DD250576A1

DD250576A1 - TEMPERATURE-SENSITIVE ELEMENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

Info

Publication number: DD250576A1
Application number: DD25629583A
Authority: DD
Inventors: Joachim Klose; Helmut Benz; Gerhard Bock; Dieter Buehling; Dieter Meier; Wolfgang Storch
Original assignee: Hermsdorf Keramik Veb
Priority date: 1983-11-03
Filing date: 1983-11-03
Publication date: 1987-10-14

Abstract

Temperaturempfindliches Element mit einem Traeger, auf dem abwechselnd Metall- und Isolierschichten deponiert sind, wobei Traeger und Isolierschichten aus einer Keramik bestehen. Es soll ein monolithischer Schichtbaustein geschaffen werden, der kompendioes und einfach herstellbar sowie gegen aggressive Medien hermetisch abgeschlossen und widerstandsfaehig ist und dessen Temperaturkennlinie ueber einen sehr grossen Messbereich linearisiert ist bzw. eine gewuenschte Form annehmen kann. Mindestens eine der Metallschichten ist als steuerbares Heizelement ausgebildet. Diese Metallschicht ist von den anderen Metallschichten elektrisch getrennt. Saemtliche keramische Schichten, einschliesslich des Traegers, bestehen aus chemisch aehnlichen Materialien. Der mit den Schichten zu versehene Traeger wird zunaechst poroes ausgebildet und der durch Aufbringung der Schichten entstandene Verbund in seiner Gesamtheit in einem Arbeitsgang gesintert. Fig. 1Temperature-sensitive element with a carrier on which alternating metal and insulating layers are deposited, wherein Traeger and insulating layers consist of a ceramic. It is a monolithic layer brick to be created, which is kompendioes and easy to manufacture and hermetically sealed against aggressive media and resistant and whose temperature characteristic is linearized over a very large measuring range or can assume a desired shape. At least one of the metal layers is designed as a controllable heating element. This metal layer is electrically separated from the other metal layers. All ceramic layers, including the carrier, consist of chemically similar materials. The Traeger to be provided with the layers is initially formed Poroes and sintered by applying the layers composite in its entirety in a single operation. Fig. 1

Description

temperaturempfindlichen Elementes bzw. eine Anpassung des Elementes an eine vorgegebene Temperaturkennlinie möglich, und es wird die Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit erhöht.Temperature-sensitive element or an adaptation of the element to a predetermined temperature characteristic possible, and it is the reliability or accuracy increased.

Der elektrische Primärkreis dient zum Aufheizen oder Kühlen bezüglich eines Arbeitspunktes des Sekundärkreises und beeinflußt so dessen Widerstandsverhalten zusätzlich zur Temperaturbeeinflussung durch ein äußeres Medium. Vorteilhaft bestehen Träger und Isolierschichten aus einer Oxidkeramik (AI₂O₃, BeO, ZrO₂). Die vorzugsweise aus nicht edlen Metallen (W, Mo) oder deren Verbindungen bestehenden, im Siebdruckverfahren aufgebrachten Metallschichten sind zur Erhöhung der Haftfestigkeit und Variation des Temperaturkoeffizienten mit Nickel, Palladium und/oder Silizium dotiert. Eine vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn die Metallschichten zu beiden Seiten des Trägers angeordnet sind, der die Metallschichten voneinander isoliert und die Isolierschichten die Metallschichten abdecken. Die erforderlichen Anschlußarmaturen können an bekannte Kontaktsysteme montiert werden, die z. B. durch Hochratezerstäuben, Bedampfen oder Siebdruck hergestellt worden sind. Außerdem können elektronische oder mikroelektronische Einbaukomponenten auf den monolithischen Verbund des temperaturempfindlichen Elementes aufgebracht werden.The electrical primary circuit is used for heating or cooling with respect to an operating point of the secondary circuit and thus influences its resistance behavior in addition to the temperature influence by an external medium. Carrier and insulating layers advantageously consist of an oxide ceramic (Al ₂ O ₃ , BeO, ZrO ₂ ). The preferably made of non-noble metals (W, Mo) or their compounds, applied by screen printing metal layers are doped to increase the adhesion and variation of the temperature coefficient with nickel, palladium and / or silicon. An advantageous embodiment results when the metal layers are arranged on both sides of the carrier, which isolates the metal layers from each other and the insulating layers cover the metal layers. The required connection fittings can be mounted on known contact systems, the z. B. have been produced by Hochratezerstäuben, steaming or screen printing. In addition, electronic or microelectronic built-in components can be applied to the monolithic composite of the temperature-sensitive element.

Die Erfindung ermöglicht in einfacher Weise die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Die zu diesem Zweck an den Primärkreis angelegte Spannung kann konstant, sinusförmig, impulsförmig, nach einem vorgegebenen Programm wechselnd sein. Bedingt durch die Umwandlung in Wärmeenergie ist stets der geometrische Mittelwert des elektrischen Signals wirksam. Die durch die Oxidkeramikschicht zwischen den beiden Metallschichten übertragene Wärmeenergie ruft im Sekundärkreis eine entsprechende Widerstandsänderung hervor, die mit Hilfe einer an sich bekannten, einen Differenzverstärker und einen Ausgangsverstärker enthaltenden elektronischen Schaltung in Spannungssignale gewandelt werden kann.The invention enables the conversion of electrical energy into thermal energy in a simple manner. The voltage applied to the primary circuit for this purpose may be constant, sinusoidal, pulsed, changing according to a predetermined program. Due to the conversion into thermal energy, the geometric mean value of the electrical signal is always effective. The heat energy transferred by the oxide ceramic layer between the two metal layers causes a corresponding change in resistance in the secondary circuit, which can be converted into voltage signals by means of a conventional electronic circuit containing a differential amplifier and an output amplifier.

Wird das temperaturempfindliche Element zur Beheizung von Bauteilen benutzt, so daß deren elektrische Eigenschaften möglichst unabhängig von der Umgebungstemperatur sind, so wird die zu den Bauteilen entfernt liegende Metallschicht beheizt, die über eine Auswerte- und Steuerelektronik mit der den Bauteilen benachbarten Metallschicht verbunden ist. Da die abdeckenden und isolierenden Oxidkeramikschichten sehr dünn sind, nimmt die den Bauteilen benachbarte Metallschicht die Temperatur der Bauteile schnell auf und bewirkt je nach Höhe der Temperatur durch die Auswerte-und Steuerelektronik ein Ab- oder Einschalten der Beheizung.If the temperature-sensitive element is used for heating components so that their electrical properties are as independent as possible from the ambient temperature, then the metal layer remote from the components is heated, which is connected via an evaluation and control electronics to the metal layer adjacent to the components. Since the covering and insulating oxide ceramic layers are very thin, the metal layer adjacent to the components quickly absorbs the temperature of the components and, depending on the level of the temperature, causes the heating and switching off of the heating by the evaluation and control electronics.

Bei der Verwendung,des erfindungsgemäßen Elementes zur Bestimmung des Wärmewiderstandes elektronischer Bauelemente dienen der Primärkreis der Ausschaltung des Einflusses der Umgebungstemperatur und der Sekundärkreis der Messung. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeiten von aggressiven Medien in Rohren werden zwei erfindungsgemäße Elemente in einem isolierenden Abstand voneinander um das durchströmte Rohr angeordnet, wo sie als Sender und Empfänger von Wärmeimpulsen dienen. Im Sender wird ein elektrischer Impuls in einen starken Wärmeimpuls gewandelt, der durch das strömende Medium zum Empfänger.gelangt, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit vom Wärmeimpuls verändertWhen using the element according to the invention for determining the thermal resistance of electronic components, the primary circuit serves to eliminate the influence of the ambient temperature and the secondary circuit of the measurement. To measure the flow velocities of aggressive media in pipes two elements of the invention are arranged at an insulating distance from each other around the flow-through pipe, where they serve as transmitters and receivers of heat pulses. In the transmitter, an electrical pulse is converted into a strong heat pulse, which passes through the flowing medium to the receiver, whose electrical resistance changes in response to the heat pulse

Das erfindungsgemäße Element kann auch mehr als zwei Metallschichten aufweisen, wobei vorteilhafterweise die Widerstandsschichten und die Heizelementeschichten jeweils untereinander zusammengeschaltet sind.The element according to the invention can also have more than two metal layers, wherein advantageously the resistance layers and the heating element layers are interconnected in each case.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Elementes werden auf dem Träger abwechselnd eine Metallschicht und eine Keramikschicht deponiert. Gemäß der Erfindung ist es zur Erreichung eines hermetisch dichten Elementes wichtig, daß bei der Herstellung der Träger porös ausgebildet und der nach Aufbringung der Widerstands- und Isolierschichten entstandene Verbund in einem Arbeitsgang gesintert wird. Dabei wird von einem Träger ausgegangen, der entweder wie die Isolierschichten getrocknet oder vorgeglüht worden und zwischen den Isolierschichten mit strukturierten, mäander- oder spiralförmigen Metallscheiben versehen ist.In the production of the element according to the invention, a metal layer and a ceramic layer are alternately deposited on the support. According to the invention, in order to achieve a hermetically sealed element, it is important that during production the support is made porous and that the composite formed after application of the resistance and insulating layers is sintered in one operation. It is assumed that a carrier, which has either been dried or preheated as the insulating layers and provided between the insulating layers with structured, meandering or spiral-shaped metal discs.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the schematic drawing. Show it:

Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel eines temperaturempfindlichen Elementes mit einer Auswerteschaltung, Fig.2: ein R/T-Diagramm undFig. 1: an embodiment of a temperature-sensitive element with an evaluation circuit, Figure 2: an R / T diagram and

Fig. 3: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines temperaturempfindlichen Elementes.3 shows a further embodiment of a temperature-sensitive element.

In Fig. 1 sind auf einem Träger 1 eine erste Metallschicht 2, eine erste Isolierschicht 3, eine zweite Metallschicht 4 und eineais Deckschicht 5 dienende Isolierschicht aufgebracht und zusammengesintert.In Fig. 1, on a carrier 1, a first metal layer 2, a first insulating layer 3, a second metal layer 4 and an insulating layer serving as a cover layer 5 are applied and sintered together.

Der Träger 1, die Isolierschicht 3 und die Deckschicht 5 bestehen aus einer 90%igen Al2O₃-Keramik, die Metallschichten 2 und 4 aus Mo, das mit Si dotiert ist. Die Dicke des Trägers 1 beträgt 0,1 mm, die der Isolier- und Deckschicht 3 bzw. 5 beträgt 0,03 mm und die der Metallschichten 2 und 4 beträgt 0,01 mm. Die MetalIschichten 2; 4 (Widerstandsschichten) können als Mäanderform ausgeführt sein. Sie sind mit Anschlüssen 6-7 für die Auswerteelektronik versehen, die aus einem Anpassungsglied 8, einem mit Rechnerschaltkreisen versehenen, programmierbaren Trigger 9 und einer Steuereinheit 10 besteht, die einen Leistungstransistor zum Schalten beinhalten kann. An das Ausgangsglied ist eine Anzeigeeinheit 11 angeschlossen. Die Steuereinheit 10 steuert die von einer Energiequelle 12 gelieferte Energie zum Aufheizen der Metallschicht 2. Wird das temperaturempfindliche Element 1 bis 5 von einer Temperatur T₁ beeinflußt, so ergibt sich in der Metallschicht 4 eine Widerstandsänderung, die durch das Anpassungsglied 8 in eine Spannungs- oder Stromänderung umgeformt und durch die Anzeigeeinheit 11 angezeigt und/oder dem Trigger 9 zugeführt wird. Der Trigger 9 verändert entsprechend dem ihm innewohnenden Programm über die Steuereinheit 10 die von der Energiequelle 12 gelieferte Energiemenge und damit die Heizleistung der Metallschicht 2, so daß sich der Widerstand der Metallschicht 4 in gewünschtem Meße ändert und sich für die Temperaturkennlinie des Elementes 1 bis 5 beispielsweise eine lineare Form ergibt. Es kann erforderlich sein, die Temperaturkennlinie von einen Arbeitspunkt (AP in Fig. 2) beginnend nur in einem bestimmten Bereich zu linearisieren bzw. zu verändern.The carrier 1, the insulating layer 3 and the cover layer 5 consist of a 90% Al 2 O ₃ ceramic, the metal layers 2 and 4 of Mo, which is doped with Si. The thickness of the carrier 1 is 0.1 mm, that of the insulating and covering layer 3 or 5 is 0.03 mm and that of the metal layers 2 and 4 is 0.01 mm. The metal layers 2; 4 (resistance layers) can be designed as a meandering shape. They are provided with terminals 6-7 for the transmitter, which consists of an adjustment member 8, provided with a computer circuits, programmable trigger 9 and a control unit 10, which may include a power transistor for switching. To the output member, a display unit 11 is connected. The control unit 10 controls the energy supplied by a power source 12 for heating the metal layer 2. If the temperature-sensitive element 1 to 5 is influenced by a temperature T ₁ , a change in resistance results in the metal layer 4, which is transformed by the adaptation element 8 into a voltage or current change converted and displayed by the display unit 11 and / or the trigger 9 is supplied. The trigger 9 changes according to its inherent program via the control unit 10, the amount of energy supplied by the power source 12 and thus the heating power of the metal layer 2, so that the resistance of the metal layer 4 changes in the desired measure and for the temperature characteristic of the element 1 to 5 for example, gives a linear shape. It may be necessary to linearize or change the temperature characteristic from an operating point (AP in FIG. 2) starting only in a certain range.

In diesem Fall wird auch der Arbeitspunkt durch den Trigger 9 festgelegt. DieErfindung ist weder an die Anzahl noch an die Dicke, Form und Materialien der in Fig. 1 dargestellten Schichten gebunden. Auch die Auswerteelektronik kann im Einzelfall abweichend, entsprechend der konkreten Anwendung, gestaltet sein. Wichtig ist jedoch, daß mindestens eine der Metallschichten beheizbar und damit der Temperaturkennlinie des temperaturempfindlichen Elementes einen gewünschten Verlauf gibt. "In this case, the operating point is determined by the trigger 9. The invention is not tied to the number or thickness, shape and materials of the layers shown in FIG. Also, the transmitter may be designed differently in each case, according to the specific application. It is important, however, that at least one of the metal layers heated and thus the temperature characteristic of the temperature-sensitive element gives a desired course. "

Bei der Herstellung des temperaturempfindlichen Elementes wird die 90%ige A^CVKeramik des Trägers 1 bei 1100⁰C in oxidierender Atmosphäre 1 h lang vorgeglüht. Anschließend wird der Träger 1 mit der strukturierten Metallschicht 2 auf Mo-Basis versehen und getrocknet. Darauf wird die getrocknete Isolierschicht 3 mit mindestens 90% AI₂O₃-Gehalt aufgebracht, diese wieder im Siebdruckverfahren mit der Metallschicht 4 beschichtet und nach einem nochmaligen Trocknen die ebenfalls getrocknete Deckschicht 5 aufgebracht, die dieselbe Zusammensetzung aufweist wie die Isolierschicht 3 und damit auch dieselben isolierenden Eigenschaften wie diese besitzt. Die so geschaffene Schichtenfolge wird bei einer Temperatur von 1 500⁰C reduzierend unter H₂/N₂-Atmosphäre 2 h zu einem hermetisch dichten monolithischen Verbund gesintert. In Fig. 2 ist der Widerstand R über der Zeit Taufgetragen. Eine Temperaturkennlinie K beginnt im Schnittpunkt der R-, T-Achsen, verläuft bis zu einem Arbeitspunkt AP mit den Koordinaten To und Ro als Gerade und danach die gekrümmte Linie K₁. Für die Temperaturmessung ist aber das lineare Verhältnis T:R von Bedeutung. Durch die Beheizung des Elementes (Fig. 1) wird erreicht, daß sich die Gerade K über den Arbeitspunkt AP als Gerade K₂ fortsetzt, daß also der Differenzbetrag Δ R ausgeglichen wird. Durch die zusätzliche temperaturabhängige Steuerung des Widerstandes R₀ können also vorhandene Nichtlinearitäten der Temperaturkennlinie kompensiert oder der Temperaturkennlinie eine erforderliche Form gegeben werden. Außerdem ermöglicht die zusätzliche Steuerung das Festlegen eines Schwellwertes für den Erwärmungs- oder Abkühlvorgang, bezogen auf einen eingestellten Arbeitspunkt.In the preparation of the temperature-sensitive element, the 90% A ^ CVKeramics of the support 1 is preheated at 1100 ⁰ C in an oxidizing atmosphere for 1 h. Subsequently, the support 1 is provided with the patterned Mo-based metal layer 2 and dried. Then the dried insulating layer 3 is applied with at least 90% Al ₂ O ₃ content, this coated again by screen printing with the metal layer 4 and applied after a further drying the likewise dried cover layer 5, which has the same composition as the insulating layer 3 and thus also has the same insulating properties as these. The layer sequence thus created is sintered at a temperature of 1 500 ⁰ C reducing under H ₂ / N ₂ atmosphere for 2 h to a hermetically sealed monolithic composite. In Fig. 2, the resistance R is carried over the time B. A temperature characteristic K begins at the intersection of the R, T axes, extends up to an operating point AP with the coordinates To and Ro as a straight line and then the curved line K ₁ . For the temperature measurement, however, the linear ratio T: R is important. By heating the element (FIG. 1), it is achieved that the straight line K continues beyond the operating point AP as a straight line K ₂ , ie that the difference Δ R is compensated. Due to the additional temperature-dependent control of the resistor R ₀ existing nonlinearities of the temperature characteristic can be compensated or the temperature characteristic is given a required shape. In addition, the additional control allows setting a threshold value for the heating or cooling process, based on a set operating point.

In Fig. 3 sind auf einem Träger 13 zu beiden Seiten zwei Metallschichten 14; 15 vorgesehen, auf die zwei Isolierschichten 16; 17 aufgebracht sind, die aus dem gleichen Material hergestellt sind wie der Träger 13. Auf den Isolierschichten 16; 17 sind zwei weitere Metallschichten 18; 19 deponiert, die aus dem gleichen Material bestehen wie die Metallschichten 14; 15 und die durch die isolierenden Deckschichten 20; 21 bedeckt sind. Die Metallschichten 14; 15 dienen der Beheizung und haben einen gemeinsamen Anschluß 22 zu einer nicht dargestellten Auswerteelektronik, die ähnlich wirkt wie die zu Fig. 1 beschriebene. Die Metallschichten 18; 19 sind die Widerstandsschichten des Elementes, die bei Temperaturbeeinflussung ihren Widerstand verändern. Sie haben einen gemeinsamen Anschluß 23 für die nicht dargestellte Auswerteelektronik. Die Wirkungsweise des Elementes 13 bis 23 ist ähnlich wie zu Fig. 1 beschrieben.In Fig. 3 are on a support 13 on both sides of two metal layers 14; 15 provided on the two insulating layers 16; 17 are applied, which are made of the same material as the carrier 13. On the insulating layers 16; 17 are two further metal layers 18; 19 deposited, which consist of the same material as the metal layers 14; 15 and through the insulating cover layers 20; 21 are covered. The metal layers 14; 15 are used for heating and have a common terminal 22 to an evaluation, not shown, which acts similar to that described for Fig. 1. The metal layers 18; 19 are the resistive layers of the element, which change their resistance when temperature is affected. They have a common connection 23 for the transmitter, not shown. The operation of the element 13 to 23 is similar to that described for Fig. 1.

Claims

A temperature-sensitive element comprising, on a support of dielectric material, alternately two metal layers and two insulating layers, wherein the support and the insulating layers are made of a ceramic, characterized in that at least one of the metal layers is formed as a controllable heating element that forms the heating element Metal layer is electrically separated from the other metal layer and consist of all the layers including the carrier of chemically similar materials.

2. Temperature-sensitive element according to item 1, characterized in that the carrier and the insulating layers consist of an oxide ceramic.

3. Temperature-sensitive element according to item 2, characterized in that the metal layers are arranged on both sides of the carrier, which isolates the metal layers from each other and that the insulating layers cover the metal layers.

4. Temperature-sensitive element according to item 3, characterized in that the metal layers made of molybdenum or tungsten.

5. A method for manufacturing a temperature-sensitive element according to item 1 to 5, wherein the carrier is provided alternately with a metal layer and a ceramic layer, characterized in that the carrier is formed porous and that the resulting composite is sintered in one operation.

For this 1 page drawings

Field of application of the invention

The invention relates to a temperature-sensitive element having on a support of dielectric material alternately two metal layers to two insulating layers, wherein the carrier and the insulating layers consist of a ceramic. Such elements are useful in flowmeters, high temperature gauges, energy limit measuring devices, low frequency amplifiers, thermoelectric and thermoelectric sensors, and actuators for all engineering applications.

Characteristic of the known technical solutions

An electrical resistance element for use as a temperature sensor of a resistance thermometer is already known, in which resistance layers and insulating layers are arranged on a ceramic carrier in an alternating sequence and the ceramic carriers are of the same material as the dielectric layers. The resistance layers are electrically connected to each other and ensure high sensitivity. However, an accurate temperature measurement is possible only in the range in which the resistance characteristic of the resistive layers is linear. In addition, it is known to determine with the aid of heated resistance sensors temperatures or temperature change according to the compensation method or adjust the detection temperature with the aid of variable resistors for accurate temperature detection, regardless of the length of the lead wires. Apart from the fact that these known arrangements are usually equipped with discrete components, it is not a matter of changing the measuring range of the respective temperature sensor, but the electrical balance of resistance changes.

Object of the invention

The invention is intended to eliminate the defects that have been pointed out and to provide a versatile and easily manufacturable element which can be used, in particular, in aggressive media for measuring high temperatures, and which can be used over a wide temperature range for temperature measurement.

Explanation of the essence of the invention

The object of the invention is to provide a temperature-sensitive element whose temperature characteristic over a very large measuring range * (~ 1 000 ⁰ C) is linearized, which is beyond kompendiös and easy to manufacture and is hermetically sealed and resistant to aggressive media. In addition, the temperature characteristic curve can be changed according to the application. According to the invention, the object is achieved in that at least one of the metal layers is designed as a controllable heating element, that the metal layer formed as a heating element is electrically separated from the other metal layer and that all ceramic layers, including the carrier consist of chemically similar material. The chemical and physical similarity of the materials allows a simple manufacturing technology using screen printing processes; ceramic high-temperature processes and microelectronic coating method and a hermetic seal of the device against the environment. The thus constructed temperature-sensitive element includes at least one electrical primary circuit which is thermally coupled to at least one electrical secondary circuit. As a result, a defined control of the temperature characteristic of the