DE102004048979B4

DE102004048979B4 - Sensor mit wenigstens einem beheizten Sensorelement

Info

Publication number: DE102004048979B4
Application number: DE200410048979
Authority: DE
Inventors: Dirk Tuchtenhagen; Gunnar Jung
Original assignee: Aceos GmbH
Current assignee: Aceos GmbH
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2024-10-02
Also published as: DE102004048979A1

Abstract

Sensor mit wenigstens einem über 100°C beheizten Sensorelement sowohl als mindestens eine Schicht auf einem Endenbereich eines Körpers als auch zur Platzierung in einem Raum einer Messkammer, wobei sich in einer Grundplatte mindestens eine Öffnung zur Aufnahme des dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegenden Endenbereiches des Körpers befindet, die Abmessungen der Öffnung gleich oder größer als wenigstens die Abmessungen des Querschnittes des dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegenden Endenbereiches des Körpers sind und der dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegende Endenbereich des Körpers in der Öffnung der Grundplatte (1) befestigt ist, so dass die Grundplatte (1) und die Sensorplatte winklig zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Grundplatte (1) als Leiterplatte Leiterbahnen (3) befinden und dass jeweils eine Leiterbahn (3) der Grundplatte (1) mit einer Leiterbahn (8) des Körpers mit dem wenigstens einem Sensorelement über wenigstens eine mit den Leiterbahnen (3, 8) verbundenen metallischen Lotbrücke (9) elektrisch leitend...

Description

Die Erfindung betrifft Sensoren mit wenigstens einem beheizten Sensorelement sowohl als mindestens eine Schicht auf einem Endenbereich eines Körpers als auch zur Platzierung in einem Raum einer Messkammer.
Bestimmte Sensorelemente (Sensoren) können erst genutzt werden, wenn deren Temperatur über der Umgebungstemperatur liegt. So nutzen zum Beispiel Festkörperelektrolyt-Sensoren auch sensitive Materialen, welche nur bei Betriebstemperaturen über 100°C funktionieren, so dass diese Sensorelemente beheizt werden müssen. Derartige Sensoren sind unter anderem durch die Druckschriften DE 102 12 167 A1 (Thermoelektrische Gas- und Strömungssensoren), DE 197 09 338 C2 (Potentiometrischer CO2-Sensor), DE 198 38 028 C2 (Verfahren und Einrichtung zur Messung von Stickoxiden), DE 196 51 328 A1 (Temperaturregelung für Gassensoren), US 2004/0123642 A1 (inspection method for multilayer gas sensing device) und US 4,897,174 (gas sensing apparatus) bekannt. Diese beheizten Sensorelemente müssen aber zum Schutz des Nutzers, zur Minimierung der zum Beheizen benötigten Leistung und zur Reduzierung der Messfehler von ihrer Umgebung thermisch isoliert werden.
Aufgrund der einfachen Herstellung und der schnellen Ansprechzeiten werden Festkörperelektrolyt-Sensorelemente in planarer Anordnung bevorzugt. Derartige Lösungen sind unter anderem durch die Druckschriften US 2004 0123642 A1 (Prüfverfahren für Mehrlagen-Gassensoren) und DE 102 59 523 A1 (Sensorelement) bekannt. Bei planaren Sensoren werden keramische Materialien zum Beispiel in Form von Aluminium- oder Zirkoniumoxid als Träger benutzt.
Die notwendige thermische Isolation des Sensorelements ist aufwändig und an meist teure Materialien gebunden. Für eine Minimierung der Wärmeleitung zur Umgebung wird Luft als Isolator eingesetzt, wodurch sich aber der Bauraum vergrößert. Die elektrische Verbindung zur Steuerungs- und Auswerteeinheit der Sensoren sind aufgrund der thermischen Isolationsmaßnahmen nicht direkt an das Sensorelement angelegt und führen meist axial vom Sensorelement weg, so dass sich der Bauraum vergrößert und die Flexibilität bei Anschlusskabelführung eingeschränkt ist. Die Ausrichtung und Positionierung der Sensoren erfolgt über spezielle zum Beispiel durch Spritzguss hergestellte Vorrichtungen. Die für das Spritzgießen notwendigen Formen sind nur aufwändig herstellbar, so dass Änderungen mit nicht unerheblichen Kosten verbunden sind.
Durch die Druckschrift DE 101 27 871 C1 (Gehäuse für einen Temperatur- oder Gassensor) ist ein Sensor mit wenigstens einem Sensorelement sowohl als mindestens eine Schicht auf einem Endenbereich eines Körpers als auch zur Platzierung in einem Raum einer Messkammer bekannt, wobei sich in der Grundplatte mindestens eine Öffnung zur Aufnahme des dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegenden Endenbereichs eines Körpers befindet, wobei die Abmessungen der Öffnung gleich oder größer als wenigstens die Abmessungen des Querschnitts des dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegendem Endenbereiches des Körpers sind und wobei der dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegende Endenbereich des Körpers in der Öffnung der Grundplatte und die Sensorplatte winklig zueinander angeordnet sind.
Die Grundplatte ist eine Metallscheibe. Diese dient der Platzierung der Sensorplatte im Gehäuse, wobei mit deren Anwendung der Abstand zur Gehäusewandung sichergestellt ist. Weiterhin muss diese dabei so ausgebildet sein, dass die Leiterbahnen der Sensorplatte nicht elektrisch miteinander verbunden werden. Für beheizte Sensorelemente ist eine derartige Grundplatte wenig geeignet. Weiterhin ist eine derartige Grundplatte ein guter Wärmeleiter, so dass keine Wärmebarriere zwischen Sensorplatte und Halterung der Grundplatte vorhanden ist. Weiterhin ist eine Metallscheibe als Träger für Leiterbahnen nicht ohne weiteres geeignet. Durch die Druckschrift DE 101 15 704 C1 (Gehäuse für einen Temperatur- oder Gassensor sowie dessen Verwendung) ist ein Gehäuse für Temperatur- und Gassensoren bekannt, wobei die beabstandete Platzierung des sensitiven Elementes in einem Keramikformteil durch Faserpakete im Keramikformteil erfolgt. Die elektrische Kontaktierung des sensitiven Elementes basiert auf elektrischen Kontakten, die vorzugsweise als Federelemente ausgebildet sind. Den Abschluss des Gehäuses wird durch einen Gummipfropfen gebildet, der sich im metallischen Schutzgehäuse befindet. Das sensitive Element wird nicht beheizt. Das Schutzgehäuse und das sensitive Element befinden sich im Messgas.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Isolation zwischen beheiztem Sensorelement und der Sensoraufnahme bei gleichzeitiger Ausrichtung und Positionierung einfach und ökonomisch günstig zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Sensoren mit wenigstens einem beheizten Sensorelement sowohl als mindestens eine Schicht auf einem Endenbereich eines Körpers als auch zur Platzierung in einem Raum einer Messkammer zeichnen sich insbesondere durch eine thermische Isolation zwischen dem Sensorelement und der Sensoraufnahme/Sensorbefestigung bei gleichzeitiger Ausrichtung und Positionierung gegenüber einer leicht zu befestigenden Grundplatte aus. Die Grundplatte dient vorteilhafterweise gleichzeitig der Sensorbefestigung. Die Grundplatte besitzt eine Öffnung zur Aufnahme des dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegenden Endenbereiches des Körpers, so dass das beheizte Sensorelement beabstandet von der Grundplatte angeordnet ist. Die Öffnung dient vorteilhafterweise gleichzeitig der Fixierung des Körpers mit den Sensorelementen, so dass vorgegebene Positionen der Sensorelemente zum Beispiel in einem Messraum leicht realisierbar sind. Die Abmessungen können so gewählt werden, dass eine Klemmverbindung zwischen Körper und Grundplatte gegeben ist, so dass eine feste Position des Körpers gegenüber der Grundplatte schon beim Zusammenfügen vorhanden ist. Damit ist leicht eine sehr genaue Ausrichtung der Sensorelemente möglich, so dass leicht zum Beispiel verschiedene Anströmwinkel einstellbar sind. Die Öffnung ist gleichzeitig eine Montagehilfe, so dass der Körper leicht in der Grundplatte platzierbar ist. Mit der Grundplatte ist eine einfache Handhabung und Befestigungsmöglichkeit des Sensors vorhanden, so dass eine Montage an einer Messkammer einfach möglich ist. Das Gleiche gilt für einen Austausch von Sensoren bei gleichen Messkammern, so dass Messkammern für die unterschiedlichsten Aufgaben leicht realisierbar sind.
Damit kann ein kostengünstiger Sensor auch als Sensorstecker zur Verfügung gestellt werden. Die Handhabung und Befestigung der Grundplatte ist leicht möglich und auch automatisierbar, so dass kostengünstige und damit ökonomische Sensoren vorhanden sind. Damit ist der Sensor sowohl klein- als auch großserientauglich.
Auf der Grundplatte befinden sich Leiterbahnen, wobei jeweils eine Leiterbahn der Grundplatte mit einer Leiterbahn des Körpers vorzugsweise als Sensorplatte über wenigstens eine metallische Lotbrücke elektrisch leitend verbunden ist, stellen eine einfache Realisierung der elektrischen Verbindungen dar. Die Leiterbahnen der Grundplatte sind weiterhin als Kontakte oder als elektrische Verbindungen zu Bauelementeanschlüssen nutzbar, so dass die Grundplatte gleichzeitig ein Bauelementeträger ist. Dadurch können die Messsignale der Sensorelemente über Bauelemente als Auswerte- oder Wandlereinrichtungen bearbeitet werden. Bauelemente können auch Verbindungselemente sein, so dass eine elektrische Kontaktierung des Sensors leicht möglich ist.
Es ergeben sich die vielfältigsten Anwendungen.
Damit sind

– eine thermische Isolation des erwärmten Sensorelements von der Gesamtstruktur,
– elektrische Anschlüsse zur elektrischen Versorgung des Sensors und Übermittlung der Sensorsignale an eine Auswerteeinheit,
– eine mechanische Anbindung an die Umgebung des Sensors,
– eine Abdichtung einer Gasmesskammer gegenüber dem Gehäuse oder der Umgebung,
– eine Ausrichtung und Positionierung der Sensorelemente im zu messenden Medium und
– der Schutz des Sensorelements gegenüber äußeren mechanischen oder strömungsmechanischen Einwirkungen gegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben.
Die Weiterbildungen der Patentansprüche 2 bis 4 ermöglichen eine automatisierte Herstellung der metallischen Lotbrücken zwischen den Leiterbahnen der Sensor- und der Grundplatte. Die Ausbuchtungen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 zwischen benachbarten Leiterbahnen der Grundplatte verhindern vorteilhafterweise Brückenbildungen zwischen benachbarten Leiterbahnen.
Vorteilhafterweise ist die Grundplatte nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 gleichzeitig ein Baulementeträger für elektronische Bauelemente und/oder Verbindungselemente. Günstige Verbindungselemente sind zum Beispiel Teile von Steckverbindern.
Mit wenigstens einem Durchbruch in der Grundplatte nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 kann die Grundplatte leicht mittels eines Befestigungselementes zum Beispiel an oder in einer Messkammer platziert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 einen Sensor mit einer Sensorplatte und einer Grundplatte,
2 eine Grundplatte mit Leiterbahnen und Befestigungseinrichtungen,
3 die Verbindung von Leiterbahnen über Lotbrücken in einer Schnittdarstellung,
4 die Verbindung von Leiterbahnen über Lotbrücken in einer Draufsicht,
5 einen Sensor mit einem Steckverbinder auf Grundplatte als Sensorstecker und
6 einen Sensor mit einem Rohr mit wenigstens einem Sensorelement in einer Grundplatte zum Einkleben.
Ein Sensor mit wenigstens einem beheizten Sensorelement als mindestens eine Schicht auf einem Endenbereich einer Sensorplatte 7 als Körper besteht im wesentlichen aus einer Grundplatte 1 mit mindestens einer Öffnung 5 zur Aufnahme des dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegenden Endenbereiches einer Sensorplatte 7.
Die Abmessungen der Öffnung 5 sind größer als wenigstens die Abmessungen des Querschnittes des dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegenden Endenbereiches der Sensorplatte 7, so dass die Öffnung 5 neben der formschlüssigen Aufnahme des Endenbereiches auch der Positionierung und Fixierung der Sensorplatte 7 gegenüber der Grundplatte 1 dient. Die Öffnung 5 definiert die Ausrichtung und Position der Sensorplatte 7 und damit des Sensorelementes im zu messenden Medium. Dadurch ist eine winklige Anordnung zwischen Sensorplatte 7 und Grundplatte 1 gegeben.
Die 1 zeigt einen Sensor mit einer Sensorplatte 7 und einer Grundplatte 1.
Die Grundplatte 1 besteht aus Aluminiumoxid, einer Glaskeramik, einem Polymer oder bekannten Leiterplattenmaterial eines glasfaserverstärkten Epoxidharzes, so dass bestimmte Eigenschaften wie Wärmeleitung, Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und thermischer Ausdehnungskoeffizient anwendungsspezifisch vorhanden sind. Die Öffnung 5 wird durch die bekannten Verfahren wie Erodieren, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Bohren oder Fräsen eingebracht, so dass eine sehr genaue und engtolerierte Öffnung 5 erzielbar ist. Die Genauigkeit der Ausrichtung des Sensorplatte 7 ist somit abhängig von der Form der Öffnung 5 und von den Toleranzen, die beim Einbringen der Öffnung 5 entstehen.
Die Sensorplatte 7 und die Grundplatte 1 weisen Leiterbahnen 3, 8 auf. Die Leiterbahnen 3, 8 sind zum Beispiel durch die bekannten Technologien der Dickschichttechnik unter Nutzung des Sieb- oder Schablonendruckes aufgebracht und anschließend ausgehärtet. Die Kontaktierung der Leiterbahnen 8 sowohl der Sensorplatte 7 als auch der Leiterbahnen 3 der Grundplatte 1 erfolgt über Lotbrücken 9 (Darstellungen in den 3 und 4).
Dabei enden die Leiterbahnen 3 der Grundplatte 1 an der Öffnung 5 oder sind auch auf Wandbereichen der Öffnung 5 weitergeführt. Dadurch sind die Lotbrücken 9 leicht realisierbar. Bei der zweiten Variante fließt Lot auch vorteilhafterweise durch Kapillarwirkung zwischen die Verbindungsstellen der Leiterbahnen 3 und 8. Zur Verbesserung der Handhabbarkeit und Vereinfachung befinden sich zwischen benachbarten Leiterbahnen 3 der Grundplatte 1 Ausbuchtungen in der Grundplatte 1. Dabei wird verhindert, dass sich Lot auch zwischen den Leiterbahnen 3 ansammelt und Kurzschlussbrücken entstehen.
Auf der Grundplatte 1 befindet sich weiterhin in entsprechend eingebrachten Aufnahmen 4 (Darstellung in der 2) ein Steckverbinder 10 (Darstellung in der 5), so dass eine leichte Kontaktierung des dadurch vorhandenen Sensorsteckers gegeben ist. Für eine leichte und feste Montage besitzt die Grundplatte 1 mehrere Durchbrüche 2 für Befestigungselemente zum Beispiel als Schrauben.
Neben dem Steckverbinder 10 können in einer weiteren Ausführungsform auch elektronische Bauelemente auf der Grundplatte 1 befestigt, kontaktiert und über die Leiterbahnen 3 verbunden werden. Dadurch stellt die Grundplatte gleichzeitig ein Bauelementeträger dar.
In einer weiteren Ausführungsform des Ausführungsbeispiels können sich die Sensorelemente anstelle auf einer Sensorplatte auf einem Rohr 11 als Körper befinden (Darstellung in der 6). Die Befestigung des Rohres 11 erfolgt in einer kreisförmigen Öffnung über einen Kleber.
Die elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen auf dem Rohr 11 zur Kontaktierung der Sensorelemente und der auf der Grundplatte erfolgt analog denen zwischen der Sensorplatte 7 und der Grundplatte 1.

Claims

Sensor mit wenigstens einem über 100°C beheizten Sensorelement sowohl als mindestens eine Schicht auf einem Endenbereich eines Körpers als auch zur Platzierung in einem Raum einer Messkammer, wobei sich in einer Grundplatte mindestens eine Öffnung zur Aufnahme des dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegenden Endenbereiches des Körpers befindet, die Abmessungen der Öffnung gleich oder größer als wenigstens die Abmessungen des Querschnittes des dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegenden Endenbereiches des Körpers sind und der dem Endenbereich mit den Sensorelementen gegenüberliegende Endenbereich des Körpers in der Öffnung der Grundplatte (1) befestigt ist, so dass die Grundplatte (1) und die Sensorplatte winklig zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Grundplatte (1) als Leiterplatte Leiterbahnen (3) befinden und dass jeweils eine Leiterbahn (3) der Grundplatte (1) mit einer Leiterbahn (8) des Körpers mit dem wenigstens einem Sensorelement über wenigstens eine mit den Leiterbahnen (3, 8) verbundenen metallischen Lotbrücke (9) elektrisch leitend verbunden sind.
Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Wandbereich der Öffnung (5) der Grundplatte (1) Leiterbahnen enden und dass jeweils eine Leiterbahn (3) der Grundplatte (1) mit einer Leiterbahn (8) des Körpers mit dem wenigstens einem Sensorelement über wenigstens eine mit den Leiterbahnen (3, 8) verbundenen metallischen Lotbrücke (9) elektrisch leitend verbunden sind.
Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wandbereich der Öffnung (5) der Grundplatte (1) mit Leiterbahnen, wobei jeweils eine Leiterbahn der Wandung mit einer Leiterbahn (3) auf der Oberfläche der Grundplatte (1) verbunden ist, versehen ist.
Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung zwischen benachbarten Leiterbahnen (3) wenigstens bereichsweise eine Ausbuchtung ist.
Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (1) ein Baulementeträger ist.
Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (1) wenigstens einen Durchbruch (2) und/oder eine Einkerbung für ein Befestigungselement aufweist.