EP2435797A2 - Sensor element - Google Patents

Sensor element

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Publication number
EP2435797A2
EP2435797A2 EP10722997A EP10722997A EP2435797A2 EP 2435797 A2 EP2435797 A2 EP 2435797A2 EP 10722997 A EP10722997 A EP 10722997A EP 10722997 A EP10722997 A EP 10722997A EP 2435797 A2 EP2435797 A2 EP 2435797A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
substrate
sensor element
humidity
active layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP10722997A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas BÜRGLER
Florian Krogmann
Christian Hepp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innovative Sensor Technology IST AG
Original Assignee
Innovative Sensor Technology IST AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innovative Sensor Technology IST AG filed Critical Innovative Sensor Technology IST AG
Publication of EP2435797A2 publication Critical patent/EP2435797A2/en
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D11/00—Component parts of measuring arrangements not specially adapted for a specific variable
    • G01D11/24—Housings ; Casings for instruments
    • G01D11/245—Housings for sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a sensor element for determining the temperature and / or the humidity and / or the flow rate and / or the gas concentration or the conductivity.
  • the sensor element is an independent sensor for application to a printed circuit board.
  • the sensor element can be used in liquid or gaseous media.
  • sensor elements are frequently used which have coatings applied to a substrate in thin or thick film technology.
  • contacting surfaces are applied to the substrate surface.
  • the contacting surfaces are connected by wires in one of the usual methods with the conductor tracks of the printed circuit boards. Wires put in some
  • An alternative possibility of contacting is to mount the substrate on the printed circuit board such that its active surface faces the printed circuit board so that the contacting surfaces come to lie on solder joints previously applied to the printed circuit board. For this purpose, however, it is necessary to provide corresponding recesses for the applied to the substrate active layer of the sensor element in the circuit board.
  • Another method of contacting is two opposing ones
  • the object of the invention is therefore to provide a sensor element which can be produced with any number of contacts in a time-saving and simple manner.
  • a sensor element having at least one active layer, which is applied to one side of a substrate, in that the substrate has vias, and in that on the side remote from the at least one active layer side of the substrate terminal contacts are applied.
  • the substrate is provided with plated-through holes.
  • holes for example, by punctiform irradiation with a laser, are introduced into the substrate.
  • the holes are provided in a thick film process with a paste, which preferably consists of AgPd. It goes without saying that other metallic materials can be used for this purpose. Under a plated through hole so is to understand a metallized hole.
  • the plated-through holes can, for example, be of cylindrical design and, with a rectangular substrate base, are preferably in the corner regions of the substrate. In this way, the central area of the substrate is available for the coating with the active layer sensitive for the respective area of application of the sensor element.
  • the active layer is to be understood as a layer which participates in the determination of the measurand to be determined.
  • this may be, for example, a platinum meander, which was applied in a thin-film technique.
  • the introduction of the plated-through holes in the substrate takes place before its coating with the active layer. In this way, damage or destruction of the active layer can be avoided.
  • the plated-through holes furthermore offer the advantage that no connecting wires have to be mounted on the front side of the substrate, ie in the immediate vicinity of the active layer. This avoids the problem of flux residues on the active layer which may form on the substrate front during soldering.
  • connection contacts are applied to one side of the substrate provided with the plated-through holes.
  • the side of the substrate which carries the connection contacts is referred to below as the rear side of the substrate.
  • the terminal contacts are one or more metallic materials, which are applied to the substrate in a thin or thick film technique or in a screen printing process.
  • the application of the connection contacts can be done before or after the application of the active layer (s), as well as between two process steps.
  • the active layer (s) is or are applied on the side of the substrate which is opposite the connection contacts.
  • This active layer / active layer-carrying side of the substrate is referred to below as the front side of the substrate.
  • the application of the active layer / layers is done in thin or thick film technology, wherein the layers can also be applied sequentially at intermediate curing phases.
  • the application of layers such as passivations or intermediate layers can also be effected by a screen printing process and / or sintering processes.
  • the sensor element according to the invention can be further processed by the favorable arrangement of the connection contacts on the back of the substrate in a pick-and-place process.
  • This process in which components are automatically picked up and placed on a printed circuit board, is particularly space-saving and time-saving.
  • the sensor element with the active layer are still placed on top of the circuit board, so no recess in the circuit board is required.
  • An embodiment of the sensor element according to the invention provides that the substrate, which serves as a carrier of the active layers of the sensor element, has plated-through holes.
  • the plated-through holes comprise metallized holes which extend continuously from one side of the substrate to the opposite side of the substrate.
  • the plated-through holes do not have any additional coating in the interior, but applications are conceivable in which an additional coating, for example of a solderable, weldable or bondable material, is applied.
  • an additional coating for example of a solderable, weldable or bondable material
  • the active layer (s) deposited on the front side of the substrate is contacted from the back side of the substrate via the vias and the terminal contacts.
  • the conductive material of the connection contacts is applied in one layer or in several layers on the substrate.
  • connection contacts are solderable and / or weldable and / or bondable.
  • An embodiment of the invention provides that the substrate consists of a proportion of between 96% and 99.6% of Al 2 O 3 .
  • AI 2 O 3 is suitable because of a variety advantageous properties such as high thermal and chemical resistance. In addition, it has no semiconductor properties and is available at low cost.
  • a further embodiment of the invention provides that the substrate consists essentially of ZrO 2. Since ZrO 2 has a low thermal conductivity, a ZrO 2 substrate ensures thermal decoupling of elements applied to the substrate, such as a heater and a temperature sensor.
  • the substrate consists of silicon or a glass.
  • Glass is particularly suitable as a substrate because of its high chemical resistance and low thermal conductivity.
  • it has no semiconductor properties and also allows the application of structures of small size because of its low surface roughness. Since it is also available in many variants and cost, its use contributes to a cost-effective sensor element.
  • Silicon has the advantage that in addition to active layers, electronic components can also be applied to the substrate.
  • the sensor element is a humidity sensor for measuring the relative humidity.
  • This is preferably a capacitive humidity sensor which has a moisture-sensitive layer.
  • the moisture-sensitive layer is a polymer as a dielectric.
  • the sensor element according to the invention is a gas or flow sensor based on a thermal principle.
  • this gas or flow sensor has at least one meander-shaped platinum structure, wherein at least one of the platinum structures is designed as a heating element.
  • the sensor element is a conductivity sensor which has at least two electrodes and a temperature sensor.
  • the sensor element is a temperature sensor, which preferably has a meander-shaped platinum structure.
  • the sensor element comprises a combination of at least two sensor types, for example temperature and humidity sensor or gas and flow sensor or temperature and flow sensor.
  • the at least two sensor types are arranged side by side on the front side of the substrate or that at least two sensor types are arranged one above the other in a type of sandwich construction.
  • a development of the sensor element according to the invention provides that the material of the plated-through holes is AgPd.
  • AgPd is characterized by good resistance to high process temperatures and is also available at low cost. It goes without saying that other metallic materials instead of AgPd can form the material of the plated-through holes.
  • FIG. 1 shows a combined temperature and humidity sensor according to the invention, wherein the active layers of the temperature sensor and the moisture sensor are arranged one above the other in a sandwich construction,
  • FIG. 2 a schematically shows an advantageous way of installing a flow sensor in a pipeline
  • FIG. 3 shows the back of a sensor element according to the invention in plan view.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a sensor element according to the invention. Shown are a temperature sensor 20 and a humidity sensor 30 in a sandwich construction. On the front side 11 of the substrate 1, a meander-shaped platinum resistance structure 2 for measuring the temperature in a thin-film technique is applied. In addition to platinum, other temperature-dependent metallic resistors are conceivable.
  • the humidity is determined by the capacitive sensor 30.
  • the capacitive sensor 30 includes a base electrode 4, a moisture-impermeable cover electrode 6 and a moisture-sensitive layer 5.
  • the moisture-sensitive layer in this example is a polymer, which is the dielectric of the capacitive
  • Moisture sensor 30 represents, and its dielectric constant is humidity-dependent, so that the electrical signal supplied by the humidity sensor 30 depends on the ambient humidity.
  • the temperature sensor 20 is arranged in the immediate vicinity of the humidity sensor 30.
  • the temperature sensor 20 and the humidity sensor 30 are arranged one above the other in a sandwich construction. This arrangement saves space compared to an arrangement of temperature sensor 20 and humidity sensor 30 side by side on the substrate 1.
  • Between the resistor structure 2 of the temperature sensor 20 and the base electrode 4 of the humidity sensor 30 is passivated in the form of an intermediate layer 3 for electrical insulation.
  • Base electrode 4 and the cover electrode 6 are guided along the side regions of the sandwich construction to the plated-through holes 71 in the substrate 1. Due to the insulation, no conductive contact between ground electrode 4 and Resistor structure 2 or between cover electrode 6 and ground electrode 4. Thus, it is possible to lead all to be contacted active layers of the sandwich construction to the terminal areas into which the vias 71 open. Via four plated-through holes 71 in the substrate 1, these terminal regions are led to the rear side 12 of the substrate 1. Because the
  • Connection contacts 72 are arranged for connection to printed conductors on a printed circuit board on the back side 12 of the substrate 1, the active layers of the sandwich structure compared to the structure in conventional Kunststofftechniksart with a constant substrate area more area available.
  • the rear side 12 of the substrate 1 with the local connection contacts 72 is described in the explanations to FIG.
  • FIG. 2 shows a flow sensor 40 according to the invention.
  • To determine the flow velocity of a medium here is a
  • Hot-film anemometer used. This contains a heating element, which is cooled by the medium flowing past, so that the heating power, which is necessary to obtain a temperature determined by a temperature sensor arranged next to the heating element, is a direct measure of the flow velocity. Heating element and temperature sensor are advantageously arranged on the same substrate.
  • the substrate material is preferably zirconium oxide. This substrate material has the advantage of a good thermal decoupling of heating element and temperature sensor with him, the heating element is formed in the flow sensor 40 shown here, as well as the temperature sensor in the form of a platinum structure 2 '.
  • a glass layer 8 is applied between the substrate 1 and the platinum structure 2 '.
  • the platinum structure 2 ' is of a passivation in the form of a moisture-impermeable Covering layer 9 surrounded.
  • the substrate 1 is applied with the active sensor surface up on a printed circuit board.
  • connection contacts 72 on the back 12 of the substrate 1 the connection between the circuit board and the sensor element is easy to implement.
  • a thorough separation between active sensor surface on the front side 11 of the substrate and electronics on the rear side 12 of the substrate or the printed circuit board is made possible by the plated-through holes 71. This is particularly advantageous in flow sensors 40, which are used in liquids. However, this separation is also advantageous in the case of other sensor types, since, for example, moisture condensing on connecting leads can lead to measurement inaccuracies or even failures of the sensor.
  • the flow sensor 40 according to the invention is introduced with the active sensor surface ahead via a recess in the wall of the tube in which the liquid flows in the tube interior and the recess sealed with a sealant.
  • the connection contacts 72, as well as the entire electronics, are thus protected against moisture since they are not in contact with the medium inside the tube.
  • Flow sensor 40 a further advantageous method of installation in a pipeline. This is shown schematically in Fig. 2a.
  • the pipeline is shown only in a section and in cross section, with the representation of the rear wall was omitted for clarity.
  • the medium flowing in the pipeline is indicated by the arrow.
  • the wall 50 of the pipeline is in an area whose
  • the flow sensor 40 is introduced with the active layer in the direction of the medium in the resulting depression, so that the sensors facing the medium while the electronics are approximately level with the outside of the pipeline.
  • the sensor 40 is therefore not in direct contact with the medium, which avoids the occurrence of common problems in the flow measurement, such as contamination of the active sensor surface or corrosion and premature aging. Sealing to protect the electronics or coating the active layer with a protective layer are not necessary.
  • a conductivity sensor comprises a ceramic substrate having at least two unpassivated electrodes and a passivated temperature sensor. Preferably, there are four electrodes.
  • the temperature sensor is preferably designed in the form of a resistance structure on the substrate.
  • the electrodes and the temperature sensor essentially consist of platinum.
  • a gas sensor is similar to the structure of a flow sensor and comprises at least two resistance structures, in particular consisting of platinum, wherein at least one of the resistance structures forms a temperature sensor and a heating element.
  • FIG. 3 shows the rear side 12 of a sensor element according to the invention facing away from the active layer / layers.
  • the four plated-through holes are covered with four connection contacts 72.
  • the connection contacts 72 are one or more layers of conductive material.
  • the material of the connection contacts 72 can be soldered, so that the connection contacts 72 can be connected to corresponding contacts on a printed circuit board, for example in a low-resistance method.
  • the connection contacts can also consist of a weldable material or a bondable material, so that the connection contacts 72 can be connected by welding or bonding with the contacts on the circuit board.
  • the terminals 72 are preferably formed of nickel, chromium, aluminum, gold, palladium, titanium, tungsten or compounds of two or more of these materials.
  • the plated-through holes consist of a metallic material, in particular, a silver-palladium compound has proven to be advantageous. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to a sensor element for measuring the temperature and/or the moisture and/or the flow rate and/or the gas concentration, or the conductivity, said sensor element having at least one active layer superimposed on a substrate, wherein the substrate is provided with feedthroughs, one of the substrate sides is provided with connecting contacts, and on the side of the substrate facing away from the connecting contacts, the at least one active layer is superimposed.

Description

Sensorelement sensor element
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung der Temperatur und/oder der Feuchte und/oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Gaskonzentration oder der Leitfähigkeit. Bei dem Sensorelement handelt es sich um einen eigenständigen Sensor zum Aufbringen auf eine Leiterplatte. Das Sensorelement ist in flüssigen oder gasförmigen Medien einsetzbar.The present invention relates to a sensor element for determining the temperature and / or the humidity and / or the flow rate and / or the gas concentration or the conductivity. The sensor element is an independent sensor for application to a printed circuit board. The sensor element can be used in liquid or gaseous media.
Zur Bestimmung der Temperatur, Feuchte, Strömungsgeschwindigkeit oder Gaskonzentration eines Mediums kommen häufig Sensorelemente zum Einsatz, welche in Dünn- oder Dickfilmtechnik auf ein Substrat aufgebrachte Beschichtungen aufweisen. Zur Kontaktierung der Schichten werden Kontaktierungsflächen auf der Substratoberfläche aufgebracht. Nach dem Einbau des Substrats in eine Leiterplatte werden die Kontaktierungsflächen in einem der üblichen Verfahren durch Drähte mit den Leiterbahnen der Leiterplatten verbunden. Drähte stellen in manchenTo determine the temperature, humidity, flow velocity or gas concentration of a medium, sensor elements are frequently used which have coatings applied to a substrate in thin or thick film technology. For contacting the layers contacting surfaces are applied to the substrate surface. After installation of the substrate in a printed circuit board, the contacting surfaces are connected by wires in one of the usual methods with the conductor tracks of the printed circuit boards. Wires put in some
Anwendungsbereichen unerwünschte Widerstände dar und können zudem abreißen.Applications unwanted resistances and can also tear off.
Eine alternative Kontaktierungsmöglichkeit ist, das Substrat so auf die Leiterplatte zu montieren, dass seine aktive Fläche der Leiterplatte zugewandt ist, sodass die Kontaktierungsflächen auf zuvor auf der Leiterplatte aufgebrachte Lötstellen zu liegen kommen. Hierzu ist es allerdings erforderlich, entsprechende Aussparungen für die auf das Substrat aufgebrachte aktive Schicht des Sensorelements in der Leiterplatte anzubringen.An alternative possibility of contacting is to mount the substrate on the printed circuit board such that its active surface faces the printed circuit board so that the contacting surfaces come to lie on solder joints previously applied to the printed circuit board. For this purpose, however, it is necessary to provide corresponding recesses for the applied to the substrate active layer of the sensor element in the circuit board.
Eine weitere Kontaktierungsmethode besteht darin, zwei gegenüberliegendeAnother method of contacting is two opposing ones
Substratseiten mit einer Lotschicht zu beschichten, sodass die Kontaktierungsfläche von der Substratoberfläche zur Substratunterseite hin weitergeführt wird und mit entsprechenden Lötstellen auf der Leiterplatte in Kontakt gebracht wird. Bei dieser Methode besteht der Nachteil darin, dass sie nicht uneingeschränkt anwendbar ist. Beispielsweise ist bei Sensoren, bei welchen die auf dem Substrat aufgebrachte aktive Schicht aus einem hitzeempfindlichen Material besteht, das Aufbringen einer solchen Lotschicht nicht möglich, da die hierzu erforderliche Hitze die aktive Schicht zerstören würde. Da die beiden Substratseiten komplett beschichtet werden ist es zudem nur möglich, höchstens zwei Kontaktierungsflächen auf diese Weise zur Substratunterseite hin weiter zu führen. Daher ist es nicht möglich, Sensorelemente, welche mehr als zwei Kontaktierungsflächen benötigen, auf diese Weise zu kontaktieren.Coating substrate sides with a solder layer, so that the contacting surface is continued from the substrate surface to the substrate bottom side and is brought into contact with corresponding solder joints on the circuit board. The disadvantage with this method is that it is not fully applicable. For example, in sensors in which the active layer applied to the substrate is made of a heat-sensitive material, the application of such a solder layer is not possible because the heat required for this purpose would destroy the active layer. Since the two substrate sides are completely coated it is Moreover, only possible to lead more than two contact surfaces in this way to the substrate bottom side on. Therefore, it is not possible to contact sensor elements which require more than two contacting areas in this way.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Sensorelement bereit zu stellen, welches mit einer beliebigen Anzahl an Kontaktierungen in einer zeitsparenden und einfachen Art und Weise herstellbar ist.The object of the invention is therefore to provide a sensor element which can be produced with any number of contacts in a time-saving and simple manner.
Die Aufgabe wird von einem Sensorelement mit mindestens einer aktiven Schicht, welche auf einer Seite eines Substrats aufgebracht ist, dadurch gelöst, dass das Substrat Durchkontaktierungen aufweist, und dass auf der von der mindestens einen aktiven Schicht abgewandten Seite des Substrats Anschlusskontakte aufgebracht sind.The object is achieved by a sensor element having at least one active layer, which is applied to one side of a substrate, in that the substrate has vias, and in that on the side remote from the at least one active layer side of the substrate terminal contacts are applied.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Substrat mit Durchkontaktierungen versehen. Hierzu werden Bohrungen, beispielsweise durch punktförmiges Bestrahlen mit einem Laser, in das Substrat eingebracht. Die Bohrungen werden in einem Dickschichtverfahren mit einer Paste versehen, welche bevorzugt aus AgPd besteht. Es versteht sich von selbst, dass auch andere metallische Materialien hierfür zum Einsatz kommen können. Unter einer Durchkontaktierung ist also eine metallisierte Bohrung zu verstehen.In one embodiment of the invention, the substrate is provided with plated-through holes. For this purpose, holes, for example, by punctiform irradiation with a laser, are introduced into the substrate. The holes are provided in a thick film process with a paste, which preferably consists of AgPd. It goes without saying that other metallic materials can be used for this purpose. Under a plated through hole so is to understand a metallized hole.
Die Durchkontaktierungen können beispielsweise zylinderförmig ausgestaltet sein und liegen bei rechteckiger Substratgrundfläche bevorzugt in den Eckbereichen des Substrats. Auf diese Weise steht der Mittelbereich des Substrats für die Beschichtung mit der für den jeweiligen Anwendungsbereich des Sensorelements sensitiven, aktiven Schicht zur Verfügung.The plated-through holes can, for example, be of cylindrical design and, with a rectangular substrate base, are preferably in the corner regions of the substrate. In this way, the central area of the substrate is available for the coating with the active layer sensitive for the respective area of application of the sensor element.
Unter der aktiven Schicht ist eine Schicht zu verstehen, welche an der Bestimmung der zu bestimmenden Messgröße teilnimmt. Im Falle eines Temperatursensors kann dies beispielsweise ein Platinmäander sein, der in einer Dünnschichttechnik aufgetragen wurde. Das Einbringen der Durchkontaktierungen im Substrat geschieht vor dessen Beschichtung mit der aktiven Schicht. Auf diese Weise kann eine Beschädigung oder Zerstörung der aktiven Schicht vermieden werden. Die Durchkontaktierungen bieten weiterhin den Vorteil, dass keine Anschlussdrähte auf der Vorderseite des Substrats, also in unmittelbarer Nähe zu der aktiven Schicht, angebracht werden müssen. Hierdurch wird das Problem von Flussmittelrückständen auf der aktiven Schicht, welche sich beim Löten auf der Substratvorderseite bilden können, vermieden.The active layer is to be understood as a layer which participates in the determination of the measurand to be determined. In the case of a temperature sensor, this may be, for example, a platinum meander, which was applied in a thin-film technique. The introduction of the plated-through holes in the substrate takes place before its coating with the active layer. In this way, damage or destruction of the active layer can be avoided. The plated-through holes furthermore offer the advantage that no connecting wires have to be mounted on the front side of the substrate, ie in the immediate vicinity of the active layer. This avoids the problem of flux residues on the active layer which may form on the substrate front during soldering.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden auf einer Seite des mit den Durchkontaktierungen versehenen Substrats Anschlusskontakte aufgebracht. Die Seite des Substrats, welch die Anschlusskontakte trägt, wird im Folgenden als Rückseite des Substrats bezeichnet. Bei den Anschlusskontakten handelt es sich um ein oder mehrere metallische Materialien, welche in einer Dünn- oder Dickschichttechnik oder in einem Siebdruckverfahren auf das Substrat aufgetragen werden. Das Aufbringen der Anschlusskontakte kann vor oder nach dem Aufbringen der aktiven Schicht/en, sowie zwischen zwei Verfahrensschritten erfolgen.In one development of the invention, connection contacts are applied to one side of the substrate provided with the plated-through holes. The side of the substrate which carries the connection contacts is referred to below as the rear side of the substrate. The terminal contacts are one or more metallic materials, which are applied to the substrate in a thin or thick film technique or in a screen printing process. The application of the connection contacts can be done before or after the application of the active layer (s), as well as between two process steps.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird/werden auf der Seite des Substrats, welche den Anschlusskontakten gegenüberliegt, die aktive Schicht/ die aktiven Schichten aufgetragen. Diese die aktive Schicht/ aktiven Schichten tragende Seite des Substrats wird im Folgenden als Vorderseite des Substrats bezeichnet. Das Aufbringen der aktiven Schicht/aktiven Schichten geschieht in Dünn- oder Dickschichttechnik, wobei die Schichten auch nacheinander bei dazwischen liegenden Aushärtephasen aufgebracht werden können. Das Aufbringen von Schichten wie Passivierungen oder Zwischenschichten kann auch durch ein Siebdruckverfahren und/oder Sinterprozesse erfolgen.In one development of the invention, the active layer (s) is or are applied on the side of the substrate which is opposite the connection contacts. This active layer / active layer-carrying side of the substrate is referred to below as the front side of the substrate. The application of the active layer / layers is done in thin or thick film technology, wherein the layers can also be applied sequentially at intermediate curing phases. The application of layers such as passivations or intermediate layers can also be effected by a screen printing process and / or sintering processes.
Das erfindungsgemäße Sensorelement kann durch die günstige Anordnung der Anschlusskontakte auf der Rückseite des Substrats in einem Pick-and-Place- Verfahren weiterverarbeitet werden. Dieses Verfahren, bei dem Bauteile automatisiert aufgenommen und auf einer Leiterplatte platziert werden, ist besonders Platz und Zeit sparend. Zudem kann das Sensorelement mit der aktiven Schicht noch oben auf der Leiterplatte platziert werden, sodass keine Aussparung in der Leiterplatte erforderlich ist.The sensor element according to the invention can be further processed by the favorable arrangement of the connection contacts on the back of the substrate in a pick-and-place process. This process, in which components are automatically picked up and placed on a printed circuit board, is particularly space-saving and time-saving. In addition, the sensor element with the active layer are still placed on top of the circuit board, so no recess in the circuit board is required.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Substrat, welches als Träger der aktiven Schichten des Sensorelements dient, Durchkontaktierungen aufweist. Die Durchkontaktierungen umfassen metallisierte Bohrungen, welche durchgängig von einer Substratseite zur gegenüberliegenden Substratseite reichen. In dieser Ausgestaltung weisen die Durchkontaktierungen keine zusätzliche Beschichtung im Innenbereich auf, es sind jedoch Anwendungen denkbar, bei denen eine zusätzliche Beschichtung, beispielsweise aus einem lötbaren, schweißbaren oder bondbaren Material, aufgebracht wird. Auf einer Seite des Substrats, der Rückseite, sind an den Endpunkten der Durchkontaktierungen Anschlusskontakte angebracht.An embodiment of the sensor element according to the invention provides that the substrate, which serves as a carrier of the active layers of the sensor element, has plated-through holes. The plated-through holes comprise metallized holes which extend continuously from one side of the substrate to the opposite side of the substrate. In this embodiment, the plated-through holes do not have any additional coating in the interior, but applications are conceivable in which an additional coating, for example of a solderable, weldable or bondable material, is applied. On one side of the substrate, the back, terminal contacts are attached to the end points of the vias.
Die aktive Schicht/ aktiven Schichten, die auf der Vorderseite des Substrats aufgebracht ist/sind, wird/werden von der Rückseite des Substrats her über die Durchkontaktierungen und die Anschlusskontakte kontaktiert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein starkes Erhitzen, welches beispielsweise beim Aufbringen einer leitfähigen Schicht an den Seitenbereichen des Substrats, um die Kontakte von der Substratvorderseite zur Substratrückseite hin zu führen nötig wäre, nicht erforderlich ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass Schichten aus hitzeempfindlichen Materialien, wie beispielsweise Polymere, nicht durch das Aufbringen der Kontaktierungen zerstört werden.The active layer (s) deposited on the front side of the substrate is contacted from the back side of the substrate via the vias and the terminal contacts. This results in the advantage that a strong heating, which would be necessary, for example, when applying a conductive layer to the side regions of the substrate in order to guide the contacts from the substrate front side to the substrate back side, is not necessary. In this way it is ensured that layers of heat-sensitive materials, such as polymers, are not destroyed by the application of the contacts.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist das leitfähige Material der Anschlusskontakte in einer Schicht oder in mehreren Schichten auf dem Substrat aufgebracht.In a development of the sensor element according to the invention, the conductive material of the connection contacts is applied in one layer or in several layers on the substrate.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Anschlusskontakte lötbar und/oder schweißbar und/oder bondbar.According to one embodiment of the invention, the connection contacts are solderable and / or weldable and / or bondable.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Substrat zu einem Anteil zwischen 96% und 99,6% aus AI2O3 besteht. AI2O3 eignet sich wegen einer Vielzahl vorteilhafter Eigenschaften wie hoher thermischer und chemischer Beständigkeit. Zudem weist es keine Halbleitereigenschaften auf und ist kostengünstig erhältlich.An embodiment of the invention provides that the substrate consists of a proportion of between 96% and 99.6% of Al 2 O 3 . AI 2 O 3 is suitable because of a variety advantageous properties such as high thermal and chemical resistance. In addition, it has no semiconductor properties and is available at low cost.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Substrat im Wesentlichen aus ZrO2 besteht. Da ZrO2 eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist, wird durch ein Zrθ2-Substrat eine thermische Entkopplung von auf dem Substrat aufgebrachten Elementen wie beispielsweise einem Heizer und einem Temperatursensor gewährleistet.A further embodiment of the invention provides that the substrate consists essentially of ZrO 2. Since ZrO 2 has a low thermal conductivity, a ZrO 2 substrate ensures thermal decoupling of elements applied to the substrate, such as a heater and a temperature sensor.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Substrat aus Silizium oder einem Glas besteht. Glas eignet sich besonders wegen seiner hohen chemischen Beständigkeit und geringen thermischen Leitfähigkeit als Substrat. Zudem weist es keine Halbleitereigenschaften auf und ermöglicht wegen seiner geringen Oberflächenrauheit auch das Aufbringen von Strukturen geringer Größe. Da es zudem in vielen Varianten und kostengünstig erhältlich ist, trägt dessen Verwendung zu einem kostengünstigen Sensorelement bei. Silizium bringt den Vorteil mit sich, dass neben aktiven Schichten auch elektronische Bauteile auf das Substrat aufgebracht werden können.A development of the sensor element according to the invention provides that the substrate consists of silicon or a glass. Glass is particularly suitable as a substrate because of its high chemical resistance and low thermal conductivity. In addition, it has no semiconductor properties and also allows the application of structures of small size because of its low surface roughness. Since it is also available in many variants and cost, its use contributes to a cost-effective sensor element. Silicon has the advantage that in addition to active layers, electronic components can also be applied to the substrate.
Eine weitere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements beinhaltet, dass es sich bei dem Sensorelement um einen Feuchtesensor zur Messung der relativen Feuchte handelt. Bevorzugt handelt es sich dabei um einen kapazitiven Feuchtesensor, der eine feuchtesensitive Schicht aufweist. Bevorzugt handelt es sich bei der feuchtesensitiven Schicht um ein Polymer als Dielektrikum.A further development of the sensor element according to the invention includes that the sensor element is a humidity sensor for measuring the relative humidity. This is preferably a capacitive humidity sensor which has a moisture-sensitive layer. Preferably, the moisture-sensitive layer is a polymer as a dielectric.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement um einen Gas- oder Strömungssensor, dem ein thermisches Prinzip zu Grunde liegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist dieser Gas- oder Strömungssensor mindestens eine mäanderförmige Platinstruktur auf, wobei mindestens eine der Platinstrukturen als Heizelement ausgestaltet ist. In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem Sensorelement um einen Leitfähigkeitssensor, welcher mindestens zwei Elektroden und einen Temperatursensor aufweist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Sensorelement um einen Temperatursensor, welcher bevorzugt eine mäanderförmige Platinstruktur aufweist.According to one embodiment of the invention, the sensor element according to the invention is a gas or flow sensor based on a thermal principle. In a preferred embodiment, this gas or flow sensor has at least one meander-shaped platinum structure, wherein at least one of the platinum structures is designed as a heating element. In a further embodiment, the sensor element is a conductivity sensor which has at least two electrodes and a temperature sensor. According to a further embodiment of the invention, the sensor element is a temperature sensor, which preferably has a meander-shaped platinum structure.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Sensorelement eine Kombination von mindestens zwei Sensortypen umfasst, beispielsweise Temperatur- und Feuchtesensor oder Gas- und Strömungssensor oder Temperatur- und Strömungssensor. Hierbei sind Ausgestaltungen denkbar, in denen die mindestens zwei Sensortypen nebeneinander auf der Vorderseite des Substrats angeordnet sind oder dass mindestens zwei Sensortypen übereinander in einer Art Sandwichkonstruktion angeordnet sind.A further embodiment provides that the sensor element comprises a combination of at least two sensor types, for example temperature and humidity sensor or gas and flow sensor or temperature and flow sensor. Embodiments are conceivable in which the at least two sensor types are arranged side by side on the front side of the substrate or that at least two sensor types are arranged one above the other in a type of sandwich construction.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass es sich bei dem Material der Durchkontaktierungen um AgPd handelt. AgPd zeichnet sich durch eine gute Beständigkeit gegenüber der hohen Prozesstemperaturen aus und ist zudem kostengünstig erhältlich. Es versteht sich von selbst, dass auch andere metallische Materialien an Stelle von AgPd das Material der Durchkontaktierungen bilden können.A development of the sensor element according to the invention provides that the material of the plated-through holes is AgPd. AgPd is characterized by good resistance to high process temperatures and is also available at low cost. It goes without saying that other metallic materials instead of AgPd can form the material of the plated-through holes.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the following figures.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen kombinierten Temperatur- und Feuchtesensor, wobei die aktiven Schichten von Temperatursensor und Feuchtesensor übereinander in einer Sandwichkonstruktion angeordnet sind,1 shows a combined temperature and humidity sensor according to the invention, wherein the active layers of the temperature sensor and the moisture sensor are arranged one above the other in a sandwich construction,
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Strömungssensor,2 shows a flow sensor according to the invention,
Fig. 2a zeigt schematisch eine vorteilhafte Einbauweise eines Strömungssensors in eine Rohrleitung,FIG. 2 a schematically shows an advantageous way of installing a flow sensor in a pipeline, FIG.
Fig. 3 zeigt die Rückseite eines erfindungsgemäßen Sensorelements in Draufsicht. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements. Gezeigt sind ein Temperatursensor 20 und ein Feuchtesensor 30 in einer Sandwichkonstruktion. Auf der Vorderseite 11 des Substrats 1 ist eine mäanderförmige Widerstandstruktur 2 aus Platin zur Messung der Temperatur in einer Dünnfilmtechnik aufgebracht. Neben Platin sind auch andere temperaturabhängige metallische Widerstände denkbar.Fig. 3 shows the back of a sensor element according to the invention in plan view. FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a sensor element according to the invention. Shown are a temperature sensor 20 and a humidity sensor 30 in a sandwich construction. On the front side 11 of the substrate 1, a meander-shaped platinum resistance structure 2 for measuring the temperature in a thin-film technique is applied. In addition to platinum, other temperature-dependent metallic resistors are conceivable.
Die Luftfeuchte wird mit dem kapazitiven Sensor 30 bestimmt. Der kapazitive Sensor 30 enthält eine Grundelektrode 4, eine feuchtedurchlässige Deckelektrode 6 und eine feuchtesensitive Schicht 5. Bei der feuchtesensitiven Schicht handelt es sich in diesem Beispiel um ein Polymer, welches das Dielektrikum des kapazitivenThe humidity is determined by the capacitive sensor 30. The capacitive sensor 30 includes a base electrode 4, a moisture-impermeable cover electrode 6 and a moisture-sensitive layer 5. The moisture-sensitive layer in this example is a polymer, which is the dielectric of the capacitive
Feuchtesensors 30 darstellt, und dessen Dielektrizitätskonstante feuchteabhängig ist, sodass das vom Feuchtesensor 30 gelieferte elektrische Signal von der Umgebungsfeuchte abhängt. Um eine mögliche Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten korrigieren zu können, ist der Temperatursensor 20 in unmittelbarer Nähe des Feuchtesensors 30 angeordnet. In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel sind Temperatursensor 20 und Feuchtesensor 30 in einer Sandwichkonstruktion übereinander angeordnet. Diese Anordnung spart Platz gegenüber einer Anordnung von Temperatursensor 20 und Feuchtesensor 30 nebeneinander auf dem Substrat 1. Zwischen der Widerstandstruktur 2 des Temperatursensors 20 und der Grundelektrode 4 des Feuchtesensors 30 ist eine Passivierung in Form einer Zwischenschicht 3 zur elektrischen Isolierung aufgebracht.Moisture sensor 30 represents, and its dielectric constant is humidity-dependent, so that the electrical signal supplied by the humidity sensor 30 depends on the ambient humidity. In order to be able to correct a possible temperature dependence of the dielectric constant, the temperature sensor 20 is arranged in the immediate vicinity of the humidity sensor 30. In the exemplary embodiment depicted here, the temperature sensor 20 and the humidity sensor 30 are arranged one above the other in a sandwich construction. This arrangement saves space compared to an arrangement of temperature sensor 20 and humidity sensor 30 side by side on the substrate 1. Between the resistor structure 2 of the temperature sensor 20 and the base electrode 4 of the humidity sensor 30 is passivated in the form of an intermediate layer 3 for electrical insulation.
Zur Kontaktierung der beiden Elektroden 4 und 6 des Feuchtesensors 30 und der Widerstandstruktur 2 des Temperatursensors 20 sind vier Kontaktierungen erforderlich. Hierzu befinden sich in den vier Eckbereichen des rechteckigen Substrats 1 die jeweiligen Anschlussbereiche der beiden Elektroden 4 und 6, sowie der Widerstandstruktur 2. Zwischenschicht 3 und feuchtesensitive Schicht 5 sind hierbei derart aufgebracht, dass sie die Widerstandsstruktur 2 bzw. die Grundelektrode 4 seitlich abdecken und somit eine Isolierung bilden. DieFor contacting the two electrodes 4 and 6 of the humidity sensor 30 and the resistance structure 2 of the temperature sensor 20 four contacts are required. For this purpose, in the four corner regions of the rectangular substrate 1, the respective connection regions of the two electrodes 4 and 6, as well as the resistor structure 2. Intermediate layer 3 and moisture-sensitive layer 5 are in this case applied so that they cover the resistor structure 2 and the base electrode 4 laterally and thus form an insulation. The
Grundelektrode 4 und die Deckelektrode 6 werden entlang der Seitenbereiche der Sandwichkonstruktion zu den Durchkontaktierungen 71 im Substrat 1 geführt. Durch die Isolierung bildet sich kein leitfähiger Kontakt zwischen Grundelektrode 4 und Widerstandstruktur 2 bzw. zwischen Deckelektrode 6 und Grundelektrode 4. Somit ist es möglich, alle zu kontaktierenden aktiven Schichten der Sandwichkonstruktion zu den Anschlussbereichen, in welche die Durchkontaktierungen 71 münden, zu führen. Über vier Durchkontaktierungen 71 im Substrat 1 werden diese Anschlussbereiche zur Rückseite 12 des Substrats 1 geführt. Da dieBase electrode 4 and the cover electrode 6 are guided along the side regions of the sandwich construction to the plated-through holes 71 in the substrate 1. Due to the insulation, no conductive contact between ground electrode 4 and Resistor structure 2 or between cover electrode 6 and ground electrode 4. Thus, it is possible to lead all to be contacted active layers of the sandwich construction to the terminal areas into which the vias 71 open. Via four plated-through holes 71 in the substrate 1, these terminal regions are led to the rear side 12 of the substrate 1. Because the
Anschlusskontakte 72 zur Verbindung mit Leiterbahnen auf einer Leiterplatte auf der Rückseite 12 des Substrats 1 angeordnet sind, steht den aktiven Schichten des Sandwichaufbaus gegenüber dem Aufbau bei herkömmlichen Kontaktierungsarten bei gleich bleibender Substratfläche mehr Fläche zur Verfügung. Die Rückseite 12 des Substrats 1 mit den dortigen Anschlusskontakten 72 ist in den Erläuterungen zu Figur 3 beschrieben.Connection contacts 72 are arranged for connection to printed conductors on a printed circuit board on the back side 12 of the substrate 1, the active layers of the sandwich structure compared to the structure in conventional Kontaktierungsarten with a constant substrate area more area available. The rear side 12 of the substrate 1 with the local connection contacts 72 is described in the explanations to FIG.
An Stelle der dargestellten Kombination aus Feuchtesensor 30 und Temperatursensor 20 können auch andere der genannten Sensortypen kombiniert werden, z.B. Feuchte- und Strömungssensor oder Gas- und Feuchtesensor, und jeweils in einer Sandwichkonstruktion übereinander oder nebeneinander auf demselben Substrat angeordnet werden.Instead of the illustrated combination of humidity sensor 30 and temperature sensor 20, other of the sensor types mentioned can be combined, e.g. Moisture and flow sensor or gas and humidity sensor, and in each case in a sandwich construction one above the other or side by side on the same substrate.
In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer Strömungssensor 40 gezeigt. Um die Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums zu bestimmen wird hier einFIG. 2 shows a flow sensor 40 according to the invention. To determine the flow velocity of a medium here is a
Heißfilmanemometer verwendet. Dieses enthält ein Heizelement, welches durch das vorbei fließende Medium abgekühlt wird, sodass die Heizleistung, die zum Erhalt einer durch einen neben dem Heizelement angeordneten Temperatursensor bestimmten Temperatur nötig ist, ein direktes Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellt. Heizelement und Temperatursensor sind hierbei vorteilhaft auf demselben Substrat angeordnet. Bei dem Substratmaterial handelt es sich bevorzugt um Zirkoniumoxid. Dieses Substratmaterial bringt den Vorteil einer guten thermischen Entkopplung von Heizelement und Temperatursensor mit sich, Das Heizelement ist in dem hier dargestellten Strömungssensor 40, wie auch der Temperatursensor, in Form einer Platinstruktur 2' ausgebildet. Zur elektrischen Isolierung vom Substrat 1 ist zwischen dem Substrat 1 und der Platinstruktur 2' eine Glasschicht 8 aufgebracht. Um den Einsatz des Strömungssensors 40 in einer Flüssigkeit zu ermöglichen, ist die Platinstruktur 2' von einer Passivierung in Form einer feuchteundurchlässigen Deckschicht 9 umgeben. Die Kontaktierung der Platinstruktur 2' erfolgt über die Durchkontaktierungen 71. Auf Grund der Durchkontaktierungen steht im Gegensatz zu Sensoren mit für herkömmliche Kontaktierungsmethoden notwendigen Anschlussflächen auf der Substratvorderseite 11 mehr Substratfläche für die eigentliche Sensorstruktur zur Verfügung, sodass das Heizelement und der Temperatursensor in einem größeren Abstand voneinander angeordnet werden können.Hot-film anemometer used. This contains a heating element, which is cooled by the medium flowing past, so that the heating power, which is necessary to obtain a temperature determined by a temperature sensor arranged next to the heating element, is a direct measure of the flow velocity. Heating element and temperature sensor are advantageously arranged on the same substrate. The substrate material is preferably zirconium oxide. This substrate material has the advantage of a good thermal decoupling of heating element and temperature sensor with him, the heating element is formed in the flow sensor 40 shown here, as well as the temperature sensor in the form of a platinum structure 2 '. For electrical insulation from the substrate 1, a glass layer 8 is applied between the substrate 1 and the platinum structure 2 '. In order to enable the use of the flow sensor 40 in a liquid, the platinum structure 2 'is of a passivation in the form of a moisture-impermeable Covering layer 9 surrounded. The contacting of the platinum structure 2 'via the vias 71. Due to the vias is in contrast to sensors required for conventional bonding methods pads on the substrate front side 11 more substrate surface for the actual sensor structure available, so that the heating element and the temperature sensor at a greater distance can be arranged from each other.
Das Substrat 1 ist mit der aktiven Sensorfläche nach oben auf eine Leiterplatte aufgebracht. Durch die Anschlusskontakte 72 auf der Rückseite 12 des Substrats 1 ist die Verbindung zwischen Leiterplatte und Sensorelement einfach realisierbar. Zudem ist durch die Durchkontaktierungen 71 eine strikte Trennung zwischen aktiver Sensorfläche auf der Vorderseite 11 des Substrats und Elektronik auf Rückseite 12 des Substrats bzw. der Leiterplatte ermöglicht. Dies ist insbesondere bei Strömungssensoren 40, welche in Flüssigkeiten eingesetzt werden, von Vorteil. Vorteilhaft ist diese Trennung aber auch bei anderen Sensorentypen, da beispielsweise auskondensierende Feuchte auf Anschlussleitern zu Messungenauigkeiten oder gar Ausfällen des Sensors führen können. Der erfindungsgemäße Strömungssensor 40 wird mit der aktiven Sensorfläche voran über eine Ausnehmung in der Wandung des Rohres, in welchem die Flüssigkeit strömt, in das Rohrinnere eingebracht und die Ausnehmung mit einer Dichtmasse abgedichtet. Die Anschlusskontakte 72, sowie die gesamte Elektronik, sind somit vor Feuchte geschützt, da sie nicht mit dem Medium im Rohrinneren in Kontakt stehen.The substrate 1 is applied with the active sensor surface up on a printed circuit board. By the connection contacts 72 on the back 12 of the substrate 1, the connection between the circuit board and the sensor element is easy to implement. In addition, a thorough separation between active sensor surface on the front side 11 of the substrate and electronics on the rear side 12 of the substrate or the printed circuit board is made possible by the plated-through holes 71. This is particularly advantageous in flow sensors 40, which are used in liquids. However, this separation is also advantageous in the case of other sensor types, since, for example, moisture condensing on connecting leads can lead to measurement inaccuracies or even failures of the sensor. The flow sensor 40 according to the invention is introduced with the active sensor surface ahead via a recess in the wall of the tube in which the liquid flows in the tube interior and the recess sealed with a sealant. The connection contacts 72, as well as the entire electronics, are thus protected against moisture since they are not in contact with the medium inside the tube.
Dank der Durchkontaktierungen 71 ergibt sich für einen erfindungsgemäßenThanks to the plated-through holes 71 results for an inventive
Strömungssensor 40 eine weitere vorteilhafte Einbauweise in eine Rohrleitung. Diese ist schematisch in Fig. 2a dargestellt. Die Rohrleitung ist nur in einem Ausschnitt und im Querschnitt dargestellt, wobei auf die Darstellung der Rückwand der Übersicht halber verzichtet wurde. Das in der Rohrleitung strömende Medium ist durch den Pfeil angedeutet. Die Wandung 50 der Rohrleitung ist in einem Bereich, dessenFlow sensor 40, a further advantageous method of installation in a pipeline. This is shown schematically in Fig. 2a. The pipeline is shown only in a section and in cross section, with the representation of the rear wall was omitted for clarity. The medium flowing in the pipeline is indicated by the arrow. The wall 50 of the pipeline is in an area whose
Abmessungen denen des Substrats entsprechen, sehr dünnwandig ausgestaltet. Der Strömungssensor 40 ist mit der aktiven Schicht voran in Richtung Medium in die so entstandene Vertiefung eingebracht, sodass die Sensorik dem Medium zugewandt ist, während die Elektronik ungefähr auf der Höhe der Außenseite der Rohrleitung liegt. Der Sensor 40 steht also nicht in direktem Kontakt mit dem Medium, was das Auftreten gängiger Probleme bei der Strömungsmessung, wie beispielsweise Verschmutzung der aktiven Sensorfläche oder Korrosion und vorzeitige Alterung vermeidet. Ein Abdichten zum Schutz der Elektronik oder ein Beschichten der aktiven Schicht mit einer Schutzschicht sind nicht notwendig.Dimensions correspond to those of the substrate, designed very thin-walled. The flow sensor 40 is introduced with the active layer in the direction of the medium in the resulting depression, so that the sensors facing the medium while the electronics are approximately level with the outside of the pipeline. The sensor 40 is therefore not in direct contact with the medium, which avoids the occurrence of common problems in the flow measurement, such as contamination of the active sensor surface or corrosion and premature aging. Sealing to protect the electronics or coating the active layer with a protective layer are not necessary.
Nicht dargestellt, da im Aufbau ähnlich zu dem beschriebenen Strömungssensor, sind ein Gassensor und ein Leitfähigkeitssensor. Ein Leitfähigkeitssensor umfasst ein Keramiksubstrat mit mindestens zwei unpassivierten Elektroden und einem passivierten Temperatursensor. Bevorzugt handelt es sich um vier Elektroden. Der Temperatursensor ist bevorzugt in Form einer Widerstandsstruktur auf dem Substrat ausgebildet. Vorteilhaft bestehen die Elektroden und der Temperatursensor im Wesentlichen aus Platin. Ein Gassensor ähnelt dem Aufbau eines Strömungssensors und umfasst mindestens zwei Widerstandsstrukturen, insbesondere aus Platin bestehend, wobei zumindest eine der Widerstandsstrukturen einen Temperatursensor und eine ein Heizelement bildet.Not shown, since similar in construction to the described flow sensor, are a gas sensor and a conductivity sensor. A conductivity sensor comprises a ceramic substrate having at least two unpassivated electrodes and a passivated temperature sensor. Preferably, there are four electrodes. The temperature sensor is preferably designed in the form of a resistance structure on the substrate. Advantageously, the electrodes and the temperature sensor essentially consist of platinum. A gas sensor is similar to the structure of a flow sensor and comprises at least two resistance structures, in particular consisting of platinum, wherein at least one of the resistance structures forms a temperature sensor and a heating element.
Figur 3 zeigt die der aktiven Schicht/ den aktiven Schichten abgewandte Rückseite 12 eines erfindungsgemäßen Sensorelements. Die vier Durchkontaktierungen sind mit vier Anschlusskontakten 72 bedeckt. Bei den Anschlusskontakten 72 handelt es sich um eine Schicht oder mehrere Schichten aus leitfähigem Material. Zudem ist das Material der Anschlusskontakte 72 lötbar, sodass die Anschlusskontakte 72 beispielsweise in einem Ref low- Verfahren mit entsprechenden Kontakten auf einer Leiterplatte verbindbar sind. Die Anschlusskontakte können auch aus einem schweißbaren Material oder einem bondbaren Material bestehen, sodass die Anschlusskontakte 72 durch Schweißen oder Bonden mit den Kontakten auf der Leiterplatte verbindbar sind. Die Anschlusskontakte 72 werden bevorzugt aus Nickel, Chrom, Aluminium, Gold, Palladium, Titan, Wolfram oder Verbindungen aus zwei oder mehr dieser Materialien gebildet. Die Durchkontaktierungen bestehen aus einem metallischen Material, insbesondere hat sich eine Silber-Palladium- Verbindung als vorteilhaft erwiesen. BezugszeichenlisteFIG. 3 shows the rear side 12 of a sensor element according to the invention facing away from the active layer / layers. The four plated-through holes are covered with four connection contacts 72. The connection contacts 72 are one or more layers of conductive material. In addition, the material of the connection contacts 72 can be soldered, so that the connection contacts 72 can be connected to corresponding contacts on a printed circuit board, for example in a low-resistance method. The connection contacts can also consist of a weldable material or a bondable material, so that the connection contacts 72 can be connected by welding or bonding with the contacts on the circuit board. The terminals 72 are preferably formed of nickel, chromium, aluminum, gold, palladium, titanium, tungsten or compounds of two or more of these materials. The plated-through holes consist of a metallic material, in particular, a silver-palladium compound has proven to be advantageous. LIST OF REFERENCE NUMBERS
I Substrat 2 WiderstandstrukturI substrate 2 resistance structure
2' Platinstruktur2 'platinum structure
3 Zwischenschicht3 interlayer
4 Grundelektrode des Feuchtesensors4 base electrode of the humidity sensor
5 Feuchtesensitive Schicht 6 Deckelektrode des Feuchtesensors5 Moisture-sensitive layer 6 Cover electrode of the humidity sensor
71 Durchkontaktierung71 via
72 Anschlusskontakte72 connection contacts
8 Glasschicht8 glass layer
9 Deckschicht 10 Sensorelement9 cover layer 10 sensor element
I 1 Vorderseite des Substrats 12 Rückseite des Substrats 20 TemperatursensorI 1 Front side of the substrate 12 Rear side of the substrate 20 Temperature sensor
30 Feuchtesensor 40 Strömungssensor30 Humidity sensor 40 Flow sensor
50 Rohrwandung 50 pipe wall

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensorelement (10) zur Messung der Temperatur und/oder der Feuchte und/oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Gaskonzentration, welches mindestens eine aktive Schicht aufweist, die auf einer Seite eines Substrats (1 ) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1 ) Durchkontaktierungen (71 ) aufweist, und dass auf der von der mindestens einen aktiven Schicht abgewandten Seite des Substrats (1 ) Anschlusskontakte (72) aufgebracht sind.A sensor element (10) for measuring the temperature and / or the humidity and / or the flow velocity and / or the gas concentration, which has at least one active layer, which is applied to one side of a substrate (1), characterized in that Substrate (1) has vias (71), and that on the side remote from the at least one active layer side of the substrate (1) connecting contacts (72) are applied.
2. Sensorelement (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusskontakte (72) lötbar und/oder schweißbar und/oder bondbar sind und aus einer oder mehreren leitfähigen Schicht/Schichten bestehen.Second sensor element (10) according to claim 1, characterized in that the connection contacts (72) are solderable and / or weldable and / or bondable and consist of one or more conductive layer / layers.
3. Sensorelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1 ) zu einem Anteil zwischen 96% und 99,6% aus AI2O3 besteht.3. Sensor element (10) according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate (1) to a proportion between 96% and 99.6% consists of Al 2 O 3 .
4. Sensorelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1 ) im Wesentlichen aus ZrO2 besteht.4. Sensor element (10) according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate (1) consists essentially of ZrO 2 .
5. Sensorelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1 ) aus Silizium oder einem Glas besteht.5. Sensor element (10) according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate (1) consists of silicon or a glass.
6. Sensorelement (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen Feuchtesensor (30) zur Messung der relativen Feuchte handelt.6. Sensor element (10) according to at least one of claims 1 -5, characterized in that the sensor element (10) is a humidity sensor (30) for measuring the relative humidity.
7. Sensorelement (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen kapazitiven Feuchtesensor (30) handelt, der eine feuchtesensitive Schicht (5) aufweist.7. Sensor element (10) according to claim 7, characterized in that it is the sensor element (10) is a capacitive humidity sensor (30) having a moisture-sensitive layer (5).
8. Sensorelement (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen kapazitiven Feuchtesensor (30) mit einer feuchtesensitiven Schicht (5), welche insbesondere aus einem Polymer besteht, und welche als Dielektrikum fungiert, handelt.8. Sensor element (10) according to claim 6 or 7, characterized in that it is in the sensor element (10) to a capacitive humidity sensor (30) with a moisture-sensitive layer (5), which consists in particular of a polymer, and which as a dielectric acts, acts.
9. Sensorelement (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen Gas- und/oder Strömungssensor (40) handelt, dem ein thermisches Prinzip zu Grunde liegt.9. sensor element (10) according to at least one of claims 1 -5, characterized in that it is the sensor element (10) to a gas and / or flow sensor (40), which is based on a thermal principle.
10. Sensorelement (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen Gas- und/oder Strömungssensor (40) handelt, welcher mindestens zwei mäanderförmige Platinstrukturen (2') umfasst, wobei es sich bei mindestens einer der10. Sensor element (10) according to claim 9, characterized in that it is the sensor element (10) to a gas and / or flow sensor (40), which comprises at least two meandering platinum structures (2 '), wherein it at least one of
Platinstrukturen (2') um ein Heizelement handelt.Platinum structures (2 ') is a heating element.
11. Sensorelement (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen Temperatursensor (20) mit einer mäanderförmigen Widerstandstruktur (2) aus Platin handelt. 11. Sensor element (10) according to at least one of claims 1 -5, characterized in that the sensor element (10) is a temperature sensor (20) having a meander-shaped resistance structure (2) made of platinum.
12. Sensorelement (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 -11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) eine Kombination von mindestens zwei Sensoren aus der Gruppe, gebildet aus Feuchtesensor (30), Temperatursensor (20), Strömungssensor (40) und Gassensor, ist, wobei die mindestens zwei Sensoren nebeneinander oder in einer Sandwichkonstruktion auf dem Substrat (1 ) angeordnet sind.12. Sensor element (10) according to at least one of claims 1 -11, characterized in that the sensor element (10) comprises a combination of at least two sensors from the group formed by humidity sensor (30), temperature sensor (20), flow sensor (40). and gas sensor, wherein the at least two sensors are arranged side by side or in a sandwich construction on the substrate (1).
13. Sensorelement (10) nach mindestens einem der Ansprüchel -12, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Durchkontaktierungen (71 ) AgPd ist. 13. Sensor element (10) according to at least one of claims -12, characterized in that the material of the plated-through holes (71) AgPd.
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