DE10124373A1 - Temperaturfühler und Verfahren zur Steuerung von dessen Herstellung - Google Patents

Temperaturfühler und Verfahren zur Steuerung von dessen Herstellung

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DE10124373A1
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Yoshihito Mizoguchi
Takeshi Mitsuoka
Satoshi Lio
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Abstract

Beschrieben wird ein Temperaturfühler einschließlich eines wärmeempfindlichen Elements und eines keramischen Gehäuses, in dem ein Hohlraum ein wäremeempfindliches Element luftdicht umschließt. Das wärmeempfindliche Element wird vorzugsweise auf der wärmefühlenden Oberflächenseite des keramischen Gehäuses ausgebildet, welches einen Hohlraum-Bereich aufweist. Der Hohlraum-Bereich wird bevorzugt an einer Stelle ausgebildet, die, bezogen auf die Mitte des Temperaturfühlers, in Richtung der wärmefühlenden Oberflächenseite versetzt ist. Das keramische Gehäuse umfaßt insbesondere eine wärmefühlende, oberflächenseitige Keramikschicht (1), auf der ein wärmeempfindliches Element angeordnet ist, eine keramische Zwischenschicht (3) mit einer Öffnung und einer keramischen Substratschicht (2), welche als Unterlage dient.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperaturfühler, der eine ausgezeichnete Ansprechzeit aufweist und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Temperaturfühler, der zur Temperaturmessung von Abgasen eines Vergasungsbrenners oder eines Verbrennungsmotors gebraucht wird, wobei der Fühler zur Nutzung bei hohen Temperaturen geeignet ist, und einem Verfahren zur Steuerung der Produktion des Fühlers.
Üblicherweise wird ein Pt-Widerstand oder ein, aus einem gesinterten Oxid gebildetes, Volumen-Thermistor-Element als Temperaturfühler genutzt. Jedoch werden die elektrischen Eigenschaften eines solchen Temperaturfühlers durch Verunreinigung mit im Abgas enthaltenem Kohlenstoff oder Phosphor oder durch Schwankungen der Sauerstoffpartialdrücke schnell verschlechtert. Wenn daher ein Volumen-Thermistor- Element verwendet wird, wird eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften verhindert, indem das Element vor der Außenluft durch ein Glasmaterial oder zum Beispiel durch ein aus rostfreiem Stahl gefertigtes Rohr abgeschirmt wird. Wenn ein Pt-Widerstand benutzt werden soll, wird die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften dadurch verhindert, daß mit einem Glasmaterial versiegelt wird und der Pt-Widerstand auf einer isolierenden Unterlage in einem bestimmten Muster gebildet wird.
Wenn ein Volumen-Thermistor-Element in einem Automobil, welches kräftige Erschütterungen verursacht, benutzt werden soll, wird das Element durch einen Füllstoff, wie Zement, oder durch Verstemmen in einem zentralen Teil einer Schutzröhre befestigt. Dies soll einer Beschädigung des Elements vorbeugen, welche eintritt, wenn das Element aufgrund starker Erschütterungen die Schutzröhre berührt.
Damit eine schnelle Verbrennungsregelung eines Vergasungsbrenners oder eines Verbrennungsmotors erreicht werden kann, besteht ein Bedarf, die Ansprechzeit des wärmeempfindlichen Elements zu erhöhen. Verschiedene Verfahren sind vorgeschlagen worden, um die Ansprechzeit eines wärmeempfindlichen Elements zu erhöhen, einschließlich eines Verfahrens bei welchem die Dicke der Schutzröhre und dadurch, soweit wie möglich, die Wärme-Überkapazität, wie oben beschrieben, verringert wird (Japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 9-189618), und ein Verfahren, bei welchem die Dicke eines wärmeempfindlichen Elements verringert wird, um die Leitfähigkeit von Wärme der Außenluft zu erhöhen (Japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 9-218110).
Bei dem oben erwähnten bekannten Verfahren vergeht eine gewisse Zeit, bevor die Wärme des Abgases das Thermistor- Element erreicht, da dieses durch eine Schicht mit relativ niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel eine Schicht aus rostfreiem Stahl, eine Glasschicht oder eine Zementschicht, geschützt ist. Die Wärmeleitung zum Thermistor- Element wird weiterhin dadurch verringert, daß eine Luftschicht zwischen einer solchen Schicht und dem Thermistor- Element vorhanden ist. Bei dem herkömmlichen Verfahren ist daher eine weitere Verbesserung der Ansprechzeit des Thermistors schwer zu erreichen. Obwohl ein Pt-Widerstand, der auf einer isolierenden Unterlage zur Verfügung gestellt wird, eine ausgezeichnete Ansprechzeit aufweist, ist ein entsprechender Widerstand, der mit einem Glasschutz ausgestattet ist, höchstens bis zu einer Temperatur von ungefähr 600°C beständig. Daher ist der Pt-Widerstand nur innerhalb eines eingeschränkten Temperaturmessbereichs eines Verbrennungsmaschinenabgases, welches 1000°C erreichen kann, verwendbar.
Die Ansprechzeit eines wärmeempfindlichen Elements, wie eines Thermistor-Elements kann durch Verkleinerung des Elements erhöht werden, um dadurch dessen Wärmekapazität zu verringern. Um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten, muß eine Elektrode jedoch mit hoher Genauigkeit an einem wärmeempfindlichen Element angebracht werden. Als Folge davon verringert sich die Produktivität und die Produktionskosten steigen. Daher ist es schwierig wärmeempfindliche Elemente zu verkleinern.
In Anbetracht des vorstehend beschriebenen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Temperaturfühler mit ausgezeichneter Ansprechzeit und ein Verfahren zur Steuerung von dessen Herstellung anzugeben. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Temperaturfühler zur Verfügung zu stellen, der zur Messung von Abgastemperaturen eines Vergasungsbrenners oder eines Verbrennungsmotors genutzt wird, wobei der Fühler zur Nutzung bei hohen Temperaturen angepaßt ist sowie eines Verfahrens zur Produktionssteuerung des Fühlers.
Diese Aufgabe löst die Erfindung durch den Temperaturfühler gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 und des Herstellungsverfahrens gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Details und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Die vorstehende Aufgabenstellung wird dadurch gelöst, daß ein Temperaturfühler zur Verfügung gestellt wird, der ein wärmeempfindliches Element und ein keramisches Gehäuse mit einem Hohlraum welcher das wärmeempfindliche Element luftdicht umschließt, umfaßt.
Die vorstehende Aufgabenstellung wird auch dadurch gelöst, daß ein Steuerungsverfahren zur Herstellung von Temperaturfühlern angegeben wird, wobei der Temperaturfühler ein wärmeempfindliches Element und ein Keramikgehäuse mit einem Hohlraum, der das wärmeempfindliche Element luftdicht umschließt, umfaßt, wobei das Keramikgehäuse eine Substratseite und eine wärmefühlende Oberflächenseite aufweist und das wärmeempfindliche Element auf der wärmefühlenden Oberflächenseite des Keramikgehäuses angeordnet ist, wobei bei dem Verfahren zuerst die Ansprechzeitschwankung des wärmeempfindlichen Elements unter Prduktionschargen bestimmt wird und anschließend, aufgrund der Ergebnisse der Bestimmung, die Dicke der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht des Keramikgehäuses eingestellt wird.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht eines dickschichtigen Thermistors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht des dickschichtigen Thermistors gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine erläuternde Ansicht eines Verfahrensschritts zur Herstellung eines dickschichtigen Thermistors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine erläuternde Ansicht eines weiteren Verfahrensschritts zur Herstellung eines dickschichtigen Thermistors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine erläuternde Ansicht noch eines weiteren Verfahrensschritts zur Herstellung eines dickschichtigen Thermistors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine erläuternde Ansicht noch eines weiteren Verfahrensschritts zur Herstellung eines dickschichtigen Thermistors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine erläuternde Ansicht die einen Aufbau zeigt, bei welchem ein Thermistor-Element zwischen Elektroden angeordnet ist;
Fig. 8 eine erläuternde Ansicht, die einen Aufbau zeigt, bei welchem ein Thermistor-Element parallele Elektroden überbrückt;
Fig. 9 eine Querschnittansicht des Thermistors die das Verhältnis zwischen Dicke (t1)der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht, der Dicke (t3) der keramischen Zwischenschicht und der Dicke (t2) der keramischen Substratschicht veranschaulicht; und
Fig. 10 eine erläuternde Ansicht, die in Form einer Grafik das Verhältnis der Dicke (t1) der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht und der Summe (t2 + t3) aus der Dicke (t3) der keramischen Zwischenschicht und der Dicke (t2) der keramischen Substratschicht des Beispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
Der Temperaturfühler der vorliegenden Erfindung weist einen geschlossenen Aufbau auf, bei dem das wärmeempfindliche Element luftdicht von einem Hohlraum (d. h. Leerraum) umgeben ist, der innerhalb eines dichten Keramikgehäuses ausgebildet ist. Dadurch kann eine Vergiftung des wärmeempfindlichen Elements mit im Gas befindlichen Kohlenstoff oder Phosphor verhindert werden. Da das keramische Gehäuse eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist und von Abgas nicht durch Korrosion angegriffen wird, kann ein luftdichter Abschluß für eine lange Zeitspanne aufrecht erhalten werden. Wenn das keramische Gehäuse aus einem keramischen Material hergestellt wird, welches eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit aufweist, ist der entsprechende Temperaturfühler bis zu Temperaturen von etwa 1000°C beständig.
Das keramische Gehäuse unterliegt keinen besonderen Einschränkungen so lange das Gehäuse dicht ist und damit ein luftdichter Abschluß sichergestellt ist. Abhängig von der geplanten Nutzung des Temperaturfühlers wird ein Keramikgehäuse gewählt, welches ausgezeichnete Eigenschaften aufweist wie Oxidationsbeständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit oder hohe Wärmeleitfähigkeit.
Beispiele keramischer Materialien, die zur Herstellung des keramischen Körpers genutzt werden können, schließen Aluminiumoxid, Mullit, Spinell, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid ein. Ein oxid-keramisches Material kann zusammen mit einem Oxid-Thermistor oder einem Pt-Widerstand gebrannt werden und ein nitrid-keramisches Material kann zusammen mit einem Karbid-Thermistor gebrannt werden.
Unabhängig davon, ob ein oxid-keramisches Material oder ein nitrid-keramisches Material verwandt wird, können das keramische Gehäuse und das wärmeempfindliche Element durch gleichzeitiges Brennen hergestellt werden, womit die Herstellungskosten gesenkt werden können.
Um eine solche geschlossene Struktur auszubilden, bei der das wärmeempfindliche Element unter luftdichtem Abschluß von einem Hohlraum umgeben ist, der innerhalb eines dichten keramischen Gehäuses ausgebildet ist, kann eine herkömmliche Laminierungstechnik zur Ausbildung mehrer keramischer Schichten angewandt werden. Ein Simultanbrennverfahren unter Verwendung von keramischen Grünlagen oder ein Dick-Folien- Druck-Mehr-Lagenverfahren werden bevorzugt eingesetzt. Solange Zuverlässigkeit und Wärmeleitfähigkeit nicht nachteilig beeinflußt werden, kann der Hohlraum durch Glasbindung einer Mehrzahl von keramischen Elementen gebildet werden.
Beispiele von Materialien für das Thermistor-Element schließen einen NTC Thermistor, einen PTC Thermistor und einen metallischen Widerstand ein. Der NTC Thermistor kann aus einem Oxid wie YCrO3 Perowskit, MgO-Al2O3 Spinell, Cr2O3-Al2O3 Korund oder Y2O3-ZrO2 Fluorit, oder einem leitenden Karbidmaterial, wie SiC, hergestellt werden. Der PTC Thermistor kann aus einem Oxid wie BaTiO3 oder V2O5-Cr2O3 hergestellt werden. Der metallische Widerstand kann aus mindestens einem Element, ausgewählt aus Pt, Au, Ag, Pd, Ir und Rh, hergestellt werden. Unter Berücksichtigung der Verwendungsbedingungen kann die Resistenz des Widerstands durch das Widerstandsmuster eingestellt werden. Da der Fühler bei hohen Temperaturen eingesetzt wird, wird der Gebrauch eines hauptsächlich Pt enthaltenden Widerstands bevorzugt.
Unter den oben erwähnten Materialien des wärmeempfindlichen Elements zeigt der PTC-Thermistor bei einem bestimmten Temperaturbereich eine deutliche Widerstandsänderung und die Genauigkeit der Temperaturbestimmung ist daher bei anderen Temperaturbereichen relativ niedrig. Der metallische Widerstand zeigt eine hohe Genauigkeit in der Temperaturbestimmung, hat aber eine niedrige Widerstandsleistung und daher vergrößert sich die Belastung auf den Temperaturbestimmungskreis. Um somit Temperaturen über einen breiten Bereich von 300°C bis ungefähr 1000°C zuverläßig zu bestimmen, wird vorzugsweise ein NTC-Thermistor eingesetzt.
Um durch Verkleinerung des wärmeempfindlichen Elements Platzersparnisse zu erreichen kann ein dickschichtiges oder dünnschichtiges wärmeempfindliches Element benutzt werden. Drucken eines dickschichtigen, wärmeempfindlichen Elements kann leicht unter Nutzung eines herkömmlichen Siebdruck- Verfahrens ausgeführt werden und das wärmeempfindliche Element kann durch gleichzeitiges Brennen mit einer keramischen Unterlage oder durch Brennen auf einer gebrannten Unterlage ausgebildet werden. Ein dünnschichtiges wärmeempfindliches Element kann auf einer gebrannten Unterlage durch Kathodenzerstäubung (sputtering), ein Dampfphasenverfahren, wie CVD (Chemical Vapour Deposition, chemische Gasphasenabscheidung), oder ein Flüssigphasenverfahren, wie Tauchüberziehen, gebildet werden.
Die in Verbindung mit dem wärmeempfindlichen Element zu benutzenden Elektroden und Zuführungsdrähte sind bevorzugt aus einem Edelmetall hergestellt. Edelmetalle reagieren schlecht mit Oxiden und Karbiden und beeinträchtigen somit die leitenden Eigenschaften nicht. Selbst in dem Fall, in dem das wärmeempfindlichen Element aus einem metallischen Widerstand gebildet ist, kann ein Edelmetall benutzt werden, vorausgesetzt daß die Oberfläche der Elektroden und der Querschnitt der Zuführungsdrähte so ausgelegt sind, daß die Widerstände der Elektroden und Zuführungsdrähte niedriger sind als der des wärmeempfindlichen Elements. Die Elektroden und Zuführungsdrähte können beispielsweise aus mindestens einem Element, ausgewählt aus Pt, Au, Ag, Pd, Ir und Rh, gewählt werden. Unter Berücksichtigung des Gebrauchs bei hohen Temperaturen, werden vorwiegend Pt enthaltende Elektroden und Leitungsdrähte bevorzugt.
Im Temperaturfühler der vorliegenden Erfindung kann das wärmeempfindliche Element auf der wärmefühlenden Oberflächenseite des keramischen Gehäuses, welches den Hohlraumabschnitt mit einschließt, angeordnet sein. Der hier gebrauchte Ausdruck "wärmefühlende Oberflächenseite" bezieht sich auf eine Seite, auf der das keramische Gehäuse den Abgasen eines Vergasungsbrenners oder einer Verbrennungsmaschine ausgesetzt ist. Zwischen dem Abgas und dem wärmeempfindlichen Element liegt nur eine kompakte keramische Schicht mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit. Anders als bei einem herkömmlichen Volumen-Thermistor ist bei einem Temperaturfühler der vorliegenden Erfindung keine Substanz mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie rostfreier Stahl, Zement oder Luft, zwischen dem Abgas und dem wärmeempfindlichen Element vorhanden. Daher kann die Wärme des Abgases wirksam an das wärmeempfindliche Element übermittelt werden.
Auf der der wärmefühlenden Oberflächenseite gegenüberliegenden Seite ist die Umgebung des wärmeempfindlichen Elements durch Luft in einem geschlossenen Raum wärmeisoliert und neigt somit nicht zu einem Wärmediffusions-Phänomen, nämlich einem Phänomen bei welchem sich zum wärmeempfindlichen Element übermittelte Wärme zerstreut (diffundiert) und die Ansprechzeit verringert wird. Dadurch kann die Ansprechzeit des Temperaturfühlers verbessert werden.
Bei dem Temperaturfühler gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Hohlraum bevorzugt in Richtung der wärmefühlenden Oberflächenseite, bezogen auf die Mitte des Temperaturfühlers, versetzt. Der hier gebrauchte Ausdruck "Mitte des Temperaturfühlers" bezieht sich auf die Mitte des Fühlers in Richtung der Dicke (des Durchmessers) oder in vertikaler Richtung, vorausgesetzt die Oberfläche, die das wärmeempfindliche Element trägt, ist horizontal angeordnet. Wenn der Hohlraum an einer zur wärmefühlenden Oberflächenseite versetzten Stelle angeordnet ist, hat die wärmefühlende oberflächenseitige keramische Schicht eine verringerte Dicke, so daß die Wärme des Abgases unverzüglich auf das wärmeempfindliche Element übermittelt wird. Da die keramische Unterlage eine erhöhte Dicke aufweist, ist der Temperaturfühler zusätzlich ausreichend mechanisch stabil. Weil die mechanische Stabilität des Temperaturfühlers gewährleistet ist, kann die Dicke der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht unterschiedlich sein, um die Ansprechzeit zu regeln.
Bei dem Temperaturfühler gemäß der vorliegenden Erfindung kann die erwünschte Ansprechzeit dadurch erreicht werden, daß die Dicke der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht und somit die Wärmekapazität der Schicht verändert wird. Wenn die Ansprechzeit der wärmeempfindlichen Elemente unter hergestellten Chargen unterschiedlich ist, wird im Voraus ein Vorversuch zur Ansprechzeit ausgeführt. Beruhend auf den Versuchsergebnissen kann die Dicke der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht dann variiert werden, um dadurch die gewünschte Ansprechzeit zu erreichen. Wenn eine solche Herstellungskontrolle durchgeführt wird, vermindert sich die Ausbeute an Temperaturfühlern nicht, selbst in Fällen, in denen die Ansprechzeit des wärmeempfindlichen Elements sich unter verschiedenen Chargen unterscheidet.
Der Temperaturfühler gemäß der vorliegenden Erfindung kann nach einem bekannten Mehrlagenkeramik-Schichtungsverfahren hergestellt werden, einschließlich der Schichtung von keramischen Grünlagen und der Bildung von Isolierpasten-Lagen durch Drucken. Zum Beispiel kann der Temperaturfühler mit einem, in der Perspektiv-Explosionsansicht Fig. 1 veranschaulichten Aufbau, leicht hergestellt werden. Ein Keramikgehäuse mit einem Hohlraum, welcher das wärmeempfindliche Element (4) luftdicht umhüllt, das Keramikgehäuse einschließlich einer wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht (1), eine keramische Zwischenschicht (1) mit einer Öffnung (31) und eine keramische Substratschicht (2), die als Unterlage dient, können auf einfachste Weise mittels keramischer Grünplatten oder einer Isolierpaste hergestellt werden.
Elektroden (5a, 5b) zum Aussenden elektrischer Signale werden auf dem wärmeempfindlichen Element (4) gebildet. Wie in Fig. 7 gezeigt, ist das wärmeempfindliche Element bevorzugt zwischen den Elektroden angeordnet. Dies geschieht, um die Menge eines während des Brennens freigesetzten Alkalimetalls oder Erdalkalimetalls, welches von einem wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht-Plattenrohling zum wärmeempfindlichen Element diffundiert, zu verringern, wodurch eine Verschlechterung der Leiteigenschaften wirksam verhindert werden kann. Elektrische Signale des wärmeempfindlichen Elements werden über Leitungsdrähte (6a, 6b) ausgesandt, die an die Elektrodenenden (51a, 51b) angeschlossen sind.
Wenn das wärmeempfindliche Element gegenüber einem Alkalimetall oder einem Erdalkalimetall korrosionsbeständig ist, kann der Aufbau wie in Fig. 8 gezeigt gewählt werden, in welchem das wärmeempfindliche Element die parallel gebildeten Elektroden überbrückt. In diesem Fall werden die Elektroden (5a, 5b) in einem einzigen Siebdruckschritt gebildet, wodurch die Anzahl der Herstellungsschritte vorteilhaft vermindert werden kann.
Fig. 9 zeigt das Verhältnis zwischen der Dicke (t1) der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht, der Dicke (t3) der keramischen Zwischenschicht und der Dicke (t2) der Substrat-Keramikschicht mit Bezug auf die Querschnittansicht des Temperaturfühlers.
Die Dicke (t1) der wärmefühlenden oberflächenseitigen Keramikschicht beträgt vorzugsweise 0,1-1,0 mm. Dies ist so gewählt weil, wenn die Dicke weniger als 0,1 mm beträgt, Risse aufgrund von Hitzeeinwirkung auftreten können oder die Keramikschicht während der Herstellung verformt werden kann, wohingegen sich bei einer Dicke von über 1,0 mm die Ansprechzeit verringert. Mit Rücksicht auf die Ansprechzeit, mechanische Stärke und Verformung ist die Schicht besonders bevorzugt 0,1-0,9 mm dick, insbesondere 0,1-0,6 mm.
Die Summe der Dicke (t3) der keramischen Zwischenschicht und der Dicke (t2) der Substrat-Keramikschicht, d. h. (t2 + t3) beträgt vorzugsweise 0,3-3,0 mm. Dies ist so da die Stärke, die für den Temperaturfühler notwendig ist, bei einer Summe von weniger als 0,3 mm nicht gesichert werden kann und der Fühler durch Einflüsse wie Vibrationen leicht bricht, wohingegen bei einer Summe von mehr als 3,0 mm bei der Schichtung Luft zwischen den Lagen zurückbleibt, um dazwischen Bläschen zu bilden oder zur Rißbildung in der Nähe der Öffnung (31) zu neigen, wenn sie durch Ausstanzen gebildet werden. Um die Zuverlässigkeit zu erhöhen ist die Summe (t2 + t3) besonders bevorzugt 0,3-1,5 mm, insbesondere 0,5-1,2 mm.
Das Verhältnis der Dicke (t1) der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht zur Summe der Dicke (t3) der keramischen Zwischenschicht und der Dicke (t2) der Substrat- Keramikschicht, d. h. t1/(t2 + t3), ist bevorzugt kleiner als 1. Dies ist so da die Wärmekapazität der Keramikschicht zur Erhöhung der Ansprechzeit verringert werden kann, wenn die Dicke (t1) der wärmefühlenden oberflächenseitigen Keramikschicht relativ klein gehalten wird. Bevorzugt ist das Verhältnis 0,1-0,9.
BEISPIELE
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht als hierauf beschränkt ausgelegt werden.
Ein wärmeempfindliches Element wurde aus YCrO3 Thermistormaterial und ein Keramikgehäuse aus Al2O3 gefertigt.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Thermistors vom Dickschichttyp. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des Thermistors. Die Fig. 3 bis 6 zeigen die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung des Thermistors mit Bezug auf Seitenansichten entlang der gestrichelten Linie (a) in Fig. 2. Die Länge und Breite des Thermistors (ohne die Zuleitungsdrähte) sind 60 mm bzw. 5 mm. Die Dicke des Thermistors wird gemäß den Schichtkombinationen in Tabelle 2 bestimmt.
1. Herstellung der Paste für das Thermistor-Element
Y2O3-Pulver, SrCO3-Pulver, Cr2O3-Pulver, Al2O3-Pulver, Fe2O3- Pulver, und ZrO2-Pulver (Reinheitsgrad für jedes Pulver 99,9% oder größer), die als Rohmaterial dienen, wurden bereitgestellt. Diese Pulver wurden gewogen, um die Gewichtsprozent-Verhältnisse, zu Oxiden reduziert, wie in Tabelle 1 gezeigt, zu erhalten, zusammen mit Siliziumnitrid- Mahlkugeln und einem Lösungsmittel (Ethanol) in einen Harztiegel gegeben und dann darin naß gemischt (SiO2-Pulver wurde der Mischung in einem späteren Schritt zugegeben). Danach wurde das Lösungsmittel durch Trocknen entfernt, die erhaltene Mischung wurde in Luft bei 1300°C für fünf Stunden geglüht und dann pulverisiert, wodurch ein geglühtes (kalziniertes) Pulver mit einer Partikelgröße von durchschnittlich 1-2 µm erhalten wurde.
Dem geglühten Pulver wurde SiO2 Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,2 µm zugegeben, um die in Tabelle 1 aufgeführten Zusammensetzungsverhältnisse zu erzielen. Die erhaltene Pulvermischung wurde mit Siliziumnitrid-Mahlkugeln und einem Lösungsmittel (Ethanol) in einen Harztiegel gegeben und dann naß gemischt. Die erhaltene Aufschlämmung wurde für drei Stunden bei 80°C getrocknet und dann mit Hilfe eines 250er Maschensiebs (250 mesh) gesiebt, um dadurch Körner zu erhalten.
Ein Bindemittel (Ethylzellulose) und ein Lösungsmittel (Butylcarbitol) wurden den erhaltenen Körnern zugegeben und dann mit Hilfe eines Ishikawa-Knetapparats geknetet, um dadurch eine Paste für den Thermistor zuzubereiten.
Tabelle 1
2. Herstellung des Thermistors
Zuerst wurden keramische Grünplatten, die als eine wärmefühlende, oberflächenseitige Keramikschicht (1) dienen, eine keramische Zwischenschicht (3) und eine Substrat- Keramikschicht (2) hergestellt. SiO2-CaO-MgO Glas (0,5 Gew.-%) wurde zu einem Aluminiumoxidpulver mit einer spezifischen Oberfläche von 9,4 m2/g und einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,4 µm gegeben. Die erhaltene Mischung wurde mit einem Acryl-Bindemittel verknetet, und dann wurde die Mischung unter Verwendung eines Abstreifmessers zu Lagen ausgebildet. Neun Typen von keramischen Rohlagen wurden gebildet, so daß nach dem Brennen Dicken von 0,05 mm, 0,1 mm, 0,3 mm, 0,37 mm, 0,6 mm, 0,8 mm, 0,9 mm, 1,2 mm und 1,6 mm erreicht wurden.
Anschließend wurden, wie in Fig. 3 gezeigt, mittels eines Schneidstempels eine Öffnung (31) und Kerben (32a, 32b) für Leitungsdrähte in eine, als keramische Zwischenschicht (3) dienende, keramische Grünlage gestanzt, diese auf eine, als keramische Substratschicht (2) dienende, keramische Grünlage gedrückt, um dadurch ein Grüngehäuse (101) inklusive der keramischen Substratschicht und keramischen Zwischenschicht zu bilden. In diesem Fall wurden die keramischen Grünlagen so miteinander schichtweise verbunden, um die in Tabelle 2 gezeigte Dickenkombination zu erreichen.
Anschließend wurde durch Drucken eine Pt-Paste zur Bildung einer Elektrode in einem vorbestimmten Muster auf eine Grünplatte aufgetragen, die als wärmeempfindliche oberflächenseitige Keramikschicht (1) dient. Die Pt-Paste wurde wie folgt hergestellt: ein leitendes Y2O3-Cr2O3 Material (3 Gew.-%) mit der gleichen Zusammensetzung wie die des Thermistors wurde einem Pt Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,6 µm zugegeben und dann mit einem Zellulose-Bindematerial verknetet.
Die oben zubereitete Paste für das Thermistor-Element wurde durch Drucken auf die Elektrode (5a) aufgetragen und getrocknet. Anschließend wurde eine Pt-Paste zur Bildung einer Elektrode (5b) durch Drucken in einem vorbestimmten Muster auf das Thermistor-Element aufgetragen. Danach wurden Zuleiterdrähte mit einem Durchmesser von 0,3 mm an Elektrodenenden (51a, 51b) angeschlossen, um dadurch ein Grüngehäuse (102) einschließlich der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht und des Thermistor-Elements zu bilden (siehe Fig. 4).
Wie die Fig. 5 und 6 zeigen, wurde das Grüngehäuse (101), enthaltend die keramische Substratschicht und die keramische Zwischenschicht, auf das Grüngehäuse (102) einschließlich der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht und des Thermistor-Elements gedrückt, um dadurch ein Grüngehäuse (100) zu bilden, das als Thermistor dient. In diesem Fall wurden die keramischen Grünplatten miteinander schichtweise verbunden, um die in Tabelle 2 gezeigte Dickenkombination zu erreichen.
Die Abmessungen des als Thermistor dienenden Grüngehäuses wurden durch Schnitte so eingestellt, daß die Länge und die Breite nach dem Brennen 60 mm bzw. 5 mm betrugen. Anschließend wurde das Bindemittel 6 Stunden lang bei 250°C in Luft vom Grüngehäuse entfernt, um dadurch einen fettfreien Körper zu erhalten. Das resultierende Gehäuse wurde in Luft bei 1480°C für zwei Stunden gebrannt, um einen Zielwert-Thermistor herzustellen.
3. Bewertung der Thermistor-Ansprechzeit
Die Ansprechzeit des erhaltenen Thermistors wurde wie folgt bestimmt. Ein Metallrohr mit einem Durchmesser von 30 mm wurde bereitgestellt und in dem Rohr wurde eine Öffnung ausgebildet. Der Thermistor wurde durch die Öffnung senkrecht in das Rohr eingeführt. Heißluft von 600°C wurde mit einer Durchströmgeschwindigkeit von 6 m/s durch das Rohr geleitet und die 63% Ansprechzeit des Thermistors gemessen. Hierbei bedeutet der Begriff "63% Ansprechzeit" die Zeit, in der die vom Thermistor gemessene Temperatur von Raumtemperatur auf 378°C ansteigt. Tabelle 2 zeigt die Zuordnung der 63% Ansprechzeit des Thermistors zur Dickenkombination der Keramikschichten.
Als Vergleich wurde die Ansprechzeit eines herkömmlichen Volumen-Thermistors gemessen. Der Volumen-Thermistor hatte einen Aufbau, bei welchem ein Volumen-Thermistor-Element (Durchmesser: 2 mm, Höhe: 1,5 mm) in ein aus rostfreiem Stahl angefertigtes Metallrohr (Durchmesser: 4 mm) eingeführt und einzementiert wurde. Die 63% Ansprechzeit wird in Tabelle 2 gezeigt.
Fig. 10 zeigt in Form einer Koordinatengrafik das Verhältnis zwischen der Dicke (t1) der wärmefühlenden oberflächenseitigen Keramikschicht und der Summe (t2 + t3) aus der Dicke (t3) der keramischen Zwischenschicht und der Dicke (t2) der keramischen Substratschicht. Die schraffierte Zone ist wie folgt definiert (a)-(c): (a) t1: 0,1-1,0 mm, (b) t2 + t3: 0,3-3,0 mm, und (c) t1/(t2 + t3) < 1. Man beachte, daß mit Bezug auf das Verhältnis (c) t1/(t2 + t3) < 1, die punktierte Linie nicht in der obigen Zone enthalten ist.
Tabelle 2
Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, zeigt der erfindungsgemäße Thermistor ausgezeichnete Ansprechzeiten, insbesondere wenn die Kombination der Dicken der Keramikschichten innerhalb eines bevorzugten Bereichs der vorliegenden Erfindung fällt, d. h. die 63% Ansprechzeit des Thermistors 10 Sekunden oder weniger beträgt. Die Ergebnisse der Proben Nr. 2 bis 4 zeigen, daß die Dicke der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht die Ansprechzeit des Thermistors stark beeinflußt. Wenn ein solcher Vorversuch durchgeführt wird und die Dicke der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht aufgrund der Versuchsergebnisse eingestellt wird, können Abweichungen der Ansprechzeiten unter verschiedenen Produktionschargen verringert werden.
Die Thermistorausführung gemäß der vorliegenden Erfindung weist ausgezeichnete Ansprechzeiten auf, da sich, nicht wie im Fall des zum Vergleich gebrauchten, herkömmlichen Volumen- Thermistors, keine Substanzen mit niedriger Leitfähigkeit, wie rostfreier Stahl oder Zement, im wärmeleitenden Weg befinden. Zusätzlich ist das Thermistor-Element hermetisch im Keramikgehäuse angeordnet und mit Luft wärmeisoliert, wodurch vorteilhafterweise das Element kaum von Wärmediffusion oder Vergiftung (Einbrennen) beeinträchtigt wird.
Die vorliegende Erfindung liefert einen Temperaturfühler der ausgezeichnete Ansprechzeiten aufweist und welcher bei niedrigen Kosten als Massenprodukt hergestellt werden kann.
Der Temperaturfühler gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen hermetischen Aufbau, bei welchem ein wärmeempfindliches Element luftdicht von dem im dichten keramischen Gehäuse ausgeformten Hohlraum umgeben ist. Dadurch kann bei Vergiftung (Einbrennen) des wärmeempfindlichen Elements mit im Abgas enthaltenem Kohlenstoff oder Phosphor vermieden werden.
Dadurch, daß das Keramikgehäuse eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist und keiner Korrosion durch Abgas unterworfen ist, kann weiterhin der luftdichte Abschluß für eine lange Zeit aufrecht erhalten werden. Da das Keramikgehäuse ausgezeichnete Hitzebeständigkeit aufweist, ist der entstandene Temperaturfühler zusätzlich temperaturbeständig bis zu ungefähr 1000°C.
Diese Anmeldung basiert auf den japanischen Patentanmeldungen Nr. 2000-152537, eingereicht am 24. Mai 2000 und Nr. 2000- 370395, eingereicht am 5. Dezember 2000, auf deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit in der vorliegenden Anmeldung Bezug genommen wird.
Folgende Bezugszeichen wurden in der Zeichnung verwendet:
Bezugszeichenliste
1
wärmefühlende, oberflächenseitige Keramikschicht
2
keramische Substratschicht
3
keramische Zwischenschicht
31
Öffnung
32
a,
32
b Aussparungen für Leitungsdrähte
4
Thermistor-Element
5
a,
5
b Elektrode
51
a,
51
b Elektrodenenden
6
a,
6
b Leitungsdrähte

Claims (10)

1. Temperaturfühler mit einem wärmeempfindlichen Element und einem keramischen Gehäuse, welches einen Hohlraum aufweist, der das wärmeempfindliche Element auf luftdichte Weise umschließt.
2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, wobei das keramisches Gehäuse eine Substratseite und eine wärmefühlende Oberflächenseite aufweist und das wärmeempfindliche Element auf der wärmefühlenden Oberflächenseite des keramischen Gehäuses liegt.
3. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Hohlraum zur wärmefühlenden Oberflächenseite versetzt ist, bezogen auf die Mitte des Temperaturfühlers in Richtung der Dicke des keramischen Gehäuses.
4. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das keramische Gehäuse eine wärmefühlende, oberflächenseitige Keramikschicht (1), eine keramische Substratschicht (2) und eine keramische Zwischenlage (3) mit einer Öffnung (31) umfaßt.
5. Temperaturfühler nach Anspruch 4, wobei die Öffnung (31) zwischen der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht (1) und der keramischen Substratschicht (2) angeordnet ist, wobei das wärmeempfindliche Element an der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht (1) angeordnet ist.
6. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die wärmefühlende, oberflächenseitige Keramikschicht (1) eine Dicke von 0,1-1,0 mm aufweist.
7. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum durch die keramische Zwischenschicht (3), die wärmefühlende, oberflächenseitige Keramikschicht (1) und die keramische Substratschicht (2) definiert ist.
8. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Verhältnis der Dicke der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschicht (1) zur Summe aus der Dicke der keramischen Zwischenschicht (3) und der Dicke der keramischen Substratschicht (2) zwischen 0,1 und 0,9 liegt.
9. Verfahren zur Steuerung der Herstellung eines Temperaturfühlers mit einem wärmeempfindlichen Element und einem Keramikgehäuse, das einen Hohlraum aufweist, welcher das wärmeempfindliche Element in einer luftdichten Weise umschließt, wobei das Verfahren das Überprüfen von Schwankungen der Ansprechzeit unter Produktionschargen in einem Vorversuch und das Einstellen der wärmefühlenden, oberflächenseitigen Keramikschichtdicke aufgrund der Ergebnisse der Vorversuche umfaßt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Keramikgehäuse eine Substratseite und eine wärmefühlende Oberflächenseite aufweist, und das wärmeempfindliche Element an der wärmefühlenden Oberflächenseite des Keramikgehäuses angeordnet ist.
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