WO2018041473A1 - SENSORELEMENT UND THERMISCHER STRÖMUNGSSENSOR ZUR MESSUNG EINER PHYSIKALISCHEN GRÖßE EINES MESSMEDIUMS - Google Patents

SENSORELEMENT UND THERMISCHER STRÖMUNGSSENSOR ZUR MESSUNG EINER PHYSIKALISCHEN GRÖßE EINES MESSMEDIUMS Download PDF

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WO2018041473A1
WO2018041473A1 PCT/EP2017/068714 EP2017068714W WO2018041473A1 WO 2018041473 A1 WO2018041473 A1 WO 2018041473A1 EP 2017068714 W EP2017068714 W EP 2017068714W WO 2018041473 A1 WO2018041473 A1 WO 2018041473A1
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sensor element
sensor
substrate
measuring medium
functional layer
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PCT/EP2017/068714
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Patrik Grob
Christoph Hepp
Florian Krogmann
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Innovative Sensor Technology Ist Ag
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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

Definitions

  • the invention relates to a sensor element for measuring a physical quantity of a
  • the sensor element has a substrate, wherein a functional layer is applied to the surface of the substrate facing away from the measuring medium.
  • a suitable, highly thermally conductive material and the smallest possible layer thickness the predetermined Biot number ⁇ 0.1 is realized.
  • An embodiment of the first variant of the sensor element according to the invention provides that the substrate consists essentially of aluminum nitride. Aluminum nitride has a very high thermal conductivity in the range of about 180-200 W / (m * K).
  • a preferred development of the first variant of the sensor element according to the invention provides that on the surface of the substrate facing the measuring medium, a solderable layer is applied, by means of which the sensor element is attached to the carrier element. This leads to a further reduction in the Biot number, since the solderable layer on the passivation layer is in direct contact with the carrier element.
  • Sensor element provides that on the functional layer, a passivation layer is applied with a second thermal resistance value, wherein the first thermal resistance value of the substrate is substantially greater by a factor of 10 than the second thermal resistance value of the passivation layer.
  • a via also allows a symmetrical design of the sensor element, whereby the installation of the sensor element is independent of direction possible.
  • the connecting wires can be removed vertically above the sensor element, which allows a compact design.
  • the functional layer consists of a material with a defined temperature coefficient of electrical resistance, which is not equal to zero.
  • the functional layer therefore forms, depending on the temperature coefficient of the material used, a PTC resistor or a NTC resistor.
  • the functional layer consists essentially of a metallic material, in particular platinum, nickel, or copper. On the one hand, these materials are established in microfabrication, on the other hand, these materials have pronounced temperature characteristics due to their respective
  • the functional layer consists of a polycrystalline or doped semiconductor material, in particular silicon, germanium or gallium arsenide. It goes without saying that in principle any common semiconductor material can be used.
  • the heating element can thereby be used extremely efficiently.
  • the carrier element is a tube, a plate or a sleeve, wherein the carrier element consists in particular of a metallic material.
  • the sensor element according to the invention is optimized with respect to the following characteristics:
  • thermo flow sensor which has at least one sensor element according to the invention.
  • the sensor element is configured in such a way as to alternately heat the medium and to measure the temperature of the measuring medium.
  • thermal flow sensor is a further inventive
  • the one of the at least two sensor elements serves as a heating element for heating the medium to be measured, and wherein the further sensor element is used for measuring the temperature of the measured medium.
  • the flow rate of the measuring medium can be over known in the prior art measuring principles, such as
  • Heating wire method the heating method or as a calorimeter.
  • This functional layer 102 serves to determine the temperature of a measuring medium 2, in which the temperature-dependent resistance value of the functional layer 102 is determined.
  • the functional layer 102 is subjected to an electrical power and generates Joule heat, which is delivered to the measuring medium 2.
  • the substrate is Al 2 O 3 , which has a layer thickness of about 350 ⁇ .
  • the passivation layer consists of glass and has a layer thickness of approximately 30 ⁇ m.
  • the support member is a tube made of stainless steel with a wall thickness of about 150 ⁇ .
  • Such a temperature element has a relatively high Biot number of about 0.236.
  • the disadvantage is that the heating heat, or the temperature of the medium to be measured, must be guided through the substrate 101 to the carrier element 3, or vice versa. The response time of the temperature sensor is thereby delayed, or the time is increased in which the heat of the heating element reaches the measuring medium 2. Due to the high Biot number, this can not be remedied by forced convection of the measuring medium.
  • the sensor element 1 according to the invention allows by selecting suitable materials for the substrate, for example aluminum nitride, which has a very high heat conduction, a reduction in the Biot number. By reducing the layer thickness of the substrate, a Biot number ⁇ 0.1 can be achieved, which means a nearly optimal heat transfer from the functional layer to the measuring medium, or vice versa.
  • 2 shows a second embodiment of the sensor element 1 according to the invention.
  • the substrate 101 consists of zirconium oxide with a layer thickness of approximately 150 ⁇ m. This has a relatively low thermal conductivity.
  • a functional layer 102 is applied on the surface of the substrate facing the measuring medium 2. Again, this is a layer of a material with a defined temperature coefficient of electrical resistance, which is not equal to zero. The functional layer 102 therefore forms, depending on the temperature coefficient of the material used
  • the functional layer 102 consists of a metallic material, in particular platinum, nickel, or copper, or of a polycrystalline or doped semiconductor material, in particular silicon, germanium or gallium arsenide.
  • a passivation layer 103 is applied on the functional layer 102. In this
  • the passivation layer 103 consists of Al 2 0 3 and has a layer thickness of about 3 ⁇ .
  • the passivation layer 103 has a significantly lower, in particular at least a factor of 10, smaller thermal resistance than the substrate 101.
  • Measuring medium 2 is directed from the measuring medium 2 to the functional layer 103 and as little heat is lost through the substrate.
  • the passivation layer 103 is designed in such a way that a solder layer 105 can be attached to it and the sensor element 1 is fastened to the carrier element 3 by means of this solder layer 105. This leads to a further reduction in the Biot number, as the solderable layer on the
  • Passivation layer is in direct contact with the carrier element.
  • the sensor element 1 according to the invention has a low Biot number of 0.097 and therefore allows good heat conduction from the sensor element to the measuring medium and vice versa.
  • the substrate 101 In the side facing away from the measuring medium 2 side of the substrate 101 may be one or more
  • Vias 104 may be provided.
  • the connecting wires contact the functional layer 102 thereby from the side of the substrate 101 opposite the functional layer 102.
  • a larger contact surface of the sensor element 1 with the carrier element 3 a larger heat transfer occurs with the same chip dimensioning or the dimensioning of the sensor element 1 decreases consistent contact surface.
  • the sensor element 1 according to the invention can be used in a large number of applications become.
  • it is provided to use the sensor element 1 as a heating element or as a temperature sensor in a thermal flow sensor.
  • the sensor element 1 can be designed in such a way for alternately heating the measuring medium 2 and measuring the temperature of the measuring medium 2. The decay of the in the
  • Measuring medium 2 induced temperature is here a measure of the flow rate of the measuring medium.
  • the flow rate of the measuring medium can be determined using measuring principles that are widely known from the prior art, such as, for example, the heating wire method or the heating method, with at least two of the sensor elements 1 according to the invention.
  • Sensor element can be used in a variety of other applications.

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Abstract

Die Erfindung umfasst ein Sensorelement (1) zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums (2), wobei das Sensorelement (1 ) derart ausgestaltet und auf einem Trägerelement (3), welches aus einem einzelnen Material oder aus einer Materialkombination besteht und mit dem Messmedium (2) in Kontakt steht, aufgebracht ist, dass das Sensorelement (1 ) in Richtung des Messmediums (2) eine Biot-Zahl < 0.1 aufweist. Des Weiteren umfasst die Erfindung einen thermischen Strömungssensor, welcher zumindest ein erfindungsgemäßes Sensorelement (1 ) aufweist.

Description

Sensorelement und thermischer Strömungssensor zur Messung einer physikalischen
Größe eines Messmediums
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Messung einer physikalischen Größe eines
Messmediums. Des Weiteren umfasst die Erfindung einen thermischen Strömungssensor.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensorelemente zur
Bestimmung der Temperatur eines Messmediums bekannt. Diese werden bspw. in
Dünnschichttechnik gefertigt und weisen auf einem Substrat eine funktionale
Schicht, bspw. aus Platin, auf. Mittels dieser funktionalen Schicht lässt sich
die Temperatur eines Mediums, mit dem die funktionale Schicht in
thermischer Wechselwirkung steht, bestimmen. Das Messmedium ist hierbei ein insbesondere gasförmiges oder flüssiges Fluid. Thermische Strömungssensoren bestehen typischerweise aus mehreren dieser Sensorelemente, üblicherweise aus einem niederohmigen Heizelement und einem hochohmigen
Widerstandselement, welches als Temperatursensor dient. Alternativ sind thermische
Strömungssensoren mit mehreren niederohmigen Heizelementen als Heizer und Temperatursensor aufgebaut.
Werden Heizer und Temperatursensor auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht, so ist die thermische Entkopplung zwischen Heizelement und Temperatursensor nicht ideal, so dass unter Umständen das Heizelement den Temperatursensor beeinflusst. Alternativ hierzu können thermische Strömungssensoren aus zwei getrennten Sensorelementen, die nicht gemeinsam auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht sind, realisiert werden.
Typischerweise werden die einzelnen Sensorelemente substratseitig auf Trägerelemente aufgelötet, welche mit dem Messmedium in Kontakt sind. Sie bestehen insbesondere aus Edelstahl oder aus anderen metallischen Materialien. Das Messen der Temperatur des Messmediums oder das Heizen des Messmediums erfolgt dann durch das Trägerelement hindurch.
Von großem Nachteil ist hierbei, dass die Heizwärme - oder die Temperatur des Messmediums - durch das Substrat des jeweiligen Sensorelements zum Trägerelement, bzw. vice versa, geführt werden muss. Die Ansprechzeit eines Temperatursensors ist hierdurch verzögert, bzw. die Zeit ist erhöht, in welcher die Wärme des Heizelements das Messmedium erreicht. Entsprechend weist das Gesamtsystem eine hohe Biot-Zahl auf.
Die Biot-Zahl ist eine dimensionslose Kennzahl der Thermodynamik und der Strömungsmechanik. Sie wird für die Berechnung von Erwärmungs- und Abkühlungsvorgängen verwendet und gibt beim Wärmetransport durch die Oberfläche eines Körpers das Verhältnis des Wärmeleitwiderstandes eines Körpers zum Wärmeübergangswiderstand des umgebenden Messmediums an. Eine hohe Biot-Zahl, wie sie bei den genannten thermischen Strömungssensoren vorliegt, besagt, dass Temperaturunterschiede innerhalb des festen Körpers größer sind als in der Grenzschicht zum umgebenden Messmedium. Eine Verbesserung der äußeren Wärmeübertragung, beispielsweise durch erzwungene statt freier Konvektion beschleunigt den Wärmeübergang bei hoher Biot-Zahl daher nicht wesentlich.
Des Weiteren wird typischerweise Aluminiumoxid, insbesondere Al203, als Substratmaterial verwendet. Die thermische Leitfähigkeit von Aluminiumoxid ist aber selbst abhängig von der Temperatur. Mögliche Kalibrationen eines Sensorelements sind daher sehr aufwendig. Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Sensorelement und einen thermischen Strömungssensor vorzustellen, das eine optimierte
Wärmeübertragung von dem Sensorelement zu einem Messmedium und umgekehrt erlaubt.
Die Aufgabe wird durch ein Sensorelement zur Messung einer physikalischen Größe eines
Messmediums gelöst, wobei das Sensorelement derart ausgestaltet und auf einem Trägerelement, welches aus einem einzelnen Material oder aus einer Materialkombination besteht und mit dem Messmedium in Kontakt steht, aufgebracht ist, dass das Sensorelement in Richtung des
Messmediums eine Biot-Zahl < 0.1 aufweist. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorelements liegt darin, dass eine gute Wärmeübertragung von dem Sensorelement zu dem Messmedium und vice versa erreicht wird.
Applikationen zum Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorelements sind im einleitenden Teil der Beschreibung beispielhaft genannt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass der Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorelements nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern dem
Fachmann bewusst ist, dass ein solches Sensorelement in einer Vielzahl weiterer Applikationen eingesetzt werden kann.
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements weist das Sensorelement ein Substrat auf, wobei auf der dem Messmedium abgewandten Oberfläche des Substrats eine funktionale Schicht aufgetragen ist. Mittels Verwendung eines geeigneten, hoch wärmeleitfähigen Materials und einer möglichst geringen Schichtdicke wird die vorgegebene Biot-Zahl <0.1 realisiert. Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Substrat im Wesentlichen aus Aluminiumnitrid besteht. Aluminiumnitrid weist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit im Bereich von ungefähr 180 - 200 W/(m*K) auf. Eine bevorzugte Weiterbildung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass auf der dem Messmedium zugewandten Oberfläche des Substrats eine lötbare Schicht aufgetragen ist, mittels derer das Sensorelement an dem Trägerelement angebracht ist. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Biot-Zahl, da die lötbare Schicht auf der Passivierungsschicht mit dem Trägerelement in unmittelbarem Kontakt steht.
Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Sensorelement ein Substrat mit einem ersten Wärmewiderstandswert aufweist, wobei auf der dem Messmedium zugewandten Oberfläche des Substrats eine funktionale Schicht aufgetragen ist. Der große Vorteil dieser zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements besteht darin, dass die Wärmeübertragung nicht mehr durch das Substrat hindurch erfolgen muss.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Substrat eine Durchkontaktierung zur elektrischen Kontaktierung der funktionalen Schicht von der dem Messmedium abgewandten Oberfläche des Substrats aus aufweist. Die Anschlussdrähte kontaktieren die funktionale Schicht dadurch von der zur funktionalen Schicht gegenüberliegenden Seite des Substrats. Bei größerer Kontaktoberfläche des Sensorelements mit dem Trägerelement stellt sich bei gleichbleibender Chipdimensionierung ein größerer Wärmeübergang ein, bzw.
verringert sich die Dimensionierung des Sensorelements bei gleichbleibender Kontaktoberfläche. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen
Sensorelements sieht vor, dass auf der funktionalen Schicht eine Passivierungsschicht mit einem zweiten Wärmewiderstandswert aufgetragen ist, wobei der erste Wärmewiderstandswert des Substrats im Wesentlichen um einen Faktor 10 größer ist als der zweite Wärmewiderstandswert der Passivierungsschicht.
Durch diese Anordnung wird das Sensorelement hinsichtlich Wärmeübertragung von dem
Sensorelement zu einem Messmedium und umgekehrt optimiert. In Richtung der Seite des
Messmediums weist das Sensorelement lediglich einen sehr geringen thermischen Widerstand auf, während in Richtung der dem Messmedium abgewandten Oberfläche ein hoher thermischer Widerstand vorliegt.
Die Verwendung einer Durchkontaktierung ermöglicht darüber hinaus ein symmetrisches Design des Sensorelements, wodurch der Einbau des Sensorelements richtungsunabhängig möglich ist. Des Weiteren können die Anschlussdrähte senkrecht über dem Sensorelement abgeführt werden, was eine kompakte Bauform ermöglicht.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die Passivierungsschicht als Dickschicht ausgestaltet ist.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen
Sensorelements sieht vor, dass die Passivierungsschicht als Dünnschicht ausgestaltet ist. Die Verwendung einer Dünnschicht als Passivierungsschicht verringert die Biot-Zahl weiter, da die Dünnschichtpassivierung rund um das Zehnfache dünner als eine Dickschicht ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen
Sensorelements besteht die Passivierungsschicht im Wesentlichen aus Aluminiumoxid,
Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Aluminiumnitrid, Tantaloxid oder aus einer Materialkombination. Bei Verwendung dieser Materialien anstatt Glas als Dünnschichtmaterial kann die Biot-Zahl weiter gesenkt werden, da die Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten dieser Materialien größer sind als der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von Glas.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen
Sensorelements ist vorgesehen, dass auf der Passivierungsschicht eine lötbare Schicht aufgetragen ist, mittels derer das Sensorelement an dem Trägerelement angebracht ist. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Biot-Zahl, da die Passivierungsschicht mit dem Trägerelement über die Lötschicht in unmittelbarem Kontakt steht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Substrat im Wesentlichen aus Zirkonoxid oder aus Glas besteht. Diese Materialien weisen eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch ein Wärmefluss von der funktionalen Schicht in Richtung der vom Messmedium abgewandten Seite zu einem Großteil unterbunden wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die funktionale Schicht aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, welcher ungleich Null ist, besteht. Die funktionale Schicht bildet daher, je nach Temperaturkoeffizient des verwendeten Materials, einen Kaltleiter(PTC)-Widerstand oder einen Heißleiter(NTC)-Widerstand. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die funktionale Schicht im Wesentlichen aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, Nickel, oder Kupfer, besteht. Diese Materialien sind zum einen in der Mikrofertigung etabliert, zum anderen besitzen diese Materialien ausgeprägte Temperaturkennlinien aufgrund ihrer jeweiligen
Temperaturkoeffizienten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die funktionale Schicht aus einem polykristallinen oder dotierten Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, Germanium oder Galliumarsenid, besteht. Es versteht sich von selbst, dass prinzipiell jedes gebräuchliche Halbleitermaterial verwendet werden kann.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht als hochohmiges Widerstandselement ausgestaltet ist und wobei die Temperatur des Messmediums anhand eines auf direkte oder indirekte Weise gemessenen elektrischen Widerstandswerts des hochohmigen Widerstandelements bestimmt wird.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht als niederohmige Heizstruktur zur Erzeugung von joulescher Wärme ausgestaltet ist, wodurch das Sensorelement als Heizelement zur Erwärmung des Messmediums dient. Da in Richtung der Seite des Messmediums lediglich ein sehr geringer thermischer
Widerstand vorliegt, während in Richtung der nicht-Messmediumseite ein hoher thermischer Widerstand vorliegt, wird der Wärmefluss des Heizelements derart gerichtet, dass nahezu alle erzeugte Wärme in Richtung des Messmediums geleitet wird. Das Heizelement kann dadurch äußerst effizient genutzt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass es sich bei dem Trägerelement um ein Röhrchen, ein Plättchen oder um eine Hülse handelt, wobei das Trägerelement insbesondere aus einem metallischen Material besteht. Insgesamt ist das erfindungsgemäße Sensorelement hinsichtlich der folgenden Kennzahlen optimiert:
sehr geringe Biot-Zahl in Richtung der Seite des Messmediums (ein Wert der Biot-Zahl kleiner als 0.1 wird in der Literatur als optimal betrachtet);
Hoher thermischer Widerstand in Richtung der nicht-Messmediumseite; und
- Erhöhung der Kontaktfläche zu dem Trägerelement bei gleichbleibender Chipgeometrie mittels Durchkontaktierung. Des Weiteren wird die Aufgabe durch einen thermischen Strömungssensor gelöst, welcher zumindest ein erfindungsgemäßes Sensorelement aufweist.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Strömungssensors liegt darin, dass eine gute
Wärmeübertragung von dem Sensorelement zu dem Messmedium und umgekehrt erreicht wird, wodurch die Empfindlichkeit des thermischen Strömungssensors in Bezug auf die
Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums erheblich gesteigert wird.
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen thermischen Strömungssensors ist vorgesehen, dass das Sensorelement derart ausgestaltet ist, um abwechselnd das Medium zu beheizen und die Temperatur des Messmediums zu messen.
Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen thermischen Strömungssensors ist vorgesehen, dass der thermische Strömungssensor ein weiteres erfindungsgemäßes
Sensorelement aufweist, wobei das eine der zumindest zwei Sensorelemente als Heizelement zur Erwärmung des Messmediums dient, und wobei das weitere Sensorelement zum Messen der Temperatur des Messmediums dient. Die Durchflussgeschwindigkeit des Messmediums kann dabei über im Stand der Technik weitläufig bekannten Messprinzipien, wie beispielsweise der
Heizdrahtmethode, des Aufheizverfahrens oder als Kalorimeter, bestimmt werden.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, beide Sensorelemente auf einem Trägerprint zu montieren. Durch die Komponentenanordnung und verwendeten Materialien der erfindungsgemäßen
Sensorelemente können diese dennoch als thermisch entkoppelt betrachtet werden. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 : eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements; und
Fig. 2: eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements 1. Auf einem Substrat 101 ist eine funktionale Schicht 102 aufgetragen, welche wiederum von einer
Passivierungsschicht 103 bedeckt ist. Bei der funktionalen Schicht 102 handelt es sich um eine Schicht aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, welcher ungleich Null ist. Die funktionale Schicht bildet daher, je nach Temperaturkoeffizient des verwendeten Materials, einen Kaltleiter(PTC)-Widerstand oder einen Heißleiter(NTC)-Widerstand. Insbesondere besteht die funktionale Schicht 102 aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, Nickel, oder Kupfer, oder aus einem polykristallinen oder dotierten Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, Germanium oder Galliumarsenid.
Diese funktionale Schicht 102 dient zum Bestimmen der Temperatur eines Messmediums 2, in dem der temperaturabhängige Widerstandswert der funktionalen Schicht 102 bestimmt wird. Alternativ wird die funktionale Schicht 102 mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt und erzeugt Joulesche Wärme, welche an das Messmedium 2 abgegeben wird.
Bei dem Messmedium 2 handelt es sich insbesondere um ein gasförmiges oder um ein flüssiges Medium 2.
Die dem Messmedium 2 zugewandte Oberfläche des Substrats 101 ist mittels einer Lötschicht 105 an einem Trägerelement 3 befestigt. Dieses Trägerelement 3 ist mit dem Messmedium 2 in Kontakt.
Nachfolgend ist ein Beispiel eines gebräuchlichen Standard-Temperaturelements 1 aufgeführt, mitsamt den Dimensionen und Materialien der Komponenten des Sensorelements 1 , wie es im Stand der Technik bekannt ist:
Konkret handelt es sich bei dem Substrat um Al203, welches eine Schichtdicke von ungefähr 350 μιη aufweist. Die Passivierungsschicht besteht aus Glas und weist eine Schichtdicke von ungefähr 30 μιη auf. Das Trägerelement ist ein Röhrchen aus Edelstahl mit einer Wandstärke von ungefähr 150 μιη.
Ein solches Temperaturelement weist eine relativ hohe Biot-Zahl von ungefähr 0.236 auf. Nachteilig ist, dass die Heizwärme, oder die Temperatur des Messmediums, durch das Substrat 101 zum Trägerelement 3, bzw. vice versa, geführt werden muss. Die Ansprechzeit des Temperatursensors ist hierdurch verzögert, bzw. die Zeit ist erhöht, in welcher die Wärme des Heizelements das Messmedium 2 erreicht. Dies kann, aufgrund der hohen Biot-Zahl, auch nicht durch eine erzwungene Konvektion des Messmediums behoben werden.
Das erfindungsgemäße Sensorelement 1 erlaubt durch Auswahl geeigneter Materialen für das Substrat, beispielsweise Aluminiumnitrid, welches eine sehr hohe Wärmeleitung aufweist, eine Verringerung der Biot-Zahl. Durch Verringerung der Schichtdicke des Substrats kann eine Biot-Zahl < 0.1 erreicht werden, was eine nahezu optimale Wärmeübertragung von der funktionalen Schicht zum Messmedium, bzw. umgekehrt, bedeutet. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements 1.
Das Substrat 101 besteht aus Zirkonoxid mit einer Schichtdicke von ungefähr 150 μιη. Dieses weist eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auf.
Auf der dem Messmedium 2 zugewandten Oberfläche des Substrats ist eine funktionale Schicht 102 aufgetragen. Auch hierbei handelt es sich um eine Schicht aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, welcher ungleich Null ist. Die funktionale Schicht 102 bildet daher, je nach Temperaturkoeffizient des verwendeten Materials, einen
Kaltleiter(PTC)-Widerstand oder einen Heißleiter(NTC)-Widerstand. Insbesondere besteht die funktionale Schicht 102 aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, Nickel, oder Kupfer, oder aus einem polykristallinen oder dotierten Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, Germanium oder Galliumarsenid. Auf der funktionalen Schicht 102 ist eine Passivierungsschicht 103 aufgetragen ist. In diesem
Ausführungsbeispiel besteht die Passivierungsschicht 103 aus Al203 und besitzt eine Schichtdicke von ungefähr 3 μιη. Die Passivierungsschicht 103 weist einen wesentlich geringeren, insbesondere mindestens um einen Faktor 10 kleineren, Wärmewiderstandswert als das Substrat 101 auf.
Dadurch ist gewährleistet, dass ein Wärmefluss von der funktionalen Schicht 103 zu dem
Messmedium 2, oder von dem Messmedium 2 zu der funktionalen Schicht 103 gerichtet ist und möglichst wenig Wärme durch das Substrat verloren geht.
Die Passivierungsschicht 103 ist derart ausgestaltet, dass auf dieser eine Lötschicht 105 anbringbar ist und das Sensorelement 1 mittels dieser Lötschicht 105 an dem Trägerelement 3 befestigt ist. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Biot-Zahl, da die lötbare Schicht auf der
Passivierungsschicht mit dem Trägerelement in unmittelbarem Kontakt steht.
Das erfindungsgemäße Sensorelement 1 weist eine geringe Biot-Zahl von 0.097 auf und erlaubt daher eine gute Wärmeleitung von dem Sensorelement zu dem Messmedium und umgekehrt.
In die dem Messmedium 2 abgewandte Seite des Substrats 101 kann eine oder mehrere
Durchkontaktierungen 104 vorgesehen sein. Die Anschlussdrähte kontaktieren die funktionale Schicht 102 dadurch von der zur funktionalen Schicht 102 gegenüberliegenden Seite des Substrats 101. Bei größerer Kontaktoberfläche des Sensorelements 1 mit dem Trägerelement 3 stellt sich bei gleichbleibender Chipdimensionierung ein größerer Wärmeübergang ein, bzw. verringert sich die Dimensionierung des Sensorelements 1 bei gleichbleibender Kontaktoberfläche.
Das erfindungsgemäße Sensorelement 1 kann in einer Vielzahl von Applikationen eingesetzt werden. So ist es beispielsweise vorgesehen, das Sensorelement 1 als Heizelement oder als Temperatursensor in einem thermischen Strömungssensor einzusetzen.
Das Sensorelement 1 kann dafür derart ausgestaltet sein, um abwechselnd das Messmedium 2 zu beheizen und die Temperatur des Messmediums 2 zu messen. Das Abklingen der in das
Messmedium 2 induzierten Temperatur ist hierbei ein Maß für die Durchflussgeschwindigkeit des Messmediums 2.
Alternativ kann die Durchflussgeschwindigkeit des Messmediums dabei über durch den Stand der Technik weitläufig bekannten Messprinzipien, wie beispielsweise der Heizdrahtmethode oder des Aufheizverfahrens, mit mindestens zwei der erfindungsgemäßen Sensorelemente 1 bestimmt werden.
Es versteht sich jedoch von selbst, dass der Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorelements nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern dem Fachmann bewusst ist, dass ein solches
Sensorelement in einer Vielzahl weiterer Applikationen eingesetzt werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Sensorelement
101 Substrat
102 funktionale Schicht
103 Passivierungsschicht
104 Durchkontaktierung
105 Lötschicht
2 Messmedium
3 Trägerelement

Claims

Patentansprüche
Sensorelement (1 ) zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums (2), wobei das Sensorelement (1 ) derart ausgestaltet und auf einem Trägerelement (3), welches aus einem einzelnen Material oder aus einer Materialkombination besteht und mit dem
Messmedium (2) in Kontakt steht, aufgebracht ist, dass das Sensorelement (1 ) in Richtung des Messmediums (2) eine Biot-Zahl < 0.1 aufweist.
Sensorelement (1 ) nach Anspruch 1 ,
wobei das Sensorelement (1 ) ein Substrat (101 ) aufweist, und
wobei auf der dem Messmedium (2) abgewandten Oberfläche des Substrats (101 ) eine funktionale Schicht (102) aufgetragen ist.
Sensorelement (1 ) nach Anspruch 2, wobei das Substrat im Wesentlichen aus
Aluminiumnitrid besteht.
Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei auf der dem Messmedium zugewandten Oberfläche des Substrats (101 ) eine lötbare Schicht (105) aufgetragen ist, mittels derer das Sensorelement (1 ) an dem Trägerelement (3) angebracht ist.
Sensorelement (1 ) nach Anspruch 1 ,
wobei das Sensorelement (1 ) ein Substrat (101 ) mit einem ersten Wärmewiderstandswert aufweist, und
wobei auf der dem Messmedium (2) zugewandten Oberfläche des Substrats (101 ) eine funktionale Schicht (102) aufgetragen ist.
Sensorelement (1 ) nach Anspruch 5,
wobei das Substrat (101 ) eine Durchkontaktierung (104) zur elektrischen Kontaktierung der funktionalen Schicht von der dem Messmedium abgewandten Oberfläche des Substrats (101 ) aus aufweist.
Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 5 oder 6,
wobei auf der funktionalen Schicht (102) eine Passivierungsschicht (103) mit einem zweiten Wärmewiderstandswert aufgetragen ist, und
wobei der erste Wärmewiderstandswert des Substrats (101 ) im Wesentlichen um einen Faktor 10 größer ist als der zweite Wärmewiderstandswert der Passivierungsschicht (103).
8. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 7,
wobei die Passivierungsschicht (103) als Dickschicht ausgestaltet ist.
9. Sensorelement nach Anspruch 7,
wobei die Passivierungsschicht (103) als Dünnschicht ausgestaltet ist.
10. Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9,
wobei die Passivierungsschicht (103) im Wesentlichen aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Aluminiumnitrid, Tantaloxid, oder aus einer Materialkombination besteht.
1 1. Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10,
wobei auf der Passivierungsschicht (103) eine lötbare Schicht (105) aufgetragen ist, mittels derer das Sensorelement (1 ) an dem Trägerelement (3) angebracht ist.
12. Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 11 ,
wobei das Substrat (101 ) im Wesentlichen aus Zirkonoxid, oder aus Glas besteht.
13. Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 12,
wobei die funktionale Schicht (102) aus einem Material mit einem definierten
Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, welcher ungleich Null ist, besteht.
14. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 13,
wobei die funktionale Schicht (102) im Wesentlichen aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, Nickel, oder Kupfer, besteht.
15. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 13,
wobei die funktionale Schicht (102) aus einem polykristallinen oder dotierten
Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, Germanium oder Galliumarsenid, besteht.
16. Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 15,
wobei die funktionale Schicht (102) als hochohmiges Widerstandselement ausgestaltet ist und wobei die Temperatur des Messmediums (2) anhand eines auf direkte oder indirekte Weise gemessenen elektrischen Widerstandswerts des hochohmigen Widerstandelements bestimmt wird.
17. Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 15,
wobei die funktionale Schicht (102) als niederohmige Heizstruktur zur Erzeugung von joulescher Wärme ausgestaltet ist,
wodurch das Sensorelement (1 ) als Heizelement zur Erwärmung des Messmediums dient.
18. Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei es sich bei dem Trägerelement (3) um ein Röhrchen, ein Plättchen oder um eine Hülse, handelt, wobei das Trägerelement (3) insbesondere aus einem metallischen Material besteht.
19. Thermischer Strömungssensor, aufweisend zumindest ein Sensorelement (1 ) nach
zumindest einem der vorherigen Ansprüche.
20. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 19,
wobei das Sensorelement (1 ) derart ausgestaltet ist, um abwechselnd das Messmedium (2) zu beheizen und die Temperatur des Messmediums (2) zu messen.
21. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 19,
wobei der thermische Strömungssensor ein weiteres Sensorelement (1 ) aufweist, wobei das eine der zumindest zwei Sensorelemente (1 ) als Heizelement zur Erwärmung des
Messmediums dient (2), und
wobei das weitere Sensorelement (1 ) zum Messen der Temperatur des Messmediums (2) dient.
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