Beschreibung

Sensorvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer

Sensorvorrichtung

Es werden eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur

Herstellung einer Sensorvorrichtung angegeben.

Sensoren können je nach Einsatzort schwankenden

Umweltbedingungen und insbesondere unterschiedlichsten

Temperaturen ausgesetzt sein. Bei zu niedrigen Temperaturen können Medien, mit denen die Sensoren in Kontakt kommen, kondensieren und sogar einfrieren. Beispielsweise können in einem Kraftfahrzeug nach einem Fahrzeuggebrauch zumindest Reste des Abgases in einem Sensor im Abgassystem verbleiben und dort bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen

aufgrund des Anteils von Feuchtigkeit im Abgas kondensieren und sogar einfrieren. Da das Kondensat an sensitiven

Funktionselementen des Sensor anhaften und bei einer

Verfestigung zu Eis unkontrollierte Kräfte ausüben kann, kann das Messsignal des Sensors unmittelbar nach dem nächsten Start des Kraftfahrzeugs oder, bei großer Kälte, sogar während des Fahrens verfälscht sein. Beispielsweise kann dieses Phänomen bei Drucksensoren auftreten, die den Druck eines gasförmigen oder flüssigen Mediums über die Verformung einer dünnen Membran zur Medientrennung detektieren. Vereist wie beschrieben das Kondensat im Sensor, können lange

Wartezeiten entstehen, bis das Medium im Sensor

beispielsweise durch Abwärme des Motors wieder aufgetaut ist. Entsprechend nimmt die Messgenauigkeit von Drucksensoren bei niedrigen Temperaturen stark ab, wobei das Messsignal so starke Verfälschungen zeigen kann, dass es zu Fehldiagnosen kommt. Da der Sensor für das Medium eine Sackgasse darstellen und der kälteste Punkt im System sein kann, kann es weiterhin auch zu einer derartigen Ansammlung von Kondensat im Sensor kommen, dass eine übermäßige Belastung des Sensors entsteht, die sogar zu einer verfrühten Zerstörung führen kann.

Durch erhöhte Anforderungen an die Abgasreinhaltung werden jedoch bei Otto- und Dieselmotoren direkt nach dem

Motorkaltstart Druckmessungen am Abgasstrang notwendig. Damit verkürzt sich die Zeit erheblich, bis der Sensor ein

Messsignal liefern muss. Ein Auftauen allein durch

Motorabwärme ist daher nicht mehr ausreichend. Um dieses Problem zu umgehen, ist es beispielsweise möglich, keine Messungen bei zu tiefen Temperaturen vorzunehmen, sondern den Motor mithilfe hinterlegter Kennlinien zu steuern. Erst wenn bestimmte positive Temperaturen erreicht sind, wird das Sensorsignal ausgewertet. Der Betrieb des Sensors erfolgt somit lediglich in einem bestimmten Temperaturfenster.

Weiterhin kann versucht werden, den Sensor an günstigen Orten des Motorraums, beispielsweise in der Nähe des

Kühlwassereintritts in den Kühler, zu platzieren. Damit ist die Erwärmung jedoch immer noch von der Motorabwärme

abhängig. Eine eigenständige Beheizung des Sensors hingegen führt zu einem erhöhten Energieverbrauch. Weiterhin ist zumindest eine teilweise Vermeidung der Anhaftung von

Kondensat an medienführenden Sensorteilen durch eine

Oberflächenbeschichtung mit hydrophoben Materialien wie zum Beispiel Fluorsilanen möglich. Jedoch sind diese Materialien organischer Natur und verfügen beispielsweise im Vergleich zu Edelstahl über eine verminderte Korrosionsbeständigkeit bei Einwirkung von Temperatur und aggressiven Medien wie etwa einem Abgaskondensat. Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Sensorvorrichtung anzugeben, bei der vorab

beschriebene Probleme verringert oder verhindert werden können. Zumindest eine Aufgabe von weiteren Ausführungsformen ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung anzugeben .

Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand und ein

Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des

Gegenstands und des Verfahrens sind in den abhängigen

Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der

nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine

Sensorvorrichtung ein Sensorelement auf. Das Sensorelement kann insbesondere der aktive Teil der Sensorvorrichtung sein, also der Teil, durch den die Messung vorgenommen wird.

Insbesondere kann die Sensorvorrichtung dazu vorgesehen und eingerichtet sein, zumindest eine Eigenschaft eines Mediums zu messen. Das Medium kann bevorzugt ein Gas oder eine

Mischung von Gasen aufweisen oder sein. Weiterhin kann das Medium Dampf und/oder Tröpfchen eine Flüssigkeit aufweisen, beispielsweise Feuchtigkeit, also Wasserdampf und/oder

Wassertröpfchen. Darüber hinaus kann das Medium auch Partikel enthalten, beispielsweise Ruß. Beispielsweise kann es sich bei dem Medium um Luft oder ein Abgas oder eine Mischung daraus handeln.

Eine von der Sensorvorrichtung zu messende Eigenschaft kann besonders bevorzugt ein Druck sein, so dass die

Sensorvorrichtung als Drucksensor ausgebildet sein kann. Das Sensorelement kann in diesem Fall beispielsweise ein Drucksensorchip sein, der eine Membran aufweist, die dem Medium im Betrieb ausgesetzt ist. Abhängig vom Druck des Mediums auf einer Seite der Membran im Vergleich zu einem Druck auf der anderen Seite der Membran kann sich die Membran unterschiedlich stark verformen. Durch Messung der

Membranverformung kann es möglich sein, Informationen über den Druck des Mediums zu bestimmen. Weiterhin kann eine von der Sensorvorrichtung zu messende Eigenschaft beispielsweise auch eine Temperatur sein, so dass die Sensorvorrichtung zusätzlich oder alternativ auch als Temperatursensor

ausgebildet sein kann. Das Sensorelement kann in diesem Fall beispielsweise einen Thermistor aufweisen oder ein solcher sein. Darüber hinaus kann die Sensorvorrichtung auch dazu eingerichtet und vorgesehen sein, eine oder mehrere optische Eigenschaften des Mediums zu messen. Das Sensorelement kann in diesem Fall beispielsweise Licht erzeugende und/oder Licht detektierende Elemente, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Dioden, aufweisen. Die Sensorvorrichtung kann auch eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweisen, die

beispielsweise aus den beschriebenen Sensorelementen

ausgewählt sein können, so dass die Sensorvorrichtung zur Messung mehrerer Parameter des Mediums verwendet werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die

Sensorvorrichtung eine Medienzuführung auf, mittels derer das Medium zumindest im Betrieb der Sensorvorrichtung zum

Sensorelement geleitet wird. Die Medienzuführung kann

beispielsweise einen Kanal, eine Leitung und/oder ein

Speichervolumen aufweisen oder sein, durch die das Medium geleitet wird und/oder in der das Medium zumindest zweitweise verbleibt. Im Falle eines Drucksensors kann die

Sensorvorrichtung beispielsweise eine Leitung wie etwa einen Anschlussstutzen aufweisen, der an dem Volumen angeschlossen ist, in dem sich das Medium befindet. Weist das Medium beispielsweise ein Abgas eines Kraftfahrzeugs auf oder ist ein solches, kann die Sensorvorrichtung mit dem

Anschlussstutzen mit dem Abgassystem des Kraftfahrzeugs verbunden sein, so dass Abgas zum Sensorelement gelangen kann .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die

Sensorvorrichtung zumindest eine Oberfläche mit einer

Oberflächenstruktur auf, die eine Benetzbarkeit der

Oberfläche herabsetzt. Unter den Begriff „Oberfläche" fallen sowohl eine gesamte Oberfläche als auch ein Teil einer

Oberfläche. Die folgende Beschreibung gilt somit

gleichermaßen für eine gesamte Oberfläche wie auch einen Oberflächenbereich. Insbesondere ist die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur eine Oberfläche der Sensorvorrichtung, die im Betrieb der Sensorvorrichtung dem Medium ausgesetzt ist, für das zumindest ein Parameter mittels der

Sensorvorrichtung bestimmt werden soll. Die durch die

Oberflächenstruktur verringerte Benetzbarkeit kann besonders bevorzugt die Benetzbarkeit der Oberfläche in Bezug auf das Medium oder wenigstens eine Komponente des Mediums, also insbesondere beispielsweise in Bezug auf kondensierende

Bestandteile des Mediums, sein. Das Medium oder die zumindest eine Komponente des Mediums, auf die sich die Benetzbarkeit bezieht, kann in flüssiger Form, beispielsweise in Form von Tröpfchen, vorliegen oder auch bei einem Kontakt mit der Oberfläche kondensieren. Beispielsweise kann die Komponente des Mediums, auf die sich die Eigenschaft der Benetzbarkeit der Oberfläche bezieht, Wasser sein, das in Form von

Feuchtigkeit, also Wasserdampf und/oder Tröpfchen, im

gasförmigen Medium enthalten sein kann. Die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur kann insbesondere frei von einer die Benetzung reduzierenden Beschichtung sein. Mit anderen Worten kann die Oberfläche frei von einem

Material sein, das im Vergleich zur unbeschichteten

Oberfläche eine geringere Benetzbarkeit aufweist. Eine

Beschichtung bezeichnet hier und im Folgenden, sofern nicht anders beschrieben, ein im Rahmen der Herstellung der

Sensorvorrichtung gezielt aufgebrachtes Material in Form einer teilweise oder vollständig bedeckenden Schicht.

Materialverunreinigungen auf der Oberfläche, die

unbeabsichtigt oder unvermeidlich während der Herstellung oder des Betriebs auf der Oberfläche aufgebracht werden oder sich ablagern, fallen nicht unter den Begriff Beschichtung. Eine solche in der vorliegenden Sensorvorrichtung auf der Oberfläche mit der Oberflächenstruktur nicht vorhandene

Beschichtung könnte beispielsweise ein Fluorpolymer wie beispielsweise Teflon oder ein Fluorsilan sein, die als wasserabweisende Beschichtung bekannt sind. Die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur kann somit insbesondere eine Oberfläche eines Teils oder einer Komponente der

Sensorvorrichtung sein, die ohne die Oberflächenstruktur eine höhere Benetzbarkeit aufweist. Das Material der Oberfläche mit der Oberflächenstruktur kann somit insbesondere das

Material des entsprechenden Teils oder der entsprechenden Komponente der Sensorvorrichtung sein, und kann, je nachdem aus welchem Material das Teil oder die Komponente der

Sensorvorrichtung mit der Oberfläche mit der

Oberflächenstruktur gefertigt ist, beispielsweise ein

Halbleitermaterial, ein Metall oder eine Metalllegierung, einen Kunststoff, ein Keramikmaterial oder Kombinationen mit diesen aufweisen oder sein. Entsprechend kann die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur beispielsweise zumindest

teilweise eine metallische Oberfläche sein für den Fall, dass das Teil oder die Komponente der Sensorvorrichtung, das bzw. die die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur aufweist, mit oder aus einem Metall oder einer Metalllegierung ist.

Erstreckt sich die Oberfläche der Sensorvorrichtung mit der Oberflächenstruktur über mehrere Teile oder Komponente mit oder aus verschiedenen Materialien, kann entsprechend auch die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur verschiedene

Materialien aufweisen.

Beispielsweise kann die Oberfläche mit der

Oberflächenstruktur eine Oberfläche des Sensorelements sein. Ist das Sensorelement als Drucksensorelement wie etwa ein Drucksensorchip ausgebildet, kann die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur besonders bevorzugt Teil der Membran sein. Insbesondere kann es sich hierbei bevorzugt um den gesamten Teil der Oberfläche des Sensorelements und damit insbesondere der Membran handeln, der im Betrieb der

Sensorvorrichtung in Kontakt mit dem Medium steht. Handelt es sich bei dem Sensorelement beispielsweise um einen Silizium basierten Chip, kann die Oberfläche mit der

Oberflächenstruktur Silizium oder ein Oxid oder Nitrid mit Silizium aufweisen oder daraus sein. Im Falle einer Keramik oder Metallmembran kann die Oberfläche mit der

Oberflächenstruktur entsprechend ein keramisches oder

metallisches Material aufweisen oder daraus sein.

Entsprechendes gilt auch für andere Typen von

Sensorelementen .

Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche mit der

Oberflächenstruktur zumindest Teil der Medienzuführung sein. Beispielsweise kann die Oberfläche mit der

Oberflächenstruktur zumindest ein Teil einer Kanals wie etwa eines Anschlussstutzens, einer Leitung und/oder eines Speichervolumens für das Medium sein. Je nach Material oder Materialien des die Medienzuführung bildenden Teils der

Sensorvorrichtung kann die Oberfläche mit der

Oberflächenstruktur eben dieses Material oder eben diese Materialien aufweisen oder daraus sein.

Besonders bevorzugt kann die gesamte dem Medium im Betrieb der Sensorvorrichtung ausgesetzte Oberfläche der

Sensorvorrichtung eine Oberflächenstruktur aufweisen.

Entsprechend kann die Benetzbarkeit der gesamten im Betrieb mit dem Medium in Kontakt kommenden Oberfläche der

Sensorvorrichtung aufgrund der Oberflächenstruktur

herabgesetzt sein.

Insbesondere kann die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur aufgrund der Oberflächenstruktur hydrophob oder

superhydrophob sein. Das kann besonders bevorzugt bedeuten, dass der Kontaktwinkel zwischen Wasser und der Oberfläche mit der Oberflächenstruktur größer oder gleich 110° oder sogar größer oder gleich 135° oder sogar größer oder gleich 150° ist. Insbesondere kann die hydrophobe oder syperhydrophobe Wirkung der Oberfläche allein durch die Oberflächenstruktur bewirkt sein, ohne dass, wie weiter oben beschrieben ist, eine zusätzliche hydrophobe Beschichtung vorhanden ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die

Oberflächenstruktur eine Mikrostruktur auf. Die Mikrostruktur kann insbesondere eine Vielzahl von Erhebungen und/oder

Vertiefungen aufweisen, die charakteristische Größen im

Bereich von größer oder gleich 0,1 ym und kleiner oder gleich 500 ym haben können. Charakteristische Größen der Erhebungen und Vertiefungen können beispielsweise ausgewählt sein aus: Höhe, Länge, Breite, Durchmesser, Tiefe, maximale Erstreckungslänge, Abstand, insbesondere quasiperiodischer Abstand .

Die Mikrostruktur kann beispielsweise Erhebungen und/oder Vertiefungen mit kreisförmigen und/oder länglichen

Querschnitten aufweisen. Insbesondere kann die Mikrostruktur kreisrunde und/oder elliptische Erhebungen und/oder

Vertiefungen, also lochartige Vertiefungen und/oder berg- oder inselförmige Erhebungen, die beispielsweise Säulen-, zylinder- und/oder kegelförmig sein können, aufweisen.

Darüber hinaus kann die Mikrostruktur längliche, sich

verzweigende oder nicht verzweigende und entlang der

Oberfläche erstreckende Wälle und/oder Gräben aufweisen, die sich kreuzend oder nicht-kreuzend oder parallel sein können. Die Erhebungen und/oder Vertiefungen können zumindest

teilweise oder alle periodisch und damit regelmäßig oder auch zumindest teilweise oder alle unregelmäßig geformt und/oder angeordnet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Erhebungen und/oder Vertiefungen einen Abstand von kleiner oder gleich 500 ym auf. Weiterhin können die Erhebungen und/oder

Vertiefungen einen Abstand von größer oder gleich 0,1 ym oder größer oder gleich 0,5 ym oder größer oder gleich 1 ym aufweisen. Darüber hinaus können die Erhebungen und/oder Vertiefungen einen Abstand von kleiner oder gleich 300 ym oder kleiner oder gleich 200 ym oder kleiner oder gleich 100 ym oder kleiner oder gleich 50 ym zueinander aufweisen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Erhebungen und/oder Vertiefungen eine Höhe bzw. Tiefe von kleiner oder gleich 250 ym auf. Weiterhin können auch Werte von kleiner oder gleich 200 ym oder kleiner oder gleich 150 ym oder kleiner oder gleich 100 ym oder kleiner oder gleich 50 ym und/oder größer oder gleich 1 ym oder größer oder gleich 5 ym oder größer oder gleich 10 ym möglich sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die

Oberflächenstruktur einen Nanostruktur auf. Die Nanostruktur kann eine Vielzahl von Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen, die charakteristische Größen im Bereich von größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 100 nm aufweisen.

Die Erhebungen und/oder Vertiefungen der Nanostruktur können Formen wie in Verbindung mit der Mikrostruktur beschrieben aufweisen. Besonders bevorzugt kann die Nanostruktur

kreisrunde und/oder elliptische Erhebungen und/oder

Vertiefungen also lochartige Vertiefungen und/oder berg- oder inselförmige Erhebungen, aufweisen. Die Erhebungen und/oder Vertiefungen können bevorzugt Breiten oder Durchmesser von größer oder gleich 1 nm oder größer oder gleich 5 nm und/oder kleiner oder gleich 100 nm oder kleiner oder gleich 50 nm oder kleiner oder gleich 25 nm aufweisen.

Die Oberflächenstruktur kann weiterhin auch eine Kombination aus einer Mikrostruktur und einer Nanostruktur aufweisen. Insbesondere kann die Oberflächenstruktur eine hierarchische Mikro-Nano-Struktur aufweisen, also eine Mikrostruktur, die mit einer Nanostruktur bedeckt ist. Die Oberflächenstruktur weist somit beispielsweise eine Mikrostruktur auf, also

Erhebungen und/oder Vertiefungen mit einer Größe entsprechend der vorherigen Beschreibung, auf deren Flächen Nanostrukturen ausgebildet sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung die

Oberflächenstruktur mittels Laserstrahlung, insbesondere mittels gepulster Laserstrahlung, hergestellt. Hierzu kann eine Kurzpulslaserbestrahlung oder bevorzugt eine

Ultrakurzpulslaserbestrahlung durchgeführt werden,

insbesondere unter Verwendung eines Nanosekundenlasers , bevorzugt eines Picosekundenlasers oder besonders bevorzugt eines Femtosekundenlasers . Das kann bedeuten, dass die gepulste Laserstrahlung Laserpulse mit einer Pulsdauer von kleiner oder gleich 100 ns und bevorzugt kleiner oder gleich 100 fs oder kleiner oder gleich 50 fs oder kleiner oder gleich 30 fs aufweist.

Abhängig vom Material der Oberfläche, in der die

Oberflächenstruktur hergestellt wird, können Parameter der Laserstrahlung, beispielsweise ausgewählt aus Wellenlänge, Energie, Strahlweite, Fluenz, Polaristationsgrad,

Vorschubgeschwindigkeit, Pulsfrequenz, Pulszahl, Pulsdauer, Einstrahlwinkel und Scanlinienversatz eingestellt werden, um einen gewünschten Materialabtrag zur Erzeugung der

Oberflächenstruktur mit den vorab beschriebenen Merkmalen zu bewirken. Weiterhin können Fokussierungs- und

Interferenztechniken verwendet werden, um gewünschte

Strukturformen und -großen herzustellen. Hierdurch kann es möglich sein, gleiche oder unterschiedliche

Oberflächenstrukturen auf unterschiedlichen Oberflächen, also Oberflächen unterschiedlicher Materialien, herzustellen.

Insbesondere kann die Herstellung der Oberflächenstruktur im Rahmen des üblichen Herstellungsprozesses der einzelnen

Komponenten der Sensorvorrichtung erfolgen. Hierzu kann während oder nach der Herstellung eines Teils oder einer Komponente der Sensorvorrichtung die Bestrahlung mittels gepulste Laserstrahlung als in den üblichen

Herstellungsprozess eingeschobener Verfahrensschritt

durchgeführt werden. Insbesondere kann dadurch eine Durchführung der Laserbestrahlung innerhalb der üblichen Fertigungslinie („In-Line") erfolgen. Somit kann es

beispielsweise möglich sein, mittels

Ultrakurzpulslaserbestrahlung und damit nur durch den

Laserprozess für eine oder mehrere oder alle Oberflächen der Sensorvorrichtung, die im Betrieb der Sensorvorrichtung mit dem Medium in Kontakt kommen, eine ( super- ) hydrophobe

Funktionalisierung durch Erzeugung von Mikrostrukturen,

Nanostrukturen oder, besonders bevorzugt, selbstorganisierter hierarchischer Mikro-Nano-Strukturen zu erreichen, ohne dass eine zusätzliche Beschichtung mit einem ( super- ) hydrophoben Material notwendig ist. Die selbstorganisierten

hierarchischen Mikro-Nano-Strukturen können auf Basis

sogenannter Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) bzw. „Ripples" oder „Grooves" oder „Cones"/„Spikes" sein.

Durch das hier beschriebene Verfahren ist eine Schaffung einer einheitlichen Vereisungsresistenz verschiedener Teile der Sensorvorrichtung möglich. Insbesondere kann

beispielsweise bei einer als Drucksensor ausgebildeten

Sensorvorrichtung eine solche Resistenz für ausgewählte oder auch alle Drucksensorfunktionselemente erreicht werden. In Experimenten konnte insbesondere gezeigt werden, dass bei einer gemäß dem hier beschriebenen Verfahren behandelten Drucksensormembran im Laboraufbau die Abweichung des

Messsignals durch vereiste, anhaftende Wasserstropfen

deutlich geringer ist als bei unbehandelten Referenzmembranen und sich insbesondere noch innerhalb des spezifizierten

Fehlers bewegen kann.

Wie beschrieben kann eine potentielle unerwünschte Benetzung einer oder mehrerer oder aller Oberflächen mit Kondensat des Mediums in der Sensorvorrichtung durch die Implementierung eines zusätzlichen, laserbasierten Prozessschrittes bei der Herstellung der Sensorvorrichtung verringert oder sogar ganz verhindert werden, da die hergestellte Oberflächenstruktur die Ansammlung von Kondensat an medienführenden Oberflächen wie beispielsweise der Medienzuführung und/oder

medientrennenden Oberflächen wie beispielsweise einer Membran stark vermindern oder sogar vollständig verhindern kann.

Durch den Einsatz von Ultrakurzpulslasern ist es möglich, auf unterschiedlichen Materialoberflächen einen kontrollierten Materialabtrag auf der Mikro- und Nanoskala bei geringer Wärmebelastung des verbleibenden Materialvolumens zu

erzeugen. Die resultierenden Oberflächen können dabei wie beschrieben beispielsweise periodische oder zufällige Mikro- und/oder Nanostrukturen und insbesondere auch hierarchische Mikro-Nano-Strukturen aufweisen, deren Struktur neben dem Material unter anderem von der Wellenlänge und der

Polarisation der genutzten Laserpulse wie etwa Ultrakurzpulse abhängt. Mit dem beschriebenen Verfahren kann es daher möglich sein, Oberflächenstrukturen zu schaffen, die der Geometrie und/oder zumindest vom Prinzip her denen von

Lotusblättern gleichen und einen stark wasserabweisenden Effekt und somit eine Superhydrophobie zeigen, was zu einer reduzierten Vereisung führen kann. Durch die minimierte

Anhaftung von Kondensat können bei einem Betrieb der

Sensorvorrichtung unterhalb einer Temperatur von 0°C die resultierenden Eisvolumina auf den mit dem Medium in Kontakt stehenden Oberflächen vernachlässigbar gering sein, so dass die Sensorfunktion und die Messgenauigkeit auch bei solchen Temperaturen erhalten bleiben kann. Da durch die verringerte Benetzbarkeit der Oberfläche abrollende Wassertropfen

Fremdpartikel aufnehmen und mittransportieren können, kann zudem eine kontinuierliche Selbstreinigung der mit dem Medium in Kontakt stehenden Oberflächen erreicht werden, was auch als sogenannter Lotuseffekt bekannt ist.

Wie vorab beschrieben kann mit dem hier beschriebenen

Verfahren eine hydrophobe Oberflächeneigenschaft lediglich durch eine Laserbearbeitung wie etwa einer

Ultrakurzpulslaserbearbeitung der mit dem Medium in Kontakt stehenden Oberflächen anstelle einer Hinzufügung eines

Funktionsmaterials erreicht werden. Das heißt, dass ohne den Einsatz zusätzlicher Beschichtungen die für die ursprüngliche Auswahl des Konstruktionsmaterials ausschlaggebenden und bewährten Materialeigenschaften, beispielsweise elastisches Verhalten sowie Temperatur- und Korrosionsverhalten,

weitgehend erhalten bleiben. Gegenüber einer

Oberflächenfunktionalisierung durch eine zusätzliche

Beschichtung wird das Risiko der Enthaftung der Beschichtung vermieden, was größere Lebensdauern und ein verbessertes Betriebsverhalten erwarten lässt.

Mit dem hier beschriebenen Verfahren kann es somit möglich sein, dass vergleichbare hydrophobe Oberflächeneigenschaften auf verschiedenen Konstruktionswerkstoffen und somit

bevorzugt lückenlos im gesamten medienführenden Bereich der Sensorvorrichtung erreicht werden können, da das

physikalische Prinzip durch Variation der Laserparameter auf organischen Materialen und anorganischen Materialien

gleichermaßen anwendbar ist. Der Prozess kann durch die geringe Wärmeeinflusszone von wenigen hundert Nanometern bei der Ultrakurzpulslaserbestrahlung auch für sehr dünne

Elemente wie beispielsweise drucksensitive Membranen geeignet sein. Durch die sehr gute Fokussierbarkeit von Laserstrahlung auf Durchmesser bis hinunter in den Mikrometerbereich lassen sich auch sehr kleine Funktionselemente der Oberflächenstruktur mit Größen im Bereich weniger Mikrometer oder darüber oder sogar darunter flexibel und schnell

strukturieren. Die Ultrakurzpulslaserbearbeitung kann im Produktionsprozess bevorzugt In-Line und mittels moderner Lasertechnik sehr schnell erfolgen. Wie vorab beschrieben ist, kann es außerdem möglich sein, eine Selbstreinigung des medienführenden Bereiches der Sensorvorrichtung zu erreichen. Insbesondere kann somit eine Multifunktionalisierung einer medientrennenden Oberfläche wie beispielsweise einer Membran eines Drucksensorelements in Form einer Druckübertragung, einer Kondensatabweisung und einer Selbstreinigung erreicht werden .

Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und

Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in

Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungs

beispielen .

Es zeigen:

Figuren 1A bis IC schematische Darstellungen einer

Sensorvorrichtung und eines Verfahren zur Herstellung der Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, Figuren 2A bis 2C schematische Darstellungen von

Oberflächenstrukturen einer Sensorvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen und

Figuren 3A und 3B Ergebnisse experimenteller Messungen für mittels des Verfahrens hergestellter

Oberflächenstrukturen .

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

In den Figuren 1A bis IC sind gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Sensorvorrichtung 100 sowie ein Verfahren zur

Herstellung der Sensorvorrichtung 100 gezeigt. Die

Sensorvorrichtung 100 ist insbesondere dazu vorgesehen und eingerichtet, einen oder mehrere Parameter eines Mediums 99 zu messen, die beispielsweise ausgewählt sein können aus einem Druck, einer Temperatur und optischen Eigenschaften.

Rein beispielhaft handelt es sich bei der Sensorvorrichtung 100 des gezeigten Ausführungsbeispiels um einen Drucksensor, der zum Beispiel im Rahmen einer Abgasmessung in einem

Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Entsprechend kann das Medium 99 rein beispielhaft ein Abgas eines Otto- oder

Dieselmotors aufweisen oder sein. Darüber hinaus kann das Medium 99 auch zumindest teilweise Luft aufweisen. Dies kann insbesondere zu einem Zeitpunkt der Fall sein, bevor der Motor gestartet wird, und/oder kurz nach dem Starten des Motors. Insbesondere kann das Medium 99 zumindest zeitweise auch Feuchtigkeit aufweisen, die beispielsweise in der Luft und/oder im Abgas enthalten ist, so dass die Möglichkeit bestehen kann, dass das Medium 99 bei niedrigen Temperaturen ein Kondensat bildet. Auch wenn die nachfolgende Beschreibung auf eine spezielle Ausgestaltung der Sensorvorrichtung 100 gerichtet ist, gilt diese gleichermaßen für andere

Sensorarten, auch in Verbindung mit anderen Medien. Wie in Figur 1A gezeigt ist, weist die Sensorvorrichtung 100 ein Sensorelement 1 auf, das den aktiven Teil der

Sensorvorrichtung 100 darstellt. Im gezeigten

Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Sensorelement 1 um einen Drucksensorchip, der beispielsweise auf

Siliziumbasis sein kann und eine Membran aufweist, die sich durch Druckeinwirkung durch das Medium 99 verformt.

Alternativ hierzu kann das Sensorelement 1 beispielsweise auch eine Keramik- oder Metallmembran aufweisen.

Das Sensorelement 1 befindet sich in einem Gehäuse 2, das beispielsweise Kunststoff-, Metall- und/oder

Keramikmaterialien aufweisen oder daraus sein kann. Durch eine Medienzuführung 21, beispielsweise in Form einer durch einen Anschlussstutzen gebildeten Leitung, kann das Medium 99 zum Sensorelement 1 geführt werden. Wie in Figur 1A

exemplarisch gezeigt kann sich das Sensorelement 1 in einem durch einen Deckel 3 abgeschlossenen Volumen 20 des Gehäuses 2 befinden. Das Volumen 20 kann einen Referenzdruck

aufweisen, gegen den der Druck des Mediums 99 gemessen wird. Alternativ dazu kann es auch möglich sein, dass das Volumen 20 zur Umgebung offen ist oder ebenfalls mit dem Abgassystem verbunden ist, so dass das Sensorelement 1 einen

entsprechenden Differenzdruck messen kann. In diesem Fall können die Oberfläche des Sensorelements 1, die dem Volumen 20 zugewandt ist, und/oder die Oberflächen der das Volumen 20 bildenden Wandungen sowie gegebenenfalls einer Zuleitung oder Medienzuführung so oder ähnlich ausgebildet sein, wie im Folgenden für die Medienzuführung 21 und die der

Medienzuführung 21 zugewandte Seite des Sensorelements 1 beschrieben ist. Die Sensorvorrichtung 100 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel stark vereinfacht dargestellt und kann weitere oder alternative für entsprechende

Sensorvorrichtungen übliche Teile und Komponenten aufweisen.

Die Sensorvorrichtung 100 weist Oberflächen 4 auf, die dem Medium 99 im regulären Betrieb zugewandt sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Oberflächen 4 durch eine

Innenwand der Medienzuführung 21 sowie durch die der

Medienzuführung 21 zugewandte Seite des Sensorelements 1 gebildet, wobei letztere insbesondere durch die Membran des Sensorelements 1 gebildet sein kann. Fällt die Temperatur in der Medienzuführung 21 und/oder im Bereich des Sensorelements 1 auf einen ausreichend niedrigen Wert, kann es sein, dass zumindest ein Teil des Mediums 99 auf zumindest einem Teil der Oberflächen 4 kondensiert oder, bei noch niedrigeren Temperaturen, gefriert, was zu den oben im allgemeinen Teil beschriebenen Problemen führen kann. Um dies zu vermeiden, weist die Sensorvorrichtung 100 zumindest eine Oberfläche 4 mit einer Oberflächenstruktur 40, die in Figur 1B in einem Ausschnitt angedeutet ist und die eine Benetzbarkeit der Oberfläche 4 mit dem Medium 99 oder zumindest einer im Medium 99 enthaltenen Komponente herabsetzt. Insbesondere kann die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 aufgrund der Oberflächenstruktur 40 superhydrophob sein. Das kann

besonders bevorzugt bedeuten, dass der Kontaktwinkel zwischen Wasser und der Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 größer oder gleich 110° oder sogar größer oder gleich 135° oder sogar größer oder gleich 150° ist. Insbesondere kann die syperhydrophobe Wirkung der Oberfläche 4 allein durch die Oberflächenstruktur 40 bewirkt sein.

Die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 ist

insbesondere frei von einer die Benetzung reduzierenden

Beschichtung. Mit anderen Worten wird die Oberfläche 4 nicht durch ein Material wie beispielsweise Teflon oder ein anderes Fluorpolymer gebildet, das gezielt aufgebracht wurde, um die Benetzbarkeit herabzusetzen. Vielmehr kann die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 eine Oberfläche eines Teils oder einer Komponente der Sensorvorrichtung 100 sein, die ohne die Oberflächenstruktur 40 eine hohe Benetzbarkeit aufweisen würde. Das Material der Oberfläche 4 mit der

Oberflächenstruktur 40 ist somit insbesondere das Material des entsprechenden Teils oder der entsprechenden Komponente der Sensorvorrichtung 100, und kann, je nachdem aus welchem Material das Teil oder die Komponente der Sensorvorrichtung 100 mit der Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 gefertigt ist, beispielsweise ein Halbleitermaterial, ein Metall oder eine Metalllegierung, einen Kunststoff, ein

Keramikmaterial oder Kombinationen mit diesen aufweisen oder sein .

Beispielsweise kann die in Figur 1B angedeutete Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 eine Oberfläche des

Sensorelements 1 sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 besonders bevorzugt Teil der Membran des Sensorelements 1 sein. Mit anderen Worten kann die Oberfläche 4 mit der

Oberflächenstruktur 40 durch eine der Medienzuführung 21 und somit im Betrieb der Sensorvorrichtung 100 dem Medium 99 zugewandte Oberfläche der Membran gebildet sein. Handelt es sich bei dem Sensorelement 1 um einen Silizium-basierten Chip, kann die Oberfläche mit der Oberflächenstruktur

Silizium oder ein Oxid oder Nitrid mit Silizium aufweisen oder daraus sein. Im Fall einer keramischen oder metallischen Membran kann die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 entsprechend eine keramische oder metallische Oberfläche sein . Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 zumindest Teil der Medienzuführung 21 sein. Beispielsweise kann die Oberfläche 4 mit der

Oberflächenstruktur 40 zumindest ein Teil der Innenwand des in Figur 1A gezeigten Anschlussstutzens sein. Ist das

Gehäuses 2 und insbesondere des Anschlussstutzen aus einem Keramikmaterial oder einem Kunststoff gefertigt, kann es sich bei der Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40

entsprechend um eine Keramik- oder KunststoffOberfläche handeln. Bei einem metallischen Gehäuse 2 kann es sich bei der Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 entsprechend auch um eine metallische Oberfläche handeln.

Besonders bevorzugt kann auch die gesamte dem Medium 99 im Betrieb der Sensorvorrichtung 100 ausgesetzte Oberfläche der Sensorvorrichtung 100, also alle dem Medium 99 im Betrieb ausgesetzten Oberflächen 4, die Oberflächenstruktur 40 aufweisen. Entsprechend kann die Benetzbarkeit aller im

Betrieb mit dem Medium 99 in Kontakt kommenden Oberflächen 4 der Sensorvorrichtung 100 aufgrund der Oberflächenstruktur 40 herabgesetzt sein. Durch die verringerte Benetzbarkeit der Oberfläche 4 mit der Oberflächenstruktur 40 können die oben im allgemeinen Teil beschriebenen Vorteile erreichbar sein.

Die Oberflächenstruktur 40 kann eine Mikrostruktur und/oder eine Nanostruktur aufweisen, also wie in Figur 1B gezeigt eine Vielzahl von Erhebungen 41 und/oder Vertiefungen 42 in der Oberfläche 4 aufweisen, die charakteristische Größen im Bereich von größer oder gleich 0,1 ym und kleiner oder gleich 500 ym im Fall einer Mikrostruktur und im Bereich von größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 100 nm haben können. Wie in Figur IC angedeutet ist, wird zur Herstellung der Sensorvorrichtung die Oberflächenstruktur mittels gepulster Laserstrahlung hergestellt, die mittels des unterbrochenen Pfeils mit dem Bezugszeichen 201 angedeutet ist. Insbesondere kann eine Kurzpulslaserbestrahlung oder bevorzugt eine

Ultrakurzpulslaserbestrahlung durchgeführt werden,

insbesondere unter Verwendung eines Laser 200 wie etwa einem Nanosekundenlaser oder bevorzugt einem Picosekundenlaser oder besonders bevorzugt einem Femtosekundenlaser . Das kann bedeuten, dass die gepulste Laserstrahlung 201, die auf die Oberfläche 4 eingestrahlt wird, Laserpulse mit einer

Pulsdauer von kleiner oder gleich 100 ns oder bevorzugt kleiner oder gleich 100 fs oder kleiner oder gleich 50 fs oder kleiner oder gleich 30 fs aufweist.

Abhängig vom Material der Oberfläche 4, in der die

Oberflächenstruktur hergestellt wird, können Parameter der Laserstrahlung 201, beispielsweise ausgewählt aus

Wellenlänge, Energie, Strahlweite, Fluenz,

Polaristationsgrad, Vorschubgeschwindigkeit, Pulsfrequenz, Pulszahl, Pulsdauer, Einstrahlwinkel und Scanlinienversatz, eingestellt werden, um eine gewünschten Materialabtrag zur Erzeugung der Oberflächenstruktur zu bewirken. Weiterhin kann beispielsweise eine Interferenztechnik verwendet werden, um periodische Mikro- und/oder Nanostrukturen herzustellen.

Durch die Verwendung der gepulsten Laserstrahlung 201, die je nach zu bearbeitendem Oberflächenmaterial und gewünschter Oberflächenstruktur entsprechend eingestellt werden kann, kann es möglich sein, gleiche oder unterschiedliche

Oberflächenstrukturen auf unterschiedlichen Oberflächen, also Oberflächen unterschiedlicher Materialien, herzustellen. Dies kann während oder nach der Herstellung eines Teils oder einer Komponente der Sensorvorrichtung in einem In-Line- Prozessschritt erfolgen. Entsprechend kann die gepulste

Laserbestrahlung als in den üblichen Herstellungsprozess eingeschobener Verfahrensschritt durchgeführt werden.

Die Erhebungen 41 und/oder Vertiefungen 42 der

Oberflächenstruktur 40 können beispielsweise kreisförmige und/oder längliche Querschnitte aufweisen. Beispielsweise kann die Oberflächenstruktur 40 kreisrunde und/oder

elliptische Erhebungen und/oder Vertiefungen, also lochartige Vertiefungen und/oder berg- oder inselförmige Erhebungen, die beispielsweise Säulen-, _Z ylinder- und/oder kegelförmig sein können, aufweisen. Darüber hinaus kann die

Oberflächenstruktur 40 längliche, sich verzweigende oder nicht verzweigende und entlang der Oberfläche 4 erstreckende Wälle und/oder Gräben aufweisen, die sich kreuzend oder nicht-kreuzend oder parallel sein können. Die Erhebungen 41 und/oder Vertiefungen 42 können zumindest teilweise oder alle periodisch und damit regelmäßig oder auch zumindest teilweise oder alle unregelmäßig geformt und/oder verteilt sein.

In den Figuren 2A bis 2C sind rein beispielhaft drei

Ausführungsbeispiele für die Oberflächenstruktur 40 gezeigt. Diese kann, wie in Figur 2A angedeutet ist, beispielsweise zueinander parallele, periodisch angeordnete Vertiefungen 42 in Form von Kanälen aufweisen. Die Kanäle können alternativ dazu beispielsweise auch unregelmäßig und/oder nicht gerade und/oder sich kreuzend ausgebildet sein. Wie in Figur 2B gezeigt ist, kann die Oberflächenstruktur 40 auch lochartige Vertiefungen 42, beispielsweise mit einem wie in Figur 2B gezeigten kreisrunden Querschnitt, aufweisen. Darüber hinaus sind auch andere Formen, wie vorab und im allgemeinen Teil beschrieben, möglich. Zwischen den gezeigten Vertiefungen 42 kann die Oberfläche 4 eben sein oder Erhebungen aufweisen. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass anstelle der gezeigten Vertiefungen 42 entsprechend geformte Erhebungen 41 auf der Oberfläche 4 ausgebildet sind. Wie in Figur 2C angedeutet ist, kann die Oberflächenstruktur 40 auch eine sogenannte hierarchische Mikro-Nano-Struktur aufweisen, also eine Kombination aus einer Mikrostruktur und einer

Nanostruktur . Hierzu kann die Oberflächenstruktur 40

Erhebungen 41 und/oder Vertiefungen 42 aufweisen, auf deren Flächen Nanostrukturen mit entsprechenden Erhebungen 41' und/oder Vertiefungen 42' ausgebildet sind. Die

charakteristischen Größen der gezeigten Oberflächenstrukturen 40 können wie oben im allgemeinen Teil beschrieben sein.

Insbesondere können die Formen und charakteristischen Größen der Oberflächenstruktur 40 so gewählt sein, dass im Hinblick auf das im Betrieb mit der Oberfläche 4 mit der

Oberflächenstruktur 40 in Kontakt stehende Medium eine ausreichend geringe Benetzbarkeit erreicht wird, um die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu vermindern oder sogar ganz zu verhindern und die vorab beschriebenen Vorteile zu erreichen.

In experimentellen Messungen wurden in der beschriebenen Weise Oberflächenstrukturen auf Edelstahlmembranen (Edelstahl 1.4435) hergestellt. Die Membranen wiesen einen Durchmesser von 12 mm und eine Dicke von 20 ym auf, in deren jeweiliger Oberfläche eine Oberflächenstruktur mittels eines

fokussierten Femtosekundenlaserstrahls mit einer Pulsdauer von 30 fs, einer Zentralwellenlänge von 800 nm und linear polarisiertem Laserlicht hergestellt wurde. Die Parameter Energie E bzw. Fluenz Fo, die Vorschubgeschwindigkeit V und die Pulszahl N wurden hierbei variiert. In Figur 3A sind in einer Tabelle diese Parameter von neun durchgeführten experimentellen Messungen sowie der durch die jeweils erzeugte Oberflächenstruktur bewirkte Kontaktwinkel für Wasser angegeben. In Figur 3B sind entsprechende Aufnahmen von Wassertropfen gezeigt, wobei die Zahl jeweils in der rechten oberen Ecke die Experimentnummer # aus der Tabelle in Figur 3A und die Winkelangabe auf der jeweiligen rechten Aufnahmenseite den in der Tabelle ebenfalls wiedergegebenen Kontaktwinkel angeben. Aus der Tabelle und den Aufnahmen wird deutlich, dass der Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf den Membranen stark von den gewählten Laserparametern abhängt und dass durch eine geeignete Wahl der Laserparameter je nach Material der Oberfläche ein ausgeprägter Lotuseffekt erreicht werden kann, wie an den Experimenten mit den Nummern 1 und 5 erkennbar ist.

Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen

Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren

Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind.

Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren

beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen .

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den

Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Bezugszeichenliste

1 Sensorelement

2 Gehäuse

3 Deckel

20 Volumen

21 Medien _Z uführung 40 Oberflächenstruktur 41, 41 ' Erhebung

42, 42 ' Vertiefung

99 Medium

100 Sensorvorrichtung 200 Laser

201 LaserStrahlung