DE102014108349A1 - Measuring arrangement with a carrier element and a micromechanical sensor - Google Patents
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Abstract
Eine Messanordnung umfassend
a) ein Trägerelement (14) mit einer Längsachse (A) auf oder an welchem ein mikromechanischer Sensor (1) zur Ermittlung einer Prozessgröße eines gasförmigen oder flüssigen Fluids angeordnet ist, und
b) den mikromechanischer Sensor (1) zur Ermittlung einer Prozessgröße eines gasförmigen oder flüssigen Fluids mit einem Sensorgrundkörper (2), welcher einen Fluidkanal (5) aufweist, welcher sich innerhalb des Sensors (1) von einem Fluideinlass bis zu einem Fluidauslass erstreckt, und
c) wobei das Trägerelement (14) einen Fluidzuführkanal (15) zur Zuführung des Fluids zum Sensor (1) und einen Fluidabführkanal (16) zur Abführung des Fluids vom Sensor (1) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidzuführkanal (15) des Trägerelements (14) zumindest bereichsweise eine Parylenebeschichtung (10) aufweist, welche sich über den Fluidkanal (5) des Sensors (1) bis in den Fluidabführkanal (16) des Trägerelements (14) erstreckt,
sowie ein Verfahren zur Aufbringung einer Paryleneschicht auf eine Messanordnung.Comprising a measuring arrangement
a) a support element (14) with a longitudinal axis (A) on or on which a micromechanical sensor (1) for determining a process variable of a gaseous or liquid fluid is arranged, and
b) the micromechanical sensor (1) for determining a process variable of a gaseous or liquid fluid having a sensor base body (2) which has a fluid channel (5) which extends within the sensor (1) from a fluid inlet to a fluid outlet, and
c) wherein the carrier element (14) has a fluid supply channel (15) for supplying the fluid to the sensor (1) and a Fluidabführkanal (16) for discharging the fluid from the sensor (1),
characterized in that the Fluidzuführkanal (15) of the support member (14) at least partially a Parylenebeschichtung (10) which extends over the fluid channel (5) of the sensor (1) into the Fluidabführkanal (16) of the support member (14),
and a method of applying a parylene layer to a measuring device.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung umfassend ein Trägerelement und einen mikromechanischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Aufbringung einer Polymerschicht in einer Messanordnung.The present invention relates to a measuring arrangement comprising a carrier element and a micromechanical sensor according to the preamble of claim 1 and a method for applying a polymer layer in a measuring arrangement.
Eine gattungsgemäße Messanordnung eines Trägerelements mit einem mikromechanischen Sensor wird in der
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Schutz des Sensors und/oder des Trägerelements und/oder der Verbindung dieser beiden Elemente bereitzustellenIt is therefore an object of the present invention to provide improved protection of the sensor and / or the carrier element and / or the connection of these two elements
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.The present invention solves this problem by a measuring arrangement having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 8.
Eine erfindungsgemäße Messanordnung umfasst ein Trägerelement mit einer Längsachse A auf oder an welchem ein mikromechanischer Sensor zur Ermittlung einer Prozessgröße eines gasförmigen oder flüssigen Fluids angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Messanordnung umfasst zudem den besagten mikromechanischen Sensor zur Ermittlung einer Prozessgröße eines gasförmigen oder flüssigen Fluids mit einem Sensorgrundkörper, welcher einen Fluidkanal aufweist, welcher sich innerhalb des Sensors von einem Fluideinlass bis zu einem Fluidauslass erstreckt. Das Trägerelement weist einen Fluidzuführkanal zur Zuführung des Fluids zum Sensor und einen Fluidabführkanal zur Abführung des Fluids vom Sensor auf.A measuring arrangement according to the invention comprises a carrier element with a longitudinal axis A on or on which a micromechanical sensor for determining a process variable of a gaseous or liquid fluid is arranged. The measuring arrangement according to the invention also comprises said micromechanical sensor for determining a process variable of a gaseous or liquid fluid having a sensor base body which has a fluid channel which extends within the sensor from a fluid inlet to a fluid outlet. The carrier element has a fluid supply channel for supplying the fluid to the sensor and a Fluidabführkanal for discharging the fluid from the sensor.
Erfindungsgemäß weist der Fluidzuführkanal des Trägerelements eine Parylenebeschichtung auf, welche sich über den Fluidkanal des Sensors bis in den Fluidabführkanal des Trägerelements erstreckt.According to the invention, the fluid feed channel of the carrier element has a parylene coating, which extends over the fluid channel of the sensor into the fluid discharge channel of the carrier element.
Der mikromechanische Sensor kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante als Durchflussmessgerät ausgebildet sein. Im Bereich der Durchflussmessgeräte sind zum Schutz eines Stützrohres oftmals sogenannte Liner aus Kunststoff eingebracht. Die üblichen Linermaterialien sind allerdings Gießharze oder Einschubelemente aus Gummi oder dergleichen. Aufgrund der geringen Nennweite des Fluidkanals eines mikromechanischen Sensors sind allerdings alle oder zumindest der überwiegende Teil der Linermaterialien für den Einsatz in mikromechanischen Sensoren, insbesondere in MEMS-Sensoren, ungeeignet. Sie führen zu einer starken Verringerung der Nennweite, was eine große Messungenauigkeit des Sensors bewirkt. Eine Parylenbeschichtung hingegen ermöglicht einen effektiven Schutz des Fluidkanals im Trägerelement und im mikromechanischen Sensor. Die Parylenbeschichtung läßt sich in Schichtdicken von 10 µm oder geringer realisieren. Da die Abscheidung aus der Gasphase erfolgt, kann eine relativ einheitliche Schichtdicke der Beschichtung über den gesamten Fluidkanal der Messanordnung erzielt werden.The micromechanical sensor can be designed as a flow meter in a preferred embodiment. In the field of flowmeters so-called liner made of plastic are often used to protect a support tube. However, the usual liner materials are casting resins or insertion elements made of rubber or the like. Due to the small nominal diameter of the fluid channel of a micromechanical sensor, however, all or at least the predominant part of the liner materials are unsuitable for use in micromechanical sensors, in particular in MEMS sensors. They lead to a large reduction in the nominal size, which causes a large measurement inaccuracy of the sensor. By contrast, a parylene coating allows effective protection of the fluid channel in the carrier element and in the micromechanical sensor. The parylene coating can be realized in layer thicknesses of 10 μm or less. Since the deposition is carried out from the gas phase, a relatively uniform layer thickness of the coating over the entire fluid channel of the measuring arrangement can be achieved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Es ist von Vorteil, wenn die Parylene-Beschichtung eine Schichtdicke von weniger als 5% der Nennweite des Innendurchmessers des Fluidkanals des mikromechanischen Sensors, vorzugsweise weniger als 2% der Nennweite des Innendurchmessers des Fluidkanals, aufweist. Sofern dieser Nennweitensprung einheitlich über den Verlauf des Fluidkanals des Sensors ist, so kann dieser Messweitensprung bei der Auswertung berücksichtigt und rechnerisch kompensiert werden.It is advantageous if the parylene coating has a layer thickness of less than 5% of the nominal diameter of the inner diameter of the fluid channel of the micromechanical sensor, preferably less than 2% of the nominal diameter of the inner diameter of the fluid channel. If this nominal size jump is uniform over the course of the fluid channel of the sensor, then this measurement span can be taken into account in the evaluation and computationally compensated.
Es ist von Vorteil, wenn die Parylen-Beschichtung eine Zugfestigkeit von mehr als 5000 psi, vorzugsweise von mehr als 7000 psi, gemäß
Die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit der Parylenbeschichtung beträgt vorteilhaft weniger als 0,3 (g·mm)/(m2·24 h), vorzugsweise weniger als 0,25 (g·mm)/(m2·24 h), bei 37°C und 90% relative Luftfeuchte, gemäß
Es ist von Vorteil, wenn die Parylenebeschichtung im Wesentlichen aus HT-Parylene besteht. Diese monofluorierte Variante des Parylenes weist gegenüber anderen Parylene-Verbindungen einen sehr geringen Reibungskoeffizienten auf. Dadurch wird die Tendenz zur Anhaftung von Ablagerungen auf der beschichteten Oberfläche verringert.It is advantageous if the parylene coating consists essentially of HT-parylene. This monofluorinated variant of the parylenes has a very low coefficient of friction compared to other parylene compounds. This reduces the tendency for deposits to adhere to the coated surface.
Das Trägerelement kann vorteilhaft zur mechanischen Verbindung des Fluidzuführkanals und/oder des Fluidabführkanals des Trägerelements mit dem Fluidkanal des Sensors eine Anbindungsschicht aufweist, die sich über einen Teilbereich einer Oberfläche des Trägerelements und über einen Teilbereich einer Oberfläche des Sensors erstreckt. Diese Anbindungsschicht ist nicht innerhalb des Fluidkanals sondern an einer zum Trägerelement hinzeigenden Außenfläche des Sensor angeordnet und verbindet das Trägerelement mit dem Sensor.The carrier element can advantageously for mechanical connection of the Fluidzuführkanals and / or Fluidabführkanals of the support member having the fluid channel of the sensor has a bonding layer which extends over a portion of a surface of the support member and over a portion of a surface of the sensor. This attachment layer is not within the Fluid channel but arranged on an outer surface of the sensor facing the carrier element and connects the carrier element with the sensor.
Die Anbindungsschicht kann ein Kleber, ein polyfluorierter Kunststoff, insbesondere Halar, und/oder ein Metalllot, insbesondere ein Gold-, Silber- und/oder Zinnlot sein. Anschlusselemente zwischen dem Sensor und dem Trägerelement, wie z.B. Metallröhrchen, können vorgesehen sein. Allerdings kann der Sensor auch in einer Art schwimmender Anpassung ausschließlich durch das Lot, den Kleber oder das Halar mit dem Trägerelement ohne zusätzliche Anschlusselemente verbunden sein. In diesem Fall können Fertigungstoleranzen durch das Lot als weniger starre Verbindung im Vergleich zu den Anschlusselementen ausgeglichen werden. Mögliche auftretende Totvolumina im Bereich der Anbindungsschicht werden dabei durch die Parylenebeschichtung verringert oder gänzlich verhindert.The bonding layer may be an adhesive, a polyfluorinated plastic, in particular Halar, and / or a metal solder, in particular a gold, silver and / or tin solder. Connection elements between the sensor and the carrier element, such as e.g. Metal tubes can be provided. However, the sensor can also be connected in a kind of floating adaptation exclusively by the solder, the adhesive or the halar with the support element without additional connection elements. In this case, manufacturing tolerances can be compensated by the solder as a less rigid connection compared to the connection elements. Possible occurring dead volumes in the region of the bonding layer are reduced or completely prevented by the Parylenebeschichtung.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufbringung einer Paryleneschicht in einer Messanordnung gemäß Anspruch 1 erfolgt die Paryleneabscheidung durch Zuleiten eines gasförmigen Ausgangsstoffes, wobei sich eine Paryleneschicht auf der Oberfläche der Messanordnung bildet. In der Gasphase liegen reaktive Monomere und/oder Dimere vor, welche bei Kontakt mit der Oberfläche der Messanordnung an dieser kondensieren und polymerisieren. Anders als bei üblichen Gießharzen gelingt durch dieses Verfahren auch die Auskleidung von Fluidkanälen mit sehr kleinen Nennweiten, z.B. von 100–900 µm Kanaldurchmesser, ohne dass es zum Blockieren des Kanals oder zu einem erheblichen Nennweitensprung kommt.In a method according to the invention for applying a parylene layer in a measuring arrangement according to claim 1, the parylene deposition is effected by supplying a gaseous starting material, a parylene layer forming on the surface of the measuring arrangement. In the gas phase, reactive monomers and / or dimers are present which condense and polymerize on contact with the surface of the measuring arrangement. Unlike conventional casting resins, this process also makes it possible to line fluid channels having very small nominal diameters, e.g. of 100-900 μm channel diameter, without blocking the channel or causing a significant nominal size jump.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung werden zudem nachfolgend beschrieben.Further advantageous embodiments of the invention will also be described below.
Sofern eine Lotverbindung als Anbindungsschicht gewählt wird, kann diese vorteilhaft durch Schmelzen eines Lotdrahtes oder besonders bevorzugt einer strukturierten Lotfolie oder einer elektrochemisch, oder durch Aufdampfen abgeschiedenen Lotbeschichtung hergestellt werden.If a solder connection is selected as the attachment layer, this can advantageously be produced by melting a solder wire or particularly preferably a structured solder foil or a solder coating deposited electrochemically or by vapor deposition.
Besonders vorteilhaft ist zumindest eine Materialkomponente der Lotverbindung ein Edelmetall, insbesondere Gold, und/oder Zinn. Unter diese Definition fallen auch Legierungen, wie z.B. eine Gold/Zinn-Legierung.At least one material component of the solder joint is particularly advantageously a precious metal, in particular gold, and / or tin. Also included in this definition are alloys, e.g. a gold / tin alloy.
Das Trägerelement und/oder das optionale Anschlusselement können vorteilhaft aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl, besonders bevorzugt aus Edelstahl der Sorte PH 17-4 oder Zirkonium bestehen. Gerade die letztgenannte spezielle Stahlsorte weist einen günstigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegenüber dem Material des mikromechanischen Sensors auf. Zirkonium ist besonders bevorzugt, da es noch korrosionsbeständiger ist als die vorgenannte Edelstahlsorte und ebenfalls einen zu anderen Metallen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt.The carrier element and / or the optional connection element may advantageously consist of metal, preferably of stainless steel, particularly preferably of stainless steel of the grade PH 17-4 or zirconium. Especially the latter special steel grade has a favorable thermal expansion coefficient compared to the material of the micromechanical sensor. Zirconium is particularly preferred because it is even more corrosion resistant than the aforementioned stainless steel grade and also has a low thermal expansion coefficient to other metals.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Trägerelements kann vorteilhaft weniger als das 5-fache, vorzugsweise weniger als das 4-fache des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Sensors betragen. Dadurch wird eine druckstabile und wechseltemperaturbeständige Verbindung zwischen Trägerelement und Sensor geschaffen.The thermal expansion coefficient of the material of the carrier element may advantageously be less than 5 times, preferably less than 4 times, the coefficient of thermal expansion of the material of the sensor. This creates a pressure-stable and temperature-resistant connection between carrier element and sensor.
Zur zusätzlichen Stabilisierung ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Sensor und dem Trägerelement weitere stoffschlüssige Verbindungen angeordnet sind. Diese stoffschlüssigen Verbindungen können insbesondere Lotverbindungen, oder Klebeverbindungen sein.For additional stabilization, it is advantageous if further cohesive connections are arranged between the sensor and the carrier element. These cohesive connections may in particular be solder connections or adhesive connections.
Besonders von Vorteil ist es, wenn die vorgenannten stoffschlüssigen Verbindungen möglichst gleichmäßig im Bereich zwischen dem Sensor und dem Trägerelement verteilt sind. Daher ist es von Vorteil, wenn die dem Trägerelement zugewandte Oberfläche des Sensors in zumindest drei gleichdimensionierte Sensorabschnitte einteilbar ist, wobei zumindest zwei der drei Sensorabschnitte zumindest jeweils eine der stoffschlüssigen Verbindungen aufweist.It is particularly advantageous if the aforementioned cohesive connections are distributed as uniformly as possible in the region between the sensor and the carrier element. Therefore, it is advantageous if the surface of the sensor facing the carrier element can be divided into at least three identically dimensioned sensor sections, wherein at least two of the three sensor sections have at least one of the integral connections.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Aufbringung einer Polymerschicht in einer Messanordnung, insbesondere einer Messanordnung nach Anspruch 1, erfolgt durch Zuleiten eines gasförmigen Ausgangsstoffes und wobei sich eine Polymerschicht durch Polymerisation des gasförmigen Ausgangsstoffes auf der Oberfläche der Messanordnung abscheidet.An inventive method for applying a polymer layer in a measuring arrangement, in particular a measuring arrangement according to claim 1, is carried out by supplying a gaseous starting material and wherein a polymer layer is deposited by polymerization of the gaseous starting material on the surface of the measuring arrangement.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Fluidkanäle mit sehr kleinen Nennweiten auskleiden und so das Material der Messanordnung vor dem Messmedium schützen.By virtue of the method according to the invention, it is possible to line fluid channels with very small nominal widths and thus protect the material of the measuring arrangement from the measuring medium.
Die Messanordnung ist insbesondere ein Durchflussmessgerät und das Polymer ist vorzugsweise Parylene. Sofern jedoch andere Polymere mit geringer Schichtdicke aus der Gasphase abgeschieden werden können und entsprechend materialschützende Eigenschaften aufweisen, so sind diese Verbindungen ebenfalls durch den Gegenstand der Erfindung erfasst.The measuring arrangement is in particular a flow meter and the polymer is preferably parylene. However, if other polymers can be deposited with a small layer thickness from the gas phase and correspondingly have material-protecting properties, these compounds are also covered by the subject matter of the invention.
In besonders vorteilhafter Weise kann ein in der Messanordnung bestehender fluidleitender Kanal bei der Aufbringung der Polymerschicht als Reaktionskammer dienen.In a particularly advantageous manner, an existing in the measuring arrangement fluid-conducting channel in the application of the polymer layer serve as a reaction chamber.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings. Show it:
Die in
Die vorliegende Erfindung betrifft die Auskleidung des Fluidkanals eines Sensors und eines erweiterten Fluidkanals der sich durch ein Trägerelement und den daran befestigten Sensor erstreckt. Der Sensor wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen als mikromechanischer Sensor beschrieben.The present invention relates to the lining of the fluid channel of a sensor and an extended fluid channel extending through a support member and the sensor attached thereto. The sensor is described in the following embodiments as a micromechanical sensor.
Die Grundfläche eines bevorzugten mikromechanischen Sensors kann in seiner größten Dimensionierung bevorzugt der maximalen Grundfläche eines Wafers entsprechen. Als Grundfläche ist dabei die Fläche zu verstehen, mit welcher der Sensor mit dem Trägerelement verbunden werden kann. Der mikromechanische Sensor kann allerdings auch wesentlich kleiner ausgebildet sein und z.B. eine Dimensionierung im Bereich weniger Millimeter aufweisen.The base area of a preferred micromechanical sensor may, in its largest dimensioning, preferably correspond to the maximum base area of a wafer. The base area is to be understood as the area with which the sensor can be connected to the carrier element. However, the micromechanical sensor can also be made substantially smaller and, e.g. have a dimensioning in the range of a few millimeters.
Besonders bevorzugt ist zumindest eine Kantenlänge des Sensors kleiner oder gleich 10 cm. Ganz besonders bevorzugt sind alle Kantenlängen des Sensors kleiner oder gleich 10 cm.Particularly preferably, at least one edge length of the sensor is less than or equal to 10 cm. Most preferably, all edge lengths of the sensor are less than or equal to 10 cm.
In der Anordnung der
Diese Prozessgröße kann vorzugsweise die Dichte, die Viskosität, die Stoffzusammensetzung, die Temperatur, pH-Wert, die Leitfähigkeit, der Partikelgehalt, der Volumendurchfluss, der Massendurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids sein.This process variable may preferably be the density, the viscosity, the composition of matter, the temperature, pH, the conductivity, the particle content, the volume flow rate, the mass flow rate and / or the flow rate of a fluid.
Der Fluidzuführkanal weist in dem in
In
Das Trägerelement
Der Fluidzuführkanal
Wie bereits erörtert muss nicht der gesamte Fluidstrom durch den Sensor geleitet werden, sondern nur ein Teil des Fluids. Die Nennweite des Kanalverbindungssegments weist dabei einen kleineren Durchmesser, vorzugsweise zumindest einen doppelt so kleinen Durchmesser auf wie das erste Kanalsegment
Mikroelektromechanische Sensoren, wie sie im vorliegenden Beispiel eingesetzt werden können, sind an sich bekannt. Die im vorliegenden Beispiel eingesetzten Sensoren können als Coriolis-Durchflussmessgerät, als magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, als thermisches Durchflussmessgerät, als Druckmessgerät, als Viskositätsmessgerät spektroskopische Messgeräte, Ultraschallmessgeräte, insbesondere Ultraschall-Durchflussmessgerät, Dichtemessgeräte ausgebildet sein und Prozessgrößen wie Viskosität, Dichte, Druck, Stoffzusammensetzung, Temperatur, Viskosität, der pH-Wert, die Leitfähigkeit, der Partikelgehalt und/oder ggf. auch Durchfluss ermittelt. Unter Sensoren sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch chromatographische Analysatoren (LC- oder GC-Analysatoren) zu verstehen. Diese sind ebenfalls in mikroelektromechanischer Bauweise realisierbar.Microelectromechanical sensors, as can be used in the present example, are known per se. The sensors used in the present example can be embodied as Coriolis flowmeters, magnetic-inductive flowmeters, thermal flowmeters, pressure gauges, viscometers, spectroscopic gauges, ultrasonic gauges, especially ultrasonic flowmeters, density meters, and process variables such as viscosity, density, pressure, composition of matter , Temperature, viscosity, the pH, the conductivity, the particle content and / or possibly also determined flow. For the purposes of the present invention, sensors also include chromatographic analyzers (LC or GC analyzers). These are also feasible in micro-electro-mechanical design.
Der mikroelektromechanische Sensor ist vorzugsweise aus einem Glas oder Siliziummaterial gefertigt. Typischerweise beträgt der Temperaturausdehnungskoeffizient bei diesen Materialien etwa 3·10–6 K–1. Alternativ sind auch Sensoren aus keramischen Materialien oder Metall im Rahmen der vorliegenden Erfindung für diesen Einsatzzweck verwendbar.The microelectromechanical sensor is preferably made of a glass or silicon material. Typically, the thermal expansion coefficient of these materials is about 3 x 10 -6 K -1 . Alternatively, sensors made of ceramic materials or metal in the context of the present invention can be used for this purpose.
Die optionalen Anschlusselemente
Zusätzlich oder alternativ zu einer metallischen Anbindungsschicht
In einer besonderen Ausführungsvariante besteht die Anbindungsschicht
Zusätzlich oder alternativ können auch wärmeleitfähigen Materialien, welche die Wärmeleitfähigkeit der metallischen Anbindungsschicht
Zusätzlich oder alternativ können auch magnetische Substanzen in den Kunststoff eingebunden werden, um die magnetische Kontaktierung zwischen Sensor und Trägerelement zu ermöglichen. Entsprechende magnetische Substanzen kann z.B. Partikel aus Magneteisenstein sein.Additionally or alternatively, magnetic substances can also be incorporated into the plastic in order to enable the magnetic contact between sensor and carrier element. Corresponding magnetic substances may e.g. Be particles of magnetic ironstone.
Auch metallische Elemente, beispielsweise Leiterbahnen, welche die elektrische Leitfähigkeit verbessern können in der metallischen Anbindungsschicht enthalten sein. Also, metallic elements, such as tracks, which improve the electrical conductivity can be included in the metallic bonding layer.
Zwischen dem Trägerelement und dem Anschlusselement und dem Trägerelement und dem Sensor kann zudem vorteilhaft eine Vordichtung in Form einer Membranstruktur oder einer Dichtlippe angeordnet sein, so dass die Lotverbindung mechanisch oder chemisch nicht übermäßig beansprucht wird.Between the carrier element and the connecting element and the carrier element and the sensor can also advantageously a pre-seal in the form of a membrane structure or a sealing lip may be arranged so that the solder joint is mechanically or chemically not excessively stressed.
Sofern eine vorgenannte Lotverbindung geschaffen wird, empfiehlt es sich zuvor die zu verbindenden Oberflächen zu behandeln, um ein besseres Anhaften zu ermöglichen. Dies kann chemisch durch Anätzen erfolgen oder durch Coronabestrahlen oder Lasern oder durch abrasive Verfahren wie z.B. Sandstrahlen. Die behandelten Oberflächen können sodann durch das Lot besser benetzt werden. Zudem wird die Haftfestigkeit einer Klebeverbindung und/oder Halarverbindung verbessert. Um das Lot benetzen zu lassen, kann die Oberfläche mit einer Goldschicht (Galvanik, Aufdampfen oder Sputtern) versehen werden. Dies erfolgt vorzugsweise sowohl auf der Seite des Trägerelements als auch auf der Seite des Senors.If an aforementioned solder joint is created, it is advisable to previously treat the surfaces to be joined in order to allow a better adhesion. This may be done chemically by etching or by corona blasting or lasers or by abrasive methods, such as laser cutting. Sandblasting. The treated surfaces can then be better wetted by the solder. In addition, the adhesive strength of an adhesive bond and / or halo compound is improved. In order to wet the solder, the surface can be provided with a gold layer (electroplating, vapor deposition or sputtering). This is preferably done both on the side of the support member and on the side of the sensor.
Die Anschlusselemente
Die mechanische Anbindung des mikromechanischen Sensors
Die Anbindung zwischen den mikroelektromechanischen Sensor und dem Trägerelement kann alternativ oder zusätzlich zu einer Lotverbindung auch durch ein Klebsystem, z.B. mittels eines Epoxyharzes erfolgen. Die Lotverbindung ist allerdings besonders stabil gegenüber Säuren und Laugen.The connection between the microelectromechanical sensor and the carrier element may alternatively or in addition to a solder connection also be effected by an adhesive system, e.g. done by means of an epoxy resin. However, the solder joint is particularly stable against acids and alkalis.
Zusätzlich zu den Lotringen
Als Lotmaterial eignet sich besonders bevorzugt ein Edelmetall, z.B. Silber oder Gold oder Legierungen daraus. Es ist beispielsweise auch möglich eutektische Gemische aus Silber oder Gold und Zinn einzusetzen. Die Schrumpfung dieser Materialien beträgt dabei vorzugsweise weniger als 1 Vol.%.As the solder material, a noble metal, e.g. Silver or gold or alloys thereof. For example, it is also possible to use eutectic mixtures of silver or gold and tin. The shrinkage of these materials is preferably less than 1 vol.%.
Alternativ oder zusätzlich zu den Lötringen und Lötdrähten können auch strukturierte Metallfolien, insbesondere Gold und/oder Zinnfolien, und/oder eine elektrochemisch oder durch Aufdampfen abgeschiedene Schicht oder Schichten, insbesondere eine Goldschicht, für eine sichere Anbindung sorgen. Das Lot kann zudem mittels einer Schablone auf das Trägermaterial aufgebracht werden.Alternatively or in addition to the solder rings and soldering wires, structured metal foils, in particular gold and / or tin foils, and / or a layer or layers deposited electrochemically or by vapor deposition, in particular a gold layer, can also ensure a secure connection. The solder can also be applied by means of a template on the substrate.
Das Lotmaterial kann durch elektrochemische Abscheidung auf dem Trägerelement
Alternativ zum Goldmaterial kann auch Zinnmaterial oder Legierungen aus beiden Materialien für die Ausbildung der Lotverbindungen genutzt werden. Sowohl Gold als auch Zinn weisen eine gute chemische Beständigkeit gegenüber den meisten Fluiden auf. Die Schrumpfung dieser Materialien beträgt dabei vorzugsweise weniger als 1 Vol.%.As an alternative to the gold material, it is also possible to use tin material or alloys of both materials for the formation of the solder joints. Both gold and tin have good chemical resistance to most fluids. The shrinkage of these materials is preferably less than 1 vol.%.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Lotschicht geringer als 1/5 mm, vorzugsweise geringer als 1/10 mm ist.It is advantageous if the solder layer is less than 1/5 mm, preferably less than 1/10 mm.
Eine elektrochemische Abscheidung einer metallischen Schicht, kann mittels einer galvanischen Abscheidung erfolgen.An electrochemical deposition of a metallic layer can take place by means of a galvanic deposition.
Alternativ kann eine mehrschichtige elektrochemische Abscheidung erfolgen, wobei die Goldschicht und/oder Zinnschicht lediglich die zum Sensor hin oberste Schicht ist.Alternatively, a multilayer electrochemical deposition can take place, wherein the gold layer and / or tin layer is only the uppermost layer towards the sensor.
Im Falle einer galvanischen Abscheidung einer metallischen Anbindungsschicht auf dem Sensor, dem Trägerelement und/oder den optionalen Anschlusselementen kann zur Verbesserung der Abscheidungsrate und der Anhaftung ein Leitlack, vorzugsweise ein Silber- oder Graphitleitlack, eingesetzt werden.In the case of a galvanic deposition of a metallic bonding layer on the sensor, the support element and / or the optional connection elements can be used to improve the deposition rate and the adhesion of a conductive paint, preferably a silver or graphite conductive paint.
Analog zur Verbindung zwischen dem Trägerelement
Besonders wegen ihrer mechanischen Stabilität ist dabei eine einheitliche metallische Anbindungsschicht, welche sich vom Trägerelement
Eine bevorzugte Schichtdicke der Anbindungsschicht beträgt weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 200 µm und besonders bevorzugt weniger als 100 µm. Eine besonders bevorzugte Schichtdicke der mechanischen Anbindungsschicht liegt im Bereich zwischen 100 nm und 100 µm.A preferred layer thickness of the bonding layer is less than 1 mm, preferably less than 200 μm and particularly preferably less than 100 μm. A particularly preferred layer thickness of the mechanical bonding layer is in the range between 100 nm and 100 μm.
Die derart geschaffene Anbindung eines Sensors, welcher beispielsweise in mikroelektromechanischer Bauweise ausgeführt ist, an das Trägerelement ist vorzugsweise druckstabil bis zu einem Druck von mehr als 20 bar, vorzugsweise mehr als 80 bar.The thus created connection of a sensor, which is designed for example in micro-electro-mechanical design, to the carrier element is preferably pressure-stable up to a pressure of more than 20 bar, preferably more than 80 bar.
Verbindungen, welche die elektrische, thermische und/oder magnetische Leitfähigkeit der Anbindungsschicht verbessern können der metallischen Anbindungsschicht zugesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können auch Verbindungen, welche eine bessere Wärmeausdehnungsanpassung zwischen den Materialien des Trägerelements und des Sensors ermöglichen dem Metall der Anbindungsschicht zugesetzt werden.Compounds which improve the electrical, thermal and / or magnetic conductivity of the bonding layer can be added to the metallic bonding layer. Alternatively or additionally, compounds which allow a better thermal expansion match between the materials of the carrier element and the sensor may also be added to the metal of the attachment layer.
Verbindung zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit sind bevorzugt lötfähige und zugleich leitfähige Verbindungen, wie die bereits zuvor genannten Verbindungen,A compound for improving the electrical conductivity are preferably solderable and at the same time conductive compounds, such as the compounds mentioned above,
Verbindungen welche die thermische Leitfähigkeit verbessern können beispielsweise Siliziumcarbid und/oder Aluminiumnitrid sein.Compounds which improve the thermal conductivity can be, for example, silicon carbide and / or aluminum nitride.
Verbindungen, welche eine bessere Wärneausdehnungsanpassung ermöglichen können vorzugsweise Korund und/oder Aluminiumoxid sein.Compounds which allow a better thermal expansion adjustment may preferably be corundum and / or alumina.
Verbindungen welche die magnetische Leitfähigkeit verbessern können beispielsweise Magneteisenstein oder magnetisierbare Metalle oder Metalllegierungen sein.Compounds which improve the magnetic conductivity can be, for example, magnetic iron or magnetizable metals or metal alloys.
Der Fluidkanal
Die Parylenbeschichtung kann allerdings in einer weniger bevorzugten Ausführungsvariante nur im Bypass bzw. im zweiten Kanalsegment
Der Auftrag der Parylenebeschichtung
Die Paryleneschicht kann je nach Gasdruck und Konzentration des Ausgangsstoffes in unterschiedlicher Schichtdicke ausgebildet werden. Diese beträgt vorzugsweise weniger als 5% der Nennweite des Innendurchmessers des Fluidkanals aufweist, vorzugsweise weniger als 2% der Nennweite des Innendurchmessers des Fluidkanals
Die Paryleneschicht ermöglicht die Verbesserung der chemischen Resistenz im Allgemeinen und der Korrosionsfestigkeit des Fluidkanals im Besonderen. Dabei wird u.a. die Korrosionsfestigkeit im Bereich des Fluidzuführkanals und des Fluidabführkanals
Die Parylenebeschichtung kann vorzugsweise aus N, C, D, F und/oder HT Parylene bestehen. Besonders bevorzugt ist jedoch HT-Parylene, also die einfach-fluorierte Variante des N-Dimers des Parylens.The parylene coating may preferably consist of N, C, D, F and / or HT parylene. However, particular preference is given to HT-parylenes, ie the monofluorinated variant of the N-dimer of parylene.
Die Beschichtung des HT-Parylens hält kurzzeitige Temperaturbeanspruchungen von bis zu 450°C aus. Aufgrund der hohen Spaltgängigkeit kann das HT-Parylen auch auf rauere Oberflächen gut anbinden. Der gegenüber den anderen Parylenen weist HT-Parylen zudem den geringsten Reibungskoeffizienten auf, wodurch die Tendenz der Ablagerungen von Mikropartikeln verringert wird.The coating of the HT parylene withstands short-term temperature stresses of up to 450 ° C. Due to the high degree of splitting, HT-Parylene can also bond well to rougher surfaces. In addition, HT parylene has the lowest coefficient of friction compared to the other parylenes, thereby reducing the tendency of microparticle deposits.
Die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit der Parylenebeschichtung beträgt vorzugsweise weniger als 0,3 (g·mm)/(m2·24 h) bei 37°C und 90% relative Luftfeuchte, gemäß
Die Zugfestigkeit der Parylenebeschichtung beträgt vorzugsweise mehr als 5000 psi, gemäß
Die Parylenebeschichtung ist zudem vorzugsweise temperaturbeständig bei Mediumstemperaturen von mehr als 120 °C. Dadurch ist die beschichtete Messanordnung für ein breites Spektrum an Anwendungen geeignet.The Parylenebeschichtung is also preferably temperature resistant at media temperatures of more than 120 ° C. As a result, the coated measuring arrangement is suitable for a wide range of applications.
Die eigentliche mechanische Anbindung erfolgt durch die Anbindungsschicht
In
Parylene ist zudem FDA-zertifiziert und biokompatibel. Daher kann die Messanordnung u.a. auch im Medizinbereich und im Lebensmittelbereich genutzt werden.Parylene is also FDA-certified and biocompatible. Therefore, the measuring arrangement can i.a. also be used in the medical sector and in the food sector.
Zudem ist die Parylenebeschichtung vorzugsweise transparent ausgestaltet.In addition, the Parylenebeschichtung is preferably made transparent.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Sensor sensor
- 22
- Sensorkörper sensor body
- 33
- Erste Anschlussöffnung First connection opening
- 44
- Zweite Anschlussöffnung Second connection opening
- 55
- Fluidkanal fluid channel
- 66
- Schicht layer
- 1010
- Parylenebeschichtung Parylene
- 1414
- Trägerelement support element
- 1515
- Fluidzuführkanal fluid supply
- 1616
- Fluidabführkanal Fluidabführkanal
- 1717
- erstes Kanalsegment first channel segment
- 1818
- zweites Kanalsegment second channel segment
- 2020
- Kanalverbindungssegment Channel link segment
- 2121
- Anschlusselement connecting element
- 2222
- Sensorkörperelement Sensor body element
- 3838
- Lotdrähte solder wires
- 3939
- Lotringe solder rings
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2013/071617 [0002] EP 2013/071617 [0002]
- DE 102013017317 A1 [0002] DE 102013017317 A1 [0002]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- ASTM D882 [0010] ASTM D882 [0010]
- ASTM F1249 [0011] ASTM F1249 [0011]
- ASTM F1249 [0082] ASTM F1249 [0082]
- ASTM D882 [0083] ASTM D882 [0083]
Claims (9)
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