuseelementhousing element
33: Bodenflächefloor area
44: Sensorelement 4a Temperatursensorsensor element 4a temperature sensor
55: Lotsolder
66: Erste VerbindungsschichtFirst connection layer
77: Zweite VerbindungsschichtSecond connection layer
88th: Mantelfläche lateral surface
VV: Innenvolumeninternal volume

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006048448 A1 [0006]
DE 102015112199 A1 [0006]

Claims

Method for producing a device (1) for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium, which device (1) comprises a housing element (2) and at least one sensor element (4) with a temperature sensor (4a), wherein at least on a partial area of a surface of the housing element (2) at least a first connecting layer (6) is applied, wherein at least on a partial region of the temperature sensor (4a) facing away from the surface of the sensor element (4) at least a second compound layer (7) is applied, and wherein the housing element (2) and the sensor element (4) are connected to one another by means of the two connecting layers (6, 7) such that the sensor element (4) is fastened to the housing element (2).

Method according to Claim 1 in which the housing element (2) is a cup-shaped element having a bottom surface (3) and a lateral surface (8) adjoining the bottom surface (3).

Method according to Claim 2 in that the sensor element (4) is introduced into the cup-shaped element in such a way that the two connecting layers (6, 7) are located opposite one another, and wherein the cup-shaped element and the sensor element (4) are interconnected by means of the two connecting layers (6, 7) be connected, such that the sensor element (4) is at least partially in an inner volume (V) of the cup-shaped element.

Method according to Claim 2 , wherein the lateral surface (8) of the pot-shaped element after connecting the sensor element (4) with the housing element (2) attached to the bottom surface (3), in particular welded, is.

Method according to at least one of the preceding claims, wherein each of the two connecting layers (6, 7) has a plurality of nanowires attached to one surface on one side.

Method according to Claim 5 , wherein the nanowires cover at least the partial area of the surface of the housing element (2) and / or the partial area of the temperature sensor (4a) facing away from the surface of the sensor element (4) substantially flat.

Method according to Claim 5 or 6 , wherein the nanowires consist of a metal, in particular copper, silver or platinum.

Method according to at least one of the preceding claims, wherein at least one of the two connecting layers (6, 7) is produced by means of an ion track etching method.

Method according to at least one of the preceding claims, wherein the connection of the housing element (2) and the sensor element (4) is produced by an external force.

Device (1) for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium, which device comprises a housing element (2) and at least one sensor element (4) with a temperature sensor (4a), and which device (1) by means of a method according to at least one of the preceding claims.

Device after Claim 10 wherein the temperature sensor is a resistance element, in particular a platinum element.

Device after Claim 10 or 11 , wherein the housing element is a pot-shaped element, in particular a sleeve, in particular a deep-drawn sleeve or a milled or turned sleeve.

Device after Claim 12 , wherein the cup-shaped element consists of a metal, in particular of stainless steel, copper, aluminum, a nickel-based alloy, or tantalum.