DE102018130547A1 - Sensor element, method for its production and thermal flow sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung umfasst ein Sensorelement (100) zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft, insbesondere zum Messen der Temperatur, eines Messmediums (2) und/oder zur zumindest zeitweisen Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums (2), umfassend ein Trägerelement (110), zumindest eine auf dem Trägerelement (110) aufgebrachte und nach dem Aufbringen strukturierte funktionale Schicht (120), welche aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten besteht, und eine auf der funktionalen Schicht (120) aufgebrachte Passivierungsschicht (130), wobei die funktionale Schicht (120) derart strukturiert ist, dass diese zur Erfassung der physikalischen Eigenschaft des Messmediums (2) und/oder zur Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums (2) durch Anlegen einer elektrischen Spannung oder einem elektrischen Strom ausgestaltet ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen erfindungsgemäßen Sensorelements.The invention comprises a sensor element (100) for determining a physical property, in particular for measuring the temperature, a measuring medium (2) and / or for at least temporarily heating or cooling the measuring medium (2), comprising a carrier element (110), at least one functional layer (120) applied to the carrier element (110) and structured after the application, which consists of a material with a defined temperature coefficient, and one passivation layer (130) applied to the functional layer (120), the functional layer ( 120) is structured in such a way that it is designed to detect the physical property of the measuring medium (2) and / or to heat or cool the measuring medium (2) by applying an electrical voltage or an electrical current, and a method for producing the same of such a sensor element according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft, insbesondere zum Messen der Temperatur, eines Messmediums und/oder zur zumindest zeitweisen Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums. Die Erfindung betrifft weiterhin einen thermischen Strömungssensor, aufweisend zumindest ein erfindungsgemäßes Sensorelement. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein erfindungsgemäßes Sensorelement.The invention relates to a sensor element for determining a physical property, in particular for measuring the temperature, a measuring medium and / or for at least temporarily heating or cooling the measuring medium. The invention further relates to a thermal flow sensor, comprising at least one sensor element according to the invention. Furthermore, the invention relates to a manufacturing method for a sensor element according to the invention.
Im Stand der Technik sind Aufbauten von Sensorelementen, beispielsweise Temperatursensoren, Heizelemente, Wärmeleitfähigkeitssensoren und Wärmekapazitätssensoren, ausführlich beschrieben. Als Material für den Widerstand, bei Ausgestaltung des Sensorelements als Heizelement oder als Temperatursensor, werden Materialien mit einem definierten TCR („Temperature Coefficient of Resistance“) gewählt, oftmals Platin. Die oben aufgezählten Typen von Sensorelemente, und andere, werden oft direkt in das zu untersuchende Messmedium (z.B. in Gestalt von Membransensoren) gesetzt. Diese Sensorelemente sind sehr sensitiv, haben aber den Nachteil, dass diese Sensorelemente dem Medium direkt ausgesetzt sind und Schäden durch Korrosion erleiden können. Um Sensorelemente vor aggressiven und korrosiven Medien zu schützen, können Sensorelemente auf ein Trägerelement aufgelötet werden, dass gegenüber dem Medium unempfindlich ist und als Schutzschicht zwischen Sensorelement und Messmedium dient. Der Vorteil ist nun, dass der Sensor vor Schäden durch Korrosion geschützt ist, hat aber den Nachteil, dass der thermische Kontakt, verglichen mit einem obig beschriebenen, direkt eingesetzten Sensorelement, schlechter ist und somit weniger sensitiv gegenüber dem Messmedium ist und somit eine schlechtere Ansprechzeit aufweist. Der thermische Kontakt ist schlechter, da der Abstand zwischen Sensorstruktur und Medium vergleichsweise groß ist und die Lötzinnschicht Hohlräume (Lunker) und andere Imperfektionen durch den Lötprozess (unabhängig ob konventionell oder vakuum-gelötet) enthalten kann. Es besteht die Möglichkeit, dass, anstatt mit der Substratschicht auf die Schutzschicht zu löten, mit der Passivierung auf die Schutzschicht gelötet wird (sogenanntes „Flip-Chip“-Design). Auf diese Art und Weise kann der thermische Kontakt verbessert werden - die Imperfektionen des Lötprozesses bleiben jedoch bestehen.Structures of sensor elements, for example temperature sensors, heating elements, thermal conductivity sensors and heat capacity sensors, are described in detail in the prior art. Materials with a defined TCR ("Temperature Coefficient of Resistance"), often platinum, are selected as the material for the resistance, when the sensor element is configured as a heating element or as a temperature sensor. The types of sensor elements listed above, and others, are often placed directly in the measuring medium to be examined (e.g. in the form of membrane sensors). These sensor elements are very sensitive, but have the disadvantage that these sensor elements are directly exposed to the medium and can suffer damage from corrosion. In order to protect sensor elements from aggressive and corrosive media, sensor elements can be soldered onto a carrier element that is insensitive to the medium and serves as a protective layer between the sensor element and the measuring medium. The advantage now is that the sensor is protected against damage from corrosion, but has the disadvantage that the thermal contact is poorer compared to a directly used sensor element described above and is therefore less sensitive to the measuring medium and thus a poorer response time having. The thermal contact is worse because the distance between the sensor structure and the medium is comparatively large and the solder layer can contain cavities (voids) and other imperfections due to the soldering process (regardless of whether conventional or vacuum-soldered). It is possible that instead of soldering to the protective layer with the substrate layer, the passivation is to be soldered onto the protective layer (so-called “flip-chip” design). In this way, the thermal contact can be improved - but the imperfections of the soldering process remain.
Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement vorzustellen, welches zuverlässig gefertigt werden kann und welches eine hohe Sensitivität gegenüber einem Messmedium aufweist.Based on this problem, the object of the invention is to present a sensor element which can be manufactured reliably and which has a high sensitivity to a measuring medium.
Die Aufgabe wird durch ein Sensorelement zur Messung der Temperatur eines Messmediums und/oder zur zumindest zeitweisen Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums gelöst, umfassend ein Trägerelement, zumindest eine auf dem Trägerelement aufgebrachte und nach dem Aufbringen strukturierte funktionale Schicht, welche aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten besteht, und eine auf der funktionalen Schicht aufgebrachte Passivierungsschicht, wobei die funktionale Schicht zumindest einen strukturieren funktionalen Bereich aufweist, welcher zur Erfassung der Temperatur des Messmediums und/oder zur Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums durch Anlegen einer elektrischen Spannung oder einem elektrischen Strom ausgestaltet ist.The object is achieved by a sensor element for measuring the temperature of a measuring medium and / or for at least temporarily heating or cooling the measuring medium, comprising a carrier element, at least one functional layer applied to the carrier element and structured after application, which is made of a material with a defined temperature coefficient, and a passivation layer applied to the functional layer, the functional layer having at least one structured functional area which is used to record the temperature of the measuring medium and / or to heat or cool the measuring medium by applying an electrical voltage or an electric current.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorelements besteht darin, dass die Sensitivität des Sensorelements gegenüber den bekannten Lösungen, welche ein Trägerelement verwenden, erhöht wird. Der thermische Kontakt der funktionalen Schicht zu dem Messmedium, bzw. die Biot-Zahl (diese ist eine dimensionslose Kennzahl der Thermodynamik und der Strömungsmechanik und gibt beim Wärmetransport durch die Oberfläche eines Körpers das Verhältnis des Wärme(leit)widerstandes des Körpers zum Wärmeübergangswiderstand des umgebenden Mediums an), wird verbessert, da der Abstand der funktionalen Schicht zu dem Messmedium verringert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Lötprozess wegfällt. Dadurch entfällt eine Lötschicht, welche Imperfektionen beinhalten könnte.The advantage of the sensor element according to the invention is that the sensitivity of the sensor element compared to the known solutions using a carrier element is increased. The thermal contact of the functional layer with the measuring medium, or the Biot number (this is a dimensionless index of thermodynamics and fluid mechanics and gives the ratio of the heat (conductive) resistance of the body to the heat transfer resistance of the surrounding one during heat transport through the surface of a body Medium on) is improved since the distance between the functional layer and the measuring medium is reduced. This is achieved by eliminating a soldering process. This eliminates a solder layer, which could contain imperfections.
Das Sensorelement kann als Temperatursensor oder als Heizelement, bzw. Kühlelement, dienen. Alternativ kann das Sensorelement beispielsweise unter anderem auch als Wärmeleitfähigkeitssensor oder als Wärmekapazitätssensor dienen.The sensor element can serve as a temperature sensor or as a heating element or cooling element. Alternatively, the sensor element can also serve, for example, as a thermal conductivity sensor or as a heat capacity sensor.
Die Passivierungsschicht besteht insbesondere aus einem keramischen Material und dient dem Schutz der funktionalen Schicht, insbesondere gegen Korrosion.The passivation layer consists in particular of a ceramic material and serves to protect the functional layer, in particular against corrosion.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Trägerelement eine erste, dem Messmedium abgewandte Oberfläche und eine zweite, dem Messmedium zugewandte Oberfläche aufweist, wobei die funktionale Schicht auf der ersten Oberfläche aufgebracht ist, wobei die zweite Oberfläche mit dem Messmedium kontaktierbar ist, und wobei es sich bei dem Trägerelement insbesondere um ein Röhrchen oder ein Plättchen handelt.According to an advantageous embodiment of the sensor element according to the invention, it is provided that the carrier element has a first surface facing away from the measuring medium and a second surface facing towards the measuring medium, the functional layer being applied to the first surface, the second surface being contactable with the measuring medium , and wherein the carrier element is in particular a tube or a plate.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht mittels eines Laserablationsverfahrens strukturiert ist. Ein Laserablationsverfahren bezeichnet ein Verfahren, bei dem ein durch einen Laser verursachter Materialabtrag erfolgt. Wie bei einer 3D-Lithografie besteht dadurch die Möglichkeit, dreidimensionale Strukturen zu erzeugen. Hierfür ist der Fokuspunkt des Lasers, an welchem der Materialabtrag erfolgt, in allen drei Raumrichtungen bewegbar.According to a preferred development of the sensor element according to the invention, it is provided that the functional layer is structured by means of a laser ablation method. A Laser ablation process refers to a process in which material is removed by a laser. As with 3D lithography, this enables the creation of three-dimensional structures. For this purpose, the focal point of the laser at which the material is removed can be moved in all three spatial directions.
Grundsätzlich können alle Strukturen mit Laserablation hergestellt werden, welche auf mit einem lithografischen Prozess hergestellt werden können. Im Gegenzug zu der 3D-Lithografie wird das Material allerdings nicht weggeätzt, sondern durch die Energiezufuhr des Lasers verdampft. Das Aufbringen von Fotolack und die nachfolgenden Ätzprozesse (beispielsweise lonenätzen und/oder Nassätzen) für die Strukturierung der funktionalen Schicht fallen vollständig weg. Ein komplexer Mehrschrittprozess wird dadurch auf einen Einschrittprozess reduziert. Dies birgt zudem Vorteil in Sachen Umwelt- und Gesundheitsaspekte, da auf aggressive Ätzmaterialien verzichtet werden kann. Außerdem ist dieses Verfahren üblicherweise auch kostengünstiger als ein lithografisches Verfahren, da nur noch eine Laseranlage benötigt wird und die lithografische Infrastruktur (Belackungsanlagen, Belichtungsanlagen, Ätzanlagen) entfallen.In principle, all structures can be produced with laser ablation, which can also be produced with a lithographic process. In contrast to 3D lithography, the material is not etched away, but is vaporized by the energy supplied by the laser. The application of photoresist and the subsequent etching processes (for example ion etching and / or wet etching) for structuring the functional layer are completely eliminated. A complex multi-step process is reduced to a one-step process. This also has advantages in terms of environmental and health aspects, since aggressive etching materials can be dispensed with. In addition, this method is usually also less expensive than a lithographic method, since only a laser system is required and the lithographic infrastructure (coating systems, exposure systems, etching systems) is eliminated.
Je nach Ausgestaltung des Lasers ist auch eine Dickschichtbearbeitung möglich.Depending on the design of the laser, thick-film processing is also possible.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die erste Oberfläche des Trägerelements gekrümmt, insbesondere konvex, ausgestaltet ist. Dementsprechend ist auch die auf der ersten Oberfläche des Trägerelements aufgebrachte funktionale Schicht gekrümmt, entsprechend der Krümmung der ersten Oberfläche. Insbesondere handelt es sich bei dem Trägerlement um ein Röhrchen, die erste Oberfläche wird dementsprechend von der äußeren Rohrwand gebildet. Mittels des Laserablationsverfahrens ist diese gekrümmte funktionale Schicht dank des in allen Raumrichtungen bewegbare Fokuspunkts des Lasers strukturierbar.A preferred embodiment of the sensor element according to the invention provides that the first surface of the carrier element is curved, in particular convex. Accordingly, the functional layer applied to the first surface of the carrier element is curved, corresponding to the curvature of the first surface. In particular, the support element is a tube, and the first surface is accordingly formed by the outer tube wall. By means of the laser ablation method, this curved functional layer can be structured thanks to the focus point of the laser, which can be moved in all spatial directions.
Das Herstellungsverfahren des Sensorelements kann hierdurch weiter vereinfacht werden. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Sensorelement auf Rohrwänden anzubringen, beispielsweise durch Löten des Sensorelements auf die Rohrwand. Die Rohrwand muss hierbei allerdings vor dem Löten bearbeitet werden. So muss die Krümmung der Rohrwand beispielsweise für den Bereich begradigt werden, auf welchen das Sensorelement gelötet wird, da das Sensorelement üblicherweise eine ebene Lötoberfläche aufweist.The manufacturing process of the sensor element can hereby be further simplified. It is known from the prior art to mount sensor element on pipe walls, for example by soldering the sensor element onto the pipe wall. The tube wall must be processed before soldering. For example, the curvature of the tube wall must be straightened for the area to which the sensor element is soldered, since the sensor element usually has a flat soldering surface.
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Trägerelement im Wesentlichen aus einem elektrisch nichtleitfähigem Material, insbesondere aus einem Kunststoff oder einem keramischen Material, besteht. In dieser Variante ist die funktionale Schicht direkt auf die erste Oberfläche des Trägerelements aufgebracht. Der Abstand zwischen der funktionalen Schicht und dem Messmedium ist dadurch minimiert.In a first variant of the sensor element according to the invention it is provided that the carrier element essentially consists of an electrically non-conductive material, in particular of a plastic or a ceramic material. In this variant, the functional layer is applied directly to the first surface of the carrier element. This minimizes the distance between the functional layer and the measuring medium.
Vorteilhaft für die Sensitivität des Sensorelements ist, wenn die Dicke des Trägerelements möglichst gering ist und für das Trägerelement ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. It is advantageous for the sensitivity of the sensor element if the thickness of the carrier element is as small as possible and a material with a high thermal conductivity is used for the carrier element.
In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Trägerelement im Wesentlichen aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem metallischen Material, besteht.In a second variant of the sensor element according to the invention it is provided that the carrier element consists essentially of an electrically conductive material, in particular of a metallic material.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass auf dem Trägerelement eine elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist, auf welcher elektrischen Isolationsschicht die funktionale Schicht aufgebracht ist. Die elektrische Isolationsschicht verhindert einen Kurzschluss zwischen der funktionalen Schicht und dem Trägerelement. Die elektrische Isolationsschicht mittels eines Dünnschicht- oder Dickschichtverfahrens aufgebracht sein und weist idealerweise eine geringe Dicke auf. Es ist vorgesehen, die Dicke der elektrischen Isolationsschicht gering zu wählen, um den Abstand zwischen der funktionalen Schicht und dem Messmedium nur geringfügig zu vergrößern (im Vergleich zu der ersten Variante), damit die Sensitivität des Sensorelements nur in einem geringen Maß beeinflusst wird.According to an advantageous embodiment of the second variant of the sensor element according to the invention, it is provided that an electrical insulation layer is applied to the carrier element, on which electrical insulation layer the functional layer is applied. The electrical insulation layer prevents a short circuit between the functional layer and the carrier element. The electrical insulation layer can be applied by means of a thin layer or thick layer method and ideally has a small thickness. It is intended to choose a small thickness for the electrical insulation layer in order to increase the distance between the functional layer and the measurement medium only slightly (in comparison to the first variant), so that the sensitivity of the sensor element is only influenced to a small extent.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die elektrische Isolationsschicht im Wesentlichen aus einem keramischen Material, insbesondere Aluminiumoxid, einer Oxidschicht oder aus Kunststoff besteht. Vorteilhaft ist, dass die elektrische Isolationsschicht aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, um die Beeinflussung der Sensitivität des Sensorelements durch die elektrische Isolationsschicht zu minimieren.According to an advantageous embodiment of the first variant of the sensor element according to the invention, it is provided that the electrical insulation layer essentially consists of a ceramic material, in particular aluminum oxide, an oxide layer or plastic. It is advantageous that the electrical insulation layer consists of a material with a high thermal conductivity in order to minimize the influence of the electrical insulation layer on the sensitivity of the sensor element.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, besteht. Wesentlich ist hierbei, dass das Material einen definierten TCR („Temperature coefficient of resistance“) aufweist, im Falle, dass das Sensorelement als Heizelement oder als Temperatursensor ausgestaltet ist.According to a preferred embodiment of the sensor element according to the invention, it is provided that the functional layer consists of a metallic material, in particular platinum. It is essential here that the material has a defined TCR (“Temperature coefficient of resistance”) in the event that the sensor element is designed as a heating element or as a temperature sensor.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die strukturierte funktionale Schicht eine Widerstandsstruktur, insbesondere mäanderförmig ausgestaltet und/oder eine kapazitive Struktur, insbesondere eine Kamm- oder eine Fingerstruktur, aufweist. Die Widerstandsstruktur wird in einem Heizelement oder in einem Temperatursensor verwendet. Über die definierte Widerstandsänderung abhängig von der Temperatur wird die aktuelle Temperatur des Messmediums bestimmt.According to an advantageous embodiment of the sensor element according to the invention, that the structured functional layer has a resistance structure, in particular meandering, and / or a capacitive structure, in particular a comb or a finger structure. The resistance structure is used in a heating element or in a temperature sensor. The current temperature of the measuring medium is determined via the defined change in resistance depending on the temperature.
Die funktionale Schicht kann alternativ auch als Peltierelement strukturiert werden, welches zur Abkühlung des Messmediums dient.Alternatively, the functional layer can also be structured as a Peltier element, which is used to cool the measuring medium.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch einen thermischen Strömungssensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Messmediums gelöst, wobei der thermische Strömungssensor zumindest ein erfindungsgemäßes Sensorelement aufweist, wobei das Sensorelement zum Erfassen der Temperatur des Messmediums dient und/oder wobei das Sensorelement dazu ausgestaltet ist, unter Beaufschlagung einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms das Messmedium zumindest kurzzeitig zu erwärmen oder abzukühlen.The object is further achieved by a thermal flow sensor for determining the flow velocity of a measurement medium, the thermal flow sensor having at least one sensor element according to the invention, the sensor element being used to detect the temperature of the measurement medium and / or the sensor element being designed to act upon a electrical voltage and / or an electrical current to heat or cool the measuring medium at least briefly.
Ein thermischer Strömungssensor dient zur Bestimmung eines Durchflusses, bzw. der Strömungsgeschwindigkeit eines Messmediums, bzw. eines Fluides, beispielsweise eines Gases oder Gasgemisches sind thermische Strömungssensoren bekannt. Diese nutzen aus, dass ein (strömendes) Messmedium Wärme von einer beheizten Fläche abtransportiert. Thermische Strömungssensoren bestehen typischerweise aus mehreren Funktionselementen, üblicherweise zumindest 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. Aus dem Stand der Technik sind auch thermische Strömungssensoren bekannt, welche lediglich ein einzelnes Element in Gestalt einer Kombination eines Heizelements/Temperatursensors, aufweisen.A thermal flow sensor is used to determine a flow or the flow velocity of a measuring medium or a fluid, for example a gas or gas mixture, thermal flow sensors are known. These take advantage of the fact that a (flowing) measuring medium transports heat away from a heated surface. Thermal flow sensors typically consist of several functional elements, usually at least one low-resistance heating element and one high-resistance element, which serves as a temperature sensor. Alternatively, thermal flow sensors with several low-resistance heating elements are constructed as heaters and temperature sensors. Thermal flow sensors are also known from the prior art, which have only a single element in the form of a combination of a heating element / temperature sensor.
Der erfindungsgemäße Strömungssensor ist zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, des Massestroms und/oder des Volumenstroms des Messmediums geeignet.The flow sensor according to the invention is suitable for determining the flow velocity, the mass flow and / or the volume flow of the measuring medium.
Der Strömungssensor umfasst des Weiteren eine Spannungs-/Stromquelle, eine Steuereinheit (zum Steuern der Wärme-/Kühlabgabe) und eine Auswerteeinheit, wobei die Steuereinheit und die Auswerteeinheit oft kombiniert in einer elektrischen Schaltung vorliegen. Der erfindungsgemäße Strömungssensor ist in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar:
- Kalorimetrische thermische Strömungssensoren bestimmen über eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperatursensoren, welche flussabwärts (engl. „downstream“) und flussaufwärts (engl. „upstream“) von einem Heizelement angeordnet sind, den Durchfluss bzw. die Flussrate des Fluids in einem Kanal. Hierzu wird ausgenutzt, dass die Temperaturdifferenz bis zu einem gewissen Punkt linear zu dem Durchfluss bzw. der Flussrate ist. Dieses Verfahren bzw. die Methode ist in der einschlägigen Literatur ausgiebig beschrieben.
- Calorimetric thermal flow sensors determine the flow or the flow rate of the fluid in a channel via a temperature difference between two temperature sensors, which are arranged downstream of a heating element and upstream. To this end, use is made of the fact that the temperature difference is linear to the flow or the flow rate up to a certain point. This method or method is described in detail in the relevant literature.
Anemometrische thermische Strömungssensoren bestehen aus zumindest einem Heizelement, welches während der Messung des Durchflusses erhitzt wird. Durch die Umströmung des Heizelements mit dem Messmedium findet ein Wärmetransport in das Messmedium statt, der sich mit der Strömungsgeschwindigkeit verändert. Durch Messung der elektrischen Größen des Heizelements kann auf die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums geschlossen werden. Anemometric thermal flow sensors consist of at least one heating element, which is heated during the measurement of the flow. Due to the flow around the heating element with the measuring medium, heat is transported into the measuring medium, which changes with the flow velocity. The flow velocity of the measuring medium can be inferred by measuring the electrical quantities of the heating element.
Strömungssensoren nach dem sogenannten „Time-of-Flight“-Messprinzip weisen zumindest ein Heizelement und einen Temperatursensor auf. Durch das Heizelement wird ein kurzzeitiger Wärmeimpuls in das Messmedium abgegeben, welcher einer lokale Erwärmung des Messmediums verursacht. Das fließende Messmedium verursacht eine Bewegung der lokalen Erwärmung entsprechend des vorliegenden Flusses. Gelangt die lokale Erwärmung in die Nähe des Temperatursensors, wird diese von dem Temperatursensor erfasst. Eine Auswerteeinheit bestimmt die Zeitdifferenz zwischen dem Induzieren des Wärmeimpulses und der Detektion der lokalen Erwärmung durch den Temperatursensor. Die Zeitdifferenz stellt ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums dar. Je niedriger die Zeitdifferenz ist, desto höher ist die vorliegende Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums, und vice versa.Flow sensors based on the so-called "time-of-flight" measuring principle have at least one heating element and one temperature sensor. The heating element emits a brief heat pulse into the measuring medium, which causes the measuring medium to heat up locally. The flowing measuring medium causes a movement of the local heating in accordance with the current flow. If the local heating comes close to the temperature sensor, this is detected by the temperature sensor. An evaluation unit determines the time difference between the induction of the heat pulse and the detection of local heating by the temperature sensor. The time difference represents a measure of the flow velocity of the measurement medium. The lower the time difference, the higher the flow velocity of the measurement medium, and vice versa.
Anstatt eines Heizelements kann auch ein geeignetes Kühlelement, beispielsweise ein Peltierelement, verwendet werden. Die obig beschriebenen Betriebsmodi sind unter Benutzung eines Kühlelements ebenfalls ausführbar, es wird hierbei ein Kühlimpuls in das Messmedium induziert.Instead of a heating element, a suitable cooling element, for example a Peltier element, can also be used. The operating modes described above can also be carried out using a cooling element; a cooling pulse is induced in the measuring medium.
Des Weiteren die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements zur Messung einer physikalischen Eigenschaft, insbesondere der Temperatur, und/oder zum Erwärmen eines Messmediums, umfassend:
- - Aufbringen einer funktionalen Schicht auf einem Trägerelement;
- - Strukturieren der funktionalen Schicht derart, dass die die funktionale Schicht zum Erfassen der Temperatur des Messmediums dient; und
- - Aufbringen einer Passivierungsschicht auf der funktionalen Schicht.
- - Applying a functional layer on a carrier element;
- - Structuring the functional layer in such a way that the functional layer serves to record the temperature of the measuring medium; and
- - Application of a passivation layer on the functional layer.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren liegt darin, dass die funktionale Schicht unmittelbar, bzw. mit einer zusätzlichen elektrischen Isolierschicht, auf das Trägersubstrat aufgebracht wird. Ein Lötschritt, welcher zu Fehleranfälligkeiten aufgrund von Imperfektionen der Lötschicht führen könnte, entfällt. Die Erfindung beschreibt somit zuverlässiges Herstellungsverfahren für ein sensitives Sensorelement.The advantage of the method according to the invention over the production methods known from the prior art is that the functional layer is applied directly, or with an additional electrical insulating layer, to the carrier substrate. A soldering step, which could lead to error susceptibility due to imperfections of the solder layer, is omitted. The invention thus describes a reliable manufacturing method for a sensitive sensor element.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht mittels einer Dünnschichttechnik, insbesondere Aufdampfen oder Sputtern, auf dem Trägerelement aufgebracht wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die funktionale Schicht mittels eines geeigneten Dickschichtverfahrens, beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, auf dem Trägerelement aufzubringen.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the functional layer is applied to the carrier element by means of thin-film technology, in particular vapor deposition or sputtering. Alternatively, it can also be provided that the functional layer is applied to the carrier element by means of a suitable thick-film method, for example by means of a screen printing method.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Falle, dass das Trägerelement im Wesentlichen aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, vor dem Aufbringen der funktionalen Schicht auf dem Trägerelement eine elektrische Isolationsschicht auf das Trägerelement aufgebracht wird, und wobei die funktionale Schicht auf die elektrische Isolationsschicht des Trägerelements aufgebracht wird. Die elektrische Isolationsschicht wird mittels eines Dünnschichtsverfahrens, beispielsweise Aufdampfen, Sputtern, etc., oder mittels eines Dickschichtverfahrens auf das Trägerelement aufgebracht. Wesentlich ist, dass die elektrische Isolationsschicht möglichst dünn ausgestaltet ist und aus einem thermisch gut leitfähigem Material besteht, um einen guten Wärmeübertrag von der funktionalen Schicht zu dem Messmedium, bzw. vice versa, zu gewährleisten.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that in the event that the carrier element consists essentially of an electrically conductive material, an electrical insulation layer is applied to the carrier element before the functional layer is applied, and the functional layer the electrical insulation layer of the carrier element is applied. The electrical insulation layer is applied to the carrier element by means of a thin layer method, for example vapor deposition, sputtering, etc., or by means of a thick layer method. It is essential that the electrical insulation layer is made as thin as possible and consists of a thermally highly conductive material in order to ensure good heat transfer from the functional layer to the measuring medium, or vice versa.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht mittels eines Laserablationsverfahren strukturiert wird, und wobei die funktionale Schicht derart strukturiert wird, dass diese nach erfolgter Strukturierung eine elektrische Widerstandsstruktur und/oder eine kapazitive Struktur aufweist. Die Wellenlänge und die Pulsenergie des Lasers wird insbesondere derart gewählt, dass nur die funktionale Schicht abgetragen wird, jedoch nicht die darunterliegende elektrische Isolationsschicht, bzw. das Material des Trägerelements, um Kurzschlüsse zu vermeiden.According to an advantageous development of the method according to the invention, it is provided that the functional layer is structured by means of a laser ablation method, and the functional layer is structured in such a way that, after structuring, it has an electrical resistance structure and / or a capacitive structure. The wavelength and the pulse energy of the laser are chosen in particular in such a way that only the functional layer is removed, but not the underlying electrical insulation layer or the material of the carrier element, in order to avoid short circuits.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Ultrakurzpulslaser für das Laserablationsverfahren verwendet wird. Die Pulsweite eines Ultrakurzpulslasers liegt im Picosekunden- bis Femtosekundenbereich. Die Verwendung eines solchen Lasertyps minimiert die thermische Beeinflussung der funktionalen Schicht durch den Strukturierungsprozess. Außerdem werden die physikalischen Eigenschaften (TCR, Brechungsindex, etc.) der funktionalen Schicht nicht verändert.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that an ultrashort pulse laser is used for the laser ablation method. The pulse width of an ultrashort pulse laser is in the picosecond to femtosecond range. The use of such a laser type minimizes the thermal influence on the functional layer by the structuring process. In addition, the physical properties (TCR, refractive index, etc.) of the functional layer are not changed.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Bereich des Trägerelements, auf welchem die funktionale Schicht aufgetragen wird, vor dem Aufbringen der funktionalen Schicht mittels des Laserablationsverfahrens vorstrukturiert wird. Beispielsweise wird die Dicke des Trägerelements verringert. Auf diese Art und Weise kann die Sensitivität des Sensorelements weiter erhöht werden.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that a region of the carrier element on which the functional layer is applied is pre-structured by means of the laser ablation method before the functional layer is applied. For example, the thickness of the carrier element is reduced. In this way, the sensitivity of the sensor element can be increased further.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt
-
1 : Ausführungsbeispiel von Sensorelementen, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind; und -
2 : ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
-
1 : Embodiment of sensor elements which are known from the prior art; and -
2nd : An embodiment of a sensor element according to the invention.
In
Mittels eines Lötverfahrens wird die von der funktionalen Schicht
Ein solches Sensorelement
Die funktionale Schicht 12 weist einen relativ großen Abstand d1 zwischen der funktionalen Schicht14 und dem Messmedium 2 auf. Die Erfassung der Temperatur des Messmediums2 erfolgt durch mehrere Schichten hindurch, und zwar durchdas Substrat 12 , durch dieLötschicht 15 und durchdas Trägerelement 11 . Die Materialen dieser Schichten sollten zwar eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen - trotzdem weistein solches Sensorelement 10 eine vergleichsweise geringe Sensitivität und eine schlechte Ansprechzeit auf. Spezielle Techniken können nur äußerst erschwert angewandt werden, wie beispielsweise die „3-Omega-Methode“, welche der Ermittlung von thermischen Parametern eines Messmediums dient. Hierbeiwird das Sensorelement 10 mit einem Treibersignal beaufschlagt und gleichzeitig der Spannungsabfall überdem Sensorelement 10 als Antwortsignal erfasst. Durch einen Vergleich der des Treibersignals mit dem Antwortsignal in der dritten harmonischen Oberschwingung kann auf die thermischen Parameter, beispielsweise die Wärmekapazität und/oder die Wärmeleitfähigkeit, des Messmediums geschlossen werden. Jedezwischen dem Messmedium 2 und der funktionalen Schicht12 befindliche Schicht erschwert die Anwendung dieser Technik.
- The
functional layer 12 has a relatively large distance d 1 between thefunctional layer 14 and the measuring medium2nd on. The detection of the temperature of the measuring medium2nd takes place through several layers, namely through thesubstrate 12 through thesolder layer 15 and through thesupport element 11 . The materials of these layers should have a high thermal conductivity - nevertheless, such a sensor element has10th a comparatively low sensitivity and a poor response time. Special techniques can only be used with extreme difficulty, such as the “3 omega method”, which is used to determine the thermal parameters of a measuring medium. Here the sensor element10th with a driver signal and at the same time the voltage drop across the sensor element10th recorded as a response signal. By comparing the driver signal with the response signal in the third harmonic, the thermal parameters, for example the heat capacity and / or the thermal conductivity, of the measurement medium can be inferred. Any between the measuring medium2nd and thefunctional layer 12 located layer complicates the application of this technique.
Des Weitere neigt die Lötschicht
Die Anbringung auf dem Trägerelement
Das Substrat 24 mit den darauf befindlichen Schichten22 ,23 wird gedreht, so dass diePassivierungsschicht 23 mit der Oberfläche des Trägerelements21 verlötet wird.
- The substrate
24th with the layers on it22 ,23 is rotated so that thepassivation layer 23 with the surface of the carrier element21st is soldered.
Dadurch wird der Abstand d2 zwischen der funktionalen Schicht
Beiden Sensorelementen
Als Trägerelement
Auf eine erste, dem Messmedium abgewandte, Oberfläche
Auf die elektrische Isolationsschicht
In einem anschließenden Verfahrensschritt wird die funktionale Schicht mittels eines Laserablationsverfahrens strukturiert. Hierbei trägt ein Laser das Material der funktionalen Schicht sukzessive ab, so dass eine Widerstandsstruktur entsteht. Die Widerstandsstruktur dient dem Bestimmen der Temperatur des Messmediums. Dazu kann der Widerstandswert der Widerstandsstruktur gemessen werden. Der gemessene Widerstandswert ist ein direkt proportionales Maß für die an der Widerstandsstruktur anliegende Temperatur.In a subsequent process step, the functional layer is structured using a laser ablation process. Here, a laser removes the material of the functional layer successively, so that a resistance structure is created. The resistance structure is used to determine the temperature of the measuring medium. To do this, the resistance value of the resistance structure can be measured. The measured resistance value is a directly proportional measure for the temperature applied to the resistance structure.
Ein andere Verfahren zur Strukturierung der funktionalen Schicht stellt ein 3D-Lithografieverfahren dar. Der Vorteil des Verwendens des Laserablationsverfahrens gegenüber des 3D-Lithografieverfahrens liegt jedoch in geringerem Aufwand, resultierend in geringeren Kosten, und in erhöhter Umweltfreundlichkeit.Another method for structuring the functional layer is a 3D lithography method. However, the advantage of using the laser ablation method compared to the 3D lithography method is less effort, resulting in lower costs, and increased environmental friendliness.
Anschließend wird eine Passivierungsschicht
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Sensorelements
- - Geringer Abstand d3 zwischen der funktionalen Sicht
120 und dem Messmedium 2 . Dadurch weist das Sensorelement eine vergleichsweise niedrige Ansprechzeit und eine entsprechend hohe Sensitivität auf. Der Wärmeübertrag zwischen der funktionalen Schicht120 und dem Messmedium, bzw. vice versa, erfolgt lediglich durch das Trägerelement und ggf. durch die elektrischeIsolationsschicht 140 hindurch. - - Durch direktes Auftragen der funktionalen Schicht
140 auf dem Trägerelement kann auf eine Lötschicht, wie diese bei herkömmlichen Sensorelementen verwendet wird, verzichtet werden. Dadurch wird die Serienstreuung verringert, welche sich in einer variablen Ansprechzeit und einer variablen Sensitivität von Sensorelementen untereinander äußert. - - Vorteilhaft beim Verwenden des Laserablationsverfahrens ist, dass, im Gegensatz zu Sensorelementen, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind, muss die
Oberfläche 111 nicht bearbeitet, beispielsweise begradigt werden. Der Fokuspunkt des Lasers ist dreidimensional verschiebbar. - -
Das Sensorelement 100 eignet sich für die Anwendung spezieller Techniken, wie beispielsweise die weiter oben beschriebene „3-Omega-Methode“.
- - Small distance d 3 between the
functional view 120 and the measuring medium2nd . As a result, the sensor element has a comparatively low response time and a correspondingly high sensitivity. The heat transfer between thefunctional layer 120 and the measuring medium, or vice versa, takes place only through the carrier element and possibly through theelectrical insulation layer 140 through. - - By applying the functional layer directly
140 a solder layer, such as is used in conventional sensor elements, can be dispensed with on the carrier element. This reduces the series spread, which manifests itself in a variable response time and a variable sensitivity of sensor elements to one another. - It is advantageous when using the laser ablation method that, in contrast to sensor elements as are known from the prior art, the surface must
111 not processed, e.g. straightened. The focus point of the laser can be shifted three-dimensionally. - - The
sensor element 100 is suitable for the application of special techniques, such as the "3-Omega method" described above.
Eine alternative Ausgestaltung des Sensorelements
Alternativ zu einem Temperatursensor kann das Sensorelement
Vorteilhafterweise kann zumindest ein erfindungsgemäßes Sensorelement
Ein solcher thermischer Strömungssensor ist in den herkömmlichen bekannten Betriebsmodi „kalorimetrische Strömungsmessung“, „anemometrische Strömungsmessung“ und „Time-of-Flight-Strömungsmessung“ betreibbar und weist neben den Sensorelementen
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 10, 20, 10010, 20, 100
- SensorelementSensor element
- 11, 21, 11011, 21, 110
- TrägerelementCarrier element
- 111111
- erste Oberflächefirst surface
- 112112
- zweite Oberflächesecond surface
- 12, 22, 12012, 22, 120
- funktionale Schichtfunctional layer
- 13, 23, 13013, 23, 130
- PassivierungsschichtPassivation layer
- 14, 24, 14014, 24, 140
- elektrische Isolationsschichtelectrical insulation layer
- 15, 2515, 25
- LötschichtSolder layer
- 22nd
- MessmediumMeasuring medium
- 33rd
- Luftair
Claims (17)
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