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Die
Erfindung betrifft einen Hochtemperatursensor, insbesondere zur
Messung der Abgastemperatur von Kraftfahrzeugen, mit einem Widerstandssensor
und einem Schutzrohr und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Der
Hochtemperatursensor verfügt über ein chemisch
beständiges,
mechanisch stabiles und schwingungsfestes Gehäuse.
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Für die Temperaturmessung
besteht eine Vielzahl von Applikationen in zahlreichen Anwendungsfeldern.
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So
ist in
US 5 497 139 ein
Temperatursensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben, bei
dem ein Thermistor in einem hitzebeständigen Gehäuse angeordnet ist und die
Zuleitungen in einer chemischen Verbindung des Typs (Al
1-x-yCr
xFe
y)
2O
3 eingebettet sind. Nachteilig ist hierbei
der komplizierte Aufbau, der nur eine geringe Schwingungsfestigkeit
aufweist, da sich bei hohen Temperaturen der Schutzmantel stärker ausdehnt
als das keramische Innenleben.
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Ferner
ist nach
DE 100 62
041 C2 ein Temperatursensor bekannt, bei dem das Messelement
in einer Schutzrohr angeordnet ist, dessen Anschlussleitung als
Mantelrohr ausgeführt
ist, welches im Bereich des Messelementes fest mit dem Schutzrohr verbunden
ist und das Messelement mit seinen Anschlüssen mit dem aus dem Mantelrohr
austretenden Leitungen in einem temperaturfesten, elektrisch nicht leitenden
Material im umgebenden Bereich des Schutzrohrs vergossen ist. Die
hier verwendete Art der Ab dichtung des Messelements zur Kontakteinrichtung
ist zur Gewährleistung
einer Langzeitbeständigkeit
nicht geeignet.
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Bei
einer in
EP 1 426 748
A1 beschriebenen für
den Kraftfahrzeugbereich vorgesehen Temperaturmessanordnung, ist
das Sensorelement mit verschiedenen koaxial angeordneten Schutzhüllen versehen.
Die Anordnung ist für
erhöhte
Schwingungsbeanspruchungen nicht geeignet.
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Aufgrund
der steigenden Preise für
Rohstoffe sowie der Bemühungen
um verringerte Umweltbelastungen werden in zunehmendem Maße auch
bei Kraftfahrzeugen Abgastemperaturmessungen notwendig. Die aus
dem Kraftwerks- und Industriebereich bekannten Lösungen für Hochtemperaturmessungen sind
auf Grund ihrer Kostenstruktur für
derartige Anwendungsfälle
nur bedingt verwendbar. Der Einsatz in Kraftfahrzeugen erfordert
robuste, im Außenkontaktbereich
feuchtigkeitsdichte und sehr kostengünstige Lösungen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperatursensor
der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu seiner Herstellung
anzugeben, der für
den Einsatz in chemisch aggressiven Medien mit hohen Schwingungsbeanspruchungen geeignet
ist, sich durch ein schnelles Ansprechen auszeichnet und der kostengünstig herstellbar
ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Hochtemperatursensor, welcher die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale
aufweist, und mit einem Verfahren, welches die im Anspruch 9 angegebenen
Merkmale aufweist, gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gegenstand
der Anmeldung sind auch Merkmalskombinationen bei denen die beschriebenen
Einzelmerkmale beliebig miteinander kombiniert werden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung besteht
darin, dass im vorderen Bereich des Schutzrohres ein Hochtemperatursensorelement
angeordnet ist, der über
ein Zwischenteil aus Me tall mit dem Schutzrohr gasdicht verbunden
ist, wobei das Metallteil mit einer Außenstülpung versehen ist, und das
Hochtemperatursensorelement eine Keramikhülse enthält, in der sich ein Hochtemperaturchip
befindet, dessen Anschlussdrähte
mit einem mechanischen Schutz versehen sind.
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Die
Keramikhülse
kann offen ausgeführt
sein oder mit einem Boden verschlossen sein, so dass sie eine Abdeckkappe
bildet. Die Gestaltung des Sensors gewährleistet durch kurze Abstände zwischen Außenkappe
und Temperaturmesselement, dass die zu ermittelnde Umgebungstemperatur
schnell von der Außenkappe
zum Messelement geleitet wird. Die Anordnung zeichnet sich deshalb
durch ein schnelles Ansprechverhalten aus. Weiterhin ist vorteilhaft,
dass die den Sensorchip tragenden Bauteile und die Anschlussleitungen
mechanisch voneinander entkoppelt sind und die Anschlussleitungen
des Sensorchips keinen Zugbeanspruchungen unterliegen. Dadurch wird
eine hohe Sicherheit gegen Schwingungsbeanspruchungen gewährleistet.
Darüber
hinaus ermöglicht
die Anordnung des Hochtemperaturbereichs an der Vorderseite der
Gesamtanordnung auch, dass die Montage des Hochtemperatursensorchips
von der Vorderseite aus erfolgen kann, was die Montage wesentlich
erleichtert.
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Zur
Erhöhung
der mechanischen Festigkeit ist es ferner möglich dass das Zwischenteil
in einer Metallkappe integriert ist, welches die Keramikhülse umgibt,
so dass die Keramikhülse
von einem fingerhutartigen, mit einer Außenstülpung versehenen Kopfteil aus
Metall umgeben ist, das mit dem Schutzrohr gasdicht verbunden ist.
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Ferner
ist es möglich,
dass die Keramikhülse in
Form einer Kappe ausgebildet ist, die das Hochtemperatursensorelement
umschließt.
Diese Ausführung
ermöglicht
ein besonders schnelles Ansprechen des Sensors.
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Vorteilhafterweise
können
zur Erhöhung
der mechanischen Festigkeit die Anschlussdrähte mit Schutzdrähten umwickelt
und mit diesen verschweißt sein
und/oder einen Dehnungsausgleich auf weisen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass im vorderen und/oder
im hinteren Bereich spritzbare Polymere eingebracht sind, die die
dortigen Hohlräume
ausfüllen
und die empfindlichen Funktionselemente stützen. Dabei ist es auch möglich, dass
die Po lymere mit Inhaltsstoffen versehen sind. Als Inhaltsstoffe
können
Metallfasern oder Konglomerate aus speziellen Oxiden dienen. Die
Inhaltsstoffe verhindern bei reduzierender Atmosphäre, wie sie
beispielsweise in Abgasen von Verbrennungsmotoren auftreten, dass
die dem Treibstoff zugesetzten Additive (wie z.B. Natrium, Kalium
und Magnesium) eine Leitfähigkeitserniedrigung
des Isolatormaterials bewirkt sowie Elektrolysespannungen, die beim
Auftreten von Feuchtigkeit entstehen, verhindern.
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Vorteilhaft
ist dabei, dass im vorderen und hinteren Teil der Anordnung unterschiedliche
Materialien eingebracht werden können.
Vorzugsweise werden im Vorderteil Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit
verwendet, um eine schnelles Ansprechen zu erreichen, während im
hinter Teil Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, um
eine gute thermische Isolation zu gewährleisten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Ausführung
mit Metallkappe,
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2 eine
Ausführung
mit Keramikkappe,
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3 eine
Ausführung
mit Polymerumspritzung im vorderen Bereich,
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4 eine
Ausführung
mit Polymereinsatz,
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5 eine
Ausführung
mit Schutzkapillare und
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6 eine
Einzelheitdarstellung einer Verstärkung der vorderen Sensoranschlussdrähte.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
dargestellt, bei der der Hochtemperatursensor am vorderen Bereich,
der in das zu untersuchende Medium ragt, mit einer Metallkappe 8 verschlossen
ist. In einem Schutzrohr 7 ist die Mantelleitung 6 durch
Verpressen befestigt. Das Schutzrohr 7 besteht hier aus einer
in einem Ziehprozess hergestelltem Edelstahlschutzhülse und
die Mantelleitung aus einer mit Al2O3-Pulver gefüllten Inconellleitung. Im vorderen Bereich
des Sensors, der den Hochtemperaturbereich darstellt, befindet sich
der Sensorchip 1, der einen Hochtemperatursensor enthält und in
einer Keramikhülse 3 angeordnet
ist. Die Keramikhülse 3 ist
im dargestellten Fall offen. Sie kann aber auch an der Unterseite
mit einem Boden verschlossen sein. Der Sensorchip 1 ist
in der Keramikhülse 3 in
einer ersten Hochtemperaturzementschicht 4 eingebettet,
die mit einem bei Einsatztemperatur verlaufenden Einbrennprozess
formiert wurde, bevor die Anschlussdrähte 2 mit der Mantelleitung 6 verschweißt werden.
Hierbei ist die Anordnung so gestaltet, dass der Chip parallel zu
den Anschlussleitungen liegt und die Verbindungsstellen sich in
Anschlussrichtung vor dem Chip befinden. Die Materialauswahl und
konstruktive Anordnung sind so gestaltet, dass sich bei Aufheizen des
ganzen Hochtemperatursensors der vordere Bereich weniger ausdehnt,
als die inneren Anschlussdrähte
um schwingungsbedingte Zerstörung
zu vermeiden, die durch Ausdehnungslücken entstehen würden. Die
aus der Mantelleitung 6 herausragenden elektrischen Anschlussleitungen 2 weisen
einen Dehnungsausgleich 2.1 auf, der unterschiedliche Längenänderungen
zwischen den Anschlussleitungen 2 und den Befestigungsteilen
des Sensorchips 1 ausgleichen kann. Die Keramikhülse 3 ist
mit einer zweiten Hochtemperaturzementschicht 5 in einer Metallkappe 8 befestigt.
Die Metallkappe 8 bildet ein fingerhutartiges, mit einer
Außenstülpung versehenes
Kopfteil und ist mit dem Schutzrohr 7 mittels einer durch
Laserschweißen
erzeugten Schweißverbindung 7.1 gasdicht
verbunden.
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Ein
wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors besteht
darin, dass die Montage der Gesamtanordnung von der Seite erfolgen kann,
die im Einsatzfall dem Prozessmedium zugewandt ist. Die Montage
wird dadurch wesentlich erleichtert und gewährleistet eine hohe Sicherheit
insbesondere für
die Dichtheit sowie für
die Schwingungsbeständigkeit
der Verbindungsstellen. Bei der Fertigung des in diesem Ausführungsbeispiel
beschriebenen Hochtemperatursensors wird zunächst eine Edelstahlschutzhülse hergestellt,
was über
einen Ziehprozess oder einem ähnlichen
Prozess erfolgen kann. Diese Hülse
bildet das Schutzrohr 7 der Anordnung und dient als Ausgangsteil
bei der Montage des Sensors. Im vorderen Hochtemperaturbereich wird
das Schutzrohr 7 mit einer Keramikhülse 3 verbunden, in
der der Sensorchip 1 angeordnet wird. Die Anschlussdrähte 2 des
Sensorchips 1 sind vorzugsweise um mindestens 3–4 mal stärkere Schutz-
und Haltedrähten
gewickelt und mit diesen verschweißt. Der Sensorchip 1 wird
in der Keramikhülse 3 mittels einer
ersten Hochtemperaturzementschicht 4 befestigt, welche
bei Einsatztemperatur durch einen Einbrennprozesses formiert wird.
Anschließend
erfolgt das Verschweißen
der Chipanschlussdrähte.
Danach wird die fingerhutartige, mit einer Außenstülpung versehene Metallkappe 8 über die
Keramikhülse 3 geschoben,
in dieser einzementiert und danach bei Einsatztemperatur ausgeheizt.
Die Einsatztemperatur beträgt
800°C bis
900°C, vorzugsweise
850°C Danach
verbleibt ein Hohlraum der vor dem Verschweißen der Metallkappe 8 mit
der Luft oder einem inerten Gas gefüllt wird, wobei jegliche Feuchtigkeit
vermieden wird.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform wird das Kopfteil
von einer als Kappe ausgebildete Keramikhülse 3 gebildet. Der
Sensorchip 1 wird damit gegenüber dem Prozessmedium geschützt. Die Keramikhülse 3 ist über das
Zwischenteil 9 mit dem Schutzrohr 7 verbunden.
Das Zwischenteil 9 ist ein kurzes umgestülptes Rohrteil
aus Metall, welches vorzugsweise aus Inconell gefertigt wird.
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Eine
spezielle Ausführung
erläutern
die 2a und 2b. Hierbei
besteht das Zwischenteil 9 aus zwei Schichten mit verschiedenen
Materialien. Vorzugsweise wird für
die äußere Schicht
Inconell und für
die innere Schicht Titan verwendet. Dadurch werden die linearen
Ausdehnungskoeffizienten der miteinander verbundenen Teile angeglichen.
Die äußere Schicht
ist mit dem Schutzrohr 7 verschweißt, das ebenfalls aus Inconell
besteht, während
die innere Schicht, die mit der Keramikhülse 3 verbunden ist, aus
Titan besteht. Da Titan einen annähert gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten
wie Keramik aufweist, werden mechanische Spannungen von den Verbindungsstellen
des Zwischenteils 9 mit den benachbarten Teilen weitgehend
ferngehalten. Diese Ausführung
gewährleistet
auch bei dynamischen Temperaturwechseln eine hohe Lebensdauer der
Anordnung.
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Die
Verbindung besteht bei der in 2a gezeigten
Variante durch eine an der Innenseite des Schutzrohres 7 angebrachte
Laserschweißverbindung 7.1.
Bei der in 2b dargestellten Ausführung ist
das Zwischenteil 9 an seinem unteren Rand nach außen gestülpt und
mit einer Schweißstelle 7.2,
die vorzugsweise durch Kondensatorwulstschweißen erzeugt wird, am Schutzrohr 7 befestigt.
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In 3 ist
eine Ausführung
dargestellt, bei der im vorderen Bereich eine Polymerumspritzung 10 vorgesehen
ist, welche sich über
den vorderen Teil erstreckt und den Sensorchip 1 umschließt. Auch hierbei
kann ein Zwischenteil 9 verwendet werden, das aus zwei
Schichten mit verschiedenen Materialien besteht.
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4 zeigt
eine Ausführung,
bei welcher der Sensorchip 1 mit dem Polymereinsatz 10 umspritzt ist
und die Mantelleitung 6 mit dem Polymereinsatz 11 ausgefüllt ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung erläutert 5. Hierbei
ist die Mantelleitung 6 mit dem Polymereinsatz 11 ausgefüllt. Die
Anschlussdrähte 2 sind
in Schutzkapillaren 12 geführt, welche hier als Zweilochkapillaren
aus Keramik ausgeführt
sind. Die Schutzkapillaren 12 sind in Teilstücken ausgeführt um das
Eindringen von Feuchtigkeit in den Sensorbereich zu verhindern.
Es ist vorteilhaft, die Mantelleitung 6 mit einem Befestigungskörper 13 zu
versehen, mit dem die Gesamtanordnung an einem Prozessteil befestigt
werden kann. Eine zweckmäßige Ausführung sieht
vor, im hinteren, kalten Bereich der Anordnung stabile Stützdrähte 2.3 anzuordnen,
um welche die dünnen
Anschlussdrähte 2 gewickelt
werden können.
Die Stützdrähte 2.3 sind
im Polymereinsatz 11 eingebettet und verhindern eine Beschädigung der empfindlichen
Anschlussdrähte 2.
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In 6 ist
eine Ausführungsform
dargestellt, bei der sich der Sensorchip 1 in einer Keramikhülse 3 befindet,
die an der Schutzkapillare 12 mittels einer Lötverbindung 14 befestigt
ist. Es ist auch möglich,
den Sensorchip in einer Polymerumspritzung 10 anzuordnen,
wie dies in 6a gezeigt ist. Auch bei dieser
Ausführung
können
stabile Stützdrähte 2.3 angeordnet
werden, um welche die dünnen
Anschlussdrähte 2 gewickelt
werden. Die Stützdrähte 2.3 sind hier
in der Keramikkapillare 12 eingebettet.
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7 zeigt
als Einzelheit eine Möglichkeit zur
Verstärkung
der Sensoranschlussdrähte 2.2 im vorderen
Hochtemperaturbereich. Die Sensoranschlussdrähte 2.2 verbinden
den Hochtemperaturchip 1 mit dem Sensor und sind mit Schutz-
und Haltedrähte
um wickelt, welche einen mindestens 3–4mal stärkeren Durchmesser aufweisen
und mit den Sensoranschlussdrähten 2.2 durch
die Schweißstelle 2.4 verschweißt sind.
Es ist besonders vorteilhaft, die Sensoranschlussdrähte 2.2 im
vorderen Bereich des Sensorchips 1 anzuordnen, um eine
bessere Zugänglichkeit
bei der Montage der Anordnung zu ermöglichen. Außerdem wird durch diese Anordnung,
bei der die nach außen
führenden
Anschlussdrähte 2 um
den Sensorchip 1 herumgeführt sind, von diesen bei der
Erwärmung
der Anordnung keine gefährlichen
Zugspannungen auf den Sensor ausgeübt, sondern es treten lediglich
die für
die Verbindung Anschlussdraht-Sensorchip unkritischen Druckspannungen
auf.
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- 1
- Sensorchip
- 2
- Anschlussdraht
- 2.1
- Dehnungsausgleich
- 2.2
- unterer
Sensoranschlussdraht
- 2.3
- Drahtverstärkung
- 2.4
- Schweißstelle
- 3
- Keramikhülse
- 4
- Erste
Hochtemperaturzementschicht
- 5
- Zweite
Hochtemperaturzementschicht
- 6
- Mantelleitung
- 7
- Schutzrohr
- 7.1
- Schweißverbindung
- 8
- Metallkappe
- 9
- Zwischenteil
- 9.1
- Glaslot
- 10
- Polymereinsatz
am Vorderteil
- 11
- Polymereinsatz
der Mantelleitung
- 12
- Schutzkapillare
- 13
- Befestigungskörper
- 14
- Lötverbindung