WO2007131648A2

WO2007131648A2 - Elektrischer sensor und dessen herstellung und verwendung

Info

Publication number: WO2007131648A2
Application number: PCT/EP2007/003954
Authority: WO
Inventors: Karlheinz Wienand; Tim Asmus; Heike NÖTHE
Original assignee: Heraeus Sensor Technology Gmbh
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2007-11-22
Also published as: DE102006022290A1; DE102006022290B4; WO2007131648A3

Abstract

Es wird ein Sensorchip (2, 3) mit einer elektrisch leitfähigen Dickschichtstruktur bereitgestellt, auf dessen isolierendem Untergrund eine elektrisch leitfähige Dünnschichtstruktur direkt mit einer elektrisch leitfähigen Dickschichtstruktur beschichtet ist. Ein elektrischer Sensor, umfassend jenen Sensorchip (2, 3) und eine Leiterplatte, weist erfindungsgemäß wenigstens einen auf einer Leiterplatte befestigten FC- oder SMD-Chip (2, 3) auf. Ein elektrischer Sensor mit mehreren Messeinheiten, umfassend wenigstens ein erstes Bauteil als Platine (1), ein zweites (2) und ein drittes (3) Bauteil als FC- oder SMD-Bauteil mit jeweils verschiedenen Leiterbahnen auf elektrisch isolierendem Untergrund, wobei eine Platine (1) mit mindestens einem FC- oder SMD-Trägerbauteil (2) über elektrische Kontakte elektrisch verbunden und mechanisch gehalten ist, hat erfindungsgemäß ein FC- oder SMD-Bauteil (3) über weitere elektrische Kontakte mit dem auf der Platine (1) befestigten FC- oder SMD-Trägerbauteil (2) elektrisch verbunden und mechanisch gehalten. Bei einem elektrischen Sensor mit einem auf einer Platine befestigten FC- oder SMD-Trägerbauteil (2) ist wenigstens eine in Dickschicht oder Dünnschicht ausgeführte Leiterbahn teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht und die teilweise abdeckende elektrisch isolierende Schicht wiederum teilweise mit einer elektrisch leitfähigen Schicht abgedeckt.

Description

Heizer mit integriertem Temperatursensor auf Träger

Die vorliegende Erfindung betrifft Messeinrichtungen auf dem Gebiet der SMD- bzw. FC- Technik für eine effiziente Massenproduktion von hoher Qualität, insbesondere multifunktionelle Sensoren, bei denen mehrere funktionelle Einheiten zur Messung gesonderter Parameter vorgesehen sind, Sensoren mit elektrisch leitfähigen Dünnschichtstrukturen auf elektrisch isolierenden Substraten oder solche Substrate in Zusammenhang mit Dickschichtstrukturen.

Ein solcher Sensor kann gemäß DE 694 26 617 T2 als Wasserqualität-Messfühlervorrichtung mit Messfühlerelementen zum Messen der Wassertemperatur, des Chloridgehalts, des gelösten Sauerstoffs und des pH-Wertes ausgestattet sein. Weiterhin ist eine rückseitige Anordnung eines Temperaturmessfühlers mit einem Redox-Messfühler und einem Messfühler für spezifische Leitfähigkeit beschrieben. Die Messfühler können unter Verwendung von Dünnfilmtechniken auf das Substrat aufgebracht werden. Referenzelektroden können eine Silberhalogenid- Zone umfassen.

Elektrisch leitfähige Strukturen weisen unter Betriebsbedingungen einen spezifischen elektrischen Widerstand von maximal 40 Ω mm²/m auf (Kohlebürste bei 20° C). Insbesondere sind neben Metallen auch Materialien elektrisch leitfähig, deren elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur abnimmt, insbesondere im Bereich von 0 bis 200⁰C, wie beispielsweise Iridiumoxid.

Surface Mounted Devices (SMD) beschreiben elektronische Bauteile, insbesondere auf Basis keramischer Dickschichtsubstrate oder keramischer Dünnschichtsubstrate, wobei diese elektronischen Bauteile mit ihren elektrischen Kontakten elektrisch und mechanisch mit Platinen verbunden werden. Die Flip-Chip-Technik (FC-Technik) beschreibt ein Verfahren, nach dem keramische Dickschichtbauteile oder keramische Dünnschichtbauteile elektrisch und mechanisch mit Platinen „Face to Face" verbunden werden. Die FC-Bauteile weisen ihre Kontakte auf einer Seite auf. Die SMD-Bauteile sind über eine Kantenmetallisierung über Vorder- wie Rückseite kontaktierbar. DE 39 39 165 beschreibt eine entsprechende Anordnung eines keramischen Dünnschichtsubstrats mit einer flexiblen Platine.

DE 197 42 236 zeigt eine entsprechende Anordnung eines keramischen Dünnschichtsubstrats und einer Leiterplatte.

Es gibt keramische Dick- und Dünnschichtsubstrate mit mehreren elektronischen Funktionen, beispielsweise mit einem Heiz- und Messwiderstand.

Nach WO 95/23338 werden Anemometer mit einem Temperatursensor und einem Heizer auf einer Leiterplatte angeordnet.

DE 694 26 617 T2 (EP 0 651 248 B1 , US 5,483,164 A) offenbart einen Multifunktionschip.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, FC- und SMD-Chips, insbesondere MuI- tifunktionschips, effizient zu gestalten und anzuordnen und den Aufwand für deren Massenproduktion zu minimieren, insbesondere Chips mit einer elektrisch leitfähigen Dickschichtstruktur, insbesondere multifunktionelle Chips in der Messgenauigkeit zu verbessern und bezüglich Massenproduktionen zu vereinfachen.

Zur Lösung der Aufgabe wurde herausgefunden, dass die Messgenauigkeit der Dickschichtstruktur verbessert wird, wenn zwischen der Dickschicht und dem Substrat eine Dünnschicht angeordnet ist, die zumindest Teile der Ränder der gemeinsamen Struktur definiert.

Erfindungsgemäß wird somit eine Messstruktur durch Übereinanderlagern einer Dünnschicht- und einer Dickschichtstruktur gebildet. Die erfindungsgemäße Messstruktur weist gegenüber den bekannten Dickschichtstrukturen eine erhöhte Messgenauigkeit auf und gegenüber Dünnschichtstrukturen eine maßgebliche Verringerung der Drift und Verlängerung der Lebensdauer.

In einer bevorzugten Elektrodenanordnung aus vier parallel verlaufenden Elektroden wird bei der Leitfähigkeitsmessung eine erhebliche Verbesserung der Messgenauigkeit erzielt, wenn die Elektroden in Dickschichttechnik auf Dünnschichtunterlagen ausgeführt werden, insbesondere wenn die Dickschicht nicht über die Ränder der Dünnschicht aufgetragen wird. Erfindungsgemäß wurde auch erkannt, dass die genaue Messung einer Größe, wie beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit einer anderen Größe, wie beispielsweise der Temperatur, effizienter mit einem Dickschichtsubstrat und darauf angeordnetem Dünnschichtsubstrat ausgeführt wird, beispielsweise mit einer Elektrodenanordnung in Dickschicht zur Be- Stimmung der Leitfähigkeit und einem auf dem Dickschichtsubstrat angeordneten Dünnschicht- Temperatursensor.

Die auf diesen synergistisch nutzbaren Erkenntnissen basierenden Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Bevorzugte Ausführungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen wieder.

Besonders synergistisch für die Massenproduktion wirken sich einfache qualitative Verbesserungen für entscheidende Parameter aus, insbesondere die bedeutend empfindlicheren Leitfähigkeitsmessungen mit auf Dünnschichtunterlagen aufgedruckten Dickschichten für den Einsatz in Multifunktions-Messzellen. Hervorgehoben sei diesbezüglich vor allem die synergistische Anordnung solch verbesserter Elektroden in FC- oder SMD-Bauweise auf einem ein Dickschichtmuster aufweisenden Substrat, welches wiederum in FC- oder SMD-Bauweise auf einer Platine befestigt ist.

Erfindungsgemäß wird ein Aussortieren der Bauteile vor der Montage ermöglicht, so dass Aus- schuss gegenüber Bauteilen, die alle Funktionen auf einer Platte aufweisen, quantitativ und qualitativ verringert wird. Erfindungsgemäß kann ein wesentlicher Teil des Ausschusses auf kleine Teile mit wenigen Funktionen beschränkt werden. Gegenüber Ausführungen, die ausschließlich in Dickschichttechnik erfolgen, besteht ein Vorteil der Platzersparnis durch kleine, in Dünnschichttechnik ausgeführte Teile. Das Vorfertigen von aneinander gekoppelten FC- oder SMD-Bauteilen (Huckepack) vereinfacht die Massenproduktion gegenüber parallel anzuord- nenden Chips auf einer Platine. Der Platzbedarf von übereinander angeordneten Bauteilen ist naturgemäß geringer als bei parallel nebeneinander angeordneten Bauteilen und ermöglicht eine genauere lokale Messung.

Mit der erfindungsgemäßen Kombination aus Dünn- und Dickschicht lassen sich dauerhaft verwendbare Elektroden mit höchster Messpräzision bereitstellen. Dies ermöglicht wiederum die Verkleinerung des Chips und eine effizientere Massenproduktion. Auf multifunktionelle Chips mit Leitfähigkeitselektroden, insbesondere mit Substratoberflächen von über 1 cm², werden vorzugsweise funktionelle Einheiten in SMD-Technik angeordnet. Eine diesbezüglich bevorzugte Variante ist ein multifunktionaler Sensor in Form eines Chips, insbesondere umfassend einen Temperatursensor, einen pH-Sensor und vier weitere Elektroden, z. B. als Leitfähigkeitssensor, wobei der multifunktionelle Sensorchip mindestens drei funktionelle Einheiten aufweist, die jeweils zur Messung gesonderter Parameter geeignet sind. Der Sensorchip zeichnet sich durch einen Platindünnschichtsensor aus, bei dem ein Platinwiderstand auf einem weiteren keramischen Substrat angeordnet ist oder dass mindestens zwei Elektroden (zur Messung der Leitfähigkeit) eine Dünnschichtleiterbahn aufweisen, die mit einer Dickschichtleiterbahn beschichtet ist, wobei die Leiterbahnen insbesondere Platin aufweisen.

Die Messgenauigkeit eines Sensors, dessen Elektroden in direktem Kontakt mit dem zu mes- senden Medium stehen, wird insbesondere für Leitfähigkeitsmessungen verbessert, wenn die Dick- oder Dünnschichtstruktur des Sensors teilweise mit elektrisch isolierendem Material und dieses wiederum teilweise mit einer Elektrode abgedeckt ist.

Funktionelle „Huckepack"-Einheiten haben für die Herstellung eines multifunktionellen Trägerbauteils mit einer Substratoberfläche von wenigstens 10 mm², insbesondere von mindestens 1 cm², den erheblichen Vorteil, dass wegen der Ausbildung des Dünnschichtsensors nicht die Oberfläche des Trägerbauteils in Dünnschicht beschichtet werden muss. Der Dünnschichtchip oder einer der Dünnschichtchips ist das kleinste Bauteil bzw. der kleinste Chip.

In einer weiteren erfinderischen Variante wird eine Leiterplatte mit mindestens drei SMD-Chips bestückt, wobei davon ein Temperatursensor in Dünnschichttechnik ausgeführt ist und ein Leit- fähigkeitssensor, bei dem Elektroden in Dickschichttechnik, insbesondere in auf Dünnschichtleiterbahnen angeordneten Dickschichtleiterbahnen, ausgeführt sind.

Die Leitfähigkeitsmessung erfolgt über vier Elektroden. Mindestens zwei Elektroden weisen Dünn- und Dickschichtanteile auf. Es sind auch Bauteile mit einer Oberfläche von weniger als 1 cm², insbesondere weniger als 10 mm², erhältlich, die dann vorzugsweise in Platin-Dünn- schichttechnik einen Temperatursensor und die Dünnschicht-Unterlage für die Leitfähigkeitselektroden, die mit einer Platindickschicht bedeckt sind, bilden. Mit dieser Bauart sind Bauteile von höchster Messpräzision erhältlich, wobei die Bauteile eine Substratoberfläche von weniger als 3 mm² aufweisen können.

In einer bevorzugten Ausführung erfolgt die Leitfähigkeitsmessung über fünf Elektroden, wobei die fünfte Elektrode zur Abschirmung dient. Hierzu wird die Dickschichtstruktur teilweise mit elektrisch isolierendem Material abgedeckt, wobei das elektrisch isolierende Material teilweise mit einer Metallschicht bedeckt wird, die als Abschirmelektrode betrieben wird. Beim Abdecken der Dickschicht mit isolierendem Material ist die abdeckende Schicht gegenüber der Leiterbahn um 10 bis 100 μm zurückversetzt, insbesondere unter 70 μm und vorzugsweise unter 50 μm. In gleicher weise ist die Abschirmelektrode um 10 bis 100 μm, insbesondere unter 70 μm, vorzugsweise unter 50 μm gegenüber der darunter angeordneten isolierenden Abdeckung zurück- versetzt. Die Abschirmung verbessert die Genauigkeit der Leitfähigkeitsmessung und insbesondere deren Wiederholbarkeit. Der das Messergebnis verfälschende Einfluss von Geometriefaktoren wird Berechnungen zufolge auf bis zu ein Drittel gesenkt.

Erfindungsgemäß werden Sensorchips bereitgestellt, deren Dick- oder Dünnschichtstruktur teilweise frei liegt und teilweise mit elektrisch isolierendem Material abgedeckt ist, welches seinerseits teilweise mit einer Elektrode abgedeckt ist.

Neben mindestens zwei Elektroden ist somit noch mindestens eine Abschirmelektrode auf einer Elektrode angeordnet.

Bevorzugt weist der Chip vier Elektroden und eine Abschirmelektrode auf. Weiterhin bietet es sich an, derartige Chips mit weiteren funktionellen Einheiten, wie z. B. einem Dünnschicht- Messwiderstand als Temperatursensor auszustatten.

Vorteilhaft werden lediglich die besonders genau messenden elektronischen Einheiten in Dünnschicht ausgeführt, wogegen im Übrigen auf die preiswertere Dickschichttechnik oder Platinentechnik zurückgegriffen wird.

Dabei werden erfindungsgemäß Chips insbesondere mit in Dünnschichttechnik erzeugten Lei- terbahnen mittels SMD- oder FC-Technik auf Chips mit in Dickschichttechnik erzeugten Leiterbahnen elektrisch und mechanisch verbunden, wobei die Chips mit den in Dickschicht erzeugten Leiterbahnen in SMD- oder FC-Technik mit Leiterplatten oder flexiblen Platinen elektrisch und mechanisch verbunden werden. Dabei wird mindestens ein insbesondere in Dünnschichttechnik erzeugter Chip an mindestens einem in Dickschichttechnik erzeugten Chip in SMD- bzw. FC-Technik elektrisch und mechanisch verbunden, sowie mindestens ein in Dickschichttechnik hergestellter Chip mit mindestens einer Platine in SMD- bzw. FC-Technik elektrisch und mechanisch verbunden. Unter Platinen werden insbesondere mit kupfer- oder silberhaltigen Leiterbahnen beschichtete Träger, insbesondere aus Kunststoff, bezeichnet. Starre Platinen sind Leiterplatten. Die Anordnung kleiner, teurer Chips - insbesondere aufwendiger, in Dünnschichttechnik hergestellter Chips - auf größeren, einfacheren, insbesondere in Dickschichttechnik hergestellten Chips, verknüpft für die Massenproduktion die einfache Herstellung eines Basischips, der mit relativ geringem Aufwand eine hohe Qualität erzielt, indem höherer Aufwand nur für speziell erforderliche Komponenten betrieben wird. Erfindungsgemäß wird daher für qualitativ hochwertige Sensoren der Aufwand bei der qualitativ hochwertigen Herstellung reduziert und teilweise durch einfachere Herstellung ersetzt. So bleibt von der aufwendigen Bauweise nur ein oder mehrere kleine Chips, statt eines großen Chips, übrig, wobei der oder die kleinen, in aufwendiger Weise hergestellten Chips, auf einem größeren, in einfacher Bauweise hergestellten Chip angeordnet werden.

Der Chip mit der in Dickschicht erzeugten Leiterbahn ist vorzugsweise ein Keramikträger mit in Dickschichttechnik aufgedruckter, Platin aufweisender Leiterbahnstruktur.

Die Chips mit den in Dünnschichttechnik aufgebrachten Leiterbahnen bestehen ebenfalls vorzugsweise aus keramischen Substraten mit Platin aufweisenden Leiterbahnen. Das erfindungsgemäße Anordnen des Dünnschichtchips auf dem Dickschichtchip hat gegenüber einer Ausführung als einziger Dickschichtchip den Vorteil einer genaueren Messung einer Größe wie beispielsweise der Temperatur mittels Dünnschichttemperatursensor oder eines Masseflusses mittels Dünnschicht-Heizwiderstand oder einer Ablagerung mittels Dünnschicht-IDK-Struktur. Gegenüber einer multifunktionalen Struktur ausschließlich im Dünnschichtbereich ergibt sich der Vorteil eines bedeutend kleineren Platzbedarfs der aufwändigen Dünnschichtstruktur. Damit werden Aufwand und Kosten gespart, insbesondere bezüglich der photolithographischen Strukturierung. Weiterhin erfolgt eine ausreichende Leitfähigkeitsmessung mit Dickschichtstrukturen. Die erfindungsgemäß bevorzugte Anordnung von Dünnschichtchips auf Dickschichtchips in FC- oder SMD-Bauweise erspart Material und Arbeit bei der Bestückung der Platine und ermöglicht eine stabilere und kompaktere Bauweise gegenüber auf der Leiterplatte nebeneinander angeordneten Chips.

Erfindungsgemäß wird es ermöglicht, für zu bestimmende Parameter die genaue Temperatur an der Messstelle der jeweiligen Parameter zu erfassen. Beispielsweise lassen sich verschiedene Parameter in einer einen Temperaturgradienten aufweisenden Probe nach der bevorzugten Ausführung dadurch bestimmen, dass jeweils in unmittelbarer Nähe einer Messeinrichtung zur Bestimmung eines Parameters der Probe ein Temperatursensor angeordnet ist. Zur Ausbildung als Leiterplattensteckmodul weist die Leiterplatte Anschlussfelder für einen Stecker auf.

Vorzugsweise wird in einer Aussparung in der Leiterplatte die Dickschichtstruktur mit einem Dichtring gegen eine Leitung oder einen Behälter abgedichtet, womit eine Messzelle bereitgestellt wird. Diese Messzellen sind in Massenproduktion herstellbar und eignen sich als Einwegprodukte besonders für sterile Anwendungen.

Für Messungen eines fließenden Mediums eignet sich eine Aussparung in einer Leitung, um die Messvorrichtung dort anzuordnen. Für sterile Anwendungen werden bevorzugt Einwegbehälter verwendet.

Erfindungsgemäß wird eine Verbesserung in der Genauigkeit von Leitfähigkeitsmessungen auch dadurch erreicht, indem eine zur Leitfähigkeitsmessung bestimmte Elektrode teilweise mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehen wird, der wiederum teilweise mit Metall überzogen ist. Dabei werden besonders reversible Ergebnisse erzielt, wenn der obere Metallüberzug an das elektrisch definierte Potenzial der Spannungsquelle angeschlossen ist, insbesondere, wenn die untere Elektrode zur Strommessung innerhalb einer 4-Leiter-Anordnung verwendet wird. Ein üblicher Leitfähigkeitssensor weist vier Elektroden auf und die erfindungsgemäß hier- für bestimmte Einheit fünf Elektroden. Hinzu kommen gegebenenfalls noch weitere Leiterbahnen zur Bestimmung weiterer Parameter, wie beispielsweise Temperatur, Durchfluss, pH-Wert oder Sauerstoff-Partialdruck. Die über die Elektroden gezogene Abschirmung darf die unter der Abschirmung liegenden Elektroden nicht vollständig bedecken. Die aufliegenden Schichten sind jeweils um 10 bis 100 μm, insbesondere unter 70 μm und vorzugsweise unter 50 μm gegenüber der darunter liegenden Schicht versetzt.

Als Sensorchip wird in der vorliegenden Erfindung ein Chip bezeichnet, der eine elektrisch leitfähige Struktur aufweist, die als Messeinheit zur Erfassung einer oder mehrerer Größen ausgebildet ist. Derartige Sensorchips werden in Massenproduktion hergestellt und als funktionelle Messeinheit von Sensoren angewendet. Die Messeinheiten können, für sich genommen, auf eine oder mehrere Funktionen abgestellt sein. Die Sensorchips sind vorzugsweise als SMD- oder FC-Chips ausgebildet. Die elektrisch leitfähige Dickschichtstruktur der Sensorchips ist eine nach den bekannten Dickschichttechniken aufgetragene Struktur, insbesondere in Form einer oder mehrerer Elektroden oder Leiterbahnen. Die Dünnschichtstruktur des Sensorchips sind gemäß Dünnschichttechnik strukturierte, elektrisch leitfähige Strukturen, insbesondere als Dick- schichtunterlagen oder Leiterbahn(en). Bevorzugtes Material für die elektrisch leitfähige Struktur ist Platin. Der elektrisch isolierende Untergrund des Sensorchips ist ein Substrat aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere Keramik und trägt die elektrisch leitfähige Struktur, die dem Chip seine funktionelle Bestimmung gibt.

Eine Elektrodenanordnung mit einer Dünnschichtbeschichtung auf dem isolierenden Untergrund und einer darauf aufgetragenen Dickschicht verbessert die Leitfähigkeitsmessungen im Vergleich zu einzelnen Dick- oder Dünnschichtelektroden. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Dünnschichten den Abstand der Elektroden zueinander bilden und die Dickschichten nicht über den Rand der Dünnschichten aufgetragen sind. Derartige Muster können auch mehrere Messeinheiten aufweisen, beispielsweise einen Temperatursensor, basierend auf einer Dünnschicht-Leiterbahn nebst besagten Elektroden aus Dünn- und Dickschicht. Auf dem Sensorchip kann ein weiterer FC- oder SMD-Chip angeschlossen werden oder umgekehrt kann der Sensorchip auf einem Dickschichtsubstrat angeschlossen werden. Der jeweils den anderen Chip Huckepack tragende Chip kann wiederum auf einer Leiterplatte befestigt werden. Ein eine Leiterplatte umfassender Sensor kann neben dem Sensorchip weitere FC- oder SMD-Chips aufweisen, wobei beliebige Huckepack-Kombinationen möglich sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch elektrische Sensoren, bei denen ein Dickschicht- Substrat, d. h. ein gemäß der Dickschichttechnik hergestellter Chip in SMD- oder FC-Bauweise zwischen einer Platine und einem SMD- oder FC-Bauteil jeweils bestimmungsgemäß angeordnet ist. Ein solcher elektrischer Sensor weist mehrere Messeinheiten auf und umfasst wenigstens drei verschiedene Bauteile. Ein erstes Bauteil ist eine Platine, ein zweites Bauteil ist ein Dickschichtsubstrat und ein drittes Bauteil ist ein FC- oder SMD-Bauteil. Das FC- oder SMD- Bauteil kann sowohl in Dickschicht- als auch in Dünnschichttechnik erstellt sein.

Insbesondere sind auf dem Dickschichtsubstrat kleine Dünnschichtsubstrate als FC- oder SMD- Bauteil angeordnet. Dabei übernehmen die in ihrer Herstellung aufwändigeren Dünnschichtsubstrate Messfunktionen, für die in Dünnschichtausführungen eine bedeutende Qualitätssteige- rung erzielbar ist, wie beispielsweise Temperatur-Messwiderstände. Der Sensorchip mit der auf einer Dünnschichtstruktur angeordneten Dickschichtstruktur ist hierin als zweites Bauteil in Form eines Dickschichtsubstrates oder als drittes Bauteil in Form eines FC- oder SMD-Bauteils anwendbar. Es lassen sich auch zwei derartige Chips aneinander befestigen und über eine Platine elektrisch verbinden. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen verdeutlicht.

Figur 1 und 2 sind Explosionsdarstellungen der verwendeten Bauteile. Figur 3 zeigt in Explosionsdarstellung einen Chip mit 4 Elektroden, bei dem auf einem keramischen Substrat eine Platindünnschicht und darauf eine Platindickschicht pro Elektrode angeordnet ist.

Figur 4 zeigt eine Elektrodenanordnung mit einer teilweise abgedeckten Elektrode und einer auf der Abdeckung angeordneten Elektrode im Querschnitt.

Figur 5 ist eine Darstellung einer Elektrodenanordnung auf einem Substrat und eine über einer Elektrode angeordnete Abschirmelektrode.

Figur 6 zeigt ein FC-Bauteil, das mit FC-Bauteilen bestückt ist.

Das in Figur 1 gezeigte FC- oder SMD-Bauteil 3, beispielsweise ein in Dünnschichttechnik her- gestellter Temperatursensor, Heizwiderstand oder Kondensator (IDK= interdigitale Kammstruktur) wird auf einem Dickschichtsubstrat 2 in Flip-Chip- oder SMD-Technik befestigt. Das Dickschichtsubstrat 2 weist elektronische Strukturen auf, für die eine Ausführung in Dünnschichttechnik keine maßgeblichen Vorteile bringen würde, beispielsweise einen Heizwiderstand oder eine Elektrodenanordnung zur Bestimmung der Leitfähigkeit. Wird eine solche Elektrodenan- Ordnung mit fünf Elektroden betrieben, d.h. vier Elektroden und einer Abschirmelektrode, so wird zur Ermittlung der Leitfähigkeit beispielsweise zwischen der äußeren Elektrode 11 und der Abschirmelektrode 15 eine Spannung so angelegt, dass zwischen den inneren Elektroden 12 und 13 eine definierte Potentialdifferenz entsteht. Der Strom wird dann zwischen den äußeren Elektroden 11 und 14 gemessen, wobei die äußere Elektrode 14 am gleichen Pol (gleiches Po- tenzial) wie die Abschirmelektrode 15 angeschlossen ist.

Wird der Leitfähigkeitssensor als Kombination von Dick- und Dünnschichttechnologie ausgeführt, bestehen die Elektroden 11 bis 14 aus den Komponenten 21 bis 24 der Dünnschichtstruktur und den Komponenten 31 bis 34 der Dickschichtstruktur. Dadurch wird im Vergleich zu rei- nen Dickschichtelektroden ein um mehr als eine Größenordnung genauer definierter Abstand erzeugt. Das Dickschichtsubstrat 2 wird gemäß der FC-Technik mit der Leiterplatte 1 elektrisch und mechanisch verbunden. Die Platine 1 enthält Anschlussfelder zur Kontaktierung mit einem Stecker 4, die vor Spritzwasser geschützt sind. Hierzu werden Pins 5 des Steckers 4 auf die Anschlussfelder der Platine 1 geführt. In der Aussparung der Platine 1 , in der das FC-Bauteil 3 angeord- net wird, wird das Dickschichtsubstrat 2 mit einer Dichtung 6 gegen einen Behälter 7 abgedichtet. Dieses in Figur 1 abgebildete Leiterplattensteckmodul eignet sich zur multifunktionellen Analyse von Stoffen, insbesondere Fluiden.

Beispiele für FC- bzw. SMD-Bauteile 3 sind in Dünnschicht hergestellte Temperatursensoren, Heizer, IDK-Strukturen oder Kombinationen davon. Kombinationen können in einer Dünnschicht oder in mehreren voneinander elektrisch isolierten Dünnschichtlagen hergestellt werden. Vorzugsweise sind die FC-/SMD-Bauteile 3 in Dünnschicht hergestellte Platinstrukturen auf keramischem Untergrund. Das Dickschichtsubstrat 2 besteht vorzugsweise aus einem in Dickschicht-Technik mit Platin bedruckten keramischen Substrat. Das Dünnschichtsubstrat 3 ist kleiner als das Dickschichtsubstrat 2. Die Leiterplatte 1 besteht vorzugsweise aus einem mit kupferhaltigen Metallstrukturen bedrucktem Kunststoff, z. B. Fluorpolymer, Polyimid, Polycarbo- nat, Epoxid oder Triazin.

Alternativ können mehrere FC-Bauteile 3 an einem Dickschichtsubstrat 2 in Flip-Chip-Technik oder SMD-Technik elektrisch und mechanisch verbunden werden.

Es können auch mehrere Dickschichtsubstrate 2 mit jeweils einem oder mehreren Bauteilen 3 auf einer Platine 1 in Flip-Chip-Technik oder SMD-Technik elektrisch und mechanisch verbunden sein. Dies ermöglicht beispielsweise gleichzeitige Referenzmessung mit Standardproben.

Es können auch mehrere Platinen 1 mit einem oder mehreren Dickschichtsubstraten 2 verbunden werden, so dass letztlich eine beliebige Anzahl von Platinen 1, Dickschichtsubstraten 2 und Bauteilen 3 erfindungsgemäß miteinander in FC- oder SMD-Bauweise verknüpft werden können.

Besonders vorteilhaft gegenüber herkömmlichen Leitfähigkeitselektroden, die üblicherweise als lange, insbesondere ca. 15 cm lange, Leitfähigkeits-Messzellen ausgeführt sind, ist die Kleinheit des beschriebenen Bauteils. Dies ermöglicht die Integration in miniaturisierte Systeme, sowie die Messung von sehr kleinen Probenvolumina. Miniaturisierte Analysesysteme spielen insbe- sondere in der Biotechnologie eine zunehmende Rolle. Aufgrund der kosteneffizienten Herstel- lung der hier beschriebenen Bauteile sind diese insbesondere für den Einsatz in Einwegprodukten geeignet, wie z. B. in Bioreaktoren eingesetzte Einwegbeutel.

Gemäß Figur 2 sind Bauteilkombinationen als Leiterplattensteckmodul ausführbar. Das Leiter- plattensteckmodul wird mit der Dichtung 6 und dem Behälter 7 als Messzelle ausgebildet. Eine multifunktionelle Messung wird ermöglicht, beispielsweise die gleichzeitige Messung von Temperatur, Massefluss, pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt. Besonders die Leitfähigkeit interessiert in der Prozesskontrolle, beispielsweise bei Mischvorgängen, in der Verfolgung von chemischen Reaktionen, bei Weichwasseranlagen und beispielsweise bei kleinen Laboranlagen zur Bereitstellung von vollentsalztem oder Reinstwasser. Derartige Messvorrichtungen sind insbesondere in der Biotechnologie von hohem Interesse. In der Biotechnologie werden auch Einweg-Messvorrichtungen benötigt. Die erfindungsgemäßen Messvorrichtungen sind einfach in industrieller Massenproduktion herstellbar und werden deshalb als preiswerte Einwegsensoren verfügbar gemacht, die insbesondere für sterile Anwendungen benötigt werden. Die erfindungs- gemäßen Bauteilkombinationen haben sich zur Herstellung von Pufferlösungen, zur Überwachung von chemischen Reaktionen, insbesondere zur Überwachung der Herstellprozesse von Medikamenten und speziell für kleine Ansätze, beispielsweise im Bereich 10 bis 50 Liter bewährt.

Gemäß Figur 1 und 2 können die Leiterbahnen der Platine des Dickschichtchips und des Dünnschichtchips erfindungsgemäß allesamt in einer Lage angeordnet sein. Selbstverständlich sind auch Mehrlagenstrukturen möglich, in dem eines oder mehrere Bauteile mehrlagige Strukturen aufweisen, beispielsweise kann ein mehrlagiger Dickschichtsensor vorder- und rückseitig mit Leiterplatinen oder Dünnschichtchips bestückt sein. Ebenso kann eine Leiterplatte vorder- und rückseitig mit Dickschichtchips bestückt sein. Auch sind mehrlagige Dünnschichtchips für verschiedene Anwendungen vorteilhaft.

In Figur 3 ist ein Leitfähigkeitssensor ersichtlich, dessen Elektroden 11 , 12, 13, und 14 aus Komponenten 21 , 22, 23, 24, 31 , 32, 33 und 34 zusammengesetzt sind. Die Komponenten 21 , 22, 23, 24 sind in Dünnschichttechnologie und die Komponenten 31 , 32, 33, 34 in Dickschichttechnologie hergestellt.

Figur 4 zeigt einen Querschnitt aus Figur 3 und zusätzlich eine Abschirmelektrode 15. Gemäß Figur 4 ist eine Isolationsschicht 26, zwischen der Elektrode 14 und der Elektrode 15 angeord- net. Mit der Elektrode 15 werden das Messergebnis verfälschende Einflüsse geometrischer Art, insbesondere des Probenvolumens oder des Füllstands, maßgeblich verringert.

In Figur 5 ist gegenüber Figur 3 die zusätzliche, in Abbildung 4 gezeigte Abschirmelektrode visualisiert.

Figur 6 zeigt ein Dickschicht-Keramikbauteil 2, das mit FC-Bauteilen 3 bestückt ist. Die Flächen 8 sind Funktionselemente wie eine Heizstruktur, pH-Elektrode oder Leitfähigkeitselektroden. Die FC-Bauteile 3 und die funktionellen Einheiten 8 werden über Anschlusspads 9 mit einer Platine 1 elektrisch verbunden. Dabei wird das Bauteil 2 in FC-Bauweise über die Anschlusspads 9 auf einer Platine mechanisch befestigt. Zur mechanischen Befestigung kann zusätzlich ein Kleber verwendet werden. Vorteilhafterweise werden die FC-Bauteile 3 ebenfalls mit einem Kleber, zusätzlich zur elektrischen Verknüpfung, auf dem FC-Bauteil 2 mechanisch befestigt.

Die Dünnschichtstrukturen werden mittels standardlithographischer Prozesse erzeugt. Hierbei wird als elektrisch leitfähiges Material Gold, Titan oder Platin aufgetragen. Die Dickschichtstrukturen werden mit üblichen Siebdruckpasten hergestellt. Dabei sind möglichst reine Pasten anzuwenden. Fremdatome könnten die Messgenauigkeit maßgeblich beeinträchtigen. Die Isolation unter der Abschirmelektrode wird in Dickschicht ausgeführt, ist aber grundsätzlich in Dünn- schicht herstellbar.

Claims

Patentansprüche

1. Sensorchip (2, 3) mit einer elektrisch leitfähigen Dickschichtstruktur und elektrisch isolierendem Untergrund, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem isolierenden Untergrund eine elektrisch leitfähige Dünnschichtstruktur direkt mit einer elektrisch leitfähigen Dickschichtstruktur beschichtet ist.

2. Sensorchip (2, 3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei voneinander beabstandete Dünnschichtbahnen auf ihren jeweils zueinander gewandten Rändern nicht vollständig von der Dickschichtbeschichtung bedeckt sind.

3. Sensorchip (2, 3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip mindestens eine weitere Messeinheit aufweist.

4. Sensorchip (2, 3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei funktionelle Einheiten aus der Gruppe Temperatursensor, interdigitaler Kondensator, Leitfähigkeitssensor, pH-Sensor, Heizer oder Sauerstoff-Partialdrucksensor ausgewählt sind.

5. Sensorchip (2, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip ein FC- oder SMD-Bauteil (2, 3) ist.

6. Sensorchip (2, 3) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Sensorchips (3) weniger als 1 cm², insbesondere weniger als 10 mm² beträgt oder die Oberfläche des Sensorchips (2) 1 bis 4 cm² beträgt.

7. Sensorchip (2, 3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickschichtstruktur teilweise mit elektrisch isolierendem Material abgedeckt ist, welches seinerseits teilweise mit einer Elektrode abgedeckt ist.

8. Sensorchip (2, 3) nach Anspruch 3 oder 4, der wenigstens einen auf einer als keramisches Substrat ausgebildeten Leiterplatte befestigten FC- oder SMD-Chip aufweist.

9. Sensorchip (2, 3), insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Dick- oder Dünnschichtstruktur teilweise frei liegt und teilweise mit elektrisch isolierendem Material abgedeckt ist, welches seinerseits teilweise mit einer Elektrode abgedeckt ist.

10. Elektrischer Sensor, umfassend einen Sensorchip (2, 3) nach einem der Ansprüche

1 bis 9 und eine Leiterplatte, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Sensor wenigstens einen auf einer Leiterplatte befestigten FC- oder SMD-Chip (2, 3) aufweist.

1 1. Elektrischer Sensor mit mehreren Messeinheiten, umfassend wenigstens drei verschiedene Bauteile (1 , 2, 3), wobei ein erstes Bauteil eine Platine (1), ein zweites (2) und ein drittes (3) Bauteil ein FC- oder SMD-Bauteil ist, die jeweils verschiedene Leiterbahnen auf elektrisch isolierendem Untergrund aufweisen, wobei eine Platine (1) mit mindestens einem FC- oder SMD-Trägerbauteil (2) über elektrische Kontakte elektrisch verbunden und mechanisch gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein FC- oder SMD-Bauteil (3) über weitere elektrische Kontakte mit dem auf der Platine (1) befestigten FC- oder SMD-Trägerbauteil (2) elektrisch verbunden und mechanisch gehalten ist.

12. Elektrischer Sensor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das FC- oder SMD-Bauteil (3) in einer Aussparung der Platine (1) angeordnet ist.

13. Elektrischer Sensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (1) elektrische Anschlussflächen für einen elektrischen Stecker aufweist.

14. Elektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlkörper (7), der ein Fluid enthält, zum FC- oder SMD-Trägerbauteil (2) hin geöffnet und mit diesem verbunden ist.

15. Elektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen des FC- oder SMD-Bauteils gegenüber dem Fluid isoliert sind.

16. Elektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung mehrere, insbesondere verschiedene Messeinrichtungen aufweist.

17. Elektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mit Elektroden zur Messung elektrochemischer Eigenschaften eine weitere Elektrode zur Abschirmung aufweist.

18. Elektrischer Sensor mit einem auf einer Platine befestigten FC- oder SMD-Trägerbauteil (2), wobei über elektrische Kontakte eine elektrische Verbindung und eine mechanische Befestigung des FC- oder SMD-Bauteils mit der Platine (1) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine in Dickschicht oder Dünnschicht ausgeführte Leiterbahn teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht abgedeckt ist und die teilweise abdeckende elektrisch isolierende Schicht wiederum teilweise mit einer elektrisch leitfähigen Schicht abgedeckt ist.

19. Messverfahren zur Bestimmung mehrerer verschiedener Parameter eines Stoffs oder Inhalts, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Parameter mit einem FC- oder SMD-Bauteil (3) und mindestens ein anderer Parameter mit einem FC- oder SMD- Trägerbauteil (2) bestimmt werden, wobei das FC- oder SMD-Bauteil (3) auf dem FC- oder SMD-Trägerbauteil (2) bestimmungsgemäß elektrisch und mechanisch verbunden ist.

20. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Messvorrichtung, bei der ein Dickschichtsubstrat (2) auf einer Leiterplatte (1) in FC- oder SMD-Bauweise elektrisch und mechanisch verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem FC- oder SMD-Trägerbauteil ein FC- oder SMD-Bauteil (3) bestimmungsgemäß elektrisch und mechanisch verbunden wird.

21. Verfahren zur Herstellung eines Sensorchips (2, 3), bei dem mindestens eine funktionelle Einheit auf einem Substrat angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass we- nigstens eine funktionelle Einheit durch Strukturierung von Leiterbahnen auf ein Substrat gemäß der Dünnschichttechnik erfolgt und auf den Dünnschichtleiterbahnen eine Dick- schichtbeschichtung erfolgt.

22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei nebeneinander Ue- gende Elektrodenpaare dadurch gebildet werden, dass die Dickschichtpaste nicht über die den Dünnschichtbahnen gegenüber liegenden Rändern hinaus aufgetragen wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erstellen funktioneller Einheiten auf einer Substratoberfläche von weniger als 1 cm², ins- besondere weniger als 10 mm² ein Muster in Dünnschichttechnik erzeugt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Platine (1 ) oder einem Trägerbauteil (2) mit einer Oberfläche von über 10 mm², insbesondere über i cm² SMD- oder FC-Bauteile befestigt werden.

25. Verwendung einer elektrischen Messstruktur, bestehend aus einer Dünnschichtstruktur und einer Dickschichtstruktur zur Bestimmung physikalisch-chemischer Eigenschaften von Fluiden.

26. Verwendung nach Anspruch 25 in chemischen oder biologischen Prozessen.