Die Erfindung betrifft eine erste und zweite Variante eines Sensorelement zur Erfassung von zumindest einer physikalischen oder chemischen Messgröße. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Sensoranordnung, welche eine oder mehrere erfindungsgemäße Sensorelemente umfasst.

Sensorelemente werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt und dienen beispielsweise, je nach Ausgestaltung, zur Erfassung einer Temperatur, einer Strömungsgröße, einer Gaskonzentration, bzw. -Zusammensetzung, eines Feuchtewerts, eines pH-Wertes und/oder einer biologischen Größe, können aber beispielsweise auch als Heizelement eingesetzt werden. Für die jeweilige spezifische Applikation müssen die Sensorelemente häufig verbunden werden, entweder direkt mit anderen Sensorelementen oder auf Oberflächen, beispielsweise direkt auf die zu messende Oberfläche im Falle der Verwendung eines Sensorelements als Oberflächenfühler. Bei heutigen Sensorelementen, welche nach dem aktuellen Stand der Technik ausgestaltet sind, werden dazu verschiedene Prozesse eingesetzt, beispielsweise Löten oder Kleben (mittels Verwendung eines Klebers auf Polymer- oder Keramikbasis).

Diese bisherig verwendeten Prozesse haben jedoch diverse Nachteile:

Beispielsweise können im Zuge des Lötens bei Erstarren des Lotmittels auftretende mechanisch Spannungen auftreten, welche von der Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner, der Differenz zwischen Fügepartner und Lot, sowie der Ausdehnungsunterschiede von intermetallischen Phasen im Lotgefüge abhängig sind. Diese können den Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR), den Offset des Widerstands und somit die Genauigkeit des Elementes beeinflussen. Zudem kann Flussmittel das Sensorelement vergiften. Außerdem ist die Temperaturbeständigkeit begrenzt auf Anwendungsbereiche von typischerweise kleiner als 280 °C. Ein großer Nachtteil zeigt sich vor allem im Hystereseverhalten von Lötverbindungen, welches es zusätzlich erschwert geringe Abweichungen im Sensorsignal zu reproduzieren. Gerade bei Anwendungen, welche eine hohe Genauigkeit mit gleichzeitig schneller Ansprechzeit fordern, sind Lötprozesse ungeeignet.

Für die Anwendung von kritischer atmosphärischer Umgebung (bspw. Feuchtigkeitseinflüssen, starken Temperaturwechseln und erhöhter Temperatur) ist es erforderlich die Leiterplatte und Lötstellen von Flussmittelresten zu reinigen, da diese in im späteren Verlauf der Anwendung zu Ausfällen führen könne. Dieser Prozess erfordert meist Chemikalien und ist ein zusätzlicher Schritt, welcher mit Kosten verbunden ist.

Bei Verwenden eines obig genannten Klebers kann der Phasenübergang, bzw. Schrumpf beim Aushärten Spannungen im Sensorelement induzieren und die Genauigkeit reduzieren. Zudem verursachen Klebeverbindungen größere Übergangswiderstände, welche sich über die Zeit verändern und somit einen Drift im Langzeitverhalten aufweisen. Die Klebeverbindung ist zudem spröde und die Haftung je nach Substrat begrenzt (bezieht sich nur aufs Kleben mit Glas- und Keramikklebern).

Zudem können, sowohl beim Löten als auch beim Kleben, unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zwischen Kleber oder Lot bei Temperaturänderungen auch Spannungen induzieren und damit den TCR des Sensorelements verändern. Eine Angleichung des TCR ist nicht immer möglich und sehr aufwändig. Darüber hinaus ist die Langzeitstabilität bei höheren Temperaturen sehr beschränkt.

Um diese obig benannten Nachteile zu verringern oder sogar ganz zu verhindern, werden Silbersinterprozesse verwendet. Gerade in der Leiterplattentechnologie bei der Herstellung elektrischer Baugruppen im Hochtemperaturbereich mit aktiven und passiven Bauteilen (unter anderem integrierte Halbleitermodule), ist eine gezielte Temperaturmessung notwendig. Aber auch bei der Verbindung von Sensorelement mit metallischen Oberflächen, wie beispielsweise Edelstahlröhrchen mit Widerstandselementen zur Strömungsbestimmung ist eine reproduzierbarer und vor allem driftfreie Verbindung Voraussetzung. Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der WO 2020/057859 A1 und der DE 10 2010 050 315 C5 sind Verfahren bekannt, welche das Silbersintern eines passiven oder aktiven Bauelementes (darunter auch Widerstandelemente oder Sensorelemente) auf ein Trägerelement erlauben. Diese Bauteile besitzen jedoch eine plane Unterseite, wodurch das Bauteil mit Träger über einen Undefiniertem und ungenauen Abstand aufgesintert wird. Darüber hinaus kann es zu einer schrägen Montage des Bauteils kommen. Dies hat unter anderem direkten Einfluss auf die thermische Anbindung und vor allem einen sehr großen Einfluss auf die Scherfestigkeit der Verbindung. Dies resultiert in dem großen Nachteil (welche auch für das Löten und Kleben besteht), dass der Herstellungsprozess ist nicht reproduzierbar ist. Dies bedeutet, dass der thermische Übergang stets unterschiedlich ist und mal besser, mal schlechter ausfällt. Gleiches auch für die induzierte Spannung, welche während des Verbindungsvorgang einen Offset verursacht. Diese Nachteile spielen für die Herstellung aber eine enorme Wichtigkeit, damit diese in einer ausreichenden Ausbeute resultiert, bzw. die Bauteile sich überhaupt erst herstellen lassen.

Ausgehend von den aufgeführten Problematiken liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement anzugeben, welches eine feste und thermisch stabile thermische Kontaktierung mit einem Trägerelement erlaubt.

Die Aufgabe wird durch ein Sensorelement gemäß Anspruch 1 , ein Sensorelement gemäß Anspruch 2, sowie durch eine Sensoranordnung gemäß Anspruch 11 gelöst.

Hinsichtlich eines ersten erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass dieses zur Erfassung von zumindest einer physikalischen oder chemischen Messgröße dient, wobei das Sensorelement umfasst:

- ein planares Substrat mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Oberfläche;

- eine oder mehrere Sensorstrukturen, welche auf der ersten Oberfläche des Substrats, oder auf einer der ersten Oberfläche des Substrats aufgebrachten Isolationsschicht, aufgebracht sind;

- eine die Sensorstruktur, bzw. die Sensorstrukturen zumindest teilweise bedeckende Passivierungsschicht; - zumindest zwei jeweils mit der Sensorstruktur verbundene elektrische Kontaktflächen;

- eine auf einer oder mehreren ersten Teilbereichen der zweiten Oberfläche des Substrats aufgebrachte Abstandshalterschicht; und

- eine auf einer oder mehreren zweiten Teilbereichen der zweiten Oberfläche des Substrats und/oder auf der Abstandshalterschicht aufgebrachte sinter- und/oder lötfähige metallische Schicht, wobei eine Schichtdicke der Abstandshalterschicht größer gleich einer Schichtdicke der sinter- und/oder lötfähigen metallischen Schicht ist.

Hinsichtlich eines zweiten erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass dieses zur Erfassung von zumindest einer physikalischen oder chemischen Messgröße dient, wobei das Sensorelement umfasst:

- ein planares Substrat mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Oberfläche;

- eine oder mehrere Sensorstrukturen, welche auf der ersten Oberfläche des Substrats, oder auf einer der ersten Oberfläche des Substrats aufgebrachten Isolationsschicht, aufgebracht sind;

- eine die Sensorstruktur, bzw. die Sensorstrukturen zumindest teilweise bedeckende Passivierungsschicht;

- zumindest zwei jeweils mit der Sensorstruktur verbundene elektrische Kontaktflächen;

- eine auf einer oder mehreren zweiten Teilbereichen der zweiten Oberfläche des Substrats oder auf der gesamten zweiten Oberfläche des Substrats aufgebrachte sinter- und/oder lötfähige metallische Schicht; und

- eine auf einer oder mehreren ersten Teilbereichen der zweiten Oberfläche des Substrats und/oder zumindest teilweise auf der sinter- und/oder lötfähigen metallischen Schicht aufgebrachte Abstandshalterschicht, wobei die Schichtdicken der Abstandshalterschicht und der sinter- und/oder lötfähigen metallischen Schicht so gewählt sind, dass ein Abstand der Oberfläche der Abstandshalterschicht zu der zweiten Oberfläche des Substrats größer oder gleich einem Abstand der Oberfläche der sinter- und/oder lötfähigen metallischen Schicht zu der zweiten Oberfläche des Substrats ist. Die erfindungsgemäßen Sensorelemente weisen jeweils somit Strukturen zum Silbersintern oder Löten auf, welche die spannungsfreie, thermische, hochtemperaturfeste, einfache, schnelle und vor Ort durchführbare Verbindung des Substrats mit einer geeigneten Oberfläche erlaubt. Durch die Abstandshalterschicht auf der zweiten Oberfläche des Substrats kann das Volumen an Silbersinter- oder Lötpaste im nachfolgenden Silbersinter- bzw. Lötprozess definiert werden. Die Abstandshalterschicht kann darüber hinaus, wenn diese entsprechend ausgestaltet ist (zum Beispiel bei Verwendung von zwei oder mehr ersten Teilbereichen) darüber hinaus auch das Kippen des Sensorelements beim Auflöten oder Silbersintern verhindern.

Die Abstandshalterschicht weist beispielsweise eine Höhe von 5 bis 400 pm auf, bevorzugt 5 bis 150 pm.

Die beiden Varianten des erfindungsgemäßen Sensorelements unterscheiden sich im Schichtaufbau. Während bei der ersten Variante die Abstandshalterschicht zuerst aufgebracht ist, gefolgt von der sinter- und/oder lötfähigen metallischen Schicht, ist dies in der zweiten Variante umgekehrt. Hier wird zuerst die sinter- und/oder lötfähige metallische Schicht aufgebracht, anschließend die Abstandshalterschicht. Hieraus ergibt sich, dass die Schichtdicken beider Schichten jeweils unterschiedlich pro Variante gewählt werden müssen, damit ein definierter Abstand, bzw. Raum für das Lot, bzw. die Paste entstehen kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die sinter- und/oder lötfähige metallische Schicht aus Gold, Platin, Kupfer, Nickel, Chrom, Glas, Keramik, Titan, Palladium oder einer Kombination der vorgenannten Materialien besteht. Kombinationen der vorgenannten Materialien können beispielsweise NiAu, NiCrNiAu, NiPdAu, CrPtAu, TiPtAu, AgPd, AgPdPt oder AuPd sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die Abstandshalterschicht aus Metall, Polymer, Glas, Keramik oder einer Kombination der vorgenannten Materialien besteht. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die Abstandshalterschicht welche dreidimensional strukturiert ist. Dies bedeutet, dass die einzelnen, entsprechend der Anzahl der ersten Teilbereiche aufgebrachten Teile der Abstandshalterschicht in sich selbst eine Strukturierung aufweisen. Diese kann beispielsweise säulenförmig erfolgen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass ein oder mehrere dritte Teilbereiche der zweiten Oberfläche vorgesehen sind, welche frei von der sinter- und/oder lötfähigen metallischen Schicht und der Abstandshalterschicht sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die Sensorstruktur, bzw. die Sensorstrukturen derart ausgestaltet sind, dass das Sensorelement als Temperatursensor, als Strömungssensor, als Gassensor, als Feuchtesensor, als Heizelement, als pH-Sensor und/oder als Biosensor einsetzbar ist. Auch weitere, hier nicht aufgeführte Sensorapplikationen, sind denkbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die eine oder mehrere Sensorstrukturen aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, bestehen und mittels eines Dünnschicht- oder Dickschichtverfahrens auf die erste Oberfläche des Substrats, bzw. auf die Isolationsschicht, aufgebracht sind. Beispielsweise kann als Dickschichtverfahren ein Siebdruckverfahren verwendet werden. Als Dünnschichtverfahren kann beispielsweise ein PVD- oder CVD-Verfahren gewählt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die Abstandshalterschicht mittels eines Dickschichtverfahrens aufgebracht wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die sinter- und/oder lötfähige metallische Schicht mittels eines Dickschicht- oder Dünnschichtverfahrens aufgebracht wird. Hinsichtlich der Sensoranordnung ist vorgesehen, dass diese ein oder mehrere erfindungsgemäße Sensorelemente und ein Trägerelement mit einer metallischen Oberfläche umfasst, wobei das Sensorelement, bzw. die Sensorelemente, mittels Silbersinterns oder Lötens mit dem Trägerelement verbunden ist, wobei eine Silbersinter-, bzw. Lötschicht zwischen der metallischen Oberfläche des Trägerelements und der sinter- und/oder lötfähigen metallischen Schicht des Sensorelements, bzw. der Sensorelemente, angeordnet ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist vorgesehen, dass das Trägerelement eine Leiterplatte ist, wobei die metallische Oberfläche durch eine auf der Leiterplatte aufgebrachte Metallisierung gebildet wird, wobei die Metallisierung aus einer oder mehreren metallischen Materialien besteht. Anstatt einer Leiterplatte kann auch ein Trägerelement aus einem keramischen Material verwendet werden, welches ebenfalls eine durch eine solche Metallisierung gebildete metallische Oberfläche aufweist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist vorgesehen, dass das Trägerelement ein Röhrchen oder Plättchen, bestehend aus einem metallischen Material, ist. Das Trägerelement weist in diesem Fall direkt eine oder mehrere geeignete metallische Oberflächen auf.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 : ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, in welchem ein Sensorelement auf einem Trägerelement aufgebracht wird.

Das Sensorelement besteht aus einem planaren Substrat 1 , welches beispielsweise aus einem keramischen Material, einem metallischen Material oder einem Halbleitermaterial gefertigt ist. Auf einer ersten Oberfläche des Substrats 1 ist eine Sensorstruktur 2 aufgetragen. Im Falle, dass das Substrat 1 aus einem metallischen Material gefertigt ist, ist zwischen der ersten Oberfläche und der Sensorstruktur 2 eine Isolationsschicht aufgetragen, um die Sensorstruktur 2 elektrisch von dem metallischen Substrat 1 zu isolieren. Zum Schutz vor Umgebungseinflüssen, bspw. mechanischen und/oder chemischen Belastungen, ist die Sensorstruktur 2 zumindest teilweise mit einer Passivierungsschicht 3 bedeckt.

Bei der Sensorstruktur 2 handelt es sich um eine Widerstandsstruktur oder eine Elektrodenstruktur. Das Sensorelement kann dadurch als Temperatursensor oder als Heizelement betrieben werden. Bei dem Sensorelement kann es sich aber, je nach Anzahl und Ausgestaltung der Sensorstrukturen 2, um verschiedene weitere Arten handeln, unter anderem um einen Temperatursensor, einen Fluss-, bzw. Strömungssensor, einen Gassensor, einen Feuchtesensor, einen PH-Sensor, einen Biosensor, etc.

Die Sensorstruktur 2 ist mit mindestens zwei elektrischen Kontaktflächen 4 leitend verbunden. Über die Leitflächen 4 ist die Sensorstruktur ansteuerbar, bzw. elektrisch bedienbar, bspw. mit einer externen Regel- und Auswerteeinheit.

Zur Oberflächenmontage auf einer beliebigen Oberfläche, bspw. jeder einer Leiterbahn oder eines anderen Trägerelements 8, weist das Sensorelement auf einer zweiten Oberfläche seines Substrats 1 eine spezielle Strukturierung auf:

Auf der zweiten Oberfläche des Substrats ist zumindest ein Teilbereich dieser Oberfläche, oder auch mehrere Teilbereiche, mit einer sinter- und/oder lötfähigen metallischen Schicht 6 bedeckt. Diese wird beispielsweise mittels eines Dünnschichtverfahrens aufgebracht und dient beim späteren Silbersinter- oder Lötvorgang als Ankerpunkt der Paste, bzw. des Lots. Die sinter- und/oder lötfähigen metallische Schicht 6 kann beispielsweise aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe: NiAu, NiCrNiAu, NiPdAu, CrPtAu, TiPtAu, AgPd, AgPdPt, AuPd, Au oder Cu bestehen.

Zusätzlich sind auf einem oder mehreren zweiten Teilbereichen der zweiten Oberfläche des Substrats 1 Abstandshalterschichten 5 aufgetragen, welche aus Metall, Polymer, Glas, Keramik oder Kombinationen davon bestehen können und mittels eines Dickschicht- oder Dünnschichtverfahrens aufgebracht sind. Eine solche Abstandshalterschicht 5 ist dicker als die sinter- und/oder lötfähigen metallischen Schicht 6. Durch den Höhenunterschied zwischen diesen beiden Schichten (sinter- und/oder lötfähigen metallischen Schicht 6 und Abstandshalterschicht) kann das Volumen des Lots oder der Paste bestimmt werden. Weiter stellt die Abstandshalterschicht 5, bzw. mehrere dieser Abstandshalterschichten

5 sicher, dass der das Sensorelement beim Auflöten oder Silbersintern parallel zur aufzusinternden / aufzulötenden Oberfläche platziert werden kann. Durch die Materialauswahl der Abstandshalterschicht 5 kann zudem eingestellt werden, ob sich die Abstandshalterschicht 5 mit dem Lot, bzw. der Paste verbindet oder mechanisch keine zusätzliche Haftung generiert wird. So können z.B. bspw. gezielt Lüftungskanäle strukturiert werden, welche es den flüchtigen Reaktionskomponenten im Prozess besser zu entweichen und eine Qualitative bessere Verbindung ermöglichen. Des Weiteren lassen sich gezielt mechanische Spannungsverteilungen verlegen, entkoppeln oder sogar stark reduzieren.

Das Sensorelement kann auf einem Trägerelement 8, bspw. auf metallischen Materialien aber auch auf Leiterplatten, wie in Fig. 1 gezeigt, mittels Lötens oder Silbersinterns verbunden werden 8. Auf Leiterplatten findet die Silbersinterung auf einer Metallisierung als metallische Oberfläche, welche aus einem oder mehreren Metallen besteht, statt.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die sinter- und/oder lötfähigen metallische Schicht

6 die Abstandshalterschicht 5 vollständig oder teilweise bedeckt, bspw. durch Vollständige Beschichtung mit einer Dünnschicht der gesamten Rückseite des Substrats 1 inklusive Abstandshalterschicht 5.

Es kann auch vorgesehen sein, dass zuerst die die sinter- und/oder lötfähigen metallische Schicht 6 aufgebracht wird und anschließend die Abstandshalterschicht 5. Wenn die Abstandshalterschicht 5 hierbei die die sinter- und/oder lötfähigen metallische Schicht 6 bedeckt, so muss die Abstandshalterschicht 5 nicht dicker als die die sinter- und/oder lötfähige metallische Schicht 6 sein. Es muss aber darauf geachtet werden, dass ein Abstand der Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 zu der zweiten Oberfläche des Substrats 1 größer oder gleich einem Abstand der Oberfläche der sinter- und/oder lötfähigen metallischen Schicht 6 zu der zweiten Oberfläche des Substrats 1 ist, damit ein Volumen für das Lot, bzw. die Paste entsteht.

Im Folgenden sind einige Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung beschrieben:

- Geringere Drift- und Hystereseverhalten (im Vergleich zu einem Lötverfahren);

- eine mechanische Entkopplung zur Vermeidung von Spannungen aufgrund Temperaturgradienten und unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Sensorelement und Trägerelement 8;

- Guter thermischer Übergang bei Verwendung einer Silberpaste;

- Temperaturbeständigkeit bis min. 400°C;

- Keine aggressiven Substanzen oder andere Elemente notwendig welche den Sensor vergiften können;

- Vor Ort durchführbar beim Kunden - für Silbersinteranwendungen gibt es mittlerweile Prozessanlagen, welche auch für die Massenfertigung geeignet sind.

- Höhere Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit: Es ist nicht nur ein definierter Abstand, sondern auch definierte Volumina etablierbar. Dadurch ist auch die Wärmekapazität, sowie der Wärmeübergang genauer definiert, was beispielsweise bei Strömungsanwendungen von Vorteil sein kann.

Bezugszeichenliste

1 Substrat

2 Sensorstruktur(en)

3 Passivierungsschicht

4 Elektrische Kontaktflächen

5 Abstandshalterschicht

6 sinter- und/oder lötfähige metallische Schicht

7 metallische Oberfläche 8 Trägerelement