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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Abgleichen des Widerstandswertes eines in einem Schichtverbund eingebetteten, elektrischen Widerstands auf einen Vorgabewert nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Schichtverbunde mit eingebettetem Widerstand in Form von Widerstandsbahnen werden in verschiedenen Applikationen eingesetzt, so in Temperaturfühlern z.B. zur Messung der Abgastemperatur in Brennkraftmaschinen, wie sie aus der
DE 37 33 192 C1 bekannt sind, oder in Heizeinrichtungen zur Erhöhung der Messgenauigkeit von Gassensoren, wie Lambdasonden zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, wie sie z.B. aus der
DE 198 38 466 A1 bekannt sind. Bei solchen Temperaturfühlern ist es erforderlich, dass der Widerstandswert der Widerstandbahn, die zwischen zwei elektrisch isolierenden Keramikfolien aus Aluminiumoxid im Schichtverbund eingebettet ist, in einem kleinen Toleranzbereich liegt, um in der Serie eine möglichst genaue Temperaturmessung sicherzustellen. Bei Heizeinrichtungen für Gassensoren, .B. Lambdasonden. erfordert eine ausreichende Messgenauigkeit eine Regelung der Heizeinrichtung, um die Betriebstemperatur des Gassensors konstant zu halten. Auch hierfür ist es notwendig, dass der meist niederohmige Widerstandswert der Widerstandsbahn sich in einem engen Toleranzbereich bewegt, um eine Über- bzw. Untersteuerung der Heizeinrichtung zu vermeiden. Da fertigungsbedingt der geforderte enge Toleranzbereich nicht eingehalten werden kann, ist in beiden Fällen ein nachträglicher Abgleich des Widerstandswerts der Widerstandsbahn, also ein Trimmen des endgefertigten Schichtverbundes, durch geeignete Maßnahmen erforderlich.
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Bei einem bekannten Verfahren zum Abgleichen des Widerstandswertes einer in einem keramischen Schichtverbund eingebetteten Widerstandsbahn auf seinen Vorgabewert (
DE 198 51 966 A1 ) wird in den die Widerstandsbahn überziehenden Schichten eine Aussparung freigelassen, durch die hindurch eine Behandlung der Widerstandsbahn zum Abgleich des Widerstandwertes vorgenommen wird. Die Widerstandsbahn weist im Bereich der Aussparung Verzweigungen und/oder geschlossene Flächen auf, und der Abgleich wird dadurch erreicht. dass die Verzweigungen und/oder geschlossenen Flächen z.B. mittels eines Lasers abgeschmolzen werden, wodurch sich der Widerstandswert der Widerstandsbahn erhöht. Dies wird solange fortgesetzt, bis der gewünschte Vorgabewert erreicht ist. Der Widerstandswert wird über eine an die Widerstandsbahn angeschlossene Schaltungsanordnung fortlaufend gemessen. Nach Abgleich der Widerstandsbahn wird die Aussparung durch einen Füllstoff verschlossen, um die Widerstandsbahn vor mechanischen oder chemischen Einschlüssen zu schützen. Als Füllstoff wird vorzugsweise eine Glaskeramik verwendet, die nach dem Füllen durch thermische Einwirkung des Lasers verglast wird.
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Aus der
DE 102 60 852 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 9 bekannt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmal des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Abgleich des Widerstands im fertigen Schichtverbund ohne besondere Maßnahmen durchgeführt werden kann, die bei der Herstellung des Schichtverbundes eingeleitet werden müssten, wie das Vorsehen von Aussparungen in einzelnen Schichten des Schichtverbundes. Lediglich an das Layout des gefertigten Widerstands sind Anforderungen gestellt. Der Abgleich erfolgt durch einfaches mechanisches Schleifen des aus den Schichten zusammenlaminierten Körpers an dessen schmalen Längs- und/oder Querseiten, die im folgenden als Kanten des Schichtverbundes bezeichnet werden. Kantenschleifen ist bei der Herstellung von als Gassensoren oder Temperaturfühler eingesetzten Schichtverbunden ein Standardprozess. Durch den beim Schleifen stattfindenden Materialabtrag an den Kanten des Schichtverbundes wird dann je nach Ort und Schleiftiefe die eine oder andere ausgewählte Kurzschlussbrücke teilweise oder ganz abgeschliffen und damit aufgetrennt, so dass der von ihr zuvor überbrückte Abgleichwiderstand nunmehr in Reihe mit dem Hauptwiderstand liegt und den Widerstandswert des Hauptwiderstands um den definierten Widerstandswert des Abgleichwiderstands erhöht. Das Auftrennen von Kurzschlussbrücken erfolgt durch Schleifen an verschiedenen Kanten mit verschiedenen Schleiftiefen so lange, bis durch sukzessives Zuschalten von Abgleichwiderständen zu dem Hauptwiderstand der Vorgabewert des im Schichtverbundes einliegenden Widerstands erreicht ist. Eine Nachbearbeitung des Schichtverbunds, wie z.B. das vorstehend beschriebene Verschließen der Abgleichlöcher in den Schichten des Schichtverbundes, ist bei geeigneter Materialauswahl für die Abgleichwiderstände nicht erforderlich. Insgesamt ist das Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren fertigungstechnisch sehr kostengünstig und lässt sich vorteilhaft in den automatischen Fertigungsprozess integrieren.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen 2 bis 8 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird am fertigen Schichtverbund der Widerstandswert des eingebetteten Widerstands gemessen und aus der Differenz zwischen dem Vorgabewert und dem Messwert die Anzahl und die Lage der aufzutrennenden Kurzschlussbrücken bestimmt. Die Messung des Widerstandswertes, die Berechnung der Widerstandsdifferenz und die Bestimmung der aufzutrennenden Kurzschlussbrücken kann dabei automatisch beim Greifen des Schichtverbundes durch den Arm eines Schleifroboters erfolgen.
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Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelter Schichtverbund ist in Anspruch 9 angegeben. Vorteilhaften Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 9 angegebenen Schichtverbundes beinhalten die weiteren Ansprüche 10 bis 15.
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Der erfindungsgemäße Schichtverbund kann sowohl in einem Temperaturfühler zur Messung der Temperatur eines Mediums, insbesondere der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine, als auch in einem Gassensor zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, wie z.B. der Sauerstoffkonzentration oder der Stickoxidkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, eingesetzt werden. Im ersten Fall wird der Widerstandwert des eingebetteten Widerstands mehr hochohmig, z.B. 100Ω, und im zweiten Fall mehr niederohmig ausgebildet. Als Widerstandsmaterial wird vorzugsweise Platin oder ein Platin-Cermet verwendet.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
- 1 eine Explosionsdarstellung eines Schichtverbundes mit eingebettetem elektrischen Widerstand,
- 2 eine Draufsicht des auf einer Schicht des Schichtverbundes aufgebrachten Widerstands,
- 3 eine perspektivische Draufsicht des Widerstands in einem modifizierten Layout,
- 4 ausschnittweise eine perspektivische Darstellung einer elektrischen Heizeinrichtung für einen Gassensor,
- 5 einen Schnitt längs der Linie V - V in 4.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Der in 1 in Explosionsdarstellung schematisch skizzierte Schichtverbund bildet den messsensitiven Teil eines Temperaturmessfühlers, auch Widerstandsthermometer genannt, zur Messung der Temperatur eines Mediums, insbesondere der Abgastemperatur von Brennkraftmaschinen. Der Schichtverbund ist zusammengesetzt aus einer vorzugsweise als Folie ausgebildeten Keramikschicht 11 auf Festelektrolytbasis, beispielsweise aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2), einer ersten Isolationsschicht 12 aus elektrisch isolierendem Material, z.B. Aluminiumoxid Al2O3, einer zweiten Isolationsschicht 13 aus dem gleichen isolierenden Material und einer zweiten, vorzugsweise als Folie ausgebildeten Keramikschicht 14 auf Festelektrolytbasis. Auf die Oberseite der ersten Keramikschicht 11 ist die erste Isolationsschicht 12 sowie ein hermetisch abdichtender Rahmen 18 und auf die Rückseite der ersten Keramikschicht 11 im Bereich der später aufzudruckenden, elektrischen Kontakte 16 eine dritte Isolationsschicht 15 aufgedruckt. In der Keramikschicht 11 sind Durchkontaktierungslöcher 17 ausgestanzt. Auf die erste Isolationsschicht 12 ist ein elektrischer Widerstand 20 aufgebracht, der in einen Hauptwiderstand 21 und in einem Mehrzahl von Abgleichwiderständen 22 unterteilt ist. Hauptwiderstand 21 und Abgleichwiderstände 22 sind als Widerstandsbahnen auf die erste Isolationsschicht 12 aufgedruckt. Der Widerstand 20 ist über Leiterbahnen 23, 24 mit Kontaktflächen 25, 26 verbunden, die über die Durchkontaktierungslöcher 17 auf die elektrischen Kontakte 16 kontaktiert sind, die auf der Rückseite der ersten Keramikschicht 11 auf die dritte Isolierschicht 15 aufgedruckt sind. Auf die zweite Keramikschicht 14 ist die zweite Isolationsschicht 13 und ein hermetisch abdichtender Rahmen 19 aufgedruckt. Die beiden so behandelten Keramikschichten 11, 14 werden so aufeinandergelegt, dass die Rahmen 18 und 19 aufeinanderliegen, und werden dann zu dem Schichtverbund zusammenlaminiert.
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Bei der beschriebenen Fertigung des Schichtverbunds ist die Geometrie des Hauptwiderstands 21, der hier als ein Bahnmäander 27 mit einer Vielzahl von Mäanderschleifen 271 ausgebildet ist, mit einem Widerstandwert hergestellt, der kleiner ist als der geforderte Widerstandswert des Widerstands 20 im Schichtverbund, während die einzelnen Abgleichwiderstände 22 jeweils mit einem definierten Widerstandswert hergestellt werden. Zum Ausgleich von Toleranzen bei der Herstellung des Hauptwiderstands 21 werden die Widerstandswerte vorteilhaft klein gehalten. In 2 ist ein beispielhaftes Layout des von den Widerstandsbahnen gebildeten Widerstands 20 vergrößert dargestellt, der z. B. einen Widerstandswert von 100Ω in engen Toleranzen besitzen soll. Fertigungsbedingt kann der Widerstandswert von 100Ω jedoch nur in den Grenzen 90Ω bis 110Ω garantiert werden, was den Anforderungen nicht genügt. Der von den Bahnmäander 27 gebildete Hauptwiderstand 21 ist daher beispielhaft mit einem Widerstandswert von 90Ω hergestellt, wobei bei der Herstellung wiederum nur eine Toleranz von ± 10% eingehalten werden kann. Von den Abgleichwiderständen 22 ist ein erster Abgleichwiderstand 221 als Widerstandsbahn mit einem Widerstandswert von beispielhaft 10Ω hergestellt. Vier weitere Abgleichwiderstände 222 sind beispielhaft als Widerstandsbahnen mit einem Widerstandswert von 2Ω gefertigt und ein dritter Abgleichwiderstand 223 ist beispielhaft als Widerstandsbahn mit einem Widerstandswert von 1Ω gefertigt., Die Fertigungsstreuung der gedruckten Abgleichwiderstände 22 liegt bei maximal 10%. Alle Abgleichwiderstände 22 sind miteinander in Reihe und in Reihe mit dem Hauptwiderstand 21 geschaltet. Alle Abgleichwiderstände 22 sind mit Kurzschlussbrücken 28 überbrückt, die bis nahe den Kanten des Schichtverbunds geführt sind. So ist die den Abgleichwiderstand 221 überbrückende Kurzschlussbrücke 28 bis nahe an die linke Längskante 29 des Schichtverbunds, die den Abgleichwiderstand 223 überbrückende Kurzschlussbrücke 28 bis nahe an die rechte Längskante 30 des Schichtverbunds und die die vier Abgleichwiderstände 222 überbrückenden Kurzschlussbrücken 28 bis nahe an die Stirnkante 31 des Schichtverbundes geführt. Die die Abgleichwiderstände 222 überbrückenden Kurzschlussbrücken 28 sind längs der Stirnkante 31 mit unterschiedlichem Querabstand zu der Stirnkante 31 nebeneinander aufgereiht.
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In dem fertig laminierten und gesinterten Schichtverbund mit einliegendem Widerstand 20 wird in einem folgenden Verfahrensschritt der Widerstandswert 20 auf den Vorgabewert abgeglichen. Im vorgenannten Beispiel beträgt dieser Vorgabewert 100Ω, und bei der Aufbringung der Widerstandsbahnen auf die Isolationsschicht 12 ist entsprechend dieser Vorgabe - wie bereits vorstehend ausgeführt - der Hauptwiderstand 21 mit 90Ω ± 10% gefertigt. Durch entsprechende Ausführung der Widerstandsbahnen der Abgleichwiderstände 22 haben diese die im voraufgeführten Beispiel angegebenen Widerstandswerte von 10Ω, 2Ω und 1Ω. Zum Abgleiche des Widerstands 20 wird dessen Widerstandswert zunächst gemessen und aus der Differenz des Vorgabewerts von 100Ω und des Messwerts, beispielsweise 95Ω, die Anzahl und Lage der hinzuzuschaltenden Abgleichwiderstände 22 und damit die aufzutrennenden Kurzschlussbrücken 28 bestimmt. Um den gemessenen Widerstand von 95Ω auf den Vorgabewert von 100Ω abzugleichen, werden zwei Abgleichwiderstände 222 mit je 2Ω und ein Abgleichwiderstand 223 mit 1Ω benötigt. Entsprechend sind deren Kurzschlussbrücken 28 aufzutrennen, was einerseits durch Abschleifen der Stirnkante 31 des Schichtverbundes und andererseits durch Abschleifen der rechten Längskante 30 des Schichtverbundes herbeigeführt wird. Die Abschleiftiefe der Stirnkante 31 muss dabei so gewählt werden, dass die beiden in 2 linken Kurzschlussbrücken 28 zerstört werden. Die Abschleiftiefe der rechten Längskante 30 muss geringfügig größer sein als der Querabstand der den Abgleichwiderstand 222 überbrückenden Kurzschlussbrücke 28 von der Längskante 30. Im automatischen Fertigungsprozess kann das Vermessen des Widerstandes 20, die Berechnung der Differenz der Widerstandswerte und die Festlegung der Anzahl der aufzutrennenden Kurzschlussbrücken 28 automatisch beim Greifen des Schichtverbundes durch den Arm eines Schleifroboters erfolgen. Durch das Auftrennen der Kurzschlussbrücken 28 werden die vorstehend genannten Abgleichwiderstände 222, 223 in Reihe mit dem Hauptwiderstand 21 geschaltet und damit ein Widerstandswert des Widerstands 20 von 100Ω in einer Toleranzgrenze erreicht, die nur von den kleinen Toleranzen der Abgleichwiderstände 222 und 223 abhängig ist und im Beispiel ± 0,5Ω beträgt. Alternativ werden nicht alle erforderlichen Kurzschlussbrücken 28 durch Festlegen der Schleiftiefe aufgetrennt, sondern durch kontinuierliches Schleifen wird eine Kurzschlussbrücke 28 nach der anderen aufgetrennt. Während des Schleifvorgangs wird der Widerstandswert des Widerstands 20 gemessen und der Schleifvorgang dann abgebrochen, wenn der Vorgabewert erreicht ist.
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In 3 ist ein modifiziertes Layout des in Hauptwiderstand 21 und Abgleichwiderstände 22 unterteilten Widerstands 20 dargestellt. In perspektivischer Darstellung ist vom Schichtverbund die erste Keramikschicht 11 und die diese überziehende erste Isolationsschicht 12 zu sehen, auf der der Widerstand 20 wieder in Form von Widerstandsbahnen aufgedruckt ist. Die Isolationsschicht 13 und die zweite Keramikschicht 14 sind vom Schichtverbund entfernt, um das Layout des eingebetteten Widerstands 20 sichtbar zu machen. Der Hauptwiderstand 21 ist wieder als Bahnmäander 27 mit einer Vielzahl von Mäanderschleifen 271 ausgeführt. Der Bahnmäander 27 ist über die Anschlussleitungen 23 und 24 mit den Kontaktflächen 25, 26 verbunden, die durch die Durchkontaktierungslöcher 17 in der ersten Keramikschicht 11 auf die elektrischen Kontakte 16 zum Anschließen einer Spannungsquelle durchkontaktiert sind. Die Mäanderschleifen 271 sind quer zur Längskante 29 des Schichtverbundes ausgerichtet, so dass die Anzahl der Mäanderschleifen 271 recht groß gewählt werden kann. Die Abgleichwiderstände 22 sind hier von ausgewählten Mäanderschleifen 271 gebildet, die durch Kurzschlussbrücken 28 überbrückt sind. Die Kurzschlussbrücken 28 sind dabei bezogen auf die Längskante 29 des Schichtverbunds so angeordnet, dass sie durch Abschleifen der in 3 rechten Längskante 29 des Schichtverbundes selektiv auftrennbar sind. Hierzu weisen die in 3 insgesamt vier Kurzschlussbrücken 28 unterschiedliche Querabstände zur Längskante 29 auf, so dass beim Abschleifen der Längskante 29 zunächst die in 3 hinterste Kurzschlussbrücke 28 und dann mit zunehmender Abschleiftiefe die weiteren nach vorn sich anschließenden Kurzschlussbrücken 28 nacheinander aufgetrennt werden. Beim Abgleichvorgang wird auch hier zunächst durch Anlegen einer Spannungsquelle an die elektrischen Kontakte 16 und Messen des durch den Bahnmäander 27 fließenden Stroms der Widerstandswert des Widerstands 20 bestimmt, wobei der Bahnmäander 27 bei der Fertigung so ausgelegt wurde, dass sein Widerstandswert ohne die kurzgeschlossenen Mäanderschleifen 271 in jedem Fall kleiner als der Vorgabewiderstand ist. Aus dem gemessenen Widerstandswert kann auf den (mittleren) Widerstandswert jeder Mäanderschleife 271 geschlossen und damit der Widerstandswert der Abgleichwiderstände 22 bestimmt werden. Je nach Größe der Differenz zwischen Vorgabewert und Messwert des Widerstandes 20 werden entsprechend viele Kurzschlussbrücken 28 aufgetrennt und damit der Widerstandwert des Widerstandes 20 solange verändert, bis der Vorgabewert erreicht ist.
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In 4 und 5 ist ein wie beschrieben ausgebildeter Schichtverbund für eine elektrische Heizeinrichtung für einen Gassensor zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, beispielsweise für eine planare Lambdasonde zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, dargestellt. In diesem Schichtverbund ist ein niederohmiger Widerstand 20 als elektrischer Heizwiderstand zwischen den beiden Isolationsschichten 12 und 13 eingebettet, die zwischen der ersten Keramikschicht 11 und der zweiten Keramikschicht 14 aufgenommen und von dem Rahmen 18 aus einem Festelektrolyten umschlossen sind. Der wiederum durch Widerstandsbahnen realisierte Widerstand 20 ist in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben ausgebildet und wird in gleicher Weise nach Fertigung des Schichtverbundes abgeglichen.
