DE102006008458A1

DE102006008458A1 - Elektrisches Widerstands-Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstands-Bauelements

Info

Publication number: DE102006008458A1
Application number: DE200610008458
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Ose
Original assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Current assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2007-08-23

Abstract

Ein Widerstands-Bauelement (11), das insbesondere als Temperatursensor verwendet wird, weist einen Widerstandskörper (12) auf. Dieser enthält Keramikfasern (17), die parallel zueinander ausgerichtet sind und sich über die gesamte Länge des Widerstandskörpers (12) erstrecken. An ihren jeweiligen Enden sind sie mit zwei Endkontakten (14a, 14b) elektrisch kontaktiert. Dabei sind die Keramikfasern (17) mittels eines Binders, insbesondere eines Klebers, mechanisch verbunden zur Bildung des Widerstandskörpers (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstands-Bauelement samt Herstellungsverfahren, welches zumindest teilweise aus Keramikmaterial mit PTC-Eigenschaften besteht, wobei dieses Keramikmaterial in Form von PTC-Keramikfasern vorliegt. Aufgrund des PTC-Verhaltens des Widerstands-Bauelementes ergibt sich eine Sprungfunktion in einem bestimmten bei der Herstellung einstellbaren Temperaturbereich. Dadurch ist es beispielsweise möglich, am Widerstandsverhalten bzw. im Bereich des Sprunges des Widerstands deutlich erkennbare Temperaturmessungen durchzuführen. Des Weiteren kann ein mit einer solchen Sprungfunktion versehenes Widerstands-Heizelement sich sozusagen selbst abschalten. Übersteigt die Temperatur des Widerstands-Heizelementes einen bestimmten Wert im Bereich der Sprungtemperatur, so steigt der Widerstand stark an und die erzeugte Heizleistung sinkt im Gegenzug. So erfolgt eine Art Selbstregulierung.

Die Herstellung derartiger Bauelemente mit PTC-Keramikmaterial bzw. PTC-Keramikfasern ist sehr aufwendig. Insbesondere wenn das PTC-Keramikmaterial als solider Körper vorliegt, sind aufwendige Prozessschritte zum Härten bzw. Brennen des Grün-Körpers notwendig.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Widerstands-Bauelement samt Herstellungsverfahren zu schaffen, dessen Aufbau technisch einfach möglich ist sowie vorteilhafte Eigenschaften im Betrieb und vom Aufbau her samt flexibler Herstellung aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Widerstands-Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird dabei durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht. Manche der nachfolgend beschriebenen Merkmale des Widerstands-Bauelementes an sich sowie seines Herstellungs-Verfahrens werden zwar nur einmal beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Widerstands-Bauelement als auch für sein Herstellungsverfahren gelten.

Es ist vorgesehen, dass die PTC-Keramikfasern mittels eines Binders bzw. eines Bindemittels miteinander verbunden werden zu einem Widerstandskörper. Der Binder kann dabei unterschiedlich sein. Der Widerstandskörper wiederum ist an zwei Endbereichen elektrisch kontaktiert entsprechend den üblichen Anschlüssen eines Widerstands-Bauelemen tes. Durch das Vermischen der PTC-Keramikfasern mit einem Binder ist es möglich, in großen Grenzen variable und unterschiedlich gestaltete Widerstandskörper herzustellen. Bei diesen braucht dann im Gegensatz zum vorbeschriebenen Brennen eines keramischen Grünkörpers lediglich der Binder gehärtet zu werden, was unter Umständen einfacher ist. Des Weiteren kann so auf bewährte Verfahren zur Herstellung zurückgegriffen werden.

An Endbereichen bzw. Endkontaktierungen der Dickschicht-Widerstandspaste können wiederum elektrische Anschlüsse vorgesehen sein für eine externe Kontaktierung. Ein Material zur leitfähigen Beschichtung der Fasern, insbesondere der Faserenden, ist Ni. Dieses eignet sich auch für eine Beschichtung gut.

Es ist einerseits möglich, die Keramikfasern so in dem Widerstandskörper anzuordnen, dass sie parallel zueinander liegen. Bevorzugt ist es dabei möglich, dass sie bei einem Widerstandskörper in Richtung von einem elektrisch kontaktierten Endbereich zum anderen verlaufen. So werden die elektrischen Eigenschaften des Widerstandes vor allem durch diejenigen des PTC-Keramikmaterials der Fasern bestimmt. Besonders bevorzugt verlaufen die PTC-Keramikfasern direkt von einer elektrischen Endkontaktierung zur anderen, so dass ein parallel verbundenes Faserbündel vorliegt, dessen Widerstandseigenschaften genau vorbestimmbar sind.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können die PTC-Keramikfasern ungeordnet bzw. beliebig verteilt in dem Widerstandskörper enthalten sein. Dies bietet sich insbesondere bei im Vergleich zu den Abmessungen des Widerstandskörpers relativ kleinen bzw. kurzen Fasern an. So können mit dieser Methode relativ große bzw. auch relativ lange Widerstandskörper hergestellt werden, unter Umständen auch in komplizierten Verläufen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass jede PTC-Keramikfaser an ihrem Ende eine elektrische Kontaktierung bzw. End kontaktierung aufweist. Dies kann beispielsweise eine Metallbeschichtung oder -bedampfung sein. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn die Fasern hauptsächlich entlang ihrer Längsrichtung stromdurchflossen sein sollen, beispielsweise bei der vorgenannten Ausbildung des Widerstandskörpers mit parallel zueinander ausgerichteten Fasern. Verstärkt werden kann dieser Effekt der Längsleitung des Stromes in den Fasern noch dadurch, dass sie an ihrer sonstigen Außenfläche bzw. Mantelaußenseite elektrisch isoliert sind. Dies kann durch eine Beschichtung erfolgen. Als Beschichtungsmaterial bietet sich beispielsweise ein Lack oder ein ähnlich leicht verarbeitbares Material an, beispielsweise Epoxydharz.

Zur Herstellung eines vorgenannten Widerstands-Bauelementes ist es einerseits möglich, dass PTC-Keramikfasern einer Widerstandsmasse oder Widerstandspaste im feuchten bzw. pastösen Zustand beigegeben werden, sozusagen als Beimischung. Aus dieser Widerstandspaste zusammen mit dem Anteil an Fasern wird dann der Widerstandskörper gebildet, beispielsweise durch Schablonendruck. Hierbei sind vorteilhaft relativ kurze Fasern zu verwenden, da sie ansonsten Gefahr laufen, zerbrochen zu werden. Des Weiteren können so vor allem Widerstands-Bauelemente mit ungeordnet verlaufenden Fasern hergestellt werden.

Bei einem alternativen Herstellungsverfahren wird zuerst eine Schicht aus Widerstandspaste hergestellt, bevorzugt auf einem Träger oder Substrat. Diese Schicht kann nach Art einer Dickschicht ausgebildet sein und beispielsweise durch übliche Verfahren wie Siebdruck erzeugt werden. Auf diese Schicht aus Widerstandspaste kann, insbesondere im feuchten Zustand, eine bestimmte Menge an PTC-Keramikfasern aufgebracht werden. Dabei werden diese entweder in die entsprechend weiche Widerstandspaste eingedrückt, so dass sie daran haften bleiben bzw. darin eingebettet sind. Alternativ können die Keramikfasern mit einem Binder versehen sein bzw. dieser kann gleichzeitig beigegeben werden um eine Festigkeit des Widerstandskörpers zu erreichen. Es ist auch möglich, nach dem Aufbringen der Keramikfasern noch einmal eine weitere Dickschicht-Widerstandspastenschicht als obere Versiegelung aufzubringen. Bei einem derartigen Verfahren ist das Aufbringen der Keramikfasern etwas aufwendiger als beim vorbeschriebenen. Es weist jedoch den Vorteil auf, dass standardisierte Verfahren zur Herstellung der unteren Widerstandsschicht verwendet werden können. Des Weiteren können besonders lange Keramikfasern, die sich insbesondere von einer Endkontaktierung zur anderen erstrecken, verarbeitet werden.

Der Widerstandskörper kann entweder separat, als eigenes Bauteil, insbesondere selbsttragend, hergestellt werden. Alternativ kann er auf einem Substrat aufgebaut sein, auf welche die Dickschicht-Widerstandspaste direkt aufgebracht werden kann. Ein solches Substrat kann grundsätzlich aus verschiedenen Materialien bestehen. Besonders bieten sich isolierende Materialien an wie Glas, Keramik oder Glaskeramik, unter Umständen auch temperaturbeständige Kunststoffe.

Vorteilhaft ist eine elektrische Kontaktierung an Endbereichen des Widerstandskörpers vorgesehen, die sich gegenüber liegen. Insbesondere sollten sie möglichst großen Abstand voneinander aufweisen, beispielsweise bei einem länglichen Widerstandskörper an den kurzen Enden.

Die PTC-Keramikfasern können unterschiedlich dimensioniert sein. Sie können relativ kurz sein, also im Bereich weniger mm, beispielsweise etwa 3 mm. Kurze PTC-Keramikfasern eignen sich vor allem als Beimischung in die vorgenannte Widerstandspaste vor dem Aufbringen.

Es ist auch möglich, längere PTC-Keramikfasern zu verwenden, die sich über die wesentliche bzw. die gesamte Länge des Bauelements erstrecken. So kann eine vorgenannte Art von Parallelschaltung der einzelnen Fasern erreicht werden. Die Enden der Fasern sind dabei bevorzugt mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen, so dass hier durch Verwendung weiterer Kontaktmittel ein elektrischer Kontakt hergestellt werden kann. So werden die PTC-Keramikfasern jeweils längs von Strom durchflossen. Vor allem aber werden die elektrischen Eigenschaften des Widerstands-Bauelementes nahezu vollständig durch die Fasern bestimmt. Fremdeinflüsse lassen sich so weitgehend eliminieren. Insbesondere auf die gewünschte Sprungcharakteristik kann sich dies in gewünschter Weise auswirken. Diese ermöglicht auch einen Einsatz als Temperatur-Sensor.

Des Weiteren ist es auch möglich, die PTC-Keramikfasern mit Längen bis wenigen cm herzustellen, beispielsweise 1 bis 3 cm. Große bzw. lange Fasern sind vor allem für Heizelemente gut zu verwenden, da diese üblicherweise eine gewisse Größe aufweisen sollten. Durchmesser können im Bereich von μm liegen, beispielsweise 10 bis wenige 100 μm.

Als Material für die PTC-Keramikfasern bietet sich beispielsweise BaTiO₃ an. Ein weiteres Material ist SiC, welches sich ebenfalls für die Herstellung von Heizelementen eignet.

Zur Herstellung des Widerstandes kann der Widerstandswert auch auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Dazu kann durch Lasertrimmen ein Einschnitt in den Widerstandskörper vorgenommen werden, unter Umständen auch mehrere Fasern durchschnitten werden.

Grundsätzlich kann der Bereich des Sprunges in der Temperaturcharakteristik in weiten Grenzen verschoben bzw. bestimmt werden. Ein vorteilhafter Bereich liegt um 100°C, da bei dieser Temperatur Wasser kocht und ein Überhitzen eines solchen erfindungsgemäßen Heizelementes über den Kochpunkt hinaus sozusagen vermieden werden kann.

Zur Charakteristik des Sprungbereichs ist zu sagen, dass er relativ steil sein sollte. So kann der Widerstandswert beispielsweise über 10°C hinweg um mindestens eine Zehnerpotenz ansteigen. Über einen Temperaturbereich von 20°C gesehen kann der Widerstandsanstieg mindestens drei Zehnerpotenzen sein, was bereits die wesentliche Höhe des Sprungs sein kann. Der Sprung sollte vor allem an seinem Anstieg sehr steil sein, wobei der Anstieg vorteilhaft auch abrupt einsetzt. Dies ermöglicht eine besonders prägnante Erkennung der Temperatur, bei welcher der Anstieg einsetzt. Dies wiederum ist für Temperatursensoren odgl. vorteilhaft. Bei Heizelementen ist dies ebenfalls vorteilhaft, da hier bereits ein Anstieg des Widerstandes um ein Viertel oder auch die Hälfte bereits die erzeugte Heizleistung erheblich reduziert.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in Zwischen-Überschriften und einzelne Abschnitte beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1 eine Ansicht einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen Widerstands-Bauelementes mit einem massiven Widerstandskörper und Endkontakten daran,
2 eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Widerstands-Bauelementes mit gerichteten Keramikfasern im Widerstandskörper auf einem Substrat,
3 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus 2 mit ungerichteten Keramikfasern,
4 eine Keramikfaser des Widerstands-Bauelementes aus 1 in vergrößerter Darstellung mit Isolationsmantel um einen Keramikfaser-Kern,
5 eine alternative Ausführung einer Keramikfaser mit Isolationsmantel und Stirnkontakten an den Stirnseiten des Kerns und
6 eine beispielhafte Kurve des Verlaufs des Widerstandswertes über der Temperatur mit dem Temperatursprung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Widerstands-Bauelement 11 dargestellt, welches im Folgenden als Widerstand 11 bezeichnet wird. Es kann einerseits als elektrisches Bauteil, beispielsweise zum Aufbau von Schaltungen odgl. verwendet werden. Des Weiteren kann es allgemein als Temperatursensor verwendet werden aufgrund der Sprungeigenschaften, die im Zusammenhang mit 6 näher erläutert werden. Schließlich kann es ein Widerstands-Heizelement sein, beispielsweise um Wasser oder wasserhaltige Substanzen wie insbesondere Nahrungsmittel zu erwärmen. Hierfür Kann jeweils die Formgebung variieren, insbesondere für einen Einsatz als Heizelement.
Der Widerstand 11 weist einen Widerstandskörper 12 auf, der etwas länglich ist. Er kann nach Art eines Quaders, beispielsweise auch relativ flach, oder rundzylindrisch ausgebildet sein. An den beiden Enden des Widerstandskörpers 12 befinden sich Endkontakte 14a und b. Diese erstrecken sich über die gesamten Stirnseiten des Widerstandskörpers 12, um so einen Kontakt zu den Keramikfasern 17 zu erhalten, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel über die gesamte Länge des Widerstandskörpers 12 verlaufen. Da die Keramikfasern 17 vorteilhaft relativ kurz sind, beispielsweise wenige mm lang, ist der gesamte Widerstand 11 relativ klein. Die Endkontakte 14a und b kontaktieren auch jeweils im Wesentlichen nur die Stirnseiten der Keramikfasern 17, was im Zusammenhang mit 4 noch näher erläutert wird. Von den Endkontakten 14a und b gehen Zuleitungen 15a und b ab für einen elektrischen Anschluss, unter Umständen auch für eine mechanische Halterung.
Im Zusammenhang mit 4 ist zu bemerken, dass dort eine solche Keramikfaser 17 in Vergrößerung dargestellt ist. Sie besteht aus einem Kern 18 aus dem PTC-Keramikmaterial, beispielsweise BaTiO₃-Material. Die Länge kann wenige mm betragen, beispielsweise 3 mm. Der Durchmesser kann im Bereich von 10 bis wenigen 100 μm liegen. Die Mantelfläche des Kerns 18 ist mit einem Isolationsmantel 19 bedeckt, beispielsweise aus Epoxydharz. Die Dicke des Isolationsmantels 19 ist sehr gering und im Wesentlichen an den funktionalen Vorgaben von notwendiger Isolationsfestigkeit sowie technisch günstiger Aufbringungsmöglichkeit bestimmt, beispielsweise 5 bis 20 μm. Die Beschichtung kann durch ein Tauchverfahren erfolgen, ebenso durch ein Sprühverfahren. Die Stirnseiten 20a und 20b können dann freigearbeitet werden, beispielsweise durch mechanisches Abschleifen oder aber chemisch durch Ätzen oder dergleichen. An diese Stirnseiten 20 erfolgt eine elektrische Kontaktierung, bei dem Widerstand 11 gemäß 1 durch Anliegen der Endkontakte 14a und 14b. Hierbei kann eine elektrische Verbindung durch eine zwischengefügte Kontaktiermasse verbessert werden.
Zur Herstellung eines solchen Widerstandes 11 bzw. Widerstandskörpers 12 werden die Keramikfasern 17 gemäß 4 mit einem Isolationsmantel 19 versehen und dabei die Stirnseiten 20a und 20b freigelegt bzw. direkt zugänglich gemacht. Eine Vielzahl solcher gleich langer Keramikfasern 17 wird dann miteinander verbunden durch einen Binder, beispielsweise einen entsprechend mechanisch festen und temperaturbeständigen Kleber. Hierzu ist es auch möglich, den Isolationsmantel 19 noch einmal an seiner Außenseite etwas anzulösen oder wiederum so klebend zu machen, dass dieser die Aufgabe des Binders übernimmt zum Herstellen eines festen und zusammenhaltenden Widerstandskörpers 12. Anschließend werden die Endkontakte 14a und 14b aufgebracht derart, dass ein Stromfluss durch den Widerstand 11 entlang der Keramikfasern 17 stattfindet und keine elektrischen Querverbindungen bzw. Kurzschlüsse odgl. auftreten.
Der Widerstand 111 gemäß 2 ist etwas abweichend ausgebildet. Hier werden auf ein Substrat 113, beispielsweise aus Glas, Keramik oder Glaskeramik, die Keramikfasern 117 bzw. der Widerstandskörper 112 aufgebracht. Dazu kann er entweder vorher hergestellt sein und lediglich auch auf dem Substrat befestigt werden, beispielsweise durch Kleben. Dieses Herstellungsverfahren eignet sich vor allem für den in 2 dargestellten Widerstandskörper mit im Wesentlichen gleichgerichteten Keramikfasern 117, der vorher bzw. vor der Verbindung mit dem Substrat 113 hergestellt wird. Nach dem Aufbringen der Keramikfasern 117 bzw. dem Bilden des Widerstandskörpers 112 können die Endkontakte 114a und b samt Zuleitungen 115a und b angebracht werden. Alternativ ist es möglich, dass die Keramikfasern 117 in einem Binder vermengt sind und in pastöser Form bzw. plastisch verformbarer Form vorliegen. Durch Schablonendruckverfahren odgl. kann dann der Widerstandskörper 112 auf das Substrat 113 in der gewünschten Form aufgebracht werden. Nach einem gewissen Aushärten des Widerstandskörpers 112 ist dann das Anbringen der Endkontakte 114a und b möglich. Bei beiden dieser Ausführungen, also bei einem Widerstand mit gerichteten Keramikfasern, können relativ lange Keramikfasern im Bereich einiger mm bis wenige cm verwendet werden.
3 zeigt einen weiteren Widerstand 211 auf einem Substrat 213 mit einem Widerstandskörper 212, dessen Keramikfasern 217 im Wesentlichen ungerichtet bzw. beliebig verteilt sind. Hierzu sind diese Keramikfasern 217 relativ kurz ausgebildet, also mit der Länge einiger weniger mm, beispielsweise maximal 3 mm. Auch hier werden die Keramikfasern 217 in einen Binder odgl. eingebracht um eine pastöse bzw. plastisch verarbeitbare Masse zu erhalten. Diese kann dann wiederum in der gewünschten Form auf das Substrat 213 aufgebracht werden, beispielsweise durch Schablonendruck oder aufgrund der kurzen Keramikfasern durch Siebdruck, um besonders variable Formen, auch insbesondere längliche Formen mit beispielsweise gewelltem oder mäanderförmigem Verlauf, herzustellen. Ansonsten läuft die Herstellung des Widerstandskörpers 212 so ab wie zur 2 beschrieben.
Die für die Widerstände 111 und 211 gemäß der 2 und 3 verwendeten Keramikfasern können von derjenigen gemäß der 1 und 4 etwas abweichend ausgebildet sein. Dies ist in 5 dargestellt. Da es bei den Ausbildungen gemäß 2 und 3 nicht unbedingt vorgesehen ist, wie bei 1 eine Keramikfaser von einem Endkontakt direkt zum anderen Endkontakt laufen zu lassen, sollte vermieden werden, dass zu viele Kurzschlüsse bzw. Brückenkontakte bei kürzeren und vor allem bei den beliebig verteilten Keramikfasern 217 gemäß 3 auftreten. Dazu ist gemäß 5 ein Kern 218 der Keramikfaser 217, der aus dem PTC-Keramikmaterial besteht, mit einem Isolationsmantel 219 versehen. Die Stirnseiten 220a und 220b sind wiederum frei von dem Isolationsmaterial. Hier ist nach Art einer Kappe ein Stirnkontakt 222a und 222b aufgebracht, beispielsweise durch Beschichten mit entsprechendem Kontaktmaterial, welches auch eine Art Kontaktkleber sein kann. Jedenfalls sind die Stirnkontakte 222 elektrisch gut leitend mit den Stirnseiten 220 des Kerns 218 verbunden. So ist eine gute elektrische Kontaktierung an die Keramikfasern 217 bzw. den jeweils die PTC-Eigenschaften bestimmenden Kern 218 gegeben.
Alternativ kann für ein Widerstandselement beispielsweise 211 gemäß 3 auch auf das Substrat 213 eine Widerstandspaste inklusive Leitpaste zur Kontaktierung aufgebracht werden. Die Widerstandspaste kann eine übliche, für Dickschicht-Bauelemente oder Dickschicht-Widerstände verwendete Widerstandspaste ein. Direkt nach dem Aufbringen der Paste werden die relativ kurzen Keramikfasern auf die noch feuchte Paste aufgebracht und dies kann entweder in völlig ungeordneter Ausrichtung sein oder aber auch mit zumindest einer gewissen Vorzugsausrichtung erfolgen. Dann wird die Paste auf übliche Weise getrocknet und gebrannt, wodurch der Widerstandskörper 212 gebildet wird. Auch hierbei ist speziell darauf zu achten, dass der spezifische elektrische Widerstand der Widerstandspaste ein Optimum darstellt hinsichtlich der elektrischen Verbindung zwischen den Enden der Keramikfasern einerseits und größtmögliche Isolation entlang der äußeren Mantelseite der Fasern andererseits. Insbesondere werden hier vorteilhaft Keramikfasern gemäß 4 oder 5 verwendet mit Isolation an den Mantelflächen, so dass Stromfluss nur über die Stirnseiten und somit nur über das Keramikmaterial erfolgen kann.
Die 6 zeigt das Sprungverhalten des Widerstandswertes bei einer Temperatur von etwa 100°C. Bei etwa dieser Temperatur steigt der elektrische Widerstand stark an, wie dargestellt ist. Dabei kann das PTC-Keramikmaterial der Keramikfasern so ausgelegt sein, dass der Anstieg des Widerstandswertes erst relativ steil ist und dann abflacht. So ist vor allem der Anstieg des Widerstandes besonders gut erkennbar und auf einen relativ engen Temperaturbereich von wenigen Grad beschränkt. Die gewählten 100°C dienen vor allem dazu, eine Temperatur zu bestimmen, die am Kochpunkt von Wasser bzw. nahe daran liegt.

Claims

Elektrisches Widerstands-Bauelement (11, 111, 211), insbesondere als Widerstands-Heizelement, das PTC-Keramikfasern (17, 117, 217) aufweist aus einem PCT-Keramikmaterial, wobei das PTC-Verhalten des Widerstands-Bauelements (11, 111, 211) eine Sprungfunktion in einem bestimmten Temperaturbereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Keramikfasern (17, 117, 217) mittels eines Binders miteinander verbunden sind zu einem Widerstandskörper (12, 112, 212), der an zwei Endbereichen elektrisch kontaktiert ist.
Widerstands-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Keramikfasern (17, 117, 217) im Wesentlichen parallel zueinander in dem Widerstandskörper (12, 112, 212) angeordnet sind, vorzugsweise bei einem länglichen Widerstandskörper (12, 112, 212) entlang dessen Längsachse parallel dazu.
Widerstands-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Keramikfasern (17, 117, 217) ungeordnet in dem Widerstandskörper (12, 112, 212) enthalten sind.
Widerstands-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede PTC-Keramikfaser (17, 217) an ihrem Ende mit einer elektrischen Kontaktierung (222) versehen ist, wobei sie vorzugsweise an ihrer sonstigen Außenfläche bzw. Mantelfläche elektrisch isoliert ist, insbesondere mit einer elektrischen Isolationsschicht (19, 219) versehen ist.
Widerstands-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation (19, 219) an der Mantelfläche der PTC-Keramikfasern (17, 217) aus Epoxydharz besteht.
Widerstands-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Keramikfasern (117, 217) Bestandteil einer Dickschicht-Widerstandspaste sind und dieser beigemischt sind, wobei die Widerstandspaste zusammen mit den PTC-Keramikfasern den Widerstandskörper (112, 212) bildet.
Widerstands-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Keramikfasern (117, 217) auf eine Schicht aus Dickschicht-Widerstandspaste aufgebracht sind, insbesondere auf eine noch feuchte Dickschicht-Widerstandspaste, wobei vorzugsweise die PTC-Keramikfasern (117, 217) weitgehend in die noch feuchte Dickschicht-Widerstandspaste eingebettet bzw. eingedrückt sind.
Widerstands-Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei Endbereichen der Widerstandspaste elektrische Anschlüsse (114, 214) vorgesehen sind für eine externe Kontaktierung.
Widerstands-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandskörper (112, 212) auf einem Substrat (113, 213), vorzugsweise aus Glas oder Keramik, aufgebaut ist, wobei insbesondere eine Widerstandspaste direkt auf das Substrat aufgebracht ist.
Widerstands-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung (14, 114, 214) an den Endbereichen des Widerstandskörpers (12, 112, 212) an gegenüberliegenden Endbereichen vorgesehen ist, insbesondere an den kurzen Enden, vorzugsweise mit größtmöglichem Abstand.
Widerstands-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Keramikfasern (17, 117, 217) mindestens etwa 3 mm lang sind.
Widerstands-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die PTC-Keramikfasern (17) über die gesamte Länge des Bauelementes (11) erstrecken, wobei vorzugsweise die Enden der Fasern mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen sind und mittels weiterer Kontaktmittel als elektrischer Kontakt dienen.
Widerstands-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Keramikfasern (17, 117, 217) BaTiO₃-Fasern sind.
Widerstands-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit dem Sprung in der PTC-Charakteristik in einem Temperaturbereich um 100°C liegt.
Widerstands-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprung derart ist, dass der Widerstandswert über 10°C hinweg um mindestens eine Zehnerpotenz ansteigt, vorzugsweise über 20°C hinweg um mindestens drei Zehnerpotenzen, wobei insbesondere der Sprung vor allem beim Anstieg sehr steil ist mit einem abrupt einsetzenden Anstieg.
Widerstands-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert durch Lasertrimmen abgeglichen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Widerstands-Bauelementes (11, 111, 211), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Widerstands-Bauelement PTC-Keramikfasern (17, 117, 217) aufweist mit einem Sprungverhalten in einem bestimmten Temperaturbereich, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Keramikfasern (17, 117, 217) mittels eines Binders miteinander verbunden werden zu einem Widerstandskörper (12, 112, 212) und der Widerstandskörper an zwei Endbereichen elektrisch kontaktiert (14, 114, 214) wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Keramikfasern (17, 117, 217) als Grünkörper vor ihrem Härten bzw. Brennen zu dem Widerstandskörper (12, 112, 212) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Keramikfasern (17, 117, 217) erst fertig gebrannt werden und dann zu dem Widerstandskörper (12, 112, 212) verbunden werden.