CN104769402B - 温度传感器系统和用于加工温度传感器系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出一个温度传感器系统（100），它具有一温度计元件（1）和第一陶瓷外壳部件（200）。所述温度计元件（1）具有感应元件（2）和电输入导线（4）。第一陶瓷外壳部件（200）具有包括封闭的下端部（215）和敞开的上端部（216）的套状下部件（210）以及与敞开的上端部（216）连接的上部件（220）。此外，所述感应元件（2）设置在套状下部件（210）里面。所述上部件（220）具有缺口（221），在其中至少部分地设置并导引电输入导线（4）。所述下部件（210）和上部件（220）一体地构成。还给出一种用于加工温度传感器系统（100）的方法。

Description

温度传感器系统和用于加工温度传感器系统的方法

技术领域

本发明给出一个温度传感器系统。此外给出一种用于加工温度传感器系统的方法。

背景技术

例如通过陶瓷的加热导体-热敏电阻元件（NTC 热敏电阻，负温度系数热敏电阻）、硅-温度传感器（例如所谓的KTY-温度传感器）、铂-温度传感器（PRTD，铂电阻温度探测器）或热偶（TC，热电偶）为了在不同的应用中监控和调节测量温度。

为了在应用中容易的装配、足够的机械稳定性，并且为了防止外部影响自身的温度传感器元件，以及为了避免由于侵蚀介质的腐蚀，安装在外壳里面，外壳一般由塑料、由简单金属结构或者由塑料-金属复合物组成。为了电连接一般将插触点和/或导线过孔组合到外壳里面。这种系统的适合密封在使用密封、浇注原料和/或粘接剂的情况下实现。

但是具有塑料或聚合物外壳的传感器系统不能用于测量非常高的温度。这种具有塑料或聚合物外壳的系统的最高使用温度限制在约200℃至250℃。而非常温度稳定的金属存在缺陷，非常难以实现复杂的外壳形状，并因此大多不能满足应用中的几何形状要求。此外具有金属外壳的传感器系统由于腐蚀现象只能有限地在特别侵蚀的介质中使用。这样构造的系统的另一大的缺陷是其用于附加的结构引起的热传导和所使用原料的低导热带来的延迟的响应时间。

由文献EP 2 420 807 A2已知一个具有金属外壳的传感器系统。

在文献JP 2010 032 237 A中描述了一个具有陶瓷冷却套的传感器系统。

发明内容

要解决的至少一些实施例的任务是，给出一温度传感器系统，它具有高的牢固度以及短的响应时间。至少一些实施例的另一任务是，给出一种用于加工温度传感器系统的方法。

这些目的通过一种温度传感器系统和一种用于加工该温度传感器系统的方法得以实现。其中所述温度传感器系统具有一温度计元件，它具有感应元件和电输入导线，和一第一陶瓷外壳部件，它具有包括封闭的下端部和敞开的上端部的套状下部件以及与敞开的上端部连接的上部件，其中，所述感应元件设置在套状下部件里面，其中所述上部件具有缺口，在其中至少部分地设置并导引电输入导线，和其中所述下部件和上部件一体地构成。其中所述方法具有下面的步骤：制备温度计元件以及第一和第二陶瓷外壳部件，布置温度计元件在第一陶瓷外壳部件的套状下部件里面，这样加入浇注原料到第一陶瓷外壳部件里面，使感应元件被浇注原料包围，布置一部分电输入导线在第一陶瓷外壳部件的上部件的凸肩的缺口里面，并且利用连接剂连接第一陶瓷外壳部件的上部件与第二陶瓷外壳部件。此外，由下面的描述和附图给出所述内容的有利实施例和改进方案。

按照至少一实施例的温度传感器系统具有温度计元件，它具有传感元件和电输入导线。所述传感元件例如可以是热敏电阻、硅或铂传感元件或热电偶。

所述温度传感器系统还具有第一陶瓷外壳部件。第一陶瓷外壳部件具有套状的下部件，它具有封闭的下端部和敞开的上端部，以及与敞开的上端部连接的上部件。所述套状下部件的封闭的下端部可以在第一陶瓷外壳部件的外侧面上例如由套状下部件的锥形收缩的尖端或倒圆的尖端构成。温度计元件的传感元件最好设置在套状的下部件里面。例如，所述传感元件可以在套状下部件内部设置在封闭的下端部附近，其中电输入导线从传感元件开始在敞开的上端部方向上延伸。

按照另一实施例，与敞开的上端部连接的第一陶瓷外壳部件的上部件具有缺口，在其中至少部分地设置并导引温度计元件的电输入导线。所述缺口例如可以以位于内部的袋或凹下的形式构成，它们用于导引和容纳电输入导线。

按照另一实施例，所述第一陶瓷的外壳部件的下部件和上部件一体地构成。所述下部件和上部件例如可以在公共的加工过程中制成。所述下部件和上部件尤其不是两个分开制成的部件，它们利用连接工艺、例如借助于固定措施相互连接。在第一陶瓷的外壳部件的下部件与上部件之间有利地不存在相交位置。

按照另一实施例，第一陶瓷外壳部件是喷铸件。例如第一陶瓷外壳部件可以利用所谓的陶瓷喷铸工艺制成。借助于陶瓷的喷铸工艺可以有利地精确且可复制地制成非常复杂的、适配于用户特殊要求的陶瓷的外壳形状，它们具有高的机械强度。

按照另一实施例，第一陶瓷外壳部件具有陶瓷原料，具有高的导热能力。例如，第一陶瓷外壳部件可以具有氧化铝、氮化铝或碳化硅或者由氧化铝、氮化铝或碳化硅组成。这种原料有利地具有非常高的机械强度和并且赋予温度传感器系统必需的机械稳定性，用于满足在应用中所要求的负荷。此外，所述温度传感器系统由于第一陶瓷外壳部件的原料特性具有非常短的响应时间。所述响应时间例如根据第一陶瓷外壳部件的壁厚和原料位于6秒以下，有利地位于3秒以下。

按照另一实施例，第一陶瓷外壳部件在套状下部件部位的壁厚为0.3mm至3mm。按照特别优选的实施例，第一陶瓷外壳部件在套状下部件部位的壁厚为0.5mm至1.5mm。由此以足够的稳定性同时实现特别短的温度传感器系统响应时间。

按照另一实施例，所述温度传感器系统具有第二陶瓷外壳部件，它与第一陶瓷外壳部件的上部件连接。第二陶瓷外壳部件最好封闭温度传感器系统。所述上部件例如可以具有凸肩，它伸进到套状下部件的敞开的上端部里面，并且利用它可以固定上部件在下部件上。所述凸肩最好具有缺口，在其中至少部分地设置并导引温度计元件的电输入导线。因此，第一和第二陶瓷外壳部件可以配有组合的且最好在几何形状上适配于电输入导线的导线过孔。此外，第一和第二陶瓷外壳部件可以配有密封面，它们例如可以通过连接剂为了粘接充满。

按照另一实施例，第二陶瓷外壳部件具有与第一陶瓷外壳部件相同的原料。第二陶瓷外壳部件最好与第一陶瓷外壳一样是喷铸件，它可以利用陶瓷的喷铸工艺制成。

按照另一实施例，第一和第二陶瓷外壳部件通过连接剂相互连接。所述连接剂例如可以根据温度传感器系统的使用温度具有聚合物、玻璃或陶瓷粘接剂，或者是聚合物、玻璃或陶瓷粘接剂。第一和第二陶瓷外壳部件最好利用连接剂通过密封面力锁合和形状锁合地相互连接。

按照另一实施例，所述温度传感器系统具有浇注原料，它设置在第一陶瓷外壳部件的下部件里面并且包围传感元件。所述传感元件最好完全被浇注原料包围。所述浇注原料例如可以具有聚合物、最好是温度稳定的聚合物、玻璃或水泥式的原料、例如氧化铝水泥，或者由一种这样的原料组成。在此浇注原料的选择尤其取决于温度传感器系统的使用温度。所述浇注原料例如可以在直到300℃的使用温度具有温度稳定的聚合物或者由其组成。在直到1000℃的使用温度时尤其优选玻璃或水泥式的原料。

按照另一实施例，所述浇注原料与连接剂具有相同的原料。例如作为浇注原料使用具有粘接特性的温度稳定的浇注原料。用于粘接第一和第二陶瓷外壳部件的原料同时也可以用于固定电输入导线和/或与电输入导线连接的连接导线和/或用于充满到电输入导线的连接位置和导线过孔。

按照另一实施例，所述温度计元件的电输入导线具有一种或多种温度稳定的原料，最好具有微少的腐蚀倾向或者由一种或多种这样的原料组成。所述电输入导线例如可以是由铁或者由贵重材料例如铂、金或银制成的丝。此外，所述电输入导线可以是由高温稳定的合金钢、例如具有高含量铬和/或镍制成的丝或者通过镍包裹的铜丝构成。

按照另一实施例，所述电输入导线与连接导线连接。所述连接导线最好是温度稳定的。例如，所述连接导线同样可以至少部分地在第一陶瓷外壳部件的上部件的缺口里面导引。电输入导线与连接导线的连接例如通过高温钎焊工艺实现，例如硬钎焊、卡接或焊接。

按照另一实施例，所述连接导线至少在局部部位包裹。例如所述连接导线具有包裹层，它们例如直到300℃的使用温度具有聚合物或者由聚合物组成。在超过300℃、例如在300℃至1000℃之间的使用温度时，所述包裹层可以具有玻璃纤维，或者由其组成。按照另一实施例，所述连接导线由金属包裹的材料隔绝的导线构成。所述连接导线与电接口的连接例如可以根据要求通过插连接或通过卡接、钎焊或焊接实现。

按照另一实施例，所述温度传感器系统具有引出部位，在其中电输入导线和/或连接导线从第一和/或第二陶瓷外壳部件引出。所述引出部位最好利用密封封闭。所述密封例如可以具有聚合物、玻璃或陶瓷的浇注原料，或者由一种这样的原料组成。在此尤其对于直到300℃的使用温度适用于具有聚合物的密封，并且在超过300℃的使用温度利用玻璃密封是适合的。按照特别优选的实施例，所述密封具有与浇注原料和/或连接剂相同的原料。

按照另一实施例，所述传感元件可以是NTC热敏电阻元件。NTC热敏电阻元件的特征尤其在于其微少的加工成本。NTC热敏电阻元件例如配有玻璃包裹层。

按照另一实施例，所述传感元件具有钙钛矿结构。例如，所述传感元件可以具有包括元素Y、Ca、Cr、Al、O的钙钛矿结构。优选所述传感元件具有陶瓷原料，具有一般化学式ABO₃的钙钛矿结构。尤其对于高的使用温度、例如300℃至1000℃优选这样的传感元件。特别优选所述陶瓷功能的传感元件具有组分（Y_1-xCa_x）(Cr_1-yAl_y)O₃，其中x=0.03至0.05，y=0.85。

按照另一实施例，所述传感元件具有尖晶石结构。例如，所述传感元件可以具有包括元素Ni、Co、Mn、O的尖晶石结构。优选所述传感元件具有陶瓷原料，具有一般化学式AB₂O₄或者B(A,B)O₄的尖晶石结构。这样的传感元件尤其在低应用温度、例如直到300℃时优选。特别优选所述陶瓷功能的传感元件具有组分Co_3-(x+y)Ni_xMn_yO₄，其中x=1.32，y=1.32。

在这里所述的温度传感器系统的优点尤其在于非常精确的外壳尺寸结构，它能够简单且标准化地无需附加系统部件的装配。以非常短的响应时间，同时实现非常高的机械和化学牢固度以及特别的长时间稳定性。因此在这里所述的、通过第一和第二陶瓷外壳部件陶瓷地封罩的温度传感器系统也可以在高使用温度时和在特别侵蚀的介质或气体中使用。

此外，给出一种用于加工温度传感器系统的方法。由此加工或制成的温度传感器系统可以具有上述实施例的一个或多个特征。上述的和下面描述的实施例同样适用于温度传感器系统、也适用于用于加工该温度传感器系统的方法。

按照一实施例，制备温度计元件以及第一和第二陶瓷外壳部件，它们例如可以利用陶瓷喷铸工艺制成。在加工第一和第二陶瓷外壳部件时例如将陶瓷原料喷射到相应的模具里面，所述陶瓷原料具有陶瓷结构的粉末、例如氧化铝粉末、氮化铝粉末或氮化硅粉末和有机粘接剂。由此产生的所谓的基体最好接着在脱脂工艺中尽可能没有有机含量，脱脂工艺是两级的、即水性的和热技术的、或者单级的、即只热技术的。接着将脱脂的基体最好以适合的温度、例如在氧化铝情况下根据纯度以约1600℃至1700℃烧结。

按照一实施例将温度计元件布置在第一陶瓷外壳部件的套状下部件里面。接着这样加入浇注原料到第一陶瓷外壳部件里面，使传感元件完全被浇注原料包围。此外布置一部分电输入导线在第一陶瓷外壳部件的上部件的缺口里面。接着，利用连接剂连接第一陶瓷外壳部件的上部件与第二陶瓷外壳部件，连接剂例如含有聚合物、玻璃或陶瓷粘接剂。按照一优选的实施例所述浇注原料与连接剂具有相同的原料。

按照另一实施例，所述温度计元件的电输入导线利用另一硬钎焊、卡接或焊接与连接导线连接。此外电输入导线的局部部位和/或连接导线在连接上部件与第二陶瓷外壳部件之前最好部分地设置在第一陶瓷外壳部件的上部件的缺口里面。

按照另一实施例，接着将连接导线利用聚合物或利用玻璃密封在从第一和/或第二陶瓷外壳部件的引出部位。

附图说明

所述温度传感器系统的其它优点和有利的实施例由下面结合附图1至7所述的实施例给出。附图示出：

图1至4 按照一实施例的温度传感器系统示意图，

图5 图1至4的温度传感器系统的剖面图，

图6 按照图1至4的温度传感器系统的分解示意图，

图7 用于加工按照另一实施例的温度传感器系统的方法。

在实施例和附图中相同的或相同作用的组成部分分别配有相同的附图标记。所示的元件和其相互间的尺寸比例基本不视为比例正确的。而是为了更好的图示和/或为了更好地理解超厚度或大尺寸地示出各个元件，例如覆层、零部件和部位。

具体实施方式

图1至4示出按照一实施例的在这里所述的温度传感器系统100的不同视图。在图3中的温度传感器系统100没有第二陶瓷外壳部件300地示出。图5示出图1至4的温度传感器系统100的剖面图并且在图6中温度传感器系统100以分解图的形式示出。下面的描述同时涉及图1至6。

温度传感器系统100具有温度计元件1，它包括传感元件2和电输入导线4。传感元件2在所示实施例中由NTC传感元件构成并且配有玻璃包裹层。

传感元件2具有包括元素Y、Ca、Cr、Al、O的钙钛矿结构。传感元件2尤其具有（Y_{1- x}Ca_x）(Cr_1-yAl_y)O₃的组分，其中x=0.03至0.05，y=0.85。由此使温度传感器系统100有利地在高使用温度、例如300℃至1000℃时使用。可以选择传感元件2具有尖晶石结构。

备选地对于NTC传感元件，传感元件2可以是例如硅传感元件、铂传感元件或热电偶。

此外温度传感器系统100具有第一陶瓷外壳部件200，它具有套状的下部件210，后者具有封闭的下端部215和敞开的上端部216，以及与敞开的上端部216连接的上部件220。套状的下部件210和上部件220一起形成“L形”体，它一体地构成。第一陶瓷外壳部件200是喷铸件，它利用陶瓷喷铸工艺制成。第一陶瓷外壳部件200具有氧化铝。可以选择第一陶瓷外壳部件也具有氮化铝或碳化硅或者由一种上述原料组成。

传感元件2在套状下部件210里面设置在封闭的下端部215附近。与传感元件2连接的电输入导线4在敞开的上端部216方向上延伸。第一陶瓷外壳部件200的上部件220具有缺口221，在其中至少部分地设置和导引温度计元件1的电输入导线4。

温度传感器系统100还具有第二陶瓷外壳部件300，它与第一陶瓷外壳部件200的上部件220连接。第二陶瓷外壳部件300具有凸肩301，它具有缺口321，在其中至少部分地设置并导引电输入导线。第二陶瓷外壳部件300同样具有氧化铝并且也由喷铸件制成。

第一和第二陶瓷外壳部件200、300利用连接剂500相互连接。连接剂500具有聚合物。可以选择连接剂500具有玻璃或陶瓷粘接剂或者由一种上述材料组成。

在第一陶瓷外壳部件200的套状下部件210里面设置浇注原料400，它包围温度计元件1的传感元件2。浇注原料400具有聚合物。可以选择浇注原料400具有玻璃或水泥式原料，例如氧化铝水泥或者由一种上述原料组成。

电输入导线4与温度稳定的连接导线600利用硬钎焊连接。可以选择电输入导线4与连接导线600利用卡接或者焊接连接。连接导线600具有包裹层，它由聚合物组成。此外能够，使连接导线600的包裹层由玻璃纤维组成，或者连接导线600由金属包裹的、矿物绝缘的导线构成。连接导线600利用卡接与插连接800连接。可以选择连接导线600与插连接800的连接利用钎焊或焊接实现。

温度传感器系统100具有引出部位700，在其中连接导线600从第一和第二陶瓷外壳部件200、300引出。引出部位700利用密封900封闭，它具有聚合物。可以选择密封900具有玻璃或陶瓷浇注原料，或者由一种上述原料组成。

温度传感器系统100有利地具有非常短的响应时间、非常高的机械以及化学牢固度和良好的长时间稳定性。由此温度传感器系统100也可以在高使用温度和特别侵蚀的介质或气体中使用。温度传感器系统100的其它优点在于非常精确的外壳尺寸结构，能够没有附加系统部件地简单且标准化的装配。

图7示出用于加工在这里所述的按照一实施例的温度传感器系统100的方法。在此在第一步骤10中制备温度计元件1以及第一和第二陶瓷外壳部件200、300。第一和第二陶瓷外壳部件200、300最好利用陶瓷的喷铸工艺制成。在此陶瓷原料，它具有由氧化铝粉末和有机粘接剂组成的陶瓷结构粉末，喷射到所期望的模具里面，并且接着将由此产生的基体在脱脂工艺中尽可能没有有机含量。然后以1600℃至1700℃的温度烧结脱脂的基体。

在接着的方法步骤20中，将温度计元件1布置在第一陶瓷外壳部件200的套状下部件210的封闭的下端部215里面。接着在方法步骤30里面将浇注原料400这样加入到第一陶瓷外壳部件200、尤其套状的下部件210里面，使传感元件2被浇注原料400包围。浇注原料400最好具有聚合物。可以选择浇注原料400具有玻璃或水泥式原料，例如氧化铝水泥，或者由一种上述原料组成。在接着的方法步骤40中，将温度计元件1的部分电输入导线4布置在第一陶瓷外壳部件200的上部件220的缺口221里面。然后，在方法步骤50中将第一陶瓷外壳部件200的上部件220与第二陶瓷外壳部件300利用连接剂500连接，它例如具有聚合物、玻璃或陶瓷粘接剂，其中电输入导线4部位在第二陶瓷外壳部件300的凸肩301的缺口321里面导引。接着利用具有聚合物的密封900封闭引出部位700。也可以选择密封900具有玻璃或陶瓷浇注原料或者由一种上述材料组成。

在附图中所示的实施例备选或附加地可以具有按照一般描述的实施例的其它特征。

本发明不局限于利用实施例的说明，而是包括每个新的特征以及特征的每个组合。

附图标记清单

100 温度传感器系统

200 第一陶瓷外壳部件

210 下部件

215 封闭的下端部

216 敞开的上端部

220 上部件

221、321 缺口

300 第二陶瓷外壳部件

301 凸肩

400 浇注原料

500 连接剂

600 连接导线

700 引出部位

800 插连接

900 密封

1 温度计元件

2 传感元件

4 电输入导线

10、20、30、40、50 方法步骤。

Claims (14)

1.一种温度传感器系统（100），具有

-一温度计元件（1），它具有传感元件（2）和电输入导线（4），和

-一第一陶瓷外壳部件（200），它具有包括封闭的下端部（215）和敞开的上端部（216）的套状的下部件（210）以及与敞开的上端部（216）连接的上部件（220），

-其中，所述传感元件（2）设置在套状下部件（210）里面，

-其中，所述上部件（220）具有缺口（221），在所述缺口中至少部分地设置并导引电输入导线（4），和

-其中，所述下部件（210）和上部件（220）一体地构成，

-其中，所述温度传感器系统包括第二陶瓷外壳部件（300），所述第二陶瓷外壳部件与第一陶瓷外壳部件（200）的上部件（220）连接，

-其中所述第二陶瓷外壳部件（300）具有凸肩（301），所述凸肩（301）伸进到所述套状的下部件（210）的敞开的上端部（216）里面，

-其中所述凸肩（301）包括缺口（321），在所述缺口（321）中至少部分地设置并导引所述电输入导线（4）。

2.如权利要求1所述的温度传感器系统，其中，所述第一陶瓷外壳部件（200）是喷铸件。

3.如上述权利要求中任一项所述的温度传感器系统，其中，第一陶瓷外壳部件（200）具有氧化铝、氮化铝或碳化硅。

4.如权利要求1所述的温度传感器系统，其中，所述第一和第二陶瓷外壳部件（200、300）通过连接剂（500）相互连接，该连接剂具有聚合物、玻璃或陶瓷粘接剂。

5.如权利要求1或2所述的温度传感器系统，具有浇注原料（400），它设置在第一陶瓷外壳部件的下部件（210）里面并且包围传感元件（2）。

6.如权利要求5所述的温度传感器系统，其中，所述浇注原料（400）具有聚合物或玻璃或氧化铝水泥或者由其组成。

7.如权利要求1或2所述的温度传感器系统，其中，所述传感元件（2）是NTC传感元件。

8.如权利要求7所述的温度传感器系统，其中，所述NTC传感元件（2）具有钙钛矿结构，具有化学式（Y_1-xCa_x）(Cr_1-yAl_y)O₃，其中x=0.03至0.05，y=0.85。

9.如权利要求7所述的温度传感器系统，其中，所述NTC传感元件（2）具有尖晶石结构，具有化学式Co_3-(x+y)Ni_xMn_yO₄，其中x=1.32，y=1.32。

10.如权利要求1或2所述的温度传感器系统，其中，所述下部件（210）与所述上部件（220）一起形成“L形”体。

11.一种用于加工如权利要求1至10中任一项所述温度传感器系统的方法，具有下面的步骤：

-制备温度计元件（1）以及第一和第二陶瓷外壳部件（200、300），

-布置温度计元件（1）在第一陶瓷外壳部件（200）的套状下部件（210）里面，

-这样加入浇注原料（400）到第一陶瓷外壳部件（200）里面，使传感元件（2）被浇注原料（400）包围，

-布置一部分电输入导线（4）在第一陶瓷外壳部件（200）的上部件（220）的凸肩（301）的缺口（221）里面，并且

-利用连接剂（500）连接第一陶瓷外壳部件（200）的上部件（220）与第二陶瓷外壳部件（300）。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述浇注原料（400）与连接剂（500）具有相同的原料。

13.如权利要求11或12所述的方法，其中，所述电输入导线（4）利用硬钎焊、卡接或焊接与连接导线（600）连接，并且其中，所述连接导线（600）在上部件（220）与第二陶瓷外壳部件（300）连接之前部分地设置在上部件（220）的凸肩（301）的缺口（221）里面。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述连接导线（600）在从第一和/或第二陶瓷外壳部件（200、300）的引出部位（700）利用聚合物或利用玻璃密封。