DE102007011535A1

DE102007011535A1 - Hochtemperatursensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102007011535A1
Application number: DE102007011535A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Kiesewetter; Eva Dipl.-Ing. Witz; Volkmar Dipl.-Ing. Melchert
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2027-03-10
Also published as: DE102007011535B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatursensor, insbesondere zur Messung der Abgastemperatur von Kraftfahrzeugen, mit einem Widerstandssensor und einem Schutzrohr und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperatursensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der für den Einsatz in chemisch aggressiven Medien mit hohen Schwingungsbeanspruchungen geeignet ist und der kostengünstig herstellbar ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Hochtemperatursensor gelöst, bei dem der vordere Bereich des Schutzrohres (7) mit einem Hochtemperatursensorelement gasdicht verbunden ist, der eine Keramikhülse (3) enthält, in der sich ein Hochtemperaturchip (1) befindet, dessen Anschlussn sind und das Schutzrohr mit einer mit Pulver gefüllten Mantelleitung (6) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatursensor, insbesondere zur Messung der Abgastemperatur von Kraftfahrzeugen, mit einem Widerstandssensor und einem Schutzrohr und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Der Hochtemperatursensor verfügt über ein chemisch beständiges, mechanisch stabiles und schwingungsfestes Gehäuse.
Für die Temperaturmessung besteht eine Vielzahl von Applikationen in zahlreichen Anwendungsfeldern.
So ist in US 5 497 139 ein Temperatursensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben, bei dem ein Thermistor in einem hitzebeständigen Gehäuse angeordnet ist und die Zuleitungen in einer chemischen Verbindung des Typs (Al_1-x-yCr_xFe_y)₂O₃ eingebettet sind. Nachteilig ist hierbei der komplizierte Aufbau, der nur eine geringe Schwingungsfestigkeit aufweist, da sich bei hohen Temperaturen der Schutzmantel stärker ausdehnt als das keramische Innenleben.
Ferner ist nach DE 100 62 041 C2 ein Temperatursensor bekannt, bei dem das Messelement in einer Schutzrohr angeordnet ist, dessen Anschlussleitung als Mantelrohr ausgeführt ist, welches im Bereich des Messelementes fest mit dem Schutzrohr verbunden ist und das Messelement mit seinen Anschlüssen mit dem aus dem Mantelrohr austretenden Leitungen in einem temperaturfesten, elektrisch nicht leitenden Material im umgebenden Bereich des Schutzrohrs vergossen ist. Die hier verwendete Art der Ab dichtung des Messelements zur Kontakteinrichtung ist zur Gewährleistung einer Langzeitbeständigkeit nicht geeignet.
Bei einer in EP 1 426 748 A1 beschriebenen für den Kraftfahrzeugbereich vorgesehen Temperaturmessanordnung, ist das Sensorelement mit verschiedenen koaxial angeordneten Schutzhüllen versehen. Die Anordnung ist für erhöhte Schwingungsbeanspruchungen nicht geeignet.
Aufgrund der steigenden Preise für Rohstoffe sowie der Bemühungen um verringerte Umweltbelastungen werden in zunehmendem Maße auch bei Kraftfahrzeugen Abgastemperaturmessungen notwendig. Die aus dem Kraftwerks- und Industriebereich bekannten Lösungen für Hochtemperaturmessungen sind auf Grund ihrer Kostenstruktur für derartige Anwendungsfälle nur bedingt verwendbar. Der Einsatz in Kraftfahrzeugen erfordert robuste, im Außenkontaktbereich feuchtigkeitsdichte und sehr kostengünstige Lösungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperatursensor der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der für den Einsatz in chemisch aggressiven Medien mit hohen Schwingungsbeanspruchungen geeignet ist, sich durch ein schnelles Ansprechen auszeichnet und der kostengünstig herstellbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Hochtemperatursensor, welcher die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und mit einem Verfahren, welches die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gegenstand der Anmeldung sind auch Merkmalskombinationen bei denen die beschriebenen Einzelmerkmale beliebig miteinander kombiniert werden.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass im vorderen Bereich des Schutzrohres ein Hochtemperatursensorelement angeordnet ist, der über ein Zwischenteil aus Me tall mit dem Schutzrohr gasdicht verbunden ist, wobei das Metallteil mit einer Außenstülpung versehen ist, und das Hochtemperatursensorelement eine Keramikhülse enthält, in der sich ein Hochtemperaturchip befindet, dessen Anschlussdrähte mit einem mechanischen Schutz versehen sind.
Die Keramikhülse kann offen ausgeführt sein oder mit einem Boden verschlossen sein, so dass sie eine Abdeckkappe bildet. Die Gestaltung des Sensors gewährleistet durch kurze Abstände zwischen Außenkappe und Temperaturmesselement, dass die zu ermittelnde Umgebungstemperatur schnell von der Außenkappe zum Messelement geleitet wird. Die Anordnung zeichnet sich deshalb durch ein schnelles Ansprechverhalten aus. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die den Sensorchip tragenden Bauteile und die Anschlussleitungen mechanisch voneinander entkoppelt sind und die Anschlussleitungen des Sensorchips keinen Zugbeanspruchungen unterliegen. Dadurch wird eine hohe Sicherheit gegen Schwingungsbeanspruchungen gewährleistet. Darüber hinaus ermöglicht die Anordnung des Hochtemperaturbereichs an der Vorderseite der Gesamtanordnung auch, dass die Montage des Hochtemperatursensorchips von der Vorderseite aus erfolgen kann, was die Montage wesentlich erleichtert.
Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit ist es ferner möglich dass das Zwischenteil in einer Metallkappe integriert ist, welches die Keramikhülse umgibt, so dass die Keramikhülse von einem fingerhutartigen, mit einer Außenstülpung versehenen Kopfteil aus Metall umgeben ist, das mit dem Schutzrohr gasdicht verbunden ist.
Ferner ist es möglich, dass die Keramikhülse in Form einer Kappe ausgebildet ist, die das Hochtemperatursensorelement umschließt. Diese Ausführung ermöglicht ein besonders schnelles Ansprechen des Sensors.
Vorteilhafterweise können zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit die Anschlussdrähte mit Schutzdrähten umwickelt und mit diesen verschweißt sein und/oder einen Dehnungsausgleich auf weisen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass im vorderen und/oder im hinteren Bereich spritzbare Polymere eingebracht sind, die die dortigen Hohlräume ausfüllen und die empfindlichen Funktionselemente stützen. Dabei ist es auch möglich, dass die Po lymere mit Inhaltsstoffen versehen sind. Als Inhaltsstoffe können Metallfasern oder Konglomerate aus speziellen Oxiden dienen. Die Inhaltsstoffe verhindern bei reduzierender Atmosphäre, wie sie beispielsweise in Abgasen von Verbrennungsmotoren auftreten, dass die dem Treibstoff zugesetzten Additive (wie z.B. Natrium, Kalium und Magnesium) eine Leitfähigkeitserniedrigung des Isolatormaterials bewirkt sowie Elektrolysespannungen, die beim Auftreten von Feuchtigkeit entstehen, verhindern.
Vorteilhaft ist dabei, dass im vorderen und hinteren Teil der Anordnung unterschiedliche Materialien eingebracht werden können. Vorzugsweise werden im Vorderteil Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet, um eine schnelles Ansprechen zu erreichen, während im hinter Teil Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, um eine gute thermische Isolation zu gewährleisten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine Ausführung mit Metallkappe,
2 eine Ausführung mit Keramikkappe,
3 eine Ausführung mit Polymerumspritzung im vorderen Bereich,
4 eine Ausführung mit Polymereinsatz,
5 eine Ausführung mit Schutzkapillare und
6 eine Einzelheitdarstellung einer Verstärkung der vorderen Sensoranschlussdrähte.
In 1 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der Hochtemperatursensor am vorderen Bereich, der in das zu untersuchende Medium ragt, mit einer Metallkappe 8 verschlossen ist. In einem Schutzrohr 7 ist die Mantelleitung 6 durch Verpressen befestigt. Das Schutzrohr 7 besteht hier aus einer in einem Ziehprozess hergestelltem Edelstahlschutzhülse und die Mantelleitung aus einer mit Al₂O₃-Pulver gefüllten Inconellleitung. Im vorderen Bereich des Sensors, der den Hochtemperaturbereich darstellt, befindet sich der Sensorchip 1, der einen Hochtemperatursensor enthält und in einer Keramikhülse 3 angeordnet ist. Die Keramikhülse 3 ist im dargestellten Fall offen. Sie kann aber auch an der Unterseite mit einem Boden verschlossen sein. Der Sensorchip 1 ist in der Keramikhülse 3 in einer ersten Hochtemperaturzementschicht 4 eingebettet, die mit einem bei Einsatztemperatur verlaufenden Einbrennprozess formiert wurde, bevor die Anschlussdrähte 2 mit der Mantelleitung 6 verschweißt werden. Hierbei ist die Anordnung so gestaltet, dass der Chip parallel zu den Anschlussleitungen liegt und die Verbindungsstellen sich in Anschlussrichtung vor dem Chip befinden. Die Materialauswahl und konstruktive Anordnung sind so gestaltet, dass sich bei Aufheizen des ganzen Hochtemperatursensors der vordere Bereich weniger ausdehnt, als die inneren Anschlussdrähte um schwingungsbedingte Zerstörung zu vermeiden, die durch Ausdehnungslücken entstehen würden. Die aus der Mantelleitung 6 herausragenden elektrischen Anschlussleitungen 2 weisen einen Dehnungsausgleich 2.1 auf, der unterschiedliche Längenänderungen zwischen den Anschlussleitungen 2 und den Befestigungsteilen des Sensorchips 1 ausgleichen kann. Die Keramikhülse 3 ist mit einer zweiten Hochtemperaturzementschicht 5 in einer Metallkappe 8 befestigt. Die Metallkappe 8 bildet ein fingerhutartiges, mit einer Außenstülpung versehenes Kopfteil und ist mit dem Schutzrohr 7 mittels einer durch Laserschweißen erzeugten Schweißverbindung 7.1 gasdicht verbunden.
Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors besteht darin, dass die Montage der Gesamtanordnung von der Seite erfolgen kann, die im Einsatzfall dem Prozessmedium zugewandt ist. Die Montage wird dadurch wesentlich erleichtert und gewährleistet eine hohe Sicherheit insbesondere für die Dichtheit sowie für die Schwingungsbeständigkeit der Verbindungsstellen. Bei der Fertigung des in diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen Hochtemperatursensors wird zunächst eine Edelstahlschutzhülse hergestellt, was über einen Ziehprozess oder einem ähnlichen Prozess erfolgen kann. Diese Hülse bildet das Schutzrohr 7 der Anordnung und dient als Ausgangsteil bei der Montage des Sensors. Im vorderen Hochtemperaturbereich wird das Schutzrohr 7 mit einer Keramikhülse 3 verbunden, in der der Sensorchip 1 angeordnet wird. Die Anschlussdrähte 2 des Sensorchips 1 sind vorzugsweise um mindestens 3–4 mal stärkere Schutz- und Haltedrähten gewickelt und mit diesen verschweißt. Der Sensorchip 1 wird in der Keramikhülse 3 mittels einer ersten Hochtemperaturzementschicht 4 befestigt, welche bei Einsatztemperatur durch einen Einbrennprozesses formiert wird. Anschließend erfolgt das Verschweißen der Chipanschlussdrähte. Danach wird die fingerhutartige, mit einer Außenstülpung versehene Metallkappe 8 über die Keramikhülse 3 geschoben, in dieser einzementiert und danach bei Einsatztemperatur ausgeheizt. Die Einsatztemperatur beträgt 800°C bis 900°C, vorzugsweise 850°C Danach verbleibt ein Hohlraum der vor dem Verschweißen der Metallkappe 8 mit der Luft oder einem inerten Gas gefüllt wird, wobei jegliche Feuchtigkeit vermieden wird.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform wird das Kopfteil von einer als Kappe ausgebildete Keramikhülse 3 gebildet. Der Sensorchip 1 wird damit gegenüber dem Prozessmedium geschützt. Die Keramikhülse 3 ist über das Zwischenteil 9 mit dem Schutzrohr 7 verbunden. Das Zwischenteil 9 ist ein kurzes umgestülptes Rohrteil aus Metall, welches vorzugsweise aus Inconell gefertigt wird.
Eine spezielle Ausführung erläutern die 2a und 2b. Hierbei besteht das Zwischenteil 9 aus zwei Schichten mit verschiedenen Materialien. Vorzugsweise wird für die äußere Schicht Inconell und für die innere Schicht Titan verwendet. Dadurch werden die linearen Ausdehnungskoeffizienten der miteinander verbundenen Teile angeglichen. Die äußere Schicht ist mit dem Schutzrohr 7 verschweißt, das ebenfalls aus Inconell besteht, während die innere Schicht, die mit der Keramikhülse 3 verbunden ist, aus Titan besteht. Da Titan einen annähert gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten wie Keramik aufweist, werden mechanische Spannungen von den Verbindungsstellen des Zwischenteils 9 mit den benachbarten Teilen weitgehend ferngehalten. Diese Ausführung gewährleistet auch bei dynamischen Temperaturwechseln eine hohe Lebensdauer der Anordnung.
Die Verbindung besteht bei der in 2a gezeigten Variante durch eine an der Innenseite des Schutzrohres 7 angebrachte Laserschweißverbindung 7.1. Bei der in 2b dargestellten Ausführung ist das Zwischenteil 9 an seinem unteren Rand nach außen gestülpt und mit einer Schweißstelle 7.2, die vorzugsweise durch Kondensatorwulstschweißen erzeugt wird, am Schutzrohr 7 befestigt.
In 3 ist eine Ausführung dargestellt, bei der im vorderen Bereich eine Polymerumspritzung 10 vorgesehen ist, welche sich über den vorderen Teil erstreckt und den Sensorchip 1 umschließt. Auch hierbei kann ein Zwischenteil 9 verwendet werden, das aus zwei Schichten mit verschiedenen Materialien besteht.
4 zeigt eine Ausführung, bei welcher der Sensorchip 1 mit dem Polymereinsatz 10 umspritzt ist und die Mantelleitung 6 mit dem Polymereinsatz 11 ausgefüllt ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung erläutert 5. Hierbei ist die Mantelleitung 6 mit dem Polymereinsatz 11 ausgefüllt. Die Anschlussdrähte 2 sind in Schutzkapillaren 12 geführt, welche hier als Zweilochkapillaren aus Keramik ausgeführt sind. Die Schutzkapillaren 12 sind in Teilstücken ausgeführt um das Eindringen von Feuchtigkeit in den Sensorbereich zu verhindern. Es ist vorteilhaft, die Mantelleitung 6 mit einem Befestigungskörper 13 zu versehen, mit dem die Gesamtanordnung an einem Prozessteil befestigt werden kann. Eine zweckmäßige Ausführung sieht vor, im hinteren, kalten Bereich der Anordnung stabile Stützdrähte 2.3 anzuordnen, um welche die dünnen Anschlussdrähte 2 gewickelt werden können. Die Stützdrähte 2.3 sind im Polymereinsatz 11 eingebettet und verhindern eine Beschädigung der empfindlichen Anschlussdrähte 2.
In 6 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der sich der Sensorchip 1 in einer Keramikhülse 3 befindet, die an der Schutzkapillare 12 mittels einer Lötverbindung 14 befestigt ist. Es ist auch möglich, den Sensorchip in einer Polymerumspritzung 10 anzuordnen, wie dies in 6a gezeigt ist. Auch bei dieser Ausführung können stabile Stützdrähte 2.3 angeordnet werden, um welche die dünnen Anschlussdrähte 2 gewickelt werden. Die Stützdrähte 2.3 sind hier in der Keramikkapillare 12 eingebettet.
7 zeigt als Einzelheit eine Möglichkeit zur Verstärkung der Sensoranschlussdrähte 2.2 im vorderen Hochtemperaturbereich. Die Sensoranschlussdrähte 2.2 verbinden den Hochtemperaturchip 1 mit dem Sensor und sind mit Schutz- und Haltedrähte um wickelt, welche einen mindestens 3–4mal stärkeren Durchmesser aufweisen und mit den Sensoranschlussdrähten 2.2 durch die Schweißstelle 2.4 verschweißt sind. Es ist besonders vorteilhaft, die Sensoranschlussdrähte 2.2 im vorderen Bereich des Sensorchips 1 anzuordnen, um eine bessere Zugänglichkeit bei der Montage der Anordnung zu ermöglichen. Außerdem wird durch diese Anordnung, bei der die nach außen führenden Anschlussdrähte 2 um den Sensorchip 1 herumgeführt sind, von diesen bei der Erwärmung der Anordnung keine gefährlichen Zugspannungen auf den Sensor ausgeübt, sondern es treten lediglich die für die Verbindung Anschlussdraht-Sensorchip unkritischen Druckspannungen auf.

1: Sensorchip
2: Anschlussdraht
2.1: Dehnungsausgleich
2.2: unterer Sensoranschlussdraht
2.3: Drahtverstärkung
2.4: Schweißstelle
3: Keramikhülse
4: Erste Hochtemperaturzementschicht
5: Zweite Hochtemperaturzementschicht
6: Mantelleitung
7: Schutzrohr
7.1: Schweißverbindung
8: Metallkappe
9: Zwischenteil
9.1: Glaslot
10: Polymereinsatz am Vorderteil
11: Polymereinsatz der Mantelleitung
12: Schutzkapillare
13: Befestigungskörper
14: Lötverbindung

Claims

Hochtemperatursensor, insbesondere zur Messung der Abgastemperatur von Kraftfahrzeugen, mit einem Widerstandssensor und einem Schutzrohr (7), dadurch gekennzeichnet, dass im vorderen Bereich des Schutzrohres (7) ein Hochtemperatursensorelement angeordnet ist, der über ein Zwischenteil (9) aus Metall mit dem Schutzrohr (7) gasdicht verbunden ist, wobei das Metallteil mit einer Außenstülpung versehen ist, und das Hochtemperatursensorelement eine Keramikteil (3) enthält, in der sich ein Hochtemperaturchip (1) befindet, dessen Anschlussdrähte (2.2) mit einem mechanischen Schutz versehen sind.
Hochtemperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikteil (3) als mit einem Boden verschlossene Keramikhülse ausgebildet ist.
Hochtemperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Zwischenteil (9) in einer Metallkappe integriert ist, welches die Keramikhülse (3) umgibt.
Hochtemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenteil 9 aus zwei Schichten mit verschiedenen Materialien besteht.
Hochtemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikhülse (3) in Form einer Kappe ausgebildet ist, die das Hochtemperatursensorelement umschließt.
Hochtemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussdrähte (2.2) um stärkere Schutzdrähte (2.3) gewickelt und mit diesen verschweißt sind.
Hochtemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlussleitungen (2) einen Dehnungsausgleich (2.1) aufweisen.
Hochtemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im vorderen und/oder im hinteren Bereich spritzbare Polymere eingebracht sind.
Hochtemperatursensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere Metallfasern oder Oxidgemische enthalten.
Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatursensors mit einem Widerstandssensor und einem Schutzrohr, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochtemperaturchip (1) in einer Keramikhülse (3) mittels eines Hochtemperaturzementes verklebt wird und bei Einsatztemperatur in einem Einbrennprozess formiert wird, anschließend seine Anschlussdrähte mit Anschlussleitungen verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbrennprozess bei Temperatur von 800 ... 900°C durchgeführt wird und somit eine Voroxidation erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass über die Keramikhülse ein fingerhutartiges, mit einer Außenstülpung versehenes Kopfteil aus Metall geschoben und die Keramikhülse in diesem Kopfteil einzementiert und der Zement bei Einsatztemperatur ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikhülse über ein Verbindungsstück mit dem Schutzrohr mittels Glaslot verbunden wird.