DE102018130547A1

DE102018130547A1 - Sensorelement, Verfahren zu dessen Herstellung und thermischer Strömungssensor

Info

Publication number: DE102018130547A1
Application number: DE102018130547.8A
Authority: DE
Inventors: Roman ENGELI; Christoph Hepp; Ralf Emanuel Bernhardsgrütter
Original assignee: Innovative Sensor Technology IST AG
Current assignee: Innovative Sensor Technology IST AG
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-04

Abstract

Die Erfindung umfasst ein Sensorelement (100) zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft, insbesondere zum Messen der Temperatur, eines Messmediums (2) und/oder zur zumindest zeitweisen Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums (2), umfassend ein Trägerelement (110), zumindest eine auf dem Trägerelement (110) aufgebrachte und nach dem Aufbringen strukturierte funktionale Schicht (120), welche aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten besteht, und eine auf der funktionalen Schicht (120) aufgebrachte Passivierungsschicht (130), wobei die funktionale Schicht (120) derart strukturiert ist, dass diese zur Erfassung der physikalischen Eigenschaft des Messmediums (2) und/oder zur Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums (2) durch Anlegen einer elektrischen Spannung oder einem elektrischen Strom ausgestaltet ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen erfindungsgemäßen Sensorelements.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft, insbesondere zum Messen der Temperatur, eines Messmediums und/oder zur zumindest zeitweisen Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums. Die Erfindung betrifft weiterhin einen thermischen Strömungssensor, aufweisend zumindest ein erfindungsgemäßes Sensorelement. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein erfindungsgemäßes Sensorelement.
Im Stand der Technik sind Aufbauten von Sensorelementen, beispielsweise Temperatursensoren, Heizelemente, Wärmeleitfähigkeitssensoren und Wärmekapazitätssensoren, ausführlich beschrieben. Als Material für den Widerstand, bei Ausgestaltung des Sensorelements als Heizelement oder als Temperatursensor, werden Materialien mit einem definierten TCR („Temperature Coefficient of Resistance“) gewählt, oftmals Platin. Die oben aufgezählten Typen von Sensorelemente, und andere, werden oft direkt in das zu untersuchende Messmedium (z.B. in Gestalt von Membransensoren) gesetzt. Diese Sensorelemente sind sehr sensitiv, haben aber den Nachteil, dass diese Sensorelemente dem Medium direkt ausgesetzt sind und Schäden durch Korrosion erleiden können. Um Sensorelemente vor aggressiven und korrosiven Medien zu schützen, können Sensorelemente auf ein Trägerelement aufgelötet werden, dass gegenüber dem Medium unempfindlich ist und als Schutzschicht zwischen Sensorelement und Messmedium dient. Der Vorteil ist nun, dass der Sensor vor Schäden durch Korrosion geschützt ist, hat aber den Nachteil, dass der thermische Kontakt, verglichen mit einem obig beschriebenen, direkt eingesetzten Sensorelement, schlechter ist und somit weniger sensitiv gegenüber dem Messmedium ist und somit eine schlechtere Ansprechzeit aufweist. Der thermische Kontakt ist schlechter, da der Abstand zwischen Sensorstruktur und Medium vergleichsweise groß ist und die Lötzinnschicht Hohlräume (Lunker) und andere Imperfektionen durch den Lötprozess (unabhängig ob konventionell oder vakuum-gelötet) enthalten kann. Es besteht die Möglichkeit, dass, anstatt mit der Substratschicht auf die Schutzschicht zu löten, mit der Passivierung auf die Schutzschicht gelötet wird (sogenanntes „Flip-Chip“-Design). Auf diese Art und Weise kann der thermische Kontakt verbessert werden - die Imperfektionen des Lötprozesses bleiben jedoch bestehen.
Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement vorzustellen, welches zuverlässig gefertigt werden kann und welches eine hohe Sensitivität gegenüber einem Messmedium aufweist.
Die Aufgabe wird durch ein Sensorelement zur Messung der Temperatur eines Messmediums und/oder zur zumindest zeitweisen Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums gelöst, umfassend ein Trägerelement, zumindest eine auf dem Trägerelement aufgebrachte und nach dem Aufbringen strukturierte funktionale Schicht, welche aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten besteht, und eine auf der funktionalen Schicht aufgebrachte Passivierungsschicht, wobei die funktionale Schicht zumindest einen strukturieren funktionalen Bereich aufweist, welcher zur Erfassung der Temperatur des Messmediums und/oder zur Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums durch Anlegen einer elektrischen Spannung oder einem elektrischen Strom ausgestaltet ist.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorelements besteht darin, dass die Sensitivität des Sensorelements gegenüber den bekannten Lösungen, welche ein Trägerelement verwenden, erhöht wird. Der thermische Kontakt der funktionalen Schicht zu dem Messmedium, bzw. die Biot-Zahl (diese ist eine dimensionslose Kennzahl der Thermodynamik und der Strömungsmechanik und gibt beim Wärmetransport durch die Oberfläche eines Körpers das Verhältnis des Wärme(leit)widerstandes des Körpers zum Wärmeübergangswiderstand des umgebenden Mediums an), wird verbessert, da der Abstand der funktionalen Schicht zu dem Messmedium verringert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Lötprozess wegfällt. Dadurch entfällt eine Lötschicht, welche Imperfektionen beinhalten könnte.
Das Sensorelement kann als Temperatursensor oder als Heizelement, bzw. Kühlelement, dienen. Alternativ kann das Sensorelement beispielsweise unter anderem auch als Wärmeleitfähigkeitssensor oder als Wärmekapazitätssensor dienen.
Die Passivierungsschicht besteht insbesondere aus einem keramischen Material und dient dem Schutz der funktionalen Schicht, insbesondere gegen Korrosion.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Trägerelement eine erste, dem Messmedium abgewandte Oberfläche und eine zweite, dem Messmedium zugewandte Oberfläche aufweist, wobei die funktionale Schicht auf der ersten Oberfläche aufgebracht ist, wobei die zweite Oberfläche mit dem Messmedium kontaktierbar ist, und wobei es sich bei dem Trägerelement insbesondere um ein Röhrchen oder ein Plättchen handelt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht mittels eines Laserablationsverfahrens strukturiert ist. Ein Laserablationsverfahren bezeichnet ein Verfahren, bei dem ein durch einen Laser verursachter Materialabtrag erfolgt. Wie bei einer 3D-Lithografie besteht dadurch die Möglichkeit, dreidimensionale Strukturen zu erzeugen. Hierfür ist der Fokuspunkt des Lasers, an welchem der Materialabtrag erfolgt, in allen drei Raumrichtungen bewegbar.
Grundsätzlich können alle Strukturen mit Laserablation hergestellt werden, welche auf mit einem lithografischen Prozess hergestellt werden können. Im Gegenzug zu der 3D-Lithografie wird das Material allerdings nicht weggeätzt, sondern durch die Energiezufuhr des Lasers verdampft. Das Aufbringen von Fotolack und die nachfolgenden Ätzprozesse (beispielsweise lonenätzen und/oder Nassätzen) für die Strukturierung der funktionalen Schicht fallen vollständig weg. Ein komplexer Mehrschrittprozess wird dadurch auf einen Einschrittprozess reduziert. Dies birgt zudem Vorteil in Sachen Umwelt- und Gesundheitsaspekte, da auf aggressive Ätzmaterialien verzichtet werden kann. Außerdem ist dieses Verfahren üblicherweise auch kostengünstiger als ein lithografisches Verfahren, da nur noch eine Laseranlage benötigt wird und die lithografische Infrastruktur (Belackungsanlagen, Belichtungsanlagen, Ätzanlagen) entfallen.
Je nach Ausgestaltung des Lasers ist auch eine Dickschichtbearbeitung möglich.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die erste Oberfläche des Trägerelements gekrümmt, insbesondere konvex, ausgestaltet ist. Dementsprechend ist auch die auf der ersten Oberfläche des Trägerelements aufgebrachte funktionale Schicht gekrümmt, entsprechend der Krümmung der ersten Oberfläche. Insbesondere handelt es sich bei dem Trägerlement um ein Röhrchen, die erste Oberfläche wird dementsprechend von der äußeren Rohrwand gebildet. Mittels des Laserablationsverfahrens ist diese gekrümmte funktionale Schicht dank des in allen Raumrichtungen bewegbare Fokuspunkts des Lasers strukturierbar.
Das Herstellungsverfahren des Sensorelements kann hierdurch weiter vereinfacht werden. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Sensorelement auf Rohrwänden anzubringen, beispielsweise durch Löten des Sensorelements auf die Rohrwand. Die Rohrwand muss hierbei allerdings vor dem Löten bearbeitet werden. So muss die Krümmung der Rohrwand beispielsweise für den Bereich begradigt werden, auf welchen das Sensorelement gelötet wird, da das Sensorelement üblicherweise eine ebene Lötoberfläche aufweist.
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Trägerelement im Wesentlichen aus einem elektrisch nichtleitfähigem Material, insbesondere aus einem Kunststoff oder einem keramischen Material, besteht. In dieser Variante ist die funktionale Schicht direkt auf die erste Oberfläche des Trägerelements aufgebracht. Der Abstand zwischen der funktionalen Schicht und dem Messmedium ist dadurch minimiert.
Vorteilhaft für die Sensitivität des Sensorelements ist, wenn die Dicke des Trägerelements möglichst gering ist und für das Trägerelement ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet wird.
In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Trägerelement im Wesentlichen aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem metallischen Material, besteht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass auf dem Trägerelement eine elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist, auf welcher elektrischen Isolationsschicht die funktionale Schicht aufgebracht ist. Die elektrische Isolationsschicht verhindert einen Kurzschluss zwischen der funktionalen Schicht und dem Trägerelement. Die elektrische Isolationsschicht mittels eines Dünnschicht- oder Dickschichtverfahrens aufgebracht sein und weist idealerweise eine geringe Dicke auf. Es ist vorgesehen, die Dicke der elektrischen Isolationsschicht gering zu wählen, um den Abstand zwischen der funktionalen Schicht und dem Messmedium nur geringfügig zu vergrößern (im Vergleich zu der ersten Variante), damit die Sensitivität des Sensorelements nur in einem geringen Maß beeinflusst wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die elektrische Isolationsschicht im Wesentlichen aus einem keramischen Material, insbesondere Aluminiumoxid, einer Oxidschicht oder aus Kunststoff besteht. Vorteilhaft ist, dass die elektrische Isolationsschicht aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, um die Beeinflussung der Sensitivität des Sensorelements durch die elektrische Isolationsschicht zu minimieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, besteht. Wesentlich ist hierbei, dass das Material einen definierten TCR („Temperature coefficient of resistance“) aufweist, im Falle, dass das Sensorelement als Heizelement oder als Temperatursensor ausgestaltet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die strukturierte funktionale Schicht eine Widerstandsstruktur, insbesondere mäanderförmig ausgestaltet und/oder eine kapazitive Struktur, insbesondere eine Kamm- oder eine Fingerstruktur, aufweist. Die Widerstandsstruktur wird in einem Heizelement oder in einem Temperatursensor verwendet. Über die definierte Widerstandsänderung abhängig von der Temperatur wird die aktuelle Temperatur des Messmediums bestimmt.
Die funktionale Schicht kann alternativ auch als Peltierelement strukturiert werden, welches zur Abkühlung des Messmediums dient.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch einen thermischen Strömungssensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Messmediums gelöst, wobei der thermische Strömungssensor zumindest ein erfindungsgemäßes Sensorelement aufweist, wobei das Sensorelement zum Erfassen der Temperatur des Messmediums dient und/oder wobei das Sensorelement dazu ausgestaltet ist, unter Beaufschlagung einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms das Messmedium zumindest kurzzeitig zu erwärmen oder abzukühlen.
Ein thermischer Strömungssensor dient zur Bestimmung eines Durchflusses, bzw. der Strömungsgeschwindigkeit eines Messmediums, bzw. eines Fluides, beispielsweise eines Gases oder Gasgemisches sind thermische Strömungssensoren bekannt. Diese nutzen aus, dass ein (strömendes) Messmedium Wärme von einer beheizten Fläche abtransportiert. Thermische Strömungssensoren bestehen typischerweise aus mehreren Funktionselementen, üblicherweise zumindest aus einem niederohmigen Heizelement und einem hochohmigen Widerstandselement, welches als Temperatursensor dient. Alternativ sind thermische Strömungssensoren mit mehreren niederohmigen Heizelementen als Heizer und Temperatursensor aufgebaut. Aus dem Stand der Technik sind auch thermische Strömungssensoren bekannt, welche lediglich ein einzelnes Element in Gestalt einer Kombination eines Heizelements/Temperatursensors, aufweisen.
Der erfindungsgemäße Strömungssensor ist zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, des Massestroms und/oder des Volumenstroms des Messmediums geeignet.
Der Strömungssensor umfasst des Weiteren eine Spannungs-/Stromquelle, eine Steuereinheit (zum Steuern der Wärme-/Kühlabgabe) und eine Auswerteeinheit, wobei die Steuereinheit und die Auswerteeinheit oft kombiniert in einer elektrischen Schaltung vorliegen. Der erfindungsgemäße Strömungssensor ist in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar:

Kalorimetrische thermische Strömungssensoren bestimmen über eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperatursensoren, welche flussabwärts (engl. „downstream“) und flussaufwärts (engl. „upstream“) von einem Heizelement angeordnet sind, den Durchfluss bzw. die Flussrate des Fluids in einem Kanal. Hierzu wird ausgenutzt, dass die Temperaturdifferenz bis zu einem gewissen Punkt linear zu dem Durchfluss bzw. der Flussrate ist. Dieses Verfahren bzw. die Methode ist in der einschlägigen Literatur ausgiebig beschrieben.

Anemometrische thermische Strömungssensoren bestehen aus zumindest einem Heizelement, welches während der Messung des Durchflusses erhitzt wird. Durch die Umströmung des Heizelements mit dem Messmedium findet ein Wärmetransport in das Messmedium statt, der sich mit der Strömungsgeschwindigkeit verändert. Durch Messung der elektrischen Größen des Heizelements kann auf die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums geschlossen werden.
Strömungssensoren nach dem sogenannten „Time-of-Flight“-Messprinzip weisen zumindest ein Heizelement und einen Temperatursensor auf. Durch das Heizelement wird ein kurzzeitiger Wärmeimpuls in das Messmedium abgegeben, welcher einer lokale Erwärmung des Messmediums verursacht. Das fließende Messmedium verursacht eine Bewegung der lokalen Erwärmung entsprechend des vorliegenden Flusses. Gelangt die lokale Erwärmung in die Nähe des Temperatursensors, wird diese von dem Temperatursensor erfasst. Eine Auswerteeinheit bestimmt die Zeitdifferenz zwischen dem Induzieren des Wärmeimpulses und der Detektion der lokalen Erwärmung durch den Temperatursensor. Die Zeitdifferenz stellt ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums dar. Je niedriger die Zeitdifferenz ist, desto höher ist die vorliegende Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums, und vice versa.
Anstatt eines Heizelements kann auch ein geeignetes Kühlelement, beispielsweise ein Peltierelement, verwendet werden. Die obig beschriebenen Betriebsmodi sind unter Benutzung eines Kühlelements ebenfalls ausführbar, es wird hierbei ein Kühlimpuls in das Messmedium induziert.
Des Weiteren die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements zur Messung einer physikalischen Eigenschaft, insbesondere der Temperatur, und/oder zum Erwärmen eines Messmediums, umfassend:

- Aufbringen einer funktionalen Schicht auf einem Trägerelement;
- Strukturieren der funktionalen Schicht derart, dass die die funktionale Schicht zum Erfassen der Temperatur des Messmediums dient; und
- Aufbringen einer Passivierungsschicht auf der funktionalen Schicht.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren liegt darin, dass die funktionale Schicht unmittelbar, bzw. mit einer zusätzlichen elektrischen Isolierschicht, auf das Trägersubstrat aufgebracht wird. Ein Lötschritt, welcher zu Fehleranfälligkeiten aufgrund von Imperfektionen der Lötschicht führen könnte, entfällt. Die Erfindung beschreibt somit zuverlässiges Herstellungsverfahren für ein sensitives Sensorelement.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht mittels einer Dünnschichttechnik, insbesondere Aufdampfen oder Sputtern, auf dem Trägerelement aufgebracht wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die funktionale Schicht mittels eines geeigneten Dickschichtverfahrens, beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, auf dem Trägerelement aufzubringen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Falle, dass das Trägerelement im Wesentlichen aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, vor dem Aufbringen der funktionalen Schicht auf dem Trägerelement eine elektrische Isolationsschicht auf das Trägerelement aufgebracht wird, und wobei die funktionale Schicht auf die elektrische Isolationsschicht des Trägerelements aufgebracht wird. Die elektrische Isolationsschicht wird mittels eines Dünnschichtsverfahrens, beispielsweise Aufdampfen, Sputtern, etc., oder mittels eines Dickschichtverfahrens auf das Trägerelement aufgebracht. Wesentlich ist, dass die elektrische Isolationsschicht möglichst dünn ausgestaltet ist und aus einem thermisch gut leitfähigem Material besteht, um einen guten Wärmeübertrag von der funktionalen Schicht zu dem Messmedium, bzw. vice versa, zu gewährleisten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht mittels eines Laserablationsverfahren strukturiert wird, und wobei die funktionale Schicht derart strukturiert wird, dass diese nach erfolgter Strukturierung eine elektrische Widerstandsstruktur und/oder eine kapazitive Struktur aufweist. Die Wellenlänge und die Pulsenergie des Lasers wird insbesondere derart gewählt, dass nur die funktionale Schicht abgetragen wird, jedoch nicht die darunterliegende elektrische Isolationsschicht, bzw. das Material des Trägerelements, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Ultrakurzpulslaser für das Laserablationsverfahren verwendet wird. Die Pulsweite eines Ultrakurzpulslasers liegt im Picosekunden- bis Femtosekundenbereich. Die Verwendung eines solchen Lasertyps minimiert die thermische Beeinflussung der funktionalen Schicht durch den Strukturierungsprozess. Außerdem werden die physikalischen Eigenschaften (TCR, Brechungsindex, etc.) der funktionalen Schicht nicht verändert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Bereich des Trägerelements, auf welchem die funktionale Schicht aufgetragen wird, vor dem Aufbringen der funktionalen Schicht mittels des Laserablationsverfahrens vorstrukturiert wird. Beispielsweise wird die Dicke des Trägerelements verringert. Auf diese Art und Weise kann die Sensitivität des Sensorelements weiter erhöht werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt

1: Ausführungsbeispiel von Sensorelementen, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind; und
2: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements.

1 zeigt Ausführungsbeispiele für Sensorelemente 10, 20, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind. Bei den Sensorelementen 10, 20 handelt es sich in diesem Beispiel um Temperatursensoren. Es kann sich jedoch um beliebige weitere Sensortypen, beispielsweise Temperatursensoren, Heizelemente, Wärmeleitfähigkeitssensoren oder Wärmekapazitätssensoren handeln, welche einen grundlegend ähnlichen Aufbau zeigen.
In 1a ist ein Querschnitt eines ersten Sensorelements 10 abgebildet. Auf einem Substrat 14, welches aus einem keramischen Material besteht, ist eine funktionale Schicht 12 mittels eines Dünnschicht- oder Dickschichtverfahrens aufgetragen. Das Substrat weist beispielsweise eine Dicke von 200 µm auf. Die funktionale Schicht 12 weist eine Schichtdicke von ca. 800 nm auf und weist Widerstandsstruktur auf, mittels welcher die Temperatur eines Messmediums 2 erfasst wird. Auf der Oberfläche des Substrats 14 und auf der funktionalen Schicht 12 ist des Weiteren eine Passivierungsschicht aufgetragen, beispielsweise bestehend aus einem keramischen Material, beispielsweise Al₂O₃, mit einer Schichtdicke von 30 µm. Über der Passivierungsschicht befindet sich beispielsweise Luft 3.
Mittels eines Lötverfahrens wird die von der funktionalen Schicht 12 abgewandte Seite des Substrats 14 auf ein Trägerelement 11 aufgebracht. Bei dem Trägerelement handelt es sich um ein von dem Messmedium 2 durchfließbares Rohr; das Trägerelement 11 wird auf die äußere Seite der Rohrwand aufgebracht. Das Trägerelement 11 besteht aus einem metallischen Material, beispielsweise Edelstahl und besitzt eine Wandstärke von ca. 150 µm. Die Verbindung zwischen Trägerelement 11 und Substrat 12 erfolgt somit mittels einer Lötschicht 15, welche beispielsweise eine Dicke von weniger als 10 µm aufweist. Das Substrat 14 wirkt als elektrische Isolationsschicht zwischen dem Trägerelement 11 (bzw. der Lötschicht 15) und der funktionalen Schicht 12.
Ein solches Sensorelement 10 ist aus mehreren Gründen nachteilhaft:

Die funktionale Schicht 12 weist einen relativ großen Abstand d₁ zwischen der funktionalen Schicht 14 und dem Messmedium 2 auf. Die Erfassung der Temperatur des Messmediums 2 erfolgt durch mehrere Schichten hindurch, und zwar durch das Substrat 12, durch die Lötschicht 15 und durch das Trägerelement 11. Die Materialen dieser Schichten sollten zwar eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen - trotzdem weist ein solches Sensorelement 10 eine vergleichsweise geringe Sensitivität und eine schlechte Ansprechzeit auf. Spezielle Techniken können nur äußerst erschwert angewandt werden, wie beispielsweise die „3-Omega-Methode“, welche der Ermittlung von thermischen Parametern eines Messmediums dient. Hierbei wird das Sensorelement 10 mit einem Treibersignal beaufschlagt und gleichzeitig der Spannungsabfall über dem Sensorelement 10 als Antwortsignal erfasst. Durch einen Vergleich der des Treibersignals mit dem Antwortsignal in der dritten harmonischen Oberschwingung kann auf die thermischen Parameter, beispielsweise die Wärmekapazität und/oder die Wärmeleitfähigkeit, des Messmediums geschlossen werden. Jede zwischen dem Messmedium 2 und der funktionalen Schicht 12 befindliche Schicht erschwert die Anwendung dieser Technik.

Des Weitere neigt die Lötschicht 15 zu Imperfektionen und Lunkerbildungen, was die Sensitivität und die Ansprechzeit weiter verringern kann. Oftmals ist die Lötschicht 15 nicht reproduzierbar für alle Chargen herstellbar, so dass sich einzelne Sensorelemente 10 mitunter stark unterscheiden können, im Hinblick auf Sensitivität und Ansprechzeiten.
1b zeigt ein zweites Beispiel eines Sensorelements 20, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Sensorelement 20 ähnelt in seinem Aufbau dem Sensorelement 10 aus 1a. Das Trägerelement 21, die funktionale Schicht 22, die Passivierungsschicht 23 und das Substrat 24 entsprechen in Wahl des Materials und in den Schichtdicken den äquivalenten Strukturen des Sensorelements 10 aus 1a.
Die Anbringung auf dem Trägerelement 21 unterscheidet sich jedoch von 1a:

Das Substrat 24 mit den darauf befindlichen Schichten 22, 23 wird gedreht, so dass die Passivierungsschicht 23 mit der Oberfläche des Trägerelements 21 verlötet wird.

Dadurch wird der Abstand d₂ zwischen der funktionalen Schicht 22 und dem Messmedium 2 gegenüber dem Abstand d₁ verringert, was die Sensitivität etwas erhöht und die Ansprechzeit etwas verringert. Jedoch weist die Lötschicht 25 dieselben Nachteile wie diese des ersten, in 1a gezeigten Beispiel eines Sensorelements 10, auf.
Beiden Sensorelementen 10 und 20 gemein ist, dass die zu lötenden Oberflächen (Substrat 14 und Passivierungsschicht 23) eine ebene Oberfläche aufweisen. Die Oberfläche des Trägerelements 11, 21 müsste jeweils bearbeitet, bspw. verflacht, werden, insbesondere, wenn eine auf eine gekrümmte Oberfläche einer Rohrwand gelötet werden soll.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 100 in Form eines Temperatursensors. 2a zeigt eine isometrische Ansicht des Sensorelements 100. 2b zeigt einen Querschnitt orthogonal zu einer Durchflussrichtung F des Messmediums 2 durch das Trägerelement 110 des Sensorelements 100.
Als Trägerelement 110 wird ein Rohr verwendet, welches von einem Messmedium 2 in einer Flussrichtung F durchfließbar ist. Das Trägerelement 110 besteht aus einem metallischen Material, insbesondere Edelstahl, und weist beispielsweise eine Wandstärke von 150 µm auf.
Auf eine erste, dem Messmedium abgewandte, Oberfläche 111 des Trägerelements ist eine elektrische Isolationsschicht 140 mittels eines Dünnschichtverfahrens aufgetragen. Bei der elektrischen Isolationsschicht 140 handelt es sich in diesem Beispiel um ein keramisches Material, beispielsweise Al₂O₃, mit einer Schichtdicke von ca. 2 µm.
Auf die elektrische Isolationsschicht 140 wird anschließend eine funktionale Schicht 120 aus Platin aufgetragen. Die funktionale Schicht wird mittels eines Dünnschichtverfahrens, beispielsweise Sputtern oder Aufdampfen, aufgetragen und weist eine Schichtdicke von ca. 800 nm auf. Die elektrische Isolationsschicht dient der elektrischen Isolation zwischen der funktionalen Schicht 120 und dem Trägerelement. Die elektrische Isolationsschicht 140 und die funktionale Schicht 120 weisen im Wesentlichen dieselbe konvexe Krümmung auf wie die erste Oberfläche 111.
In einem anschließenden Verfahrensschritt wird die funktionale Schicht mittels eines Laserablationsverfahrens strukturiert. Hierbei trägt ein Laser das Material der funktionalen Schicht sukzessive ab, so dass eine Widerstandsstruktur entsteht. Die Widerstandsstruktur dient dem Bestimmen der Temperatur des Messmediums. Dazu kann der Widerstandswert der Widerstandsstruktur gemessen werden. Der gemessene Widerstandswert ist ein direkt proportionales Maß für die an der Widerstandsstruktur anliegende Temperatur.
Ein andere Verfahren zur Strukturierung der funktionalen Schicht stellt ein 3D-Lithografieverfahren dar. Der Vorteil des Verwendens des Laserablationsverfahrens gegenüber des 3D-Lithografieverfahrens liegt jedoch in geringerem Aufwand, resultierend in geringeren Kosten, und in erhöhter Umweltfreundlichkeit.
Anschließend wird eine Passivierungsschicht 130, insbesondere bestehend aus einem keramischen Material, auf der funktionalen Schicht 120 und auf der elektrischen Isolationsschicht 140 aufgetragen. Diese besitzt eine Schichtdicke von ca. 30 µm und dient dem Schutz der funktionalen Schicht 120 und der elektrischen Isolationsschicht 140 vor Umwelteinflüssen, beispielsweise Korrosion.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Sensorelements 100 lassen sich wie folgt beschreiben:

- Geringer Abstand d₃ zwischen der funktionalen Sicht 120 und dem Messmedium 2. Dadurch weist das Sensorelement eine vergleichsweise niedrige Ansprechzeit und eine entsprechend hohe Sensitivität auf. Der Wärmeübertrag zwischen der funktionalen Schicht 120 und dem Messmedium, bzw. vice versa, erfolgt lediglich durch das Trägerelement und ggf. durch die elektrische Isolationsschicht 140 hindurch.
- Durch direktes Auftragen der funktionalen Schicht 140 auf dem Trägerelement kann auf eine Lötschicht, wie diese bei herkömmlichen Sensorelementen verwendet wird, verzichtet werden. Dadurch wird die Serienstreuung verringert, welche sich in einer variablen Ansprechzeit und einer variablen Sensitivität von Sensorelementen untereinander äußert.
- Vorteilhaft beim Verwenden des Laserablationsverfahrens ist, dass, im Gegensatz zu Sensorelementen, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind, muss die Oberfläche 111 nicht bearbeitet, beispielsweise begradigt werden. Der Fokuspunkt des Lasers ist dreidimensional verschiebbar.
- Das Sensorelement 100 eignet sich für die Anwendung spezieller Techniken, wie beispielsweise die weiter oben beschriebene „3-Omega-Methode“.

Eine alternative Ausgestaltung des Sensorelements 100 besteht in dem Verwenden eines nichtleitfähigen Materials für das Trägerelement 110. In diesem Fall kann auf die elektrisch isolierende Schicht 140 verzichtet werden, so dass es vorgesehen ist, die funktionale Schicht 10 direkt auf dem Trägerelement 110 aufzubringen.
Alternativ zu einem Temperatursensor kann das Sensorelement 100 weitere Sensortypen ausbilden. Diese unterscheiden sich im Wesentlichen in der Strukturierung der funktionalen Schicht und der anschließenden elektronischen Ansteuerung des Sensorelements. Beispielsweise können Heizelemente, Wärmeleitfähigkeitssensoren und Wärmekapazitätssensoren ausgebildet werden.
Vorteilhafterweise kann zumindest ein erfindungsgemäßes Sensorelement 100 in einem thermischen Strömungssensor verwendet werden, zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums 2. Das Sensorelement dient hierbei als Heiz- bzw. Kühlelement zum Einbringen einer Wärmemenge, bzw. einer Kältemenge in das Messmedium, und/oder als Temperatursensor. Es kann vorgesehen sein, zwei oder mehrere, insbesondere in Flussrichtung angeordnete, Sensorelemente 100 zu verwenden, wobei eines der Sensorelemente 100 als Heizelement ausgestaltet und mittig angeordnet ist und wobei jeweils eines der Sensorelemente 100 als Temperatursensoren ausgestaltet sind und in Flussrichtung F aufwärts und in Flussrichtung F abwärts vom Heizelement angeordnet sind.
Ein solcher thermischer Strömungssensor ist in den herkömmlichen bekannten Betriebsmodi „kalorimetrische Strömungsmessung“, „anemometrische Strömungsmessung“ und „Time-of-Flight-Strömungsmessung“ betreibbar und weist neben den Sensorelementen 100 eine Steuereinheit, eine Spannungs-/Stromquelle, eine Auswerteeinheit und Verdrahtungen auf.
Bezugszeichenliste

10, 20, 100: Sensorelement
11, 21, 110: Trägerelement
111: erste Oberfläche
112: zweite Oberfläche
12, 22, 120: funktionale Schicht
13, 23, 130: Passivierungsschicht
14, 24, 140: elektrische Isolationsschicht
15, 25: Lötschicht
2: Messmedium
3: Luft

Claims

Sensorelement (100) zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft, insbesondere zum Messen der Temperatur, eines Messmediums (2) und/oder zur zumindest zeitweisen Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums (2), umfassend ein Trägerelement (110), zumindest eine auf dem Trägerelement (110) aufgebrachte und nach dem Aufbringen strukturierte funktionale Schicht (120), welche aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten besteht, und eine auf der funktionalen Schicht (120) aufgebrachte Passivierungsschicht (130), wobei die funktionale Schicht (120) derart strukturiert ist, dass diese zur Erfassung der physikalischen Eigenschaft des Messmediums (2) und/oder zur Erwärmung, bzw. Kühlung, des Messmediums (2) durch Anlegen einer elektrischen Spannung oder einem elektrischen Strom ausgestaltet ist.
Sensorelement (100) nach Anspruch 1, wobei das Trägerelement (110) eine erste, dem Messmedium (2) abgewandte Oberfläche (111) und eine zweite, dem Messmedium (2) zugewandte Oberfläche (112) aufweist, wobei die funktionale Schicht (120) auf der ersten Oberfläche (111) aufgebracht ist, wobei die zweite Oberfläche (112) mit dem Messmedium (2) kontaktierbar ist, und wobei es sich bei dem Trägerelement (110) insbesondere um ein Röhrchen oder ein Plättchen handelt.
Sensorelement (100) nach Anspruch 2, wobei die funktionale Schicht (120) mittels eines Laserablationsverfahrens strukturiert ist.
Sensorelement (100) nach Anspruch 3, wobei die erste Oberfläche (111) des Trägerelements (110) gekrümmt, insbesondere konvex, ausgestaltet ist.
Sensorelement (100) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Trägerelement (110) im Wesentlichen aus einem elektrisch nichtleitfähigem Material, insbesondere aus einem Kunststoff oder einem keramischen Material, besteht.
Sensorelement (100) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Trägerelement (110) im Wesentlichen aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem metallischen Material, besteht.
Sensorelement (100) nach Anspruch 6, wobei auf dem Trägerelement (110) eine elektrische Isolationsschicht (140) aufgebracht ist, auf welcher elektrischen Isolationsschicht (140) die funktionale Schicht (120) aufgebracht ist.
Sensorelement (100) nach Anspruch 7, wobei die elektrische Isolationsschicht (140) im Wesentlichen aus einem keramischen Material, insbesondere Aluminiumoxid, einer Oxidschicht oder aus Kunststoff besteht.
Sensorelement (100) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die funktionale Schicht (120) aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, besteht.
Sensorelement (100) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die strukturierte funktionale Schicht (120) eine Widerstandsstruktur, insbesondere mäanderförmige ausgestaltet und/oder eine kapazitive Struktur, insbesondere eine Kamm- oder eine Fingerstruktur, aufweist.
Thermischer Strömungssensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Messmediums (2), wobei der thermische Strömungssensor zumindest ein Sensorelement (100) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, wobei das Sensorelement (100) zum Erfassen der Temperatur des Messmediums (2) dient und/oder wobei das Sensorelement (100) dazu ausgestaltet ist, unter Beaufschlagung einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms das Messmedium (2) zumindest kurzzeitig zu erwärmen oder abzukühlen.
Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (100) zur Messung einer physikalischen Eigenschaft, insbesondere der Temperatur, und/oder zum Erwärmen eines Messmediums (2), umfassend: - Aufbringen einer funktionalen Schicht (120) auf einem Trägerelement (110); - Strukturieren der funktionalen Schicht (120) derart, dass die die funktionale Schicht (120) zum Erfassen der Temperatur des Messmediums (2) dient; und - Aufbringen einer Passivierungsschicht (120) auf der funktionalen Schicht (120).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die funktionale Schicht (120) mittels einer Dünnschichttechnik, insbesondere Aufdampfen oder Sputtern, auf dem Trägerelement (110), oder einer Dickschichttechnik aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei im Falle, dass das Trägerelement (110) im Wesentlichen aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, vor dem Aufbringen der funktionalen Schicht (120) auf dem Trägerelement (110) eine elektrische Isolationsschicht (140) auf das Trägerelement (110) aufgebracht wird, und wobei die funktionale Schicht (120) auf die elektrische Isolationsschicht (140) des Trägerelements (110) aufgebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die funktionale Schicht (120) mittels eines Laserablationsverfahren strukturiert wird, und wobei die funktionale Schicht (120) derart strukturiert wird, dass diese nach erfolgter Strukturierung eine elektrische Widerstandsstruktur und/oder eine kapazitive Struktur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein Ultrakurzpulslaser für das Laserablationsverfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei ein Bereich des Trägerelements (110), auf welchem die funktionale Schicht (120) aufgetragen wird, vor dem Aufbringen der funktionalen Schicht (120) mittels des Laserablationsverfahrens vorstrukturiert wird.