DE102019122623A1

DE102019122623A1 - Sensor component, semi-finished product, method for attaching and manufacturing a sensor component

Info

Publication number: DE102019122623A1
Application number: DE102019122623.6A
Authority: DE
Inventors: Folke Dencker; Marc Christopher Wurz; Hans Jürgen Maier; Rico Ottermann; Alexander Kassner; Daniel Klaas
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2021-02-25
Also published as: WO2021032878A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorbauteil zur Sensierung wenigstens einer physikalischen Größe, wobei das Sensorbauteil als elektrisches Bauteil ausgebildet ist, bei dem an Anschlusskontakten des Sensorbauteils ein mit der physikalischen Größe korrelierendes elektrisches Sensorsignal bereitgestellt ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Halbzeug zur Herstellung eines solchen Sensorbauteils, ein Verfahren zur Anbringung eines solchen Bauteils an einem Messobjekt sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensorbauteils.The invention relates to a sensor component for sensing at least one physical variable, the sensor component being designed as an electrical component in which an electrical sensor signal that correlates with the physical variable is provided at connection contacts of the sensor component. The invention also relates to a semi-finished product for producing such a sensor component, a method for attaching such a component to a measurement object, and a method for producing such a sensor component.

Description

Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet von Sensorbauteilen, die an einem Messobjekt, an dem eine physikalische Größe sensiert werden soll, angebracht werden können. Das Sensorbauteil ist dabei ein von dem Messobjekt getrennt hergestelltes Element, das beispielsweise bei einem Sensorbauteil-Hersteller produziert werden kann und dann für den Einsatz an unterschiedlichsten Messobjekten vermarktet werden kann. Der Anwender des Sensorbauteils kann dann nach Bedarf das Messobjekt mit einem oder mehreren solcher Sensorbauteile versehen. Mit einem Sensorbauteil kann eine grundsätzlich beliebige physikalische Größe sensiert werden, beispielsweise Formveränderungen, z.B. Dehnungen, oder die Temperatur, die Feuchte oder der Druck. Bekannt sind beispielsweise Sensorbauteile in Form von Dehnungsmessstreifen der Firma HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. Diese Dehnungsmessstreifen weisen ein Substrat aus einer Polyimidfolie auf. Sie sind zum Schutz vor Umgebungseinflüssen überwiegend gekapselt.In general, the invention relates to the field of sensor components that can be attached to a measurement object on which a physical variable is to be sensed. The sensor component is an element produced separately from the measurement object, which can be produced, for example, by a sensor component manufacturer and then marketed for use on a wide variety of measurement objects. The user of the sensor component can then provide the measurement object with one or more such sensor components as required. Any physical variable can be sensed with a sensor component, for example changes in shape, e.g. expansion, or temperature, humidity or pressure. For example, sensor components in the form of strain gauges from HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH are known. These strain gauges have a substrate made of a polyimide film. Most of them are encapsulated to protect them from environmental influences.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiter verbessertes Sensorbauteil sowie dessen Herstellung anzugeben, das auch in problematischen Umgebungen (sogenannte „harsh environments“) zuverlässig eingesetzt werden kann.The invention is based on the object of specifying a further improved sensor component and its production which can also be used reliably in problematic environments (so-called “harsh environments”).

Diese Aufgabe wird mit einem Sensorbauteil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Sensorbauteil folgenden Aufbau aufweist:

a) ein Substrat in Form einer Trägerfolie aus Metall-, Glas-, Keramik- oder Halbleitermaterial oder einer Kombination dieser Materialien,
b) auf einer Sensorapplikationsseite der Trägerfolie ist unmittelbar oder über wenigstens eine weitere Schicht, z.B. eine Isolationsschicht, wenigstens eine Sensorfunktionsschicht aufgebracht, durch die das elektrische Sensorsignal in Abhängigkeit von der sensierten physikalischen Größe erzeugbar ist,
c) die Sensorfunktionsschicht ist elektrisch mit wenigstens zwei elektrischen Anschlusskontakten zur Bereitstellung des Sensorsignals verbunden,
d) an dem Sensorbauteil ist eine Befestigungsfläche vorhanden, die dazu eingerichtet ist, das Sensorbauteil an einem Messobjekt anzubringen, an dem die physikalischen Größe sensiert werden soll.

This object is achieved with a sensor component of the type mentioned in that the sensor component has the following structure:

a) a substrate in the form of a carrier film made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials,
b) on a sensor application side of the carrier film, at least one sensor functional layer is applied directly or via at least one further layer, e.g. an insulating layer, through which the electrical sensor signal can be generated depending on the sensed physical variable,
c) the sensor functional layer is electrically connected to at least two electrical connection contacts for providing the sensor signal,
d) the sensor component has a fastening surface which is designed to attach the sensor component to a measurement object on which the physical variable is to be sensed.

Die Isolationsschicht kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die Sensorapplikationsseite der Trägerfolie ganz oder teilweise elektrisch leitend ist, z.B. im Fall einer Metallfolie als Trägerfolie. Auf der Sensorapplikationsseite können eine oder mehrere Sensorfunktionsschichten aufgebracht werden, z.B. für einen Multilayer-Aufbau, der dann aus mehreren Sensor- und Isolationsschichten bestehen kann. Die Trägerfolie kann z.B. insgesamt polymerfrei ausgebildet sein. Die Befestigungsfläche kann z.B. an der Sensorapplikationsseite abgewandten Seite der Trägerfolie angeordnet sein. Wahlweise kann eine Metallschicht als Befestigungsfläche auch auf der Sensorapplikationsseite, d.h. auf derselben Seite wie ggf. die Isolationsschicht, aufgebracht werden.The insulation layer can be particularly useful if the sensor application side of the carrier foil is wholly or partially electrically conductive, e.g. in the case of a metal foil as the carrier foil. One or more sensor functional layers can be applied to the sensor application side, e.g. for a multilayer structure, which can then consist of several sensor and insulation layers. The carrier film can, for example, be entirely polymer-free. The fastening surface can, for example, be arranged on the side of the carrier film facing away from the sensor application side. Optionally, a metal layer can also be applied as a fastening surface on the sensor application side, i.e. on the same side as the insulation layer, if applicable.

Durch die Realisierung des Sensorbauteils mit einem Substrat aus Metall-, Glas-, Keramik- oder Halbleitermaterial oder einer Kombination dieser Materialien, d.h. der erwähnten Trägerfolie, kann das Sensorbauteil wesentlich robuster gegenüber von au-ßen einwirkenden Temperatureinflüssen und chemischen Substanzen gemacht werden. Das Sensorbauteil kann insbesondere in Einsatzfällen genutzt werden, bei denen Polyimid-basierte Sensorbauteile aufgrund der Temperaturfestigkeit nicht mehr geeignet sind. Zudem ist das erfindungsgemäße Sensorbauteil wesentlich unempfindlicher gegenüber anderen Umgebungseinflüssen, sei es wetterbedingt oder durch Einwirkung von chemischen Substanzen, die im Bereich des Messobjektes eingesetzt werden, sowie gegenüber chemischen und physikalischen Angriffen wie z.B. Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, Alterungseffekte durch z.B. Feuchte, Kriechen, Nullpunktdrift, Hysterese, Ausgasen im Vakuum.By realizing the sensor component with a substrate made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials, i.e. the aforementioned carrier film, the sensor component can be made much more robust against external temperature influences and chemical substances. The sensor component can be used in particular in applications in which polyimide-based sensor components are no longer suitable due to their temperature resistance. In addition, the sensor component according to the invention is significantly less sensitive to other environmental influences, whether due to the weather or due to the action of chemical substances that are used in the area of the measurement object, as well as to chemical and physical attacks such as radiation, especially UV radiation, aging effects due to e.g. moisture, creep , Zero point drift, hysteresis, outgassing in a vacuum.

Ist das Sensorbauteil als folienbasierter Temperatursensor ausgebildet, besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, dass der insgesamt erfassbare Temperaturbereich wesentlich größer ist als bei Sensorbauteilen gemäß dem Stand der Technik. Der variierende Druck bei der Applizierung herkömmlicher Foliensensoren beeinflusst die Klebstoffschichtdicke und -anbindung, was sich negativ auf das Messsignal auswirkt. Diese nachteiligen Effekte werden beim erfindungsgemäßen Sensorbauteil vermieden.If the sensor component is designed as a film-based temperature sensor, a further advantage of the invention is that the temperature range that can be recorded overall is significantly larger than with sensor components according to the prior art. The varying pressure when applying conventional film sensors influences the adhesive layer thickness and connection, which has a negative effect on the measurement signal. These disadvantageous effects are avoided in the sensor component according to the invention.

Das Messobjekt kann ein grundsätzlich beliebiges Messobjekt sein, z.B. ein technischer Gegenstand wie eine Maschine. So eignet sich das erfindungsgemäße Sensorbauteil z.B. für die Anbringung an Stellen, an denen Kühlschmierstoff und ähnliches eingesetzt wird, wie z.B. an Werkzeugmaschinen und in der Verfahrenstechnik. Zudem eignet sich das erfindungsgemäße Sensorbauteil für den Einsatz im Hochvakuum. Das Sensorbauteil kann insbesondere auch in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt werden, beispielsweise an Zerspanwerkzeugen, Umformwerkzeugen und in der Kraftwerkstechnik. Weitere vorteilhafte Einsatzgebiete sind Stellen mit starkem Witterungseinfluss, z.B. für Außenanwendungen, beispielsweise an Brücken, Windenergieanlagen, Kränen.The measurement object can in principle be any measurement object, for example a technical object such as a machine. Thus, the sensor component according to the invention is suitable, for example, for attachment to locations where cooling lubricant and the like are used, such as on machine tools and in process engineering. In addition, the sensor component according to the invention is suitable for use in a high vacuum. The sensor component can in particular also be used in high-temperature environments, for example on cutting tools, forming tools and in power plant technology. Further advantageous areas of application are locations with a strong influence of the weather, for example for outdoor applications, for example on bridges, wind turbines, cranes.

Das erfindungsgemäße Sensorbauteil kann wie jedes andere bekannte Sensorbauteil separat vom Messobjekt hergestellt werden und als Zubehörteil für Messeinrichtungen vom Anwender eingesetzt werden. Der Anwender kann entscheiden, wo und wie er das Sensorbauteil an dem Messobjekt anbringt.The sensor component according to the invention, like any other known sensor component, can be manufactured separately from the test object and used by the user as an accessory for measuring devices. The user can decide where and how to attach the sensor component to the measurement object.

Das erfindungsgemäße Sensorbauteil erlaubt eine mikrotechnologische Herstellung, d.h. das Sensorbauteil kann besonders klein und insbesondere besonders flach ausgebildet sein. Das gesamte Sensorbauteil kann folienartig sein, d.h. relativ dünn und flexibel. Dementsprechend hat das Sensorbauteil wenig Platzbedarf und kann auch in Anwendungsfällen mit nur wenig verfügbarem Bauraum eingesetzt werden.The sensor component according to the invention allows microtechnological production, i.e. the sensor component can be designed to be particularly small and, in particular, particularly flat. The entire sensor component can be film-like, i.e. relatively thin and flexible. Accordingly, the sensor component has little space requirement and can also be used in applications with only little space available.

Das erfindungsgemäße Sensorbauteil kann sehr effizient in großindustriellem Maßstab hergestellt werden, beispielsweise durch eine Fertigung einer Vielzahl von Sensorbauteilen im Nutzen. So kann das Substrat beispielsweise zunächst derart groß sein, dass darauf die Sensorfunktionsschichten einer Vielzahl von Sensorbauteilen nebeneinander, z.B. in Matrix-Anordnung, aufgebracht werden können. Nach Abschluss der Aufbringung sämtlicher Teilschichten der Sensorbauteile können diese durch Vereinzeln voneinander getrennt werden und jeweils separat bereitgestellt werden. Es besteht außerdem die Möglichkeit der anwendungsfallspezifischen Fertigung individueller Sensorlayouts und des Einsatzes spezifischer Sensorschichtmaterialien.The sensor component according to the invention can be manufactured very efficiently on a large industrial scale, for example by manufacturing a large number of sensor components. For example, the substrate can initially be so large that the sensor functional layers of a large number of sensor components can be applied next to one another, e.g. in a matrix arrangement. After all the partial layers of the sensor components have been applied, they can be separated from one another by singulation and each provided separately. There is also the possibility of application-specific production of individual sensor layouts and the use of specific sensor layer materials.

Die als Substrat eingesetzte Trägerfolie ist, wie die Bezeichnung „Folie“ eigentlich bereits besagt, ein dünnes folienartiges Element. Die Trägerfolie ist damit vergleichsweise leicht biegbar, weist also eine relativ gute Verformbarkeit auf. Dies ist insbesondere für bestimmte Sensortypen wie Dehnungssensoren oder Temperatursensoren von großem Vorteil. Die Trägerfolie kann z.B. eine Metallfolie sein, wie z.B.eine Aluminiumfolie oder eine Stahlfolie sein, oder eine Kombination aus solchen Materialien. Die Dicke der Trägerfolie kann z.B. im Bereich von 2 bis 50 µm liegen.The carrier film used as the substrate is, as the term “film” actually implies, a thin film-like element. The carrier film is therefore comparatively easy to bend, that is to say has relatively good deformability. This is particularly advantageous for certain types of sensors, such as strain sensors or temperature sensors. The carrier foil can be, for example, a metal foil, such as an aluminum foil or a steel foil, or a combination of such materials. The thickness of the carrier film can, for example, be in the range from 2 to 50 µm.

Die Isolationsschicht kann vorteilhaft aus einem Material gebildet sein, das vergleichbar robust und widerstandsfähig wie die Trägerfolie ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, Kunststoffmaterialien für die Bildung der Isolationsschicht zu vermeiden. Die Isolationsschicht kann beispielsweise durch Oxidieren der Oberfläche der Trägerfolie gebildet sein. Die Isolationsschicht kann auch eine durch Eloxieren auf der Trägerfolie erzeugte Eloxalschicht oder eine durch Brünieren erzeugte Schicht sein. Die Isolationsschicht kann auch als keramische Schicht ausgebildet sein.The insulation layer can advantageously be formed from a material that is comparably robust and resistant to the carrier film. In particular, it is advantageous to avoid plastic materials for forming the insulation layer. The insulation layer can be formed, for example, by oxidizing the surface of the carrier film. The insulation layer can also be an anodized layer produced by anodizing on the carrier film or a layer produced by burnishing. The insulation layer can also be designed as a ceramic layer.

Die Isolationsschicht kann im Falle einer Aluminiumfolie z.B. besonders wirtschaftlich durch Anodisieren erzeugt werden. Bei nichtanodisierbaren Substrat-Materialien, wie z.B. Stahlfolien, ist es vorteilhaft, die Isolationsschicht durch das Aufbringen von isolierenden Dünnschichten mittels Beschichtungsverfahren wie z.B. Chemical Vapor Deposition, Physical Vapor Deposition oder Atomic Layer Deposition zu realisieren. In the case of aluminum foil, the insulation layer can be produced particularly economically by anodizing, for example. In the case of non-anodizable substrate materials, such as steel foils, it is advantageous to implement the insulation layer by applying thin insulating layers using coating processes such as chemical vapor deposition, physical vapor deposition or atomic layer deposition.

Auch bei einer Aluminiumfolie kann es vorteilhaft sein, die Isolationsschicht durch das Aufbringen von solchen isolierenden Dünnschichten zu realisieren.In the case of an aluminum foil, too, it can be advantageous to implement the insulating layer by applying such insulating thin layers.

Die Sensorfunktionsschicht kann je nach Art des Sensorbauteils, d.h. je nach der Art der zu erfassenden physikalischen Größe, für den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sein. Soll das Sensorbauteil z.B. für eine Dehnungsmessung ausgebildet sein, kann als Material für die Sensorfunktionsschicht beispielsweise Nickel-Chrom, z.B. 80% Nickel/20% Chrom oder 60% Nickel/40% Chrom, verwendet werden, oder Konstantan.The sensor functional layer can be adapted to the particular application depending on the type of sensor component, i.e. depending on the type of physical variable to be detected. If the sensor component is to be designed for strain measurement, for example, nickel-chromium, e.g. 80% nickel / 20% chromium or 60% nickel / 40% chromium, or constantan can be used as the material for the sensor functional layer.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorbauteil dazu eingerichtet ist, mittels eines Fügeverfahrens mit seiner Befestigungsfläche an dem Messobjekt befestigt zu werden. Dementsprechend ist das Sensorbauteil robust genug ausgebildet, um die Befestigung mittels des Fügeverfahrens ohne Beschädigung zu überstehen. Das zu verwendende Fügeverfahren kann beispielsweise adhäsiv oder nicht-adhäsiv (z.B. Bonden, Löten oder Schweißen) sein. Hierdurch wird zudem die Applikationsmöglichkeit des Sensorbauteils an schwer zugänglichen Bereichen, z.B. in Führungen, verbessert.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the sensor component is set up to be fastened to the measurement object with its fastening surface by means of a joining method. Accordingly, the sensor component is designed to be robust enough to withstand the fastening by means of the joining process without damage. The joining process to be used can, for example, be adhesive or non-adhesive (e.g. bonding, soldering or welding). This also improves the ability to use the sensor component in areas that are difficult to access, e.g. in guides.

Die Befestigung des Sensorbauteils mit seiner Befestigungsfläche an dem Messobjekt kann z.B. durch TLP-Bonden, eutektisches Bonden oder Sintern erfolgen. Die Bondprozesse sind beispielsweise das Thermokompressionsbonden, das Thermosonicbonden und das Ultraschallbonden.The attachment of the sensor component with its attachment surface to the measurement object can be done e.g. by TLP bonding, eutectic bonding or sintering. The bonding processes are, for example, thermocompression bonding, thermosonic bonding and ultrasonic bonding.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorbauteil polymerfrei ist. Dementsprechend werden gegenüber hohen Temperaturen und/oder Chemikalien empfindliche Bestandteile an dem Sensorbauteil vermieden. Auf diese Weise kann das gesamte Sensorbauteil kompatibel zu „harsh environments“ ausgestaltet werden. Hierdurch kann zudem eine geringere Ausgasungsrate in Vakuumanwendungen realisiert werden.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the sensor component is polymer-free. Accordingly, be opposite high temperatures and / or chemicals sensitive components avoided on the sensor component. In this way, the entire sensor component can be designed to be compatible with “harsh environments”. This also enables a lower outgassing rate to be achieved in vacuum applications.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorbauteil als Dehnungssensor und/oder als Temperatursensor ausgebildet ist. Dies erschließt dem Sensorbauteil eine Vielzahl von Applikationsmöglichkeiten im Bereich der Zustandsüberwachung im industriellen Bereich, z.B. an Maschinen und Bauteilen beliebiger Komplexität und Größe wie beispielsweise Werkzeugmaschinen oder Brücken an Verkehrswegen.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the sensor component is designed as a strain sensor and / or as a temperature sensor. This opens up a multitude of application possibilities for condition monitoring in the industrial sector, e.g. on machines and components of any complexity and size, such as machine tools or bridges on traffic routes.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Trägerfolie und der Isolationsschicht lediglich in einem Maße voneinander abweichen, dass keine hieraus resultierenden negativen Auswirkungen bei späteren Einsatztemperaturen auftreten, für die das Sensorbauteil spezifiziert ist. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass als Trägerfolie Edelstahl und als Isolationsschicht Aluminiumoxid verwendet wird, sodass die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten etwa 8 ppm/°C beträgt. Durch eine solche temperaturkompatible Materialpaarung kann das Sensorbauteil besonders robust gegenüber häufigen Temperaturwechseln gestaltet werden. Auf diese Weise kann ein langlebiges Sensorbauteil bereitgestellt werden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the thermal expansion coefficients of the carrier film and the insulation layer differ from one another only to the extent that no negative effects resulting from this occur at later operating temperatures for which the sensor component is specified. This can be achieved, for example, by using stainless steel as the carrier film and aluminum oxide as the insulation layer, so that the difference in the thermal expansion coefficients is around 8 ppm / ° C. Such a temperature-compatible material pairing allows the sensor component to be designed to be particularly robust against frequent temperature changes. In this way, a long-life sensor component can be provided.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Sensorfunktionsschicht eine weitere Isolationsschicht aufgebracht ist. Auf diese Weise kann das Sensorbauteil sowohl elektrisch isolierend als auch geschützt vor mechanischer und chemischer Belastung gestaltet werden. Die weitere Isolationsschicht bewirkt eine elektrische Isolation der Sensorfunktionsschicht gegenüber der Umgebung. Die weitere Isolationsschicht kann beispielsweise eine Zirkoniumoxid-, eine Tantaloxid-, eine Siliziumoxid-, eine Siliziumnitrid- oder eine Aluminiumoxidschicht sein.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a further insulation layer is applied to the sensor functional layer. In this way, the sensor component can be designed to be both electrically insulating and protected from mechanical and chemical stress. The further insulation layer effects electrical insulation of the sensor functional layer from the environment. The further insulation layer can be, for example, a zirconium oxide, a tantalum oxide, a silicon oxide, a silicon nitride or an aluminum oxide layer.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der weiteren Isolationsschicht eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebracht ist. Die Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material kann beispielsweise eine Metallschicht sein, beispielsweise eine weichmagnetische Metallschicht. Hierdurch kann die Unempfindlichkeit des Sensorbauteils gegenüber Umgebungseinflüssen weiter gesteigert werden, da ein Schutz gegenüber elektrischen Störeinflüssen (EMV-Schutz) geschaffen wird.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a layer made of an electrically conductive material is applied to the further insulation layer. The layer made of an electrically conductive material can for example be a metal layer, for example a soft magnetic metal layer. As a result, the insensitivity of the sensor component to environmental influences can be further increased, since protection against electrical interference (EMC protection) is created.

Durch die weitere Isolationsschicht und/oder die Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material kann insbesondere die Isolationsfestigkeit, Temperaturstabilität, mechanische Verschleißbeständigkeit des Sensorbauteils verbessert werden und eine geringe Aufbauhöhe des Sensorbauteils und eine hermetische Kapselung erreicht werden.The additional insulation layer and / or the layer made of an electrically conductive material can in particular improve the insulation strength, temperature stability, mechanical wear resistance of the sensor component and achieve a low structural height of the sensor component and hermetic encapsulation.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorbauteil auf der Befestigungsfläche mit einem Fügewerkstoff beschichtet ist, durch den das Sensorbauteil mittels eines Fügeverfahrens an dem Messobjekt befestigbar ist. Dies hat den Vorteil, dass das Sensorbauteil bereits mit dem für die Befestigung des Sensorbauteils an dem Messobjekt erforderlichen Verbindungsmaterial ausgestattet ist. Dementsprechend kann das Sensorbauteil auf besonders einfache Weise mit dem Messobjekt verbunden werden, nämlich durch ein adhäsives oder nicht-adhäsives Verfahren. Der Fügewerkstoff kann z.B. als Metallschicht und/oder Metalldepot ausgebildet sein. Der Fügewerkstoff kann z.B. eine Legierung sein, also mehrere Metalle, oder auch einzelne Metalle als Schicht. Beispielsweise kann der Fügewerkstoff ein Lot sein. Dann kann eine Befestigung des Sensorbauteils an dem Messobjekt durch Löten erfolgen. Hierbei ist lediglich die Fügewerkstoffschicht aufzuschmelzen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die entsprechende Oberfläche des Messobjekts, an der das Sensorbauteil angebracht werden soll, hierfür entsprechend vorbereitet wird, beispielsweise durch Entfetten. Als Fügewerkstoff können unterschiedlichste Materialien verwendet werden, insbesondere handelsübliche Lote. Ein weiteres vorteilhaftes Material für den Fügewerkstoff ist beispielsweise Indium.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the sensor component is coated on the fastening surface with a joining material by means of which the sensor component can be fastened to the measurement object by means of a joining method. This has the advantage that the sensor component is already equipped with the connecting material required for fastening the sensor component to the measurement object. Accordingly, the sensor component can be connected to the measurement object in a particularly simple manner, namely by an adhesive or non-adhesive method. The joining material can be designed as a metal layer and / or metal deposit, for example. The joining material can, for example, be an alloy, i.e. several metals, or individual metals as a layer. For example, the joining material can be a solder. The sensor component can then be attached to the measurement object by soldering. In this case, only the joining material layer has to be melted. It is advantageous here if the corresponding surface of the measurement object to which the sensor component is to be attached is prepared accordingly, for example by degreasing. A wide variety of materials can be used as the joining material, in particular commercially available solders. Another advantageous material for the joining material is indium, for example.

Ist der Fügewerkstoff ein metallisches Material, kann vorteilhaft eine metallische Bindung zur Befestigung des Sensorbauteils an dem Messobjekt realisiert werden. Eine solche metallische Bindung zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit, Alterungsbeständigkeit und Dichtheit aus. Durch die Auswahl des Fügewerkstoffs bzw. durch Kombinationen aus verschiedenen Fügewerkstoffen können die mechanischen Kennwerte, wie z.B. das E-Modul der Fügestelle, eingestellt werden. Auf diese Weise können insbesondere Dehnungssensoren oder Temperatursensoren vorteilhaft am Messobjekt angebracht werden, weil die Fügestelle dann über eine ausreichende Steifigkeit verfügt und dementsprechend die mittels des Sensorbauteils erfassten physikalischen Größen praktisch nicht verfälscht.If the joining material is a metallic material, a metallic bond can advantageously be implemented for fastening the sensor component to the measurement object. Such a metallic bond is characterized by high strength, resistance to aging and tightness. The mechanical parameters, such as the modulus of elasticity of the joint, can be set by selecting the joining material or through combinations of different joining materials. In this way, in particular, strain sensors or temperature sensors can advantageously be attached to the measurement object because the joint then has sufficient rigidity and accordingly practically does not falsify the physical quantities detected by means of the sensor component.

Die erwähnten Schichten, die auf der Trägerfolie aufgebracht sind, insbesondere die Isolationsschicht, die Sensorfunktionsschicht, die weitere Isolationsschicht, die Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material und die Fügewerkstoff-Beschichtung, können beispielsweise mit PVD-Verfahren und/oder CVD-Verfahren aufgebracht werden. Je nach verwendetem Material ist auch ein Aufbringen mit einem galvanischen Prozess vorteilhaft. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Sensorfunktionsschicht durch Aufwalzen auf dem Substrat bzw. auf der Isolationsschicht aufgebracht werden. Auch ein gezieltes Einstellen der Sensorfunktionsschicht auf beispielsweise den Temperaturgang des beispielsweise Träger- und/oder Messobjektwerkstoffs durch beispielsweise Kaltverformung ist möglich. Die Strukturierung der Sensorfunktionsschicht kann dann nach dem Aufbringen durchgeführt werden, z.B. nasschemisch (Ätzen) und/oder durch Laserstrukturierung.The layers mentioned, which are applied to the carrier film, in particular the insulation layer, the sensor function layer, the further insulation layer, the layer made of an electrically conductive material and the coating of the joining material, can be made, for example, using PVD processes and / or CVD processes. Depending on the material used, application by means of a galvanic process is also advantageous. In a further advantageous embodiment, the sensor functional layer can be applied by rolling onto the substrate or on the insulation layer. A targeted setting of the sensor functional layer to, for example, the temperature variation of the carrier and / or measurement object material, for example, by cold forming, for example. The structuring of the sensor functional layer can then be carried out after application, for example wet-chemically (etching) and / or by laser structuring.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Halbzeug zur Herstellung eines Sensorbauteils der zuvor beschriebenen Art, wobei das Halbzeug das aus der Trägerfolie bestehende Substrat, optional die auf der Trägerfolie aufgebrachte Isolationsschicht, die Befestigungsfläche auf der der Sensorapplikationsseite abgewandten Seite der Trägerfolie und die auf der Befestigungsfläche aufgebrachte Fügewerkstoff-Beschichtung aufweist. Mit einem solchen Halbzeug ist eine besonders einfache Herstellung erfindungsgemäßer Sensorbauteile möglich, da das Halbzeug bereits diverse Schichten des letztendlich zu erzeugenden Sensorbauteils aufweist. Es ist lediglich auf der Sensorapplikationsseite bzw. der Isolationsschicht noch die Sensorfunktionsschicht sowie gegebenenfalls weitere Schichten wie die weitere Isolationsschicht und die Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufzubringen.The object mentioned at the beginning is also achieved by a semi-finished product for the production of a sensor component of the type described above, the semi-finished product comprising the substrate consisting of the carrier film, optionally the insulation layer applied to the carrier film, the fastening surface on the side of the carrier film facing away from the sensor application side and the the fastening surface has applied joining material coating. A particularly simple production of sensor components according to the invention is possible with such a semi-finished product, since the semi-finished product already has various layers of the sensor component to be ultimately produced. It is only necessary to apply the sensor functional layer and, if necessary, further layers such as the further insulation layer and the layer made of an electrically conductive material on the sensor application side or the insulation layer.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Anbringung eines Sensorbauteils der zuvor erläuterten Art an einem Messobjekt, wobei das Sensorbauteil mit seiner Befestigungsfläche an dem Messobjekt angebracht wird. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Dabei kann das Sensorbauteil mit seiner Befestigungsfläche mittels eines Fügeverfahrens an dem Messobjekt angebracht werden.The above-mentioned object is also achieved by a method for attaching a sensor component of the type explained above to a measurement object, the sensor component being attached to the measurement object with its fastening surface. The advantages explained above can also be realized in this way. The sensor component with its fastening surface can be attached to the measurement object by means of a joining process.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorbauteils der zuvor erläuterten Art, das folgende Schritte aufweist:

a) Bereitstellen einer Trägerfolie aus Metall-, Glas-, Keramik- oder Halbleitermaterial oder einer Kombination dieser Materialien als Substrat des Sensorbauteils,
b) Aufbringen wenigstens einer elektrischen Sensorfunktionsschicht, durch die das elektrische Sensorsignal in Abhängigkeit von der sensierten physikalischen Größe erzeugbar ist, auf einer Sensorapplikationsseite der Trägerfolie unmittelbar oder über wenigstens eine weitere Schicht, z.B. eine Isolationsschicht,
c) Herstellen elektrischer Verbindungen der Sensorfunktionsschicht mit wenigstens zwei elektrischen Anschlusskontakten zur Bereitstellung des Sensorsignals.

The object mentioned at the beginning is also achieved by a method for producing a sensor component of the type explained above, which has the following steps:

a) Providing a carrier film made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials as the substrate of the sensor component,
b) applying at least one electrical sensor functional layer, through which the electrical sensor signal can be generated depending on the sensed physical variable, on a sensor application side of the carrier film directly or via at least one further layer, e.g. an insulation layer,
c) Establishing electrical connections of the sensor functional layer with at least two electrical connection contacts for providing the sensor signal.

Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Auch hier ist die Isolationsschicht eine optionale Schicht, die dann sinnvoll sein kann, wenn die Sensorapplikationsseite der Trägerfolie ganz oder teilweise elektrisch leitend ist. Die Befestigungsfläche kann zusätzlich mit einem Fügewerkstoff beschichtet werden. Die Befestigungsfläche kann z.B. an der der Sensorapplikationsseite abgewandten Seite der Trägerfolie angeordnet sein. Wahlweise kann eine Metallschicht als Befestigungsfläche auch auf der Sensorapplikationsseite, d.h. auf derselben Seite wie ggf. die Isolationsschicht, aufgebracht werden. Die ermöglicht eine Fixierung des Sensorbauteils auf einem Messobjekt, sodass die Substratfolie am weitesten vom Messobjekt entfernt ist. Durch die noch oberflächennähere Position der Sensorfunktionsschicht kann die Sensitivität erhöht werden.The advantages explained above can also be realized in this way. Here, too, the insulation layer is an optional layer which can be useful if the sensor application side of the carrier film is wholly or partially electrically conductive. The fastening surface can also be coated with a joining material. The fastening surface can be arranged, for example, on the side of the carrier film facing away from the sensor application side. Optionally, a metal layer can also be applied as a fastening surface on the sensor application side, i.e. on the same side as the insulation layer, if applicable. This enables the sensor component to be fixed on a measurement object so that the substrate film is the furthest away from the measurement object. The sensitivity can be increased by the position of the sensor functional layer even closer to the surface.

Alternativ kann das Sensorbauteil auch durch Verwendung des zuvor erwähnten Halbzeugs hergestellt werden. In diesem Fall wird das Halbzeug als Ausgangselement verwendet und auf der Isolationsschicht die elektrische Sensorfunktionsschicht aufgebracht. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.Alternatively, the sensor component can also be produced using the aforementioned semi-finished product. In this case, the semifinished product is used as a starting element and the electrical sensor functional layer is applied to the insulation layer. The advantages explained above can also be realized in this way.

Wie bereits erläutert, kann auf der Sensorfunktionsschicht eine weitere Isolationsschicht aufgebracht werden. Auf der weiteren Isolationsschicht kann eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebracht werden, z.B. eine Metallschicht. As already explained, a further insulation layer can be applied to the sensor functional layer. A layer of an electrically conductive material, e.g. a metal layer, can be applied to the further insulation layer.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment using drawings.

Es zeigen

1 ein Sensorbauteil in Draufsicht und
2 das Sensorbauelement in einer Querschnittsansicht und
3 eine weitere Ausführungsform des Sensorbauelements in einer Querschnittsansicht.

Show it

1 a sensor component in plan view and
2 the sensor component in a cross-sectional view and
3 a further embodiment of the sensor component in a cross-sectional view.

Die 1 zeigt ein Sensorbauteil 1, das ein Substrat in Form einer Trägerfolie 2 aufweist, auf dem elektrisch leitfähige Strukturen abgeschieden sind. Die elektrisch leitfähigen Strukturen umfassen eine Sensorfunktionsschicht 3, beispielsweise wie dargestellt mehrere Ohm'sche Widerstände in Mäanderform, mit denen eine Brückenschaltung realisiert werden kann. Die elektrisch leitfähigen Strukturen umfassen zudem Leiterbahnen 4 und Anschlusskontakte 5. Die Elemente der Sensorfunktionsschicht 3 sind über die Leiterbahnen 4 mit den Anschlusskontakten 5 verbunden. An den Anschlusskontakten 5 werden elektrische Sensorsignale abgegeben, die mit der physikalischen Größe korrelieren, die mit dem Sensorbauteil 1 erfasst werden kann. Hierfür können die einzelnen Elemente der Sensorfunktionsschicht 3 gegebenenfalls über die Anschlusskontakte 5 miteinander verschaltet werden, um beispielsweise die erwähnte Brückenschaltung auszubilden, wie sie z.B. für Dehnungssensoren oder Drucksensoren gebräuchlich ist.The 1 shows a sensor component 1 , which is a substrate in the form of a carrier film 2 has, on which electrically conductive structures are deposited. The electrically conductive structures include a sensor functional layer 3 , for example, as shown, several ohmic resistors in a meander shape, with which a bridge circuit can be implemented. The electrically conductive structures also include conductor tracks 4th and connection contacts 5 . The elements of the sensor functional layer 3 are about the conductor tracks 4th with the connection contacts 5 connected. At the connection contacts 5 electrical sensor signals are emitted that correlate with the physical quantity associated with the sensor component 1 can be captured. The individual elements of the sensor functional layer 3 if necessary via the connection contacts 5 are interconnected to form the bridge circuit mentioned, for example, as is customary for strain sensors or pressure sensors, for example.

Die elektrische Kontaktierung der Anschlusskontakte 5, die z.B. als Kontaktflächen bzw. Kontaktpads ausgebildet sein können, kann z.B. durch Anbringen von elektrischen Anschlussleitungen mittels Leitkleber, Löten und/oder Bonden erfolgen.The electrical contacting of the connection contacts 5 , which can be designed as contact areas or contact pads, for example, can be done by attaching electrical connection lines by means of conductive adhesive, soldering and / or bonding.

Die 2 zeigt den mehrschichtigen Aufbau des Sensorbauteils 1. Auf dem Substrat in Form der Trägerfolie 2 ist auf einer Seite eine Isolationsschicht 6 aufgebracht. Auf der Isolationsschicht 6 ist die erwähnte Sensorfunktionsschicht 3 aufgebracht. Auf die Isolationsschicht 6 können zudem die anderen elektrisch leitfähigen Strukturen 4, 5 aufgebracht sein. Die Sensorfunktionsschicht 3 ist durch eine weitere Isolationsschicht 7 abgedeckt. Auf der weiteren Isolationsschicht 7 ist eine Schicht 8 aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebracht.The 2 shows the multilayer structure of the sensor component 1 . On the substrate in the form of the carrier film 2 is an insulation layer on one side 6th upset. On the insulation layer 6th is the mentioned sensor functional layer 3 upset. On the insulation layer 6th can also use the other electrically conductive structures 4th , 5 be upset. The sensor functional layer 3 is through another layer of insulation 7th covered. On the further insulation layer 7th is a shift 8th applied from an electrically conductive material.

Auf der der Isolationsschicht 6 gegenüberliegenden Seite der Trägerfolie 2 befindet sich die Befestigungsfläche des Sensorbauteils 1. Auf der Befestigungsfläche ist ein Fügewerkstoff 9 aufgebracht.On that of the insulation layer 6th opposite side of the carrier film 2 is the mounting surface of the sensor component 1 . There is a joining material on the fastening surface 9 upset.

Im Unterschied zur Ausführungsform der 2 zeigt die 3 eine Ausführungsform des Sensorbauteils 1, bei der die Befestigungsfläche sich auf der Sensorapplikationsseite der Trägerfolie 2, auf der die Sensorfunktionsschicht 3 aufgebracht ist, befindet. Auf der Befestigungsfläche ist wiederum der Fügewerkstoff 9 aufgebracht, z.B. in Form einer Metallschicht. Bei Bedarf könnte noch eine dünne Metall- oder Oxidschicht als Diffusionsbarriere zwischen der Schicht 8 aus dem leitfähigen Material und dem Fügewerkstoff 9 eingesetzt werden.In contrast to the embodiment of the 2 show the 3 an embodiment of the sensor component 1 , in which the mounting surface is on the sensor application side of the carrier film 2 on which the sensor functional layer 3 is applied, is located. The joining material is in turn on the fastening surface 9 applied, for example in the form of a metal layer. If necessary, a thin metal or oxide layer could act as a diffusion barrier between the layer 8th from the conductive material and the joining material 9 can be used.

Claims

Sensor component (1) for sensing at least one physical variable, the sensor component (1) being designed as an electrical component, in which an electrical sensor signal correlating with the physical variable is provided at connection contacts (5) of the sensor component (1), characterized in that the sensor component (1) has the following structure: a) a substrate in the form of a carrier film (2) made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials, b) on a sensor application side of the carrier film (2) is directly or At least one additional layer, e.g. an insulation layer (6), is applied with at least one functional sensor layer (3) through which the electrical sensor signal can be generated depending on the sensed physical variable, c) the functional sensor layer (3) is electrical with at least two electrical connection contacts (5) connected to provide the sensor signal, d) to the sensor structure Part (1) there is a mounting surface which is designed to attach the sensor component (1) to a measurement object on which the physical variable is to be sensed.

Sensor component after Claim 1 , characterized in that the sensor component (1) is set up to be attached to the measurement object with its attachment surface by means of a joining process.

Sensor component according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor component (1) is polymer-free.

Sensor component according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor component (1) is designed as a strain sensor and / or as a temperature sensor.

Sensor component according to one of the preceding claims, characterized in that a further insulation layer (7) is applied to the sensor functional layer (3).

Sensor component after Claim 5 , characterized in that a layer (8) made of an electrically conductive material is applied to the further insulation layer (7).

Sensor component according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor component (1) is coated on the fastening surface with a joining material (9) by means of which the sensor component (1) can be fastened to the measurement object by means of a joining process.

Semi-finished product for the production of a sensor component according to Claim 7 , characterized in that the semi-finished product consists of the substrate consisting of the carrier film (2), optionally the insulation layer (6) applied to the carrier film (2), the fastening surface on the side of the carrier film (2) facing away from the sensor application side and the one applied to the fastening surface Has joining material coating (9).

Method for attaching a sensor component (1) according to one of the Claims 1 to 7th on a measurement object, characterized in that the sensor component (1) is attached to the measurement object with its fastening surface.

Procedure according to Claim 9 , characterized in that the sensor component (1) is attached to the measurement object with its fastening surface by means of a joining process.

Method for producing a sensor component (1) according to one of the Claims 1 to 7th , with the following steps: a) providing a carrier film (2) made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials as the substrate of the sensor component (1), b) applying at least one electrical sensor functional layer (3) through which the electrical sensor signal can be generated as a function of the sensed physical variable, on a sensor application side of the carrier film (2) directly or via at least one further layer, e.g. an insulation layer (6), c) making electrical connections of the sensor functional layer (3) with at least two electrical ones Connection contacts (5) for providing the sensor signal.

Procedure according to Claim 11 , characterized in that a fastening surface of the sensor component (1), which is designed to attach the sensor component (1) to a measurement object on which the physical variable is to be sensed, is coated with a joining material (9).

Method according to one of the Claims 11 to 12 , characterized in that a further insulation layer (7) is applied to the sensor functional layer (3).

Procedure according to Claim 13 , characterized in that a layer (8) made of an electrically conductive material is applied to the further insulation layer (7).