CN1240048A - 测量温度的传感器装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造用于测量温度的传感器装置的方法，该传感器装置有一个对温度敏感的测量电阻，该电阻在一个陶瓷基片上有一个薄的，金属的，向外电绝缘的电阻层和一些敞开的接触面，接触面是导电的并且与相互电绝缘的耐高温的导线线路直接机械地固定连接在一个陶瓷的支承件上，其中测量电阻通过安放和接着烧结在一个在配置之间准备好的支承件上而被接触和固定。用于固定和接触的东西是一种含有铂的厚膜导电膏。在支承件的与测量电阻相背离的端部上设置接触面，用于连接一个插头或者电缆。该温度传感器是一个平测量电阻形式的标准件，它被作为SMD部件安装在陶瓷的支承件上。用本方法制造的传感器装置也适合于400℃以上的温度测量。由于采用了几个标准化的单独部件并且容易实现自动化的工作步骤，使得本方法的费用很低。

Description

测量温度的传感器装置的制造方法
本发明涉及一种制造用于测量温度的传感器装置的方法，该传感器装置包括一个对温度敏感的测量电阻，该电阻在一个陶瓷基片上有一个作为电阻层的金属薄膜和接触面，其中电阻层由一个电绝缘的保护层覆盖，而接触面是导电的并且与相互电绝缘的导线线路直接机械地固定连接在一个耐高温的支承件上，其中测量电阻与支承件的一个端部相接触并且在支承件的与测量电阻相背离的端部上设置接触面，用于连接一个接触夹片，插头或者电缆。
文献DE3424387A1公开了一种使细金属丝或金属带形式的电导体与导线线路接触的方法。按照该方法，具有大约0.1-0.5mm直径的Pt-丝与导线线路导电地和机械地固定连接在一个陶瓷基片上，其方法是将一厚层的密封膏涂敷陶瓷基片上的导线线路上，将金属丝埋入密封膏中并和密封膏一起进行一个烘烤过程。
另外，例如由文献DE3939165C1或DG8716103U1充分公开了作为支承件的薄板坯，用作不活泼或活泼结构部件。由于大部分部件应用在最大值为150℃的温度范围中，因此薄板坯材料大多数也只是为这个温度范围设计的。一般地，此时涉及的是塑料材料，它们常常用无机材料进行加强。只要设定的是部件的一种无线接触，例如通常在温度测量电阻中作为热量传感器应用那样(参见DE4424630C1)，那么，这种接触是通过软焊或/和利用可导电的胶实现的。但是这种塑料薄板坯上的连接技术完全不适合于300℃以上的温度。
文献DE29504105U1公开了一种同样用于热量测量的传感器装置，其中用一个短的(15mm长)陶瓷片作为支承件。由于此处也是作为热量传感器应用的，由此可见，接触是借助软焊设定的，它同样只允许300℃的最大使用温度。
用于制造在高温度下使用的带温度测量电阻的传感器装置的其它方法按照现有技术，例如记录在文献DGM1784455和DGM1855262中，是这样构思的，首先将测量电阻的连接线通过连接线路的电绝缘连接线进行延长。测量电阻的极细的连接线与通常较粗的引入线的连接线的连接通过焊接或硬焊完成。当应用由玻璃丝包裹的引入线时，必须先对它进行绝缘处理。但是，为了排除在工作状态下的短路，必须以某种形式为测量电阻的连接线和焊接或硬焊连接部位设置电绝缘。此外，连接线必须或者用隔离物或者用专门的陶瓷成型件消除牵拉力(DGM1855262)。用于高温的连接线路的电绝缘或者由陶瓷毛细管来实现，但它们在整个材料费用占有很高的份额，并且由于它们的尺寸上的原因而常常妨碍其小型化；或者由玻璃丝包裹层来保证，它们按照制造上的要求用一种有机浸渍进行加强。这种浸渍必须在一个另外的加热过程中去除掉。此外，为了将测量电阻的位置固定，通常将一种陶瓷胶加到测量接头保护管的顶部中。因此，按照现有技术，高温测量接头是用一些单独的部件在一些加工步骤中制造的，它们不可能自动化制造或者只有在很高的费用下才能实现自动化制造。
相应地，本发明的任务是，提供一种制造一种传感器装置的方法，该方法包括几个标准化的单独步骤并且按照SMD技术可以容易实现自动化的作业步骤从而费用低。传感器装置应能适合于约400℃以上的温度测量。
按照本发明，制造温度测量的传感器装置的方法的任务是这样解决的，在向为此而设置的耐高温的支承件上安放测量电阻之前，将至少一个厚膜导电膏装到支承件的和/或测量电阻的接触面上，然后将测量电阻通过其接触面安置到支承件上，并且在位于1000℃和1350℃之间的一个温度范围内将其烧结在支承件上，使之接触和固定。
膏的涂敷例如可以通过丝网印刷，撒布或涂刷来进行。接着以所谓的倒装片技术将测量电阻接触，亦即，测量电阻以它的接触面(面向下)放置到支承件的相应的带有厚膜导电膏的接触面上并且在1000℃和1350℃之间的温度下将接触面烧结。在本发明的方法中进行位置固定时不需要附加的辅助手段，因为以丝网印刷方式印刷上的厚膜导电膏具有近似于直角的型面，因此与焊料垫的球形表面相反，平的测量电阻在安放之后保持在它的位置上。这种方法需要较少的单独步骤并且容易实现自动化。
使测量电阻接触的接触面是构成接触层的由PtPd，PtRh或Pt构成的厚膜导电膏。为了改善接触面和支承件之间或者接触面和测量电阻的陶瓷基片之间的粘着性，通过将最好两个厚膜导电膏相继地施加到接触面上，使接触面成为多层，构成所谓的厚膜***，这证明是有利的，其方法是优选将两种厚膜导电膏相继涂敷在接触面上，其中，厚膜导电膏在第一次涂敷到接触面上时，除了Pt，PtPd或PtRh外还含有一种使粘着性从基础上改善的玻璃烧结成分，而用于重复涂敷的膏除了Pt，PtPd或PtRh和有机粘着剂外必须不含有任何玻璃料。在第一层厚膜导电膏中的玻璃烧结成分的重量含量在0.5％和20％之间。由于测量电阻作为标准部件常常具有铂接触面，因此铂膏的应用也可以用含有铂合金的膏来代替。
为了在支承件上固定和接触测量电阻，最好选择一个在1200℃下的烧结温度，其中在最高温度时保持的时间为15分钟是符合目的的。
将测量电阻放置在支承件的接触面上可以直接在还是湿的厚膜导电膏上进行，或者在50℃和400℃之间的温度下预先干燥之后再进行，和必要时在一个接着预干燥之后在1000℃和1350℃之间的一个温度下，最好1200℃下，对厚膜导电膏预先烧结后再进行。
配置用导体线路和接触面制做的最好是陶瓷的支承件最好在基片的多重加工中用SMD-装配自动机器来进行。在输送到装配自动机器中之前，测量电阻的接触面用丝网印刷法印刷一种厚膜导电膏。将测量电阻这样地放置在这个接触垫上，使得它的接触面覆盖支承件上的接触面。接着将已经装配好的支承件进行干燥，并在一个连续式加热炉中进行烧结。由此，不仅达到了测量电阻经接触面在支承件上的机械固定，而且建立了在支承件上在测量电阻和引入线之间的电连接。在这之后，将多重加工的基片分开，这可以借助于在多重加工的基片上沿预先划的线的裂缝或者通过锯或用激光来进行。在相应的实施方案中，测量电阻也可以在一种行形式的多重加工中放置到多重加工的基片上。在这种情况下，测量电阻将和支承件一起分开。通过连续通电检测，最好是在已装配的支承件的分开之前，可以检测到有缺陷的或者功能不完全的传感器装置并在必要时进行分类。为了测量应用的完整化，已装配的支承件的核心部件上现在还需要几个其它的部件。将这些部件组装起来可以容易地用非常合理的加工技术来实现。所描述的制造方法通常可以实现很高的自动化程度。
按照本发明的方法制造的传感器装置可以具有以下的结构特征：
从跨接接触面的测量电阻开始，至少两个导线线路通向支承件的另一个端部，此处有另一对用于插接件或电缆连接的接触面。用于支承件的耐高温材料有陶瓷，玻璃，玻璃陶瓷或者一种在它的表面上电绝缘的金属，其中氧化铝(Al2O3)证明是用于厚膜或薄膜线路的通常的基片材料。此外，也有其它的氧化陶瓷或非氧化陶瓷材料以及各种玻璃的和玻璃陶瓷的宽板是适合的，只要它们满足对相应的温度范围和耐温度变化性方面的要求。温度变化是在这种情况下考虑的，即本发明的传感器装置例如用于对例如汽车的废气装置中的一个催化器进行温度监控时。用于导线线路和接触面的材料(它们用厚膜或/和薄膜技术涂敷在最好是陶瓷的支承件上)同样必须满足所述的要求。厚膜和薄膜技术的结构化的可能性允许在基片的多重加工中以较低的费用涂敷简单的线路图，其中在一个基片面积为4×4英寸(＝101.6×101.6mm2)情况下，在一个工序中可以对直至38个尺寸为101.6×2.54mm2的支承件进行金属化处理(并进行装配)，或对于基片面积为3×3英寸的情况，在一个工序中可以对直至38个尺寸为3 8.1×3.81mm2的支承件进行金属化处理(并进行装配)。
如果对于某一个安装位置要求一个特别窄的结构形式的传感器装置时，那么可以将陶瓷支承件的宽度缩小到大约1mm。在这种情况下，用于插接件或电缆连接的导线线路和接触面两者都不装在支承件的侧面上，而是将一个导线线路和一个插头接触面设置在支承件的背面上。借助于一个穿过在要接触的测量电阻区域中的支承薄板的接触通孔，建立起从背侧的引线导线线路至相应的用于测量电阻的接触面的连接。
按照本发明的方法制造的传感器装置也可以含有多个测量电阻在支承薄板上的固定和接触，由此例如可以获得一个是一个热效应传感器的组件。此时至少两个测量电阻中的一个被一个催化剂层所覆盖，在该催化剂层上，与汽车的废气流中的各个气体组成部分进行反应，由此引起温度上升。提高的温度将与一个参照温度进行比较，该参照温度与废气的气体组成部分无关。由此获得有关废气的成分和各个气体组成部分的浓度的情况。
下面对照一个实施例和附图1至4对本发明的实质内容进行详细说明。附图中，
图1一个装在支承件上的传感器装置，
图2一个装在具有直通连接的支承件上的传感器装置，
图3a和3b各是一个带有两个测量电阻的传感器装置，适用于热效应传感器，
图4一个温度测量接头的剖视图。
本发明的方法包括例如以下步骤：
一个尺寸为101.6×101.6×0.6mm3(一个4×4英寸的标准层)，76.2×76.2×0.6mm3(3×3英寸)或者50.8×50.8×0.6mm3的氧化铝层具有间隔为2.5mm或3.8mm的平行激光刻槽。在该层的一侧，在由激光刻槽给定的条中各设置两个导线线路。该导线线路是用厚层法或薄层法加工和结构化的。它们主要由Pt或PtPd或PtRh组成。这样制成的陶瓷层将设置到一个丝网印刷装置的安装架中。利用一个具有相应尺寸的掩模将最好由铂构成的接触面印刷到导线线路的端部上，在该处上将要设置对温度敏感的测量电阻。这些接触面的间隔和几何形状对应于要设置的测量电阻的尺寸。对于一个尺寸为8×2mm的测量电阻来说，两个相距5mm的接触面具有大约2.5×1.5mm的尺寸。从丝网印刷装置中取出这样设置了铂垫的支承件并将其输送到一个SMD装配自动机，例如一个所谓的抓入机。在这里，测量电阻一般“面朝下”地装到支承件上的还是湿润的接触垫上。接着进行一个干燥处理，最好在150℃下持续30分钟。为了烧结，可以选择一个标准的烧结型面，它对于一个通常的铂膏具有15分钟的1200℃的最高温度。通过这个过程将测量电阻固定在陶瓷的支承件上并被电接触。接下来是检测和控制步骤，以及将配置了的支承件通过一个***装置从多重加工的基片分成单独的支承件。
图1中示出了一个用本发明的方法制造的用于温度测量的传感器装置。平的测量电阻1设置在支承件2的一个端部上。支承件2上的接触面3，4在其几何尺寸和间隔上对应于测量电阻1的几何尺寸和间隔，测量电阻通过一个固定烧结和新涂上的厚膜导电膏(例如一种铂膏)一起被固定和接触。导线线路5，5’相互平行地通向陶瓷支承件2的冷态端，它们在此处终止于用于接触夹片，插座或电缆接头的接触面6，6’中。导线线路的材料例如可以是PtPd，PtRh或Pt。接触面的最上层3，4，6，6’最好由一种Pt-厚膜膏构成。当耐高压方面的要求提高时，将导线线路5，5’用一种电介质覆盖是有利的。此外，为了排除测量电阻1上的分路，如也可以从图1中看到的那样，将继续伸展到支承薄板的顶端并在那里终止于一个用于测量电阻1的接触垫中的导线线路5至少在以下区域中通过一个覆盖层7进行绝缘，在所说区域中，导线线路与放置的平测量电阻是相切的。用于该部件的额定测量电阻例如可以是100，200，500，1000或者2000欧姆，可以根据用户的具体应用情况来确定。用于所述的支承薄板2的典型尺寸是：长101.6mm，宽3mm，厚1mm。
图2与图1的区别主要在于两个引线5，5’和各个插座接触面6，6’的布置。它们不是布置在支承件2的一侧上，而是布置在陶瓷支承薄板2的前端侧和背侧上。但是平测量电阻1的两个接触面3，4和在第一实施例中的一样是布置在支承件2的一侧上，其中与背侧的导线线路5的连接是通过一个直通连接孔8来保证的。直通连接孔8位于测量电阻1的第二接触面4的区域中。一个用于支承件2的被测量电阻1所覆盖的区域的绝缘覆盖层在这里是不需要的。此外，这种结构还可以制做特别细窄的传感器装置，它典型地具有以下尺寸：对于支承件2：101.6×1×1mm，对于平测量电阻1：5×1×0.4mm。
图3a示出了一个复式传感器装置，其中有两个测量电阻1，1’接触和固定在支承件2上。引线5，5’，5”，5是独立的，亦即它们在电流上是分开地通到测量电阻1及1’。利用所谓的中间抽头55，如图3b所示，也可以将两根引线组合成一股引线。按照图3b，测量电阻1用一个催化活泼层71覆盖，当将这种传感器装置装在例如汽车的废气流中时，在该催化活泼层71上通过放热反应进行各单个气体组成部分的分解。与此相关联的增高的温度由测量电阻1检测并且与没有催化活泼层测量电阻1’的温度值比较。这种传感器装置称为热效应传感器。
图4示出了一个已配置的支承件2在一个适用于安装在汽车的废气管中的温度计壳中的布置情况。在支承件2的冷态端，接触面6，6’设有两个U形保持件(夹片)12，12’，它们具有双重功能，即，既是电接头又是陶瓷支承薄板2的机械保持件。两个保持件12，12’平行于金属保护管9的纵向延伸部分并推到支承件2上的两个接触面6，6’上，并用激光焊住。保持件的相对的一侧上有一个凹的成型件13。支承件2的第二个电接头是借助于一个矿物绝缘的接头导线14完成的，该接头导线14焊接在凹的成型件13上。凹的成型件13具有这样的结构，使得它正好邻接在接头导线14上，由此可以进行焊接。接头导线14上设置了一个套管15，并在保护管9上从外部进行气密地激光焊接。
在支承件上设置了两个相互平行布置的弹性的金属丝编织件16，它们位于保护管9的内侧上，对支承件2进行机械支撑。金属保护管9和陶瓷支承薄板2之间的不同的膨胀通过这种解决方案得到补偿。保护管9有一个止挡凸缘10，它确定在排气管中所要求的***深度并且可以从外部焊接在排气管上。为了机械地封闭传感器装置，先在金属丝编织件16上装一个带孔的封闭帽17并定位，然后从外部焊接在金属保护管9上。孔保证了要测量的气体能够接触到传感器敏感的部分。在另一个实施例中，这种封闭帽17可以没有孔，此时热量通过一种可导热的填充物质从壳的壁传递到测量电阻1。填充物质此时位于封闭帽17和测量电阻1之间。

Claims (5)

1.制造一种用于温度测量的传感器装置的方法，该传感器装置带有一个对温度敏感的测量电阻，该测量电阻在一个陶瓷基片上有一个作为电阻层的薄金属膜和接触面，其中，电阻层由一个电绝缘的保护层覆盖，接触面是导电的并且与相互电绝缘的耐高温的导线线路直接机械地固定连接在一个耐高温的由一种电绝缘材料构成的支承件上，其中测量电阻与支承件的一个端部相接触并且在支承件的与测量电阻相背离的端部上设置接触面，用于连接一个接触夹片，插头或者电缆，其特征在于，在向耐高温的支承件(2)上设置测量电阻(1)之前，将至少一个厚膜导电膏涂敷在支承件(2)的和/或测量电阻(1)的接触面(3，4)上，然后将测量电阻(1)以它的接触面安置到支承件(2)上，并且在位于1000℃和1350℃之间的温度范围内将其烧结在支承件(2)上，使之接触和固定。
2.按照权利要求1的制造一种用于温度测量的传感器装置的方法，其特征在于，测量电阻(1)和支承件(2)上的接触面是分别通过两次涂敷含有Pt，PtPd或PtRh的厚膜导电膏制成的，其中，用于第一次在测量电阻(1)和/或支承件(2)的接触面上涂敷的厚膜导电膏除了Pt，PtPd或PtRh外还含有一种其重量百分比在0.5％和20％之间的玻璃料成分。
3.按照权利要求1或2的制造一种用于温度测量的传感器装置的方法，其特征在于，烧结是在温度为1200℃下保持时间约为15分钟时进行的。
4.按照权利要求1至3中之一的制造一种用于温度测量的传感器装置的方法，其特征在于，涂敷在接触面上的厚膜导电膏在测量电阻(1)放置到支承件(2)上之前通过在50℃和400℃之间的温度范围内的温度处理进行预干燥和/或通过在1000℃和1350℃之间的温度范围内的温度处理进行预烧结。
5.按照权利要求4的制造一种用于温度测量的传感器装置的方法，其特征在于，预干燥是在温度为150℃下保持时间约为30分钟时进行的，预烧结是在温度为1200℃下保持时间约为15分钟时进行的。
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