Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Temperaturmessung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.

Es existieren verschiedenste Temperatursensoren. Bei einigen werden Thermoelemente als Messfühler verwendet, deren jeweiliger Widerstand jeweils temperaturabhängig ist. Zwei oder mehr Zuleitungen werden dabei zu dem Thermoelement hingeführt und an eine Messelektronik zum Betreiben des Temperatursensors angeschlossen. Um unter anderem gegebenenfalls die Messergebnisse verfälschende Widerstände der Zuleitungen zu eliminieren, ist es bekannt Zwei-, Drei- oder Vierleitermessungen zu verwenden.

Viele solcher Temperatursensoren sind allerdings nicht ausreichend flexibel, sodass sie nicht einsetzbar sind, wenn eine besondere Anpassbarkeit ihrer Form notwendig ist. Falls sie flexibel sind, ist deren Ansprechbarkeit in der Regel zu gering.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Temperatursensor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen anzugeben, der einen oder sämtliche dieser Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Foliensensor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Foliensensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dementsprechend ist ein erfindungsgemäßer Sensor zur Temperaturmessung als (flexibler) Foliensensor ausgebildet, der ein flexibles, vorzugsweise dehnbares, (dünnes) Folienstück aus Kunststoff aufweist, auf das eine insbesondere stufenfreie, bevorzugt durchgehend planare Leiterbahn aus elektrisch leitfähigem Material aufgedruckt ist, vorzugsweise aus oder auf Basis von Platin oder Nickel, die als Messfühler dient (im Folgenden auch als Messfühlerleiterbahn bezeichnet). Weiter sind auf das flexible Folienstück (insbesondere winklig zu der Messfühlerleiterbahn) mehrere (separate) Leiterbahnen aus elektrisch leitfähigem Material aufgedruckt, insbesondere aus oder auf Basis von Silber, Kupfer, Kohlenstoff, kohlenstoffbasiertem Material oder leitfähigem Polymer, die jeweils zur Kontaktierung der Messfühlerleiterbahn dienen bzw. die jeweils eine Zuleitung zu dieser bilden (im Folgenden auch als Kontaktierungsleiterbahnen bezeichnet).

Im Rahmen der Herstellung eines solchen Foliensensors wird die Messfühleiterbahn in einem ersten Bedruckungsschritt auf das Folienstück aufgedruckt. Die Kontaktierungsleiterbahnen werden in einem nachfolgenden zweiten Bedruckungsschritt auf dieses aufgedruckt, und zwar derart, dass dabei zur elektrischen Kontaktierung der Messfühlerleiterbahn jeweils ein Teilbereich jeder Kontaktierungsleiterbahn, insbesondere jeweils ein erster Endbereich, jeweils einen Teilbereich der Messfühlerleiterbahn unter jeweiliger Anlage an diesen (von oben bzw. nach außen hin) und dabei elektrischer Kontaktierung desselben überdeckt.

Die Kontaktierungsleiterbahnen können dabei in dem zweiten Bedruckungsschritt derart auf das Folienstück aufgedruckt sein, dass die jeweilige Kontaktierungsleiterbahn im Übergang zu ihrem jeweiligen, die Messfühlerleiterbahn überdeckenden Teilbereich eine Stufe oder Steigung ausbildet.

Indem erfindungsgemäß ein Foliensensor mit einem Folienstück verwendet wird, auf das der Messfühler sowie die Zuleitungen zu dem Messfühler als Leiterbahnen aufgedruckt werden, wird ein Temperatursensor geschaffen, der höchsten Anforderungen an die Ansprechbarkeit genügen kann sowie äußerst flexibel einsetzbar ist, da sich dessen äußere Form aufgrund der Flexibilität des Foliensensors bzw. des Folienstücks umfassend an die jeweiligen Einsatzbedingungen anpassen lässt.

Indem zudem die Kontaktierungsleiterbahnen die Messfühlerleiterbahn von oben kontaktieren bzw. durch das bereichsweise Überdrucken der Messfühlerleiterbahn mit den Kontaktierungsleiterbahnen unter Ausbildung von Kontaktierungsstellen zwischen den Kontaktierungsleiterbahnen und der Messfühlerleiterbahn, werden im Vergleich zu einer Variante, bei der andersherum die Messfühlerleiterbahn auf die Kontaktierungsleiterbahnen aufgedruckt werden würde, weitere Vorteile erzielt.

Unter anderem können Verfälschungen der Messergebnisse entgegengewirkt werden und/oder Rissen der Messfühlerleiterbahn vorgebeugt werden:

So könnte bei einem - wie oben beschriebenen - umgekehrten Druckauftrag das beim Aufdrucken noch flüssige Material der Messfühlerleiterbahn aufgrund der Erhebungen auf dem Folienstück bildenden Kontaktierungsleiterbahnen von diesen Erhebungen herabfließen, wenn das flüssige Material auf die Kontaktierungsleiterbahnen gedruckt wird, sodass sich unterschiedliche Auftragsdicken und somit die Messergebnisse verfälschende Leiterbahnquerschnitte der Messfühlerleiterbahn herausbilden könnten/würden.

Derselbe Effekt könnte auch zu einer mangelnden Flexibilität der Messfühlerleiterbahn in den genannten Bereichen führen, was dann bei Biegungen des Foliensensors Risse der Messfühlerleiterbahn begünstigen würde.

Schließlich würde die Messfühler-Leiterbahn in diesem Fall auf zwei unterschiedliche Materialien gedruckt werden, nämlich zum einen auf das Material bzw. die obere Lage der Folienstückoberseite, zum anderen auf das Material der Kontaktierungsleiterbahnen, was bei ungünstigen Temperaturwechseln ebenfalls zu Rissbildungen der Messfühler-Ieiterbahn führen würde.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Messfühleiterbahn und/oder die Kontaktierungsleiterbahnen nach dem jeweiligen Aufdrucken auf das Folienstück gesintert werden.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, die Messfühlerleiterbahn in einem weiteren Sinterschritt, der nach dem vorgenannten ersten Sinterschritt erfolgt, erneut zu sintern, also nachzusintern.

Denkbar ist auch, dass die Messfühlerleiterbahn in einem weiteren, nach dem Sintern erfolgenden Schritt geprägt wird. Weiter kann vorgesehen sein, dass nach dem Aufdrucken der Messfühlerleiterbahn der Querschnitt derselben durch einen Materialabtragungsprozess gezielt in einem Bereich verändert wird, nämlich verringert wird, um den Widerstandswert der Messfühlerleiterbahn gezielt zu erhöhen, insbesondere durch Lasern, Fräsen oder Schaben.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, in einem weiteren Bedruckungsschritt auf einen anderen Teilbereich jeder Kontaktierungsleiterbahn, insbesondere auf einen zweiten Endbereich, unter an diesen anliegender und diesen dabei elektrisch kontaktierender Überdeckung desselben jeweils eine Kontaktierungsfläche aus elektrisch leitfähigem Material aufzudrucken, insbesondere aus oder auf Basis von Graphit, mit der ein mit einer Messelektronik zum Betreiben des Temperatursensors elektrisch verbundenes Kontaktierungsmittel elektrisch verbindbar ist. Dabei kann jede dieser Kontaktierungsflächen insbesondere breiter ausgebildet sein als die Kontaktierungsleiterbahn (insbesondere breiter als der Querschnitt derselben).

Zweckmäßigerweise kann dabei auch vorgesehen sein, dass die jeweilige Kontaktierungsfläche in einem weiteren, dem Bedruckungsschritt nachfolgenden Schritt gesintert wird.

Weiter kann vorgesehen sein, auf das Folienstück eine insbesondere zusammenhängende Isolationsschicht aus elektrisch isolierendem Material aufzubringen, insbesondere aufzudrucken oder aufzulaminieren, die (von oben bzw. nach außen hin) die Messfühlerleiterbahn überdeckt. Zusätzlich oder alternativ kann dabei vorgesehen sein, die Kontaktierungsleiterbahnen in dieser Weise mit einer/der Isolationsschicht zu überdecken, allerdings zumindest mit Ausnahme der oben genannten Kontaktierungsflächen zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktierungsleiterbahnen. Weiter zusätzlich oder alternativ kann schließlich vorgesehen sein, in dieser Weise mit einer/der Isolationsschicht einen Teilbereich des Folienstücks zu überdecken, der außerhalb der Messfühlerleiterbahn und/oder der Kontaktierungsleiterbahnen angeordnet ist.

Was die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte betrifft, insbesondere die Bedruckungsschritte, der oder die Sinterschritte und/oder die etwaige Veränderung des Querschnitts der Messfühlerleiterbahn, so können diese vorzugsweise im Rahmen des Herstellungsprozesses automatisch ablaufen.

Was speziell die erfindungsgemäßen Bedruckungsschritte betrifft, so kann/können ein, mehrere oder jeder Bedruckungsschritt ein Siebdruckschritt sein, ein Inkjet-Druckschritt oder ein Hoch- oder Tiefdruckschritt. Alternativ können auch (andere) Druck- Dünnschichttechniken für elektronische Schaltungen verwendet werden.

Das Aufdrucken der Leiterbahnen bzw. der Kontaktierungsflächen könnte entsprechend unter anderem durch Inkjet-Drucker oder Siebdrucker mittels an sich bekannter kunststoffbasierter "Tinten" erfolgen, die mit elektrisch leitfähigen Partikeln angereichert sind.

Was das aus Kunststoff bestehende Folienstück betrifft, so kann dieses Folienstück ein- oder mehrlagig ausgebildet sein.

Vorzugsweise kann das Folienstück eine Dicke zwischen 1 pm und 3 mm aufweisen, besonders bevorzugt zwischen 2 pm und 2 mm.

Bevorzugt ist es des Weiteren, für das flexible Folienstück eine (ein- oder mehrlagige) flexible, elastische Folie einzusetzen. Die Folie, insbesondere die eine oder jede Lage desselben, weist bevorzugt ein Polymer auf ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, weiches Polyethylen (LDPE), Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyurethan, thermoplastisches Polyurethan oder eine Mischung oder Kombination aus mindestens zwei hiervon.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Temperatur-Foliensensor,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Temperatur-Foliensensor aus Fig. 1 , Fig. 3 den Temperatur-Foliensensor aus Fig. 1 mit einer zusätzlichen, optionalen Isolationsschicht, ebenfalls in Draufsicht.

Ein erfindungsgemäßer Foliensensor 10, an den eine Messelektronik bzw. eine Messeinrichtung zum Betreiben desselben anschließbar ist (die unter anderem die notwendige Messspannung/den notwendigen Messstrom liefert etc.), weist ein (vorliegend ebenes bzw. planares) flexibles Folienstück 11 aus Kunststoff auf, auf das im Rahmen von Bedruckungsverfahren eine Messfühlerleiterbahn 12 sowie im vorliegenden Fall vier Kontaktierungsleiterbahnen 13 aufgebracht worden sind.

Das Folienstück 11 kann dabei aus ein- oder mehrlagiger Folie bestehen mit beispielsweise einer Dicke zwischen 2 pm und 2 mm, wobei die Folie beispielsweise Polyethylen oder ein anderes geeignetes Polymer aufweisen kann oder daraus bestehen kann.

Die Messfühlerleiterbahn 12 des Foliensensors 10 ist in einem ersten Bedruckungsschritt aufgebracht worden und dient als Messfühler bzw. als temperatursensitives Thermoelement des Foliensensors 10.

Sie besteht entsprechend aus einem Material, das einen großen Temperaturkoeffizienten aufweist und eine relativ gute elektrische Leitfähigkeit besitzt. Bevorzugt können Platin oder Nickel eingesetzt werden oder Material, das auf Platin oder Nickel basiert.

Da die Messfühlerleiterbahn 12 - aber auch die Kontaktierungsleiterbahnen 13 - auf das Folienstück 11 (im Rahmen einer additiven Drucktechnik) aufgedruckt werden, muss es sich bei dem Material, aus dem die Messfühlerleiterbahn 12 und die Kontaktierungsleiterbahnen 13 bestehen, vorliegend um druckfähiges Material handeln, also um entsprechend elektrisch leitfähige Tinten oder Pasten etc.

Die Geometrie der Messfühlerleiterbahn 12 kann nahezu frei gewählt werden. Bevorzugt soll sie allerdings bei 20°C Materialtemperatur einen ohmschen Widerstand von nicht mehr (oder nicht sehr viel mehr) als 5 I<W aufweisen. In einem zweiten Bedruckungsschritt sind auf das Folienstück 11 die vorliegend vier Kontaktierungsleiterbahnen 13 aufgebracht, nämlich ebenfalls aufgedruckt worden, und zwar nicht parallel, sondern winklig zu der Messfühlerleiterbahn 12, sodass sich die Kontaktierungsleiterbahnen 13 und die Messfühlerleiterbahn 12 berühren. Vorliegend verlaufen die Kontaktierungsleiterbahnen mindestens abschnittsweise in einem Winkel von 90° zu der Messfühlerleiterbahn 12, dies muss aber natürlich nicht so sein.

Jede Kontaktierungsleiterbahn 13 besteht, wie oben bereits angedeutet, ebenfalls aus elektrisch leitfähigem (druckfähigem) Material, wie etwa druckfähiger Tinte oder Paste, beispielsweise aus oder auf Basis von Silber, Kupfer, Kohlenstoff, kohlenstoffbasiertem Material oder leitfähigem Polymer.

Wichtig ist, dass jede Kontaktierungsleiterbahn 13, nämlich jeweils ein erster Teilbereich 14 derselben, vorliegend ein erstes Ende der jeweiligen Kontaktierungsleiterbahn 13, (von oben bzw. von außen) auf jeweils einen (darunter liegenden, jeweils anderen) Teilbereich der Messfühlerleiterbahn 12 aufgedruckt wird, sodass der erste Teilbereich 14 die Messfühlerleiterbahn 12 in deren jeweiligem Teilbereich unter Anlage an diesen und elektrischer Kontaktierung bzw. Verbindung zwischen Messfühlerleiterbahn 12 und jeweiliger Kontaktierungsleiterbahn 13 überdeckt. Auf diese Weise ist jeweils ein elektrischer Kontakt zwischen der jeweiligen Kontaktierungsleiterbahn 13 und der Messfühlerleiterbahn 12 hergestellt.

Wie in Fig. 2 gut zu erkennen ist, bilden die Kontaktierungsleiterbahnen 13 in dem Übergangsbereich 19 zu dem ersten Teilbereich 14 jeweils (bezogen auf ihre Höhe bzw. ihren Abstand zur Folienstückoberseite) eine Stufe aus. Die Kontaktierungsleiterbahnen 13 könnten in diesem Übergangsbereich 19 aber auch kontinuierlich ansteigen.

Die Kontaktierungsleiterbahnen 13 sind jeweils im Betrieb des Foliensensors 10 mit einer/der nicht dargestellten Messelektronik zum Betreiben des Foliensensors 10 elektrisch verbunden, und zwar über mit der Messelektronik elektrisch verbundene Kontaktmittel. Zu diesem Zweck sind Kontaktierungsflächen 15 bzw. Kontaktpads aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen, insbesondere aus oder auf Basis von Graphit. Diese Kontaktierungsflächen 15 dienen zur Vermeidung von Oxidationseffekten bei der Kontaktierung der Kontaktierungsleiterbahnen 13 bzw. zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit in diesem Bereich.

Jeder Kontaktierungsleiterbahn 13 weist dabei jeweils eine mit ihr verbundene Kontaktierungsfläche 15 auf, nämlich jeweils in einem zweiten Teilbereich 16 der Kontaktierungsleiterbahn 13, nämlich vorliegend an dem zweiten, anderen Ende jeder Kontaktierungsleiterbahn 13.

Mit jeder dieser Kontaktierungsflächen 15 könnte im Betrieb des Foliensensors 10 beispielsweise ein Leitungsende einer mit der Messelektronik elektrisch verbundenen elektrischen Leitung (eines Kabels) elektrisch verbunden sein, beispielsweise verlötet.

Die Kontaktierungsflächen 15 sind dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel breiter als die Kontaktierungsleiterbahnen 13 ausgebildet, um den Anschluss bzw. die Verbindung mit diesen Leitungsenden zu erleichtern

Die Kontaktierungsflächen 15 wurden bzw. werden im Übrigen in einem weiteren Bedruckungsschritt aufgedruckt, nämlich nachdem die Kontaktierungsleiterbahnen 13 bereits aufgedruckt worden sind, sodass sie die zweiten Teilbereiche 16 der Kontaktierungsleiterbahnen 13 von oben bzw. außen überdecken.

Um im Betrieb des Foliensensors 10 Messfehler aufgrund unterschiedlicher Widerstände der Kontaktierungsleiterbahnen 13 zu verhindern, sind vorliegend vier Kontaktierungsleiterbahnen 13 vorgesehen, sodass der Foliensensor 10 entsprechend in Vierleitermessung betrieben werden kann. Natürlich ist auch denkbar, nur zwei oder drei Kontaktierungsleiterbahnen 13 vorzusehen, sodass der Foliensensor 10 entsprechend in Zwei- oder Dreileitermessung betrieben werden würde.

Erkennbar ist in Fig. 1 des Weiteren, dass die Messfühlerleiterbahn 12 in einem Bereich 16 eine Ausnehmung 17 aufweist. Diese ist durch nachträglichen, gezielten Materialabtrag an der Messfühlerleiterbahn 12 entstanden, beispielsweise durch Lasern, Fräsen oder Schaben. Auf diese Weise kann der ohmsche Widerstand der Messfühlerleiterbahn 12 auch noch nach dem Aufdrucken derselben auf das Folienstück 11 durch Reduktion des Querschnitts der Messfühlerleiterbahn 12 beeinflusst und auf ein gewünschtes (exaktes) Maß erhöht werden. Weiter kann vorzugsweise vorgesehen sein, die Messfühlerleiterbahn 12 und/oder die Kontaktierungsleiterbahnen 13 jeweils zu sintern bzw. ggf. nachzusintern.

In Fig. 3 ist schließlich eine schützende elektrische Isolationsschicht 18 erkennbar, die sich über die Messfühlerleiterbahn 12 und die Kontaktierungsleiterbahnen 13 erstreckt, wobei die Kontaktierungsflächen 15 freigelassen sind, um deren Kontaktierung zu ermöglichen.

Bezugszeichenliste

10 Foliensensor

11 Folienstück

12 Messfühlerleiterbahn

13 Kontaktierungsleiterbahn

14 erster Teilbereich Kontaktierungsleiterbahn

15 Kontaktierungsfläche

16 zweiter T eilbereich Kontaktierungsleiterbahn

17 Ausnehmung Messfühlerleiterbahn

18 Isolationsschicht

19 Übergangsbereich