CN104769400A - 具有高稳定性的高温芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温度传感器，尤其是高温传感器，其具有经涂覆的基底(16)、至少一个电阻结构(11)和至少两个连接触点(12、13)，其中，所述连接触点(12、13)电接触所述电阻结构(11)，所述基底(16)由氧化锆或者氧化锆陶瓷制成，其中，氧化锆或氧化锆陶瓷中的氧化锆是通过三价和五价金属氧化物被稳定的，其中，所述基底(16)涂覆有绝缘层(17)，所述电阻结构(11)和所述绝缘层(17)的没有设置所述电阻结构(11)于其上的自由区域至少局部涂覆有陶瓷中间层(18)，并且在所述陶瓷中间层(18)上设置保护层(19)和/或盖部(20)。本发明也涉及一种温度传感器，尤其是高温传感器，其具有基底(16)、至少一个电阻结构(11)和至少两个连接触点(12、13)，其中，所述连接触点(12、13)电接触所述电阻结构(11)，并且至少在一个连接触点(12、13)上，在所述基底(16)上的所述电阻结构(11)的旁边设置至少一个电极(14、15)，其中，所述该电极(14、15)或多个该电极(14、15)是与所述电阻结构(11)一体构成的，其中，所述电阻结构(11)和所述基底(16)的没有设置所述电阻结构(11)于其上的自由区域至少局部涂覆有陶瓷中间层(18)，并且在所述陶瓷中间层(18)上设置保护层(19)和/或盖部(20)。最后本发明还涉及这种温度传感器为了控制和/或调节发动机尤其是机动车发动机而在排气系统中的应用。

Description

具有高稳定性的高温芯片
技术领域
本发明涉及一种温度传感器，尤其是高温传感器，其具有基底、至少一个电阻结构和至少两个连接触点，其中，连接触点电接触电阻结构。
背景技术
这种温度传感器在汽车行业用于测量发动机排气的废气温度和/或燃烧温度。测量尽量频繁密集地在发动机上进行。因而这种传感器必须承受燃烧气体的高温。例如由DE 197 42 696 A1已知一种具有平坦电阻结构的温度传感器。
在现有技术中已对如何构造这种高温稳定的温度传感器做出一些建议。DE 10 2007 046 900 B4建议一种传感器，其具有自支承式盖部，作为铂电阻结构的保护。由DE 10 2009 007 940 B4已知另一高温传感器，其中，基底包含二氧化锆。为了预防离子对铂层电阻结构有害的有毒污染，根据DE 10 2011 051 845 B4建议，额外地在基底上应用牺牲电极。
上述措施适于构造在高温下工作的温度传感器。然而在高温下的应用导致了，尤其是在温度传感器冷却时，常常出现非常高的温度梯度。为了控制发动机和调节发动机，则同时需要温度传感器越来越快速的反应时间。同时，温度传感器还应当承受最高达1100℃的非常高的温度，而不使其引起破坏温度传感器或者温度传感器的漂移。此外，需要提供这样的温度传感器：其在这样的高温时，以及在常常出现温度变化的情况下可靠地工作，而温度传感器的测量特性不会在经过一段时间后过于强烈和过于快速地变化。
发明内容
本发明任务在于克服现有技术缺点。尤其应当提供一种长时间在高温且同时温度快速变化的情况下可靠地工作的温度传感器。此外还应在测量时将传感器的漂移保持得尽量小。
本发明任务通过一种温度传感器解决，尤其是高温传感器，其具有涂覆的基底、至少一个电阻结构和至少两个连接触点，其中，连接触点电接触该电阻结构，基底由氧化锆或者氧化锆陶瓷制成，其中，氧化锆或氧化锆陶瓷中的氧化锆是通过三价和五价金属氧化物来稳定的，其中，基底涂覆绝缘层，电阻结构和绝缘层其上没有设置电阻结构的自由区域至少局部涂覆陶瓷中间层，并且在陶瓷中间层上设置保护层和/或盖部。
氧化锆或氧化锆陶瓷中的氧化锆的稳定化可以理解为结构性稳定化，在稳定化中，稳定了特定的晶体结构。
通过利用三价和五价金属氧化物来稳定晶体结构，可以使基底的热膨胀与中间层和电阻结构贵金属的热膨胀相适应。由此可以避免或者减少在电阻结构内的热应力。
在此可以规定，将电阻结构完全涂覆陶瓷中间层，其中，优选至少覆盖绝缘层与电阻结构相邻的区域。
由此获得电阻结构的特别有效的保护。
也可以规定，电阻结构具有曲折，其中，陶瓷中间层覆盖了在曲折之间的绝缘层的自由区域。
借此实现，使电阻层特别牢地固定在绝缘层和中间层内，从而使整个传感器在高温和温度快速变化时也保持稳定。
根据本发明优选还规定，氧化锆或氧化锆陶瓷中的氧化锆是通过三价和五价金属氧化物而被稳定的，优选通过5Mol％至20Mol％的氧化物。
特别优选的是，将氧化钇用作为三价金属氧化物。特别优选的是，将氧化钽和/或氧化铌用作为五价金属氧化物。适当的混合物例如根据EP 0 115 148 B1已知。
根据本发明特别优选地可以规定，至少在一个连接触点上，在绝缘层上的所述电阻结构旁边设置至少一个电极，优选在两个连接触点上，在绝缘层上的电阻结构旁边分别设置一个电极，其中，一个电极或多个电极与电阻结构构成为一体。
这种牺牲电极通过拦截对电阻结构有害的离子，提高了温度传感器的使用寿命。
特别优选地还可以规定，使绝缘层为金属氧化物层，优选为氧化铝层。
在此也可以使各种金属氧化物的混合物应用于金属氧化物层。可以通过金属氧化物陶瓷实现，给基底涂覆金属氧化物。
本发明提出的任务还通过一种温度传感器，尤其是高温传感器而解决，该传感器具有基底、至少一个电阻结构和至少两个连接触点，其中，连接触点与电阻结构电接触，并且至少在一个连接触点上，在基底上的电阻结构旁边设置至少一个电极，其中，这个电极或多个电极与电阻结构构成为一体，其中，电阻结构和基底其上没有设置电阻结构的自由区域至少局部涂覆有陶瓷中间层，并且在陶瓷中间层上设置保护层和/或盖部。
牺牲电极与中间层的组合提供了特别坚固并且防止有害化学影响的耐用温度传感器。牺牲电极实现了传感器在高温下的运行，中间层还额外地实现了，使温度传感器能承受温度的快速变化。
在这种和上述温度传感器中，根据本发明可以规定，电阻结构被一个电极或多个电极至少局部包围，尤其是至少一侧被电极包围，优选电阻结构的至少两侧被至少两个电极包围，最优选的是电阻结构的对置两侧被两个电极包围。
由此获得特别良好的保护效果。
根据本发明的温度传感器的特征可以是，即，陶瓷中间层是多孔的，陶瓷中间层优选具有1％至20％的孔隙度，优选5％至15％的孔隙度，特别优选的是10％的孔隙度。
通过所述孔隙度，使中间层的热膨胀与基底的热膨胀或者基底--即稳定的氧化锆或稳定的氧化锆陶瓷的--绝缘层的热膨胀，或者绝缘层的金属氧化物的热膨胀相适应。
根据本发明一个改进方式可以规定，陶瓷中间层的厚度在1μm至50μm之间；优选地，陶瓷中间层的厚度在4μm至10μm之间。
所述厚度足够将覆盖层以及将有可能存在的盖部设置在中间层上，而不会基于不同热膨胀导致中间层、覆盖层或盖部剥落。
此外可以规定，保护层由玻璃制成和/或盖部是陶瓷薄板。
在此尤其也可以将玻璃用于固定盖部。
优选地也可以规定，使电阻结构由铂或铂合金，尤其是铂基合金制成。
铂或铂合金尤其很好地适用于制造高温传感器。
最后，本发明任务还如此解决：将根据本发明的温度传感器应用在排气系统中，用于控制和/或调节发动机尤其是机动车发动机。
本发明基于惊人的认识发现，即，通过用中间层涂覆电阻的曲折以及涂覆基底，实现了在高温以及温度强烈变化时电阻的曲折也可以保持稳定。尤其当应用多孔中间层的情况下，可以制造出特别稳定的温度传感器。
附图说明
以下结合示意图阐述本发明实施例，在此不会限制本发明。
具体实施方式
图1示出根据本发明的温度传感器的示意性分解图。曲折形的且层状的电阻结构11与两个连接触点12、13电连接。两个电极14、15略微超出电阻结构11两侧地将其包围。图1所示温度传感器包括两个电极14、15，它们每个连接至其中一个连接触点12、13。
电极14、15与两个连接触点12、13相连，并充当保护电阻结构11的牺牲电极。图1所示电极14、15的其中一个在完成与阴极的电连接之后，针对渗透的电化学污物，来保护作为测温电阻的而设的电阻结构11。这简化了温度传感器的安装，因为不会出现错误连接(反极性)。因而与电接头无关地大幅降低测量电阻的漂移。尤其有利的是，在这种实施方式中，壳体的电势和极性是任意的。
向由被稳定的二氧化锆或者由二氧化锆陶瓷(其由被稳定的二氧化锆制成)制成的基底16涂覆由氧化铝制成的绝缘层17，通过该绝缘层确保了电阻结构11不会因为在高温下有传导能力的二氧化锆而短路以及禁止在二氧化锆和铂曲折结构11之间的有害的相互作用。将电阻结构11、连接触点12、13和电极14、15作为一体式结构布置在ZrO2基底16的Al2O3涂层17上。电阻结构11的制造在一个工作步骤中完成，例如通过光刻工艺。整个结构例如可以作为薄层设置在已稳定的二氧化锆或由已稳定的二氧化锆制成的二氧化锆陶瓷16的Al2O3涂层17的平坦表面上。在此，连接触点12、13由与电阻结构11和电极14、15的材料相同的材料制成。优选将铂或铂合金用作为该材料。
电阻结构11在其远离基底16的一侧设有扩散阻挡层18来作为中间层，该中间层其自身是利用盖部20和由玻璃或玻璃陶瓷制成的钝化层19来覆盖的。
由于有盖部20，有效地针对外部环境污染而对含铂的电阻结构11的敏感结构进行了保护。在这种多层结构中，当玻璃陶瓷19的陶瓷和玻璃成分纯度较高时，避免了对于由铂制成的电阻结构11而言特别有害的阳离子，阳离子在高温时会通过在电场中的迁移而很快地污染铂，进而给由此得到的铂合金的温度/电阻功能带来显著的负面影响，从而使电阻结构11不再具有为了温度测量而所需的耐高温性。由于把热力学上稳定和纯净的第一个氧化铝或氧化铪层作为中间层18或者扩散阻挡层18，将硅及其他污染铂的物质或者离子的侵入明显地减少到最低限度。从而不仅在基底这方面而且也在与其对置的一侧防止了对例如曲折形结构的电阻结构11的污染。可以通过物理蒸镀来实现中间层或者扩散阻挡层18的涂覆。
优选超化学计量地以一种方式如此布置陶瓷层18，即，使纯氧化铝(Al2O3)的一个极稳定层覆盖电阻结构11的铂结构。因而由玻璃陶瓷制成的、含硅的钝化层19与活性的铂电阻结构11只有极少接触，并因此确保了对电阻结构11的密封来作为抵御外来污染元素的机械保护。
如此涂覆中间层18，即，在中间层18中存在约为10％的较低孔隙度。通过中间层18的适当孔隙度，使中间层18的热膨胀与ZrO2涂层17的热膨胀来匹配。由此，将电阻曲折11埋置在ZrO2涂层17和中间层18内。根据本发明发现，由此可以构造特别温度稳定的温度传感器，这种温度传感器在温度较高时也能承受频繁且特别快速的温度变化。传统的这类温度传感器，在1000℃或比这个温度稍高的条件下只能承受约500次的快速温度变化；而利用根据本发明的结构实现了，在该温度下对快速温度变化进行约5000次的测量，而不会导致明显漂移或温度传感器的破坏。
根据图1，在玻璃陶瓷19上布置陶瓷薄板20。陶瓷薄板20是附加的钝化板，并充当机械“防护板”防止里面装配了温度传感器所装的壳体内的颗粒所带来的磨损。陶瓷薄板防止机械磨损和电化学污物。然而根据本发明也可以省略掉陶瓷薄板20。
在根据图1的实施方式中，带有在连接垫23和24上的接线21和22的温度传感器的连接触点12、13通过电绝缘的固定杯形件(Fixiertropfen)25来释放应力。该固定件25由高纯度的玻璃或玻璃陶瓷制成。
作为对上述中间层作为扩散阻挡层18的实施方式的补充，应当指出，或者在薄层工艺中，以0.2μm至10μm范围内的，优选5μm的厚度来施加中间层，或者在厚层工艺中，以5μm至50μm范围的，优选15μm的厚度来施加中间层。
在电阻结构11上的连接触点垫23、24的厚度在10μm至50μm范围内，优选是20μm。基底16作为载体具有0.1mm至1mm范围内的厚度，优选是0.4mm，特别优选是0.38mm。
连接触点12、13分别设置在一侧；然而还可以采用根据本发明的热敏电阻器或温度传感器，优选高温传感器的实施方式，其中，两个连接触点12、13分别设置在彼此对置的一侧。
如图1可以看到，涂覆Al2O3层18作为中间层18之后，涂覆玻璃陶瓷19，之后施加连接垫22、23作为厚层，随后是陶瓷盖部20。之后连接接线21、22并布置固定部25用于接线21、22应力的释放。
为了以各种实施方式实现本发明，在上述说明、权利要求、附图和实施例中公开的本发明特征，不仅以单独的方式，而且以其任意组合的方式，都可以是重要的。
附图标记说明
11 电阻结构
12 连接触点/阴极
13 连接触点/阳极
14、15 电极
16 被稳定的ZrO2基底
17 氧化铝绝缘层
18 中间层/多孔的氧化铝层
19 钝化层/玻璃陶瓷
20 盖部/陶瓷
21、22 接线
23、24 连接垫
25 固定件/应变释放件

Claims (13)

1.一种温度传感器，尤其是高温传感器，其具有经涂覆的基底(16)、至少一个电阻结构(11)和至少两个连接触点(12、13)，其中，所述连接触点(12、13)电接触所述电阻结构(11)，所述基底(16)由氧化锆或者氧化锆陶瓷制成，其中，氧化锆或氧化锆陶瓷中的氧化锆是通过三价和五价金属氧化物被稳定的，其中，所述基底(16)涂覆有绝缘层(17)，所述电阻结构(11)和所述绝缘层(17)的没有设置所述电阻结构(11)于其上的自由区域至少局部涂覆有陶瓷中间层(18)，并且在所述陶瓷中间层(18)上设置保护层(19)和/或盖部(20)。
2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述电阻结构(11)完全涂覆有所述陶瓷中间层(18)，其中优选地，至少所述绝缘层(17)与所述电阻结构(11)邻接的区域由所述陶瓷中间层(18)所覆盖。
3.根据权利要求1或2所述的温度传感器，其特征在于，所述电阻结构(11)具有曲折结构，其中，所述陶瓷中间层(18)覆盖所述绝缘层(17)的所述曲折结构之间的自由区域。
4.根据前述权利要求之一所述的温度传感器，其特征在于，氧化锆或氧化锆陶瓷中的氧化锆是通过三价和五价金属氧化物被稳定的，优选通过5Mol％至20Mol％的所述氧化物。
5.根据前述权利要求之一所述的温度传感器，其特征在于，至少在一个连接触点(12、13)上，在所述绝缘层(17)上的所述电阻结构(11)的旁边设置至少一个电极(14、15)，优选地，在两个连接触点(12、13)上，在所述绝缘层(17)上的所述电阻结构(11)的旁边分别设置一个电极(14、15)，其中，所述一个电极(14、15)或多个电极(14、15)与所述电阻结构(11)一体构成的。
6.根据前述权利要求之一所述的温度传感器，其特征在于，所述绝缘层(17)是金属氧化物层(17)，优选是氧化铝层(17)。
7.一种温度传感器，尤其是高温传感器，其具有基底(16)、至少一个电阻结构(11)和至少两个连接触点(12、13)，其中，所述连接触点(12、13)电接触所述电阻结构(11)，并且至少在一个连接触点(12、13)上，在所述基底(16)上的所述电阻结构(11)的旁边设置至少一个电极(14、15)，其中，一个所述电极(14、15)或多个所述电极(14、15)是与所述电阻结构(11)一体构成的，其中，所述电阻结构(11)和所述基底(16)的其上没有设置所述电阻结构(11)的自由区域，至少局部涂覆有陶瓷中间层(18)，并且在所述陶瓷中间层(18)上设置保护层(19)和/或盖部(20)。
8.根据权利要求6或7所述的温度传感器，其特征在于，所述电阻结构(11)被一个所述电极(14、15)或多个所述电极(14、15)至少局部包围，尤其是至少一侧被所述电极(14、15)包围，优选地，所述电阻结构(11)的至少两侧被至少两个所述电极(14、15)包围，特别优选地，所述电阻结构(11)的对置两侧被两个所述电极(14、15)包围。
9.根据前述权利要求之一所述的温度传感器，其特征在于，所述陶瓷中间层(18)是多孔的，优选地使所述陶瓷中间层(18)具有1％至20％的孔隙度，优选5％至15％的孔隙度，特别优选的是10％的孔隙度。
10.根据前述权利要求之一所述的温度传感器，其特征在于，所述陶瓷中间层(18)的厚度在1μm至50μm之间，优选地使所述陶瓷中间层(18)的厚度在4μm至10μm之间。
11.根据前述权利要求之一所述的温度传感器，其特征在于，所述保护层(19)由玻璃制成和/或所述盖部(20)是陶瓷薄板。
12.根据前述权利要求之一所述的温度传感器，其特征在于，所述电阻结构(11)由铂或铂合金制成，尤其是由铂基合金制成。
13.根据前述权利要求之一所述的温度传感器为了控制和/或调节发动机尤其是机动车发动机而在排气系统中的应用。
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