EP3884251A1 - Sensorvorrichtung und verfahren zur herstellung einer sensorvorrichtung - Google Patents

Sensorvorrichtung und verfahren zur herstellung einer sensorvorrichtung

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Publication number
EP3884251A1
EP3884251A1 EP19806175.6A EP19806175A EP3884251A1 EP 3884251 A1 EP3884251 A1 EP 3884251A1 EP 19806175 A EP19806175 A EP 19806175A EP 3884251 A1 EP3884251 A1 EP 3884251A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor device
surface structure
medium
sensor
equal
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.)
Pending
Application number
EP19806175.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Eberstein
Jörn BONSE
Sabrina V. Kirner
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.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung
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 TDK Electronics AG, Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung filed Critical TDK Electronics AG
Publication of EP3884251A1 publication Critical patent/EP3884251A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1 ns or less
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general
    • G01L19/0654—Protection against aggressive medium in general against moisture or humidity

Definitions

  • Solidification to ice can exert uncontrolled forces, the measurement signal from the sensor can be falsified immediately after the next start of the motor vehicle or, in extreme cold, even while driving.
  • this phenomenon can occur with pressure sensors that detect the pressure of a gaseous or liquid medium via the deformation of a thin membrane for media separation. If the condensate freezes in the sensor as described, it can take a long time
  • the measuring accuracy of pressure sensors decreases significantly at low temperatures, whereby the measuring signal can show such falsifications that misdiagnoses occur.
  • the sensor for the medium represent a dead end and may be the coldest point in the system, there may also be condensate build up in the sensor such that excessive stress is placed on the sensor which may even lead to premature destruction.
  • Engine waste heat is therefore no longer sufficient.
  • the sensor signal is only evaluated when certain positive temperatures have been reached. The sensor is therefore only operated in a certain temperature window.
  • At least one object of certain embodiments is to specify a sensor device in advance
  • At least one object of further embodiments is to specify a method for producing a sensor device.
  • the sensor element can in particular be the active part of the sensor device, that is to say the part through which the measurement is carried out.
  • the sensor device can be provided and set up to measure at least one property of a medium.
  • the medium can preferably be a gas or a
  • the medium vapor and / or droplets can have a liquid, for example moisture, ie water vapor and / or
  • the medium can also contain particles, for example soot.
  • the medium can be air or an exhaust gas or a mixture thereof.
  • a property to be measured by the sensor device can particularly preferably be a pressure, so that the
  • Sensor device can be designed as a pressure sensor.
  • the sensor element can be, for example Pressure sensor chip, which has a membrane that is exposed to the medium during operation. Depending on the pressure of the medium on one side of the membrane compared to a pressure on the other side of the membrane, the membrane can deform to different extents.
  • Membrane deformation may be able to determine information about the pressure of the medium.
  • a property to be measured by the sensor device can also be a temperature, for example, so that the sensor device can additionally or alternatively also be used as a temperature sensor
  • the sensor element can, for example, have or be a thermistor.
  • the sensor device can also be set up and provided to measure one or more optical properties of the medium.
  • the sensor element can have, for example, light-generating and / or light-detecting elements, for example in the form of one or more diodes.
  • the sensor device can also have a plurality of sensor elements that
  • the sensor device can be used to measure several parameters of the medium.
  • the media feed can
  • Sensor device for example, have a line, such as a connecting piece, which is connected to the volume in which the medium is located. If the medium has, for example, or is an exhaust gas from a motor vehicle, the sensor device can be equipped with the
  • the surface with the surface structure is a surface of the sensor device that is exposed to the medium during operation of the sensor device, for which at least one parameter by means of the
  • Surface structure reduced wettability can particularly preferably be the wettability of the surface in relation to the medium or at least one component of the medium, in particular, for example, in relation to condensing
  • the medium or the at least one component of the medium, to which wettability relates can be in liquid form, for example in the form of droplets, or can also condense on contact with the surface.
  • the component of the medium to which the wettability of the surface relates may be water in the form of
  • Moisture i.e. water vapor and / or droplets
  • the surface with the surface structure can in particular be free of a coating which reduces the wetting. In other words, the surface can be free of one
  • coating denotes a part of the production of the
  • Sensor device specifically applied material in the form of a partially or completely covering layer.
  • Coating could be, for example, a fluoropolymer such as Teflon or a fluorosilane, which is known as a water-repellent coating.
  • the surface with the surface structure can thus in particular be a surface of a part or a component of the
  • Be sensor device that has a higher wettability without the surface structure.
  • the material of the surface with the surface structure can thus in particular
  • Material of the corresponding part or the corresponding component of the sensor device can, depending on the material from which the part or the component of the
  • the surface with the surface structure can, for example, at least
  • the surface with the surface structure can accordingly also be different
  • Surface structure can be a surface of the sensor element. If the sensor element is designed as a pressure sensor element, such as a pressure sensor chip, the surface with the surface structure can particularly preferably be part of the membrane. In particular, this can preferably be the entire part of the surface of the sensor element and thus, in particular, the membrane that is in operation
  • Sensor device is in contact with the medium. If the sensor element is, for example, a silicon-based chip, the surface can be covered with the
  • the surface can be covered with the
  • Sensor device can cover the surface with the
  • the entire surface of the medium exposed to the medium during operation of the sensor device can be particularly preferred
  • Sensor device have a surface structure.
  • the surface with the surface structure can be hydrophobic or due to the surface structure
  • the contact angle between water and the surface with the surface structure is greater than or equal to 110 ° or even greater than or equal to 135 ° or even greater than or equal to 150 °.
  • the hydrophobic or syperhydrophobic effect of the surface can be brought about solely by the surface structure, without an additional hydrophobic coating being present, as described above.
  • the microstructure can in particular have a large number of elevations and / or
  • Characteristic sizes of the elevations and depressions can, for example, be selected from: height, length, width, diameter, depth, maximum Extension length, distance, especially quasi-periodic distance.
  • the microstructure can, for example, have elevations and / or depressions with circular and / or elongated ones
  • the microstructure can have circular and / or elliptical elevations and / or
  • Indentations that is, hole-like indentations and / or mountain-like or island-like elevations, which can be columnar, cylindrical and / or conical, for example.
  • microstructure can be elongated
  • the elevations and / or depressions are at a distance of less than or equal to 500 ⁇ m. Furthermore, the surveys and / or
  • Depressions have a distance of greater than or equal to 0.1 ym or greater than or equal to 0.5 ym or greater than or equal to 1 ym.
  • the elevations and / or depressions can be at a distance from one another of less than or equal to 300 ⁇ m or less than or equal to 200 ⁇ m or less than or equal to 100 ⁇ m or less than or equal to 50 ⁇ m.
  • the elevations and / or depressions have a height or depth of less than or equal to 250 ⁇ m. Furthermore, values of less than or equal to 200 ym or less than or equal to 150 ym or less than or equal to 100 ym or less than or equal to 50 ym and / or greater than or equal to 1 ym or greater than or equal to 5 ym or greater than or equal to 10 ym.
  • the nanostructure can have a multiplicity of elevations and / or depressions which have characteristic sizes in the range of greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 100 nm.
  • the elevations and / or depressions of the nanostructure can have shapes as described in connection with the microstructure.
  • the nanostructure can be particularly preferred
  • Wells have hole-like wells and / or mountain or island-shaped elevations.
  • the elevations and / or depressions can preferably have widths or diameters of greater than or equal to 1 nm or greater than or equal to 5 nm and / or less than or equal to 100 nm or less than or equal to 50 nm or less than or equal to 25 nm.
  • the surface structure can also have a combination of a microstructure and a nanostructure.
  • the surface structure can have a hierarchical micro-nano structure, that is to say a microstructure which is covered with a nanostructure.
  • the surface structure thus has a microstructure, for example
  • Ultrashort pulse laser radiation can be performed
  • the pulsed laser radiation has laser pulses with a pulse duration of less than or equal to 100 ns and preferably less than or equal to 100 fs or less than or equal to 50 fs or less than or equal to 30 fs.
  • parameters of the laser radiation for example selected from wavelength, energy, beam width, fluence, degree of polarization,
  • Feed speed, pulse frequency, number of pulses, pulse duration, angle of incidence and scan line offset can be set in order to produce a desired material removal
  • the production of the surface structure can be carried out as part of the customary production process for the individual
  • Components of the sensor device take place.
  • the irradiation by means of pulsed laser radiation can be carried out as in the usual
  • Laser process for one or more or all surfaces of the sensor device that come into contact with the medium during operation of the sensor device is a (super) hydrophobic
  • Hierarchical micro-nano structures can be based
  • LIPSS laser-induced periodic surface structures
  • the method described here makes it possible to create a uniform resistance to icing of various parts of the sensor device.
  • a potential undesirable wetting of one or more or all surfaces with condensate of the medium in the sensor device can be implemented an additional, laser-based process step in the manufacture of the sensor device can be reduced or even completely prevented, since the surface structure produced prevents the accumulation of condensate on media-carrying surfaces such as, for example, the media feed and / or
  • media-reducing surfaces such as a membrane can greatly reduce or even completely prevent.
  • the resulting surfaces can have, for example, periodic or random micro- and / or nanostructures and, in particular, also hierarchical micro-nano-structures, the structure of which, in addition to the material, includes the wavelength and
  • Polarization of the laser pulses used such as ultra-short pulses.
  • Adhesion of condensate can occur when the
  • Coating avoids the risk of delamination of the coating, which means that longer lifetimes and improved operating behavior can be expected.
  • Elements such as pressure-sensitive membranes may be suitable. Due to the very good focusability of laser radiation down to the diameter down to the micrometer range, even very small functional elements of the Surface structure with sizes in the range of a few micrometers or above or even below flexible and fast
  • Ultrashort pulse laser processing can preferably be done in-line in the production process and very quickly using modern laser technology.
  • a multifunctionalization of a media-separating surface such as a membrane of a pressure sensor element in the form of pressure transmission, condensate repellency and self-cleaning can thus be achieved.
  • Figures 1A to IC are schematic representations of a
  • FIGS. 2A to 2C are schematic representations of
  • 1A to IC show a sensor device 100 and a method for
  • Sensor device 100 is in particular provided and set up to measure one or more parameters of a medium 99, which can be selected, for example, from a pressure, a temperature and optical properties.
  • the sensor device 100 of the exemplary embodiment shown is a pressure sensor which, for example, in the context of an exhaust gas measurement in one
  • the medium 99 can be, for example, an exhaust gas from an Otto or
  • the medium 99 can also at least partially have air. This can be the case in particular at a point in time before the engine is started and / or shortly after the engine is started.
  • the medium 99 can at least temporarily also have moisture, which is contained, for example, in the air and / or in the exhaust gas, so that there may be the possibility that the medium 99 forms a condensate at low temperatures. Even if the following description is directed to a special embodiment of the sensor device 100, this applies equally to others
  • the sensor device 100 has a sensor element 1, which is the active part of the
  • the sensor element 1 is a pressure sensor chip that, for example, is based on
  • the senor element 1 can also have a ceramic or metal membrane, for example.
  • the sensor element 1 is located in a housing 2 which, for example, plastic, metal and / or
  • the medium 99 can be guided to the sensor element 1 through a media feed 21, for example in the form of a line formed by a connecting piece.
  • a media feed 21 for example in the form of a line formed by a connecting piece.
  • the sensor element 1 can be located in a volume 20 of the housing 2 which is closed off by a cover 3.
  • the volume 20 can be a reference pressure
  • the volume 20 may also be possible for the volume 20 to be open to the environment or also to be connected to the exhaust system, so that the sensor element 1 is one
  • the surface of the sensor element 1 which faces the volume 20 and / or the surfaces of the walls forming the volume 20 and optionally a feed line or media feed can be configured in a manner or similar to that for the media feed 21 and that in the following
  • the sensor device 100 is shown in a highly simplified manner in the exemplary embodiment shown and can further or alternative for corresponding
  • the sensor device 100 has surfaces 4 which face the medium 99 during normal operation.
  • the surfaces 4 are marked by a
  • the latter can be formed in particular by the membrane of the sensor element 1. If the temperature in the media feed 21 and / or in the area of the sensor element 1 falls to a sufficiently low value, it may be that at least a part of the medium 99 condenses on at least a part of the surfaces 4 or, at even lower temperatures, freezes what can lead to the problems described in the general section above.
  • the sensor device 100 has at least one surface 4 with a surface structure 40, which is indicated in a section in FIG. 1B and which reduces the wettability of the surface 4 with the medium 99 or at least one component contained in the medium 99.
  • the surface 4 with the surface structure 40 can be superhydrophobic due to the surface structure 40. That can
  • the contact angle between water and the surface 4 with the surface structure 40 is greater than or equal to 110 ° or even greater than or equal to 135 ° or even greater than or equal to 150 °.
  • the syperhydrophobic effect of the surface 4 can be brought about solely by the surface structure 40.
  • the surface 4 with the surface structure 40 is
  • the surface 4 will not formed by a material such as Teflon or another fluoropolymer that has been applied in a targeted manner to reduce the wettability. Rather, the surface 4 with the surface structure 40 can be a surface of a part or a component of the sensor device 100, which would have a high wettability without the surface structure 40.
  • Surface structure 40 is thus, in particular, the material of the corresponding part or the corresponding component of the sensor device 100, and, depending on the material from which the part or the component of the sensor device 100 with the surface 4 with the surface structure 40 is made, can be a semiconductor material, for example Metal or a metal alloy, a plastic, a
  • the surface 4 indicated in FIG. 1B with the surface structure 40 can be a surface of the
  • the surface 4 with the surface structure 40 can particularly preferably be part of the membrane of the sensor element 1.
  • the surface 4 with the surface structure 40 can particularly preferably be part of the membrane of the sensor element 1.
  • Surface structure 40 can be formed by a surface of the membrane facing the media feed 21 and thus the medium 99 during operation of the sensor device 100. If the sensor element 1 is a silicon-based chip, the surface with the surface structure can
  • the surface 4 with the surface structure 40 can accordingly be a ceramic or metallic surface.
  • the surface 4 with the surface structure 40 can be at least part of the media feed 21.
  • the surface 4 with the surface structure 40 can be silicon or an oxide or nitride with silicon.
  • Surface structure 40 may be at least part of the inner wall of the connection piece shown in FIG. 1A. Is this
  • the surface 4 with the surface structure 40 can accordingly also be a metallic surface.
  • the entire surface of the sensor device 100 exposed to the medium 99 during operation of the sensor device 100 can have the surface structure 40. Accordingly, the wettability of all in
  • the surface structure 40 can have a microstructure and / or a nanostructure, that is to say, as shown in FIG. 1B, have a multiplicity of elevations 41 and / or depressions 42 in the surface 4 which have characteristic sizes in the range of greater than or equal to 0.1 ⁇ m and less or equal to 500 ⁇ m in the case of a microstructure and in the range greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 100 nm.
  • the surface structure for producing the sensor device is produced by means of pulsed laser radiation, which is indicated by the broken arrow with the reference number 201.
  • pulsed laser radiation which is indicated by the broken arrow with the reference number 201.
  • Ultrashort pulse laser radiation can be performed
  • a laser 200 such as a nanosecond laser or preferably a picosecond laser or particularly preferably a femtosecond laser.
  • a laser 200 such as a nanosecond laser or preferably a picosecond laser or particularly preferably a femtosecond laser.
  • Degree of polarization, feed rate, pulse frequency, number of pulses, pulse duration, angle of incidence and scan line offset can be set in order to bring about a desired material removal in order to produce the surface structure.
  • an interference technique can be used, for example, to produce periodic micro- and / or nanostructures.
  • the pulsed laser radiation 201 which can be adjusted accordingly depending on the surface material to be processed and the desired surface structure, it may be possible to use the same or different ones
  • Laser irradiation can be carried out as a process step inserted into the usual manufacturing process.
  • Surface structure 40 can have, for example, circular and / or elongated cross sections.
  • the surface structure 40 can be circular and / or
  • Surface structure 40 has elongated, branching or non-branching walls and / or trenches extending along surface 4, which can be crossing or non-crossing or parallel.
  • the elevations 41 and / or depressions 42 can be at least partially or all periodically and therefore regularly or at least partially or all irregularly shaped and / or distributed.
  • FIGS. 2A to 2C three are purely exemplary
  • the surface structure 40 can have, for example, periodically arranged depressions 42 in the form of channels that are parallel to one another. As an alternative to this, the channels can, for example, also be irregular and / or not straight and / or intersecting. As shown in FIG. 2B, the surface structure 40 can also have hole-like depressions 42, for example with a circular cross section as shown in FIG. 2B. In addition, other forms, as described above and in the general part, are also possible. Between the depressions 42 shown the surface 4 can be flat or have elevations. Furthermore, it may also be possible that instead of the depressions 42 shown, correspondingly shaped elevations 41 are formed on the surface 4. As indicated in FIG. 2C, the surface structure 40 can also have a so-called hierarchical micro-nano structure, that is to say a combination of a microstructure and one
  • characteristic sizes of the surface structures 40 shown can be as described above in the general part.
  • the shapes and characteristic sizes of the surface structure 40 can be selected such that, in view of the operation with the surface 4 with the
  • FIG. 3A shows corresponding recordings of water drops, the number in each case in the top right corner indicating the experiment number # from the table in FIG. 3A and the angle information on the respective right recording side indicating the contact angle which is also shown in the table.
  • Embodiments are combined with each other, even if not all combinations are explicitly described.
  • Embodiments described alternatively or additionally have further features according to the description in the general part.

Landscapes

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Abstract

Es wird eine Sensorvorrichtung (100) angegeben, die ein Sensorelement (1) und eine Medienzuführung (21) zur Leitung eines Mediums (99) zum Sensorelement aufweist, wobei zumindest ein Teil einer dem Medium im Betrieb der Sensorvorrichtung ausgesetzte Oberfläche (4) der Sensorvorrichtung eine Oberflächenstruktur (40) aufweist, die eine Benetzbarkeit der Oberfläche durch das Medium herabsetzt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung angegeben.

Description

Beschreibung
Sensorvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer
Sensorvorrichtung
Es werden eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur
Herstellung einer Sensorvorrichtung angegeben.
Sensoren können je nach Einsatzort schwankenden
Umweltbedingungen und insbesondere unterschiedlichsten
Temperaturen ausgesetzt sein. Bei zu niedrigen Temperaturen können Medien, mit denen die Sensoren in Kontakt kommen, kondensieren und sogar einfrieren. Beispielsweise können in einem Kraftfahrzeug nach einem Fahrzeuggebrauch zumindest Reste des Abgases in einem Sensor im Abgassystem verbleiben und dort bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen
aufgrund des Anteils von Feuchtigkeit im Abgas kondensieren und sogar einfrieren. Da das Kondensat an sensitiven
Funktionselementen des Sensor anhaften und bei einer
Verfestigung zu Eis unkontrollierte Kräfte ausüben kann, kann das Messsignal des Sensors unmittelbar nach dem nächsten Start des Kraftfahrzeugs oder, bei großer Kälte, sogar während des Fahrens verfälscht sein. Beispielsweise kann dieses Phänomen bei Drucksensoren auftreten, die den Druck eines gasförmigen oder flüssigen Mediums über die Verformung einer dünnen Membran zur Medientrennung detektieren. Vereist wie beschrieben das Kondensat im Sensor, können lange
Wartezeiten entstehen, bis das Medium im Sensor
beispielsweise durch Abwärme des Motors wieder aufgetaut ist. Entsprechend nimmt die Messgenauigkeit von Drucksensoren bei niedrigen Temperaturen stark ab, wobei das Messsignal so starke Verfälschungen zeigen kann, dass es zu Fehldiagnosen kommt. Da der Sensor für das Medium eine Sackgasse darstellen und der kälteste Punkt im System sein kann, kann es weiterhin auch zu einer derartigen Ansammlung von Kondensat im Sensor kommen, dass eine übermäßige Belastung des Sensors entsteht, die sogar zu einer verfrühten Zerstörung führen kann.
Durch erhöhte Anforderungen an die Abgasreinhaltung werden jedoch bei Otto- und Dieselmotoren direkt nach dem
Motorkaltstart Druckmessungen am Abgasstrang notwendig. Damit verkürzt sich die Zeit erheblich, bis der Sensor ein
Messsignal liefern muss. Ein Auftauen allein durch
Motorabwärme ist daher nicht mehr ausreichend. Um dieses Problem zu umgehen, ist es beispielsweise möglich, keine Messungen bei zu tiefen Temperaturen vorzunehmen, sondern den Motor mithilfe hinterlegter Kennlinien zu steuern. Erst wenn bestimmte positive Temperaturen erreicht sind, wird das Sensorsignal ausgewertet. Der Betrieb des Sensors erfolgt somit lediglich in einem bestimmten Temperaturfenster.
Weiterhin kann versucht werden, den Sensor an günstigen Orten des Motorraums, beispielsweise in der Nähe des
Kühlwassereintritts in den Kühler, zu platzieren. Damit ist die Erwärmung jedoch immer noch von der Motorabwärme
abhängig. Eine eigenständige Beheizung des Sensors hingegen führt zu einem erhöhten Energieverbrauch. Weiterhin ist zumindest eine teilweise Vermeidung der Anhaftung von
Kondensat an medienführenden Sensorteilen durch eine
Oberflächenbeschichtung mit hydrophoben Materialien wie zum Beispiel Fluorsilanen möglich. Jedoch sind diese Materialien organischer Natur und verfügen beispielsweise im Vergleich zu Edelstahl über eine verminderte Korrosionsbeständigkeit bei Einwirkung von Temperatur und aggressiven Medien wie etwa einem Abgaskondensat. Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Sensorvorrichtung anzugeben, bei der vorab
beschriebene Probleme verringert oder verhindert werden können. Zumindest eine Aufgabe von weiteren Ausführungsformen ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung anzugeben .
Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand und ein
Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des
Gegenstands und des Verfahrens sind in den abhängigen
Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der
nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine
Sensorvorrichtung ein Sensorelement auf. Das Sensorelement kann insbesondere der aktive Teil der Sensorvorrichtung sein, also der Teil, durch den die Messung vorgenommen wird.
Insbesondere kann die Sensorvorrichtung dazu vorgesehen und eingerichtet sein, zumindest eine Eigenschaft eines Mediums zu messen. Das Medium kann bevorzugt ein Gas oder eine
Mischung von Gasen aufweisen oder sein. Weiterhin kann das Medium Dampf und/oder Tröpfchen eine Flüssigkeit aufweisen, beispielsweise Feuchtigkeit, also Wasserdampf und/oder
Wassertröpfchen. Darüber hinaus kann das Medium auch Partikel enthalten, beispielsweise Ruß. Beispielsweise kann es sich bei dem Medium um Luft oder ein Abgas oder eine Mischung daraus handeln.
Eine von der Sensorvorrichtung zu messende Eigenschaft kann besonders bevorzugt ein Druck sein, so dass die
Sensorvorrichtung als Drucksensor ausgebildet sein kann. Das Sensorelement kann in diesem Fall beispielsweise ein Drucksensorchip sein, der eine Membran aufweist, die dem Medium im Betrieb ausgesetzt ist. Abhängig vom Druck des Mediums auf einer Seite der Membran im Vergleich zu einem Druck auf der anderen Seite der Membran kann sich die Membran unterschiedlich stark verformen. Durch Messung der
Membranverformung kann es möglich sein, Informationen über den Druck des Mediums zu bestimmen. Weiterhin kann eine von der Sensorvorrichtung zu messende Eigenschaft beispielsweise auch eine Temperatur sein, so dass die Sensorvorrichtung zusätzlich oder alternativ auch als Temperatursensor
ausgebildet sein kann. Das Sensorelement kann in diesem Fall beispielsweise einen Thermistor aufweisen oder ein solcher sein. Darüber hinaus kann die Sensorvorrichtung auch dazu eingerichtet und vorgesehen sein, eine oder mehrere optische Eigenschaften des Mediums zu messen. Das Sensorelement kann in diesem Fall beispielsweise Licht erzeugende und/oder Licht detektierende Elemente, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Dioden, aufweisen. Die Sensorvorrichtung kann auch eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweisen, die
beispielsweise aus den beschriebenen Sensorelementen
ausgewählt sein können, so dass die Sensorvorrichtung zur Messung mehrerer Parameter des Mediums verwendet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Sensorvorrichtung eine Medienzuführung auf, mittels derer das Medium zumindest im Betrieb der Sensorvorrichtung zum
Sensorelement geleitet wird. Die Medienzuführung kann
beispielsweise einen Kanal, eine Leitung und/oder ein
Speichervolumen aufweisen oder sein, durch die das Medium geleitet wird und/oder in der das Medium zumindest zweitweise verbleibt. Im Falle eines Drucksensors kann die
Sensorvorrichtung beispielsweise eine Leitung wie etwa einen Anschlussstutzen aufweisen, der an dem Volumen angeschlossen ist, in dem sich das Medium befindet. Weist das Medium beispielsweise ein Abgas eines Kraftfahrzeugs auf oder ist ein solches, kann die Sensorvorrichtung mit dem
Anschlussstutzen mit dem Abgassystem des Kraftfahrzeugs verbunden sein, so dass Abgas zum Sensorelement gelangen kann .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Sensorvorrichtung zumindest eine Oberfläche mit einer
Oberflächenstruktur auf, die eine Benetzbarkeit der
Oberfläche herabsetzt. Unter den Begriff „Oberfläche" fallen sowohl eine gesamte Oberfläche als auch ein Teil einer
Oberfläche. Die folgende Beschreibung gilt somit
gleichermaßen für eine gesamte Oberfläche wie auch einen Oberflächenbereich. Insbesondere ist die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur eine Oberfläche der Sensorvorrichtung, die im Betrieb der Sensorvorrichtung dem Medium ausgesetzt ist, für das zumindest ein Parameter mittels der
Sensorvorrichtung bestimmt werden soll. Die durch die
Oberflächenstruktur verringerte Benetzbarkeit kann besonders bevorzugt die Benetzbarkeit der Oberfläche in Bezug auf das Medium oder wenigstens eine Komponente des Mediums, also insbesondere beispielsweise in Bezug auf kondensierende
Bestandteile des Mediums, sein. Das Medium oder die zumindest eine Komponente des Mediums, auf die sich die Benetzbarkeit bezieht, kann in flüssiger Form, beispielsweise in Form von Tröpfchen, vorliegen oder auch bei einem Kontakt mit der Oberfläche kondensieren. Beispielsweise kann die Komponente des Mediums, auf die sich die Eigenschaft der Benetzbarkeit der Oberfläche bezieht, Wasser sein, das in Form von
Feuchtigkeit, also Wasserdampf und/oder Tröpfchen, im
gasförmigen Medium enthalten sein kann. Die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur kann insbesondere frei von einer die Benetzung reduzierenden Beschichtung sein. Mit anderen Worten kann die Oberfläche frei von einem
Material sein, das im Vergleich zur unbeschichteten
Oberfläche eine geringere Benetzbarkeit aufweist. Eine
Beschichtung bezeichnet hier und im Folgenden, sofern nicht anders beschrieben, ein im Rahmen der Herstellung der
Sensorvorrichtung gezielt aufgebrachtes Material in Form einer teilweise oder vollständig bedeckenden Schicht.
Materialverunreinigungen auf der Oberfläche, die
unbeabsichtigt oder unvermeidlich während der Herstellung oder des Betriebs auf der Oberfläche aufgebracht werden oder sich ablagern, fallen nicht unter den Begriff Beschichtung. Eine solche in der vorliegenden Sensorvorrichtung auf der Oberfläche mit der Oberflächenstruktur nicht vorhandene
Beschichtung könnte beispielsweise ein Fluorpolymer wie beispielsweise Teflon oder ein Fluorsilan sein, die als wasserabweisende Beschichtung bekannt sind. Die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur kann somit insbesondere eine Oberfläche eines Teils oder einer Komponente der
Sensorvorrichtung sein, die ohne die Oberflächenstruktur eine höhere Benetzbarkeit aufweist. Das Material der Oberfläche mit der Oberflächenstruktur kann somit insbesondere das
Material des entsprechenden Teils oder der entsprechenden Komponente der Sensorvorrichtung sein, und kann, je nachdem aus welchem Material das Teil oder die Komponente der
Sensorvorrichtung mit der Oberfläche mit der
Oberflächenstruktur gefertigt ist, beispielsweise ein
Halbleitermaterial, ein Metall oder eine Metalllegierung, einen Kunststoff, ein Keramikmaterial oder Kombinationen mit diesen aufweisen oder sein. Entsprechend kann die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur beispielsweise zumindest
teilweise eine metallische Oberfläche sein für den Fall, dass das Teil oder die Komponente der Sensorvorrichtung, das bzw. die die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur aufweist, mit oder aus einem Metall oder einer Metalllegierung ist.
Erstreckt sich die Oberfläche der Sensorvorrichtung mit der Oberflächenstruktur über mehrere Teile oder Komponente mit oder aus verschiedenen Materialien, kann entsprechend auch die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur verschiedene
Materialien aufweisen.
Beispielsweise kann die Oberfläche mit der
Oberflächenstruktur eine Oberfläche des Sensorelements sein. Ist das Sensorelement als Drucksensorelement wie etwa ein Drucksensorchip ausgebildet, kann die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur besonders bevorzugt Teil der Membran sein. Insbesondere kann es sich hierbei bevorzugt um den gesamten Teil der Oberfläche des Sensorelements und damit insbesondere der Membran handeln, der im Betrieb der
Sensorvorrichtung in Kontakt mit dem Medium steht. Handelt es sich bei dem Sensorelement beispielsweise um einen Silizium basierten Chip, kann die Oberfläche mit der
Oberflächenstruktur Silizium oder ein Oxid oder Nitrid mit Silizium aufweisen oder daraus sein. Im Falle einer Keramik oder Metallmembran kann die Oberfläche mit der
Oberflächenstruktur entsprechend ein keramisches oder
metallisches Material aufweisen oder daraus sein.
Entsprechendes gilt auch für andere Typen von
Sensorelementen .
Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche mit der
Oberflächenstruktur zumindest Teil der Medienzuführung sein. Beispielsweise kann die Oberfläche mit der
Oberflächenstruktur zumindest ein Teil einer Kanals wie etwa eines Anschlussstutzens, einer Leitung und/oder eines Speichervolumens für das Medium sein. Je nach Material oder Materialien des die Medienzuführung bildenden Teils der
Sensorvorrichtung kann die Oberfläche mit der
Oberflächenstruktur eben dieses Material oder eben diese Materialien aufweisen oder daraus sein.
Besonders bevorzugt kann die gesamte dem Medium im Betrieb der Sensorvorrichtung ausgesetzte Oberfläche der
Sensorvorrichtung eine Oberflächenstruktur aufweisen.
Entsprechend kann die Benetzbarkeit der gesamten im Betrieb mit dem Medium in Kontakt kommenden Oberfläche der
Sensorvorrichtung aufgrund der Oberflächenstruktur
herabgesetzt sein.
Insbesondere kann die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur aufgrund der Oberflächenstruktur hydrophob oder
superhydrophob sein. Das kann besonders bevorzugt bedeuten, dass der Kontaktwinkel zwischen Wasser und der Oberfläche mit der Oberflächenstruktur größer oder gleich 110° oder sogar größer oder gleich 135° oder sogar größer oder gleich 150° ist. Insbesondere kann die hydrophobe oder syperhydrophobe Wirkung der Oberfläche allein durch die Oberflächenstruktur bewirkt sein, ohne dass, wie weiter oben beschrieben ist, eine zusätzliche hydrophobe Beschichtung vorhanden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Oberflächenstruktur eine Mikrostruktur auf. Die Mikrostruktur kann insbesondere eine Vielzahl von Erhebungen und/oder
Vertiefungen aufweisen, die charakteristische Größen im
Bereich von größer oder gleich 0,1 ym und kleiner oder gleich 500 ym haben können. Charakteristische Größen der Erhebungen und Vertiefungen können beispielsweise ausgewählt sein aus: Höhe, Länge, Breite, Durchmesser, Tiefe, maximale Erstreckungslänge, Abstand, insbesondere quasiperiodischer Abstand .
Die Mikrostruktur kann beispielsweise Erhebungen und/oder Vertiefungen mit kreisförmigen und/oder länglichen
Querschnitten aufweisen. Insbesondere kann die Mikrostruktur kreisrunde und/oder elliptische Erhebungen und/oder
Vertiefungen, also lochartige Vertiefungen und/oder berg- oder inselförmige Erhebungen, die beispielsweise Säulen-, zylinder- und/oder kegelförmig sein können, aufweisen.
Darüber hinaus kann die Mikrostruktur längliche, sich
verzweigende oder nicht verzweigende und entlang der
Oberfläche erstreckende Wälle und/oder Gräben aufweisen, die sich kreuzend oder nicht-kreuzend oder parallel sein können. Die Erhebungen und/oder Vertiefungen können zumindest
teilweise oder alle periodisch und damit regelmäßig oder auch zumindest teilweise oder alle unregelmäßig geformt und/oder angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Erhebungen und/oder Vertiefungen einen Abstand von kleiner oder gleich 500 ym auf. Weiterhin können die Erhebungen und/oder
Vertiefungen einen Abstand von größer oder gleich 0,1 ym oder größer oder gleich 0,5 ym oder größer oder gleich 1 ym aufweisen. Darüber hinaus können die Erhebungen und/oder Vertiefungen einen Abstand von kleiner oder gleich 300 ym oder kleiner oder gleich 200 ym oder kleiner oder gleich 100 ym oder kleiner oder gleich 50 ym zueinander aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Erhebungen und/oder Vertiefungen eine Höhe bzw. Tiefe von kleiner oder gleich 250 ym auf. Weiterhin können auch Werte von kleiner oder gleich 200 ym oder kleiner oder gleich 150 ym oder kleiner oder gleich 100 ym oder kleiner oder gleich 50 ym und/oder größer oder gleich 1 ym oder größer oder gleich 5 ym oder größer oder gleich 10 ym möglich sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Oberflächenstruktur einen Nanostruktur auf. Die Nanostruktur kann eine Vielzahl von Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen, die charakteristische Größen im Bereich von größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 100 nm aufweisen.
Die Erhebungen und/oder Vertiefungen der Nanostruktur können Formen wie in Verbindung mit der Mikrostruktur beschrieben aufweisen. Besonders bevorzugt kann die Nanostruktur
kreisrunde und/oder elliptische Erhebungen und/oder
Vertiefungen also lochartige Vertiefungen und/oder berg- oder inselförmige Erhebungen, aufweisen. Die Erhebungen und/oder Vertiefungen können bevorzugt Breiten oder Durchmesser von größer oder gleich 1 nm oder größer oder gleich 5 nm und/oder kleiner oder gleich 100 nm oder kleiner oder gleich 50 nm oder kleiner oder gleich 25 nm aufweisen.
Die Oberflächenstruktur kann weiterhin auch eine Kombination aus einer Mikrostruktur und einer Nanostruktur aufweisen. Insbesondere kann die Oberflächenstruktur eine hierarchische Mikro-Nano-Struktur aufweisen, also eine Mikrostruktur, die mit einer Nanostruktur bedeckt ist. Die Oberflächenstruktur weist somit beispielsweise eine Mikrostruktur auf, also
Erhebungen und/oder Vertiefungen mit einer Größe entsprechend der vorherigen Beschreibung, auf deren Flächen Nanostrukturen ausgebildet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung die
Oberflächenstruktur mittels Laserstrahlung, insbesondere mittels gepulster Laserstrahlung, hergestellt. Hierzu kann eine Kurzpulslaserbestrahlung oder bevorzugt eine
Ultrakurzpulslaserbestrahlung durchgeführt werden,
insbesondere unter Verwendung eines Nanosekundenlasers , bevorzugt eines Picosekundenlasers oder besonders bevorzugt eines Femtosekundenlasers . Das kann bedeuten, dass die gepulste Laserstrahlung Laserpulse mit einer Pulsdauer von kleiner oder gleich 100 ns und bevorzugt kleiner oder gleich 100 fs oder kleiner oder gleich 50 fs oder kleiner oder gleich 30 fs aufweist.
Abhängig vom Material der Oberfläche, in der die
Oberflächenstruktur hergestellt wird, können Parameter der Laserstrahlung, beispielsweise ausgewählt aus Wellenlänge, Energie, Strahlweite, Fluenz, Polaristationsgrad,
Vorschubgeschwindigkeit, Pulsfrequenz, Pulszahl, Pulsdauer, Einstrahlwinkel und Scanlinienversatz eingestellt werden, um einen gewünschten Materialabtrag zur Erzeugung der
Oberflächenstruktur mit den vorab beschriebenen Merkmalen zu bewirken. Weiterhin können Fokussierungs- und
Interferenztechniken verwendet werden, um gewünschte
Strukturformen und -großen herzustellen. Hierdurch kann es möglich sein, gleiche oder unterschiedliche
Oberflächenstrukturen auf unterschiedlichen Oberflächen, also Oberflächen unterschiedlicher Materialien, herzustellen.
Insbesondere kann die Herstellung der Oberflächenstruktur im Rahmen des üblichen Herstellungsprozesses der einzelnen
Komponenten der Sensorvorrichtung erfolgen. Hierzu kann während oder nach der Herstellung eines Teils oder einer Komponente der Sensorvorrichtung die Bestrahlung mittels gepulste Laserstrahlung als in den üblichen
Herstellungsprozess eingeschobener Verfahrensschritt
durchgeführt werden. Insbesondere kann dadurch eine Durchführung der Laserbestrahlung innerhalb der üblichen Fertigungslinie („In-Line") erfolgen. Somit kann es
beispielsweise möglich sein, mittels
Ultrakurzpulslaserbestrahlung und damit nur durch den
Laserprozess für eine oder mehrere oder alle Oberflächen der Sensorvorrichtung, die im Betrieb der Sensorvorrichtung mit dem Medium in Kontakt kommen, eine ( super- ) hydrophobe
Funktionalisierung durch Erzeugung von Mikrostrukturen,
Nanostrukturen oder, besonders bevorzugt, selbstorganisierter hierarchischer Mikro-Nano-Strukturen zu erreichen, ohne dass eine zusätzliche Beschichtung mit einem ( super- ) hydrophoben Material notwendig ist. Die selbstorganisierten
hierarchischen Mikro-Nano-Strukturen können auf Basis
sogenannter Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) bzw. „Ripples" oder „Grooves" oder „Cones"/„Spikes" sein.
Durch das hier beschriebene Verfahren ist eine Schaffung einer einheitlichen Vereisungsresistenz verschiedener Teile der Sensorvorrichtung möglich. Insbesondere kann
beispielsweise bei einer als Drucksensor ausgebildeten
Sensorvorrichtung eine solche Resistenz für ausgewählte oder auch alle Drucksensorfunktionselemente erreicht werden. In Experimenten konnte insbesondere gezeigt werden, dass bei einer gemäß dem hier beschriebenen Verfahren behandelten Drucksensormembran im Laboraufbau die Abweichung des
Messsignals durch vereiste, anhaftende Wasserstropfen
deutlich geringer ist als bei unbehandelten Referenzmembranen und sich insbesondere noch innerhalb des spezifizierten
Fehlers bewegen kann.
Wie beschrieben kann eine potentielle unerwünschte Benetzung einer oder mehrerer oder aller Oberflächen mit Kondensat des Mediums in der Sensorvorrichtung durch die Implementierung eines zusätzlichen, laserbasierten Prozessschrittes bei der Herstellung der Sensorvorrichtung verringert oder sogar ganz verhindert werden, da die hergestellte Oberflächenstruktur die Ansammlung von Kondensat an medienführenden Oberflächen wie beispielsweise der Medienzuführung und/oder
medientrennenden Oberflächen wie beispielsweise einer Membran stark vermindern oder sogar vollständig verhindern kann.
Durch den Einsatz von Ultrakurzpulslasern ist es möglich, auf unterschiedlichen Materialoberflächen einen kontrollierten Materialabtrag auf der Mikro- und Nanoskala bei geringer Wärmebelastung des verbleibenden Materialvolumens zu
erzeugen. Die resultierenden Oberflächen können dabei wie beschrieben beispielsweise periodische oder zufällige Mikro- und/oder Nanostrukturen und insbesondere auch hierarchische Mikro-Nano-Strukturen aufweisen, deren Struktur neben dem Material unter anderem von der Wellenlänge und der
Polarisation der genutzten Laserpulse wie etwa Ultrakurzpulse abhängt. Mit dem beschriebenen Verfahren kann es daher möglich sein, Oberflächenstrukturen zu schaffen, die der Geometrie und/oder zumindest vom Prinzip her denen von
Lotusblättern gleichen und einen stark wasserabweisenden Effekt und somit eine Superhydrophobie zeigen, was zu einer reduzierten Vereisung führen kann. Durch die minimierte
Anhaftung von Kondensat können bei einem Betrieb der
Sensorvorrichtung unterhalb einer Temperatur von 0°C die resultierenden Eisvolumina auf den mit dem Medium in Kontakt stehenden Oberflächen vernachlässigbar gering sein, so dass die Sensorfunktion und die Messgenauigkeit auch bei solchen Temperaturen erhalten bleiben kann. Da durch die verringerte Benetzbarkeit der Oberfläche abrollende Wassertropfen
Fremdpartikel aufnehmen und mittransportieren können, kann zudem eine kontinuierliche Selbstreinigung der mit dem Medium in Kontakt stehenden Oberflächen erreicht werden, was auch als sogenannter Lotuseffekt bekannt ist.
Wie vorab beschrieben kann mit dem hier beschriebenen
Verfahren eine hydrophobe Oberflächeneigenschaft lediglich durch eine Laserbearbeitung wie etwa einer
Ultrakurzpulslaserbearbeitung der mit dem Medium in Kontakt stehenden Oberflächen anstelle einer Hinzufügung eines
Funktionsmaterials erreicht werden. Das heißt, dass ohne den Einsatz zusätzlicher Beschichtungen die für die ursprüngliche Auswahl des Konstruktionsmaterials ausschlaggebenden und bewährten Materialeigenschaften, beispielsweise elastisches Verhalten sowie Temperatur- und Korrosionsverhalten,
weitgehend erhalten bleiben. Gegenüber einer
Oberflächenfunktionalisierung durch eine zusätzliche
Beschichtung wird das Risiko der Enthaftung der Beschichtung vermieden, was größere Lebensdauern und ein verbessertes Betriebsverhalten erwarten lässt.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren kann es somit möglich sein, dass vergleichbare hydrophobe Oberflächeneigenschaften auf verschiedenen Konstruktionswerkstoffen und somit
bevorzugt lückenlos im gesamten medienführenden Bereich der Sensorvorrichtung erreicht werden können, da das
physikalische Prinzip durch Variation der Laserparameter auf organischen Materialen und anorganischen Materialien
gleichermaßen anwendbar ist. Der Prozess kann durch die geringe Wärmeeinflusszone von wenigen hundert Nanometern bei der Ultrakurzpulslaserbestrahlung auch für sehr dünne
Elemente wie beispielsweise drucksensitive Membranen geeignet sein. Durch die sehr gute Fokussierbarkeit von Laserstrahlung auf Durchmesser bis hinunter in den Mikrometerbereich lassen sich auch sehr kleine Funktionselemente der Oberflächenstruktur mit Größen im Bereich weniger Mikrometer oder darüber oder sogar darunter flexibel und schnell
strukturieren. Die Ultrakurzpulslaserbearbeitung kann im Produktionsprozess bevorzugt In-Line und mittels moderner Lasertechnik sehr schnell erfolgen. Wie vorab beschrieben ist, kann es außerdem möglich sein, eine Selbstreinigung des medienführenden Bereiches der Sensorvorrichtung zu erreichen. Insbesondere kann somit eine Multifunktionalisierung einer medientrennenden Oberfläche wie beispielsweise einer Membran eines Drucksensorelements in Form einer Druckübertragung, einer Kondensatabweisung und einer Selbstreinigung erreicht werden .
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungs
beispielen .
Es zeigen:
Figuren 1A bis IC schematische Darstellungen einer
Sensorvorrichtung und eines Verfahren zur Herstellung der Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, Figuren 2A bis 2C schematische Darstellungen von
Oberflächenstrukturen einer Sensorvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen und
Figuren 3A und 3B Ergebnisse experimenteller Messungen für mittels des Verfahrens hergestellter
Oberflächenstrukturen .
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In den Figuren 1A bis IC sind gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Sensorvorrichtung 100 sowie ein Verfahren zur
Herstellung der Sensorvorrichtung 100 gezeigt. Die
Sensorvorrichtung 100 ist insbesondere dazu vorgesehen und eingerichtet, einen oder mehrere Parameter eines Mediums 99 zu messen, die beispielsweise ausgewählt sein können aus einem Druck, einer Temperatur und optischen Eigenschaften.
Rein beispielhaft handelt es sich bei der Sensorvorrichtung 100 des gezeigten Ausführungsbeispiels um einen Drucksensor, der zum Beispiel im Rahmen einer Abgasmessung in einem
Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Entsprechend kann das Medium 99 rein beispielhaft ein Abgas eines Otto- oder
Dieselmotors aufweisen oder sein. Darüber hinaus kann das Medium 99 auch zumindest teilweise Luft aufweisen. Dies kann insbesondere zu einem Zeitpunkt der Fall sein, bevor der Motor gestartet wird, und/oder kurz nach dem Starten des Motors. Insbesondere kann das Medium 99 zumindest zeitweise auch Feuchtigkeit aufweisen, die beispielsweise in der Luft und/oder im Abgas enthalten ist, so dass die Möglichkeit bestehen kann, dass das Medium 99 bei niedrigen Temperaturen ein Kondensat bildet. Auch wenn die nachfolgende Beschreibung auf eine spezielle Ausgestaltung der Sensorvorrichtung 100 gerichtet ist, gilt diese gleichermaßen für andere
Sensorarten, auch in Verbindung mit anderen Medien. Wie in Figur 1A gezeigt ist, weist die Sensorvorrichtung 100 ein Sensorelement 1 auf, das den aktiven Teil der
Sensorvorrichtung 100 darstellt. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Sensorelement 1 um einen Drucksensorchip, der beispielsweise auf
Siliziumbasis sein kann und eine Membran aufweist, die sich durch Druckeinwirkung durch das Medium 99 verformt.
Alternativ hierzu kann das Sensorelement 1 beispielsweise auch eine Keramik- oder Metallmembran aufweisen.
Das Sensorelement 1 befindet sich in einem Gehäuse 2, das beispielsweise Kunststoff-, Metall- und/oder
Keramikmaterialien aufweisen oder daraus sein kann. Durch eine Medienzuführung 21, beispielsweise in Form einer durch einen Anschlussstutzen gebildeten Leitung, kann das Medium 99 zum Sensorelement 1 geführt werden. Wie in Figur 1A
exemplarisch gezeigt kann sich das Sensorelement 1 in einem durch einen Deckel 3 abgeschlossenen Volumen 20 des Gehäuses 2 befinden. Das Volumen 20 kann einen Referenzdruck
aufweisen, gegen den der Druck des Mediums 99 gemessen wird. Alternativ dazu kann es auch möglich sein, dass das Volumen 20 zur Umgebung offen ist oder ebenfalls mit dem Abgassystem verbunden ist, so dass das Sensorelement 1 einen
entsprechenden Differenzdruck messen kann. In diesem Fall können die Oberfläche des Sensorelements 1, die dem Volumen 20 zugewandt ist, und/oder die Oberflächen der das Volumen 20 bildenden Wandungen sowie gegebenenfalls einer Zuleitung oder Medienzuführung so oder ähnlich ausgebildet sein, wie im Folgenden für die Medienzuführung 21 und die der
Medienzuführung 21 zugewandte Seite des Sensorelements 1 beschrieben ist. Die Sensorvorrichtung 100 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel stark vereinfacht dargestellt und kann weitere oder alternative für entsprechende
Sensorvorrichtungen übliche Teile und Komponenten aufweisen.
Die Sensorvorrichtung 100 weist Oberflächen 4 auf, die dem Medium 99 im regulären Betrieb zugewandt sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Oberflächen 4 durch eine
Innenwand der Medienzuführung 21 sowie durch die der
Medienzuführung 21 zugewandte Seite des Sensorelements 1 gebildet, wobei letztere insbesondere durch die Membran des Sensorelements 1 gebildet sein kann. Fällt die Temperatur in der Medienzuführung 21 und/oder im Bereich des Sensorelements 1 auf einen ausreichend niedrigen Wert, kann es sein, dass zumindest ein Teil des Mediums 99 auf zumindest einem Teil der Oberflächen 4 kondensiert oder, bei noch niedrigeren Temperaturen, gefriert, was zu den oben im allgemeinen Teil beschriebenen Problemen führen kann. Um dies zu vermeiden, weist die Sensorvorrichtung 100 zumindest eine Oberfläche 4 mit einer Oberflächenstruktur 40, die in Figur 1B in einem Ausschnitt angedeutet ist und die eine Benetzbarkeit der Oberfläche 4 mit dem Medium 99 oder zumindest einer im Medium 99 enthaltenen Komponente herabsetzt. Insbesondere kann die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 aufgrund der Oberflächenstruktur 40 superhydrophob sein. Das kann
besonders bevorzugt bedeuten, dass der Kontaktwinkel zwischen Wasser und der Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 größer oder gleich 110° oder sogar größer oder gleich 135° oder sogar größer oder gleich 150° ist. Insbesondere kann die syperhydrophobe Wirkung der Oberfläche 4 allein durch die Oberflächenstruktur 40 bewirkt sein.
Die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 ist
insbesondere frei von einer die Benetzung reduzierenden
Beschichtung. Mit anderen Worten wird die Oberfläche 4 nicht durch ein Material wie beispielsweise Teflon oder ein anderes Fluorpolymer gebildet, das gezielt aufgebracht wurde, um die Benetzbarkeit herabzusetzen. Vielmehr kann die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 eine Oberfläche eines Teils oder einer Komponente der Sensorvorrichtung 100 sein, die ohne die Oberflächenstruktur 40 eine hohe Benetzbarkeit aufweisen würde. Das Material der Oberfläche 4 mit der
Oberflächenstruktur 40 ist somit insbesondere das Material des entsprechenden Teils oder der entsprechenden Komponente der Sensorvorrichtung 100, und kann, je nachdem aus welchem Material das Teil oder die Komponente der Sensorvorrichtung 100 mit der Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 gefertigt ist, beispielsweise ein Halbleitermaterial, ein Metall oder eine Metalllegierung, einen Kunststoff, ein
Keramikmaterial oder Kombinationen mit diesen aufweisen oder sein .
Beispielsweise kann die in Figur 1B angedeutete Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 eine Oberfläche des
Sensorelements 1 sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 besonders bevorzugt Teil der Membran des Sensorelements 1 sein. Mit anderen Worten kann die Oberfläche 4 mit der
Oberflächenstruktur 40 durch eine der Medienzuführung 21 und somit im Betrieb der Sensorvorrichtung 100 dem Medium 99 zugewandte Oberfläche der Membran gebildet sein. Handelt es sich bei dem Sensorelement 1 um einen Silizium-basierten Chip, kann die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur
Silizium oder ein Oxid oder Nitrid mit Silizium aufweisen oder daraus sein. Im Fall einer keramischen oder metallischen Membran kann die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 entsprechend eine keramische oder metallische Oberfläche sein . Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 zumindest Teil der Medienzuführung 21 sein. Beispielsweise kann die Oberfläche 4 mit der
Oberflächenstruktur 40 zumindest ein Teil der Innenwand des in Figur 1A gezeigten Anschlussstutzens sein. Ist das
Gehäuses 2 und insbesondere des Anschlussstutzen aus einem Keramikmaterial oder einem Kunststoff gefertigt, kann es sich bei der Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40
entsprechend um eine Keramik- oder KunststoffOberfläche handeln. Bei einem metallischen Gehäuse 2 kann es sich bei der Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 entsprechend auch um eine metallische Oberfläche handeln.
Besonders bevorzugt kann auch die gesamte dem Medium 99 im Betrieb der Sensorvorrichtung 100 ausgesetzte Oberfläche der Sensorvorrichtung 100, also alle dem Medium 99 im Betrieb ausgesetzten Oberflächen 4, die Oberflächenstruktur 40 aufweisen. Entsprechend kann die Benetzbarkeit aller im
Betrieb mit dem Medium 99 in Kontakt kommenden Oberflächen 4 der Sensorvorrichtung 100 aufgrund der Oberflächenstruktur 40 herabgesetzt sein. Durch die verringerte Benetzbarkeit der Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 können die oben im allgemeinen Teil beschriebenen Vorteile erreichbar sein.
Die Oberflächenstruktur 40 kann eine Mikrostruktur und/oder eine Nanostruktur aufweisen, also wie in Figur 1B gezeigt eine Vielzahl von Erhebungen 41 und/oder Vertiefungen 42 in der Oberfläche 4 aufweisen, die charakteristische Größen im Bereich von größer oder gleich 0,1 ym und kleiner oder gleich 500 ym im Fall einer Mikrostruktur und im Bereich von größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 100 nm haben können. Wie in Figur IC angedeutet ist, wird zur Herstellung der Sensorvorrichtung die Oberflächenstruktur mittels gepulster Laserstrahlung hergestellt, die mittels des unterbrochenen Pfeils mit dem Bezugszeichen 201 angedeutet ist. Insbesondere kann eine Kurzpulslaserbestrahlung oder bevorzugt eine
Ultrakurzpulslaserbestrahlung durchgeführt werden,
insbesondere unter Verwendung eines Laser 200 wie etwa einem Nanosekundenlaser oder bevorzugt einem Picosekundenlaser oder besonders bevorzugt einem Femtosekundenlaser . Das kann bedeuten, dass die gepulste Laserstrahlung 201, die auf die Oberfläche 4 eingestrahlt wird, Laserpulse mit einer
Pulsdauer von kleiner oder gleich 100 ns oder bevorzugt kleiner oder gleich 100 fs oder kleiner oder gleich 50 fs oder kleiner oder gleich 30 fs aufweist.
Abhängig vom Material der Oberfläche 4, in der die
Oberflächenstruktur hergestellt wird, können Parameter der Laserstrahlung 201, beispielsweise ausgewählt aus
Wellenlänge, Energie, Strahlweite, Fluenz,
Polaristationsgrad, Vorschubgeschwindigkeit, Pulsfrequenz, Pulszahl, Pulsdauer, Einstrahlwinkel und Scanlinienversatz, eingestellt werden, um eine gewünschten Materialabtrag zur Erzeugung der Oberflächenstruktur zu bewirken. Weiterhin kann beispielsweise eine Interferenztechnik verwendet werden, um periodische Mikro- und/oder Nanostrukturen herzustellen.
Durch die Verwendung der gepulsten Laserstrahlung 201, die je nach zu bearbeitendem Oberflächenmaterial und gewünschter Oberflächenstruktur entsprechend eingestellt werden kann, kann es möglich sein, gleiche oder unterschiedliche
Oberflächenstrukturen auf unterschiedlichen Oberflächen, also Oberflächen unterschiedlicher Materialien, herzustellen. Dies kann während oder nach der Herstellung eines Teils oder einer Komponente der Sensorvorrichtung in einem In-Line- Prozessschritt erfolgen. Entsprechend kann die gepulste
Laserbestrahlung als in den üblichen Herstellungsprozess eingeschobener Verfahrensschritt durchgeführt werden.
Die Erhebungen 41 und/oder Vertiefungen 42 der
Oberflächenstruktur 40 können beispielsweise kreisförmige und/oder längliche Querschnitte aufweisen. Beispielsweise kann die Oberflächenstruktur 40 kreisrunde und/oder
elliptische Erhebungen und/oder Vertiefungen, also lochartige Vertiefungen und/oder berg- oder inselförmige Erhebungen, die beispielsweise Säulen-, Zylinder- und/oder kegelförmig sein können, aufweisen. Darüber hinaus kann die
Oberflächenstruktur 40 längliche, sich verzweigende oder nicht verzweigende und entlang der Oberfläche 4 erstreckende Wälle und/oder Gräben aufweisen, die sich kreuzend oder nicht-kreuzend oder parallel sein können. Die Erhebungen 41 und/oder Vertiefungen 42 können zumindest teilweise oder alle periodisch und damit regelmäßig oder auch zumindest teilweise oder alle unregelmäßig geformt und/oder verteilt sein.
In den Figuren 2A bis 2C sind rein beispielhaft drei
Ausführungsbeispiele für die Oberflächenstruktur 40 gezeigt. Diese kann, wie in Figur 2A angedeutet ist, beispielsweise zueinander parallele, periodisch angeordnete Vertiefungen 42 in Form von Kanälen aufweisen. Die Kanäle können alternativ dazu beispielsweise auch unregelmäßig und/oder nicht gerade und/oder sich kreuzend ausgebildet sein. Wie in Figur 2B gezeigt ist, kann die Oberflächenstruktur 40 auch lochartige Vertiefungen 42, beispielsweise mit einem wie in Figur 2B gezeigten kreisrunden Querschnitt, aufweisen. Darüber hinaus sind auch andere Formen, wie vorab und im allgemeinen Teil beschrieben, möglich. Zwischen den gezeigten Vertiefungen 42 kann die Oberfläche 4 eben sein oder Erhebungen aufweisen. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass anstelle der gezeigten Vertiefungen 42 entsprechend geformte Erhebungen 41 auf der Oberfläche 4 ausgebildet sind. Wie in Figur 2C angedeutet ist, kann die Oberflächenstruktur 40 auch eine sogenannte hierarchische Mikro-Nano-Struktur aufweisen, also eine Kombination aus einer Mikrostruktur und einer
Nanostruktur . Hierzu kann die Oberflächenstruktur 40
Erhebungen 41 und/oder Vertiefungen 42 aufweisen, auf deren Flächen Nanostrukturen mit entsprechenden Erhebungen 41' und/oder Vertiefungen 42' ausgebildet sind. Die
charakteristischen Größen der gezeigten Oberflächenstrukturen 40 können wie oben im allgemeinen Teil beschrieben sein.
Insbesondere können die Formen und charakteristischen Größen der Oberflächenstruktur 40 so gewählt sein, dass im Hinblick auf das im Betrieb mit der Oberfläche 4 mit der
Oberflächenstruktur 40 in Kontakt stehende Medium eine ausreichend geringe Benetzbarkeit erreicht wird, um die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu vermindern oder sogar ganz zu verhindern und die vorab beschriebenen Vorteile zu erreichen.
In experimentellen Messungen wurden in der beschriebenen Weise Oberflächenstrukturen auf Edelstahlmembranen (Edelstahl 1.4435) hergestellt. Die Membranen wiesen einen Durchmesser von 12 mm und eine Dicke von 20 ym auf, in deren jeweiliger Oberfläche eine Oberflächenstruktur mittels eines
fokussierten Femtosekundenlaserstrahls mit einer Pulsdauer von 30 fs, einer Zentralwellenlänge von 800 nm und linear polarisiertem Laserlicht hergestellt wurde. Die Parameter Energie E bzw. Fluenz Fo, die Vorschubgeschwindigkeit V und die Pulszahl N wurden hierbei variiert. In Figur 3A sind in einer Tabelle diese Parameter von neun durchgeführten experimentellen Messungen sowie der durch die jeweils erzeugte Oberflächenstruktur bewirkte Kontaktwinkel für Wasser angegeben. In Figur 3B sind entsprechende Aufnahmen von Wassertropfen gezeigt, wobei die Zahl jeweils in der rechten oberen Ecke die Experimentnummer # aus der Tabelle in Figur 3A und die Winkelangabe auf der jeweiligen rechten Aufnahmenseite den in der Tabelle ebenfalls wiedergegebenen Kontaktwinkel angeben. Aus der Tabelle und den Aufnahmen wird deutlich, dass der Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf den Membranen stark von den gewählten Laserparametern abhängt und dass durch eine geeignete Wahl der Laserparameter je nach Material der Oberfläche ein ausgeprägter Lotuseffekt erreicht werden kann, wie an den Experimenten mit den Nummern 1 und 5 erkennbar ist.
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind.
Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren
beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Bezugszeichenliste
1 Sensorelement
2 Gehäuse
3 Deckel
20 Volumen
21 MedienZuführung 40 Oberflächenstruktur 41, 41 ' Erhebung
42, 42 ' Vertiefung
99 Medium
100 Sensorvorrichtung 200 Laser
201 LaserStrahlung

Claims

Patentansprüche
1. Sensorvorrichtung (100), aufweisend ein Sensorelement
(1) und eine Medienzuführung (21) zur Leitung eines Mediums (99) zum Sensorelement, wobei zumindest ein Teil einer dem Medium im Betrieb der Sensorvorrichtung ausgesetzte Oberfläche (4) der Sensorvorrichtung eine Oberflächenstruktur (40) aufweist, die eine
Benetzbarkeit der Oberfläche durch das Medium
herabsetzt .
2. Sensorvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Oberfläche aufgrund der Oberflächenstruktur hydrophob oder superhydrophob ist.
3. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur eine Mikrostruktur aufweist .
4. Sensorvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Mikrostruktur Erhebungen und/oder Vertiefungen mit kreisförmigen und/oder länglichen Querschnitten aufweist .
5. Sensorvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Erhebungen und/oder Vertiefungen einen Abstand von kleiner oder gleich 500 ym aufweisen.
6. Sensorvorrichtung nach einem der beiden vorherigen
Ansprüche, wobei die Erhebungen und/oder Vertiefungen eine Höhe oder Tiefe von kleiner oder gleich 250 ym aufweisen .
7. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur einen Nanostruktur aufweist .
8. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur eine hierarchische Mikro- Nano-Struktur aufweist.
9. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sensorelement eine Membran aufweist und die Oberfläche zumindest ein Teil der Membran ist.
10. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Oberfläche zumindest Teil der Medienzuführung ist .
11. Sensorvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Oberfläche zumindest ein Teil eines Kanals, einer Leitung und/oder eines Speichervolumens für das Medium ist .
12. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung ein Drucksensor ist.
13. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die gesamte dem Medium im Betrieb der
Sensorvorrichtung ausgesetzte Oberfläche der
Sensorvorrichtung die Oberflächenstruktur aufweist.
14. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Oberfläche zumindest teilweise eine
metallische Oberfläche ist.
15. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Oberfläche verschiedene Materialien aufweist.
16. Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die
Oberflächenstruktur (40) mittels gepulster
Laserstrahlung (201) hergestellt wird.
17. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die
gepulste Laserstrahlung Laserpulse mit einer Pulsdauer von kleiner oder gleich 100 ns aufweist.
EP19806175.6A 2018-11-19 2019-11-18 Sensorvorrichtung und verfahren zur herstellung einer sensorvorrichtung Pending EP3884251A1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018129058.6A DE102018129058A1 (de) 2018-11-19 2018-11-19 Sensorvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung
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