DE102014108349A1 - Measuring arrangement with a carrier element and a micromechanical sensor - Google Patents

Measuring arrangement with a carrier element and a micromechanical sensor Download PDF

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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.

Figure DE102014108349A1_0001
Figure DE102014108349A1_0001

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 PCT/EP2013/071617 und in der DE 10 2013 017 317 A1 beschrieben. Innerhalb des Trägerelements ist zur besseren Anordnung des mikromechanischen Sensors ein Röhrchen aus Stahl oder Kunststoff angeordnet. Im Fall der Messung von aggressiven Medien kann allerdings das mediumsberührende Material des Sensors und/oder des Trägerelements angegriffen werden.A generic measuring arrangement of a carrier element with a micromechanical sensor is in the PCT / EP2013 / 071617 and in the DE 10 2013 017 317 A1 described. Within the carrier element, a tube made of steel or plastic is arranged for a better arrangement of the micromechanical sensor. In the case of the measurement of aggressive media, however, the medium-contacting material of the sensor and / or the carrier element can be attacked.

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 ASTM D882 aufweist. Dadurch wird die Anbindung zwischen dem Sensor und dem Trägerelement zusätzlich verbessert.It is advantageous if the parylene coating has a tensile strength greater than 5000 psi, preferably greater than 7000 psi ASTM D882 having. As a result, the connection between the sensor and the carrier element is additionally improved.

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 ASTM F1249 . Durch die geringe Diffusion wird bei wässrigen Lösungen und feuchten Gasen die Gefahr einer Diffusion und eines Abschälens der Beschichtung verringert.The moisture permeability of the parylene coating is advantageously less than 0.3 (g · mm) / (m 2 · 24 h), preferably less than 0.25 (g · mm) / (m 2 · 24 h) at 37 ° C and 90% relative humidity, according to ASTM F1249 , The low diffusion reduces the risk of diffusion and peeling of the coating in the case of aqueous solutions and moist gases.

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:

1: Darstellung einer ersten Messanordnung mit einer Parylenebeschichtung als innere Auskleidung; 1 : Representation of a first measuring arrangement with a Parylenebeschichtung as inner lining;

2: schematische Darstellung eines Teilausschnitts der Messanordnung; und 2 : schematic representation of a partial section of the measuring arrangement; and

3: Darstellung einer zweiten Messanordnung mit einer Parylenebeschichtung als innere Auskleidung. 3 : Representation of a second measuring arrangement with a Parylenebeschichtung as inner lining.

Die in 1, 2 und 3 dargestellten Messanordnungen werden vorzugsweise in Messgeräten der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt.In the 1 . 2 and 3 illustrated measuring arrangements are preferably used in measuring devices of process and automation technology.

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.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensors 1, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein Sensor für ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät in mikromechanischer Bauweise (MEMS – Micro-Electro-Mechanical-System) ausgebildet ist. Der Sensor 1 umfasst einen Sensorkörper 2, der aus Keramik oder Glas ausgebildet ist und eine Oberfläche mit einer ersten Anschlussöffnung 3 und einer zweiten Anschlussöffnung 4, die jeweils einen Durchmesser von ca. 1mm umfassen, aufweist. Der Sensorkörpers 2 ist quaderförmig und weist eine erste und eine zweite quadratförmige Seitenfläche auf, die jeweils typischerweise ca. 1 cm2 groß sind. Die erste und die zweite Anschlussöffnung 3, 4 sind an einer ersten Seitenfläche des Sensorkörpers 2 angeordnet und führen zu einem durchströmbaren Volumen, dass im Inneren des Sensorkörpers angeordnet ist und mittels eines Metallkörpers, insbesondere ein Metallrohr gegen den Sensorkörper abgegrenzt ist. Die Anschlussöffnungen 3 und 4 münden in einen Fluidkanal 5, welcher sich durch den mikromechanischen Sensor 1 erstreckt. 1 shows a first embodiment of a sensor 1 , which is formed in the present embodiment as a sensor for a Coriolis mass flowmeter in micro-mechanical design (MEMS - micro-electro-mechanical system). The sensor 1 includes a sensor body 2 formed of ceramic or glass and a surface having a first connection opening 3 and a second connection opening 4 , each comprising a diameter of about 1mm has. The sensor body 2 is cuboid and has a first and a second square side surface, each typically about 1 cm 2 are large. The first and the second connection opening 3 . 4 are on a first side surface of the sensor body 2 arranged and lead to a flow-through volume, which is arranged in the interior of the sensor body and is delimited by means of a metal body, in particular a metal tube against the sensor body. The connection openings 3 and 4 open into a fluid channel 5 passing through the micromechanical sensor 1 extends.

1 zeigt zudem ein Trägerelement 14 mit einer Längsachse A, auf welchem ein Sensor zur Ermittlung einer Prozessgröße eines gasförmigen oder flüssigen Fluids angeordnet werden kann. Das Trägerelement 14 weist einen Fluidkanal auf, welcher sich im vorliegenden Beispiel in einen Fluidzuführkanal 15 und einen Fluidabführkanal 16 zur Zu- und Abführung eines Fluids zum Sensor unterteilt. Es sind allerdings auch andere Trägerelement-Sensor Konstruktionen möglich, beispielsweise ein Drucksensor, bei welchem die Fluidzuführung und -abführung in einem Kanal zusammengefasst werden können. 1 also shows a carrier element 14 with a longitudinal axis A, on which a sensor for determining a process variable of a gaseous or liquid fluid can be arranged. The carrier element 14 has a fluid channel, which in the present example in a Fluidzuführkanal 15 and a fluid discharge channel 16 divided to supply and discharge of a fluid to the sensor. However, other support element sensor constructions are also possible, for example a pressure sensor in which the fluid supply and removal can be combined in one channel.

In der Anordnung der 1 kann der Sensor auch in Form eines Coriolis-Durchflussmessgerätes zur Messung der Viskosität des Fluids genutzt werden. Der Sensor muss allerdings nicht zwingend als Coriolis-Durchflussmessgerät ausgebildet sein. Die Art des Sensors hängt von der zu ermittelnden Prozessgröße ab.In the arrangement of 1 The sensor can also be used in the form of a Coriolis flowmeter for measuring the viscosity of the fluid. However, the sensor does not necessarily have to be designed as a Coriolis flowmeter. The type of sensor depends on the process variable to be determined.

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 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen erstes Kanalsegment 17 auf, welches im Wesentlichen parallel zur Längsachse A des Trägerelements 14 verläuft. Dieses Kanalsegment ist endständig mit einem Prozessanschluss einer Rohrleitung verbindbar. Der Fluidzuführkanal weist zudem ein zweites Kanalsegment 18 in welches das erste Kanalsegment 17 mündet. Dieses zweite Kanalsegment 18 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Winkel von 90° zur Längsachse im Trägerelement 14 angeordnet. Dabei ist der Durchmesser des ersten Kanalsegments 17 größer, vorzugsweise zumindest doppelt so groß, wie der Durchmesser des zweiten Kanalsegments 18. Das zweite Kanalsegment 18 weist eine Durchmesseraufweitung 19 zur Aufnahme eines Abschlusselements 21 auf. Dadurch erfolgt nach dem Einsetzen des Anschlusselements kein Nennweitensprung innerhalb des zweiten Kanalsegments 18. Durch das zweite Kanalsegment 18 kann das Fluid radial zur Achse aus dem Trägerelement herausgeleitet werden.The fluid supply channel has in the in 1 illustrated embodiment, a first channel segment 17 which is substantially parallel to the longitudinal axis A of the carrier element 14 runs. This duct segment can be connected terminally to a process connection of a pipeline. The fluid supply channel also has a second channel segment 18 into which the first channel segment 17 empties. This second channel segment 18 is in the present embodiment at an angle of 90 ° to the longitudinal axis in the carrier element 14 arranged. Here is the diameter of the first channel segment 17 larger, preferably at least twice as large as the diameter of the second channel segment 18 , The second channel segment 18 has a diameter expansion 19 for receiving a termination element 21 on. As a result, no nominal displacement within the second channel segment takes place after insertion of the connecting element 18 , Through the second channel segment 18 For example, the fluid can be led out of the carrier element radially to the axis.

In 1 wird der gesamte Fluidstrom von einem Trägerelement 14 über das zweite Kanalsegment 18 durch den mikromechanischen Sensor 1 geleitet. Allerdings kann das Kanalsegment 18 auch lediglich als ein Bypass ausgebildet sein, während ein weiterer Fluidstrom, insbesondere die Hauptströmung durch einen zentralen Kanal 20 im Trägerelement 14 geführt wird. Diese Ausführungsvariante ist in 3 dargestellt.In 1 the entire fluid flow is from a carrier element 14 over the second channel segment 18 through the micromechanical sensor 1 directed. However, the channel segment can 18 also be designed only as a bypass, while another fluid flow, in particular the main flow through a central channel 20 in the carrier element 14 to be led. This variant is in 3 shown.

Das Trägerelement 14 weist zudem den Fluidabführkanal 16 als Teil des Fluidkanals auf, welcher im Wesentlichen baugleich zum Fluidzuführkanal 15 aufgebaut ist. Zwischen dem Fluidabführkanal und dem Fluidzuführkanal kann im Fall eines Bypasses optional ein Kanalverbindungssegment 20 angeordnet sein, welches im Trägerelement 14 parallel zur Längsachse A angeordnet ist und den Fluidzuführkanal und den Fluidabführkanal miteinander verbindet.The carrier element 14 also has the Fluidabführkanal 16 as part of the fluid channel, which is substantially identical to the Fluidzuführkanal 15 is constructed. Between the Fluidabführkanal and the Fluidzuführkanal in the case of a bypass optionally a channel connecting segment 20 be arranged, which in the support element 14 is arranged parallel to the longitudinal axis A and the fluid supply channel and the Fluidabführkanal interconnected.

Der Fluidzuführkanal 15 und der Fluidabführkanal 16 des Trägerelementes 14 sind, ebenso wie der Fluidkanal 5 des Sensors 1, mit einer Paryleneschicht 10 ausgekleidet.The fluid supply channel 15 and the Fluidabführkanal 16 of the carrier element 14 are, as well as the fluid channel 5 of the sensor 1 , with a parylene layer 10 lined.

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 17.As already discussed, not all of the fluid flow through the sensor need be directed, but only a portion of the fluid. The nominal diameter of the channel connection segment has a smaller diameter, preferably at least twice the diameter of the first channel segment 17 ,

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 21 sind entweder als gesonderte Bauteile in Form von Röhrchen ausgebildet oder integral ausgeformt. Sie bestehen vorzugsweise aus Edelstahl – vorzugsweise der Sorte PH 17-4. Ebenso besteht das Trägerelement 14 aus Edelstahl, besonders bevorzugt der Sorte PH 17-4 oder Zirkonium. Andere Materialien, beispielsweise aus Kunststoffmaterialien, sind allerdings ebenfalls denkbar. Gerade bei besonders heißen oder kalten Fluiden ist es jedoch von Vorteil, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Sensors und des Anschlusselements um nicht mehr als das 5-fache voneinander abweichen. Andernfalls kann es zu Undichtigkeiten bei höheren Drücken oder sogar zu einem Ablösen des Sensors kommen. Edelstahl der Sorte PH 17-4 erfüllt diese Anforderungen bezüglich eines Siliziummaterials und/oder Glasmaterials (incl. Borsilikat). Sofern die Anschlusselemente integral mit dem Trägerelement ausgebildet sind, sollte das Material des Trägerelements naturgemäß dem Material der Anschlusselemente entsprechen. Sofern jedoch die Anschlusselemente 21 als gesonderte Bauteile im Trägerelement 14 vorgesehen sind, so kann das Material des Trägerelements vorzugsweise aus einem kostengünstigeren Material, beispielsweise Edelstahl der Sorte 316 L ausgewählt werden. Alternativ kann auch anderes Material, insbesondere Titan, Aluminium, Zirkonium, Tantal, Silizium oder leitendes Keramikmaterial für das Trägerelement und/oder das Anschlusselement eingesetzt werden.The optional connection elements 21 are either formed as separate components in the form of tubes or formed integrally. They are preferably made of stainless steel - preferably the type PH 17-4. Likewise, there is the carrier element 14 made of stainless steel, more preferably of the grade PH 17-4 or zirconium. Other materials, such as plastic materials, however, are also conceivable. Especially with particularly hot or cold fluids, however, it is advantageous if the coefficient of thermal expansion of the material of the sensor and the connection element do not deviate from each other by more than 5 times. Otherwise, leaks can occur at higher pressures or even peel off the sensor. Stainless steel of grade PH 17-4 meets these requirements with respect to a silicon material and / or glass material (incl. Borosilicate). If the connection elements are formed integrally with the carrier element, the material of the carrier element should naturally correspond to the material of the connection elements. However, if the connection elements 21 as separate components in the carrier element 14 are provided, the material of the support member may preferably be selected from a less expensive material, such as grade 316 L stainless steel. Alternatively, other material, in particular titanium, aluminum, zirconium, tantalum, silicon or conductive ceramic material for the support element and / or the connection element can be used.

Zusätzlich oder alternativ zu einer metallischen Anbindungsschicht 30 kann auch eine Kunststoffschicht als Anbindungsschicht vorgesehen sein. Dabei kann es sich bevorzugt um ein Copolymer handeln.Additionally or alternatively to a metallic bonding layer 30 can also be provided as a bonding layer, a plastic layer. This may preferably be a copolymer.

In einer besonderen Ausführungsvariante besteht die Anbindungsschicht 30 aus einem Kunststoff ausgewählt aus folgenden Stoffen: PE, PEEK, PFA, PTFE, PBT und/oder PEK. Hier muss allerdings im Falle der Herstellung einer galvanischen Beschichtung zunächst eine elektrisch leitfähige Schicht in Form von Sputtern, Metallisieren oder Aufdampfen aufgebracht werden.In a particular embodiment variant, the connection layer exists 30 made of a plastic material selected from the following materials: PE, PEEK, PFA, PTFE, PBT and / or PEK. Here, however, in the case of the production of a galvanic coating, first an electrically conductive layer in the form of sputtering, metallization or vapor deposition must be applied.

Zusätzlich oder alternativ können auch wärmeleitfähigen Materialien, welche die Wärmeleitfähigkeit der metallischen Anbindungsschicht 30 erhöhen, in den diese Anbindungsschicht eingebunden werden um eine thermische Kontaktierung zwischen dem Trägerelement und dem Sensor zu ermöglichen.Additionally or alternatively, it is also possible to use thermally conductive materials which have the thermal conductivity of the metallic bonding layer 30 increase, in which these bonding layer are integrated to allow a thermal contact between the support member and the sensor.

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 21 ermöglichen insbesondere einen strömungstechnischen Anschluss zwischen mikromechanischem Sensor 1 und dem Trägerelement 14. Allerdings empfiehlt sich, insbesondere bei höheren Drücken, eine zusätzliche mechanische Anbindung des mikroelektromechanischen Sensors 1.The connection elements 21 allow in particular a fluidic connection between micromechanical sensor 1 and the carrier element 14 , However, especially at higher pressures, an additional mechanical connection of the microelectromechanical sensor is recommended 1 ,

Die mechanische Anbindung des mikromechanischen Sensors 1, insbesondere des mikroelektromechanischen Sensors, erfolgt im Ausführungsbeispiel der 1 mittels einer Lotverbindung. Diese Lotverbindung kann in Form von Lotdrähten 38 und/oder Lotringen 39 auf das Trägerelement 32 aufgebracht sein. Durch die Lotringe 39 wird eine mechanische und zugleich druckstabile und mediumsdichte Verbindung der Anschlusselemente 21 mit dem Trägerelement 14 erreicht.The mechanical connection of the micromechanical sensor 1 , in particular of the microelectromechanical sensor, takes place in the exemplary embodiment of FIG 1 by means of a solder connection. This solder joint can be in the form of solder wires 38 and / or solder rings 39 on the carrier element 32 be upset. Through the solder rings 39 becomes a mechanical and at the same time pressure-stable and medium-tight connection of the connecting elements 21 with the carrier element 14 reached.

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 39 sind auch Lotdrähte auf dem Trägerelement 14 aufgebracht, welche eine direkte Verbindung mit dem mikromechanischen Sensor 1 ermöglichen.In addition to the solder rings 39 are also solder wires on the carrier element 14 applied, which is a direct connection with the micromechanical sensor 1 enable.

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 14 oder dem Sensor 1 erfolgen. Dadurch kann eine gezieltere Auftragung der Schicht als ein Teil der Oberfläche des Trägerelements 32 maskiert werden. Dies garantiert eine definierte Höhe des Lotes und damit ein definiertes Volumen des Lotes.The solder material can be deposited on the carrier element by electrochemical deposition 14 or the sensor 1 respectively. This allows a more targeted application of the layer as a part of the surface of the support element 32 be masked. This guarantees a defined height of the solder and thus a defined volume of the solder.

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 14 und einem der Anschlusselemente 21 kann auch eine Verbindung zwischen dem mikroelektromechanischen Sensor 1 und einem der Anschlusselemente 21 erreicht werden.Analogous to the connection between the carrier element 14 and one of the connection elements 21 can also be a connection between the microelectromechanical sensor 1 and one of the connection elements 21 be achieved.

Besonders wegen ihrer mechanischen Stabilität ist dabei eine einheitliche metallische Anbindungsschicht, welche sich vom Trägerelement 14 über das Anschlusselement 21 bis zum mikroelektromechanischen Sensor 1 erstreckt. Especially because of their mechanical stability is a uniform metallic bonding layer, which is different from the support element 14 over the connection element 21 to the microelectromechanical sensor 1 extends.

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 5 des Sensors 1 als auch der Fluidzuführkanal und -abführkanal 15 und 16 des Trägerelements 14 weist eine Parylenebeschichtung 10 auf. Diese ist vorzugsweise über den gesamten fluidkontaktierenden Bereich der Messanordnung verteilt. Die Beschichtung ist besonders bevorzugt nahtlos.The fluid channel 5 of the sensor 1 as well as the Fluidzuführkanal and -abführkanal 15 and 16 the carrier element 14 has a parylene coating 10 on. This is preferably distributed over the entire fluid-contacting region of the measuring arrangement. The coating is particularly preferably seamless.

Die Parylenbeschichtung kann allerdings in einer weniger bevorzugten Ausführungsvariante nur im Bypass bzw. im zweiten Kanalsegment 18 des Trägerelements 14 und im Fluidkanal 5 des Sensors 1 angeordnet sein.However, in a less preferred embodiment, the parylene coating can only be in the bypass or in the second channel segment 18 the carrier element 14 and in the fluid channel 5 of the sensor 1 be arranged.

Der Auftrag der Parylenebeschichtung 10 kann in der Gasphase erfolgen. Dabei wird para-Xylol oder ein halogeniertes para-Xylol als Ausgangsstoff eingesetzt. Über eine an sich bekannte Dimerisierungsreaktion und eine anschließende Zerfallsreaktion kommt es in einer Hochtemperaturzone zur Ausbildung einer polymerisierbaren Spezies. Diese schlägt sich bei Einleiten in Kanalsegmente des Trägerelements 14 und/oder des Fluidkanals 5 des Sensors 1 auf der dortigen Oberfläche ab und bildet eine Polymerschicht, die Parylenschicht 10, aus.The order of parylene coating 10 can be done in the gas phase. In this case, para-xylene or a halogenated para-xylene is used as the starting material. About a per se known dimerization reaction and a subsequent decomposition reaction occurs in a high temperature zone to form a polymerizable species. This is reflected in the introduction into channel segments of the support element 14 and / or the fluid channel 5 of the sensor 1 on the local surface and forms a polymer layer, the parylene layer 10 , out.

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 5 des Sensors 1. Typische Schichtdicken der Paryleneschicht 10 liegen beispielsweise bei 10 µm oder weniger, vorzugsweise zwischen 1 bis 8 µm.The parylene layer can be formed in different layer thickness depending on the gas pressure and concentration of the starting material. This is preferably less than 5% of the nominal diameter of the inner diameter of the fluid channel, preferably less than 2% of the nominal diameter of the inner diameter of the fluid channel 5 of the sensor 1 , Typical layer thicknesses of the parylene layer 10 are for example 10 microns or less, preferably between 1 to 8 microns.

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 15 und 16 verbessert. Die Innenschicht aus Parylene ist zudem diffusionsbeständig.The parylene layer makes it possible to improve the chemical resistance in general and the corrosion resistance of the fluid channel in particular. Among other things, the corrosion resistance in the area of the fluid supply channel and the Fluidabführkanals 15 and 16 improved. The inner layer of Parylene is also diffusion-resistant.

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 ASTM F1249 , gemäß aktueller Fassung zum Zeitpunkt der Anmeldung. Somit kann die Parylenebeschichtung als diffusionsdicht bezeichnet werden.The moisture permeability of the parylene coating is preferably less than 0.3 (g · mm) / (m 2 · 24 h) relative at 37 ° C and 90% humidity, according to ASTM F1249 , according to the current version at the time of registration. Thus, the Parylenebeschichtung be referred to as diffusion-tight.

Die Zugfestigkeit der Parylenebeschichtung beträgt vorzugsweise mehr als 5000 psi, gemäß ASTM D882 , gemäß aktueller Fassung zum Zeitpunkt der Anmeldung. Durch diese Zugfestigkeit der durchgehend zwischen dem Sensor und dem Trägerelement verlaufenden Schicht wird eine dichte Verbindung und eine zusätzliche verbesserte Anbindung in Ergänzung zur Lot-, Kleber- und/oder Halar-Anbindungsschicht geschaffen.The tensile strength of the parylene coating is preferably more than 5000 psi, according to ASTM D882 , according to the current version at the time of registration. Due to this tensile strength of the continuous between the sensor and the support element layer is a dense Connection and an additional improved connection created in addition to the solder, adhesive and / or Halar bonding layer.

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.

2 zeigt in schematischer Weise nochmals den Aufbau der Messanordnung mit einem mikromechanischen Sensor und einem Trägerelement 14. Man erkennt den mikromechanischen Sensor, welcher sowohl ein erstes Sensorkörperelement 22, welches aus Silizium bestehen kann, als auch eine zum Trägerelement 14 gerichtete Schicht 6, welche z.B. aus Borsilikat besteht. Diese Schicht 6 dient u.a. der besseren Anbindung an das Trägerelement 14 und dem thermischen Ausgleich zwischen dem Sensorkörperelement 22 und dem Trägerelement 14. Wie daher in 2 dargestellt, kann der mikromechanische Sensor mehrschichtig ausgebildet sein. 2 shows in a schematic way again the structure of the measuring arrangement with a micromechanical sensor and a carrier element 14 , One recognizes the micromechanical sensor, which both a first sensor body element 22 , which may consist of silicon, as well as a carrier element 14 directed layer 6 , which consists of borosilicate, for example. This layer 6 serves, inter alia, the better connection to the support element 14 and the thermal balance between the sensor body element 22 and the carrier element 14 , How therefore in 2 illustrated, the micromechanical sensor may be formed multi-layered.

Die eigentliche mechanische Anbindung erfolgt durch die Anbindungsschicht 39 z.B. durch ein Gold/Zinn Lot, eine Halar-Verbindung und/oder einen Kleber. Das Trägerelement 14 wiederum ist ein Metallkörper.The actual mechanical connection is made by the connection layer 39 eg by a gold / tin solder, a Halar compound and / or an adhesive. The carrier element 14 in turn is a metal body.

In 2 ist zudem der Fluidkanal dargestellt, welcher sich in die zweiten Kabelsegmente 18 und einen im Sensorkörper 2 angeordneten Fluidkanal 5 unterteilt. In diesen Fluidkanal wird nach dem vorgenannten Auftragsverfahren die Parylenebeschichtung 10 aufgebracht.In 2 In addition, the fluid channel is shown, which is in the second cable segments 18 and one in the sensor body 2 arranged fluid channel 5 divided. In this fluid channel is the Parylenebeschichtung according to the aforementioned application method 10 applied.

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)

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.Measuring arrangement comprising a) a carrier element ( 14 ) with a longitudinal axis (A) on or on which a micromechanical sensor ( 1 ) is arranged for determining a process variable of a gaseous or liquid fluid, and b) the micromechanical sensor ( 1 ) for determining a process variable of a gaseous or liquid fluid with a sensor base body ( 2 ), which has a fluid channel ( 5 ) located inside the sensor ( 1 ) extends from a fluid inlet to a fluid outlet, and c) wherein the carrier element ( 14 ) a fluid supply channel ( 15 ) for supplying the fluid to the sensor ( 1 ) and a Fluidabführkanal ( 16 ) for removing the fluid from the sensor ( 1 ), characterized in that the fluid supply channel ( 15 ) of the carrier element ( 14 ) at least partially a parylene coating ( 10 ), which extend over the fluid channel ( 5 ) of the sensor ( 1 ) into the fluid discharge channel ( 16 ) of the carrier element ( 14 ). Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parylen-Beschichtung (10) eine Schichtdicke von weniger als 5% der Nennweite des Innendurchmessers des Fluidkanals (5) des Sensors (1) aufweist, vorzugsweise weniger als 2% der Nennweite des Innendurchmessers des Fluidkanals (5).Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the parylene coating ( 10 ) has a layer thickness of less than 5% of the nominal diameter of the inner diameter of the fluid channel ( 5 ) of the sensor ( 1 ), preferably less than 2% of the nominal diameter of the inner diameter of the fluid channel ( 5 ). Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parylenbeschichtung (10) eine Zugfestigkeit von 5000 psi, vorzugsweise von mehr als 7000 psi, gemäß ASTM D882, aufweist.Measuring arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the parylene coating ( 10 ) has a tensile strength of 5000 psi, preferably greater than 7000 psi, according to ASTM D882. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit der Parylenbeschichtung (10) 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 ASTM F1249 beträgt. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the moisture permeability of the parylene coating ( 10 ) Is less than 0.3 (g · mm) / (m 2 · 24 h), preferably less than 0.25 (g · mm) / (m 2 · 24 h), relative at 37 ° C and 90% humidity, according to ASTM F1249. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parylenbeschichtung (10) im Wesentlichen aus HT-Parylen besteht.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the parylene coating ( 10 ) consists essentially of HT-parylene. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (14) zur mechanischen Verbindung des Fluidzuführkanals (15) und/oder des Fluidabführkanals(16) des Trägerelements (14) mit dem Fluidkanal (5) des Sensors (1) eine Anbindungsschicht (30) aufweist, die sich über einen Teilbereich einer Oberfläche des Trägerelements (14) und über einen Teilbereich einer Oberfläche des Sensors (1) erstreckt.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier element ( 14 ) for the mechanical connection of the Fluidzuführkanals ( 15 ) and / or the Fluidabführkanals ( 16 ) of the carrier element ( 14 ) with the fluid channel ( 5 ) of the sensor ( 1 ) a connection layer ( 30 ) which extends over a portion of a surface of the carrier element ( 14 ) and over a portion of a surface of the sensor ( 1 ). Messanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsschicht (30) ein polyfluorierter Kunststoff, insbesondere Halar, und/oder ein Metall-Lot und/oder ein Kleber ist.Measuring arrangement according to claim 7, characterized in that the connection layer ( 30 ) is a polyfluorinated plastic, in particular Halar, and / or a metal solder and / or an adhesive. Verfahren zur Aufbringung einer Polymerschicht, insbesondere einer Paryleneschicht, in einer Messanordnung, insbesondere einer Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschichtbildung durch Zuleiten eines gasförmigen Ausgangsstoffes auf eine Oberfläche, insbesondere eine messmediumsberührende Oberfläche, der Messanordnung erfolgt und wobei sich eine Polymerschicht (10) durch Polymerisation des gasförmigen Ausgangsstoffes auf zumindest der Oberfläche der Messanordnung abscheidet.Method for applying a polymer layer, in particular a parylene layer, in a measuring arrangement, in particular a measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the polymer layer formation takes place by supplying a gaseous starting material to a surface, in particular a measuring medium-contacting surface, the measuring arrangement and wherein a polymer layer ( 10 ) is deposited by polymerization of the gaseous starting material on at least the surface of the measuring device. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Messanordnung bestehender fluidleitender Kanal bei der Aufbringung der Polymerschicht als Reaktionskammer dient.A method according to claim 8, characterized in that in the measuring arrangement existing fluid-conducting channel is used in the application of the polymer layer as a reaction chamber.
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