WO2021032878A1 - Sensor component, semi-finished product, method for attaching and producing a sensor component - Google Patents

Sensor component, semi-finished product, method for attaching and producing a sensor component Download PDF

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WO2021032878A1
WO2021032878A1 PCT/EP2020/073485 EP2020073485W WO2021032878A1 WO 2021032878 A1 WO2021032878 A1 WO 2021032878A1 EP 2020073485 W EP2020073485 W EP 2020073485W WO 2021032878 A1 WO2021032878 A1 WO 2021032878A1
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sensor
sensor component
component
layer
carrier film
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PCT/EP2020/073485
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Folke Dencker
Marc Christopher Wurz
Hans-Jürgen MAIER
Rico OTTERMANN
Alexander KASSNER
Daniel Klaas
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Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G01L1/2293—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges of the semi-conductor type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements

Definitions

  • Sensor component semi-finished product, method for attaching and manufacturing a sensor component
  • the invention relates to a sensor component for sensing at least one physical variable, the sensor component being designed as an electrical component in which an electrical sensor signal correlating with the physical variable is provided at connection contacts of the sensor component.
  • the invention also relates to a semi-finished product for producing such a sensor component, a method for attaching such a component to a measurement object, and a method for producing such a sensor component.
  • the invention relates to the field of sensor components that can be attached to a measurement object on which a physical variable is to be sensed.
  • the sensor component is an element that is manufactured separately from the measurement object, which can be produced, for example, by a sensor component manufacturer and then marketed for use on a wide variety of measurement objects.
  • the user of the sensor component can then provide the measurement object with one or more such sensor components as required.
  • any physical variable can be sensed with a sensor component, for example changes in shape, e.g. expansion, or temperature, humidity or pressure.
  • sensor components in the form of strain gauges from HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH are known. These strain gauges have a substrate made of a polyimide film. Most of them are encapsulated to protect them from environmental influences.
  • the invention is based on the object of specifying a further improved sensor component and its manufacture, which can also be used reliably in problematic environments (so-called “harsh environments”).
  • This object is achieved with a sensor component of the type mentioned in that the sensor component has the following structure: a) a substrate in the form of a carrier film made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials, b) on a The sensor application side of the carrier film is applied directly or over at least one further layer, e.g.
  • the sensor function layer is electrical with at least two electrical connections circuit contacts connected to provide the sensor signal
  • the sensor component has a mounting surface that is set up to attach the sensor component to a measurement object on which the physical variable is to be sensed.
  • the insulation layer can be particularly useful if the sensor application side of the carrier film is wholly or partially electrically conductive, e.g. in the case of a metal foil as the carrier film.
  • One or more sensor functional layers can be applied to the sensor application side, e.g. for a multilayer structure, which can then consist of several sensor and insulation layers.
  • the carrier film can, for example, be entirely polymer-free.
  • the fastening surface can, for example, be arranged on the side of the carrier film facing away from the sensor application side.
  • a metal layer can also be applied as a fastening surface on the sensor application side, i.e. on the same side as the insulation layer, if applicable.
  • the insulation layer can be arranged, for example, between the sensor functional layer and the fastening surface.
  • the sensor component can be made much more robust to external temperature influences and chemical substances.
  • the sensor component can be used in particular in applications in which polyimide-based sensor components are no longer due to the temperature resistance are suitable.
  • the sensor component according to the invention is significantly less sensitive to other environmental influences, whether due to the weather or due to the action of chemical substances that are used in the area of the measurement object, as well as to chemical and physical attacks such as radiation, especially UV radiation, aging effects due to moisture, for example , Creeping, zero point drift, hysteresis or outgassing in a vacuum.
  • smaller radii of curvature and higher elongations are possible compared to ceramic-based or metal-plate-based carrier substrates.
  • a further advantage of the invention is that the overall temperature range that can be recorded is significantly larger than with sensor components based on polyimide according to the prior art.
  • the varying pressure when applying conventional film sensors affects the thickness and connection of the adhesive layer, which has a negative effect on the measurement signal, especially when measuring strain.
  • the measurement object can basically be any measurement object, e.g. a technical object such as a machine.
  • the sensor component according to the invention is suitable, for example, for mounting in places where cooling lubricant and the like are used, such as on machine tools and in process engineering.
  • the sensor component according to the invention is suitable for use in high vacuum.
  • the sensor component can in particular also be used in high-temperature environments, for example on cutting tools, forming tools and in power plant technology. Other advantageous areas of application are places with strong weather influences, e.g. for outdoor applications, for example on bridges, wind energy plants or cranes.
  • the sensor component according to the invention can be manufactured separately from the measurement object and used by the user as an accessory for measuring devices. The user can decide where and how to attach the sensor component to the measurement object.
  • the sensor component according to the invention allows microtechnological production, ie the sensor component can be made particularly small and, in particular, particularly flat.
  • the entire sensor component can be film-like, ie relatively thin and flexible.
  • the entire sensor component can, for example, have a thickness between 3 and 500 ⁇ m, in particular a thickness between 10 and 100 ⁇ m. Accordingly, the sensor component has little space requirement and can also be used in applications with little space available.
  • the sensor component according to the invention can be manufactured very efficiently on a large industrial scale, for example by manufacturing a large number of sensor components in use.
  • the substrate can initially be so large that the sensor functional layers of a large number of sensor components can be applied next to one another, in particular as a batch production next to one another, e.g. in a matrix arrangement. After all the partial layers of the sensor components have been applied, they can be separated from one another by singulation, for example by punching, laser cutting, abrasive cutting or etching and each provided separately. There is also the possibility of application-specific production of individual sensor layouts and the use of specific sensor layer materials.
  • the carrier foil used as the substrate is, as the term “foil” actually already implies, a thin foil-like, in particular a metal foil-like, element.
  • the carrier film is therefore comparatively easy to bend, that is to say has relatively good elastic and / or plastic deformability. This is particularly advantageous for certain types of sensors such as strain sensors or temperature sensors.
  • the carrier foil can be, for example, a metal foil such as an aluminum, titanium or steel foil, or a combination of such materials.
  • the thickness of the carrier film can be, for example, in the range from 2 to 50 ⁇ m, in particular in the range from 2 to 49 ⁇ m. Furthermore, the thickness of the carrier film can advantageously be in the range from 15 to 30 ⁇ m, in particular in the range from 20 ⁇ m, for example.
  • the insulation layer can advantageously be formed from a material that is comparable bar robust and resistant to the carrier film. In particular, it is advantageous to avoid plastic materials for forming the insulation layer.
  • the insulation layer can be formed, for example, by oxidizing the surface of the carrier film.
  • the insulation layer can also be an anodized layer produced by anodizing on the carrier foil or a layer produced by burnishing.
  • the insulation layer can also be designed as a ceramic layer.
  • the insulation layer can be produced particularly economically by anodizing, for example.
  • the sensor functional layer can be adapted to the particular application depending on the type of sensor component, i.e. depending on the type of physical variable to be recorded. If the sensor component is to be designed for strain measurement, for example, metallic or semiconducting materials or a combination of both materials can be used for the sensor functional layer, for example nickel-chromium, e.g. 80% nickel / 20% chromium or 60% nickel / 40% chromium or 50% % Nickel / 50% chromium or constantan or p- or n-doped silicon or indium tin oxide (ITO) or aluminum nitride (AIN).
  • nickel-chromium e.g. 80% nickel / 20% chromium or 60% nickel / 40% chromium or 50% % Nickel / 50% chromium or constantan or p- or n-doped silicon or indium tin oxide (ITO) or aluminum nitride (AIN).
  • the sensor component is set up to be attached to the measurement object with its attachment surface by means of a joining process. Accordingly, the sensor component is made robust enough to survive the fastening by means of the joining process without damage.
  • the joining method to be used can, for example, be adhesive or non-adhesive (eg bonding, in particular transient liquid Phase (TLP) bonding, soldering or welding). This also improves the application possibility of the sensor component in areas that are difficult to access, for example in guides.
  • TLP transient liquid Phase
  • the attachment of the sensor component with its attachment surface to the object to be measured can take place, for example, by transient liquid phase bonding (TLP bonding), eutectic bonding or sintering.
  • TLP bonding transient liquid phase bonding
  • the bonding processes are, for example, thermocompression bonding, thermosonic bonding and ultrasonic bonding.
  • TLP bonding With TLP bonding, a metallic intermediate layer is melted so that the joining layer can be formed by diffusion.
  • the method has the advantage that the process temperatures with values of typically 160 ° C to 250 ° C are low compared to other material-locking joining methods, but the remelting temperatures are higher at temperatures between 400 ° C and 600 ° C, for example .
  • the sensor functional layer is exposed to less thermal loading than, for example, during welding, so that the sensor functional layer is not damaged by the joining process or the degradation of the sensor effect, i.e. the decrease in the functionality of the sensor, can be significantly reduced.
  • the functionality of the sensor component can thus be guaranteed.
  • the field of application of the sensor component can be expanded through TLP bonding. Due to the high remelting temperatures, the sensor component can also be used in thermal processes up to 600 ° C.
  • the sensor component is polymer-free. Accordingly, components that are sensitive to high temperatures and / or chemicals are avoided on the sensor component. In this way, the entire sensor component can be designed to be compatible with “harsh environments”. This also enables a lower outgassing rate to be achieved in vacuum applications. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the sensor component is designed as a strain sensor and / or as a temperature sensor. This opens up a multitude of application possibilities for the sensor component in the field of condition monitoring in the industrial sector, for example on machines and components of any complexity and size, such as machine tools or bridges on traffic routes.
  • the thermal expansion coefficients of the carrier film and the insulation layer only differ from one another to such an extent that no negative effects resulting therefrom occur at later operating temperatures for which the sensor component is specified.
  • This can be achieved, for example, by using stainless steel as the carrier foil and aluminum oxide as the insulation layer, so that the difference in thermal expansion coefficients is around 8 ppm / ° C.
  • Such a temperature-compatible material pairing allows the sensor component to be designed to be particularly robust against frequent temperature changes. In this way, a long-life sensor component can be provided.
  • a further insulation layer is applied to the sensor functional layer.
  • the sensor component can be designed to be both electrically insulating and protected from mechanical and chemical stress.
  • the further insulation layer effects electrical insulation of the sensor functional layer from the environment.
  • the further insulation layer can be, for example, a zirconium oxide, a tantalum oxide, a silicon oxide, a silicon nitride or an aluminum oxide layer.
  • a layer made of an electrically conductive material and / or made of an electrically semiconducting material is applied to the further insulation layer.
  • a combination of the electrically conductive material and the electrically semiconducting material is also conceivable.
  • the layer made of an electrically conductive material can be, for example, a metal layer, for example a soft magnetic metal layer such as nickel-iron (Ni81 Fe19).
  • the additional insulation layer and / or the layer made of an electrically conductive material can in particular improve the insulation strength, temperature stability, mechanical wear resistance of the sensor component and achieve a low structural height of the sensor component and hermetic encapsulation.
  • the sensor component is coated on the fastening surface with a joining material by means of which the sensor component can be fastened to the measurement object by means of a joining method.
  • a joining material can be designed as a metal layer and / or metal deposit, for example.
  • the joining material can, for example, be an alloy, i.e. several metals, or individual metals as a layer.
  • the joining material can be a solder.
  • the sensor component can then be attached to the measurement object by soldering.
  • the joining material layer needs to be melted.
  • the corresponding surface of the measurement object to which the sensor component is to be attached is prepared accordingly, for example by degreasing, roughening, grinding or polishing.
  • a wide variety of materials can be used as the joining material, in particular commercially available solders.
  • Another advantageous material for the joining material is, for example, indium or tin. TLP bonding is possible in particular with materials that at least partially contain indium or tin.
  • a metallic bond can advantageously be implemented for fastening the sensor component to the measurement object.
  • a metallic bond is characterized by high strength, aging resistance and tightness.
  • the mechanical parameters, such as the modulus of elasticity of the joint can be set by selecting the joining material or through combinations of different joining materials. In this way, in particular, strain sensors or temperature sensors can advantageously be attached to the measurement object because the joint then has sufficient rigidity and accordingly practically does not falsify the physical quantities detected by means of the sensor component.
  • the layers mentioned, which are applied to the carrier film, in particular the insulation layer, the sensor function layer, the further insulation layer, the layer made of an electrically conductive material and the joining material coating, can be applied, for example, using PVD processes and / or CVD processes be brought. Depending on the material used, application using a galvanic process is also advantageous.
  • the sensor functional layer can be applied by rolling onto the substrate or the insulation layer. A targeted setting of the sensor functional layer to, for example, the temperature response of the carrier and / or measurement object material, for example, by cold forming, for example, is possible.
  • the structuring of the sensor functional layer can then be carried out after application, e.g. wet-chemical (etching) and / or by laser structuring and / or by milling.
  • the fastening surface can, for example, but not necessarily, represent a surface directly on the carrier film, so that the joining material can be applied directly to the carrier film.
  • the fastening surface is arranged on the sensor application side or on the side of the carrier film facing away from the sensor application side.
  • both a fastening surface on the sensor application side and a further fastening surface on the sensor application side. turned side of the carrier film are arranged.
  • the sensor component can be attached to two different measuring objects, for example.
  • a first measurement object would then be arranged on the fastening surface on the sensor application side and a second measurement object on the further fastening surface on the side of the carrier film facing away from the sensor application side.
  • the measurement object is attached to the fastening surface on one side of the carrier film, with an integrated circuit and / or an energy source such as a battery and / or a radio unit on the fastening surface on the other side of the carrier film can be attached.
  • the sensor component can be attached to the measurement object independently without the need for additional connections to an energy supply or an evaluation unit for the sensor data.
  • the energy could then be drawn from the energy source, with the sensor data being able to be sent to an evaluation unit via the radio unit.
  • the fastening surface is arranged on the further insulation layer. It is conceivable that the further insulation layer is arranged between the fastening surface and the sensor functional layer.
  • the sensor component can be embedded in the measurement object, for example, so that it is completely surrounded by the measurement object.
  • a structure could be achieved, for example, in an additive process such as a 3D printing process, in that the measurement object is printed in layers, the sensor component being able to be inserted between two layers of the measurement object during the printing.
  • a sheet for the manufacture of a sensor component of the type described above the semi-finished product consisting of the substrate consisting of the carrier film, optionally the insulation layer applied to the carrier film, the fastening surface on the sensor application side of the carrier film or on the Side of the carrier film facing away from the sensor application side and the joining material coating applied to the fastening surface having.
  • sensor components according to the invention can be produced in a particularly simple manner, since the semifinished product already has various layers of the sensor component ultimately to be produced. It is only necessary to apply the sensor functional layer and, if necessary, further layers such as the further insulation layer and the layer made of an electrically conductive material on the sensor application side or the insulation layer.
  • the object mentioned at the beginning is also achieved by a method for attaching a sensor component of the type explained above to a measurement object, the sensor component being attached to the measurement object with its fastening surface.
  • the advantages explained above can also be realized in this way.
  • the sensor component with its fastening surface can be attached to the measurement object by means of a joining process.
  • the joining process can be, for example, transient liquid phase bonding.
  • a method for producing a sensor component of the type explained above which has the following steps: a) Providing a carrier film made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials as a substrate of the sensor component, b) applying at least one electrical sensor functional layer, through which the electrical sensor signal can be generated depending on the sensed physical variable, on a sensor application side of the carrier film directly or via at least one further layer, e.g. an insulation layer, c) making electrical connections of the Sensor functional layer with at least two electrical connection contacts for providing the sensor signal.
  • the insulation layer is an optional layer which can be useful if the sensor application side of the carrier film is wholly or partially electrically conductive.
  • the fastening surface can also be coated with a joining material.
  • the fastening surface can be arranged, for example, on the side of the carrier film facing away from the sensor application side.
  • a metal layer can also be used as a mounting surface on the sensor application side, ie on the same side as the insulation layer, are applied. This enables the sensor component to be fixed on an object to be measured so that the substrate film is furthest away from the object to be measured.
  • this allows additional protection against external influences (mechanical, chemical, physical) to be achieved.
  • hermetic encapsulation can take place, which enables stable long-term behavior of the sensor component.
  • the sensitivity can be increased.
  • the sensor functional layer can be applied to the carrier film, for example based on the flip-chip assembly, in that the sensor functional layer is electrically conductively contacted with supply lines and connecting wires passed through the carrier film.
  • the electrical contacting of the sensor functional layer can also be implemented differently.
  • the active contacting side is then for example below the carrier film, the active contacting side of the sensor functional layer being the side with at least one sensor layer. In this way, particularly small dimensions of the sensor component can be achieved.
  • the thickness of the carrier film can, for example, be further reduced by subtractive manufacturing processes such as milling, etching, lasering, grinding or polishing, in order to achieve a low sensor component height.
  • layers can also be applied to the sensor component using additive manufacturing processes or even further components can be joined.
  • a metal layer is applied as a fastening surface for fastening the sensor component both on the sensor application side and on the side of the carrier film facing away from the sensor application side.
  • the sensor component can also be produced using the aforementioned semi-finished product. In this case, the semifinished product is used as the starting element and the electrical sensor functional layer is applied to the insulation layer.
  • a further insulation layer can be applied to the sensor functional layer.
  • a layer of an electrically conductive material e.g. a metal layer, can be applied to the further insulation layer.
  • the metal layer can be a soft magnetic layer made, for example, of a nickel-iron alloy such as permalloy. This has the advantage that a higher electromagnetic compatibility can be achieved.
  • Figure 1 shows a sensor component in plan view
  • Figure 2 shows the sensor component in a cross-sectional view
  • Figure 3 shows a further embodiment of the sensor component in a cross-sectional view.
  • FIG. 1 shows a sensor component 1 which has a substrate in the form of a carrier film 2 on which electrically conductive structures are deposited.
  • the electrically conductive structures include a sensor functional layer 3, for example, as shown, several ohmic resistors in a meandering shape, with which a bridge circuit can be implemented.
  • the electrically conductive structures also include conductor tracks 4 and connection contacts 5.
  • the elements of the sensor function layer 3 are connected to the connection contacts 5 via the conductor tracks 4. Electrical sensor signals that correlate with the physical variable that can be detected with the sensor component 1 are emitted at the connection contacts 5.
  • the individual elements of the sensor functional layer 3 can optionally can be interconnected via the connection contacts 5 in order to form, for example, the mentioned bridge circuit, as is customary for example for strain sensors or pressure sensors.
  • connection contacts 5 which can be designed, for example, as contact surfaces or contact pads, can be made, for example, by attaching electrical connection lines using conductive adhesive, soldering and / or bonding.
  • FIG. 2 shows the multilayer structure of the sensor component 1.
  • An insulation layer 6 is applied to one side of the substrate in the form of the carrier film 2.
  • the aforementioned sensor functional layer 3 is applied to the insulation layer 6.
  • the other electrically conductive structures 4, 5 can also be applied to the insulation layer 6.
  • the sensor functional layer 3 is covered by a further insulation layer 7.
  • a layer 8 made of an electrically conductive material is applied to the further insulation layer 7.
  • the fastening surface of the sensor component 1 is located on the side of the carrier film 2 opposite the insulation layer 6.
  • a joining material 9 is applied to the fastening surface.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the sensor component 1 in which the fastening surface is located on the sensor application side of the carrier film 2 to which the sensor functional layer 3 is applied.
  • the joining material 9 is in turn applied to the fastening surface, e.g. in the form of a metal layer. If necessary, a thin metal or oxide layer could also be used as a diffusion barrier between the layer 8 made of the conductive material and the joining material 9.

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Abstract

The invention relates to a sensor component for sensing at least one physical variable, the sensor component being designed as an electric component, wherein an electric sensor signal correlating with the physical variable is provided at connection contacts of the sensor component. The invention also relates to a semi-finished product for producing such a sensor component, to a method for attaching such a component to a measurement object and to a method for producing such a sensor component.

Description

Sensorbauteil, Halbzeug, Verfahren zur Anbringung und zur Herstellung eines Sensorbauteils Sensor component, semi-finished product, method for attaching and manufacturing a sensor component
Die Erfindung betrifft ein Sensorbauteil zur Sensierung wenigstens einer physikali schen Größe, wobei das Sensorbauteil als elektrisches Bauteil ausgebildet ist, bei dem an Anschlusskontakten des Sensorbauteils ein mit der physikalischen Größe korrelierendes elektrisches Sensorsignal bereitgestellt ist. Die Erfindung betrifft au ßerdem ein Halbzeug zur Herstellung eines solchen Sensorbauteils, ein Verfahren zur Anbringung eines solchen Bauteils an einem Messobjekt sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensorbauteils. The invention relates to a sensor component for sensing at least one physical variable, the sensor component being designed as an electrical component in which an electrical sensor signal correlating with the physical variable is provided at connection contacts of the sensor component. The invention also relates to a semi-finished product for producing such a sensor component, a method for attaching such a component to a measurement object, and a method for producing such a sensor component.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet von Sensorbauteilen, die an einem Mess objekt, an dem eine physikalische Größe sensiert werden soll, angebracht werden können. Das Sensorbauteil ist dabei ein von dem Messobjekt getrennt hergestelltes Element, das beispielsweise bei einem Sensorbauteil-Hersteller produziert werden kann und dann für den Einsatz an unterschiedlichsten Messobjekten vermarktet wer den kann. Der Anwender des Sensorbauteils kann dann nach Bedarf das Messobjekt mit einem oder mehreren solcher Sensorbauteile versehen. Mit einem Sensorbauteil kann eine grundsätzlich beliebige physikalische Größe sensiert werden, beispiels weise Formveränderungen, z.B. Dehnungen, oder die Temperatur, die Feuchte oder der Druck. Bekannt sind beispielsweise Sensorbauteile in Form von Dehnungsmess streifen der Firma HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. Diese Dehnungs messstreifen weisen ein Substrat aus einer Polyimidfolie auf. Sie sind zum Schutz vor Umgebungseinflüssen überwiegend gekapselt. In general, the invention relates to the field of sensor components that can be attached to a measurement object on which a physical variable is to be sensed. The sensor component is an element that is manufactured separately from the measurement object, which can be produced, for example, by a sensor component manufacturer and then marketed for use on a wide variety of measurement objects. The user of the sensor component can then provide the measurement object with one or more such sensor components as required. In principle, any physical variable can be sensed with a sensor component, for example changes in shape, e.g. expansion, or temperature, humidity or pressure. For example, sensor components in the form of strain gauges from HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH are known. These strain gauges have a substrate made of a polyimide film. Most of them are encapsulated to protect them from environmental influences.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiter verbessertes Sensorbauteil so wie dessen Herstellung anzugeben, das auch in problematischen Umgebungen (so genannten „harsh environments“) zuverlässig eingesetzt werden kann. Diese Aufgabe wird mit einem Sensorbauteil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Sensorbauteil folgenden Aufbau aufweist: a) ein Substrat in Form einer Trägerfolie aus Metall-, Glas-, Keramik- oder Halb leitermaterial oder einer Kombination dieser Materialien, b) auf einer Sensorapplikationsseite der Trägerfolie ist unmittelbar oder über we nigstens eine weitere Schicht, z.B. eine Isolationsschicht, wenigstens eine Sen sorfunktionsschicht aufgebracht, durch die das elektrische Sensorsignal in Ab hängigkeit von der sensierten physikalischen Größe erzeugbar ist, c) die Sensorfunktionsschicht ist elektrisch mit wenigstens zwei elektrischen An schlusskontakten zur Bereitstellung des Sensorsignals verbunden, d) an dem Sensorbauteil ist eine Befestigungsfläche vorhanden, die dazu eingerich tet ist, das Sensorbauteil an einem Messobjekt anzubringen, an dem die physika lische Größe sensiert werden soll. The invention is based on the object of specifying a further improved sensor component and its manufacture, which can also be used reliably in problematic environments (so-called “harsh environments”). This object is achieved with a sensor component of the type mentioned in that the sensor component has the following structure: a) a substrate in the form of a carrier film made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials, b) on a The sensor application side of the carrier film is applied directly or over at least one further layer, e.g. an insulation layer, at least one sensor function layer through which the electrical sensor signal can be generated depending on the sensed physical variable, c) the sensor function layer is electrical with at least two electrical connections circuit contacts connected to provide the sensor signal, d) the sensor component has a mounting surface that is set up to attach the sensor component to a measurement object on which the physical variable is to be sensed.
Die Isolationsschicht kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die Sensorapplika tionsseite der Trägerfolie ganz oder teilweise elektrisch leitend ist, z.B. im Fall einer Metallfolie als Trägerfolie. Auf der Sensorapplikationsseite können eine oder mehrere Sensorfunktionsschichten aufgebracht werden, z.B. für einen Multilayer-Aufbau, der dann aus mehreren Sensor- und Isolationsschichten bestehen kann. Die Trägerfolie kann z.B. insgesamt polymerfrei ausgebildet sein. Die Befestigungsfläche kann z.B. an der Sensorapplikationsseite abgewandten Seite der Trägerfolie angeordnet sein. Wahlweise kann eine Metallschicht als Befestigungsfläche auch auf der Sensorappli kationsseite, d.h. auf derselben Seite wie ggf. die Isolationsschicht, aufgebracht wer den. The insulation layer can be particularly useful if the sensor application side of the carrier film is wholly or partially electrically conductive, e.g. in the case of a metal foil as the carrier film. One or more sensor functional layers can be applied to the sensor application side, e.g. for a multilayer structure, which can then consist of several sensor and insulation layers. The carrier film can, for example, be entirely polymer-free. The fastening surface can, for example, be arranged on the side of the carrier film facing away from the sensor application side. Optionally, a metal layer can also be applied as a fastening surface on the sensor application side, i.e. on the same side as the insulation layer, if applicable.
Falls eine Isolationsschicht vorhanden ist, kann die Isolationsschicht zum Beispiel zwischen der Sensorfunktionsschicht und der Befestigungsfläche angeordnet sein. If an insulation layer is present, the insulation layer can be arranged, for example, between the sensor functional layer and the fastening surface.
Durch die Realisierung des Sensorbauteils mit einem Substrat aus Metall-, Glas-, Ke ramik- oder Halbleitermaterial oder einer Kombination dieser Materialien, d.h. der er wähnten Trägerfolie, kann das Sensorbauteil wesentlich robuster gegenüber von au ßen einwirkenden Temperatureinflüssen und chemischen Substanzen gemacht wer den. Das Sensorbauteil kann insbesondere in Einsatzfällen genutzt werden, bei de nen Polyimid-basierte Sensorbauteile aufgrund der Temperaturfestigkeit nicht mehr geeignet sind. Zudem ist das erfindungsgemäße Sensorbauteil wesentlich unemp findlicher gegenüber anderen Umgebungseinflüssen, sei es wetterbedingt oder durch Einwirkung von chemischen Substanzen, die im Bereich des Messobjektes einge setzt werden, sowie gegenüber chemischen und physikalischen Angriffen wie z.B. Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, Alterungseffekte durch z.B. Feuchte, Krie chen, Nullpunktdrift, Hysterese oder Ausgasen im Vakuum. Außerdem sind im Ver gleich zu keramikbasierten oder metallplattenbasierten Trägersubstraten geringere Krümmungsradien und höhere Dehnungen möglich. By realizing the sensor component with a substrate made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials, ie the carrier film mentioned, the sensor component can be made much more robust to external temperature influences and chemical substances. The sensor component can be used in particular in applications in which polyimide-based sensor components are no longer due to the temperature resistance are suitable. In addition, the sensor component according to the invention is significantly less sensitive to other environmental influences, whether due to the weather or due to the action of chemical substances that are used in the area of the measurement object, as well as to chemical and physical attacks such as radiation, especially UV radiation, aging effects due to moisture, for example , Creeping, zero point drift, hysteresis or outgassing in a vacuum. In addition, smaller radii of curvature and higher elongations are possible compared to ceramic-based or metal-plate-based carrier substrates.
Ist das Sensorbauteil als folienbasierter Temperatursensor, insbesondere als metall folienbasierter Temperatursensor, ausgebildet, besteht ein weiterer Vorteil der Erfin dung darin, dass der insgesamt erfassbare Temperaturbereich wesentlich größer ist als bei Sensorbauteilen auf Polyimidbasis gemäß dem Stand der Technik. Der variie rende Druck bei der Applizierung herkömmlicher Foliensensoren beeinflusst die Klebstoffschichtdicke und -anbindung, was sich, insbesondere bei Dehnungsmes sungen, negativ auf das Messsignal auswirkt. Diese nachteiligen Effekte werden beim erfindungsgemäßen Sensorbauteil vermieden. If the sensor component is designed as a foil-based temperature sensor, in particular as a metal foil-based temperature sensor, a further advantage of the invention is that the overall temperature range that can be recorded is significantly larger than with sensor components based on polyimide according to the prior art. The varying pressure when applying conventional film sensors affects the thickness and connection of the adhesive layer, which has a negative effect on the measurement signal, especially when measuring strain. These disadvantageous effects are avoided in the sensor component according to the invention.
Das Messobjekt kann ein grundsätzlich beliebiges Messobjekt sein, z.B. ein techni scher Gegenstand wie eine Maschine. So eignet sich das erfindungsgemäße Sen sorbauteil z.B. für die Anbringung an Stellen, an denen Kühlschmierstoff und ähnli ches eingesetzt wird, wie z.B. an Werkzeugmaschinen und in der Verfahrenstechnik. Zudem eignet sich das erfindungsgemäße Sensorbauteil für den Einsatz im Hochva kuum. Das Sensorbauteil kann insbesondere auch in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt werden, beispielsweise an Zerspanwerkzeugen, Umformwerkzeugen und in der Kraftwerkstechnik. Weitere vorteilhafte Einsatzgebiete sind Stellen mit starkem Witterungseinfluss, z.B. für Außenanwendungen, beispielsweise an Brücken, Wind energieanlagen oder Kränen. The measurement object can basically be any measurement object, e.g. a technical object such as a machine. The sensor component according to the invention is suitable, for example, for mounting in places where cooling lubricant and the like are used, such as on machine tools and in process engineering. In addition, the sensor component according to the invention is suitable for use in high vacuum. The sensor component can in particular also be used in high-temperature environments, for example on cutting tools, forming tools and in power plant technology. Other advantageous areas of application are places with strong weather influences, e.g. for outdoor applications, for example on bridges, wind energy plants or cranes.
Das erfindungsgemäße Sensorbauteil kann wie jedes andere bekannte Sensorbau teil separat vom Messobjekt hergestellt werden und als Zubehörteil für Messeinrich tungen vom Anwender eingesetzt werden. Der Anwender kann entscheiden, wo und wie er das Sensorbauteil an dem Messobjekt anbringt. Das erfindungsgemäße Sensorbauteil erlaubt eine mikrotechnologische Herstellung, d.h. das Sensorbauteil kann besonders klein und insbesondere besonders flach aus gebildet sein. Das gesamte Sensorbauteil kann folienartig sein, d.h. relativ dünn und flexibel. Das gesamte Sensorbauteil kann zum Beispiel eine Dicke zwischen 3 bis 500 pm, insbesondere eine Dicke zwischen 10 und 100 pm, haben. Dementspre chend hat das Sensorbauteil wenig Platzbedarf und kann auch in Anwendungsfällen mit nur wenig verfügbarem Bauraum eingesetzt werden. The sensor component according to the invention, like any other known sensor component, can be manufactured separately from the measurement object and used by the user as an accessory for measuring devices. The user can decide where and how to attach the sensor component to the measurement object. The sensor component according to the invention allows microtechnological production, ie the sensor component can be made particularly small and, in particular, particularly flat. The entire sensor component can be film-like, ie relatively thin and flexible. The entire sensor component can, for example, have a thickness between 3 and 500 μm, in particular a thickness between 10 and 100 μm. Accordingly, the sensor component has little space requirement and can also be used in applications with little space available.
Das erfindungsgemäße Sensorbauteil kann sehr effizient in großindustriellem Maß stab hergestellt werden, beispielsweise durch eine Fertigung einer Vielzahl von Sen sorbauteilen im Nutzen. So kann das Substrat beispielsweise zunächst derart groß sein, dass darauf die Sensorfunktionsschichten einer Vielzahl von Sensorbauteilen nebeneinander, insbesondere als Batch-Fertigung nebeneinander, z.B. in Matrix-An ordnung, aufgebracht werden können. Nach Abschluss der Aufbringung sämtlicher Teilschichten der Sensorbauteile können diese durch Vereinzeln, zum Beispiel durch Stanzen, Lasern, Trennschleifen oder Ätzen, voneinander getrennt werden und je weils separat bereitgestellt werden. Es besteht außerdem die Möglichkeit der anwen dungsfallspezifischen Fertigung individueller Sensorlayouts und des Einsatzes spezi fischer Sensorschichtmaterialien. The sensor component according to the invention can be manufactured very efficiently on a large industrial scale, for example by manufacturing a large number of sensor components in use. For example, the substrate can initially be so large that the sensor functional layers of a large number of sensor components can be applied next to one another, in particular as a batch production next to one another, e.g. in a matrix arrangement. After all the partial layers of the sensor components have been applied, they can be separated from one another by singulation, for example by punching, laser cutting, abrasive cutting or etching and each provided separately. There is also the possibility of application-specific production of individual sensor layouts and the use of specific sensor layer materials.
Die als Substrat eingesetzte Trägerfolie ist, wie die Bezeichnung „Folie“ eigentlich bereits besagt, ein dünnes folienartiges, insbesondere ein metallfolienartiges, Ele ment. Die Trägerfolie ist damit vergleichsweise leicht biegbar, weist also eine relativ gute elastische und/oder plastische Verformbarkeit auf. Dies ist insbesondere für be stimmte Sensortypen wie Dehnungssensoren oder Temperatursensoren von großem Vorteil. Die Trägerfolie kann z.B. eine Metallfolie sein, wie z.B. eine Aluminium-, Ti tan- oder eine Stahlfolie, oder eine Kombination aus solchen Materialien. Die Dicke der Trägerfolie kann z.B. im Bereich von 2 bis 50 pm liegen, insbesondere im Be reich von 2 pm bis 49 pm. Ferner vorteilhaft kann die Dicke der Trägerfolie zum Bei spiel im Bereich von 15 bis 30 pm, insbesondere im Bereich von 20 pm, liegen. The carrier foil used as the substrate is, as the term “foil” actually already implies, a thin foil-like, in particular a metal foil-like, element. The carrier film is therefore comparatively easy to bend, that is to say has relatively good elastic and / or plastic deformability. This is particularly advantageous for certain types of sensors such as strain sensors or temperature sensors. The carrier foil can be, for example, a metal foil such as an aluminum, titanium or steel foil, or a combination of such materials. The thickness of the carrier film can be, for example, in the range from 2 to 50 μm, in particular in the range from 2 to 49 μm. Furthermore, the thickness of the carrier film can advantageously be in the range from 15 to 30 μm, in particular in the range from 20 μm, for example.
Das Sensorbauteil hat aufgrund der dünnen Trägerfolie keinen praktisch relevanten Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit des Aufbaus, an dem das Sensorbauteil appliziert wird. Die Isolationsschicht kann vorteilhaft aus einem Material gebildet sein, das vergleich bar robust und widerstandsfähig wie die Trägerfolie ist. Insbesondere ist es vorteil haft, Kunststoffmaterialien für die Bildung der Isolationsschicht zu vermeiden. Die Isolationsschicht kann beispielsweise durch Oxidieren der Oberfläche der Trägerfolie gebildet sein. Die Isolationsschicht kann auch eine durch Eloxieren auf der Trägerfo lie erzeugte Eloxalschicht oder eine durch Brünieren erzeugte Schicht sein. Die Isola tionsschicht kann auch als keramische Schicht ausgebildet sein. Due to the thin carrier film, the sensor component has no practically relevant influence on the overall rigidity of the structure to which the sensor component is applied. The insulation layer can advantageously be formed from a material that is comparable bar robust and resistant to the carrier film. In particular, it is advantageous to avoid plastic materials for forming the insulation layer. The insulation layer can be formed, for example, by oxidizing the surface of the carrier film. The insulation layer can also be an anodized layer produced by anodizing on the carrier foil or a layer produced by burnishing. The insulation layer can also be designed as a ceramic layer.
Die Isolationsschicht kann im Falle einer Aluminiumfolie z.B. besonders wirtschaftlich durch Anodisieren erzeugt werden. Bei nichtanodisierbaren Substrat-Materialien, wie z.B. Stahlfolien, ist es vorteilhaft, die Isolationsschicht durch das Aufbringen von iso lierenden Dünnschichten mittels Beschichtungsverfahren wie z.B. Chemical Vapor Deposition, Physical Vapor Deposition oder Atomic Layer Deposition zu realisieren. Auch bei einer Aluminiumfolie kann es vorteilhaft sein, die Isolationsschicht durch das Aufbringen von solchen isolierenden Dünnschichten zu realisieren. In the case of aluminum foil, the insulation layer can be produced particularly economically by anodizing, for example. In the case of non-anodizable substrate materials, such as steel foils, it is advantageous to implement the insulation layer by applying thin insulating layers using coating processes such as chemical vapor deposition, physical vapor deposition or atomic layer deposition. In the case of an aluminum foil, too, it can be advantageous to implement the insulating layer by applying such insulating thin layers.
Die Sensorfunktionsschicht kann je nach Art des Sensorbauteils, d.h. je nach der Art der zu erfassenden physikalischen Größe, für den jeweiligen Anwendungsfall ange passt sein. Soll das Sensorbauteil z.B. für eine Dehnungsmessung ausgebildet sein, können metallische oder halbleitende Materialien oder eine Kombination aus beiden Materialen für die Sensorfunktionsschicht verwendet werden, beispielsweise Nickel- Chrom, z.B. 80% Nickel/20% Chrom oder 60% Nickel/40% Chrom oder 50% Ni- ckel/50% Chrom oder Konstantan oder p- oder n-dotiertes Silizium oder Indiumzinno xid (ITO) oder Aluminiumnitrid (AIN). The sensor functional layer can be adapted to the particular application depending on the type of sensor component, i.e. depending on the type of physical variable to be recorded. If the sensor component is to be designed for strain measurement, for example, metallic or semiconducting materials or a combination of both materials can be used for the sensor functional layer, for example nickel-chromium, e.g. 80% nickel / 20% chromium or 60% nickel / 40% chromium or 50% % Nickel / 50% chromium or constantan or p- or n-doped silicon or indium tin oxide (ITO) or aluminum nitride (AIN).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorbauteil dazu eingerichtet ist, mittels eines Fügeverfahrens mit seiner Befesti gungsfläche an dem Messobjekt befestigt zu werden. Dementsprechend ist das Sen sorbauteil robust genug ausgebildet, um die Befestigung mittels des Fügeverfahrens ohne Beschädigung zu überstehen. Das zu verwendende Fügeverfahren kann bei spielsweise adhäsiv oder nicht-adhäsiv (z.B. Bonden, insbesondere Transient Liquid Phase (TLP) Bonden, Löten oder Schweißen) sein. Hierdurch wird zudem die Appli kationsmöglichkeit des Sensorbauteils an schwer zugänglichen Bereichen, z.B. in Führungen, verbessert. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the sensor component is set up to be attached to the measurement object with its attachment surface by means of a joining process. Accordingly, the sensor component is made robust enough to survive the fastening by means of the joining process without damage. The joining method to be used can, for example, be adhesive or non-adhesive (eg bonding, in particular transient liquid Phase (TLP) bonding, soldering or welding). This also improves the application possibility of the sensor component in areas that are difficult to access, for example in guides.
Die Befestigung des Sensorbauteils mit seiner Befestigungsfläche an dem Messob jekt kann z.B. durch Transient Liquid Phase Bonding (TLP-Bonden), eutektisches Bonden oder Sintern erfolgen. Die Bondprozesse sind beispielsweise das Thermo- kompressionsbonden, das Thermosonicbonden und das Ultraschallbonden. Beim TLP-Bonden wird eine metallische Zwischenschicht aufgeschmolzen, sodass sich die Fügeschicht durch Diffusion ausbilden kann. Das Verfahren hat den Vorteil, dass die Prozesstemperaturen mit Werten von typischerweise z.B. 160 °C bis 250 °C im Ver gleich zu anderen stoffschlüssigen Fügeverfahren gering sind, die Wideraufschmelz- temperaturen jedoch höher bei Temperaturen zwischen z.B. 400 °C und 600 °C lie gen. The attachment of the sensor component with its attachment surface to the object to be measured can take place, for example, by transient liquid phase bonding (TLP bonding), eutectic bonding or sintering. The bonding processes are, for example, thermocompression bonding, thermosonic bonding and ultrasonic bonding. With TLP bonding, a metallic intermediate layer is melted so that the joining layer can be formed by diffusion. The method has the advantage that the process temperatures with values of typically 160 ° C to 250 ° C are low compared to other material-locking joining methods, but the remelting temperatures are higher at temperatures between 400 ° C and 600 ° C, for example .
Die Sensorfunktionsschicht ist beim TLP-Bonden einer geringeren thermischen Be lastung als zum Beispiel beim Schweißen ausgesetzt, so dass die Sensorfunktions schicht durch das Fügeverfahren nicht beschädigt wird oder die Degradation des Sensoreffektes, also der Abfall der Funktionalität des Sensors, deutlich verringert werden kann. Damit kann die Funktionalität des Sensorbauteils gewährleistet wer den. With TLP bonding, the sensor functional layer is exposed to less thermal loading than, for example, during welding, so that the sensor functional layer is not damaged by the joining process or the degradation of the sensor effect, i.e. the decrease in the functionality of the sensor, can be significantly reduced. The functionality of the sensor component can thus be guaranteed.
Weiterhin kann durch das TLP-Bonden das Einsatzgebiet des Sensorbauteils erwei tert werden. Durch die hohen Wideraufschmelztemperaturen kann das Sensorbauteil somit auch in thermischen Prozessen bis zu 600 °C zum Einsatz kommen. Furthermore, the field of application of the sensor component can be expanded through TLP bonding. Due to the high remelting temperatures, the sensor component can also be used in thermal processes up to 600 ° C.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorbauteil polymerfrei ist. Dementsprechend werden gegenüber hohen Tempera turen und/oder Chemikalien empfindliche Bestandteile an dem Sensorbauteil vermie den. Auf diese Weise kann das gesamte Sensorbauteil kompatibel zu „harsh environ- ments“ ausgestaltet werden. Hierdurch kann zudem eine geringere Ausgasungsrate in Vakuumanwendungen realisiert werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorbauteil als Dehnungssensor und/oder als Temperatursensor ausgebildet ist. Dies erschließt dem Sensorbauteil eine Vielzahl von Applikationsmöglichkeiten im Bereich der Zustandsüberwachung im industriellen Bereich, z.B. an Maschinen und Bauteilen beliebiger Komplexität und Größe wie beispielsweise Werkzeugmaschinen oder Brücken an Verkehrswegen. According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the sensor component is polymer-free. Accordingly, components that are sensitive to high temperatures and / or chemicals are avoided on the sensor component. In this way, the entire sensor component can be designed to be compatible with “harsh environments”. This also enables a lower outgassing rate to be achieved in vacuum applications. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the sensor component is designed as a strain sensor and / or as a temperature sensor. This opens up a multitude of application possibilities for the sensor component in the field of condition monitoring in the industrial sector, for example on machines and components of any complexity and size, such as machine tools or bridges on traffic routes.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Trägerfolie und der Isolationsschicht le diglich in einem Maße voneinander abweichen, dass keine hieraus resultierenden negativen Auswirkungen bei späteren Einsatztemperaturen auftreten, für die das Sensorbauteil spezifiziert ist. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass als Trä gerfolie Edelstahl und als Isolationsschicht Aluminiumoxid verwendet wird, sodass die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten etwa 8 ppm/°C beträgt. Durch eine solche temperaturkompatible Materialpaarung kann das Sensorbauteil besonders robust gegenüber häufigen Temperaturwechseln gestaltet werden. Auf diese Weise kann ein langlebiges Sensorbauteil bereitgestellt werden. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the thermal expansion coefficients of the carrier film and the insulation layer only differ from one another to such an extent that no negative effects resulting therefrom occur at later operating temperatures for which the sensor component is specified. This can be achieved, for example, by using stainless steel as the carrier foil and aluminum oxide as the insulation layer, so that the difference in thermal expansion coefficients is around 8 ppm / ° C. Such a temperature-compatible material pairing allows the sensor component to be designed to be particularly robust against frequent temperature changes. In this way, a long-life sensor component can be provided.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Sensorfunktionsschicht eine weitere Isolationsschicht aufgebracht ist. Auf diese Weise kann das Sensorbauteil sowohl elektrisch isolierend als auch geschützt vor mechanischer und chemischer Belastung gestaltet werden. Die weitere Isolations schicht bewirkt eine elektrische Isolation der Sensorfunktionsschicht gegenüber der Umgebung. Die weitere Isolationsschicht kann beispielsweise eine Zirkoniumoxid-, eine Tantaloxid-, eine Siliziumoxid-, eine Siliziumnitrid- oder eine Aluminiumoxid schicht sein. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a further insulation layer is applied to the sensor functional layer. In this way, the sensor component can be designed to be both electrically insulating and protected from mechanical and chemical stress. The further insulation layer effects electrical insulation of the sensor functional layer from the environment. The further insulation layer can be, for example, a zirconium oxide, a tantalum oxide, a silicon oxide, a silicon nitride or an aluminum oxide layer.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der weiteren Isolationsschicht eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material und/oder aus einem elektrisch halbleitenden Material aufgebracht ist. Eine Kombina tion des elektrisch leitfähigen Materials und des elektrisch halbleitenden Materials ist dabei auch denkbar. Die Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material kann bei spielsweise eine Metallschicht sein, beispielsweise eine weichmagnetische Metall- schicht wie zum Beispiel Nickel-Eisen (Ni81 Fe19). Hierdurch kann die Unempfind lichkeit des Sensorbauteils gegenüber Umgebungseinflüssen weiter gesteigert wer den, da ein Schutz gegenüber elektrischen Störeinflüssen (EMV-Schutz) geschaffen wird. According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that a layer made of an electrically conductive material and / or made of an electrically semiconducting material is applied to the further insulation layer. A combination of the electrically conductive material and the electrically semiconducting material is also conceivable. The layer made of an electrically conductive material can be, for example, a metal layer, for example a soft magnetic metal layer such as nickel-iron (Ni81 Fe19). As a result, the insensitivity of the sensor component to environmental influences can be further increased, since protection against electrical interference (EMC protection) is created.
Durch die weitere Isolationsschicht und/oder die Schicht aus einem elektrisch leitfähi gen Material kann insbesondere die Isolationsfestigkeit, Temperaturstabilität, mecha nische Verschleißbeständigkeit des Sensorbauteils verbessert werden und eine ge ringe Aufbauhöhe des Sensorbauteils und eine hermetische Kapselung erreicht wer den. The additional insulation layer and / or the layer made of an electrically conductive material can in particular improve the insulation strength, temperature stability, mechanical wear resistance of the sensor component and achieve a low structural height of the sensor component and hermetic encapsulation.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorbauteil auf der Befestigungsfläche mit einem Fügewerkstoff beschichtet ist, durch den das Sensorbauteil mittels eines Fügeverfahrens an dem Messobjekt be festigbar ist. Dies hat den Vorteil, dass das Sensorbauteil bereits mit dem für die Be festigung des Sensorbauteils an dem Messobjekt erforderlichen Verbindungsmaterial ausgestattet ist. Dementsprechend kann das Sensorbauteil auf besonders einfache Weise mit dem Messobjekt verbunden werden, nämlich durch ein adhäsives oder nicht-adhäsives Verfahren. Der Fügewerkstoff kann z.B. als Metallschicht und/oder Metalldepot ausgebildet sein. Der Fügewerkstoff kann z.B. eine Legierung sein, also mehrere Metalle, oder auch einzelne Metalle als Schicht. Beispielsweise kann der Fügewerkstoff ein Lot sein. Dann kann eine Befestigung des Sensorbauteils an dem Messobjekt durch Löten erfolgen. Hierbei ist lediglich die Fügewerkstoffschicht aufzu schmelzen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die entsprechende Oberfläche des Mess objekts, an der das Sensorbauteil angebracht werden soll, hierfür entsprechend vor bereitet wird, beispielsweise durch Entfetten, Anrauen, Schleifen oder Polieren. Als Fügewerkstoff können unterschiedlichste Materialien verwendet werden, insbeson dere handelsübliche Lote. Ein weiteres vorteilhaftes Material für den Fügewerkstoff ist beispielsweise Indium oder Zinn. Insbesondere mit den Materialen, die Indium o- der Zinn zumindest teilweise enthalten, ist das TLP-Bonden möglich. According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the sensor component is coated on the fastening surface with a joining material by means of which the sensor component can be fastened to the measurement object by means of a joining method. This has the advantage that the sensor component is already equipped with the connecting material required for fastening the sensor component to the measurement object. Accordingly, the sensor component can be connected to the measurement object in a particularly simple manner, namely by an adhesive or non-adhesive method. The joining material can be designed as a metal layer and / or metal deposit, for example. The joining material can, for example, be an alloy, i.e. several metals, or individual metals as a layer. For example, the joining material can be a solder. The sensor component can then be attached to the measurement object by soldering. In this case, only the joining material layer needs to be melted. It is advantageous here if the corresponding surface of the measurement object to which the sensor component is to be attached is prepared accordingly, for example by degreasing, roughening, grinding or polishing. A wide variety of materials can be used as the joining material, in particular commercially available solders. Another advantageous material for the joining material is, for example, indium or tin. TLP bonding is possible in particular with materials that at least partially contain indium or tin.
Ist der Fügewerkstoff ein metallisches Material, kann vorteilhaft eine metallische Bin dung zur Befestigung des Sensorbauteils an dem Messobjekt realisiert werden. Eine solche metallische Bindung zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit, Alterungsbe ständigkeit und Dichtheit aus. Durch die Auswahl des Fügewerkstoffs bzw. durch Kombinationen aus verschiedenen Fügewerkstoffen können die mechanischen Kennwerte, wie z.B. der E-Modul der Fügestelle, eingestellt werden. Auf diese Weise können insbesondere Dehnungssensoren oder Temperatursensoren vorteilhaft am Messobjekt angebracht werden, weil die Fügestelle dann über eine ausreichende Steifigkeit verfügt und dementsprechend die mittels des Sensorbauteils erfassten physikalischen Größen praktisch nicht verfälscht. If the joining material is a metallic material, a metallic bond can advantageously be implemented for fastening the sensor component to the measurement object. A Such a metallic bond is characterized by high strength, aging resistance and tightness. The mechanical parameters, such as the modulus of elasticity of the joint, can be set by selecting the joining material or through combinations of different joining materials. In this way, in particular, strain sensors or temperature sensors can advantageously be attached to the measurement object because the joint then has sufficient rigidity and accordingly practically does not falsify the physical quantities detected by means of the sensor component.
Die erwähnten Schichten, die auf der Trägerfolie aufgebracht sind, insbesondere die Isolationsschicht, die Sensorfunktionsschicht, die weitere Isolationsschicht, die Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material und die Fügewerkstoff-Beschich- tung, können beispielsweise mit PVD-Verfahren und/oder CVD-Verfahren aufge bracht werden. Je nach verwendetem Material ist auch ein Aufbringen mit einem gal vanischen Prozess vorteilhaft. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Sensorfunktionsschicht durch Aufwalzen auf dem Substrat bzw. auf der Isolations schicht aufgebracht werden. Auch ein gezieltes Einstellen der Sensorfunktions schicht auf beispielsweise den Temperaturgang des beispielsweise Träger- und/oder Messobjektwerkstoffs durch beispielsweise Kaltverformung ist möglich. Die Struktu rierung der Sensorfunktionsschicht kann dann nach dem Aufbringen durchgeführt werden, z.B. nasschemisch (Ätzen) und/oder durch Laserstrukturierung und/oder durch Fräsen. The layers mentioned, which are applied to the carrier film, in particular the insulation layer, the sensor function layer, the further insulation layer, the layer made of an electrically conductive material and the joining material coating, can be applied, for example, using PVD processes and / or CVD processes be brought. Depending on the material used, application using a galvanic process is also advantageous. In a further advantageous embodiment, the sensor functional layer can be applied by rolling onto the substrate or the insulation layer. A targeted setting of the sensor functional layer to, for example, the temperature response of the carrier and / or measurement object material, for example, by cold forming, for example, is possible. The structuring of the sensor functional layer can then be carried out after application, e.g. wet-chemical (etching) and / or by laser structuring and / or by milling.
Die Befestigungsfläche kann dabei zum Beispiel, aber nicht notwendig, eine Fläche unmittelbar auf der Trägerfolie darstellen, so dass der Fügewerkstoff direkt auf der Trägerfolie aufgetragen werden kann. The fastening surface can, for example, but not necessarily, represent a surface directly on the carrier film, so that the joining material can be applied directly to the carrier film.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Be festigungsfläche auf der Sensorapplikationsseite oder auf der der Sensorapplikati onsseite abgewandten Seite der Trägerfolie angeordnet ist. According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the fastening surface is arranged on the sensor application side or on the side of the carrier film facing away from the sensor application side.
Denkbar ist auch, dass sowohl eine Befestigungsfläche auf der Sensorapplikations seite und eine weitere Befestigungsfläche auf der der Sensorapplikationsseite abge- wandten Seite der Trägerfolie angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Sensor bauteil zum Beispiel an zwei verschiedenen Messobjekten angebracht werden. Ein erstes Messobjekt würde dann an der Befestigungsfläche auf der Sensorapplikati onsseite und ein zweites Messobjekt an der weiteren Befestigungsfläche auf der der Sensorapplikationsseite abgewandten Seite der Trägerfolie angeordnet sein. Weiter hin ist denkbar, dass an einer Seite der Trägerfolie das Messobjekt an der Befesti gungsfläche angebracht wird, wobei auf der anderen Seite der Trägerfolie zum Bei spiel ein integrierter Schaltkreis und/oder eine Energiequelle wie eine Batterie und/o der eine Funkeinheit an der Befestigungsfläche angebracht werden kann. Auf diese Weise kann das Sensorbauteil autark an dem Messobjekt befestigt werden, ohne dass zusätzliche Anschlüsse zu einer Energieversorgung oder einer Auswerteeinheit der Sensordaten benötigt werden. Die Energie könnte dann von der Energiequelle bezogen werden, wobei die Sensordaten über die Funkeinheit an eine Auswerteein heit gesendet werden können. It is also conceivable that both a fastening surface on the sensor application side and a further fastening surface on the sensor application side. turned side of the carrier film are arranged. In this way, the sensor component can be attached to two different measuring objects, for example. A first measurement object would then be arranged on the fastening surface on the sensor application side and a second measurement object on the further fastening surface on the side of the carrier film facing away from the sensor application side. It is also conceivable that the measurement object is attached to the fastening surface on one side of the carrier film, with an integrated circuit and / or an energy source such as a battery and / or a radio unit on the fastening surface on the other side of the carrier film can be attached. In this way, the sensor component can be attached to the measurement object independently without the need for additional connections to an energy supply or an evaluation unit for the sensor data. The energy could then be drawn from the energy source, with the sensor data being able to be sent to an evaluation unit via the radio unit.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Be festigungsfläche auf der weiteren Isolationsschicht angeordnet ist. Es ist denkbar, dass dabei die weitere Isolationsschicht zwischen der Befestigungsfläche und der Sensorfunktionsschicht angeordnet ist. According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the fastening surface is arranged on the further insulation layer. It is conceivable that the further insulation layer is arranged between the fastening surface and the sensor functional layer.
Auf diese Weise kann das Sensorbauteil zum Beispiel in dem Messobjekt eingebettet werden, so dass es von dem Messobjekt vollständig umgeben ist. Ein derartiger Auf bau könnte zum Beispiel in einem additiven Verfahren wie bspw. einem 3D-Druck- verfahren erreicht werden, indem das Messobjekt schichtweise gedruckt wird, wobei das Sensorbauteil während des Druckes zwischen zwei Schichten des Messobjektes eingebracht werden kann. In this way, the sensor component can be embedded in the measurement object, for example, so that it is completely surrounded by the measurement object. Such a structure could be achieved, for example, in an additive process such as a 3D printing process, in that the measurement object is printed in layers, the sensor component being able to be inserted between two layers of the measurement object during the printing.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Flalbzeug zur Her stellung eines Sensorbauteils der zuvor beschriebenen Art, wobei das Halbzeug das aus der Trägerfolie bestehende Substrat, optional die auf der Trägerfolie aufge brachte Isolationsschicht, die Befestigungsfläche auf der Sensorapplikationsseite der Trägerfolie oder auf der der Sensorapplikationsseite abgewandten Seite der Träger folie und die auf der Befestigungsfläche aufgebrachte Fügewerkstoff-Beschichtung aufweist. Mit einem solchen Halbzeug ist eine besonders einfache Herstellung erfin dungsgemäßer Sensorbauteile möglich, da das Halbzeug bereits diverse Schichten des letztendlich zu erzeugenden Sensorbauteils aufweist. Es ist lediglich auf der Sensorapplikationsseite bzw. der Isolationsschicht noch die Sensorfunktionsschicht sowie gegebenenfalls weitere Schichten wie die weitere Isolationsschicht und die Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufzubringen. The above-mentioned object is also achieved by a sheet for the manufacture of a sensor component of the type described above, the semi-finished product consisting of the substrate consisting of the carrier film, optionally the insulation layer applied to the carrier film, the fastening surface on the sensor application side of the carrier film or on the Side of the carrier film facing away from the sensor application side and the joining material coating applied to the fastening surface having. With such a semifinished product, sensor components according to the invention can be produced in a particularly simple manner, since the semifinished product already has various layers of the sensor component ultimately to be produced. It is only necessary to apply the sensor functional layer and, if necessary, further layers such as the further insulation layer and the layer made of an electrically conductive material on the sensor application side or the insulation layer.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur An bringung eines Sensorbauteils der zuvor erläuterten Art an einem Messobjekt, wobei das Sensorbauteil mit seiner Befestigungsfläche an dem Messobjekt angebracht wird. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Dabei kann das Sensorbauteil mit seiner Befestigungsfläche mittels eines Fügeverfahrens an dem Messobjekt angebracht werden. Bei dem Fügeverfahren kann es sich zum Beispiel um das Transient Liquid Phase Bonding handeln. The object mentioned at the beginning is also achieved by a method for attaching a sensor component of the type explained above to a measurement object, the sensor component being attached to the measurement object with its fastening surface. The advantages explained above can also be realized in this way. The sensor component with its fastening surface can be attached to the measurement object by means of a joining process. The joining process can be, for example, transient liquid phase bonding.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Her stellung eines Sensorbauteils der zuvor erläuterten Art, das folgende Schritte auf weist: a) Bereitstellen einer Trägerfolie aus Metall-, Glas-, Keramik- oder Halbleitermate rial oder einer Kombination dieser Materialien als Substrat des Sensorbauteils, b) Aufbringen wenigstens einer elektrischen Sensorfunktionsschicht, durch die das elektrische Sensorsignal in Abhängigkeit von der sensierten physikalischen Größe erzeugbar ist, auf einer Sensorapplikationsseite der Trägerfolie unmittel bar oder über wenigstens eine weitere Schicht, z.B. eine Isolationsschicht, c) Herstellen elektrischer Verbindungen der Sensorfunktionsschicht mit wenigstens zwei elektrischen Anschlusskontakten zur Bereitstellung des Sensorsignals. The object mentioned at the beginning is also achieved by a method for producing a sensor component of the type explained above, which has the following steps: a) Providing a carrier film made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials as a substrate of the sensor component, b) applying at least one electrical sensor functional layer, through which the electrical sensor signal can be generated depending on the sensed physical variable, on a sensor application side of the carrier film directly or via at least one further layer, e.g. an insulation layer, c) making electrical connections of the Sensor functional layer with at least two electrical connection contacts for providing the sensor signal.
Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Auch hier ist die Isolationsschicht eine optionale Schicht, die dann sinnvoll sein kann, wenn die Sensorapplikationsseite der Trägerfolie ganz oder teilweise elektrisch leitend ist. Die Befestigungsfläche kann zusätzlich mit einem Fügewerkstoff beschichtet werden. Die Befestigungsfläche kann z.B. an der der Sensorapplikationsseite abgewandten Seite der Trägerfolie angeordnet sein. Wahlweise kann eine Metallschicht als Befesti gungsfläche auch auf der Sensorapplikationsseite, d.h. auf derselben Seite wie ggf. die Isolationsschicht, aufgebracht werden. Dies ermöglicht eine Fixierung des Sen sorbauteils auf einem Messobjekt, sodass die Substratfolie am weitesten vom Mess objekt entfernt ist. The advantages explained above can also be realized in this way. Here, too, the insulation layer is an optional layer which can be useful if the sensor application side of the carrier film is wholly or partially electrically conductive. The fastening surface can also be coated with a joining material. The fastening surface can be arranged, for example, on the side of the carrier film facing away from the sensor application side. Optionally, a metal layer can also be used as a mounting surface on the sensor application side, ie on the same side as the insulation layer, are applied. This enables the sensor component to be fixed on an object to be measured so that the substrate film is furthest away from the object to be measured.
Dadurch kann unter anderem ein zusätzlicher Schutz vor äußeren Einflüssen (me chanisch, chemisch, physikalisch) erreicht werden. In Abhängigkeit der Trägerfolie und des Fügeverfahrens kann so eine hermetische Kapselung erfolgen, wodurch ein stabiles Langzeitverhalten des Sensorbauteils ermöglicht werden kann. Weiterhin kann durch die noch oberflächennähere Positionierung der Sensorfunktionsschicht, die sich zum Beispiel durch eine geringere Schichtendicke bzw. eine verringerte An zahl an Schichten zwischen der Sensorfunktionsschicht und der Messobjektoberflä che ergibt, die Sensitivität erhöht werden. Among other things, this allows additional protection against external influences (mechanical, chemical, physical) to be achieved. Depending on the carrier film and the joining process, hermetic encapsulation can take place, which enables stable long-term behavior of the sensor component. Furthermore, by positioning the sensor functional layer even closer to the surface, which results for example from a smaller layer thickness or a reduced number of layers between the sensor functional layer and the measurement object surface, the sensitivity can be increased.
Zudem kann die Sensorfunktionsschicht zum Beispiel in Anlehnung an die Flip-Chip- Montage auf die Trägerfolie aufgebracht werden, indem die Sensorfunktionsschicht mit durch die Trägerfolie geführten Zuleitungen und Anschlussdrähten elektrisch lei tend kontaktiert werden. Alternativ kann die elektrische Kontaktierung der Sensor funktionsschicht auch anderweitig ausgeführt sein. Die aktive Kontaktierungsseite befindet sich dann zum Beispiel unterhalb der Trägerfolie, wobei die aktive Kontaktie rungsseite der Sensorfunktionsschicht die Seite mit wenigstens einer Sensorschicht ist. Dadurch können besonders geringe Abmessungen des Sensorbauteils erreicht werden. Die Dicke der Trägerfolie kann zum Beispiel durch subtraktive Fertigungs verfahren wie zum Beispiel Fräsen, Ätzen, Lasern, Schleifen oder Polieren weiter re duziert werden, um eine geringe Höhe des Sensorbauteils zu erreichen. Weiterhin können ebenfalls durch additive Fertigungsverfahren Schichten auf dem Sensorbau teil aufgebracht oder sogar weitere Bauteile gefügt werden. In addition, the sensor functional layer can be applied to the carrier film, for example based on the flip-chip assembly, in that the sensor functional layer is electrically conductively contacted with supply lines and connecting wires passed through the carrier film. Alternatively, the electrical contacting of the sensor functional layer can also be implemented differently. The active contacting side is then for example below the carrier film, the active contacting side of the sensor functional layer being the side with at least one sensor layer. In this way, particularly small dimensions of the sensor component can be achieved. The thickness of the carrier film can, for example, be further reduced by subtractive manufacturing processes such as milling, etching, lasering, grinding or polishing, in order to achieve a low sensor component height. Furthermore, layers can also be applied to the sensor component using additive manufacturing processes or even further components can be joined.
Es ist auch denkbar, dass jeweils eine Metallschicht, als Befestigungsfläche zur Be festigung des Sensorbauteils sowohl auf der Sensorapplikationsseite als auch auf der der Sensorapplikationsseite abgewandten Seite der Trägerfolie aufgebracht ist. Alternativ kann das Sensorbauteil auch durch Verwendung des zuvor erwähnten Halbzeugs hergestellt werden. In diesem Fall wird das Halbzeug als Ausgangsele ment verwendet und auf der Isolationsschicht die elektrische Sensorfunktionsschicht aufgebracht. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. It is also conceivable that a metal layer is applied as a fastening surface for fastening the sensor component both on the sensor application side and on the side of the carrier film facing away from the sensor application side. Alternatively, the sensor component can also be produced using the aforementioned semi-finished product. In this case, the semifinished product is used as the starting element and the electrical sensor functional layer is applied to the insulation layer. The advantages explained above can also be realized in this way.
Wie bereits erläutert, kann auf der Sensorfunktionsschicht eine weitere Isolations schicht aufgebracht werden. Auf der weiteren Isolationsschicht kann eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebracht werden, z.B. eine Metallschicht. Ins besondere kann die Metallschicht eine weichmagnetische Schicht aus zum Beispiel einer Nickel-Eisen-Legierung wie zum Beispiel Permalloy sein. Dies hat den Vorteil, dass eine höhere elektromagnetische Verträglichkeit erreicht werden kann. As already explained, a further insulation layer can be applied to the sensor functional layer. A layer of an electrically conductive material, e.g. a metal layer, can be applied to the further insulation layer. In particular, the metal layer can be a soft magnetic layer made, for example, of a nickel-iron alloy such as permalloy. This has the advantage that a higher electromagnetic compatibility can be achieved.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Verwen dung von Zeichnungen näher erläutert. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment using drawings.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 ein Sensorbauteil in Draufsicht und Figure 1 shows a sensor component in plan view and
Figur 2 das Sensorbauelement in einer Querschnittsansicht und Figure 2 shows the sensor component in a cross-sectional view and
Figur 3 eine weitere Ausführungsform des Sensorbauelements in einer Quer schnittsansicht. Figure 3 shows a further embodiment of the sensor component in a cross-sectional view.
Die Figur 1 zeigt ein Sensorbauteil 1 , das ein Substrat in Form einer Trägerfolie 2 aufweist, auf dem elektrisch leitfähige Strukturen abgeschieden sind. Die elektrisch leitfähigen Strukturen umfassen eine Sensorfunktionsschicht 3, beispielsweise wie dargestellt mehrere Ohm’sche Widerstände in Mäanderform, mit denen eine Brü ckenschaltung realisiert werden kann. Die elektrisch leitfähigen Strukturen umfassen zudem Leiterbahnen 4 und Anschlusskontakte 5. Die Elemente der Sensorfunktions schicht 3 sind über die Leiterbahnen 4 mit den Anschlusskontakten 5 verbunden. An den Anschlusskontakten 5 werden elektrische Sensorsignale abgegeben, die mit der physikalischen Größe korrelieren, die mit dem Sensorbauteil 1 erfasst werden kann. Hierfür können die einzelnen Elemente der Sensorfunktionsschicht 3 gegebenenfalls über die Anschlusskontakte 5 miteinander verschaltet werden, um beispielsweise die erwähnte Brückenschaltung auszubilden, wie sie z.B. für Dehnungssensoren oder Drucksensoren gebräuchlich ist. FIG. 1 shows a sensor component 1 which has a substrate in the form of a carrier film 2 on which electrically conductive structures are deposited. The electrically conductive structures include a sensor functional layer 3, for example, as shown, several ohmic resistors in a meandering shape, with which a bridge circuit can be implemented. The electrically conductive structures also include conductor tracks 4 and connection contacts 5. The elements of the sensor function layer 3 are connected to the connection contacts 5 via the conductor tracks 4. Electrical sensor signals that correlate with the physical variable that can be detected with the sensor component 1 are emitted at the connection contacts 5. For this purpose, the individual elements of the sensor functional layer 3 can optionally can be interconnected via the connection contacts 5 in order to form, for example, the mentioned bridge circuit, as is customary for example for strain sensors or pressure sensors.
Die elektrische Kontaktierung der Anschlusskontakte 5, die z.B. als Kontaktflächen bzw. Kontaktpads ausgebildet sein können, kann z.B. durch Anbringen von elektri schen Anschlussleitungen mittels Leitkleber, Löten und/oder Bonden erfolgen. The electrical contacting of the connection contacts 5, which can be designed, for example, as contact surfaces or contact pads, can be made, for example, by attaching electrical connection lines using conductive adhesive, soldering and / or bonding.
Die Figur 2 zeigt den mehrschichtigen Aufbau des Sensorbauteils 1. Auf dem Sub strat in Form der Trägerfolie 2 ist auf einer Seite eine Isolationsschicht 6 aufgebracht. Auf der Isolationsschicht 6 ist die erwähnte Sensorfunktionsschicht 3 aufgebracht. Auf die Isolationsschicht 6 können zudem die anderen elektrisch leitfähigen Struktu ren 4, 5 aufgebracht sein. Die Sensorfunktionsschicht 3 ist durch eine weitere Isolati onsschicht 7 abgedeckt. Auf der weiteren Isolationsschicht 7 ist eine Schicht 8 aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebracht. FIG. 2 shows the multilayer structure of the sensor component 1. An insulation layer 6 is applied to one side of the substrate in the form of the carrier film 2. The aforementioned sensor functional layer 3 is applied to the insulation layer 6. The other electrically conductive structures 4, 5 can also be applied to the insulation layer 6. The sensor functional layer 3 is covered by a further insulation layer 7. A layer 8 made of an electrically conductive material is applied to the further insulation layer 7.
Auf der der Isolationsschicht 6 gegenüberliegenden Seite der Trägerfolie 2 befindet sich die Befestigungsfläche des Sensorbauteils 1. Auf der Befestigungsfläche ist ein Fügewerkstoff 9 aufgebracht. The fastening surface of the sensor component 1 is located on the side of the carrier film 2 opposite the insulation layer 6. A joining material 9 is applied to the fastening surface.
Im Unterschied zur Ausführungsform der Figur 2 zeigt die Figur 3 eine Ausführungs form des Sensorbauteils 1 , bei der die Befestigungsfläche sich auf der Sensorappli kationsseite der Trägerfolie 2, auf der die Sensorfunktionsschicht 3 aufgebracht ist, befindet. Auf der Befestigungsfläche ist wiederum der Fügewerkstoff 9 aufgebracht, z.B. in Form einer Metallschicht. Bei Bedarf könnte noch eine dünne Metall- oder Oxidschicht als Diffusionsbarriere zwischen der Schicht 8 aus dem leitfähigen Mate rial und dem Fügewerkstoff 9 eingesetzt werden. In contrast to the embodiment of FIG. 2, FIG. 3 shows an embodiment of the sensor component 1 in which the fastening surface is located on the sensor application side of the carrier film 2 to which the sensor functional layer 3 is applied. The joining material 9 is in turn applied to the fastening surface, e.g. in the form of a metal layer. If necessary, a thin metal or oxide layer could also be used as a diffusion barrier between the layer 8 made of the conductive material and the joining material 9.

Claims

Patentansprüche: Patent claims:
1. Sensorbauteil (1 ) zur Sensierung wenigstens einer physikalischen Größe, wo bei das Sensorbauteil (1) als elektrisches Bauteil ausgebildet ist, bei dem an Anschlusskontakten (5) des Sensorbauteils (1) ein mit der physikalischen Größe korrelierendes elektrisches Sensorsignal bereitgestellt ist, dadurch ge kennzeichnet, dass das Sensorbauteil (1) folgenden Aufbau aufweist: a) ein Substrat in Form einer Trägerfolie (2) aus Metall-, Glas-, Keramik- oder Halbleitermaterial oder einer Kombination dieser Materialien, b) auf einer Sensorapplikationsseite der Trägerfolie (2) ist unmittelbar oder über wenigstens eine weitere Schicht, z.B. eine Isolationsschicht (6), we nigstens eine Sensorfunktionsschicht (3) aufgebracht, durch die das elekt rische Sensorsignal in Abhängigkeit von der sensierten physikalischen Größe erzeugbar ist, c) die Sensorfunktionsschicht (3) ist elektrisch mit wenigstens zwei elektri schen Anschlusskontakten (5) zur Bereitstellung des Sensorsignals ver bunden, d) an dem Sensorbauteil (1) ist eine Befestigungsfläche vorhanden, die dazu eingerichtet ist, das Sensorbauteil (1) an einem Messobjekt anzubringen, an dem die physikalische Größe sensiert werden soll. 1. Sensor component (1) for sensing at least one physical variable, where the sensor component (1) is designed as an electrical component, in which an electrical sensor signal correlating to the physical variable is provided at connection contacts (5) of the sensor component (1) indicates that the sensor component (1) has the following structure: a) a substrate in the form of a carrier film (2) made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials, b) on a sensor application side of the carrier film (2 ) is applied directly or over at least one further layer, e.g. an insulation layer (6), at least one sensor functional layer (3) through which the electrical sensor signal can be generated depending on the sensed physical variable, c) the sensor functional layer (3) electrically connected to at least two electrical connection contacts (5) for providing the sensor signal, d) to the Sensor component (1) has a fastening surface which is designed to attach the sensor component (1) to a measurement object on which the physical variable is to be sensed.
2. Sensorbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor bauteil (1) dazu eingerichtet ist, mittels eines Fügeverfahrens mit seiner Befesti gungsfläche an dem Messobjekt befestigt zu werden. 2. Sensor component (1) according to claim 1, characterized in that the sensor component (1) is designed to be attached to the measurement object by means of a joining process with its fastening surface.
3. Sensorbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Sensorbauteil (1) polymerfrei ist. 3. Sensor component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor component (1) is polymer-free.
4. Sensorbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Sensorbauteil (1) als Dehnungssensor und/oder als Temperatursensor ausgebildet ist. 4. Sensor component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor component (1) is designed as a strain sensor and / or as a temperature sensor.
5. Sensorbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass auf der Sensorfunktionsschicht (3) eine weitere Isolations schicht (7) aufgebracht ist. 5. Sensor component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a further insulation layer (7) is applied to the sensor functional layer (3).
6. Sensorbauteil (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der wei teren Isolationsschicht (7) eine Schicht (8) aus einem elektrisch leitfähigen Ma terial und/oder aus einem elektrisch halbleitenden Material aufgebracht ist. 6. Sensor component (1) according to claim 5, characterized in that on the white direct insulation layer (7) a layer (8) made of an electrically conductive Ma material and / or made of an electrically semiconducting material is applied.
7. Sensorbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Sensorbauteil (1) auf der Befestigungsfläche mit einem Fügewerkstoff (9) beschichtet ist, durch den das Sensorbauteil (1) mittels eines Fügeverfahrens an dem Messobjekt befestigbar ist. 7. Sensor component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor component (1) is coated on the fastening surface with a joining material (9) through which the sensor component (1) can be fastened to the measurement object by means of a joining process.
8. Sensorbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Befestigungsfläche auf der Sensorapplikationsseite oder auf der der Sensorapplikationsseite abgewandten Seite der Trägerfolie (2) an geordnet ist. 8. Sensor component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the fastening surface on the sensor application side or on the side of the carrier film (2) facing away from the sensor application side is arranged.
9. Sensorbauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsfläche auf der weiteren Isolationsschicht (7) angeordnet ist. 9. Sensor component (1) according to one of claims 5 to 8, characterized in that the fastening surface is arranged on the further insulation layer (7).
10. Flalbzeug zur Fierstellung eines Sensorbauteils nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flalbzeug das aus der Trägerfolie (2) bestehende Substrat, optional die auf der Trägerfolie (2) aufgebrachte Isolationsschicht (6), die Befestigungsfläche auf der Sensorapplikationsseite der Trägerfolie (2) oder auf der der Sensorapplikationsseite abgewandten Seite der Trägerfolie (2) und die auf der Befestigungsfläche aufgebrachte Fügewerkstoff-Beschichtung (9) aufweist. 10. Sheet material for the Fierstellung of a sensor component according to claim 7 to 9, characterized in that the sheet material consists of the carrier film (2) substrate, optionally the insulation layer (6) applied to the carrier film (2), the fastening surface on the sensor application side of the carrier film (2) or on the side of the carrier film (2) facing away from the sensor application side and the joining material coating (9) applied to the fastening surface.
11. Verfahren zur Anbringung eines Sensorbauteils (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 an einem Messobjekt, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorbauteil (1) mit seiner Befestigungsfläche an dem Messobjekt angebracht wird. 11. The method for attaching a sensor component (1) according to one of claims 1 to 9 to a measurement object, characterized in that the sensor component (1) is attached with its fastening surface on the measurement object.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorbauteil (1) mit seiner Befestigungsfläche mittels eines Fügeverfahrens an dem Messob jekt angebracht wird. 12. The method according to claim 11, characterized in that the sensor component (1) is attached to the Messob project with its fastening surface by means of a joining process.
13. Verfahren zur Herstellung eines Sensorbauteils (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Trägerfolie (2) aus Metall-, Glas-, Keramik- oder Halb leitermaterial oder einer Kombination dieser Materialien als Substrat des Sensorbauteils (1), b) Aufbringen wenigstens einer elektrischen Sensorfunktionsschicht (3), durch die das elektrische Sensorsignal in Abhängigkeit von der sensierten physikalischen Größe erzeugbar ist, auf einer Sensorapplikationsseite der Trägerfolie (2) unmittelbar oder über wenigstens eine weitere Schicht, z.B. eine Isolationsschicht (6), c) Herstellen elektrischer Verbindungen der Sensorfunktionsschicht (3) mit wenigstens zwei elektrischen Anschlusskontakten (5) zur Bereitstellung des Sensorsignals. 13. A method for producing a sensor component (1) according to one of claims 1 to 9, comprising the following steps: a) providing a carrier film (2) made of metal, glass, ceramic or semiconductor material or a combination of these materials as the substrate of the Sensor component (1), b) application of at least one electrical sensor functional layer (3), through which the electrical sensor signal can be generated depending on the sensed physical variable, on a sensor application side of the carrier film (2) directly or via at least one further layer, e.g. an insulation layer (6), c) Establishing electrical connections between the sensor functional layer (3) and at least two electrical connection contacts (5) for providing the sensor signal.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Befestigungs fläche des Sensorbauteils (1), die dazu eingerichtet ist, das Sensorbauteil (1) an einem Messobjekt anzubringen, an dem die physikalischen Größe sensiert werden soll, mit einem Fügewerkstoff (9) beschichtet wird. 14. The method according to claim 13, characterized in that a fastening surface of the sensor component (1), which is set up to attach the sensor component (1) to a measurement object on which the physical variable is to be sensed, with a joining material (9) is coated.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Sensorfunktionsschicht (3) eine weitere Isolationsschicht (7) aufge bracht wird. 15. The method according to any one of claims 13 to 14, characterized in that a further insulation layer (7) is applied to the sensor functional layer (3).
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der weiteren Isolationsschicht (7) eine Schicht (8) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebracht wird. 16. The method according to claim 15, characterized in that a layer (8) made of an electrically conductive material is applied to the further insulation layer (7).
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