Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines

Temperatursensors sowie einen Temperatursensor zum Einsatz bei hohen Temperaturen, vorzugsweise bei Temperaturen oberhalb von in etwa 200°C.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Temperatursensorelemente zur Bestimmung einer Temperatur bekannt. Diese werden bspw. in

Dünnschichttechnik gefertigt und weisen auf einem Substrat eine funktionale Schicht, bspw. aus Platin, auf. Mittels dieser funktionalen Schicht lässt sich eine Temperatur eines Mediums, mit dem die funktionale Schicht in

thermischer Wechselwirkung steht, bestimmen.

Für den Einsatz werden derartige Temperatursensorelemente zum Schutz vor äußeren Einflüssen (mechanische, chemische, etc.) in ein Gehäuse

eingebracht. Dies führt jedoch zu einer Beeinflussung der thermischen

Wechselwirkung zwischen Temperatursensorelement und Medium, sodass eine verzögerte bzw. eine reduzierte Ansprechzeit entsteht. Um die Ansprechzeit eines solchen Temperatursensorelementes zu erhöhen, wird immer häufiger darauf zurückgegriffen, dass das

Temperatursensorelement mittels eines Lötzinns auf einen Bodenträger des Gehäuses gelötet wird, umso eine verbesserte thermische Wechselwirkung zu erzielen. Hierfür wird auf konventionelle Löttechniken zurückgegriffen, welche wiederum hinsichtlich der Schmelztemperatur neue Herausforderungen bergen. So ist in den letzten Jahren eine Tendenz zu erkennen, bleifreie Lote zu verwenden. Bleifreie Lote, insbesondere bleifreie Niedertemperatur Lote, haben typischerweise eine Schmelztemperatur unterhalb von 220°C. Durch die relativ niedrige Schmelztemperatur ist auch die Einsatztemperatur des Temperatursensors auf einen Bereich von ca. 200°C beschränkt.

Alternativ gibt es bleifreie Lote mit einer Schmelztemperatur von über 900°C, welche typischerweise Silber basiert sind. Nachteilig an diesen Loten ist, dass zu deren Verarbeitung eine hohe Prozesstemperatur benötigt wird, sodass ein damit zu lötendes Temperatursensorelement ebenfalls diesen Temperaturen standhalten muss. Aktuell ist in der Verbindungstechnik keine Technologie bekannt, die einen zuverlässigen und thermisch gut gekoppelten Einbau eines

Temperatursensorelementes in ein Gehäuse ermöglicht, sodass ein Einsatz auch bei hohen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen im Bereich von ca. 200 - 900 °C möglich ist.

Daneben weisen konventionelle Löttechniken oftmals das Problem der Lunkerbildung, d.h. dem Luft- und Flussmitteleinschluss in einem nicht gewünschten Anteil, auf. Die Lunkerbildung führt wiederum dazu, dass die thermische Wechselwirkung zwischen Medium und dem

Temperatursensorelement beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors, ein Temperatursensor zum Einsatz bei hohen

Temperaturen und einer Verwendung des Temperatursensors in einer Strömungsmessvorrichtung gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur

Herstellung eines Temperatursensors gelöst, wobei der Temperatursensor zumindest ein Temperatursensorelement mit einer zumindest teilweise metallisierten Seite und ein Träger umfasst, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:

- Aufbringen einer Verbindungsschicht, welche zumindest Gold, Silber und/oder Palladium aufweist, auf den Träger;

- Aufbringen einer Silbersinterpastenschicht; - Anordnen des Temperatursensorelementes auf dem Träger, sodass das Temperatursensorelement mit der zumindest teilweise

metallisierten Seite über die Verbindungsschicht und die

Silberpastenschicht mit dem Träger verbunden ist;

- Sintern der Silbersinterpastenschicht zum Verbinden des

Temperatursensorelementes mit dem Träger.

Erfindungsgemäß wird Silbersintern zur Fixierung des

Temperatursensorelementes auf einem Träger vorgeschlagen. Der Träger umfasst vorzugsweise Edelstahl, Kupfer und/oder Nickel.

Die Verbindungsschicht wird vorteilhafterweise durch Dünnschichttechnik aufgebracht, sodass die Dicke der Verbindungsschicht typischerweise im Bereich von einigen 100 Nanometern bis zu wenigen Mikrometern liegt. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei ein Sputterprozess zur Abscheidung erwiesen, galvanischer Abscheidungsprozess erwiesen. Je Grundmaterial und Geometrie kann aber auch eine galvanische Abscheidung von Vorteil sein.

Die für die Silbersinterung verwendete Silbersinterpaste enthält extrem feine Silberpartikel, die sich bereits bei Sintertemperaturen von ca. 230°C bis 300°C zu festem Silber verbinden. Die entstehende Silbersinterschicht hat die von Silber bekannten üblichen Eigenschaften, insbesondere einen Schmelzpunkt von 961 °C. Somit lässt sich ein derartig gefertigter bzw. hergestellter

Temperatursensor auch bei Temperaturen oberhalb von 200°C einsetzen.

Vorteilhaft beim Silbersintern ist ebenfalls, dass kein Flussmittel verwendet werden muss und somit eine Lunkerbildung im Wesentlichen verhindert werden kann. Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Silbersinterpastenschicht auf die Verbindungsschicht des Trägers aufgebracht wird. Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass anstelle des Aufbringens der Silbersinterschicht auf die

Verbindungsschicht diese auf die zumindest teilweise metallisierte Seite des Temperatursensorelements aufgebracht wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Träger, bspw. eine dünnes Plättchen, nach dem Anordnen des Temperatursensorelementes und dem Sintern der

Silbersinterpastenschicht mit einem Gehäuse, bspw. einem hohlzylindrischen Gehäuse, stoffschlüssig verbunden wird.

Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als Träger anstelle bspw. eines dünnen Plättchens eine

Gehäusewand, vorzugsweise eine Bodenwand, eines Gehäuses verwendet wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zum Sintern der Silbersinterpastenschicht ein Temperaturprofil mit zumindest einer ansteigenden Temperaturrampe verwendet wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die zumindest teilweise metallisierte Seite zumindest Gold, Silber und/oder Palladium aufweist. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die zumindest teilweise metallisierte Seite zumindest Gold, Silber und/oder Palladium aufweist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die zumindest teilweise metallisierte Seite über einen

Dünnschichtprozess erzeugt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass beim Sintern der Silbersinterpastenschicht ein definierter Druck auf das Temperatursensorelement aufgebracht wird, sodass eine definierte Schichtdicke der Silbersinterpastenschicht entsteht. Durch eine definierte bzw. dünne Schichtdicke, welche typischerweise wenige Mikrometer bis maximal einige zehn Mikrometer dick ist, kann das in der Silbersinterpastenschicht befindliche Lösungsmittel besser entweichen.

Hinsichtlich des Temperatursensors wird die Aufgabe durch einen

Temperatursensor zum Einsatz bei hohen Temperaturen, vorzugsweise bei Temperaturen oberhalb von in etwa 200°C, mit einem Gehäuse in dem zumindest ein Temperatursensorelement angeordnet ist, gelöst, wobei das Temperatursensorelement zumindest eine teilweise metallisierte Seite aufweist und über die zumindest teilweise metallisierte Seite mit einer

Silbersinterschicht verbunden ist, wobei die Silbersinterschicht entweder über eine Verbindungsschicht, welche zumindest Gold, Silber und/oder Palladium umfasst, mit einer Gehäusewand des Gehäuses oder unmittelbar über eine Gehäusewand, welche zumindest Gold, Silber und/oder Palladium umfasst, mit dem Gehäuse verbunden ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors sieht vor, dass das Temperatursensorelement eine funktionale Schicht zur Bestimmung einer Temperatur umfasst. Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass zumindest zwei Kontaktdrähte zur Kontaktierung der funktionalen Schicht mit einer Elektronik vorgesehen sind, wobei die Kontaktdrähte über Drahtansätze derartig auf der funktionalen Schicht angeordnet sind, dass die Drahtansätze von der Gehäusewand des Gehäuses weggerichtet sind.

Ferner sieht die Ausgestaltung insbesondere vor, dass die zumindest teilweise metallisierte Seite eine der funktionalen Schicht gegenüberliegende Seite des Temperatursensorelementes oder eine zur funktionalen Schicht im

Wesentlichen orthogonal angeordnete Seitenwand des

Temperatursensorelementes ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Temperatursensors sieht vor, dass das Temperatursensorelement zumindest über die Gehäusewand des Gehäuses und die Silbersinterschicht mit der zu bestimmenden Temperatur beaufschlagt ist.

Hinsichtlich der Verwendung wird die Aufgabe durch die Verwendung eines Temperatursensors, gemäß zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen als ein Heizelement, insbesondere als Heizelement in einer Strömungsmessvorrichtung, gelöst.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Temperatursensors mit einer ersten Anordnungsvariante bezüglich der Kontaktdrähte,

Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Temperatursensors mit zwei weiteren Anordnungsvarianten bezüglich der Kontaktdrähte,

Fig. 3: ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Temperatursensors, und Fig. 4: ein schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemäßen

Verfahrens.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Temperatursensors. Der Temperatursensor 1 umfasst dabei ein

Temperatursensorelement 2 und ein Gehäuse 3. Das in Fig. 1 gezeigte

Gehäuse 3 stellt typischerweise ein auf seiner Unterseite abgeschlossenes Röhrchen, vorzugsweise ein metallisches Röhrchen dar. Das Temperatursensorelement 2 weist ein Substrat 4, bspw. ein

Keramiksubstrat, eine funktionale Schicht 6 zur Bestimmung einer

Temperatur, bspw. eine Platinmäanderstrukutur mit einem definierten temperaturabhängigen Widerstand, und eine metallisierte Seite 1 1 auf.

Die funktionale Schicht 6 ist über Kontaktdrähte 8 mit einer entsprechenden Elektronik (in Fig. 1 nicht dargestellt), die die Umsetzung des

Widerstandswertes in einen Temperaturwert durchführt, verbunden. Hierzu sind gemäß dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel die

Kontaktdrähte 8 über deren Drahtansätze 12 derartig auf der funktionalen

Schicht 6 bzw. einer dafür vorgesehenen Kontaktfläche angeordnet, dass die Drahtansätze 12 von der Gehäusewand des Gehäuses 3 weggerichtet sind, sodass diese nicht in Kontakt mit der Gehäusewand kommen. Die Kontaktdrähte 8 der in Fig. 1 dargestellten ersten Varianten bezüglich der Kontaktierung des erfindungsgemäßen Temperatursensors mittels

Kontaktdrähten ersten Ausführungsbeispiels zeigen, dass die Drahtansätze 12 zuerst im Wesentlichen parallel zu einer Substratoberfläche bevor

anschließend der Drahtfortsätze dann im Wesentlichen parallel in Bezug zu einer Mittelachse, die orthogonal auf der Substratoberfläche steht, verlaufen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die metallisierte Seite 1 1 auf der der funktionalen Schicht 6 gegenüberliegende Seiten des

Temperatursensorelementes 2 angeordnet. Die metallisierte Seite 1 1 ist, wie in Fig. 1 dargestellt, typischerweise auf der der funktionalen Schicht 6 gegenüberliegende Seiten des

Temperatursensorelementes 2 angeordnet. Denkbar ist aber auch eine Ausgestaltung, bei der eine Seitenwand 13 des Temperatursensorelementes 2 zumindest teilweise als metallisierte Seite 1 1 dient (vgl. Fig. 2).

Das in Fig. 1 dargestellte Gehäuse 3 ist einstückig. Beispielsweise dient hier ein Röhrchen, welches an zumindest einem Ende geschlossen ist, als

Gehäuse 3. Das Temperatursensorelement 2 wird bei dieser Variante mit einer Bodenwand des Röhrchens 14, welche als Träger dient, über eine Silbersinterschicht 5 verbunden.

In Fig. 2 sind zwei weitere mit (a) und (b) gekennzeichnete alternative

Varianten bezüglich der Kontaktierung des erfindungsgemäßen

Temperatursensors mittels der Kontaktdrähte dargestellt.

Diese Varianten zeigen, dass sowohl die Drahtansätze als auch die

Drahtfortsätze im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche verlaufen. Der Draht weist also keine Biegung oder ähnliches auf. Diese Varianten

reduzieren die Gefahr, dass eine unbeabsichtigte Berührung der

Kontaktdrähte an einer Gehäusewand stattfindet.

Ferner unterscheiden sich die in Fig. 2 dargestellten Varianten bezüglich der in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltung dadurch, dass eine Seitenwand 13 des Temperatursensorelementes 2 zumindest teilweise als metallisierte Seite 1 1 dient. Somit ist das Temperatursensorelement quasi hochkant in dem

Gehäuse angeordnet. Diese Varianten bieten somit den Vorteil, dass das Temperatursensorelement auch in einem sehr kleinen Gehäuse, bspw. einem Röhrchen mit nur einigen Millimetern Durchmesser, eingebracht werden kann.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors 1 , bei der das Gehäuse 3 aus zwei Teilen aufgebaut ist. Hierbei ist der Aufbau des

Temperatursensorelementes 2 im Wesentlichen wie zuvor beschrieben.

Einzig das Gehäuse 3 unterscheidet sich dahingehend, dass als Boden des Gehäuses bzw. des Röhrchens ein Träger, bspw. ein Plättchen 15, dient, welches nachdem das Temperatursensorelement 2 auf dem Plättchen 15 fixiert wurde, mit der Gehäusewand bzw. der Wand des Röhrchens verbunden wird. Typischerweise wird diese Verbindung stoffschlüssig, bspw. durch Schweißen, hergestellt. Zur Veranschaulichung ist in Fig. 3 die

Verbindungsstelle mit dem Bezugszeichen 10 dargestellt. Diese

Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass eine vereinfachte Anordnung bzw. Platzierung des Temperatursensorelementes 2 auf dem Plättchen 15 im Vergleich zu dem Boden des Röhrchens möglich ist.

Ferner weist sowohl die in Fig. 1 dargestellte Ausgestaltung des

Temperatursensors 1 mit einem einstückigen Gehäuse 3 als auch die in Fig. 3 dargestellte Ausgestaltung mit einem zweiteiligen Gehäuse 3, 15 eine

Verbindungsschicht 7 auf. Die Verbindungsschicht 7 enthält Gold, Silber und/oder Platin. In dem Fall eines einstückigen Gehäuses 3, wird die

Verbindungsschicht 7 auf eine Bodenwand des Gehäuses 14, welche als Träger dient, aufgebracht und in dem Fall, eines aus zwei Teilen aufgebauten Gehäuses 3, 15, wird die Verbindungsschicht auf bspw. ein Plättchen 15, welches als Träger dient, aufgebracht. Dieses Plättchen 15 wird in einem späteren Verfahrensschritt dann mit einem Gehäuse 3, welches zunächst keinen Gehäuseboden aufweist, verbunden. Die Verbindungsschicht 7 dient der Haftvermittlung zwischen Substrat 4 und dem Träger auf den das Substrat 4 während des Herstellprozess aufgebracht wird.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm mit den einzelnen

Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das

erfindungsgemäße Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf:

- Im Schritt 31 wird eine Reinigung des Trägers 14 oder 15, auf dem das Temperatursensorelement 2 fixiert werden soll, durchgeführt.

Vorzugsweise wird diese Reinigung mittels Aceton und/oder

Isopropanol durchgeführt. Als besonders vorteilhaft hat sich die nasschemische Reinigung mit anschließender lonenätzung und/oder eine Plasmareinigung herausgestellt. - Im Schritt 32 wird eine Gold-, Silber- oder Palladiumschicht als

Verbindungsschicht 7 auf den Träger 14 oder 15 aufgebracht. Anschließend wird im Schritt 33 eine Silbersinterpastenschicht 5 mittels einer Silbersinterpaste erzeugt. Das Aufbringen der Silbersinterpaste kann dabei sowohl auf dem Träger 14 oder 15 als auch auf der metallisierten Seite 1 1 des Substrats 4 des

Temperatursensorelementes 2 erfolgen. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, insbesondere in dem Fall, dass als Träger die Bodenwand des einstückigen Gehäuses, bspw. in Form eines Röhrchens, dienen soll, wenn die Silbersinterpastenschicht 5 auf die metallisierte Seite 1 1 des Substrates 4 aufgebracht wird.

Im Schritt 34 wird dann das Temperatursensorelement bzw. der Temperaturfühler auf den bzw. dem Träger aufgebracht bzw.

angeordnet. Das Aufbringen bzw. Anordnen erfolgt vorzugsweise mittels eines definierten Druckes, sodass eine definierte Schichtdicke der Silberleitschicht entsteht.

Im anschließenden Schritt 35 erfolgt das Sintern der

Silbersinterpastenschicht 5 durch Ausheizen des Temperatursensors 1 in einem Ofen. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn für die Ausheizung mindestens zwei ansteigende

Temperaturrampen verwendet werden. Dabei wird der Ofen mit der ersten Temperaturrampe, die bspw. in 10°C pro Minute heizt, von Raumtemperatur auf eine erste Temperatur aufgeheizt. Anschließend wird der Ofen für eine erste Zeitspanne bei der ersten Temperatur gehalten, sodass Lösungsmittel, welches sich in der

Silbersinterpastenschicht befindet, verdampfen kann. Anschließend wird der Ofen auf eine zweite Temperatur geheizt. Hierzu wird vorteilhafterweise eine zweite Temperaturrampe verwendet, die bspw. in 50°C pro Minute heizt. Bei der zweiten Temperatur findet

anschließend das eigentliche Sintern der Silbersinterpastenschicht statt. Nachdem der Ofen für eine definierte Zeitspanne bei der zweiten Temperatur gehalten wird, erfolgt anschließend eine Abkühlung mittels einer abfallenden Temperaturrampe. - Im weiteren Schritt 36, welcher nur in dem Fall durchgeführt wird, dass das Gehäuse 3 aus zwei Teilen aufgebaut ist, wird eine Verbindung, vorzugsweise eine stoffschlüssige Verbindung, des Plättchens 15 als Träger mit der Gehäusewand 36 hergestellt.

- In einem letzten Schritt 37, welcher nur bei Bedarf durchgeführt wird, wird das Temperatursensorelement 2 in dem Gehäuse 3 vergossen. Hierzu eignen sich sowohl Keramik- als auch Polymervergusse.

Bezugszeichenliste

Temperatursensor

Temperatursensorelement

Gehäuse

Substrat

Silbersinterpastenschicht bzw. Silbersinterschicht

Funktionale Schicht

Verbindungsschicht

Verbindungsdraht

Abdeckpaste

Verbindungsstelle

Metallisierte Seite

Drahtansätze

Seitenwand des Temperatursensorelennentes

Bodenwand des einstückigen Gehäuses als Träger

Plättchen als Träger

Verfahrensschritt des Reinigens des Trägers

Verfahrensschritt des Aufbringens der Verbindungsschicht

Verfahrensschritt des Aufbringens einer Silbersinterschicht

Verfahrensschritt des Aufbringens des Temperatursensorelementes

Verfahrensschritt des Sinterns der Silbersinterpastenschicht

Verfahrensschritt des Verbindens des Trägers mit dem Gehäuse

Verfahrensschritt des Vergießen des Temperatursensorelementes