EP2936093A2 - Sensorelement, thermometer sowie verfahren zur bestimmung einer temperatur - Google Patents

Sensorelement, thermometer sowie verfahren zur bestimmung einer temperatur

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EP2936093A2
EP2936093A2 EP13802354.4A EP13802354A EP2936093A2 EP 2936093 A2 EP2936093 A2 EP 2936093A2 EP 13802354 A EP13802354 A EP 13802354A EP 2936093 A2 EP2936093 A2 EP 2936093A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor element
reference element
element according
measuring section
phase transition
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13802354.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Seefeld
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.)
Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
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 Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG filed Critical Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Publication of EP2936093A2 publication Critical patent/EP2936093A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K15/00—Testing or calibrating of thermometers
    • G01K15/005—Calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/34—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using capacitative elements

Definitions

  • the invention relates to a sensor element, a thermometer, the use of the sensor element, and to a method for determining a predetermined temperature.
  • Such sensor elements which are used for example for detecting a temperature and for example consist of a temperature-dependent resistor, have become known from a multiplicity of applications, in particular process automation technology.
  • Transition temperature occurs a sudden change in impedance.
  • Vanadium oxide-based thin-film hot-element elements have been disclosed, in which a thin layer consisting predominantly of a vanadium oxide material is applied to a suitable substrate, the vanadium oxide material also being doped with foreign atoms. In principle, it is a problem in the temperature measurement a reliable
  • Temperature to validate, adjust, calibrate and / or calibrate the sensor the so-called temperature sensor element.
  • Process automation technology are such sensor elements as, for example, in
  • Thermometers or generally devices for determining a temperature often integrated into the process so that an expansion of such a device is often possible only with great effort or requires special devices, such as installation fittings, which are at all suitable for this purpose.
  • special devices such as installation fittings, which are at all suitable for this purpose.
  • the object is achieved by a sensor element, a thermometer with a sensor element, the use of the sensor element and a method for determining a predetermined temperature.
  • the object is achieved by a sensor element, wherein the sensor element comprises a measuring section which is separated by a dielectric from a reference element, which reference element consists of a material which undergoes a phase transition at a predetermined temperature, through which the electrical Conductivity of the material changes.
  • the sensor element is arranged with respect to the measuring path such that in the case of a phase transition of the
  • Reference element capacitively coupled to the reference element or with a portion of the measuring path of the reference element.
  • the material is such
  • a change of a measuring signal with which the measuring path is acted upon in dependence of the present phase of Reference element can be determined. This can affect the, in the immediate
  • the measuring path has a meandering course at least in sections.
  • Course can be made a particularly large contact area of the measuring section to the dialectic, on which the measuring section is preferably applied.
  • the measuring path consists of a metallic material, preferably platinum.
  • the measuring path and the reference element are arranged on the same substrate.
  • the substrate may have a front and a back, wherein the reference element on the
  • Rear side and the measuring path are arranged on the front side of the substrate.
  • a layer separating the measuring path and the reference element serves as a dielectric.
  • the dielectric is preferably the substrate on which the measuring section and preferably also the reference element are applied.
  • the material comprising the reference element is a transition metal, preferably vanadium or a vanadium oxide or a transition metal-containing, preferably a vanadium or a vanadium oxide-containing material.
  • the measuring path, the dielectric and / or the reference element consist of a thin film or a thick film.
  • the measuring section and the reference element are in the form of a thin-film layer.
  • the electrical resistance of the sensor element changes as a result of the phase transition.
  • the reference element transitions through the phase transition from a state with a first electrical conductivity into a state with a second electrical conductivity.
  • the reference element passes through the phase transition from a state in which the reference element electrically in an essentially isolated manner into an electrically conductive state.
  • the measurement path is acted upon by a measurement signal, preferably an impedance measurement, to determine the phase state of the reference element.
  • one or more signal taps may be provided, is defined by the measuring section on a thin film segment.
  • Impedance measurement can then be determined which belongs to the measuring path or the sensor element capacitance, which depends on the present phase of the
  • Reference element has different values.
  • the sensor element is based on, the acted upon by the measuring signal measuring path, a temperature or the
  • a temperature preferably the predetermined temperature at which the material from which the reference element is made a phase transition undergoes determined.
  • a characteristic, in particular step-shaped, waveform of the measurement signal can be established.
  • the reference element consists of several sections with different phase transition temperatures, preferably of a material with different doping, wherein the sections are particularly preferably separated from one another.
  • this allows a multi-stage course of the impedance or the capacitance or in general a measuring signal with which the measuring path is acted upon, be carried out.
  • the sections have a different thickness, thickness and / or doping. Such measures can influence the transition temperature at which a phase transition of the material takes place.
  • thermometer With regard to the thermometer, the object is achieved by a thermometer with a sensor element according to one of the previous embodiments.
  • thermometer Use of the sensor element for adjustment, validation, calibration and / or calibration of a thermometer solved.
  • the object is achieved by a method for determining a predetermined temperature, wherein a measurement signal is applied to a measurement path, which measurement path is separated by a dielectric from a reference element, which reference element undergoes a phase transition at the predetermined temperature, wherein the measurement signal with a
  • Reference value is compared to determine the phase of the reference element. On the basis of the determined phase, the present temperature can thus also be closed and this temperature value determined with the measurement signal can be compared.
  • the impedance measurement is carried out by applying the measurement path to the measurement signal.
  • the measuring section and the reference element can thus in the case in the
  • Reference element is an electrically conductive state, as a capacitor act, which capacitor, for example, the function of a bandpass, so that only certain measurement signals or measurement signals are transmitted unfiltered with a certain frequency proportion over the measuring path.
  • Reference element or the material from which the reference element is made can thus be determined a characteristic particular step-shaped capacitance profile of the sensor element or the measuring path.
  • a sensor element is preferably proposed for temperature measurement, in particular in devices of process automation technology, such as
  • a measuring insert can be used.
  • Such devices have, for example, a protective tube by introducing the measuring insert can to detect the temperature of a medium.
  • the sensor element has for this purpose, for example, at least one or preferably several
  • a first of these thin-film segments can consist, for example, of a meander-shaped platinum thin film which is applied to a dielectric substrate which consists, for example, of an aluminum oxide-containing ceramic.
  • the metallic thin film serving as a measuring path can capacitively couple to another thin-film segment which
  • vanadium oxide-containing thin film segment is of the meandering
  • Platinum thin film segment for example, which is applied to the same substrate, separated by a dielectric intermediate layer. Through this intermediate layer, a capacitive coupling of the reference element serving thin film segment is carried out to the measuring section. Vanadium oxide undergoes a reaction at a temperature of about 60 ° C
  • phase transformation leads to a change in resistance of the vanadium oxide. This is used according to the invention, a due to a capacitive coupling between the
  • Resistance element for example in the form of a thin film layer or a thin film segment is configured, can at the same time as the
  • the measuring path or the reference element may be applied in the form of a thin film on a front side of the substrate and on a rear side of the substrate opposite the front side.
  • planar etching or a planar depression which was carried out by ablation techniques, be provided to several parallel connected
  • Vanadium oxide layers of different doping next to each other to arrange and marginal contact.
  • the reference element can also consist of a plurality of, for example step-shaped superimposed, ie superimposed vanadium oxide layers which, for example, have a different doping.
  • the doping serves to reduce or increase the phase transition temperature of the reference element.
  • a change in the phase transition temperature can also be done by adjusting the thickness or width of the layers. For example, this can result in a stepped change in impedance of the measuring path or of the entire capacitive measuring arrangement.
  • the substrate may also be coated on one side only.
  • a meander-shaped metallic structure that forms the first measuring section may be coated with a dielectric cover layer of 0.2 to 3 ⁇ m.
  • a plurality of superposed, at least partially overlapping layers of a reference material, for example vanadium oxide with different doping can be arranged on this cover layer. Measuring path and reference element thus form a
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the proposed invention, in a plan view
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the proposed invention, in a cross section
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a fourth embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a fifth embodiment of the
  • Figure 1 shows a substrate 3, i. a support on which a measuring section 1 1 is applied in the form of a meandering metallic wire. On the wire, a cover layer 16 is applied, which serves as a dielectric, and the measuring section 1 1 separated from one on the cover layer 16 of a reference material 12.
  • the measuring section 1 1 is provided with taps 4 and 6, the tapping or
  • Actuate the measuring section 1 1 serve with a measuring signal. Further, a tap 5 is provided on the reference element 12, via which tap the capacitance of the existing of the measuring section 1 1 and the reference element 12 capacitor can be determined.
  • Reference element 12 changes, based on the determination of the capacitance between the measuring section and the reference element 12, the achievement of
  • Phase transition temperature can be determined.
  • the substrate 3 can also serve as a dielectric and, for example, the measuring section 11 can be arranged on a side of the substrate 3 opposite the reference element 12.
  • Figure 2 shows an embodiment of the proposed invention, wherein instead of one, a plurality of reference elements or a reference element, which consists of sections (12, 13, 14, 15) which have a different phase transition temperature.
  • the sections (12, 13, 14, 15) may, for example, consist of vanadium oxide layers with different doping.
  • These vanadium oxide layers may, for example. Via a conductor-like tap 9, 10 (collectively), preferably marginal, i. at one edge of the layers or
  • Sections 12, 13, 14, 15 running be electrically contacted. Furthermore, these layers can be contacted individually via a point-like electrical contact.
  • the capacity of the reference element 12 and measuring section 1 1 existing sensor element can be determined. Since the various sections 12, 13, 14, 15 or layers have different transition temperatures, there is also a step-like curve of the capacity when passing through the respective one
  • Figure 3 shows an embodiment of the proposed invention in which on one side of the substrate 3, the front side, the measuring section 1 1 arranged and on the
  • Phase transition temperatures exist, with the electrical properties of Materiealien depending on the phase in which the respective reference material 12, 13, 14, 15 is dependent.
  • the layers 12, 13, 14, 15 are marginally electrically connected to one another via a conductor-like tap.
  • Reference element 12 existing capacitor step or stepwise.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which, on a substrate 3 as well as in FIG. 1, a measuring section made of a metallic material is applied and of a
  • Cover layer 16 is covered.
  • a reference element which has a plurality of juxtaposed sections 12, 13, 14, 15, applied to the cover layer or the substrate.
  • the sections 12, 13, 14, 15 of the reference element are connected marginally by a first conductor-like and a second conductor-like tap 9, 10 electrically connected to each other. However, only a portion of these portions may be electrically connected together, while another portion, for example, may include one or more portions that are electrically isolated from one another.
  • a reference temperature such as.
  • a temperature range or a phase transition temperature on the one hand by a signal tap between the first and second conductor-like tap 9 , 10 and on the other hand between one of the conductor-like taps 9, 10 and the measuring section 1 1 to
  • Figure 5 shows an exploded view of an embodiment of the proposed invention.
  • a measuring section 1 1 are applied, which in turn is covered by a cover layer 16.
  • the cover layer 16 serves as a dielectric.
  • a reference element can be applied, which has a plurality of peripherally contacted sections 12, 13, 14, 15, which sections 12, 13, 14, 15 preferably have a different phase transition temperature.
  • the measuring section 11 is preferably one
  • the reference element 12 can thus be used for in-situ calibration of the temperature-dependent resistance, ie, without having to remove a corresponding measuring device from a container and if necessary. To interrupt the process that takes place in the container.

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Abstract

Sensorelement, wobei das Sensorelement eine Messstrecke (11) umfasst, die durch ein Dielektrikum (16) von einem Referenzelement (12) getrennt ist, welches Referenzelement (12) aus einem Material besteht, das bei einer vorgegebenen Temperatur einen Phasenübergang erfährt, durch den sich die elektrische Leitfähigkeit des Materials ändert.

Description

Sensorelement, Thermometer sowie Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur
Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensorelement, ein Thermometer, die Verwendung des Sensorelements, sowie die auf ein Verfahren zur Bestimmung einer vorgegebenen Temperatur.
Derartige Sensorelemente, die beispielsweise zur Erfassung einer Temperatur verwendet werden und beispielsweise aus einem temperaturabhängigen Widerstand bestehen, sind aus einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere der Prozessautomatisierungstechnik bekannt geworden.
So ist beispielsweise aus der Patentanmeldung DE 2251969 A eine Vorrichtung zur Temperaturkonstanthaltung bekannt geworden, bei der ein Transistor als Heizelement und eine Diode mit temperaturabhängigen Eigenschaften aus einer Substanz mit einem anormalen Sprung der elektrischen Leitfähigkeit vorgeschlagen wird.
Ferner ist aus der Offenlegungsschrift DE 2300199 A eine Pulvermasse bestehend aus Widerstandoxiden bekannt geworden. Aus der Offenlegungsschrift DE 2424468 A ist eine temperaturkompensierte
Thermorelaiseinrichtung bekannt geworden, bei der bei einer vorgegebenen
Übergangstemperatur eine plötzliche Impedanzveränderung auftritt.
Aus der Patentschrift DE 243691 1 B ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von
Dünnschichtheißleiterelementen auf der Basis von Vanadiumoxid bekannt geworden, bei dem auf ein geeignetes Substrat eine dünne Schicht aufgebracht wird, die überwiegend aus einem Vanadiumoxidmaterial besteht, wobei das Vanadiumoxidmaterial ferner mit Fremdatomen dotiert wurde. Prinzipiell ist es bei der Temperaturmessung ein Problem eine verlässliche
Temperaturmessung zu gewährleisten, bei der beispielsweise keine altersbedingten Drift- Effekte auftreten. Zudem ist es ein notorisches Problem bei der Messung einer
Temperatur den Messaufnehmer, das sogenannte Temperatursensorelement zu validieren, justieren, kalibrieren und/oder zu eichen. Insbesondere in der
Prozessautomatisierungstechnik sind derartige Sensorelemente wie bspw. in
Thermometern oder allgemein Vorrichtungen zur Bestimmung einer Temperatur oftmals derart in den Prozess integriert, dass ein Ausbau einer derartigen Vorrichtung oftmals nur mit größerem Aufwand möglich ist oder besondere Vorrichtungen, wie beispielsweise Einbauarmaturen erfordert, die zu diesem Zweck überhaupt geeignet sind. Bspw. befasst sich die Offenlegungsschrift DE 102010040039 A1 mit der bei der Justierung,
Kalibrierung oder Eichung auftretenden Problemstellungen bei Thermometern.
Ausgehend von diesen aus dem Stand der Technik bekannten Problemstellungen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine langzeitstabile Kalibrierung, Validierung,
Justierung und/oder Eichung auf besonders einfache insbesondere kompakte Weise zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Sensorelement, ein Thermometer mit einem Sensorelement, die Verwendung des Sensorelements sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer vorgegebenen Temperatur gelöst.
Hinsichtlich des Sensorelements wird die Aufgabe durch ein Sensorelement gelöst, wobei das Sensorelement mit eine Messstrecke umfasst, die durch ein Dielektrikum von einem Referenzelement getrennt ist, welches Referenzelement aus einem Material besteht, das bei einer vorgegebenen Temperatur einen Phasenübergang erfährt, durch den sich die elektrische Leitfähigkeit des Materials ändert.
Durch die Änderung der chemischen und physikalischen Eigenschaften des Materials aus dem das Referenzelement wenigstens zum Teil besteht, kann über die Wechselwirkung des Referenzelements mit der Messstrecke der Phasenübergang des Materials aus dem das Referenzelement besteht ermittelt werden. Dadurch entsteht ein Vergleichswert, der bei einer vorgegebenen und somit bekannten Temperatur eine sich ändernde
physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Materials des Referenzelements hervorruft, zur Verfügung, um ein Messsignal, das vermittels der ersten Messstrecke aufgenommen wird, zu validieren, zu kalibrieren, zu justieren und/oder zu eichen.
In einer Ausführungsform des Sensorelements ist das Sensorelement derart bezüglich der Messstrecke angeordnet, dass im Falle eines Phasenübergangs des
Referenzelements das Referenzelement kapazitiv mit der Messstrecke beziehungsweise mit einem Teil der Messstrecke koppelt. Beispielsweise können sich in Folge des
Phasenübergangs die elektrischen Eigenschaften, des Materials aus dem das
Referenzelement besteht, ändern. Vorzugsweise ist dabei das Material derart
ausgewählt, dass mit einem Phasenübergang des Referenzelements eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Referenzelements einhergeht. Durch eine entsprechende Anordnung des Referenzelements kann über eine kapazitive Einkopplung des
Referenzelements bezüglich der Messstrecke eine Änderung eines Messsignals mit dem die Messstrecke beaufschlagt ist in Abhängigkeit der vorliegenden Phase des Referenzelements ermittelt werden. Dadurch kann auf die, in der unmittelbaren
Umgebung des Sensorelements vorliegende Temperatur geschlossen werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements weist die Messstrecke zumindest abschnittsweise einen mäanderförmigen Verlauf auf. Durch diesen mäanderförmigen
Verlauf kann eine besonders große Kontaktfläche der Messstrecke zu dem Dialektrikum, auf dem die Messstrecke vorzugsweise aufgebracht ist, hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements besteht die Messstrecke aus einem metallischen Material vorzugsweise Platin.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements sind die Messstrecke und das Referenzelement auf demselben Substrat angeordnet. Beispielsweise kann das Substrat eine Vorder- und eine Rückseite aufweisen, wobei das Referenzelement auf der
Rückseite und die Messstrecke auf der Vorderseite des Substrats angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements dient eine die Messstrecke und das Referenzelement trennende Schicht als Dielektrikum. Bei dem Dielektrikum handelt es sich bevorzugt um das Substrat auf den, die Messtrecke und bevorzugt auch das Referenzelement aufgebracht sind.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements handelt es sich bei dem Material aus dem Referenzelement besteht um ein Übergangsmetall vorzugsweise Vanadium oder ein Vanadiumoxid beziehungsweise ein übergangsmetallenthaltendes, vorzugsweise ein Vanadium- oder ein Vanadiumoxid enthaltendes Material.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements bestehen die Messstrecke, das Dielektrikum und/oder das Referenzelement aus einem Dünnfilm beziehungsweise einem Dickfilm. Vorzugsweise ist dabei insbesondere die Messtrecke und das Referenzelement als Dünnfilmschicht ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements verändert sich durch den Phasenübergang der elektrische Widerstand des Sensorelements. In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements geht das Referenzelement durch den Phasenübergang von einem Zustand mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit in einen Zustand mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit über. In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements geht das Referenzelement durch den Phasenübergang von einem Zustand in welchem das Referenzelement elektrisch im Wesentlichen isoliert in einen elektrisch leitfähigen Zustand über. In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements dient eine Beaufschlagung der Messstrecke mit einem Messsignal, vorzugsweise eine Impedanzmessung dazu, den Phasenzustand des Referenzelements zu bestimmen.
Zu diesem Zweck können beispielsweise eine oder mehrere Signalabgriffe vorgesehen sein, durch die Messstrecke auf einem Dünnfilmsegment definiert wird. Durch die
Impedanzmessung kann dann die zur Messstrecke bzw. zum Sensorelement gehörende Kapazität ermittelt werden, die in Abhängigkeit der vorliegenden Phase des
Referenzelements unterschiedliche Werte aufweist. In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements wird anhand, der mit dem Messsignal beaufschlagten Messstrecke eine Temperatur beziehungsweise das
Erreichen einer Temperatur, vorzugsweise der vorgegebenen Temperatur bei der das Material aus dem das Referenzelement besteht einen Phasenübergang erfährt, bestimmt. Beispielsweise kann sich in dem Fall eines Phasenübergangs des Referenzelements ein charakteristischer insbesondere stufenförmigen Signalverlauf des Messsignals einstellen.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements besteht das Referenzelement aus mehreren Abschnitten mit unterschiedlichen Phasenübergangstemperaturen vorzugsweise aus einem Material mit unterschiedlicher Dotierung, wobei die Abschnitte besonders bevorzugt voneinander getrennt sind. Insbesondere dadurch kann ein mehrstufiger Verlauf der Impedanz beziehungsweise der Kapazität oder allgemein eines Messsignals mit dem die Messstrecke beaufschlagt wird, erfolgt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements sind die Abschnitte des
Sensorelements parallel zueinander elektrisch leitend miteinander verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements weisen die Abschnitte einen unterschiedliche Stärke, Dicke und/oder Dotierung auf. Durch derartige Maßnahmen kann die Übergangstemperatur, bei der ein Phasenübergang des Materials stattfindet, beeinflusst werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements sind die Abschnitte des
Referenzelements übereinander in Schichten angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements sind die Abschnitte des
Referenzelements nebeneinander vorzugsweise im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet. Hinsichtlich des Thermometers wird die Aufgabe durch ein Thermometer mit einem Sensorelement nach einer der vorherigen Ausführungsformen gelöst.
Hinsichtlich der Verwendung des Sensorelements wird die Aufgabe durch die
Verwendung des Sensorelements zur Justierung, Validierung, Kalibrierung und/oder Eichung eines Thermometers gelöst.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung einer vorgegebenen Temperatur gelöst, wobei eine Messstrecke mit einem Messsignal beaufschlagt wird, welche Messstrecke durch ein Dielektrikum getrennt von einem Referenzelement angeordnet ist, welches Referenzelement bei der vorgegebenen Temperatur einen Phasenübergang erfährt, wobei das Messsignal mit einem
Referenzwert verglichen wird, um die Phase des Referenzelements zu ermitteln. Anhand der ermittelten Phase kann somit auch die vorliegende Temperatur geschlossen werden und dieser mit dem Messsignal bestimmten Temperaturwert verglichen werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird vermittels des Messsignals eine
Impedanzmessung durchgeführt und ein Impedanzwert ermittelt, der mit einem
Referenzwert verglichen wird. Die Impedanzmessung erfolgt dabei durch Beaufschlagung der Messstrecke mit dem Messsignal.
Die Messstrecke und das Referenzelement können also in dem Fall in das
Referenzelement sich einem elektrisch leitfähigen Zustand befindet, wie ein Kondensator wirken, welchen Kondensator beispielsweise die Funktion eines Bandpasses zukommt, so dass nur bestimmte Messsignale beziehungsweise Messsignale mit einem bestimmten Frequenzanteil ungefiltert über die Messstrecke übertragen werden. Anhand des
Phasenübergangs beziehungsweise der auftretenden Phasenübergänge des
Referenzelements beziehungsweise des Materials aus dem das Referenzelement besteht kann somit einen charakteristischen insbesondere stufenförmigen Kapazitätsverlauf des Sensorelements beziehungsweise der Messstrecke ermittelt werden.
Es wird somit ein Sensorelement vorzugsweise zur Temperaturmessung vorgeschlagen, das insbesondere in Vorrichtungen der Prozessautomatisierungstechnik, wie
beispielsweise einem Messeinsatz verwendet werden kann. Derartige Vorrichtungen verfügen beispielsweise über ein Schutzrohr indem der Messeinsatz eingeführt werden kann, um die Temperatur eines Messstoffs zu erfassen. Das Sensorelement weist zu diesem Zweck beispielsweise zumindest eine oder vorzugsweise mehrere
Dünnfilmsegmente auf. Ein erster dieser Dünnfilmsegmente kann beispielsweise aus einem mäanderförmigen Platindünnfilm bestehen, der auf ein dielektrisches Substrat aufgebracht ist, das beispielsweise aus einer aluminiumoxidhaltigen Keramik besteht. Über dieses als Dielektrikum wirkendes Substrat kann der metallische Dünnfilm der als Messstrecke dient kapazitiv an ein weiteres Dünnfilmsegment koppeln, das
beispielsweise aus einem dotierten oder undotierten Vandiumoxid besteht. Das vanadiumoxidhaltige Dünnfilmsegment ist dabei von dem mäanderförmigen
Platindünnfilmsegment, welches beispielsweise auf demselben Substrat aufgebracht ist, durch eine dielektrische Zwischenschicht getrennt. Durch diese Zwischenschicht erfolgt eine kapazitive Kopplung des Referenzelements dienenden Dünnfilmsegments zu der Messstrecke. Vanadiumoxid erfährt bei einer Temperatur von zirka 60°C einen
Halbleitermetallübergang, d. h. eine Phasenumwandlung. Diese Phasenumwandlung führt zu einer Widerstandsänderung des Vanadiumoxids. Dies wird erfindungsgemäß genutzt, um einen sich aufgrund einer kapazitiven Kopplung zwischen dem
Referenzelement und der Messstrecke ergebenden Impedanzwert zu bestimmen, der als Referenzgröße fungiert. Die Widerstandsmessung des temperaturabhängigen
Widerstandselementes beispielsweise in Form einer Dünnfilmschicht beziehungsweise eines Dünnfilmsegments ausgestaltet ist, kann dabei zur selben Zeit wie die
Impedanzmessung der Messstrecke erfolgen.
Beispielsweise kann auf einer Vorderseite des Substrats und auf einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite des Substrats die Messstrecke beziehungsweise das Referenzelement in Form eines Dünnfilms aufgebracht sein. Dabei kann beispielsweise planare Ätzung oder eine planare Vertiefung, welche durch Ablationstechniken vorgenommen wurde, vorgesehen sein, um mehrere parallel geschaltete
Vanadiumoxidschichten unterschiedlicher Dotierung nebeneinander anzuordnen und randständig zu kontaktieren.
Das Referenzelement kann auch aus mehreren beispielsweise stufenförmigen aufeinanderliegenden, d. h. übereinander angeordneten Vanadiumoxidschichten, die beispielsweise eine unterschiedliche Dotierung aufweisen bestehen. Die Dotierung dient dazu, die Phasenumwandlungstemperatur des Referenzelements herabzusetzen oder zu steigern. Eine Veränderung der Phasenumwandlungstemperatur kann auch durch eine Anpassung der Stärke oder Breite der Schichten erfolgen. Beispielsweise kann dadurch eine abgestufte Impedanzveränderung der Messstrecke beziehungsweise der gesamten kapazitiven Messanordnung erfolgen. Weiterhin das Substrat auch nur einseitig beschichtet sein. Beispielsweise kann eine mäanderförmige metallische Struktur, die die erste Messstrecke bildet mit einer dielektrischen Deckschicht von 0,2 bis 3 μιη beschichtet sein. Auf diese Deckschicht wiederum können mehrere aufeinanderliegende, sich zumindest teilweise überlappende Schichten eines Referenzmaterials beispielsweise Vanadiumoxid mit unterschiedlicher Dotierung angeordnet sein. Messstrecke und Referenzelement bilden also einen
Kondensator.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung, in einer Draufsicht,
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der
vorgeschlagenen Erfindung, ebenfalls in einer Draufsicht,
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung, in einem Querschnitt, Fig. 4: eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der
vorgeschlagenen Erfindung, in einer Draufsicht und
Fig. 5: eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der
vorgeschlagenen Erfindung, in einer Explosionsdarstellung.
Figur 1 zeigt ein Substrat 3, d.h. einen Träger, auf dem eine Messtrecke 1 1 in Form eines meandrierenden metallischen Drahtes aufgebracht ist. Auf den Draht ist eine Deckschicht 16 aufgebracht, die als Dielektrium dient, und die Messtrecke 1 1 von einem auf der Deckschicht 16 von einem Referenzmaterial 12 getrennt.
Die Messtrecke 1 1 ist mit Abgriffen 4 und 6 versehen, die zum Abgreifen bzw.
Beaufschlagen der Messtrecke 1 1 mit einem Messsignal dienen. Ferner ist ein Abgriff 5 an dem Referenzelement 12 vorgesehen, über welchen Abgriff die Kapazität des aus der Messstrecke 1 1 und dem Referenzelement 12 bestehenden Kondensators bestimmt werden kann.
Aufgrund der Tatsache, dass das Referenzelement 12 bzw. das Material, aus dem das Referenzelement besteht, einen Phasenübergang bei einer im für die Kalibrierung, Validierung, Justierung oder Eichung relevanten Temperaturbereich erfährt, durch den sich eine elektrische Eigenschaft wie bspw. die elektrische Leitfähigkeit des
Referenzelements 12 ändert, kann anhand der Bestimmung der Kapazität zwischen der Messtrecke und dem Referenzelement 12, das Erreichen der
Phasenübergangstemperatur ermittelt werden.
Anstatt der Deckschicht kann auch das Substrat 3 als Dielektrikum dienen und bspw. die Messstrecke 1 1 auf einer dem Referenzelement 12 gegenüberliegenden Seite des Substrats 3 angeordnet sein.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung, wobei anstatt einer, mehrere Referenzelemente bzw. ein Referenzelement, das aus Abschnitten (12, 13, 14, 15) besteht die eine unterschiedliche Phasenübergangstemperatur aufweisen. Die Abschnitte (12, 13, 14, 15) können bspw. aus Vanadiumoxid-Schichten mit unterschiedlicher Dotierung bestehen.
Diese Vanadiumoxid- Schichten können bspw. über einen leiterbahn-artigen Abgriff 9, 10 (gemeinsam), vorzugsweise randständig, d.h. an einem Rand der Schichten bzw.
Abschnitte 12, 13, 14, 15 verlaufend, elektrisch kontaktiert sein. Ferner können diese Schichten über einen punkt-artigen elektrischen Kontakt einzeln kontaktiert sein.
Somit kann die Kapazität des aus Referenzelement 12 und Messstrecke 1 1 bestehenden Sensorelements bestimmt werden. Da die verschiedenen Abschnitte 12, 13, 14, 15 bzw. Schichten unterschiedliche Übergangtemperaturen aufweisen, ergibt sich auch ein stufenartiger Verlauf der Kapazität bei durchlaufen der jeweiligen
Phasenübergangstemperaturen der verschiedenen Abschnitte 12, 13, 14, 15.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung bei der auf einer Seite der Substrats 3, der Vorderseite, die Messstrecke 1 1 angeordnet und auf der der
Vorderseite gegenüberliegenden Seite, der Rückseite mehrere übereinander liegende Schichten 12, 13, 14, 15 die jeweils aus Materiealien mit einer bestimmten
Phasenübergangstemperaturen bestehen, wobei sich die elektrischen Eigenschaften der Materiealien in Abhängigkeit der Phase, in der das jeweilige Referenzmaterial 12, 13, 14, 15 sich befindet, abhängig ist.
Die Schichten 12, 13, 14, 15 sind dabei randständig elektrisch über einen leiterbahnartigen Abgriff miteinander verbunden. Im Falle eines Phasenübergangs von niedrigen zu Hohen Temperaturen bei welchem bspw. die Leitfähigkeit der jeweiligen Schicht 12, 13, 14, 15 ansteigt, steigt somit auch die Kapazität des aus Messtrecke 1 1 und
Referenzelement 12 bestehenden Kondensators schritt oder stufenweise an.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform bei der auf einem Substrat 3 ebenso wie in Figur 1 eine Messtrecke aus einem metallischen Material aufgebracht ist und von einer
Deckschicht 16 bedeckt ist.
Ferner ist ein Referenzelement, das mehrere nebeneinander angeordnete Abschnitte 12, 13, 14, 15 aufweist, auf die Deckschicht bzw. das Substrat aufgebracht.
Die Abschnitte 12, 13, 14, 15 des Referenzelements sind randständig durch eine erste leiterbahnartige und einer zweite leiterbahnartigen Abgriff 9, 10 elektrisch miteinander verbunden. Es können jedoch auch nur ein Teil dieser Abschnitte elektrisch miteinander verbunden sein, während ein anderer Teil bspw. einen oder mehrere Abschnitte enthält die elektrisch voneinander isoliert sind.
Es ist somit möglich die vorliegende Phase einer oder mehrere der Abschnitte des Referenzelements 12, 13, 14, 15 und somit eine Referenztemperatur, wie bspw. einen Temperaturbereich oder eine Phasenübergangstemperatur, einerseits durch einen Signalabgriff zw. dem ersten und zweiten leiterbahn-artigen Abgriff 9, 10 und andererseits zwischen einer der leiterbahn-artigen Abgriffe 9, 10 und der Messtrecke 1 1 zu
bestimmen.
Figur 5 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung.
Auf ein Substrat 3 kann eine Messtrecke 1 1 aufgebracht werden, die wiederum von einer Deckschicht 16 bedeckt wird. Die Deckschicht 16 dient dabei als Dielektrikum. Auf die Deckschicht 16 kann ein Referenzelement aufgebracht werden, das mehrere randständig kontaktierte Abschnitte 12, 13, 14, 15 aufweist, welche Abschnitte 12, 13, 14, 15 bevorzugt eine unterschiedliche Phasenübergangstemperatur aufweisen.
Allgemein handelt es sich bei der Messtrecke 1 1 bevorzugt um einen
temperaturabhängigen Widerstand handeln, wie er heutzutage oftmals zur Bestimmung einer Temperatur bspw. eines Messstoffs in einem Behälter eingesetzt wird. Derartige Messtrecken bestehen heutzutage bspw. aus einer Dünnfilmschicht. Das Referenzelement 12 kann somit zur in-situ Kalibrierung des temperaturanhängigen Widerstands verwendet werden, d.h. ohne ein entsprechendes Messgerät aus einem Behälter ausbauen zu müssen und dabei ggfs. den Prozess zu unterbrechen, der in dem Behälter abläuft.
Bezugszeichenliste
Messstrecke
Substrat
Erster Abgriff
Zweiter Abgriff
Dritter Abgriff
Vierter Abgriff
Leiterbahn-artige Kontaktierung
Abschnitt mit einer ersten Phasenübergangstemperatur
Abschnitt mit einer zweiten Phasenübergangstemperatur
Abschnitt mit einer dritten Phasenübergangstemperatur
Abschnitt mit einer vierten Phasenubergangstemperatur
Deckschicht

Claims

Patentansprüche
1. Sensorelement, wobei das Sensorelement eine Messstrecke (1 1 ) umfasst, die durch ein Dielektrikum (16) von einem Referenzelement (12) getrennt ist, welches
Referenzelement (12) aus einem Material besteht, das bei einer vorgegebenen
Temperatur einen Phasenübergang erfährt, durch den sich die elektrische Leitfähigkeit des Materials ändert.
2. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei das Referenzelement (12) derart bezüglich der Messstrecke (1 1 ) angeordnet ist, dass im Falle eines Phasenübergangs des Referenzelements das Referenzelement (12) kapazitiv mit der Messstrecke (1 1 ) bzw. einem Teil der Messstrecke (1 1 ) koppelt.
3. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die Messstrecke (1 1 ) zumindest abschnittsweise einen meanderförmigen Verlauf aufweist.
4. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die Messstrecke (1 1 ) aus einem metallischen Material, vorzugsweise Platin, besteht.
5. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die Messstrecke (1 1 ) und das Referenzelement (12) auf demselben Substrat (3) angeordnet sind.
6. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei eine die Messstrecke (1 1 ) und das Referenzelement (12) trennende Schicht (16) als Dielektrikum dient.
7. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei es sich bei dem Material um ein Übergangsmetall, vorzugsweise Vanadium oder ein Vanadiumoxid, bzw. ein ein Übergangsmetall enthaltendes, vorzugsweise ein Vanadium oder ein Vanadiumoxid enthaltendes, Material handelt.
8. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die Messstrecke (1 1 ), das Dielektrikum (16) und/oder das Referenzelement (12) aus einem Dünnfilm bzw. Dickfilm bestehen.
9. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei sich durch den Phasenübergang der elektrische Widerstand und/oder die elektrische Leitfähigkeit des Referenzelements (12) verändert.
10. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Referenzelement (12) durch den Phasenübergang von einem Zustand mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit in einen Zustand mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit übergeht.
1 1. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Referenzelement (12) durch den Phasenübergang von einem Zustand in welchem das Referenzelement (12) elektrisch im Wesentlichen isoliert in einen elektrisch leitfähigen Zustand übergeht.
12. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei eine Beaufschlagung der Messstrecke (1 1 ) mit einem Messsignal, vorzugsweise eine Impedanzmessung, dazu dient, den Phasenzustand des Referenzelements (12) zu bestimmen.
13. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei anhand der mit dem Messsignal beaufschlagten Messstrecke (1 1 ) eine Temperatur bzw. das Erreichen einer Temperatur, vorzugsweise der vorgegebenen Temperatur, bei der das Material, aus dem das Referenzelement (12) besteht, einen Phasenübergang erfährt, bestimmt wird.
14. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei das Referenzelement aus mehreren Abschnitten (12, 13, 14, 15) mit
unterschiedlichen Phasenübergangstemperaturen, vorzugsweise aus einem Material mit unterschiedlicher Dotierung, besteht, welche Abschnitte (12, 13, 14, 15) besonders bevorzugt voneinander getrennt und/oder über leiterbahnartige Abgriffe (9, 10) miteinander verbunden sind.
15. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die Abschnitte (12, 13, 14, 15) parallel zueinander elektrisch miteinander verbunden sind.
16. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die Abschnitte eine unterschiedliche Stärke, Dicke und/oder Dotierung aufweisen.
17. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Abschnitte (12, 13, 14, 15) des Referenzelements übereinander in Schichten angeordnet sind.
18. Sensorelement nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die Abschnitte (12, 13, 14, 15) des Referenzelements nebeneinander,
vorzugsweise im Wesentlichen in einer Ebene, angeordnet sind.
19. Thermometer mit einem Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche.
20. Verwendung des Sensorelements nach einem der vorherigen Ansprüche in zur Validierung, Justierung, Kalibrierung und/oder Eichung eines Thermometers.
21. Verfahren zur Bestimmung einer vorgegebenen Temperatur,
wobei eine Messtrecke (1 1 ) mit einem Messsignal beaufschlagt wird, welche Messtrecke (1 1 ) durch ein Dielektrikum (16) getrennt von einem Referenzelement (12) angeordnet ist, welches Referenzelement (12) bei der vorgegebenen Temperatur einen Phasenübergang erfährt, wobei das Messsignal mit einem Referenzwert verglichen wird, um die Phase des Referenzelements (12) zu ermitteln.
22. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
wobei vermittels des Messsignals eine Impedanzmessung durchgeführt wird und ein Impedanzwert ermittelt wird, der mit einem Referenzwert verglichen wird.
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