DE19934109C1

DE19934109C1 - Temperaturfühler und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19934109C1
Application number: DE1999134109
Authority: DE
Inventors: Werner Gruenwald; La Prieta Claudio De; Uwe Schneider; Thomas Schulte; Olaf Jach; Uwe Glanz; Siegbert Goetz; Carmen Schmiedel; Petra Kitiratschky
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-07-21
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2001-04-05
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: JP2001050822A; FR2796718A1; FR2796718B1

Abstract

Bei einem Temperaturfühler (1), insbesondere zur Überwachung der Temperatur eines Abgases einer Brennkraftmaschine, mit einem Träger (2) aus Keramikmaterial und einem an einem ersten Endabschnitt des Trägers (2), als sensitiver Abschnitt (10) bezeichnet, angeordneten temperaturabhängigen Widerstandselement (5), an einem zweiten Endabschnitt des Trägers, als Halterungsabschnitt bezeichnet, angeordneten elektrischen Kontakten (16) und sich über einen Mittelbereich (8) des Trägers zwischen den Kontakten (6) und dem Widerstandselement (5) erstreckenden Leiterbahnen (3, 4), ist zur Verbesserung der Meßgenauigkeit vorgesehen, daß der sensitive Abschnitt (10) wenigstens stellenweise eine geringere Dicke als der Halterungsabschnitt (7) und der Mittelbereich (8) aufweist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler nach dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Temperaturfühler dienen unter anderem der Überwachung der Temperatur von Abgasen einer Brennkraftmaschine und weisen üblicherweise eine auf einem Träger aus Keramikmaterial an geordnete Widerstandsbahn auf. Der DE 37 33 192 C1 ist ein Temperaturfühler zu entnehmen, der eine PTC-Widerstandsbahn umfaßt, die zwischen Keramikfolien vorzugsweise aus Alumini umoxid eingebettet ist.

Um die Meßgenauigkeit eines solchen Temperaturfühlers zu er höhen, wird in der DE 40 25 715 C1 vorgeschlagen, die Wider standsbahn des Temperaturfühlers in einer Stapelanordnung in zwei übereinanderliegenden Schichten anzuordnen. Auf diesem Wege werden innerhalb einer eng begrenzten Fläche des Sen sors ausreichend hohe Widerstandswerte erreicht. Die Sta pelanordnung ist jedoch sehr aufwendig.

Aus der DE 44 45 243 A1, DE 197 45 039 A1 und der WO 98/26260 A1 sind Temperaturfühler bekannt, deren Meßgenauigkeit verbessert wird, indem der sensitive Abschnitt dieser Tempe raturfühler eine geringere Schichtdicke aufweist als deren Halterungsabschnitt. Dies ermöglicht eine schnellere Reakti on des Temperaturfühlers auf wechselnde Temperaturverhält nisse. Gleichzeitig vermindert die geringere Dicke den Wär meaustausch zwischen dem Widerstandselement und einer Halterung des Sensors über den Halterungsabschnitt des Sen sors. Dies trägt dazu bei, daß eine von der zu messenden Temperatur möglicherweise abweichende Temperatur der Halte rung des Sensors die Meßergebnisse möglichst wenig ver fälscht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindungen ist es, einen Tempera turfühler mit hoher Meßgenauigkeit und geringer Trägheit be reitzustellen, der einfach und kostengünstig herzustellen ist.

Vorteile der Erfindung

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Temperaturfühler geschaffen, der eine gute Meßgenauigkeit bei geringer Träg heit aufweist. Dies wird erreicht, indem der Sensor in sei nem sensitiven Abschnitt eine verringerte Dicke aufweist, wobei der Sensor aus mehreren Schichten aufgebaut ist und wenigstens eine dieser Schichten im sensitiven Abschnitt weggelassen ist.

Zusätzlich kann der Träger von ansonsten im wesentlich gleichbleibender Dicke im sensitiven Anschnitt wenigstens eine Bohrung oder Vertiefung aufweisen. In diesem Fall ist das Widerstandselement vorzugsweise unmittelbar über einer solchen Bohrung oder Vertiefung angeord net. Ein solcher Träger kann ebenfalls aus einer Mehrzahl von Schichten aufgebaut sein, von denen allerdings wenigstens eine im sensitiven Abschnitt eine Durchbrechung aufweist, die die Vertiefung bildet.

Das temperaturempfindliche Widerstandselement kann zum Beispiel in Form eines Mäander- oder Zickzack musters in einer oder sogar mehreren Ebenen an dem zweiten Endbereich angeordnet sein. Diese relativ große Länge des Widerstandselements des zweiten Endbereichs trägt dazu bei, daß ein starkes, rauscharmes Nutzsignal in Form einer temperaturab hängigen Widerstandsänderung gemessen werden kann. Dabei hat die große Länge des Widerstandselements des zweiten Endbereichs, die im Betrieb einer rela tiv homogenen Temperatur ausgesetzt ist, den zu sätzlichen Vorteil, daß temperaturabhängige Wider standsänderungen von Leiterbahnen, die das Wider standselement mit den Kontakten verbinden, und die sich entlang des Halterungsabschnitts bei unter schiedlichen Temperaturen erstrecken, das Meßergeb nis nur wenig verfälschen können.

Das Widerstandselement ist vorzugsweise aus einem Platin-Aluminiumoxid-Gemisch oder allgemein aus platinummantelten, nichtleitenden Keramikteilchen gebildet. Um den Einfluß der Zuleitungen, das heißt der Leiterbahnen des Halterungsabschnitts, die das Widerstandselement mit den Kontakten verbinden, auf den gemessenen Widerstandswert gering zu halten, ist es ferner zweckmäßig, für diese Zuleitungen eine andere Materialzusammensetzung als für das Wi derstandselement des zweiten Endbereichs zu wählen. Insbesondere können die Zuleitungen aus metalli schem Platin bestehen.

Vorzugsweise ist der Mittelbereich strukturiert, um einen höheren thermischen Widerstand als der erste Endbereich aufzuweisen. Diese Strukturierung ver mindert den Wärmefluß zwischen dem zweiten Endbe reich und dem ersten Endbereich, der zur Veranke rung des Temperaturfühlers in einer Fassung und zur elektrischen Kontaktierung dient. Eventuelle Tempe raturabweichungen zwischen einer solchen Fassung und dem zweiten Endbereich verfälschen daher das Meßergebnis nur wenig. Da durch die Strukturierung des Mittelbereichs der Abfluß von Wärme vom zweiten Endbereich durch den Träger erschwert ist, hat der zweite Endbereich im Betrieb meist eine recht homo gene Temperaturverteilung. Der gemessene Wider standswert des Widerstandselements erlaubt daher einen genauen Rückschluß auf die Temperatur. Außer dem führt die Strukturierung dazu, daß auch bei Vorhandensein einer Abweichung zwischen der Tempe ratur eines zu messenden Mediums und der Fassung eine stationäre Temperatur des zweiten Endbereichs, die der tatsächlichen, zu messenden Temperatur nä her kommt, schneller erreicht wird als bei einem entsprechenden, aber nicht strukturierten Tempera turfühler.

Die Strukturierung kann die Form von Bohrungen oder Vertiefungen in dem Mittelbereich haben.

Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben.

Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen gemäß der Erfindung Temperatursen sor;

Fig. 2A bis 2B Schnitte durch den Sensor aus Fig. 1 entlang der Linie II-II gemäß unterschiedlichen Ausge staltungen der Erfindung; und

Fig. 3A und 3B Schnitte entlang der Linie III- III aus Fig. 1 gemäß verschie denen Ausgestaltungen der Er findung.

Fig. 4 einen Sensor gemäß der Erfindung in einer Explosionsdarstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Temperatursensor 1 gemäß der Erfindung. Auf einem Träger 2 aus Oxidkeramikmaterial sind Leiterbahnen 3, 4, ein Wi derstandselement 5 und elektrische Kontakte 6 ange ordnet. Die elektrischen Kontakte 6 befinden sich in einem ersten Endabschnitt 7 des Trägers 2, als Halterungsabschnitt bezeichnet, der zum Einstecken oder Einklemmen in einer (nicht dargestellten) Fas sung vorgesehen ist, die zu den Kontakten 6 komple mentäre Kontakte aufweist, und über die der Tempe ratursensor 1 mit einer Meßspannung versorgt werden kann.

Die Leiterbahnen 3, 4 erstrecken sich geradlinig über einen Mittelbereich 8 des Trägers 2 bis in die Umgebung einer an der Oberfläche des Trägers gebil deten Aussparung 9. Die Leiterbahnen 3, 4 bestehen aus metallischem Platin. Die Länge des Mittelbe reichs 8 macht mehr als die Hälfte der Länge des Trägers 2 aus.

An die Aussparung 9 schließt sich ein sensitiver Abschnitt 10 des Trägers 2 an. Die Länge dieses sen sitiven Abschnitts 10 ist etwa ein Viertel der Ge samtlänge des Trägers 2. In diesem Abschnitt 10 bildet das Widerstandselement 5 eine Verbindung zwischen den Leiterbahnen 3, 4. Der Querschnitt des Widerstandselements 5 ist geringer als die der Lei terbahnen 3, 4, außerdem besteht es aus einem Mate rial mit höherem Flächenwiderstand, wie etwa pla tinummantelten Keramikteilchen, insbesondere Alumi niumoxid-Teilchen oder einer Mischung von Pt mit nichtleitenden Keramikteilchen. Das Widerstandsele ment 5 verläuft im Zickzack auf einem großen Teil der Fläche des sensitiven Abschnitts 10, so daß seine Gesamtlänge wesentlich größer ist als die Länge oder Breite dieses Abschnitts 10. Hierdurch, durch die Wahl des Materials und durch den im Vergleich zu den Leiterbahnen 3, 4 verringerten Querschnitt wird erreicht, daß das Widerstandselement 5 den bei weitem überwiegenden Teil zum gesamten elektrischen Widerstand des Temperatursensors beiträgt. Die Tem peraturabhängigkeit dieses Widerstands ist daher praktisch ausschließlich abhängig von der Tempera tur des sensitiven Abschnitts 10. Der Halterungsab schnitt 7, an dem der Temperatursensor gehalten ist, ist unter normalen Betriebsbedingungen erheb lich kühler als der sensitive Abschnitt 10. Durch die Aussparung 9 wird erreicht, daß das unvermeid liche Temperaturgefälle zwischen den zwei Abschnit ten 7, 10 sich großenteils auf den Bereich der Aus sparung 9 konzentriert; der sensitive Abschnitt 10 selber hat infolgedessen eine relativ homogene Tem peratur, auf die aus einem gemessenen elektrischen Widerstand des Temperatursensors eindeutig und ex akt rückgeschlossen werden kann. Infolge der Anord nung der Aussparung 9 in unmittelbarer Nähe zum sensitiven Abschnitt 10 wird der Anteil der Masse des Temperatursensors, der einer Temperaturänderung des zu messenden Mediums folgen muß, klein gehalten. Daher vermag der Sensor Temperaturänderungen sehr schnell zu folgen.

Fig. 2 zeigt nicht maßstabsgetreu verschiedene mögliche Querschnitte von Temperatursensoren ent lang der Linie II-II aus Fig. 1.

Bei der in Fig. 2A gezeigten ersten Variante ist auf einem Trägertape 12 aus Yttrium-stabilisierter Zirkonoxidkeramik eine Isolierungsschicht 13, das im Zickzack oder in Mäandern verlaufende Wider standselement 5, darüber eine zweite Isolierungs schicht 14 und schließlich ein sogenanntes Abdeck tape 15 aufgebracht. Aufgabe der Isolierungsschich ten 13, 14 aus Aluminiumoxidkeramik ist, die Leiter bahn 10 elektrisch von Träger- und Abdecktape 12, 15 zu isolieren. Der Grund dafür ist, daß bei den von dem Sensor zu erfassenden Temperaturen, nämlich den Temperaturen eines Sauerstoff-Sensors zur Überwa chung des Abgases einer Brennkraftmaschine, die - aufgrund ihrer guten thermomechanischen Eigenschaf ten als Material für den Träger 2 bevorzugte - Zir konoxidkeramik geringfügig elektrisch leitend wird, Aluminiumoxidkeramik hingegen nicht.

Um Gase aus der Umgebung des Temperatursensors daran zu hindern, zum Widerstandselement 5 vorzu dringen und diese bei den hohen Arbeitstemperaturen des Sensors zu beschädigen, sind die Isolierungs schichten 13, 14 und das Widerstandselement 5 auch an den Seiten von gasdichten Wänden 16 aus Zir konoxidkeramik umgeben.

Die Dicke der Tapes 12, 15 ist in dem Bereich, in dem diese die Mäander des Widerstandselements 5 überdecken, verringert. Die Verringerung der Dicke erfolgt durch vollflächiges Abschleifen oder Abfräsen des durch ein Bindemittel zusammengehaltenen Tapes vor dem Sintern, wie für das Trägertape 12 dargestellt, es kann zusätzlich selektiv eine Aus sparung 17 über dem im Zickzack verlaufenden Be reich der Leiterbahn 5 erzeugt werden, wie am Bei spiel des Abdecktapes 15 dargestellt. An den Seiten der Aussparung 17 stehenbleibende Stege 18 dienen zur Aufrechterhaltung der mechanischen Festigkeit des Sensors.

Eine solche Verringerung der Dicke kann selbstver ständlich auch an nur einem der Tapes 12, 15 durch geführt werden.

Der Temperatursensor kann hergestellt werden durch sukzessives Siebdrucken des Trägertapes 12, der Isolierungsschicht, der Leiterbahn 5, der Isolie rungsschicht 14, der Wände 16 und des Abdecktapes 15 und anschließendes Sintern des erhaltenen Ver bundes bei Temperaturen im Bereich von 1350 bis 1360°C. Diese Temperatur genügt, um das Zirkonoxid der Tapes 12, 15 und der Wände 16 luftdicht sintern zu lassen, während beim Aluminiumoxid der Isolie rungsschichten 13, 14 eine gewisse Restpororität be stehen bleibt.

Fig. 2B zeigt eine Schichtstruktur des Sensors, mit der sich eine besonders kurze Reaktionszeit des Sensors erzielen läßt.

Zwei Tapes 12, 15 aus Yttrium-stabilisiertem Zir konoxid sind übereinander aufgetragen, um einen Träger von ausreichender mechanischer Festigkeit aufzubauen. Auf diesem befindet sich eine erste Isolierungsschicht 13, die zusammen mit einer zwei ten Isolierungsschicht 14, die eine Außenfläche des Sensors bildet, die Leiterbahn 5 einschließt. An ders als bei der Ausgestaltung der Fig. 2A, bilden hier die Isolierungsschichten Außenflächen des Sensors; um die Leiterbahn 5 vor der Zerstörung durch eindringende Gase zu schützen, müssen diese Isolierungsschichten luftdicht, aber bei der Ein satztemperatur des Sensors elektrisch nicht leitend sein. Dies läßt sich erreichen durch Verwendung von ultrafeinem Aluminiumoxidpulver mit einer Partikel größe im Nanometerbereich, das eine niedrigere Sin tertemperatur als Aluminiumoxid mit gröberer Kör nung aufweist, oder durch Versetzen des die Isolie rungsschichten 13, 14 bildenden Aluminiumoxids mit Sinterhilfsmitteln wie etwa Magnesiumoxid oder Si liciumdioxid.

Die Masse des sensitiven Abschnitts 10 und damit seine thermische Trägheit wird verringert, indem eines der Tapes 12 im sensitiven Abschnitt 10 vollständig abgetragen oder von vornherein nicht vorgesehen ist, wenn dies im Hinblick auf die erforderliche mecha nische Festigkeit des Sensors vertretbar ist.

Eine weitere Möglichkeit, die Masse des sensitiven Abschnitts 10 gering zu halten ist, die das Wider standselement 5 in mehreren, voneinander elektrisch isolierten Schichten übereinander anzuordnen. Dies verringert bei gleichbleibender Länge des Wider standselements die für es benötigte Trägerfläche und damit die benötigte Masse des sensitiven Ab schnitts 10.

Fig. 3A und 3B zeigen mögliche Querschnitte des Temperatursensors aus Fig. 1 in Höhe der Linie III-III. In Fig. 3A bildet die Aussparung 9 eine von einer Seite des Trägers 2 zur anderen durchge hende Bohrung. In Fig. 3B ist die Aussparung 9 ein Sackloch. Diese zwei Varianten sind mit jedem der in Fig. 2A bis 2B gezeigten Querschnitte kombi nierbar.

Bei weiteren Varianten des Temperatursensors kann mehr als eine Aussparung 9 im Mittelbereich 8 vor gesehen sein. Falls die Aussparungen 9 als Sacklö cher ausgebildet sind, ist es zweckmäßig, diese ab wechselnd an verschiedenen Seiten des Trägers 2 auszubilden, und so nicht nur den effektiven Wärme leitungsquerschnitt des Temperatursensors im Be reich einer Aussparung zu verringern, sondern zu sätzlich die effektive Weglänge für einen Teil des Wärmeflusses zu vergrößern.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausgestaltung des Temperatursensors gemäß der Erfindung in einer Explosions darstellung. Der Sensor besteht aus drei unter Ver wendung sogenannter interlaminarer Binder zusammen laminierten plastisch-keramischen Folien, zum Bei spiel aus Aluminiumoxid. Die unterste der drei Fo lien, als Stabilisierungsfolie 19 bezeichnet, ge währleistet wie die Tapes 12, 15 der zuvor erläuter ten Beispiele die mechanische Festigkeit des Tempe raturfühlers. Eine darüberliegende Sensorfolie 20 trägt das temperaturempfindliche Widerstandselement 5, Zuleitungen 3, 4 und Kontakte 6 zum Anschließen an eine externe Fassung. Die Kontakte 6 und Zulei tungen 3, 4 bestehen aus reinem Platin, das tempera turempfindliche Widerstandselement 5 aus einem Ge misch von ca. 60 Volumenprozent Platin und 40 Volu menprozent Al₂O₃. Die Zumischung von Al₂O₃ bewirkt einmal im gesinterten Zustand eine verbesserte Haftung der Sensorschicht zur Unterlage, zum ande ren wird gegenüber reinem Platin der Quadratwider stand der Schicht um das Vier- bis Fünffache ange hoben. So läßt sich mit üblicher Dickschichttechnik (Leiterbahnbreite und -abstand ca. 0.2 mm) auf ei ner Fläche von 10 × 6 mm² ein Pt-100-Element reali sieren. Eine Abdeckfolie 21, die wie die Sensorfo lie 20 dünn im Vergleich zur Stabilisierungsfolie 16 ist, deckt die Sensorfolie 20 auf einem Großteil ihrer Fläche mit Ausnahme der Kontakte 6 ab. Das Widerstandselement 5 ist so dimensioniert und ange ordnet, daß es vollständig innerhalb eines aus der Stabilisierungsfolie 19 ausgestanzten Fensters 17 liegt. Die Dicke des Temperaturfühlers im Bereich des Widerstandselements 5 ist daher wesentlich ge ringer als auf einem Großteil seiner restlichen Fläche.

Claims

1. Temperaturfühler, insbesondere zur Überwachung der Tempe ratur eines Abgases einer Brennkraftmaschine, mit einem Träger (2) aus Keramikmaterial und einem an einem ersten Endabschnitt des Trägers (2), als sensitiver Abschnitt (10) bezeichnet, angeordneten temperaturabhängigen Wider standselement (5), an einem zweiten Endabschnitt des Trä gers, als Halterungsabschnitt (7) bezeichnet, angeordneten elektrischen Kontakten (6) und sich über einen Mittelbe reich (8) des Trägers zwischen den Kontakten (6) und dem Widerstandselement (5) erstreckenden Leiterbahnen (3, 4), wobei der sensitive Abschnitt (10) wenigstens stellenwei se eine geringere Dicke als der Halterungsabschnitt (7) und der Mittelbereich (8) aufweist, dadurch gekennzeich net, daß der Träger (2) aus einer Mehrzahl von Schichten aufgebaut ist, wobei wenigstens eine Schicht im sensiti ven Abschnitt (10) fortgelassen ist.

2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) im sensitiven Abschnitt (10) wenig stens eine Bohrung oder Vertiefung (17) aufweist.

3. Temperaturfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (5) über der Bohrung oder Ver tiefung (17) angeordnet ist.

4. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Schichten im sensitiven Abschnitt (10) einen Durchbruch aufweist.

5. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (5) in mehreren Ebenen angeordnet ist.

6. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (5) aus platinummantelten nicht leitenden Keramikteilchen ge bildet ist.

7. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (5) aus einem Platin-Aluminiumoxid-Gemisch gebildet ist.

8. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (3, 4) eine andere Zusammensetzung als das Widerstandselement (5) ha ben.

9. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (3, 4) aus metallischem Platin bestehen.