DE10045940B4 - temperature sensor - Google Patents

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Abstract

Temperaturfühler (1) zur Bestimmung der Temperatur eines Mediums, insbesondere der Abgase eines Verbrennungsmotors, mit einer auf einem Substrat angeordneten, ein Cermet beinhaltenden Widerstandsbahn (11), die einen Zuleitungsbereich (13) und einen Meßbereich (15) umfaßt, wobei der Zuleitungsbereich (13) einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als der Meßbereich (15), wobei über eine Variation der Materialzusammensetzung der Widerstandsbahn (11) der Widerstand des Zuleitungsbereichs (13) minimiert und der des Meßbereichs (15) möglichst groß gehalten wird dadurch gekennzeichnet, daß der Zuleitungsbereich (13) und der Meßbereich (15) Platin und Aluminiumoxid enthalten und daß der elektrische Widerstand des Zuleitungsbereichs (13) oder des Meß- und Zuleitungsbereichs (13, 15) durch die Zusammensetzung des Cermets einstellbar ist.Temperature sensor (1) for determining the temperature of a medium, in particular the exhaust gases of an internal combustion engine, comprising a resistor track (11) arranged on a substrate and comprising a feed line (13) and a measuring section (15), the feed line ( 13) has a lower electrical resistance than the measuring range (15), wherein minimized by a variation of the material composition of the resistance track (11), the resistance of the supply line (13) and the measuring range (15) is kept as large as possible characterized in that the supply line (13) and the measuring range (15) contain platinum and aluminum oxide and that the electrical resistance of the supply region (13) or of the measuring and supply region (13, 15) is adjustable by the composition of the cermet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler zur Bestimmung der Temperatur insbesondere der Abgase eines Verbrennungsmotors nach der Gattung des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a temperature sensor for determining the temperature, in particular the exhaust gases of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a method for its production.

Stand der TechnikState of the art

Die Funktionsweise eines Temperaturfühlers auf der Basis eines passiven, hochtemperaturbeständigen und abgastauglichen Widerstandselements beruht üblicherweise auf der Messung des elektrischen Widerstandes einer Widerstandsbahn, die direkt oder indirekt dem Medium ausgesetzt ist, dessen Temperatur bestimmt werden soll. Da der Widerstand eines elektrischen Leiters temperaturabhängig ist, ergibt sich dabei eine lineare Temperatur/Widerstandscharakteristik. Der Temperaturfühler weist jedoch ein gewisses Temperaturgefälle zwischen seinem eigentlichen Meßbereich und den Anschlußkontakten auf, so daß auch die Temperatur des Zuleitungsbereichs in Form des elektrischen Widerstandes der dort ausgebildeten Widerstandsbahnen zum Gesamtwiderstand der Meßanordnung beiträgt. Das Meßergebnis hängt demnach vor allem bei hohen Temperaturen von der Wärmeleitfähigkeit des Temperaturfühlers bzw. der Differenz zwischen der Temperatur des zu bestimmenden Mediums und der Umgebungstemperatur ab.The operation of a temperature sensor based on a passive, high temperature resistant and exhaust gas resistant resistor element is usually based on the measurement of the electrical resistance of a resistance track which is directly or indirectly exposed to the medium whose temperature is to be determined. Since the resistance of an electrical conductor is temperature-dependent, this results in a linear temperature / resistance characteristic. However, the temperature sensor has a certain temperature gradient between its actual measuring range and the terminal contacts, so that the temperature of the lead region in the form of the electrical resistance of the resistance paths formed there contributes to the total resistance of the measuring device. Accordingly, the measurement result depends on the thermal conductivity of the temperature sensor or the difference between the temperature of the medium to be determined and the ambient temperature, especially at high temperatures.

Aus diesem Grund wird die Widerstandsbahn des Zuleitungsbereichs so ausgestaltet, daß sie einen möglichst geringen elektrischen Widerstand aufweist, wohingegen der Widerstand der Widerstandsbahn des Meßbereichs möglichst groß ist. Dies wird üblicherweise durch unterschiedliche Querschnitte von Zuleitungs- und Meßbereich erreicht.For this reason, the resistance path of the lead portion is designed so that it has the lowest possible electrical resistance, whereas the resistance of the resistance path of the measuring range is as large as possible. This is usually achieved by different cross sections of supply and measuring range.

Ein derartiger Temperaturfühler ist beispielsweise in der DE 19934110 A1 beschrieben.Such a temperature sensor is for example in the DE 19934110 A1 described.

Weitere Temperaturfühler sind beschrieben in DE 40 25 715 C1 , DE 44 44 594 C2 , DE 37 33 192 C1 , DE 692 14 913 T2 und in EP 0 543 413 A1 .Other temperature sensors are described in DE 40 25 715 C1 . DE 44 44 594 C2 . DE 37 33 192 C1 . DE 692 14 913 T2 and in EP 0 543 413 A1 ,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Temperaturfühler zur Bestimmung der Temperatur, insbesondere der Abgase eines Verbrennungsmotors, bereitzustellen, der eine genaue Bestimmung der Temperatur ermöglicht und trotzdem einfach und kostengünstig herzustellen ist.Object of the present invention is to provide a temperature sensor for determining the temperature, in particular the exhaust gases of an internal combustion engine, which allows accurate determination of the temperature and yet easy and inexpensive to manufacture.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der erfindungsgemäße Temperaturfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß er eine genaue Bestimmung der Temperatur eines Mediums gestattet und trotzdem einfach und kostengünstig herzustellen ist.The temperature sensor according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that it allows accurate determination of the temperature of a medium and still easy and inexpensive to manufacture.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Temperaturfühlers möglich. So ermöglicht beispielsweise ein identischer Leiterquerschnitt in Meß- und Zuleitungsbereich eine kostengünstige Herstellung des Temperaturfühlers.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the main claim temperature sensor are possible. For example, an identical conductor cross-section in the measuring and supply area allows a cost-effective production of the temperature sensor.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Temperaturfühler in der Draufsicht.An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description. The single figure shows a temperature sensor in plan view.

Ausführungsbeispielembodiment

In der Figur ist ein prinzipieller Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Mit 10 ist ein planarer Temperaturfühler bezeichnet, der einen hier nicht dargestellten Träger aus einem keramischen Oxidmaterial wie beispielsweise mit Y2O3 teil- oder vollstabilisiertem ZrO2 aufweist. Auf dem Träger befindet sich eine Isolationsschicht 12, die aus Aluminiumoxid besteht. Diese hat ein halterungsseitiges Ende 14 zur Befestigung des Temperaturfühlers in einem nicht dargestellten Gehäuse und ein mediumseitiges Ende 16, das in Kontakt mit dem Medium ist, dessen Temperatur bestimmt werden soll.In the figure, a basic structure of an embodiment of the present invention is shown. With 10 is a planar temperature sensor referred to, which has a carrier, not shown here, of a ceramic oxide material such as partially or fully stabilized ZrO 2 with Y 2 O 3 . On the carrier is an insulation layer 12 which consists of alumina. This has a bracket-side end 14 for mounting the temperature sensor in a housing, not shown, and a medium-side end 16 which is in contact with the medium whose temperature is to be determined.

Auf der Isolationsschicht 12 ist eine Widerstandsbahn 11 aufgebracht, die in einen Zuleitungsbereich 13 und einen Meßbereich 15 unterteilt ist. Der Zuleitungsbereich 13 weist einen geringeren elektrischen Widerstand auf als der Meßbereich 15, wobei der Leitungsquerschnitt von Zuleitungsbereich 13 und Meßbereich 15 weitgehend gleich ist. Die Widerstandsbahn des Meßbereichs 15 ist in Form eines Mäanders ausgeführt, da so die Gesamtlange und somit auch der elektrische Widerstand des Meßbereichs 15 maximal wird. Die Kontaktierung der Widerstandsbahn 11 erfolgt über Kontakte 17.On the insulation layer 12 is a resistance track 11 applied in a supply area 13 and a measuring range 15 is divided. The supply area 13 has a lower electrical resistance than the measuring range 15 , wherein the line cross-section of supply area 13 and measuring range 15 is largely the same. The resistance path of the measuring range 15 is designed in the form of a meander, since so the total length and thus also the electrical resistance of the measuring range 15 becomes maximum. The contacting of the resistance path 11 done via contacts 17 ,

Auf die Widerstandsbahn 11 wird eine hier nicht dargestellte weitere Isolationsschicht, beispielsweise aus Aluminiumoxid, aufgebracht und diese abschließend mit einem Abdecktape versehen. Das Abdecktape besteht beispielsweise aus demselben Material wie der Träger.On the resistance track 11 is a not shown here further insulation layer, for example, alumina, applied and this finally provided with a masking tape. The masking tape is made, for example, of the same material as the carrier.

Da das mediumseitige Ende 16 des Temperaturfühlers wesentlich höheren Temperaturen ausgesetzt ist als das kontaktseitige Ende 14, weist der Temperaturfühler ein Temperaturgefälle zwischen dem Meßbereich 15 und den Anschlußkontakten 17 auf. Da auch der Zuleitungsbereich 13 zum elektrischen Gesamtwiderstand der Meßanordnung beitragt, hängt das Meßergebnis bei hohen Temperaturen des Mediums von der Warmeleitfahigkeit des Temperaturfühlers bzw. der Differenz zwischen der Temperatur des zu bestimmenden Mediums und der Umgebungstemperatur ab.Because the medium-side end 16 the temperature sensor is exposed to much higher temperatures than the contact-side end 14 , the temperature sensor has a temperature gradient between the measuring range 15 and the connection contacts 17 on. As well as the supply area 13 contributes to the electrical total resistance of the measuring device, the measurement result at high temperatures of the medium depends on the thermal conductivity of the temperature sensor or the difference between the temperature of the medium to be determined and the ambient temperature.

Um diesen unerwunschten Effekt möglichst klein zu halten, wird die Widerstandsbahn 11 so ausgeführt, daß der Anteil des Widerstandes des Zuleitungsbereichs 13 am Gesamtwiderstand der Widerstandsbahn 11 moglichst klein ausfallt. Dabei wird über eine Variation der Materialzusammensetzung der Widerstandsbahn 11 der Widerstand des Zuleitungsbereichs 13 minimiert und der des Meßbereichs 15 möglichst groß gehalten. Darüber hinaus wird der Meßbereich 15 in Form eines Mäanders oder eines Zick-Zacks angelegt, so daß die Gesamtlange des Meßbereichs 15 möglichst groß wird.To keep this undesirable effect as small as possible, the resistance path 11 designed so that the proportion of the resistance of the supply line 13 on the total resistance of the resistance track 11 as small as possible fails. It is about a variation of the material composition of the resistance path 11 the resistance of the supply line 13 minimized and that of the measuring range 15 kept as large as possible. In addition, the measuring range 15 in the form of a meander or a zig-zag, so that the total length of the measuring range 15 as big as possible.

Bei der Herstellung des Temperaturfühlers wird zur Erzeugung der Widerstandsbahn 11 die auf dem Träger aufgebrachte Isolierschicht 12 mit einer Paste bedruckt, die ein die Widerstandsbahn bildendes Material und einen organischen Binder enthält. Anschließend werden die weitere Isolationsschicht und das Decktape aufgebracht und der Temperaturfühler einem Sinterprozeß unterzogen.When manufacturing the temperature sensor is used to generate the resistance path 11 the insulating layer applied to the carrier 12 printed with a paste containing a resistive material and an organic binder. Subsequently, the further insulation layer and the cover tape are applied and the temperature sensor is subjected to a sintering process.

Das die Widerstandsbahn bildende Material umfaßt Platin und Aluminiumoxid, wobei der elektrische Widerstand der resultierenden Widerstandsbahnen des Meß- und Zuleitungsbereichs 13, 15 durch die prozentualen Anteile der Materialkomponenten gesteuert werden. Als besonders vorteilhaft haben sich im Versuch Pasten mit folgenden Zusammensetzungen erwiesen: Zusammensetzung Druckpaste für den Zuleitungsbereich 13 Druckpaste für den Meßbereich 15 Platin 70–90 Gew.%, vzw. 80–85 Gew.% 60–80 Gew.%, vzw. 70–75 Gew.% Aluminiumoxid 0–10 Gew.%, vzw. 0–5 Gew.% 10–30 Gew.%, vzw. 10–15 Gew.% Binder Bis zu 25 Gew.% Bis zu 30 Gew.% The material forming the resistance path comprises platinum and aluminum oxide, the electrical resistance of the resulting resistance paths of the measuring and supply area 13 . 15 controlled by the percentage of material components. Pastes having the following compositions have proved to be particularly advantageous in the experiment: composition Print paste for the feed area 13 Print paste for the measuring range 15 platinum 70-90% by weight, vzw. 80-85% by weight 60-80% by weight, vzw. 70-75% by weight alumina 0-10% by weight, vzw. 0-5% by weight 10-30% by weight, vzw. 10-15% by weight binder Up to 25% by weight Up to 30% by weight

Anstatt Platin kann der Paste als metallische Komponente auch eine Legierung von Platin beispielsweise mit den Platinmetallen Rhodium, Iridium und/oder Palladium zugesetzt werden. Die Paste kann darüber hinaus Sinterhilfsmittel wie Siliziumdioxid oder Bariumcarbonat zu jeweils einem Prozent enthalten, wobei diese während des Sintervorgangs zu einer glasartigen Schmelze führen und eine Verdichtung der Widerstandsbahn 11 bewirken.Instead of platinum, an alloy of platinum, for example, with the platinum metals rhodium, iridium and / or palladium may also be added to the paste as a metallic component. In addition, the paste may contain sintering aids such as silica or barium carbonate, in each case one percent, which lead to a glassy melt during the sintering process and a densification of the resistance path 11 cause.

Die Zusammensetzung der Druckpaste für den Meßbereich 15 wird so ausgewählt, daß der resultierende Meßbereich 15 bei 0°C einen Widerstand von mindestens 90 Ω aufweist, bevorzugt sind 100 Ω.The composition of the printing paste for the measuring range 15 is selected so that the resulting measuring range 15 at 0 ° C has a resistance of at least 90 Ω, preferably 100 Ω.

Als organischer Binder wird ein ubliches Gemisch eines Lösungsmittels mit Weichmachern und Dispergatoren verwendet.As the organic binder, a usual mixture of a solvent with plasticizers and dispersants is used.

Neben dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind weitere Ausgestaltungen von Temperaturfühlern denkbar, beispielsweise eine Ausführung mit zwei oder mehr Widerstandsbahnen und/oder Meßbereichen.In addition to the described embodiment of the present invention, further embodiments of temperature sensors are conceivable, for example a design with two or more resistance paths and / or measuring ranges.

Der beschriebene Temperaturfühler kann allgemein zur Bestimmung der Temperatur von Gasgemischen oder auch von Flüssigkeiten verwendet werden.The temperature sensor described can generally be used to determine the temperature of gas mixtures or of liquids.

Claims (10)

Temperaturfühler (1) zur Bestimmung der Temperatur eines Mediums, insbesondere der Abgase eines Verbrennungsmotors, mit einer auf einem Substrat angeordneten, ein Cermet beinhaltenden Widerstandsbahn (11), die einen Zuleitungsbereich (13) und einen Meßbereich (15) umfaßt, wobei der Zuleitungsbereich (13) einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als der Meßbereich (15), wobei über eine Variation der Materialzusammensetzung der Widerstandsbahn (11) der Widerstand des Zuleitungsbereichs (13) minimiert und der des Meßbereichs (15) möglichst groß gehalten wird dadurch gekennzeichnet, daß der Zuleitungsbereich (13) und der Meßbereich (15) Platin und Aluminiumoxid enthalten und daß der elektrische Widerstand des Zuleitungsbereichs (13) oder des Meß- und Zuleitungsbereichs (13, 15) durch die Zusammensetzung des Cermets einstellbar ist.Temperature sensor ( 1 ) for determining the temperature of a medium, in particular of the exhaust gases of an internal combustion engine, with a resistance path (Cermet) arranged on a substrate ( 11 ), which has a supply area ( 13 ) and a measuring range ( 15 ), wherein the supply area ( 13 ) has a lower electrical resistance than the measuring range ( 15 ), wherein a variation of the material composition of the resistance path ( 11 ) the resistance of the supply area ( 13 ) and that of the measuring range ( 15 ) is kept as large as possible, characterized in that the supply area ( 13 ) and the measuring range ( 15 ) Contain platinum and aluminum oxide and that the electrical resistance of the supply area ( 13 ) or the measuring and supply area ( 13 . 15 ) is adjustable by the composition of the cermet. Temperaturfühler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Cermet des Meß- und Zuleitungsbereichs (13, 15) dieselben Materialkomponenten enthält.Temperature sensor ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the cermet of the measuring and supply area ( 13 . 15 ) contains the same material components. Temperaturfühler (1) nach Anspruch 1 oder 2 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuleitungsbereich (13) und der Meßbereich (15) einen im wesentlichen identischen Querschnitt aufweisen.Temperature sensor ( 1 ) according to claim 1 or 2 claims, characterized in that the supply area ( 13 ) and the measuring range ( 15 ) have a substantially identical cross-section. Temperaturfühler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuleitungsbereich (13) und/oder der Meßbereich (15) zirkondioxidfrei ist.Temperature sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the supply area ( 13 ) and / or the measuring range ( 15 ) is free of zirconia. Temperaturfühler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich (15) einen elektrischen Widerstand von mehr als 90 Ω bei 0°C aufweist.Temperature sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring range ( 15 ) has an electrical resistance of more than 90 Ω at 0 ° C. Verfahren zur Herstellung eines Temperaturfühlers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zuleitungsbereich (13) und ein Meßbereich (15) einer Widerstandsbahn (11) mittels eines Druckverfahrens aus einer Paste gedruckt wird, die eine metallische, eine keramische und eine organische Komponente enthält, wobei für den Druck des Zuleitungsbereichs (13) eine Paste anderer Zusammensetzung als für den Druck des Meßbereichs (15) verwendet wird.Method for producing a temperature sensor ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that a supply area ( 13 ) and a measuring range ( 15 ) of a resistance track ( 11 ) is printed by a printing process from a paste containing a metallic, a ceramic and an organic component, wherein for the pressure of the supply area ( 13 ) a paste of a different composition than for the pressure of the measuring range ( 15 ) is used. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste für den Druck des Zuleitungsbereichs (13) 0.1 bis 10 Gew.%, vorzugsweise 1 bis 5 Gew.% Aluminiumoxid, und 70 bis 90 Gew.%, vorzugsweise 80 bis 85 Gew.% Platin enthält.Method according to claim 6, characterized in that the paste for the pressure of the supply area ( 13 ) 0.1 to 10 wt.%, Preferably 1 to 5 wt.% Of alumina, and 70 to 90 wt.%, Preferably 80 to 85 wt.% Platinum. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste für den Druck des Meßbereichs (15) 10 bis 30 Gew.%, vorzugweise 10 bis 15 Gew.% Aluminiumoxid, und 60 bis 80 Gew.%, vorzugsweise 70 bis 75 Gew.% Platin enthält.Method according to claim 6 or 7, characterized in that the paste for the pressure of the measuring range ( 15 ) 10 to 30 wt.%, Preferably 10 to 15 wt.% Of alumina, and 60 to 80 wt.%, Preferably 70 to 75 wt.% Platinum. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste ein Sinterhilfsmittel, insbesondere Bariumcarbonat und/oder Siliziumdioxid enthält.Method according to one of claims 6 to 8, characterized in that the paste contains a sintering aid, in particular barium carbonate and / or silicon dioxide. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich (15) mäanderförmig ausgeführt wird.Method according to one of Claims 6 to 9, characterized in that the measuring range ( 15 ) is made meandering.
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