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JP2021516761A - 圧力及び温度測定用のセンサ素子 - Google Patents

圧力及び温度測定用のセンサ素子 Download PDF

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JP2021516761A JP2020550774A JP2020550774A JP2021516761A JP 2021516761 A JP2021516761 A JP 2021516761A JP 2020550774 A JP2020550774 A JP 2020550774A JP 2020550774 A JP2020550774 A JP 2020550774A JP 2021516761 A JP2021516761 A JP 2021516761A
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Abstract

圧力及び温度測定用のセンサ素子(2a,2b)は、膜(110)と、前記膜(110)の周りに配置された周縁ゾーン(120)と、を有する基体(100)を含んでいる。センサ素子(2a,2b)は、更に、前記基体(100)の前記膜(110)の上に配置された第1の領域(11)と、前記基体(100)の前記周縁ゾーン(120)の上に配置された第2の領域(12)と、を有する導電層(10)を含んでいる。前記膜(110)は、前記基体(100)の感圧性のゾーンとして形成されており、前記周縁ゾーン(120)は、前記基体(100)の非感圧性のゾーンとして形成されている。前記導電層(10)は、前記第2の領域(12)に少なくとも1つの温度依存性の抵抗(20)が形成されるように、前記第2の領域(12)において構造化されている。【選択図】図2A

Description

本発明は、圧力及び温度測定用のセンサ素子に関する。
薄膜技術に基づく圧力測定用のセンサは、膜として形成された薄い領域を備える基体を含む。膜の上面に作用する例えば周囲雰囲気の圧力のような基準圧力、及び、膜の下面に作用する測定されるべき圧力に依存して、膜の変形が生じる。膜の変形は、電気的に把握することができる。抵抗型の圧力センサの場合、膜の変形に依存して電気抵抗が変化するセンサ層が、膜の上に配置されている。
多くの応用分野では、圧力情報に加えて、センサの周囲を支配する温度に関する温度情報が必要とされる。圧力及び温度情報は、多くの用途において、例えばシステムを制御及び/又は調整するために必要である。
本発明の課題は、圧力及び温度測定のための機能を有すると共に、圧力及び温度測定を省スペース且つ低製造コストでセンサ素子に統合することができる、圧力及び温度測定用のセンサ素子を提供することである。
圧力測定の機能及び温度測定の機能を、製造技術的に容易な方法でセンサ素子に統合することができる圧力及び温度測定用のセンサ素子の実施形態が、請求項1に提示されている。
圧力及び温度測定用のセンサ素子は、膜と、当該膜の周りに配置された周縁ゾーンと、を有する基体を含んでいる。更に、センサ素子は、基体の膜の上に配置された第1の領域を有する導電層を含んでいる。導電層は、更に、基体の周縁ゾーンの上に配置された第2の領域を含んでいる。膜は、膜の上面と下面との間の圧力差に依存して当該膜が変形するように、基体の感圧性のゾーンとして形成されている。それに対して、周縁ゾーンは、基体の非感圧性のゾーンとして形成されている。導電層は、第2の領域に少なくとも1つの温度依存性の抵抗が形成されるように、第2の領域において、すなわち基体の周縁ゾーンの上において、構造化されている。
導電層の第1の領域には、少なくとも1つの圧力依存性の抵抗を配置することができる。温度依存性の抵抗は、導電層の第2の領域に、すなわち膜の外側の非感圧性の周縁ゾーンに配置されているので、導電層の第1の領域に少なくとも1つの圧力依存性の抵抗を形成するために設けられた同一の導電性の材料が、第2の領域にも存在することができる。導電層を形成するために、導電層の第1の領域及び第2の領域に、同一の材料を使用することができる。
導電層は、膜の上の第1の領域及び周縁ゾーンの上の第2の領域において、同一の材料から形成されているので、少なくとも1つの温度依存性の抵抗及び少なくとも1つの圧力依存性の抵抗を構造化するために、単一の構造化プロセスを使用することができる。少なくとも1つの温度依存性の抵抗及び少なくとも1つの圧力依存性の抵抗を製造するための導電層の構造化は、同一の構造化プロセスを用いる1つの加工ステップで行うことができる。少なくとも1つの圧力依存性の抵抗を製造するための第1の領域における導電層の構造化、並びに、少なくとも1つの温度依存性の抵抗を製造するための第2の領域における導電層の構造化は、例えばレーザ切断によって行うことができる。少なくとも1つの圧力依存性の抵抗及び少なくとも1つの温度依存性の抵抗を製造するために、同一の構造化プロセスを使用することができるので、圧力及び温度測定を伴うセンサ素子を、製造技術的に容易な、したがって安価な方法で製造することができる。
少なくとも1つの温度依存性の抵抗を形成するために、導電層の第2の領域は、導電層の第2の領域に導電路が形成されるように構造化される。更に、導電層の第2の領域は、導電層の第2の領域に導電路の接触のための接触面が形成されるように構造化することができる。導電路の幅及び/又は長さは、特定の温度における温度依存性の抵抗の抵抗値を決定する。
導電層の構造化は、基体の周縁ゾーンの上の第2の領域において、導電層の第2の領域に複数の温度依存性の抵抗が配置されるように行うことができる。これらの抵抗は、同一の温度において、同一の若しくは類似の抵抗値又は異なる抵抗値を有するように、構造化することができる。
導電層の第2の領域の温度依存性の抵抗が、同一の温度において同一の抵抗値を有する場合、抵抗のそれぞれの導電路は、同一の幅及び/又は長さを有することができる。温度依存性の抵抗は、例えば、各抵抗の導電路が異なる幅及び/又は長さを有することにより、同一の温度において異なる抵抗値を有するように製造することができる。用途に応じて、この実施形態では、用途目的に最も適した温度依存性の抵抗を、そのために付加的なスペースを必要とすることなく、又は、抵抗値の出力に関して制約が生ずることなく、使用することができる。
本発明が、以下において、本発明の実施例を示す図面を参照して詳細に説明される。
圧力依存性の抵抗を備える圧力測定用のセンサ素子の上面図及び側面図を示している。 圧力依存性の抵抗及び温度依存性の抵抗を備える圧力及び温度測定用のセンサ素子の第1の実施形態の上面図を示している。 センサ素子の基体の周縁ゾーンに温度依存性の抵抗を備える、圧力及び温度測定用のセンサ素子の導電層のセグメントの拡大図を示している。 異なる抵抗値を有する圧力依存性の抵抗及び温度依存性の抵抗を備える、圧力及び温度測定用のセンサ素子の第3の実施形態の上面図を示している。 センサ素子の導電層のセグメント間に圧力依存性の抵抗を備える、圧力測定用のセンサ素子の上面図を示している。
図1は、上部の領域において、圧力測定用のセンサ素子1の上面図を、下部の領域において、その側面図を、それぞれ示している。センサ素子は、感圧性の膜110と、当該膜110の周りに配置された圧力非依存性の周縁ゾーン120と、を有する基体100を含んでいる。膜110は、分離ゾーン70によって、基体100の非感圧性の周縁ゾーン120から分離されている。膜110の上には、導電層10が配置されている。導電層10は、例えば、ピエゾ抵抗特性を有するセンサ層として形成されている。基体100は、膜の下面U110に空洞を備えている。測定されるべき圧力を有する媒体は、膜110の下面U110に作用する。例えば周囲の圧力のような基準圧力は、膜の上面O110に作用する。
膜110は、基体100の感圧性のゾーンとして形成されている。膜110は、膜の上面O110と下面U110との間の圧力差に依存して変形する。膜110の変形に起因して、センサ層10の電気抵抗が変化する。生じた抵抗変化の評価を通じて、膜の下面U110上の圧力を、膜110の上面O110上の基準圧力に依存して確定することができる。導電層10の構造化を通じて、1つ又は複数の圧力依存性の抵抗61、62、63及び64を、導電層内に配置することができる。
図2Aは、圧力及び温度測定用のセンサ素子2aの第1の実施形態の上面図を示しており、当該センサ素子においては、圧力測定の機能及び温度測定の機能が、センサ素子内に統合されている。センサ素子は、膜110と、当該膜110の周りに配置された周縁ゾーン120と、を有する基体100を含んでいる。更に、センサ素子2aは、圧力及び温度測定用のセンサ層として形成された導電層10を含んでいる。導電層10は、基体100の膜110の上に配置された第1の領域11を備えている。更に、導電層10は、基体100の周縁ゾーン120の上に配置された第2の領域12を備えている。
導電層10の第1の領域11は、複数のセグメント81、82、83、84に細分されている。個々のセグメント間で、領域11の導電層は中断されている。図2Bは、センサ素子2aを、導電層10のセグメント83の拡大図と共に示している。
膜110は、基体100の感圧性のゾーンとして形成されている。図1に示されたセンサ素子の実施形態の場合と同様に、センサ素子2aにおける膜110は、基体100の薄い領域として形成されている。膜110は、測定セルに面する膜の下面と上面との間の圧力差に依存して当該膜が変形するように、基体の感圧性のゾーンとして形成されている。基体100の周縁ゾーン120は、基体の非感圧性のゾーンとして形成されている。したがって、周縁ゾーン120の領域では、基体100の変形は生じない。
温度測定を実現するために、導電層10は、第2の領域12に少なくとも1つの温度依存性の抵抗20が形成されるよう、第2の領域12において、すなわち基体100の非感圧性の周縁ゾーンの上の領域において構造化されている。
図2A及び2Bに示されたセンサ素子2aにおいて、導電層10は、第2の領域12に複数の温度依存性の抵抗20が存在するように、第2の領域12において構造化されている。特に、導電層10の第2の領域12は、当該第2の領域12が、第1の温度依存性の抵抗21と、少なくとも1つの第2の温度依存性の抵抗22、23、24と、を含むように構造化することができる。図2Aに示されたセンサ素子2aの実施形態において、センサ素子は、導電層10の第2の領域12に、温度依存性の抵抗21、22、23及び24を含んでいる。用途に応じて、抵抗のうちの1つ又は複数を温度測定のために使用することができ、又は、電気回路に接続することができる。
抵抗21、22、23、24の各々は、導電層10の領域11のセグメント81、82、83及び84のうちの1つの外側に隣接する、導電層の領域12の1つのセクションに位置している。セグメント81、82、83及び84は、分離ゾーン70によって、導電層10の領域12の別のセクションから分離されている。セグメント81、82、83及び84、並びに、導電層10の領域12のそれぞれのセクションは、例えば、四分円セグメント/セクションとして具現化されている。
導電層10は、第2の領域12に、少なくとも1つの温度依存性の抵抗20の外部接触のための少なくとも1つの第1の接触面30及び少なくとも1つの第2の接触面40を有するように、第2の領域12において構造化されている。更に、導電層10は、少なくとも1つの温度依存性の抵抗20が導電路50として形成されるように、第2の領域12において構造化されている。温度依存性の抵抗のそれぞれの導電路50は、温度依存性の抵抗のそれぞれの第1の接触面30及びそれぞれの第2の接触面40に接続されている。特に、それぞれの導電路50は、それぞれの第1及び第2の接触面30、40の間に配置されている。
それぞれの導電路50の幅は、それに接続されたそれぞれの第1及び第2の接触面30及び40の幅よりも小さい。温度依存性の抵抗21、22、23及び24の各導電路50は、導電層10の幅の狭いストリップとして形成されており、当該ストリップは、導電層の中断によって、それを取り囲む導電層の面セクションから分離されている。
図2A及び2Bに示されたセンサ素子2aの実施形態において、第1の温度依存性の抵抗21及び少なくとも1つの第2の温度依存性の抵抗22、23、24は、同一の温度において同一の抵抗値を示す。そのために、温度依存性の抵抗21、22、23及び24のそれぞれの導電路50の幅及び/又は長さは、同じであってもよい。
図3は、圧力及び温度測定用のセンサ素子2bの第2の実施形態を示している。センサ素子2bは、図2及び2Bに示された実施形態の場合のように、基体100の膜110の上に配置された第1の領域11と、基体100の周縁ゾーン120の上に配置された第2の領域12と、を有する導電層10を含んでいる。膜110は、基体の感圧性のゾーンとして形成されており、基体100の周縁ゾーン120は、非感圧性のゾーンとして形成されている。
図2Aに示された実施形態の場合のように、導電層10は、第2の領域12に少なくとも1つの温度依存性の抵抗20が形成されるように、第2の領域12において構造化されている。図3に示された実施形態では、導電層10の第2の領域12に温度依存性の抵抗21、22、23及び24が形成されている。導電層10は、第2の領域12に、少なくとも1つの温度依存性の抵抗20の外部接触のための少なくとも1つの第1の接触面30及び少なくとも1つの第2の接触面40を有するように、第2の領域12において構造化されている。
導電層10は、温度依存性の抵抗21、22、23及び24がそれぞれ導電路50として形成されるように、第2の領域12において構造化されている。温度依存性の抵抗のそれぞれの導電路50は、それぞれ、第1の接触面30のうちの1つと第2の接触面40のうちの1つとの間に配置されており、それぞれの第1の接触面30及びそれぞれの第2の接触面40に接続されている。
図2Aに示されたセンサ素子2aの実施形態とは異なり、センサ素子2bにおいては、導電層10は、異なる温度依存性の抵抗21、22、23及び24が同一の温度において異なる抵抗値を示すように、第2の領域12において構造化されている。
そのために、温度依存性の抵抗21、22、23及び24は、それぞれの導電路50の幅及び/又は長さが異なっている。図3に示された実施形態では、用途に応じて、温度依存性の抵抗のうち電気回路内への統合に最も適したものを、温度測定のために使用することができる。温度依存性の抵抗21、22、23及び24を、導電層10の第2の領域12に、すなわち基体100の非感圧性の周縁領域120の上に配置することにより、専ら圧力測定に用いられる図1に示されたセンサ素子1の実施形態と比較して、付加的なスペースを必要とすることなく、又は、抵抗値の読み出しに関して制約を生ずることなく、異なる抵抗値を有する多数の温度依存性の抵抗を設けることができる。
図4は、膜110又はセンサ素子2a及び2bの導電層10の第1の領域11の上面図を示している。導電層10は、第1の領域11に少なくとも1つの圧力依存性の抵抗60を備えるように、第1の領域11において構造化されている。特に、センサ素子2a及び2bにおける導電層10は、第1の領域11に複数の圧力依存性の抵抗61、62、63及び64を備えるように構造化されている。導電層10は、ピエゾ抵抗特性を有するセンサ層として形成されている。膜の上面と下面との間の圧力差の結果として膜110が変形した場合、抵抗61、62、63及び64において抵抗変化が生じる。
図2A、3及び4に示されたセンサ素子2a、2bの実施形態では、導電層10は第1の領域11に圧力依存性の抵抗61、62、63及び64を備えている。抵抗61、62、63及び64は、有利には、経時変化又は圧力測定の際の温度変動に起因する第1の領域11における導電層10の抵抗の変化を均一化するために、抵抗ブリッジを形成している。
導電層10の第1の領域11は、複数のセグメント81、82、83及び84に細分されている。導電層10のセグメントは、導電層10の中断部14によって互いに絶縁されている。
隣接するそれぞれ2つのセグメントは、圧力依存性の抵抗61、62、63及び64のうちの1つを介して、電気的に互いに接続されている。その際、セグメント81、82、83及び84の面積は、圧力依存性の抵抗61、62、63及び64の面積よりも大きい。圧力依存性の抵抗61、62、63及び64は、それぞれ、導電層10の第1の領域11の中断によって規定される経路90として形成されている。経路90を介して、隣接する2つのセグメント81、82又は81、84及び82、83又は83、84は、電気的に互いに接続されている。
圧力依存性の抵抗61、62、63及び64の接触のための電気接点13は、膜110の中立領域140に位置している。中立領域140では、膜110が湾曲した際に、センサ層10の圧縮又は伸張は生じない。したがって、圧力依存性の抵抗の接触のための電気接点は、損傷を受けない。
以下において、圧力及び温度測定用のセンサ素子の製造方法を説明する。センサ素子2a及び2bを製造するために、先ず、膜110と、当該膜110の周りに配置された周縁ゾーン120と、を有する基体100が準備される。基体100は、セラミック材料、又は、例えば(ステンレス)鋼から製造することができる。膜110は、上面O110と下面U110との間の圧力差に依存して変形するように、基体100の感圧性のゾーンとして形成されている。周縁ゾーン120は、基体100の非感圧性のゾーンとして形成されている。
導電層10は、第1の領域11で基体100の膜110の上に、第2の領域12で基体100の周縁ゾーン120の上に、それぞれ塗布される。導電層10は、ピエゾ抵抗材料を含む。導電層10としては、例えば、アモルファスカーボン中に導電性の良好な金属粒子が加えられた、ニッケルカーボン、コバルトカーボン又はパラジウムカーボンのような複合材料を使用することができる。
基体100がセラミック材料を含む場合、導電層10は、基体100のセラミック基板上で直接的に析出させることができる。特に、基体100のセラミック基板と導電層10との間に、絶縁層は必要とされない。それにより、センサ素子2a及び2bを製造するために、比較的少量のプロセスステップしか必要とされない。
導電層10は、第2の領域12に少なくとも1つの温度依存性の抵抗20が形成されるように、第2の領域12において構造化される。更に、導電層10は、第2の領域12に、少なくとも1つの温度依存性の抵抗20の外部接触のための1つの第1の接触面30及び1つの第2の接触面40を有するように、第2の領域12において構造化される。更に、導電層10は、少なくとも1つの温度依存性の抵抗20が第1及び第2の接触面30及び40と接続された導電路として形成されるように、第2の領域12において構造化される。
少なくとも1つの温度依存性の抵抗は、導電層10の第2の領域12に、すなわち基体100の非感圧性のゾーンに形成されているので、導電層10は、少なくとも1つの圧力依存性の抵抗60を有する第1の領域11、及び、少なくとも1つの温度依存性の抵抗20を有する第2の領域12において、同一の材料から製造することができる。導電層10は、第1の領域11及び第2の領域12において同一の材料を含むので、第1及び第2の領域における導電層10は、同一の方法によって構造化することができる。構造化のためには、例えば、レーザ切断プロセスを利用することができる。レーザ加工は、フォトリソグラフィプロセスと比較して、製造技術的により容易で、より安価なプロセスである。
1 圧力測定用のセンサ素子
2a、2b 圧力及び温度測定用のセンサ素子
10 導電層/センサ層
11 センサ層の第1の領域
12 センサ層の第2の領域
13 電気接点
14 センサ層の中断部
20,21,22,23,24 温度依存性の抵抗
30 第1の接触面
40 第2の接触面
50 導電路
60,61,62,63,64 圧力依存性の抵抗
70 分離ゾーン
81,82,83,84 導電層のセグメント
90 導電性の経路
100 基体
110 膜
120 周縁ゾーン
130 測定セル
140 中立領域

Claims (15)

  1. 圧力及び温度測定用のセンサ素子であって、
    膜(110)と、前記膜(110)の周りに配置された周縁ゾーン(120)と、を有する基体(100)と、
    前記基体(100)の前記膜(110)の上に配置された第1の領域(11)と、前記基体(100)の前記周縁ゾーン(120)の上に配置された第2の領域(12)と、を有する導電層(10)と、を含み、
    前記膜(110)は、前記膜の上面(O110)と下面(U110)との間の圧力差に依存して前記膜(110)が変形するように、前記基体(100)の感圧性のゾーンとして形成されており、
    前記周縁ゾーン(120)は、前記基体(100)の非感圧性のゾーンとして形成されており、
    前記導電層(10)は、前記第2の領域(12)に少なくとも1つの温度依存性の抵抗(20)が形成されるように、前記第2の領域(12)において構造化されている、センサ素子。
  2. 前記導電層(10)は、前記第1の領域(11)及び前記第2の領域(12)において、同一の材料から形成されている、請求項1に記載のセンサ素子。
  3. 前記導電層(10)は、前記少なくとも1つの温度依存性の抵抗(20)の外部接触のための1つの第1の接触面(30)及び1つの第2の接触面(40)を前記第2の領域(12)に備えるように、前記第2の領域(12)において構造化されている、請求項1又は2に記載のセンサ素子。
  4. 前記導電層(10)は、前記少なくとも1つの温度依存性の抵抗(20)が、前記第1の接触面(30)及び前記第2の接触面(40)と接続された導電路(50)として形成されるように、前記第2の領域(12)において構造化されている、請求項3に記載のセンサ素子。
  5. 前記温度依存性の抵抗(20)の前記導電路(50)は、前記第1の接触面(30)と前記第2の接触面(40)との間に配置されており、
    前記導電路(50)の幅は、前記第1の接触面(30)及び前記第2の接触面(40)の幅及び/又は長さよりも小さい、請求項4に記載のセンサ素子。
  6. 前記少なくとも1つの温度依存性の抵抗(20)は、1つの第1の温度依存性の抵抗(21)と、少なくとも1つの第2の温度依存性の抵抗(22,23,24)と、含み、
    前記第1の温度依存性の抵抗(21)及び前記少なくとも1つの第2の温度依存性の抵抗(22,23,24)は、それぞれの導電路(50)の幅及び/又は長さが異なる、請求項4又は5に記載のセンサ素子。
  7. 前記導電層(10)は、前記第1の領域(11)に少なくとも1つの圧力依存性の抵抗(60)を備えるように、前記第1の領域(11)において構造化されている、請求項1〜6のいずれか1項に記載のセンサ素子。
  8. 前記導電層(10)の前記第1の領域(11)及び前記第2の領域(12)は、分離ゾーン(70)によって電気的に互いに絶縁されている、請求項1〜7のいずれか1項に記載のセンサ素子。
  9. 前記導電層(10)は、前記第1の領域(11)に複数の圧力依存性の抵抗(61,62,63,64)を備えるように、前記第1の領域(11)において構造化されており、
    前記複数の圧力依存性の抵抗(61,62,63,64)は、抵抗ブリッジを形成している、請求項1〜8のいずれか1項に記載のセンサ素子。
  10. 前記導電層(10)の前記第1の領域(11)は、複数のセグメント(81,82,83,84)に細分されており、
    隣接するそれぞれ2つのセグメント(81,82,83,84)は、前記圧力依存性の抵抗(61,62,63,64)のうちの1つによって電気的に互いに接続されており、
    前記セグメント(81,82,83,84)の面積は、前記圧力依存性の抵抗(61,62,63,64)の面積よりも大きく、
    前記圧力依存性の抵抗(61,62,63,64)は、前記導電層(10)の前記第1の領域(11)の中断によって規定された経路(90)として形成されており、前記経路(90)を介して、前記隣接する2つのセグメント(81,82,83,84)が電気的に接続されている、請求項9に記載のセンサ素子。
  11. 圧力及び温度測定用のセンサ素子の製造方法であって、
    膜(110)と、前記膜(110)の周りに配置された周縁ゾーン(120)と、を有する基体(100)を準備するステップであって、前記膜(110)は、その上面(O110)と下面(U110)との間の圧力差に依存して変形するよう、前記基体(100)の感圧性のゾーンとして形成されており、前記周縁ゾーン(120)は、前記基体(100)の非感圧性のゾーンとして形成されているステップと、
    前記基体(100)の前記膜(110)の上の第1の領域(11)と、前記基体(100)の前記周縁ゾーン(120)の上の第2の領域(12)と、を有する導電層(10)を塗布するステップと、
    前記導電層(10)の前記第2の領域(12)に少なくとも1つの温度依存性の抵抗(20)が形成されるように、前記記導電層(10)を前記第2の領域(12)において構造化するステップと、を含む方法。
  12. 前記記導電層(10)が、前記少なくとも1つの温度依存性の抵抗(20)の外部接触のための第1の接触面(30)及び第2の接触面(40)を前記第2の領域(12)に備え、前記少なくとも1つの温度依存性の抵抗(20)が前記第1の接触面(30)及び前記第2の接触面(40)と接続された導電路(50)として形成されるように、前記導電層(10)を前記第2の領域(12)において構造化するステップを含む、請求項11に記載の方法。
  13. 前記導電層(10)が、前記第1の領域(11)に少なくとも1つの圧力依存性の抵抗(60)を備えるように、前記導電層(10)を前記第1の領域(11)において構造化するステップを含む、請求項11又は12に記載の方法。
  14. 前記第1の領域(11)及び前記第2の領域(12)における前記導電層(10)の構造化は、レーザ切断によって行われる、請求項11〜13のいずれか1項に記載の方法。
  15. 前記導電層(10)は、前記第1の領域(11)及び前記第2の領域(12)において、同一の材料から形成されている、請求項11〜14のいずれか1項に記載の方法。
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