WO2009095058A1 - Sensorelement - Google Patents

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WO2009095058A1
WO2009095058A1 PCT/EP2008/010464 EP2008010464W WO2009095058A1 WO 2009095058 A1 WO2009095058 A1 WO 2009095058A1 EP 2008010464 W EP2008010464 W EP 2008010464W WO 2009095058 A1 WO2009095058 A1 WO 2009095058A1
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sensor element
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insulating layer
carrier substrate
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PCT/EP2008/010464
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Ernst Zotl
Wolfgang Timelthaler
Georg Niessner
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E+E Elektronik Ges.M.B.H.
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    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
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    • G01K1/12—Protective devices, e.g. casings for preventing damage due to heat overloading
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    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/186—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer using microstructures

Definitions

  • the present invention relates to a sensor element for measuring a process variable.
  • a sensor element which serves for the measurement of a process variable of a flowing medium, such as its temperature, humidity or its mass.
  • a process variable of a flowing medium such as its temperature, humidity or its mass.
  • an electrically insulating intermediate layer on a ceramic carrier substrate, on which the actually active layer is arranged, which serves to detect the respective process variable or measured variable.
  • a passivation layer is provided as active layer protection.
  • the material used for the insulating layer is provided in EP 1 801 548 A2 glass.
  • An arrangement for measuring the flow velocity is known from DE 36 06 850 A1.
  • it is provided to apply an electrically insulating layer to a silicon carrier substrate and, via this, a resistance layer; above that there is also a protective layer.
  • the insulating layer can be, for example, by nitriding, oxidizing or Coating be made with glass.
  • a disadvantage of this known sensor element is that due to the recrystallization of the polysilicon at 870K an increased drift of the measured values occurs at operating temperatures in the range of 1000K and above. The proposed arrangement is therefore not sufficiently long-term stable at higher temperatures.
  • DE 196 09 167 A1 discloses a thin film multilayer sensor for measuring gas temperatures, gas velocities and infrared radiation.
  • a layer arrangement having a plurality of non-conductive intermediate layers and a plurality of metal layers is arranged on a carrier substrate.
  • a disadvantage of this thin-film multilayer sensor can be seen in the fact that to ensure a sufficiently rapid response of the sensor to temperature fluctuations, a complex transmitter is required.
  • a sheet resistance for a flow sensor and a method for its production is known.
  • This comprises a monocrystalline silicon substrate on which a first insulating layer in the form of an SiO 2 layer is arranged, on which a first titanium dioxide layer is arranged.
  • a structured platinum layer is arranged on the titanium dioxide layer, which is covered by a second titanium dioxide layer and over which a second insulating layer is arranged.
  • a disadvantage of this sensor element is that a use of this material system is limited to temperature ranges below 700 0 C, as at higher temperatures, an irreversible phase transformation of titanium dioxide.
  • the insulating layer can have a thickness of between 5 nm and 200 nm.
  • the insulating layer may consist of one of the following materials or a mixture thereof: MgO (magnesium oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide) SiO 2 (silicon dioxide) Si 3 N 4 (silicon nitride)
  • the passivation layer consists of the same material! like the insulating layer.
  • the passivation layer (4) has a thickness (d 4 ) of between 100 nm and 500 nm.
  • the carrier substrate preferably has a thickness of between 70 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the active layer consists of platinum or molybdenum.
  • the active layer has a thickness of between 100 nm and 1000 nm.
  • the sensor element according to the invention can be used to measure the mass flow rate of a gas.
  • the sensor element according to the invention can be used to measure the temperature of a gas.
  • the sensor element according to the invention has a high electrical long-term stability over a wide temperature range, in particular also at very high temperatures, as this is, for example, in the industrial environment of great importance. Even at high temperatures, reliable measured value detection is now possible. In addition to the actual measuring operation at such high temperatures, the insensitivity to these temperatures is also important because the sensor element according to the invention can also be heated to such high temperatures to prevent the deposition of contaminants. About appropriate heating of the sensor element, such as up to 800 0 C, such contaminants can be thermally decomposed again. Due to the now possible small thickness of the passivation layer and the suitable choice of the material for the carrier substrate, the sensor element according to the invention also has a very short reaction time with respect to the response to the measured variable.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a sensor element according to the invention.
  • the coefficient of thermal expansion Ct 2 of the insulating layer 2 also depends on the coating parameters during application of the insulating layer 2 and can also be suitably adjusted therefor. In principle, of course, the highest possible temperature resistance of the material for the insulating layer 2 is desirable.
  • a material is selected which is as dense as possible against contamination from the material of the carrier substrate 1.
  • the diffusion of oxygen and alkali ions should be prevented. This ensures that no contamination of the active layer 3 takes place by material from the carrier substrate 1.
  • the insulating layer 2 usually has a thickness d 2 in the range between 5 nm and 200 nm.
  • the actual active layer 3 of the sensor element according to the invention is arranged in structured form directly on the insulating layer 2.
  • the structuring is usually carried out in such a way that the active layer 3 is arranged in meander-shaped conductor tracks on the insulating layer 2.
  • the active layer 3 used here is an electrically conductive material with a temperature-dependent resistance; suitable materials for this are, for example, platinum (Pt) or molybdenum (Mo).
  • the active layer 3 typically has a thickness d 3 in the range between 100 nm and 1000 nm.
  • the above-mentioned materials for the insulating layer 2, ie the various oxide and nitride layers such as, for example, magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon dioxide (SiO 2 ) or mixtures of these materials are suitable for the passivation layer.
  • magnesium oxide (MgO) magnesium oxide
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • SiO 2 silicon dioxide
  • thermally induced stresses within the sensor element according to the invention can be minimized over a wide temperature range.
  • FIG. 2 For temperature measurement suitable designs of corresponding sensor elements are shown in Figures 2 and 3 in plan views.
  • the meander-shaped structured active layers 13 and 23 can be seen.
  • the two variants differ in that, in the case of FIG. 2, the connections 15a, 15b of the active layer are arranged on opposite sides of the carrier substrate 11; however, in the case of FIG. 3, the terminals 25a, 25 are placed on the same side of the support substrate 21.

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Abstract

Es wird ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Prozessgröße angegeben. Dieses umfasst ein Trägersubstrat aus Keramikmaterial, auf dem eine elektrisch-isolierende Isolierschicht angeordnet ist, wobei die Isolierschicht als Oxidschicht oder als Nitridschicht ausgebildet. Unmittelbar auf der Isolierschicht ist eine strukturierte, elektrisch leitfähige aktive Schicht angeordnet. Umittelbar über der aktiven Schicht ist eine Passivierungsschicht angeordnet, wobei die Passivierungsschicht als Oxidschicht oder als Nitridschicht ausgebildet ist.

Description

Sensorelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Messung einer Prozessgröße.
Aus der EP 1 801 548 A2 ist ein Sensorelement bekannt, welches zur Mes- sung einer Prozessgröße eines fließenden Mediums, wie z.B. dessen Temperatur, Feuchtigkeit oder dessen Masse dient. Vorgeschlagen wird hierzu, auf einem Keramik-Trägersubstrat eine elektrisch-isolierende Zwischenschicht aufzubringen, auf der die eigentlich aktive Schicht angeordnet ist, die zur Erfassung der jeweiligen Prozessgröße bzw. Messgröße dient. Oberhalb der aktiven Schicht ist eine Passivierungsschicht als Schutz für aktive Schicht vorgesehen. Als Material für die Isolierschicht wird in der EP 1 801 548 A2 Glas vorgesehen. Soll ein derart aufgebautes Sensorelement nunmehr innerhalb eines sehr großen Temperaturbereiches, z.B. zwischen - 400C und 8000C betrieben werden, so erweist sich insbesondere die Ver- wendung von Glas oder einer Glaspaste als Material für die Isolierschicht als nachteilig. So gibt es bislang keine geeigneten Glasmaterialien, die bei Temperaturen oberhalb von 8000C einen dauerhaften verlässlichen Betrieb eines derartigen Sensorelements ermöglichen würden. Ferner erweisen sich im Fall der Verwendung von Zirkonoxid (ZrO2) als Trägersubstrat die Wär- meausdehnungskoeffizienten von Glas und diesem vorgeschlagenen Trägersubstrat-Material als für derartige Temperaturschwankungen nicht hinreichend aneinander angepasst. Hinzu kommt ferner, dass bei hohen Temperaturen eine Diffusion von mobilen Ionen aus dem Glas-Material in die aktive Schicht zu beobachten ist. Dies hat in der aktiven Schicht eine Widerstands- drift und damit eine Verfälschung von Messergebnissen zur Folge.
Eine Anordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit ist aus der DE 36 06 850 A1 bekannt. Hierbei ist vorgesehen, auf einem Silizium-Trägersubstrat eine elektrisch isolierende Schicht aufzubringen und darüber eine Widerstandsschicht; darüber befindet sich desweiteren eine Schutzschicht. Die isolierende Schicht kann beispielsweise durch Nitrieren, Oxidieren oder Beschichten mit Glas hergestellt werden. Nachteilig an diesem bekannten Sensorelement ist, dass aufgrund der Rekristallisation des Polysiliziums bei 870K eine verstärkte Drift des Messwerte bei Betriebstemperaturen im Bereich von 1000K und darüber auftritt. Die vorgeschlagene Anordnung ist da- her bei höheren Temperaturen nicht ausreichend langzeitstabil.
Die DE 196 09 167 A1 offenbart einen Dünnfilm-Mehrschichtsensor zur Messung von Gastemperaturen, Gasgeschwindigkeiten und Infrarotstrahlung. Auf einem Trägersubstrat ist eine Schichtanordnung mit mehreren nicht-leitenden Zwischenschichten und mehreren Metallschichten angeordnet. Ein Nachteil dieses Dünnfilm-Mehrschichtsensors ist darin zu sehen, dass zur Gewährleistung einer hinreichend schnellen Reaktion des Sensors auf Temperaturschwankungen eine aufwendige Auswerteelektronik erforderlich ist.
Aus der DE 36 03 757 C2 ist schließlich ein Schichtwiderstand für einen Strömungsfühler sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Dieser umfasst ein einkristallines Silizium-Substrat, auf dem eine erste Isolierschicht in Form einer SiO2-Schicht angeordnet ist, auf der eine erste Titan- dioxid-Schicht angeordnet ist. Auf der Titandioxid-Schicht ist eine strukturierte Platin-Schicht angeordnet, die von einer zweiten Titandioxid-Schicht bedeckt wird und über der eine zweite Isolierschicht angeordnet ist. Als nachteilig an diesem Sensorelement ist anzuführen, dass eine Vewendung dieses Materialsystems auf auf Temperaturbereiche unter 7000C beschränkt ist, da bei höheren Temperaturen eine irreversible Phasenumwandlung von Titandioxid erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement zur Messung einer Prozessgröße anzugeben, das in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden kann und insbesondere auch bei sehr hohen Temperaturen zuverlässige Messwerte liefert. Ferner sollte der Schichtaufbau so stabil sein, dass auch sehr rasche Temperaturwechsel mit hohem Temperaturhub ohne Schichtdelamination möglich sind. Diese Aufgabe wird durch ein Sensorelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensorelements ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
Das erfindungsgemäße Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Prozessgröße umfasst ein Trägersubstrat aus Keramikmaterial. Auf dem Trä- gersubstrat ist eine elektrisch-isolierende Isolierschicht angeordnet, wobei die Isolierschicht als Oxidschicht oder als Nitridschicht ausgebildet ist. Unmittelbar auf der Isolierschicht ist eine strukturierte, elektrisch leitfähige aktive Schicht angeordnet. Unmittelbar über der aktiven Schicht ist mindestens eine Passivierungsschicht angeordnet, wobei die Passivierungsschicht als Oxidschicht oder als Nitridschicht ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist die Isolierschicht bzgl. ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägersubstrats angepasst gewählt.
Desweiteren wird die Isolierschicht mit Vorteil dergestalt gewählt, dass diese gegenüber Kontaminationen aus dem Material des Trägersubstrats dicht ist.
Hierbei kann die Isolierschicht eine Dicke zwischen 5nm und 200nm aufwei- sen.
Beispielsweise kann die Isolierschicht aus einem der folgenden Materialien oder einer Mischung derselben bestehen: MgO (Magnesiumoxid), AI2O3 (Aluminiumoxid) SiO2 (Siliziumdioxid) Si3N4 (Siliziumnitrid) Mit Vorteil besteht die Passivierungsschicht aus dem gleichen Materia! wie die Isolierschicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Passivierungsschicht (4) eine Dicke (d4) zwischen 100nm und 500nm auf.
Beispielsweise kann das Trägersubstrat aus einem der nachfolgenden Materialien bestehen: ZrO2 (Zirkonoxid), LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) Steatit Mullit
Vorzugsweise weist das Trägersubstrat eine Dicke zwischen 70μm und 200μm auf.
In einer möglichen Ausführungsform besteht die aktive Schicht aus Platin oder Molybdän.
Mit Vorteil weist die aktive Schicht eine Dicke zwischen 100nm und 1000nm auf.
Es ist ferner möglich, die aktive Schicht bzgl. ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trä- gersubstrats angepasst zu wählen.
Das erfindungsgemäße Sensorelement kann zur Messung des Massendurchflusses eines Gases verwendet werden.
Ferner kann das erfindungsgemäße Sensorelement zur Messung der Temperatur eines Gases verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Sensorelement weist eine hohe elektrische Langzeitstabilität über einen großen Temperaturbereich auf, insbesondere auch bei sehr hohen Temperaturen, wie dies, etwa im industriellen Umfeld von großer Bedeutung ist. Auch bei hohen Temperaturen ist nunmehr eine zuverlässige Messwerterfassung möglich. Neben dem eigentlichen Messbetrieb bei derart hohen Temperaturen ist die Unempfindlichkeit gegenüber diesen Temperaturen auch deshalb von Bedeutung, da das erfindungsgemäße Sensorelement auch zur Verhinderung der Ablagerung von Kontaminationen auf derart hohe Temperaturen aufheizbar ist. Über entsprechendes Aufheizen des Sensorelements, etwa bis 8000C, können derartige Kontaminationen wieder thermisch zersetzt werden. Aufgrund der nunmehr mögli- chen geringen Dicke der Passivierungsschicht und der geeigneten Wahl des Materials für das Trägersubstrat besitzt das erfindungsgemäße Sensorelement ferner eine sehr kurze Reaktionszeit bzgl. des Ansprechens auf die Messgröße.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Sensorelemente in Verbindung mit den Figuren erläutert.
Es zeigt hierbei
Figur 1 eine schematisierte Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements;
Figur 2, 3 je eine Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemä- ßes Sensorelement.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Sensorelement in einer schematisierten Querschnittsdarstellung gezeigt; selbstverständlich handelt es sich hierbei lediglich um eine Prinzipdarstellung, d.h. nicht um eine maß- stäblich korrekte Zeichnung eines derartigen Sensorelements.
Das erfindungsgemäße Sensorelement umfasst ein Trägersubstrat 1 , welches eine möglichst hohe mechanische und thermische Stabilität aufweist. Als Materialien für das Trägerelement 1 kommen bevorzugt Keramik-Materi- alien wie etwa Zirkonoxid (ZrO2), LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics), Steatit oder Mullit in Frage. Alle diese Materialien besitzen eine hinreichend niedrige Wärmeleitfähigkeit λ < 4VWmK, um eine schnelle Reaktionszeit des Sensorelements zu gewährleisten und um eine übermäßige Aufheizung von Kontaktstellen zu vermeiden. Das Trägersubstrat 1 weist üblicherweise eine Dicke di im Bereich zwischen ca. 70μm und 200μm auf.
Auf dem Trägersubstrat 1 ist eine elektrisch-isolierende Isolierschicht 2 angeordnet. Die Isolierschicht 2 ist hierbei bzgl. ihres thermischen Ausdeh- nungskoeffizienten oc2 an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten Oc1 des Trägersubstrats 1 angepasst gewählt. Wenn demzufolge für das Trägersubstrat 1 die oben erwähnten Keramik-Materialien verwendet werden, die thermische Ausdehnungskoeffizienten Oc1 im Bereich von ca. 5 * 10"6/K bis etwa 1 1 * 10"6/K besitzen (ZrO2: αi = 10.5 * 1CT6/K; LTCC: Cc1 = 5.3 * 10"6/K; Steatit: Ct1 = 8 * 10'6/K; Mulit: Oc1 = 5 * 10"6/K ), dann sollte die Abweichung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten α2 der gewählten Isolierschicht im Bereich von etwa +/- 1ppm liegen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient Ct2 der Isolierschicht 2 hängt im übrigen auch von den Beschichtungs- parametern beim Aufbringen der Isolierschicht 2 ab und lässt sich darüber auch geeignet einstellen. Grundsätzlich ist natürlich auch eine möglichst hohe Temperaturbeständigkeit des Materials für die Isolierschicht 2 wünschenswert.
Ferner erweist sich als günstig, wenn für die Isolierschicht 2 ein Material ge- wählt wird, welches gegenüber Kontaminationen aus dem Material des Trägersubstrats 1 möglichst dicht ist. Insbesondere soll hierbei die Diffusion von Sauerstoff und Alkaliionen verhindert werden. Damit ist gewährleistet, dass keine Verunreinigung der aktiven Schicht 3 durch Material aus dem Trägersubstrat 1 erfolgt.
Bei der Wahl eines Materials für die Isolierschicht 2 ist zudem zu beachten, dass dieses eine möglichst gute Haftung sowohl zum Material des Trägersubstrats 1 ais auch zum Mateiiäi der darüber befindlichen aktiven Schicht 3 aufweist. AIs Materialien für die elektrisch-isolierende Isolierschicht 2 erweisen sich erfindungsgemäß grundsätzlich verschiedene Oxidschichten geeignet, wie z.B. Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumoxid (AI2O3), Siliziumdioxid (SiO2) oder Mischungen dieser Materialien. Ferner kommen als Material für die Iso- lierschicht 2 erfindungsgemäß auch Nitridschichten wie etwa Siliziumnitrid (SiN) in Betracht. All diese Materialien gewährleisten die bereits erwähnten Eigenschaften; insbesondere ist sichergestellt, dass auch bei hohen Temperaturen keine Degradation der elektrischen Eigenschaften sowie der Haftungseigenschaften der darüber angeordneten aktiven Schicht 3 eintritt.
Die Isolierschicht 2 weist üblicherweise eine Dicke d2 im Bereich zwischen 5nm und 200nm auf.
Wie bereits erwähnt ist unmittelbar auf der Isolierschicht 2 die eigentliche aktive Schicht 3 des erfindungsgemäßen Sensorelements in strukturierter Form angeordnet. Die Strukturierung erfolgt üblicherweise dergestalt, dass auf der Isolierschicht 2 die aktive Schicht 3 in mäanderförmigen Leiterbahnen angeordnet wird. Als aktive Schicht 3 dient hierbei ein elektrisch leitfähiges Material mit einem temperaturabhängigen Widerstand, geeignete Mate- rialien hierfür sind etwa Platin (Pt) oder Molybdän (Mo). Die aktive Schicht 3 besitzt typischerweise eine Dicke d3 im Bereich zwischen 100nm und 1000nm.
Vorteilhafterweise wird zur Minimierung von thermischen Spannungen im Schichtaufbau auch die aktive Schicht 3 angepasst an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten Ot1, und α2 des Trägersubstrats 1 und der Isolierschicht 2 gewählt. So eignet sich etwa Molybdän als Material für die aktive Schicht und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α3 = 5.35 * 10"6/K insbesondere für die Trägersubstrat-Materialien LTCC und Mulit; Platin mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α3 = 8.8 * 10'6/K ist als Material für die aktive Schicht 3 insbesondere für die Trägersubstrat-Materialien Zirkonoxid (ZrO2) und Steatit geeignet. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sensorelements werden die Isolierschicht 2 und die aktive Schicht 3 vorzugsweise durch Sputterprozesse auf dem Trägersubstrat 1 aufgebracht. Geeignet hierzu sind etwa Magnetron- Sputterverfahren aus einem Compound-Target oder reaktive Sputterverfah- ren. Grundsätzlich wird hierbei angestrebt, die verschiedenen Schichten so dünn wie möglich auszubilden, um die resultierenden Schichtspannungen gering zu halten.
Unmittelbar oberhalb der aktiven Schicht 3 ist schließlich mindestens eine Passivierungsschicht 4 angeordnet. Die Passivierungsschicht 4 dient zum Schutz der aktiven Schicht 3 vor einer Kontamination derselben aus der jeweiligen Messumgebung, wie etwa dem Schutz vor Chemikalien oder Sauerstoff. Ferner werden durch die Passivierungsschicht 4 Kurzschlüsse zwischen den Leiterbahnen der aktiven Schicht 3 bei hoher Luftfeuchte ver- mieden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird für die Passivierungsschicht 4 ebenfalls eine Oxid- oder Nitridschicht verwendet; es kann hierbei sogar vorgesehen werden, das gleiche Material wie für die Isolierschicht 2 zu wählen. In Betracht kommen demzufolge für die Passivierungsschicht die bereits oben erwähnten Materialien für die Isolierschicht 2, d.h. die verschiedenen Oxid- und Nitridschichten wie z.B. Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumoxid (AI2O3), Siliziumdioxid (SiO2) oder Mischungen dieser Materialien. Insbesondere im Fall der Verwendung gleicher Materialien für die Isolierschicht 2 und die Passivierungsschicht 4 lassen sich thermisch bedingte Verspannungen innerhalb des erfindungsgemäßen Sensorele- ments über einen weiten Temperaturbereich minimieren.
Grundsätzlich ist es aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, unterschiedliche Kombination der verschiedenen oben erwähnten Oxid- und Nitridschichten für die Isolierschicht 2 und die Passivierungsschicht 4 vorzusehen.
Die Dicke d4 der Passivierungsschicht 4 wird üblicherweise im Bereich zwischen 100nm und 500nm gewählt. Zur Aufbringung der Passivierungsschicht 4 eignen sich verschiedene Vakuumprozesse wie etwa Sputter-Verfahren, Aufdampf-Verfahren oder CVD- Verfahren (Chemical Vapor Deposition).
Das erfindungsgemäße Sensorelement kann beispielsweise zur Messung der Temperatur eines Gases oder aber zur Messung des Massendurchflusses eines Gases als zu erfassende Prozessgrößen eingesetzt werden.
Zur Temperaturmessung geeignete Designs entsprechender Sensorele- mente sind in den Figuren 2 und 3 in Draufsichten gezeigt. Erkennbar sind hierbei jeweils die mäanderförmig strukturierten aktiven Schichten 13 bzw. 23. Die beiden Varianten unterschieden sich dadurch, dass im Fall der Figur 2 die Anschlüsse 15a, 15b der aktiven Schicht an gegenüberliegenden Seiten des Trägersubstrats 11 angeordnet sind; im Fall der Figur 3 hingegen sind die Anschlüsse 25a, 25 an der gleichen Seite des Trägersubstrats 21 platziert.
Wird das erfindungsgemäße Sensorelement zur Messung des Massendurchflusses von Gasen eingesetzt, so erweist sich als vorteilhaft, zwei ge- trennte Sensorelemente vorzusehen, von denen eines als Temperatursensor fungiert und das andere als aktiv beheiztes Element.
Neben den erläuterten Beispielen existieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten.

Claims

Patentansprüche
1. Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Prozessgröße, bestehend aus
- einem Trägersubstrat (1 ; 11 ; 21) aus Keramikmaterial,
- einer auf dem Trägersubstrat (1 ; 1 1 ; 21) angeordneten elektrisch- isolierenden Isolierschicht (2), wobei die Isolierschicht (2) als Oxidschicht oder als Nitridschicht ausgebildet ist,
- einer strukturierten, unmittelbar auf der Isolierschicht (2) angeordneten, elektrisch leitfähigen aktiven Schicht (3) sowie
- mindestens einer unmittelbar über der aktiven Schicht (3) angeordne- ten Passivierungsschicht (4), wobei die Passivierungsschicht (4) als
Oxidschicht oder als Nitridschicht ausgebildet ist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht (2) bzgl. ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α2) an den thermischen Aus- dehnungskoeffizienten (α-0 des Trägersubstrats (1 ; 11 ; 21) angepasst gewählt ist.
3. Sensorelement nach Anspruch 1 , wobei die Isolierschicht (2) dergestalt gewählt ist, dass diese gegenüber Kontaminationen aus dem Material des Trägersubstrats (1) dicht ist.
4. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolierschicht (2) eine Dicke (d2) zwischen 5nm und 200nm aufweist.
5. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolierschicht (2) aus einem der folgenden Materialien oder einer Mischung derselben besteht:
MgO (Magnesiumoxid), AI2O3 (Aluminiumoxid) SiO2 '(Siliziumdioxid) Si3N4 (Siliziumnitrid)
6. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Passivierungsschicht (4) aus dem gleichen Material wie die Isolierschicht (2) besteht.
7. Sensorelement nach Anspruch 1 , wobei die Passivierungsschicht (4) eine Dicke (d4) zwischen 100nm und 500nm aufweist.
8. Sensorelement nach Anspruch 1 , wobei das Trägersubstrat (1 ; 11 ; 21) aus einem der nachfolgenden Materialien besteht:
ZrO2 (Zirkonoxid), LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics)
Steatit MuIMt
9. Sensorelement nach Anspruch 1 , wobei das Trägersubstrat (1 ; 11 ; 21) eine Dicke (di) zwischen 70μm und 200μm aufweist.
10. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Schicht (3) aus Platin (Pt) oder Molybdän (Mo) besteht.
11. Sensorelement nach Anspruch 1 , wobei die aktive Schicht (3) eine Dicke (d3) zwischen 100nm und 1000nm aufweist.
12. Sensorelement nach Anspruch 1 , wobei die aktive Schicht (3) bzgl. ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α3) an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α-i) des Trägersubstrats (1 ; 11 ; 21) angepasst gewählt ist.
13. Sensorelement nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, welches zur Messung des Massendurchflusses eines Gases verwendet wird.
14. Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 12, welches zur Messung der Temperatur eines Gases verwendet wird.
PCT/EP2008/010464 2008-01-30 2008-12-10 Sensorelement WO2009095058A1 (de)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3603757A1 (de) * 1985-02-16 1986-08-21 Nippon Soken, Inc., Nishio, Aichi Schichtwiderstand fuer eine stroemungsmessvorrichtung
DE19609167A1 (de) * 1996-03-09 1997-09-18 Dieter Dr Ing Huhnke Dünnfilm-Mehrschichtsensor zur Messung von Gastemperaturen, Gasgeschwindigkeiten und Infrarotstrahlung
EP1801548A2 (de) * 2005-12-21 2007-06-27 Innovative Sensor Technology IST AG Vorrichtung zur Bestimmung einer Prozessgrösse und Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Sensoreinheit

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3603757A1 (de) * 1985-02-16 1986-08-21 Nippon Soken, Inc., Nishio, Aichi Schichtwiderstand fuer eine stroemungsmessvorrichtung
DE19609167A1 (de) * 1996-03-09 1997-09-18 Dieter Dr Ing Huhnke Dünnfilm-Mehrschichtsensor zur Messung von Gastemperaturen, Gasgeschwindigkeiten und Infrarotstrahlung
EP1801548A2 (de) * 2005-12-21 2007-06-27 Innovative Sensor Technology IST AG Vorrichtung zur Bestimmung einer Prozessgrösse und Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Sensoreinheit

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