WO2018157984A1 - Sensorelement und thermischer strömungssensor zur bestimmung einer physikalischen grösse eines messmediums - Google Patents

Sensorelement und thermischer strömungssensor zur bestimmung einer physikalischen grösse eines messmediums Download PDF

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WO2018157984A1
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sensor element
contact
measuring medium
sensor
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PCT/EP2018/050734
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Florian Krogmann
Patrik Grob
Yannick Barb
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Innovative Sensor Technology Ist Ag
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Publication date
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    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer

Definitions

  • the invention relates to a sensor element for measuring a physical size of a measuring medium. Furthermore, the invention relates to a thermal
  • Flow sensor which has at least two sensor elements according to the invention.
  • Determination of the temperature of a medium to be measured are manufactured, for example, in thin-film technology and have a functional or functional layer, for example of platinum, on a substrate.
  • a functional or functional layer for example of platinum
  • the measuring medium is in this case a particular gaseous or liquid fluid.
  • Thermal flow sensors typically consist of several of these sensors
  • Sensor elements usually made of a low-resistance heating element and a high-resistance element, which serves as a temperature sensor.
  • thermal flow sensors are constructed with a plurality of low-resistance heating elements as a heater and temperature sensor.
  • the functional layer of a sensor element is usually used for protection
  • Passivation provided, for example thick film glasses, which
  • Measuring medium depending on the measuring medium used, a more or less pronounced corrosion of the passivation layer of the sensor elements occurs. Under certain circumstances, such corrosion causes a significant reduction in the long-term stability of the sensor elements.
  • the sensor elements are often installed in metal sleeves and protected from the process medium.
  • the larger thermal mass caused by this installation deteriorates both the response time of the sensor elements, as well as in the event that the sensor elements are used as heating elements in thermal flow sensors, their sensitivity.
  • the invention has for its object to provide a sensor element and a thermal flow sensor, which have improved long-term stability.
  • the object is achieved by a sensor element for determining a physical measured variable of a measuring medium, comprising:
  • Connecting layer is applied, that in case of contact of the
  • the big advantage of the sensor element according to the invention over known sensor elements is that the sensor element can be operated in direct contact with the measuring medium without the long-term stability of the sensor
  • a preferred embodiment of the sensor element according to the invention provides that a contact layer is located between the passivation layer and the metallic connection layer, which contact layer is configured in such a way that it is possible to apply the metallic connection layer to the passivation layer.
  • said contact layer consists of a nickel-chromium compound (NiCr / Ni), a nickel-chromium-gold compound (NiCr / Ni / Au), of a titanium-tungsten-palladium compound (TiW / Pd) a titanium-tungsten-palladium-gold compound (TiW / Pd / Au), or a similar material, or a similar material compound.
  • an advantageous development of the sensor element according to the invention provides that a plastic layer is applied to those areas of the surface of the substrate, which are located adjacent to the attached on the surface of the metallic interconnect metal plates, that the contact layer in order to prevent contact with the Covering the measuring medium. This ensures that the contact layer on the flanks, ie the surfaces exposed to the outside between the metal platelets and the substrate, is protected from the measuring medium. It can also be provided that, in addition, the metallic connection layer is covered in the same way by means of the plastic layer. It can also be provided that when the size of the surface of the metal plate exceeds the size of the surface of the contact layer, or the metallic compound layer, the gap between the overlap of the metal plate and the
  • the metallic connecting layer is a soldering layer, in particular soldering tin.
  • the metallic connection layer is a
  • the passivation layer consists of glass.
  • the passivation layer is designed as a thin layer and in particular has a thickness of about 25 micrometers.
  • the substrate consists essentially of zirconium oxide, of aluminum nitride or of aluminum oxide.
  • the substrate is a 3%, 5%, or 8% stabilized zirconia substrate.
  • the functional layer consists at least partially of platinum, nickel, palladium, a metal alloy or a doped material.
  • An example of such a doped material is nickel valadium or platinum rhodium.
  • Another example of a material is a nickel-chromium compound.
  • the metal plate consists of nickel, a nickel-chromium compound, a stainless steel or a stainless steel compound.
  • Examples of such stainless steel connections are typically Inconel or Hastelloy.
  • the sensor element has on its end side on a part of the surface of the substrate, which is located after the attached on the surface of the metal interconnect layer metal plates on connected to the functional layer contact pads on which supply cable welded, bonded, soldered or adhesively bonded electrically, and
  • the sensor element is introduced into a carrier element such that the contact pads are located within the carrier element.
  • the sensor element has a distance, a so-called “sealing area" between the metal plate and the contact pads, so that the attachment of the supply cable is possible without the risk of a short circuit
  • the carrier element is in particular a sleeve or a tube.
  • the cross section of the sleeve or tubular carrier element can be configured, for example, round, rectangular or oval.
  • Potting compound is filled, so that in the case of contact of the sensor element with the measuring medium, no contact between the contact pads, or the supply cables and the measuring medium takes place. Characterized in that the sensor element as far into the
  • Carrier element is introduced, so that the contact pads are located within the carrier element, they are completely sealed by the potting compound. Ideally, the sensor element is inserted so far into the carrier element that the "sealing
  • the potting compound consists of an epoxy resin, silicone or glass.
  • the functional layer is designed as a metal layer with a defined electrical resistance and a defined temperature coefficient for determining the temperature of the measured medium as a physical measured variable based on a measured electrical resistance value.
  • the resistance of the metal layer is selected to be high-resistance.
  • the functional layer is formed as a metal layer with a defined electrical resistance and wherein the sensor element is configured, the measuring medium at least temporarily to heat by applying an electric power. Ideally, the resistance of the metal layer is chosen low impedance.
  • thermo flow sensor which has at least two sensor elements according to at least one of the preceding
  • At least one of the at least two sensor elements serves as a heating element for heating the measured medium.
  • the advantage of the flow sensor according to the invention is that it due to the design of the sensor elements according to the invention a high sensitivity, in
  • Damage / corrosion may be in contact with the measuring medium.
  • Fig. 1 shows a first exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 1a shows the plan view of the sensor element; 1 b shows a longitudinal cross section through the sensor element 1.
  • the sensor element consists of a substrate 101, which essentially consists of
  • Zirconia made of aluminum nitride or aluminum oxide, on which by means of thin-film technology, for example by means of vapor deposition or sputtering, a functional layer 102, in particular a metal layer, is applied. Since this functional layer 102 has only a very small thickness of several micrometers, this is not visible in the longitudinal cross-section shown in FIG.
  • the functional layer 102 is for determining the temperature of a measuring medium, or for heating the
  • the passivation layer 103 can also consist of a suitable thin-layer passivation, for example Al 2 O 3, SiO 2, Si 3 N 4 or similar layers, which typically has layer thicknesses in the range from 0.2 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • a metal plate 105 is applied to the sensor element 1. This is applied by means of a metallic connection layer 104, in particular solder, on the layer planes functional layer 102 and passivation layer 103 and covers these layers 102, 103 from. It may be provided in this case that, as shown in Fig. 1 a, the metal platelets is wider than the functional layer 102, and as applied to the functional layer 102 passivation layer 103.
  • the metallic interconnect layer 104 covers all of the substrate 101th facing surface of the metal plate 105. In order to make the metallic compound layer 104 on the passivation layer 103 liable, a contact layer is applied to this.
  • said contact layer consists of a nickel-chromium compound (NiCr / Ni), a nickel-chromium-gold compound (NiCr / Ni / Au), a titanium-tungsten-palladium compound (TiW / Pd), from a titanium-tungsten-palladium-gold compound (TiW / Pd / Au), or a similar material, or a similar material compound.
  • contact pads 107 which consist of a metallic layer, are applied to a longitudinal end of the substrate. These are in contact with the functional layer 102.
  • seal 108 consists in particular of glass, epoxy or polyimide.
  • Measuring medium can be operated without the long-term stability of the Sensor element 1 is impaired, since only the metal plate 105 itself, the
  • Measuring medium is prevented.
  • FIG. 2 shows an advantageous development of a sensor element 1 according to the invention.
  • the sensor element 1 constructed as in FIG. 1 is introduced into a carrier element 3.
  • the carrier element 3 is in particular made of a metallic material and is in particular tubular.
  • the sensor element 1 is inserted so far into the carrier element 3 that the contact pads 107 and ideally also a portion of the metal plate are located in the interior of the carrier element 3. Subsequently, the interior of the support member 3 is completely potted with a potting compound 301.
  • Metal plate 105 covered part of the functional layer 102, as well as located in the interior of the support member 3 part of the metal plate 105 are thus completely surrounded by the potting compound 301.
  • the entire sensor element 1 is immersed in the process medium, these elements are protected by the potting compound 301 from contact with the process medium.
  • the free area of the substrate 101 which does not depend on the
  • Metal plate 105 is covered, or parts thereof, ie those areas of the surface of the substrate 101, which are located adjacent to the attached to the surface of the metal interconnect layer 104 metal plate 105, a plastic layer 106 are applied. As a result, the metallic
  • Connection layer 104 protected from the process medium, or in the case that the metal plate 105 has only the width of the functional layer 102, in addition, the flanks of the located between the metal plate 105 and the substrate 101 layers, so the functional layer 102, the passivation layer 103rd and the metallic interconnect layer 104, which could be contacted by the process media.
  • the inventive sensor element 1 constructed in this way offers a comparison with Conventional sensor elements much improved long-term stability in use with aggressive process media.
  • the sensor element 1 according to the invention can be used in a large number of applications. For example, it is provided to use the sensor element 1 as a heating element or as a temperature sensor in a thermal flow sensor.
  • the sensor element 1 can be designed in such a way for alternately heating the measuring medium and measuring the temperature of the measuring medium.
  • the decay of the temperature induced in the measuring medium is a measure of the flow rate of the measuring medium.
  • the flow rate of the measuring medium can be measured using measuring principles widely known from the prior art, such as the heating wire method, the constant-temperature anemometer, or the
  • Heating method to be determined with at least two of the sensor elements 1 according to the invention It goes without saying, however, that the use of the invention
  • Sensor element is not limited to these examples, but the skilled worker is aware that such a sensor element can be used in a variety of other applications.

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Abstract

Die Erfindung umfasst ein Sensorelement (1) zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße eines Messmediums, umfassend: - ein planares Substrat (101), - eine funktionale Schicht (102), welche auf einer Oberfläche des Substrats (101) aufgebracht ist, - eine Passivierungsschicht (103), welche auf der funktionalen Schicht (102) aufgebracht ist, - eine metallische Verbindungsschicht (104), welche derart auf der Oberfläche der Passivierungsschicht (103) aufgebracht ist, dass die Passivierungsschicht (103) vollständig bedeckt ist; und - ein Metallplättchen (105), welches derart auf der Oberfläche der metallischen Verbindungsschicht (104) aufgebracht ist, dass im Falle eines Kontakts des Sensorelements (1) mit dem Messmedium kein Kontakt zwischen der Passivierungsschicht (103) und dem Messmedium auftritt, sowie einen thermischen Strömungssensor, welche zumindest zwei der erfindungsgemäßen Sensorelemente (1) aufweist.

Description

Sensorelement und thermischer Strömungssensor zur Bestimmung einer physikalischen Größe eines Messmediums
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen thermischen
Strömungssensor, welcher zumindest zwei erfindungsgemäße Sensorelemente aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensorelemente zur
Bestimmung der Temperatur eines Messmediums bekannt. Diese werden bspw. in Dünnschichttechnik gefertigt und weisen auf einem Substrat eine funktionale, bzw. funktionale Schicht, bspw. aus Platin, auf. Mittels dieser funktionalen Schicht lässt sich die Temperatur eines Mediums, mit dem die funktionale Schicht in
thermischer Wechselwirkung steht, bestimmen. Das Messmedium ist hierbei ein insbesondere gasförmiges oder flüssiges Fluid.
Thermische Strömungssensoren bestehen typischerweise aus mehreren dieser
Sensorelemente, üblicherweise aus einem niederohmigen Heizelement und einem hochohmigen Widerstandselement, welches als Temperatursensor dient. Alternativ sind thermische Strömungssensoren mit mehreren niederohmigen Heizelementen als Heizer und Temperatursensor aufgebaut.
Die funktionale Schicht eines Sensorelements wird zum Schutz meistens mit
Passivierungsschichten versehen, beispielsweise Dickschichtgläsern, welche
typischerweise eine Dicke von ca. 20-30 Mikrometern aufweisen.
Betreibt man die Sensorelemente, beispielsweise in Form von thermischen
Strömungssensoren, bzw. Temperatursensoren, in direktem Kontakt mit dem
Messmedium, so tritt je nach eingesetztem Messmedium eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Korrosion der Passivierungsschicht der Sensorelemente auf. Eine solche Korrosion bewirkt unter Umständen eine deutliche Verringerung der Langzeitstabilität der Sensorelemente.
Aus diesem Grunde werden die Sensorelemente häufig in Metallhülsen eingebaut und so vor dem Prozessmedium geschützt. Die durch diesen Einbau bewirkte größere thermische Masse verschlechtert aber sowohl die Ansprechzeit der Sensorelemente, als auch für den Fall, dass die Sensorelemente als Heizelemente in thermischen Strömungssensoren eingesetzt werden, deren Sensitivität.
Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement und einen thermischen Strömungssensor vorzustellen, welche eine verbesserte Langzeitstabilität aufweisen. Die Aufgabe wird durch ein Sensorelement zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße eines Messmediums gelöst, umfassend:
- ein planares Substrat,
- eine funktionale Schicht, welche auf einer Oberfläche des Substrats aufgebracht ist,
- eine Passivierungsschicht, welche auf der funktionalen Metallschicht aufgebracht ist,
- eine metallische Verbindungsschicht, welche derart auf der Oberfläche der
Passivierungsschicht aufgebracht ist, dass die Passivierungsschicht vollständig bedeckt ist; und
- ein Metallplättchen, welches derart auf der Oberfläche der metallischen
Verbindungsschicht aufgebracht ist, dass im Falle eines Kontakts des
Sensorelements mit dem Messmedium kein Kontakt zwischen der
Passivierungsschicht und dem Messmedium auftritt. Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorelements gegenüber bekannten Sensorelementen besteht darin, dass das Sensorelement in direktem Kontakt zu dem Messmedium betrieben werden kann, ohne dass die Langzeitstabilität des
Sensorelements beeinträchtigt wird. Bedingt durch das mittels der Verbindungsschicht auf dem Substrat aufgebrachten Metallplättchen, kommen nur das Metallplättchen selbst, die Verbindungsschicht, sowie das Substrat in Kontakt mit dem Messmedium, nicht aber die Passivierungsschicht, bzw. die funktionale Schicht. Da das Metallplättchen und die Verbindungsschicht nur eine geringe Dicke aufweisen, ist die Sensitivität, bzw. die Ansprechzeit des Sensorelements nur bedingt beeinträchtigt. Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass sich zwischen der Passivierungsschicht und der metallischen Verbindungsschicht eine Kontaktschicht befindet, welche derart ausgestaltet ist, dass ein Aufbringen der metallischen Verbindungsschicht auf der Passivierungsschicht ermöglicht ist.
Beispielsweise besteht besagte Kontaktschicht aus einer Nickel-Chrom-Verbindung (NiCr/Ni), aus einer Nickel-Chrom-Gold-Verbindung (NiCr/Ni/Au), aus einer Titan- Wolfram-Palladium-Verbindung (TiW/Pd), aus einer Titan-Wolfram-Palladium-Gold- Verbindung (TiW/Pd/Au), oder aus einem ähnlichen Material, bzw. einer ähnlichen Materialverbindung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass auf diejenigen Bereiche der Oberfläche des Substrats, welche sich im Anschluss an das auf der Oberfläche der metallischen Verbindungsschicht angebrachte Metallplättchen befinden, eine Kunststoffschicht derart aufgetragen ist, dass diese die Kontaktschicht zwecks Verhinderung eines Kontakt mit dem Messmedium abdeckt. Hierdurch wird erreicht, dass die Kontaktschicht an den Flanken, also die nach außen hin freiliegenden Flächen zwischen Metallplättchen und Substrat, vor dem Messmedium geschützt wird. Hierbei kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich die metallische Verbindungsschicht auf selbe Art und Weise mittels der Kunststoffschicht abgedeckt ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass wenn die Größe der Fläche des Metallplättchens die Größe der Fläche der Kontaktschicht, bzw. der metallischen Verbindungsschicht übertrifft, der Zwischenraum zwischen dem Überlapp des Metallplättchens und dem
darunterliegenden Substrat mit der Kunststoffschicht aufgefüllt wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass es sich bei der metallischen Verbindungsschicht um eine Lötschicht, insbesondere Lötzinn, handelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass es sich bei der metallischen Verbindungsschicht um eine
Sinterschicht, insbesondere eine Silbersinterschicht, handelt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements besteht die Passivierungsschicht aus Glas. Die Passivierungsschicht ist als Dünnschicht ausgestaltet und weist insbesondere eine Dicke von ca. 25 Mikrometern auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Substrat im Wesentlichen aus Zirkonoxid, aus Aluminiumnitrid oder aus Aluminiumoxid besteht. Bei Verwendung von Zirkonoxid ist das Substrat beispielsweise ein 3%-, 5%- oder 8%-stabilisiertes Zirkonoxid-Substrat. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht zumindest teilweise aus Platin, Nickel, Palladium, aus einer Metalllegierung oder aus einem dotierten Material besteht. Ein Beispiel für ein solches dotiertes Material ist Nickel-Valadium oder Platin-Rhodium. Ein weiteres Beispiel für ein Material stellt eine Nickel-Chrom-Verbindung dar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Sensorelements ist vorgesehen, dass das Metallplättchen aus Nickel, einer Nickel- Chrom-Verbindung, aus einem Edelstahl oder aus einer Edelstahl-Verbindung besteht. Beispiele für solche Edelstahl-Verbindungen sind typischerweise Inconel oder Hastelloy.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Sensorelement endseitig auf einem Teil der Oberfläche des Substrats, welcher sich im Anschluss an das auf der Oberfläche der metallischen Verbindungsschicht angebrachte Metallplättchen befindet, auf mit der funktionalen Schicht verbundene Kontaktpads aufweist, auf welche Zuleitungskabel aufgeschweißt, gebondet, gelötet oder elektrisch leitend verklebt sind, und
wobei das Sensorelement derart in ein Trägerelement eingebracht ist, dass sich die Kontaktpads innerhalb des Trägerelements befinden. Hierbei ist vorgesehen, dass das Sensorelement einen Abstand, eine sogenannte „Sealing Area" zwischen dem Metallplättchen und den Kontaktpads aufweist, so dass das Anbringen der Zuleitungskabel ohne Gefahr eines Kurzschlusses möglich ist. Bei dem Trägerelement handelt es sich insbesondere um eine Hülse oder ein Röhrchen. Der Querschnitt des hülsen-, bzw. röhrchenförmigen Trägerlements kann beispielsweise rund, rechteckig oder oval ausgestaltet sein. Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Sensorelements ist vorgesehen, dass das Trägerelement vollständig mit einer
Vergussmasse gefüllt ist, so dass im Falle eines Kontakts des Sensorelements mit dem Messmedium kein Kontakt zwischen den Kontaktpads, bzw. den Zuleitungskabeln und dem Messmedium erfolgt. Dadurch, dass das Sensorelement soweit in das
Trägerelement eingebracht ist, sodass sich die Kontaktpads innerhalb Trägerelements befinden, sind diese vollständig durch die Vergussmasse versiegelt. Idealerweise ist das Sensorelement so weit in das Trägerelement eingeführt, dass die„Sealing
Area" vollständig von der Vergussmasse versiegelt ist. Das Sensorelement kann dadurch vollständig in das Messmedium getaucht werden, bzw. von dem Messmedium umgeben sein, ohne dass sensible Komponenten, beispielsweise die Kontaktpads oder die Zuleitungskabeln, von dem Messmedium beschädigt werden, oder dass ein elektrischer Kurzschluss entsteht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die Vergussmasse aus einem Epoxidharz, Silikon oder Glas besteht.
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht als Metallschicht mit einem definierten elektrischen Widerstand und einem definierten Temperaturkoeffizienten zur Bestimmung der Temperatur des Messmediums als physikalische Messgröße anhand eines gemessenen elektrischen Widerstandswerts ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist der Widerstand der Metallschicht hochohmig gewählt. In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die funktionale Schicht als Metallschicht mit einem definierten elektrischen Widerstand ausgebildet ist und wobei das Sensorelement ausgestaltet ist, das Messmedium zumindest zeitweise mittels Beaufschlagung einer elektrischen Leistung zu beheizen. Idealerweise ist der Widerstand der Metallschicht niederohmig gewählt.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch einen thermischen Strömungssensor, gelöst, welche zumindest zwei Sensorelemente nach zumindest einem der vorherigen
Ansprüche aufweist, wobei zumindest eines der zumindest zwei Sensorelemente als Heizelement zur Erwärmung des Messmediums dient.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Strömungssensors liegt darin, dass dieser aufgrund der Bauart der erfindungsgemäßen Sensorelemente eine hohe Sensitivität, in
Verbindung mit einer kurzen Ansprechzeit, aufweist, da dieser ohne Gefahr von
Beschädigungen/Korrosionen mit dem Messmedium in Kontakt stehen kann.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 : eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements; und
Fig. 2: eine vorteilhafte Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
Fig. 1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Sensorelements 1. Fig. 1a zeigt hierbei die Draufsicht auf das Sensorelement; Fig. 1 b zeigt einen Längsquerschnitt durch das Sensorelement 1. Das Sensorelement besteht aus einem Substrat 101 , welches im Wesentlichen aus
Zirkonoxid, aus Aluminiumnitrid oder aus Aluminiumoxid gefertigt ist, auf welches mittels Dünnschichttechnik, beispielsweise mittels Aufdampfen oder Sputtern, eine funktionale Schicht 102, insbesondere eine Metallschicht, aufgebracht ist. Da diese funktionale Schicht 102 nur eine sehr geringe Dicke von mehreren Mikrometern aufweist, ist diese im in Fig. 1 b gezeigten Längsquerschnitt nicht erkennbar. Die funktionale Schicht 102 ist zur Bestimmung der Temperatur eines Messmediums, oder zum Heizen des
Messmediums mittels Beaufschlagens von elektrischer Energie ausgebildet. Auf der funktionalen Schicht 102 ist eine Passivierungsschicht 103, welche insbesondere aus Glas besteht, aufgetragen. Alternativ kann die Passivierungsschicht 103 auch aus einer geeigneten Dünnschichtpassivierung, beispielsweise AI2O3, S1O2, Si3N4 oder ähnlichen Schichten, bestehen, welche typischerweise Schichtdicken im Bereich von 0,2 μηη bis 3 μηη aufweist.
Da die Passivierungsschicht 103 bei Kontakt mit dem Messmedium Gefahr läuft zu korrodieren, ist auf dem Sensorelement 1 ein Metallplättchen 105 aufgebracht. Dieses ist mittels einer metallischen Verbindungsschicht 104, insbesondere Lötzinn, auf den Schichtebenen funktionale Schicht 102 und Passivierungsschicht 103 aufgebracht und deckt diese Schichten 102, 103 ab. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass, wie in Fig. 1 a gezeigt, das Metallplättchen breiter ist als die funktionale Schicht 102, bzw. als die auf der funktionalen Schicht 102 aufgebrachte Passivierungsschicht 103. Die metallische Verbindungsschicht 104 bedeckt hierbei die gesamte dem Substrat 101 zuwandte Fläche des Metallplättchens 105. Um die metallische Verbindungsschicht 104 auf der Passivierungsschicht 103 haftbar zu machen, ist auf dieser eine Kontaktschicht aufgetragen. Beispielsweise besteht besagte Kontaktschicht aus einer Nickel-Chrom- Verbindung (NiCr/Ni), aus einer Nickel-Chrom-Gold-Verbindung (NiCr/Ni/Au), aus einer Titan-Wolfram-Palladium-Verbindung (TiW/Pd), aus einer Titan-Wolfram-Palladium- Gold-Verbindung (TiW/Pd/Au), oder aus einem ähnlichen Material, bzw. einer ähnlichen Materialverbindung.
Zur elektrischen Kontaktierung der funktionalen Schicht 102 sind an einem Längsende des Substrats Kontaktpads 107, welche aus einer metallischen Schicht bestehen, aufgebracht. Diese stehen in Kontakt zu der funktionalen Schicht 102. Diese
Kontaktpads 107 und der Teil der funktionalen Schicht 102, welcher in Kontakt mit den Kontaktpads 107 steht, sind nicht von dem Metallplättchen 105 abgedeckt. Nach
Anbringen von Zuleitungskabeln 2 an die Kontaktpads 107, beispielsweise durch
Scheißen öder Löten, werden die Kontaktpads 107, sowie die Verbindungsstelle der Zuleitungskabel 2 mit den Kontaktpads 107 mittels einer Versiegelung 108 verschlossen. Besagte Versiegelung 108 besteht insbesondere aus Glas, Epoxy oder Polyimid.
Durch diesen Aufbau kann das Sensorelement 1 in direktem Kontakt zu dem
Messmedium betrieben werden kann, ohne dass die Langzeitstabilität des Sensorelements 1 beeinträchtigt wird, da nur das Metallplättchen 105 selbst, die
Verbindungsschicht 104, sowie das Substrat 101 in Kontakt mit dem Messmedium gelangen. Eine Korrosion der Passivierungsschicht 103 durch Kontakt mit dem
Messmedium wird verhindert.
Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1. Das wie in Fig. 1 aufgebaute Sensorelement 1 wird in ein Trägerelement 3 eingeführt. Das Trägerelement 3 ist insbesondere aus einem metallischen Material gefertigt und ist insbesondere rohrförmig. Das Sensorelement 1 wird soweit in das Trägerelement 3 eingeführt, dass sich die Kontaktpads 107 und idealerweise auch ein Teilbereich des Metallplättchens im Inneren des Trägerelements 3 befinden. Anschließend wird das Innere des Trägerelements 3 mit einer Vergussmasse 301 vollständig vergossen. Die Zuleitungskabel 2, die Kontaktpads 107, die Versiegelung, der nicht von dem
Metallplättchen 105 abgedeckte Teil der funktionalen Schicht 102, sowie der im Inneren des Trägerelements 3 befindliche Teil des Metallplättchens 105 sind somit vollständig von der Vergussmasse 301 umgeben. Bei Eintauchen des gesamten Sensorelements 1 in das Prozessmedium sind diese Elemente durch die Vergussmasse 301 vor einem Kontakt mit dem Prozessmedium geschützt. Zusätzlich kann die freie Fläche des Substrats 101 , welche nicht von dem
Metallplättchen 105 abgedeckt wird, oder Teile davon, also diejenigen Bereiche der Oberfläche des Substrats 101 , welche sich im Anschluss an das auf der Oberfläche der metallischen Verbindungsschicht 104 angebrachte Metallplättchen 105 befinden, eine Kunststoffschicht 106 aufgebracht werden. Hierdurch wird die metallische
Verbindungsschicht 104 vor dem Prozessmedium geschützt, bzw. in dem Fall, dass das Metallplättchen 105 lediglich die Breite der funktionalen Schicht 102 aufweist, zusätzlich die Flanken der zwischen dem Metallplättchen 105 und dem Substrat 101 befindlichen Schichten, also die funktionale Schicht 102, die Passivierungsschicht 103 und die metallische Verbindungsschicht 104, welche von dem Prozessmedium berührt werden könnten.
Das derart aufgebaute erfindungsgemäße Sensorelement 1 bietet eine im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen weitaus verbesserte Langzeitstabilität im Einsatz mit aggressiven Prozessmedien.
Das erfindungsgemäße Sensorelement 1 kann in einer Vielzahl von Applikationen eingesetzt werden. So ist es beispielsweise vorgesehen, das Sensorelement 1 als Heizelement oder als Temperatursensor in einem thermischen Strömungssensor einzusetzen.
Das Sensorelement 1 kann dafür derart ausgestaltet sein, um abwechselnd das Messmedium zu beheizen und die Temperatur des Messmediums zu messen. Das Abklingen der in das Messmedium induzierten Temperatur ist hierbei ein Maß für die Durchflussgeschwindigkeit des Messmediums.
Alternativ kann die Durchflussgeschwindigkeit des Messmediums dabei über durch den Stand der Technik weitläufig bekannten Messprinzipien, wie beispielsweise der Heizdrahtmethode, des Constant-Temperature-Anemometers, oder des
Aufheizverfahrens, mit mindestens zwei der erfindungsgemäßen Sensorelemente 1 bestimmt werden. Es versteht sich jedoch von selbst, dass der Einsatz des erfindungsgemäßen
Sensorelements nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern dem Fachmann bewusst ist, dass ein solches Sensorelement in einer Vielzahl weiterer Applikationen eingesetzt werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Sensorelement
101 Substrat
102 funktionale Schicht
103 Passivierungsschicht
104 metallische Verbindungsschicht
105 Metallplättchen
106 Kunststoffschicht
107 Kontaktpads
108 Versiegelung
2 Zuleitungskabel
3 Trägerelement
301 Vergussmasse

Claims

Patentansprüche
Sensorelement (1 ) zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße eines
Messmediums, umfassend:
- ein planares Substrat (101 ),
- eine funktionale Schicht (102), welche auf einer Oberfläche des Substrats (101 ) aufgebracht ist,
- eine Passivierungsschicht (103), welche auf der funktionalen Schicht (102)
aufgebracht ist,
- eine metallische Verbindungsschicht (104), welche derart auf der Oberfläche der Passivierungsschicht (103) aufgebracht ist, dass die Passivierungsschicht (103) vollständig bedeckt ist; und
- ein Metallplättchen (105), welches derart auf der Oberfläche der metallischen Verbindungsschicht (104) aufgebracht ist, dass im Falle eines Kontakts des Sensorelements (1 ) mit dem Messmedium kein Kontakt zwischen der
Passivierungsschicht (103) und dem Messmedium auftritt.
Sensorelement (1 ) nach Anspruch 1 , wobei sich zwischen der Passivierungsschicht (103) und der metallischen Verbindungsschicht (104) eine Kontaktschicht befindet, welche derart ausgestaltet ist, dass ein Aufbringen der metallischen
Verbindungsschicht (104) auf der Passivierungsschicht (103) ermöglicht ist.
Sensorelement (1 ) nach Anspruch 2, wobei auf diejenigen Bereiche der Oberfläche des Substrats (101 ), welche sich im Anschluss an das auf der Oberfläche der metallischen Verbindungsschicht (104) angebrachte Metallplättchen (105) befinden, eine Kunststoffschicht (104) derart aufgetragen ist, dass diese die Kontaktschicht zwecks Verhinderung eines Kontakt mit dem Messmedium abdeckt.
Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der metallischen Verbindungsschicht (104) um eine Lötschicht, insbesondere Lötzinn, handelt.
5. Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der metallischen Verbindungsschicht (104) um eine Sinterschicht, insbesondere eine Silbersinterschicht, handelt. 6. Sensorelement (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
Passivierungsschicht (103) aus Glas besteht.
7. Sensorelement (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Substrat (101 ) im Wesentlichen aus Zirkonoxid, aus Aluminiumnitrid oder aus Aluminiumoxid besteht.
8. Sensorelement (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die funktionale Schicht zumindest teilweise aus Platin, Nickel, Palladium, aus einer Metalllegierung oder aus einem dotierten Material besteht.
9. Sensorelement (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Metallplattchen (105) aus Nickel, einer Nickel-Chrom-Verbindung, aus einem Edelstahl oder aus einer Edelstahl-Verbindung besteht. 10. Sensorelement (1 ) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Sensorelement (1 ) endseitig auf einem Teil der Oberfläche des Substrats (101 ), welcher sich im Anschluss an das auf der Oberfläche der metallischen Verbindungsschicht (104) angebrachte Metallplättchen (105) befindet, auf mit der funktionalen Schicht verbundene Kontaktpads (107) aufweist, auf weiche
Zuleitungskabel (2) aufgeschweißt, gebondet, gelötet oder elektrisch leitend verklebt sind, und
wobei das Sensorelement (1 ) derart in ein Trägerelement (3) eingebracht ist, dass sich die Kontaktpads (107) innerhalb des Trägerelements (3) befinden. 11. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 10, wobei das Trägerelement (3) vollständig mit einer Vergussmasse (301 ) gefüllt ist, so dass im Falle eines Kontakts des
Sensorelements (1 ) mit dem Messmedium kein Kontakt zwischen den Kontaktpads (107), bzw. den Zuleitungskabeln (2) und dem Messmedium erfolgt.
12. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 1 1 , wobei die Vergussmasse (301 ) aus einem Epoxidharz, Silikon oder Glas besteht.
13. Sensorelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die funktionale Schicht (102) als Metallschicht mit einem definierten elektrischen Widerstand und einem definierten Temperaturkoeffizienten zur Bestimmung der Temperatur des
Messmediums als physikalische Messgröße anhand eines gemessenen elektrischen Widerstandswerts ausgebildet ist. 14. Sensorelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die funktionale Schicht (102) als Metallschicht mit einem definierten elektrischen Widerstand ausgebildet ist und wobei das Sensorelement (1 ) ausgestaltet ist, das Messmedium zumindest zeitweise mittels Beaufschlagung einer elektrischen Leistung zu beheizen. 15. Thermischer Strömungssensor, aufweisend zumindest zwei Sensorelemente (1 ) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eines der zumindest zwei Sensorelemente (1 ) als Heizelement zur Erwärmung des
Messmediums dient.
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