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Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor, bei dem auf einem Keramiksubstrat eine dünne Leiterschicht mäanderförmig aufgetragen ist.
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In der Temperaturmesstechnik werden insbesondere für industrielle Anwendungen neben Thermoelementen auch resistive Messelemente eingesetzt. Für genaue Messungen werden bevorzugt gewickelte Platin-Messwiderstände verwendet. Die drahtgewickelten Messwiderstände weisen eine ideale Abbildung der Kennlinien auf, wie diese der Norm DIN ISO 60751 entsprechen. Mit diesen Messwiderständen sind auch größere Messströme realisierbar, so dass ein gutes Signal/Rauschverhalten erreicht wird und eine hohe EMV-Festigkeit gewährleistet ist. Ein weiterer Vorteil dieser Sensoren ist eine geringe Hysterese. Das heißt, dass diese Messwiderstände bei positiven und negativen Temperaturwechseln weitgehend den gleichen Messwert ermitteln.
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Für geringere Genauigkeitsanforderungen werden im Allgemeinen die kostengünstigeren Dünnschichtmesswiderstände eingesetzt. Die üblichen Baugrößen für Dünnschichtwiderstände weisen eine Breite von 2mm und eine Länge von 2,5mm oder 5mm auf. Vorzugsweise ist auf einem Al2O3-Substrat eine Platin-Dünnschicht von ca. 1 µm Dicke entweder laserstrukturiert oder mittels Photolithographieverfahren aufgebracht.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass die bekannten Dünnschichtmesswiderstände eine große Hysterese aufweisen. Die Hysterese wird dadurch verursacht, dass die Längenausdehnung der Materialien in Abhängigkeit von der Temperatur sehr unterschiedlich ist. Die Längenausdehnung der Keramik ist deutlich geringer als die der metallischen Leiterschichten. Im Einsatz treten Temperaturveränderungen am Messwiderstand auf, sodass sich ein Stauchen und Dehnen der Metallschicht ergibt. Wenn dieses Stauchen und Dehnen größer ist als die elastischen Streckgrenzen des Metalls, bleibt eine Hysterese im Widerstandswert, die je nach positivem oder negativem Temperaturgradienten eine Widerstandserhöhung bzw. -erniedrigung des Widerstandes hervorruft.
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Ein weiterer Nachteil der Dünnschichtmesswiderstände besteht darin, dass sie nur mit geringen Messströmen betrieben werden können.
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In
DE 30 29 446 C2 wird ein Temperatursensor beschrieben, bei dem auf einem Keramiksubstrat eine dünne Leiterschicht mäanderförmig aufgetragen ist, wobei die Leiterschicht aus zwei Einzelmäanderstrukturen (
10,
15) besteht, die in einer Parallelschaltung verbunden sind.
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Aus
JP H10-26 559 A1 ist eine Vorrichtung zur Temperaturmessung bekannt, bei der eine Mehrzahl von Einzelmesselementen (measuring body) in einer Reihenschaltung angeordnet ist. Eine Mäanderstruktur ist für eine Heizanordnung vorgesehen.
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JP 2008 025 690 A beschreibt eine Anordnung zur Temperaturmessung, bei der ein Widerstandssensor eine Anzahl von mäanderförmigen Einzelwiderständen aufweist, die in einer Reihenschaltung angeordnet sind.
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In
DE 199 32 411 A1 ist ein elektrischer Temperatursensor beschrieben, bei dem auf einen Keramikträger eine Widerstandschicht aus Platin mäanderförmig aufgetragen ist, wobei die äußere Oberfläche der Widerstandsschicht durch eine Schicht aus elektrisch isolierendem Werkstoff abgedeckt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperatursensor zu schaffen, der die beschriebenen Nachteile nicht aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Temperatursensor gelöst, der die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Temperatursensor sind auf dem Keramiksubstrat jeweils zwei Einzelmäanderstrukturen angebracht, die in einer Parallelschaltung verbunden sind. Dabei sind zwei oder mehrere dieser parallel angeordneten Strukturen in einer Reihenschaltung angeordnet. Üblicherweise ist die Leiterschicht als Dünnschichtwiderstandsschicht ausgebildet. Damit gelingt es, die Ursache für die Hysterese in den Widerstandswerten zu beseitigen. Derartige Sensoren sind für den Einsatz als Hochtemperatursensoren geeignet und verfügen über eine erhöhte Messstromtragfähigkeit.
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Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die jeweils zwei Einzelmäanderstrukturen spiegelbildlich angeordnet sind. Damit wird die Wirkung von Einkopplungen magnetischer oder elektrischer Felder aufgehoben und somit das Signal-/Rauschverhältnis deutlich verbessert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung entsteht dadurch, dass die Abmessungen des Messwiderstandes so gewählt sind, dass die Längen- und Breitenverhältnisse des Mäanders bei den absoluten Längenausdehnungsänderungen für den vollen Temperaturbereich des Messwiderstandes die elastischen Dehnungsgrenzen des Leitermaterials nicht übersteigen. Damit bleibt bei der Ausdehnung des Metalls durch Temperaturänderung das System unterhalb der Streckgrenzen und somit kommt es nicht zu einer Stauchung oder Dehnung der dünnen Metall-Stege des Messwiderstandes.
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Vorzugsweise weisen dabei die Einzelmäanderstrukturen eine Fläche auf, die kleiner oder gleich 0,5mm × 1,2mm ist, wobei die Spaltbreite der Mäander 2 bis 3µm beträgt. Damit ist eine deutlich höhere Elastizität des Messmäanders gegeben.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, mehrere kleine Messmäander symmetrisch in einer geraden Anzahl in Form einer Parallel- und Reihenschaltung anzuordnen, so dass sich ein Nominalwiderstand aus vielen kleinen hochohmigen Messmäandern mit einem niederohmigen Gesamtwiderstand ergibt. Damit können auch große Messströme ohne große Eigenerwärmung realisiert werden. Beispielsweise können derartige Messmäander auf einem Chip, der dann vorzugsweise 2mm × 5mm oder 2mm × 10mm sein kann, angeordnet werden.
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Damit werden die Nachteile, dass die Stromtragfähigkeit des Mäanders gering ist und der Energieumsatz auf der kleineren Fläche zu einer deutlichen Eigenerwärmung und somit zu Messfehlern führt, vermieden.
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Um bei sehr hohem Messstrom die Eigenerwärmung zu verringern und gleichzeitig bei Anwendungen im Hochtemperaturbereich einen Schutz vor eindiffundierenden Verunreinigungen zu erzielen, kann der flache Messwiderstandschip in einem einseitig geschlossenen Keramikröhrchen, welches vorzugsweise aus Al2O3 besteht, angeordnet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Layouts für einen Temperatursensor,
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2 eine schematische Darstellung der Einzelmäanderstrukturen
und
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3 ein Ersatzschaltbild des Temperatursensors.
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In 1 ist das Layout eines Chips 5 mit einer Leiterschicht dargestellt, bei der eine mäanderförmige Leiterstruktur auf einem Keramiksubstrat angeordnet ist. Der elektrische Anschluss der Leiterstrukturen erfolgt über die Bondfelder 1 und 2. Von einem ersten Bondfeld 1 führt ein erster elektrischer Leitungspfad 3 zum Anfang der mäanderförmigen Leiterstruktur, deren Ende über einen zweiten elektrischen Leitungspfad 4 mit einem zweiten Bondfeld 2 elektrisch verbunden ist.
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2 erläutert die Struktur der Leiteranordnung. Die Leiteranordnung besteht aus den Einzelmäandern A, B, C und D, die mittels einer Parallel- und Reihenschaltung verbunden sind, wobei die Einzelmäander A und B, sowie die Einzelmäander C und D jeweils Einzelmäandergruppen bilden, welche wiederum in einer Reihenschaltung angeordnet sind. Es ist auch möglich mehrere Einzelmäander in einer Parallelschaltung anzuordnen und/oder mehrere Einzelmäandergruppen in einer Reihenschaltung anzuordnen. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Fläche der Struktur eines Einzelmäanders A, B, C, D 1,2mm × 0,3mm und die Stegbreite eines Mäanders sowie der Abstand zwischen den Mäandern 15µm. Die Messdrähte bestehen vorzugsweise aus Platin oder aus mechanisch stabilisiertem Platin. Die mechanische Stabilisierung erfolgt dabei vorzugsweise mit Zirkoniumoxid.
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In 3 ist das Ersatzschaltbild der in den 1 und 2 gezeigten Leiteranordnungen dargestellt. Die Einzelwiderstände R1, R2, R3 und R4 entsprechen den elektrischen Widerständen der Einzelmäander A, B, C und D. Die beiden Einzelwiderstände R1 und R2 bilden eine Parallelschaltung, welche mit der aus den beiden Einzelwiderständen R3 und R4 gebildeten Parallelschaltung in einer Reihenschaltung verbunden ist. Damit wird erreicht, dass die Ausdehnung der metallischen Leiterstrukturen eines Einzelwiderstandes durch Temperaturänderung unterhalb der Streckgrenzen des Leitermaterials bleibt, sodass die Hystereseerscheinungen verhindert werden. Andererseits sind mehrere kleine Messmäander symmetrisch in einer geraden Anzahl in Form einer Parallel- und Reihenschaltung so angeordnet, dass ein Nominalwiderstand aus vielen kleinen hochohmigen Messmäandern einen niederohmigen Gesamtwiderstand ergibt. Der Temperatursensor kann deshalb mit großen Messströmen betrieben werden, ohne dass eine starke Eigenerwärmung der Leiterstruktur verursacht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Bondfelder
- 3
- erster elektrischer Leitungspfad
- 4
- zweiter elektrischer Leitungspfad
- 5
- Chip
- A, B, C, D
- Einzelmäander
- R1, R2, R3, R4
- Einzelwiderstände
