DE10052948A1 - Heating element used in electronic components such as sensors, comprises a one-piece base plate, a heating section supporting a heating spiral and a contact section supporting contacts - Google Patents
Heating element used in electronic components such as sensors, comprises a one-piece base plate, a heating section supporting a heating spiral and a contact section supporting contactsInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement, insbesondere für den Einsatz in elektronischen Bauteilen wie Sensoren, das eine Basisplatte mit einer darauf aufgebrachten Heizwendel aufweist, wobei die Heizwendel über zwei Kontakte an eine Versorgungsspannung anschließbar ist. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes.The present invention relates to a heating element, in particular for use in electronic components such as sensors that have a base plate with one on it Applied heating coil, the heating coil via two contacts a supply voltage can be connected. The invention also relates to a Method of manufacturing a heating element.
Derartige Heizelemente sind insbesondere aus dem Bereich der Meßtechnik insbesondere von Gassensoren bekannt, wo Gase aufgeheizt werden, um bestimmte physikalische und/oder chemische Effekte hervorzurufen. Diese Heizelemente müssen bei vergleichsweise kleiner Baugröße hohe Temperaturen möglichst homogen erzeugen können. Neben den ursprünglichen Heizelementen, deren Heizwendel aus Draht gebogen ist, sind Heizelemente bekannt, die eine Basisplatte mit aufgedruckter Heizwendel aufweisen. Die aufdruckbare Masse ist meist eine Platinpaste, die nach dem Aufdrucken in einem Ofen gesintert wird.Such heating elements are particularly from the field of measurement technology especially known from gas sensors where gases are heated to to cause certain physical and / or chemical effects. This Heating elements must have high temperatures with a comparatively small size can produce as homogeneously as possible. In addition to the original heating elements, whose heating coil is bent from wire, heating elements are known, the one Have a base plate with a printed heating coil. The printable mass is usually a platinum paste, which is sintered in an oven after printing.
Problematisch bei den bislang bekannten Sensoren ist, daß sie nur bedingt für die maschinelle Massenfertigung geeignet sind und lediglich eine geringe Lebensdauer aufweisen. Ein besonderer Nachteil ist zudem, daß sie nicht auf Temperaturen über etwa 600°C aufheizbar sind und daß die hohen Temperaturen nicht homogen über eine vorgegebene Fläche verteilt sind. The problem with the previously known sensors is that they are only conditionally for the mechanical mass production are suitable and only a short lifespan exhibit. A particular disadvantage is that they do not exceed temperatures about 600 ° C can be heated and that the high temperatures are not homogeneous a given area is distributed.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein zuverlässiges Heizelement zu schaffen, das maschinell und kostengünstig herstellbar ist und das auf einer vorgegebenen Fläche vergleichsweise hohe Temperaturen homogen erzeugt. Die Aufgabe ist es außerdem, ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes zu schaffen.The object of the present invention is therefore to provide a reliable heating element create that can be produced mechanically and inexpensively and on one predetermined area generates comparatively high temperatures homogeneously. The It is also an object to provide a method for producing a heating element create.
Diese Aufgaben werden durch ein Heizelement nach mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst und ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst.These tasks are carried out by a heating element with the characteristics of Solved claim 1 and solved a method according to claim 12.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung liegt darin, das an sich einstückige Heizelement in zwei Zonen zu teilen und diese Zonen thermisch so gut wie möglich zu entkoppeln. Dazu wird die Basisplatte des Heizelementes einerseits auf ihrer aktiven Zone, dem Heizabschnitt, mit einer Heizwendel bestückt, während die passive Zone, der Kontaktabschnitt, die zum elektrischen Anschluß der Heizwendel nötigen Kontakte trägt. Zwischen den beiden Zonen ist erfindungsgemäß eine thermische Barriere angeordnet ist, die den Wärmefluß zwischen beiden Abschnitten hemmt. Mit der thermischen Barriere ist es möglich, die Heizelemente auf Temperaturen von 1000°C aufzuheizen, da die Barriere die Abkühlung des Heizabschnittes wirksam verhindert.The essential idea of the invention lies in the fact that it is in one piece Divide heating element into two zones and thermally heat these zones as best as possible to decouple. For this, the base plate of the heating element is on the one hand on your active zone, the heating section, equipped with a heating coil, while the passive zone, the contact section, which is used for the electrical connection of the heating coil necessary contacts. According to the invention, there is one between the two zones Thermal barrier is arranged, the heat flow between the two sections inhibits. With the thermal barrier it is possible to put the heating elements on Heat temperatures of 1000 ° C because the barrier is cooling the Heating section effectively prevented.
Eine solche Barriere kann beispielsweise von einem Einschnitt in die Basisplatte realisiert sein, der das Heizelement in zwei mechanisch getrennte Teile teilt, die über eine schmale Brücke verbunden sind. Durch die schmale Brücke ist der Wärmeaustausch zwischen beiden Zonen gehemmt. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die thermische Barriere mit der Heizwendel selbst auszubilden. Damit bleibt die Basisplatte durchgängig, was zu einer höheren Stabilität des Heizelementes beiträgt. Die Heizwendel bildet die Barriere dadurch, daß sie mit einer Randwendel als abschließende Leitung oder Einbuchtung an der Grenze zwischen beiden Zonen verlegt wird und dort eine hohe Heizleistung gewährleistet. Der Temperaturgradient bildet sich somit lediglich zwischen der Randwendel und dem Anschlußelement aus. Die eigentliche Heizwendel kann damit ihre gesamte Leistung an den Heizabschnitt abgeben, was zu einer Steigerung der erreichbaren Maximaltemperatur und der Heizleistung des Heizelementes führt. Dabei ist es für die Effektivität der Barriere besonders vorteilhaft, wenn die Randwendel als Bucht mit zwei nebeneinander liegenden Leitungen verlegt wird. Erfindungsgemäß wird der heiße Bereich auf dem Heizabschnitt mit einer heißen Grenzzone, die als Hitzeschild wirkt, isoliert.Such a barrier can, for example, be made by an incision in the base plate be realized that divides the heating element into two mechanically separate parts, the over a narrow bridge are connected. Through the narrow bridge is the Heat exchange between the two zones is inhibited. It is particularly advantageous however, to form the thermal barrier with the heating coil itself. That leaves the base plate consistently, resulting in greater stability of the heating element contributes. The heating coil forms the barrier in that it has an edge coil as a final line or indentation at the border between the two zones is installed and ensures a high heating output there. The temperature gradient thus only forms between the edge coil and the connecting element. The actual heating coil can thus use its entire power to the heating section submit, which leads to an increase in the achievable maximum temperature and Heating power of the heating element leads. It is for the effectiveness of the barrier particularly advantageous if the helix as a bay with two side by side lying lines is laid. According to the hot area on the Insulated heating section with a hot border zone, which acts as a heat shield.
Auf dem Heizabschnitt selber wird die Heizwendel von einer Leiterbahn gebildet, die mäanderartig auf die Basisplatte aufgebracht ist. Ein solcher gleichmäßig verlegter Mäander mit etwa äquidistanten Leitungen gewährleistet eine besonders homogene Aufheizung des Heizabschnittes. Die Leiterbahn kann beispielsweise in einer Dünnfilmtechnik auf die Basisplatte aufgebracht sein. Vorteilhafterweise ist sie jedoch mit einem Siebdruckverfahren auf die Basisplatte aufgedruckt. Die Leiterbahn wird dabei von einer Paste, insbesondere einer Platinpaste, gebildet, die nach dem Aufdrucken in einem Ofen bei hohen Temperaturen gesintert wird. Um eine möglichst homogene Heizleistung zu gewährleisten ist es vorteilhaft, die Leiterbahn symmetrisch zur Achse der Basisplatte aufzubringen.On the heating section itself, the heating coil is formed by a conductor track which meandering is applied to the base plate. Such an evenly laid Meandering with approximately equidistant lines ensures a particularly homogeneous Heating the heating section. The conductor track can, for example, in a Thin film technology can be applied to the base plate. It is advantageous however, printed on the base plate using a screen printing process. The conductor track is formed by a paste, especially a platinum paste, which after Printing is sintered in an oven at high temperatures. To one It is advantageous to ensure the most homogeneous heating capacity possible To be applied symmetrically to the axis of the base plate.
Die erfindungsgemäßen Heizelemente weisen mehrere Vorteile auf. So können die Heizelemente besonders einfach und kostengünstig maschinell in Serie hergestellt werden. Dabei läßt sich der Heizabschnitt wegen der effektiven Isolierung auf Temperaturen von mindestens 1000°C im Langzeitbetrieb aufheizen, ohne daß die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des Elementes darunter leidet. Zudem ist die Heizleistung wegen der besonderen Geometrie der Heizwendel besonders homogen auf den Heizabschnitt verteilt, was die erfindungsgemäßen Heizelemente besonders attraktiv für den Einsatz in elektronischen Bauteilen wie Gassensoren macht.The heating elements according to the invention have several advantages. So they can Heating elements especially easily and inexpensively manufactured in series by machine become. The heating section can be opened because of the effective insulation Heat temperatures of at least 1000 ° C in long-term operation without the Lifetime and the reliability of the element suffers. In addition, the Heating output is particularly homogeneous due to the special geometry of the heating coil distributed over the heating section, which is particularly the heating elements of the invention attractive for use in electronic components such as gas sensors.
Besonders vorteilhaft ist es, die Basisplatte mit einem Streifen aus Keramik, insbesondere aus Al2O3, zu realisieren, der vorteilhafterweise eine Länge von weniger als 50 mm und eine Breite von weniger als 10 mm aufweist, um den Einsatz der Heizelemente in kleinen elektronischen Bauteilen, wie beispielsweise in Gassensoren, zu ermöglichen.It is particularly advantageous to implement the base plate with a strip of ceramic, in particular of Al 2 O 3 , which advantageously has a length of less than 50 mm and a width of less than 10 mm in order to use the heating elements in small electronic devices To enable components, such as in gas sensors.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die Leiterbahn mit einem Siebdruckverfahren unter Verwendung von Platinpaste auf die Basisplatte aufzubringen. Dabei wird vorteilhafterweise als Platinpaste eine Mikrostrukturpaste mit Platinkörnchen verwendet, wobei die Körnchen die Form von Flocken aufweisen. It has been found to be particularly advantageous to use the conductor track with a Screen printing process using platinum paste on the base plate applied. A microstructure paste is advantageously used as platinum paste used with platinum granules, the granules being in the form of flakes.
Solche Pasten werden kommerziell beispielsweise von Degussa-Hüls angeboten. Eine solche Paste hält auch beim und nach dem Sintern gut auf der Keramik der Basisplatte. Die damit geformten Leiterbahnen sind stabil und neigen auch bei hohen Temperaturen nicht zu Brüchen. Mit dieser Art der Heizwendel ist es möglich, ein besonders leistungsfähiges Heizelement herzustellen. Eine besondere Art der Temperaturbehandlung beim Einbrennen der Platinpaste wird in der nachfolgenden Beispielsbeschreibung vorgestellt.Such pastes are commercially available from Degussa-Hüls, for example. Such a paste also holds well on and after sintering on the ceramic Baseplate. The conductor tracks thus formed are stable and also incline high temperatures do not break. With this type of heating coil it is possible to produce a particularly powerful heating element. A special kind of Temperature treatment when baking the platinum paste is shown in the following Example description presented.
Um das Heizelement gegen äußere Einflüsse zu schützen, ist es vorteilhaft, die Leiterbahn mit einer Schutzschicht aus Glas zu überziehen. Das Überziehen wird dabei insbesondere nach dem Einbrennen der Platinpaste vorgenommen. Diese Passivierung mit Glas bildet einen mechanischen Schutz und eine elektrische Isolierung.To protect the heating element against external influences, it is advantageous to Cover the conductor track with a protective layer of glass. The stalling will in particular after the platinum paste has been burned in. This Passivation with glass forms a mechanical protection and an electrical one Insulation.
Das erfindungsgemäße Heizelement ist besonders gut dafür geeignet, auf seiner dem Heizabschnitt abgewandten Oberfläche einen Sauerstoffsensor zu tragen. Insbesondere als Pumpsonden ausgebildete Gassensoren, wie sie beispielsweise in der DE 196 10 911 A1 beschrieben sind, können mit den erfindungsgemäßen Heizelementen ausgerüstet werden, um die katalytisch angeregte Ionisation des Sauerstoffs und die Diffusion der Ionen durch einen Festkörperelektrolyten zu ermöglichen.The heating element according to the invention is particularly well suited to it to carry an oxygen sensor facing away from the heating section. In particular, gas sensors designed as pump probes, as described, for example, in DE 196 10 911 A1 can be described with the invention Heating elements are equipped to the catalytically excited ionization of the Oxygen and the diffusion of the ions through a solid electrolyte enable.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes wird anhand der Fig. 1 bis 3 nachfolgend näher beschrieben Es zeigen:An embodiment of the heating element according to the invention is described in more detail below with reference to FIGS. 1 to 3.
Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Heizelement, Fig. 1 is a plan view of a heating element,
Fig. 2 ein Multiplett von Heizelementen bei der Herstellung und Fig. 2 is a multiplet of heating elements in the manufacture and
Fig. 3 ein Temperaturprofil zum Einbrennen der Platinpaste. Fig. 3 shows a temperature profile for baking the platinum paste.
In der Fig. 1 ist die Aufsicht auf ein erfindugsgemäßes Heizelement 1 gezeigt, das eine Basisplatte 2 mit einer darauf aufgebrachten Heizwendel 3 aufweist, wobei die Heizwendel 3 über zwei Kontakte 4 an eine Versorgungsspannung anschließbar ist. Die Basisplatte 2 ist einstückig aus Al2O3 Keramik ausgebildet und weist einen die Heizwendel 3 tragenden Heizabschnitt 5 und einen die Kontakte 4 tragenden Kontaktabschnitt 6 auf, wobei der Heizabschnitt 5 vom Kontaktabschnitt 6 durch eine thermische Barriere 7 getrennt ist, die den Wärmefluß vom Heizabschnitt 5 zum Kontaktabschnitt 6 hemmt. In diesem Fall wird die thermische Barriere 7 von der Heizwendel selber gebildet wird, die als eine den Heizabschnitt abschließende Randwendel im Übergangsbereich zwischen beiden Abschnitten als Einbuchtung 8 verlegt ist. Die Heizwendel 3 ist von einer Leiterbahn gebildet, die in Mäandern auf dem Heizabschnitt 5 aufgebracht ist. In diesem Falle ist die Leiterbahn symmetrisch zur Achse 11 der Basisplatte 2 aufgebracht. Die Kontakte 4 sind ebenfalls aus der Leiterbahn gebildet, wobei diese zur Vergrößerung des Widerstandes und damit zur Reduzierung der Leistungsabgabe verbreitert sind. Zudem lassen sich an den breiten Kontaktflächen die Zuführungsleitungen leichter anschließen.In FIG. 1, the plan view is shown on a erfindugsgemäßes heating element 1, having a base plate 2 having thereon a heating coil 3, wherein the heating coil 3 via two contacts 4 connectable to a supply voltage. The base plate 2 is formed in one piece from Al 2 O 3 ceramic and has a heating section 5 carrying the heating coil 3 and a contact section 6 carrying the contacts 4 , the heating section 5 being separated from the contact section 6 by a thermal barrier 7 which blocks the heat flow from the Heating section 5 inhibits the contact section 6 . In this case, the thermal barrier 7 is formed by the heating coil itself, which is laid as an indentation 8 in the transition area between the two sections as an edge coil closing the heating section. The heating coil 3 is formed by a conductor track which is applied to the heating section 5 in meanders. In this case, the conductor track is applied symmetrically to the axis 11 of the base plate 2 . The contacts 4 are also formed from the conductor track, these being broadened to increase the resistance and thus to reduce the power output. In addition, the supply lines are easier to connect to the wide contact areas.
Ein Heizelement, das in diesem Falle eine Länge von weniger etwa 25 mm und eine Breite von etwa 6 mm aufweist, wird derart hergestellt, daß die Leiterbahn mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Basisplatte aufgedruckt werden. In dem Herstellungsprozess können mehrere Heizelemente 1 auf einmal gefertigt werden. So können auf eine Keramikplatte die Leiterbahnen von 24 Heizelementen neben- und übereinander auf eine Basisplatte 9 aufgedruckt werden (Fig. 2). Am Ende der Fertigung werden die einzelnen Heizelemente an Sollbruchstellen 10 aus der Basisplatte 9 ausgebrochen.A heating element, which in this case has a length of less than about 25 mm and a width of about 6 mm, is produced in such a way that the conductor track is printed on the base plate by means of a screen printing process. In the manufacturing process, several heating elements 1 can be manufactured at once. Thus, the conductor tracks of 24 heating elements can be printed side by side and one above the other on a base plate 9 on a ceramic plate ( FIG. 2). At the end of production, the individual heating elements are broken out of the base plate 9 at predetermined breaking points 10 .
Die einzelnen Leiterbahnen sind aus einer Platinpaste mit Platinflocken gefertigt, die im Siebdruckverfahren auf die Basisplatte 9 aufgebracht sind. Nach dem Auftragen wird das Heizelement in einem Ofen gebrannt. Ein ideales Temperaturprofil für den Brennvorgang ist in Fig. 2 gezeigt, wo in einem Diagramm die Temperatur T gegen die Zeit t aufgetragen ist. Hier steigt die Temperatur mit einem Geschwindigkeit von 10 K pro Minute (Abschnitt A) auf einen Wert von 350°C an, der 15 Minuten gehalten wird (Abschnitt B). danach steigt die Temperatur mit 3 K pro Minute (Abschnitt C) auf 1300°C (Abschnitt D). Die 1300°C werden 60 Minuten gehalten, bevor die Heizelemente mit einer Geschwindigkeit von 2 K pro Minute abgekühlt werden. Letztendlich werden die Leiterbahnen mit einer Schutzschicht aus Glas überzogen.The individual conductor tracks are made from a platinum paste with platinum flakes, which are applied to the base plate 9 using the screen printing method. After application, the heating element is burned in an oven. An ideal temperature profile for the firing process is shown in FIG. 2, where the temperature T is plotted against the time t in a diagram. Here the temperature rises at a rate of 10 K per minute (section A) to a value of 350 ° C, which is held for 15 minutes (section B). then the temperature rises at 3 K per minute (section C) to 1300 ° C (section D). The 1300 ° C are held for 60 minutes before the heating elements are cooled at a rate of 2 K per minute. Ultimately, the conductor tracks are covered with a protective layer of glass.
Claims (13)
- - auf eine Basisplatte aus Keramik, insbesondere aus Al2O3 wird im Siebdruck-Verfahren Piatin-Mikrostrukturpaste in Form einer Heizwendel aufgebracht, wobei die Mikrostrukturpaste Platinflocken aufweist,
- - die Basisplatte mit der aufgebrachten Paste wird in einem Ofen in einem Backprozeß verbacken, wobei der Backprozeß zwei Temperaturstufen aufweist, die über mehrere Minuten gehalten werden.
- piatin microstructure paste in the form of a heating coil is applied to a base plate made of ceramic, in particular Al 2 O 3 , the platinum flakes being used in the microstructure paste,
- - The base plate with the applied paste is baked in an oven in a baking process, the baking process having two temperature levels, which are held for several minutes.
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Effective date: 20130403 |