CN112611472A - 电阻温度计的传感器元件和用于传感器元件的基板 - Google Patents

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Abstract

提供了一种传感器元件和一种制造传感器元件的方法。用于电阻温度计的传感器元件的基板(4)包括第一层(1)，其中所述第一层(1)包括铝酸镧，其中所述第一层(1)的热膨胀系数大致等于铂的热膨胀系数。

Description

电阻温度计的传感器元件和用于传感器元件的基板
技术领域
本发明涉及一种用于制造传感器元件的基板，和一种电阻温度计的传感器元件，以及一种用于制造传感器元件的方法。
背景技术
本领域已知的电阻温度计具有由铂制成的测量结构，其布置在基板上。在已知电阻温度计中的基板和测量结构具有不同的热膨胀系数。当已知的电阻温度计因温度突变而受到应力，作用于整个测量结构并且造成测量值误差的改变和损坏可以发生在基板和测量结构之间的边界层。因此，随着时间的推移，电阻温度计的温度测量变得更加不可靠。
DE 10 2015 223 950 A1公开了一种用于传感器元件的基板和/或一种电阻温度计的元件，其中，基板包括氧化铝和二氧化锆，并且具有大致等于铂的热膨胀系数的热膨胀系数。
发明内容
本发明的其中一个目的是提供一种电阻温度计的传感器元件，其中，该传感器元件在导电测量结构和基板之间的边界面上表现出至少更少的应力或损坏。
本发明的另一目的是提供一种用于电阻温度计的传感器元件的基板，其在导电测量结构和基板之间提供更小的热应力。
本发明的另一目的是提供一种用于制造电阻温度计的传感器元件的方法。
本发明的目的由独立权利要求达到。本发明的实施例的另外的优点在从属权利要求中公开。
提供了一种电阻温度计的传感器元件，包括基板和导电测量结构。基板包括至少第一层或者由第一层组成，其中该第一层包括铝酸镧。导电测量结构直接布置在第一层上。导电结构包括铂。在另一实施例中，导电测量结构可以包括分散在铂中的少量铑，以使导电结构具有更好的长期稳定性。
包括铝酸镧的第一层的优势在于其热膨胀系数大致等于铂的热膨胀系数。因此，第一层或者由第一层组成的基板可以具有最多大致偏离包括铂或铂-铑或者由铂或铂-铑组成的导电层的热膨胀系数5％的热膨胀系数。根据使用的实施例，甚至可以选择更低的3％、2％、1％或更小的偏离。
第一层和导电测量结构的热膨胀系数的小偏离导致在电阻温度计操作期间对于导电结构更小的应力。例如，电阻温度计可以在-200℃或以下到 1000℃或以上的温度之间操作。
根据使用的实施例，第一层由铝酸镧制成。这样使第一层的制造简化，并且提供了具有精确已知热膨胀系数的第一层。根据使用的实施例，基板由铝酸镧组成。这样使基板的制造简化，并且提供了具有精确已知热膨胀系数的基板。
在另一实施例中，第一层除了铝酸镧之外包括一种或多种金属氧化物，例如Y2O3、ZrO2、MgO或TiO2。金属氧化物具有如下优势，第一层的热膨胀系数可以更精确地适应于铂的热膨胀系数。因此，达到了导电结构和第一层之间更小的热应力。
在另一实施例中，基板除了第一层之外包括第二层，其中，第一层布置在第二层上。第二层可以至少比第一层厚三倍。第二层可以具有比第一层更高的导电性，并且可以由导电材料制成。第一层使导电测量结构与第二层电绝缘。该实施例的优势在于，仅需要薄的第一层就足够在第二层和测量结构之间提供电绝缘层。因此，第二层可以由提供更高机械稳定性和/或更容易制造的材料制成。例如，第二层由ZrO2制成且第一层是铝酸镧层，其作为使导电测量层和第二层绝缘的电绝缘层。
根据使用的实施例，第一层的厚度在1μm到10μm的范围内，优选地在 1μm到5μm的范围内。实验表明，这样的厚度对于特别是由铝酸镧制成的第一层足够在第二层和测量结构之间提供绝缘层。这样薄的第一层的优势在于第一层的制造更加迅速。此外，只需要少量铝酸镧用于制造基板。
在另一实施例中，导电测量结构在铂的晶格中包含铑。铑改善导电结构。导电结构可以包括质量百分数在0.05到2的范围内或者甚至更大的铑。铑的优选添加量的质量百分数在0.01到1的范围内。其他金属，例如铱，可以额外使用或代替铑使用。
在另一实施例中，导电结构被一个或多个保护层覆盖，其中，至少第一保护层包括铝酸镧。保护层中铝酸镧的应用导致充分的电绝缘、对导电结构的机械和化学保护以及保护层和导电结构之间的低热应力。此外，由于制造第一层完成了铝酸镧的沉积，传感器元件的制造被简化。因此，同样的设备可以用于制造第一层和保护层。实验表明，1μm到10μm的范围内，优选地 1μm到5μm的范围内的厚度对于保护层是足够的。
在另一实施例中，保护层除了铝酸镧之外包括一种或多种金属氧化物，例如Y2O3、ZrO2、MgO或TiO2。金属氧化物具有如下优势，保护层的热膨胀系数可以更精确地适应于铂的热膨胀系数。因此，达到了导电结构和保护层之间更小的热应力。
提供了一种用于电阻温度计的传感器元件的基板，其中基板包括至少第一层或仅布置第一层，其中第一层包括铝酸镧，其中第一层的热膨胀系数大致等于铂的热膨胀系数。包括铂的导电结构的热膨胀系数与包括铝酸镧的第一层的热膨胀系数的大致相等指的是其偏离小于5％，优选地小于3％或者小于2％或者小于1％。第一层和导电测量结构的热膨胀系数的选择允许传感器元件在-200℃或以下到1000℃或以上的温度范围内使用。在基板仅包括第一层的情况下，然后基板和导电结构的热膨胀系数允许传感器元件在-200℃或以下到1000℃或以上的温度范围内使用。
在另一实施例中，第一层或者基板由铝酸镧制成。
在另一实施例中，基板除了第一层之外包括第二层，其中，第一层布置在第二层上。第二层至少比第一层厚三倍。第二层具有至少比第一层的导电性高20％的导电性。第一层使导电结构与第二层绝缘。第一层的厚度可以在 1μm到10μm的范围内，优选地在1μm到5μm的范围内。
此外，提出了一种传感器元件，其包括具有至少一个或者多个层的基板和包含铂的测量结构，其中该测量结构被一个或者多个保护层覆盖，其中至少一个保护层包括铝酸镧。
传感器元件的基板可以包括第二层，其中第一层布置在第二层上，其中第二层具有比第一层更高的导电性，并且其中第一层使导电测量结构与第二层绝缘，并且其中第一层优选地具有在1μm到10μm的范围内的厚度。
此外，提出了一种制造传感器元件的方法，包括：提供包括第一层的基板，第一层包括铝酸镧，并且在第一层上形成包括铂的导电结构。
附图说明
现在将参照附图通过示例来描述本发明，其中：
图1是传感器元件的示意性截面图；
图2是传感器元件的另一实施例的截面图；
图3是具有保护层的图1的传感器元件的截面图；
图4是具有保护层的图2的传感器元件的截面图；
图5是在传感器元件的导电结构顶侧的示意图；和
图6是如图5所示沿着A-A线的示意性截面图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例，其中相似的附图标记指代相似的元件。然而，本发明可以以许多不同形式来实施，并且不应被解释为受限于本文中所述的实施例；相反，这些实施例以这种方式被提供使得本公开将是彻底的并且完整的，并且将向本领域技术人员完全地传达本发明的概念。
图1示出了电阻温度计的传感器元件的截面图。传感器元件包括基板4，其在本实施例中仅包括第一层1。在第一层1的上侧上布置了导电结构2。导电测量结构2可以包括铂或者可以由铂制成或组成。第一层1可以包括铝酸镧或者可以由铝酸镧制成或组成。因此，基板包括铝酸镧或者由铝酸镧制成或组成。铝酸镧(LaAlO3)具有213.89g/mol的摩尔质量、约6.52g/cm3的密度、约2080℃的熔点，并且是具有相对高的相对介电常数的晶体材料，相对介电常数为25。铝酸镧的晶体结构是斜菱方钙钛矿，在室温下的准立方晶格参数为3.787埃。铝酸镧是光学透明的陶瓷氧化物。第一层可以实施为外延生长的铝酸镧薄膜，其可以通过脉冲激光沉积或者分子束外延而沉积。在本实施例中，基板可以实施为外延生长的铝酸镧膜，其可以通过脉冲激光沉积或者分子束外延而沉积。
第一层可以通过丝网印刷制造。在使用丝网印刷过程制造第一层1期间，铝酸镧可以作为糊剂或者液体来提供，其中铝酸镧粉末被布置在溶剂中。在包括铝酸镧的糊剂或者包括铝酸镧的流体沉积在托架上之后，溶剂被烤干，并且获得了由铝酸镧制成的第一层1。在此情况下，基板4仅包括第一层，然后基板可以使用包括铝酸镧的糊剂或者液体由丝网印刷过程制造。此外，第一层或者基板可以被实施为非外延的铝酸镧膜。铝酸镧在0℃到1000℃之间具有约为10x10-6x K-1的热膨胀系数。
具有第一层1的基板4用作导电测量结构2的支撑，其可以是易损坏的。导电测量结构2可以被实施为曲折结构。然而，导电结构2也可以具有其它形状，例如笔直的小线或者矩形层或者具有与第一层相同面积的层。
测量结构可以用作例如电阻结构。测量结构可以包括至少一个接触区域 6，用于建立至少一个焊接头以与PCB或者至少一个焊接接头连接，在其中可以应用导电线。接触区域6可以与测量结构2一样直接设置在第一层1上。也可以通过第一层1或者基板的相反侧上的通孔布置接触区域6。导电结构 2的电阻根据温度而改变。电阻的改变可以被测量，并且温度可以由电阻的改变而推导。
基板4的第一层1或者基板4本身可以具有大致等于导电结构2的热膨胀系数的热膨胀系数。例如，第一层1的热膨胀系数与导电结构2的热膨胀系数之间的偏离可以小于5％、小于3％或者小于2％、小于1％或者甚至更小。第一层1的热膨胀系数和导电结构2的热膨胀系数彼此适应，并且能够特别地在用于测量的相关区域内在特定范围内彼此偏离，例如在传感器元件稍后操作的区域内，例如从小于-200℃到+1000℃或者甚至更高的温度下。
根据使用的实施例，第一层可以由铝酸镧制成或组成。因此，基板可以由铝酸镧制成或组成。在另一实施例中，第一层除了铝酸镧之外可以包括金属氧化物，例如Y2O3、ZrO2、MgO或TiO2。除铝酸镧之外额外的金属氧化物允许第一层的热膨胀系数与导电结构2的热膨胀系数更精确的适应。例如，第一层可以包括质量百分数在0.1到5的范围内的金属氧化物。
第一层1沿Y轴的厚度可以是100μm或更大。因此，基板4沿Y轴具有100μm或更大的厚度。此外，根据使用的实施例，基板4可以布置在另一托架上。
导电测量结构2可以由铂制成或者可以包括铂。铂的热膨胀系数在室温下约为8.8x10-6x K-1，并且在0℃到1000℃的范围内约为10x10-6x K-1。根据使用的实施例，导电层的铂掺杂有铑或者铱。例如，铂可以掺杂有质量百分数在0.05到1的区域内的铑或者铱。导电结构2在垂直于第一层1的上侧的方向上沿Y轴可以具有约在400nm到1500nm的范围内的厚度。
图2示出了电阻温度计的传感器元件的另一实施例，其中基板4除第一层1之外包括第二层3，其中第一层1布置在第二层3上并且在第二层和测量结构2之间。第一层1可以具有与图1描述的实施例相同的性质。由于基板4的部分机械稳定性可以由第二层3提供，第一层1可以具有与图1的实施例相比更小的厚度。第二层3可以由具有更高导电性的材料制成，例如至少比第一层1的材料高20％。此外，第二层可以具有更高的机械稳定性，例如至少比第一层1的材料高20％。例如，第二层可以例如由ZrO2制成。根据使用的实施例，第二层3也可以由另外的金属氧化物制成，例如TiO2或者MgO。此外，第二层可以例如由另外的材料例如玻璃、半导体或金属制成。
此外，第二层3沿Y轴可以具有比第一层1更大的厚度。第二层的厚度可以是第一层的厚度的三倍或更大。根据使用的实施例，第二层也可以具有其他的厚度。基板4沿Y轴可以具有100μm或更大的厚度。
在第一层1的顶部上布置了导电测量结构2。该导电测量结构2可以与图1的实施例中的导电测量结构2相同。在本实施例中，第一层可以具有在 1μm到5μm的范围内的厚度。根据使用的实施例，第一层1也可以具有大于5μm的厚度。第二层3可以具有至少比第一层厚三倍的厚度，并且可以具有例如在50μm和200μm的范围内的厚度。
导电结构2在垂直于第一层1的上侧的方向上沿Y轴可以具有约在 400nm到1500nm的范围内的厚度。
图3示出了根据图1的传感器元件的另一实施例的截面图，其中导电测量结构2被保护层5覆盖。保护层5覆盖导电测量结构2的自由表面。保护层5可以例如由铝酸镧制成或者可以包括铝酸镧。保护层5以使得导电测量结构2的整个自由表面被保护层5覆盖的方式被实施。因此，导电测量结构 2被保护免受环境影响，例如水分、灰尘或者气体。保护层5沿Y轴可以具有约1到5μm的厚度。根据使用的实施例，保护层也可以具有其他的厚度。保护层5可以通过与第一层1相同的过程被沉积，例如通过丝网印刷过程、喷镀过程或者脉冲激光沉积过程。此外，保护层可以由另外的材料例如玻璃制成。
图4示出了根据图2的实施例的另一实施例的截面图。在本实施例中，导电测量结构2被保护层5覆盖。保护层5可以由与图3的保护层相同的材料和/或相同的过程制成。
图5示出了包括至少第一层1或者如上所述额外包括第二层3的基板4 顶部的示意图。在第一层1的顶部上布置了导电测量结构2。导电测量结构 2由与关于图1至4讨论的相同的材料并且由相同的设计制成。在所示的实施例中，导电测量结构2具有曲折结构的形状。根据使用的实施例，导电结构2也可以具有其它形状。
图6示出了沿如图5所示的A-A线截取的示意性截面图。保护层5覆盖导电结构2的自由表面，并且也覆盖第一层1的上侧。
附图标记列表
1 第一层
2 导电结构
3 第二层
4 基板
5 保护层
6 接触区域

Claims (16)

1.一种电阻温度计的传感器元件，包括基板(4)和导电测量结构(2)，其中所述基板包括第一层(1)，其中所述第一层(1)包括铝酸镧，其中所述测量结构(2)直接布置在所述第一层(1)上，其中所述测量结构(2)包括铂。
2.根据权利要求1所述的传感器元件，其中所述第一层(1)由铝酸镧制成。
3.根据权利要求1所述的传感器元件，其中所述第一层(1)包括例如Y2O3、ZrO2、MgO或TiO2的金属氧化物。
4.根据权利要求1所述的传感器元件，其中所述基板(4)包括第二层(3)，其中所述第一层(1)布置在所述第二层(3)上，其中所述第二层(3)具有比所述第一层(1)更高的导电性，并且其中所述第一层(1)使所述导电测量结构(2)与所述第二层(3)电绝缘。
5.根据权利要求4所述的传感器元件，其中所述第二层(3)包括ZrO2。
6.根据权利要求5所述的传感器元件，其中所述第一层(1)具有在1μm到10μm的范围内的厚度。
7.根据权利要求6所述的传感器元件，其中所述测量结构(2)包括铑。
8.根据权利要求7所述的传感器元件，其中所述测量结构(2)包括质量百分数在0.05到1的范围内的铑。
9.根据权利要求8所述的传感器元件，其中所述测量结构(2)包括铱。
10.根据权利要求1所述的传感器元件，其中所述测量结构(2)被一个或多个保护层(5)覆盖，其中至少一个保护层(5)包括铝酸镧。
11.一种传感器元件，包括具有至少一个或多个层的基板和包含铂的测量结构(2)，其中所述测量结构(2)被一个或多个保护层(5)覆盖，其中至少一个保护层(5)包括铝酸镧。
12.根据权利要求11所述的传感器元件，其中包括铝酸镧的所述保护层具有在1μm到10μm的范围内的厚度。
13.一种用于电阻温度计的传感器元件的基板(4)，包括第一层(1)，其中所述第一层(1)包括铝酸镧，其中所述第一层(1)的热膨胀系数大致等于铂的热膨胀系数。
14.根据权利要求13所述的基板，其中所述第一层(1)由铝酸镧制成。
15.根据权利要求14所述的基板，其中所述基板包括第二层(3)，其中所述第一层(1)布置在所述第二层(3)上，其中所述第二层(3)具有比所述第一层(1)更高的导电性，并且其中所述第一层(1)使所述导电测量结构(2)与所述第二层(3)绝缘，并且其中所述第一层(1)优选地具有在1μm到10μm的范围内的厚度。
16.一种制造根据权利要求1至11中的任一项所述的传感器元件的方法，包括：提供包括铝酸镧的第一层(1)并且在所述第一层上形成包括铂的导电测量结构。
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