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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor für Hochtemperaturanwendungen, insbesondere zur Messung der Rußpartikelkonzentration im Abgas von Kraftfahrzeugen, mit einem inneren Sensorelement und einem äußeren Schutzrohr, wobei das innere Sensorelement ein Keramiksubstrat aufweist, auf dem sich in einem Endbereich ein Messbereich, im Mittelbereich zum Messbereich führende Leiterbahnen und im anderen Endbereich Leiterbahnkontakte befinden, und wobei das innere Hochtemperatursensorelement über einen Halter im äußeren Schutzrohr fixiert ist.
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Derartige Sensoren sind bekannt. Insbesondere für den Einsatz im Abgassystem von Kraftfahrzeugen müssen sie robust und für einen Dauerbetrieb bei hohen Temperaturen bzw. Abgastemperaturen von beispielsweise über 1000°C ausgebildet sein. Ferner müssen sie für einen Einsatz in chemisch aggressiven Medien mit hohen Schwingungsbeanspruchungen geeignet sein. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die Fixierung des inneren Hoch temperatursensorelementes, das den eigentlichen Messbereich aufweist, im äußeren Schutzrohr. Dabei muss eine gute Fixierung, Abdichtung und Vibrationsentkopplung des innenliegenden Keramiksubstrates zum äußeren Schutzrohr erreicht werden.
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Es ist dabei bekannt, das innere Keramiksubstrat beispielsweise mit Hilfe einer Presspackung, beispielsweise aus Magnesia (Magnesiumoxid), im äußeren Schutzrohr zu halten bzw. zu fixieren und abzudichten. Eine weitere Methode besteht darin, das Keramiksubstrat mit Hilfe eines Keramikklebers und/oder eines Metallgeflechtes im äußeren Schutzrohr zu halten bzw. zu fixieren und abzudichten.
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Diese bekannten Bauformen haben jedoch gewisse Nachteile hinsichtlich der Dichtigkeit und des Fertigungsaufwandes.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperatursensor der eingangs wiedergegebenen Art zu schaffen, der sich bei einer guten Haltbarkeit besonders einfach fertigen lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Hochtemperatursensor der angegebenen Art dadurch gelöst, dass das Keramiksubstrat mit Hilfe einer als Halter dienenden Einglasung zwischen Messbereich und Leiterbahnkontakten im äußeren Schutzrohr fixiert ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht somit darin, das Keramiksubstrat (die Messkeramik) direkt mit Hilfe einer Einglasung im äußeren Schutzrohr zu fixieren, wobei die Einglasung zwischen dem Messbereich des Keramiksubstrates und den Leiterbahnkontakten desselben angeordnet ist. Durch die Anordnung einer derartigen Einglasung wird eine gute Abdichtung zwischen dem Messbereich (sensititven Bereich) und dem Kontaktbereich des Keramiksubstrates erzielt. Über die Lebensdauer des Hochtemperatursensors gesehen werden parasitäre Widerstände minimiert. Der Hochtemperatursensor lässt sich mit einfachen Fertigungsprozessen herstellen, und es werden gute Dichtungs- und Dämpfungsmöglichkeiten erreicht.
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Die mit Hilfe der direkten Einglasung erreichte Fixierung des Keramiksubstrates im Schutzrohr ist ausgezeichnet, so dass sich insgesamt eine gute Haltbarkeit, auch im Dauerbetrieb, erzielen lässt. Dies ist auch in den hier in Rede stehenden Hochtemperatureinsatzbereichen gewährleistet.
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Zur Herstellung der Einglasung finden beispielsweise geeignete Lötgläser Verwendung, wobei vorzugsweise solche eingesetzt werden, deren Wärmeausdehnungskoeffizient an den des Keramiksubstrates und den des äußeren Schutzrohres angepasst bzw. angenähert ist, vorzugsweise zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Keramiksubstrates und des äußeren Schutzrohres liegt. Auf diese Weise werden Probleme in Bezug auf unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, wie Keramik, Glas und Metall, vermieden bzw. verringert. Solche Lötgläser sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Je nach Art der verwendeten Keramik für das Sensorelement und der verwendeten Materialien für das äußere Schutzrohr können geeignete Lötgläser mit entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgewählt werden.
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Vorzugsweise bildet die Einglasung den einzigen Einspannpunkt des Keramiksubstrates im äußeren Schutzrohr. Bei dieser Ausführungsform ist daher nur ein einziger Einspannpunkt für die Keramik vorhanden, wodurch sich aufgrund von mehreren Einspannpunkten entstehende mechanische Spannungen weitgehend vermeiden lassen. Es ist zwar möglich, das Hochtemperatursensorelement über weitere Halterungen im äußeren Schutzrohr zu fixieren, jedoch sollten diese weiteren Halterungen vorzugsweise keine Kraft auf das Keramiksubstrat ausüben, um das Entstehen von Spannungen zu vermeiden. Als weitere Halterungen können beispielsweise bekannte Halterungen Anwendung finden, wie die bekannten Presspackungen aus beispielsweise Magnesia.
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Das äußere Schutzrohr besteht vorzugsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Metall. Das für die Einglasung verwendete Material (Lötglas) weist daher vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der zwischen dem des verwendeten hochtemperaturbeständigen Metalls und dem des Keramiksubstrates liegt.
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Die Einglasung erstreckt sich zweckmäßigerweise nur über einen geringen Teil der Länge des Keramiksubstrates. Der übrige Bereich zwischen Schutzrohr und Keramiksubstrat kann mit geeigneten Packmaterialien, Füllmaterialien etc. ausgefüllt werden. Hierdurch lässt sich eine einfache Fertigung durchführen. Ferner werden die vorstehend aufgezeigten Probleme mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten gering gehalten.
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Die Einglasung erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten freien Querschnitt zwischen innerem Keramiksubstrat und äußerem Schutzrohr. Bei einer anderen Ausführungsform erstreckt sich die Einglasung nur als Schicht auf der Außenseite des inneren Keramiksubstrates und/oder der Innenseite des äußeren Schutzrohres, während der übrige Freiraum durch ein Formteil oder eine geeignete Füllmasse ausgefüllt ist. Dabei können sowohl äußeres Schutzrohr als auch das Keramiksubstrat mit einer Einglasungsschicht versehen sein. Es kann aber auch nur eines dieser Elemente eine entsprechende Einglasungsschicht aufweisen, entweder nur das äußere Schutzrohr oder nur das Keramiksubstrat.
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Das innere Keramiksubstrat ist üblicherweise als längliches Plättchen ausgebildet, wobei sich der Messbereich (sensitive Bereich) in einem Endbereich und die Anschlusskontakte der zum Messbereich führenden Leiterbahnen im anderen Endbereich des Keramiksubstrates befinden. Das Schutzrohr kann das Keramiksubstrat an dem den Messbereich tragenden Endbereich umschließen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Sensor eine weitere Einglasung für die von der Leiterbahnkontakten des Sensorelementes abführenden Leitungen im Schutzrohr auf.
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Geeignete Materialien für das Keramiksubstrat, wie Al2O3 sind dem Fachmann bekannt. Auch die Ausbildung des Messbereiches, der zugehörigen Leiterbahnen sowie der Leiterbahnkontakte ist dem Fachmann bekannt, ebenfalls die Technik zur Aufbringung derselben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen schematischen Teillängsschnitt durch einen Sensor für, Hochtemperaturanwendungen des Standes der Technik;
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2 einen schematischen Teillängsschnitt durch einen Sensor für Hochtemperaturanwendungen gemäß der Erfindung;
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3 einen Querschnitt durch den Sensor der 2 im Bereich der Einglasung;
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4 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Sensors; und
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5 einen Querschnitt durch noch eine andere Ausführungsform eines Sensors.
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Der in 1 schematisch im Teillängsschnitt dargestellte Sensor für Hochtemperaturanwendungen des Standes der Technik besitzt ein äußeres Schutzrohr 1 und ein im Inneren desselben angeordnetes Sensorelement, das hier als flaches Keramiksubstrat 2 in länglicher Plättchenform ausgebildet ist. Auf dem Keramiksubstrat 2 befinden sich in einem Endbereich ein Messbereich 3 (sensitiver Bereich) und im gegenüberliegenden Endbereich Anschlusskontakte 5 von zwei Leiterbahnen 4, die zum Messbereich 3 führen. Die spezielle Ausbildung des Messbereiches 3 ist dem Fachmann bekannt und stellt keinen Teil der Erfindung dar. Geeignete Ausführungsformen, wie Interdigitalelektroden, Widerstandsmäander etc., sind möglich.
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Es ist wichtig, das innere Keramiksubstrat 2 im Inneren des Schutzrohres 1 zu halten bzw. zu fixieren, und zwar vibrationsentkoppelt und in abgedichteter Weise. Hierzu findet beim Stand der Technik eine Presspackung 6 aus Magnesia (Magnesiumoxid) Verwendung, die für eine geeignete Abdichtung und Fixierung sorgt. Der Aufwand zu Erstellung einer derartigen Presspackung ist jedoch relativ groß, darüber hinaus lässt die Dichtigkeit zu wünschen übrig.
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2 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Sensor für Hochtemperaturanwendungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Auch hier befindet sich im Inneren eines Schutzrohres 1 ein Sensorelement in der Form eines flachen streifenförmigen Keramiksubstrates 2. In einem Endbereich des Keramiksubstrates 2 ist ein Messbereich 3 angeordnet, während sich im gegenüberliegenden Endbereich zwei Anschlusskontakte 5 von Leiterbahnen 4 befinden, welche zum Messbereich 3 führen. Die Fixierung des Keramiksubstrates 2 im bzw. am äußeren Schutzrohr 1 erfolgt hierbei über eine Einglasung 7, die den einzigen Einspannpunkt für das Keramiksubstrat im Schutzrohr bildet. Die Einglasung 7 kann mit Hilfe von geeigneten Lötgläsern hergestellt werden, die dem Fachmann bekannt sind bzw. die der Fachmann in geeigneter Weise auswählen kann, um eine Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Materialien zu erreichen. Vorzugsweise liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient des Lötglases für die Einglasung 7 zwischen dem des äußeren Schutzrohres 1, das hier aus einem hochtemperaturbeständigen Metall besteht, und dem des Keramiksubstrates 2.
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Das Keramiksubstrat 2 kann über weitere Halterungen im Schutzrohr 1 fixiert sein, wobei in 2 gestrichelt eine weitere Halterung 11 angedeutet ist. Bei einer derartigen Halterung handelt es sich um eine solche, die keine Kraft auf das Keramiksubstrat 2 ausübt, d. h. keinen weiteren Einspannpunkt darstellt. Es kann sich hier beispielsweise um eine Presspackung aus Magnesia handeln.
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Die Einglasung 7 ist zwischen dem Messbereich 3 und dem Bereich der Anschlusskontakte 5 des Keramiksubstrates angeordnet und füllt den freien Querschnittsraum im Inneren des Schutzrohres 1 aus. Die Einglasung 7 ist in Bezug auf die Länge des Keramiksubstrates 2 nur relativ kurz ausgebildet. Der Raum 9 zwischen der Einglasung 7 und der weiteren Halterung 11 kann mit einer geeigneten Füllmasse versehen sein.
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3 zeigt den Sensor der 2 im Querschnitt im Bereich der Einglasung 7. Man erkennt, dass die Einglasung 7 das Innere des Schutzrohres 1 vollständig ausfüllt.
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Bei weiteren Einglasungsvarianten, die in den 4 und 5 dargestellt sind, füllt die jeweilige Einglasung nur einen Teil des freien Querschnitts im Schutzrohr 1 aus. Bei der Ausführungsform der 4 ist die Einglasung 8 als dünne Schicht auf der Innenseite des äußeren Schutzrohres 1 ausgebildet, während der Zwischenraum zwischen dem inneren Keramiksubstrat und der Schichteinglasung 8 mit einem geeigneten Formteil 10 bzw. einer geeigneten Formmasse oder Füllmasse ausgefüllt ist. Bei der Ausführungsform der 5 ist die Einglasung sowohl als Schicht 8 auf der Innenseite des Schutzrohres 1 als auch als Schicht 17 auf dem inneren Keramiksubstrat 2 ausgebildet. Auch hier ist der verbleibenden Zwischenraum mit einem geeigneten Formteil 10 bzw. einer geeigneten Formmasse oder Füllmasse ausgefüllt.
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Die vorstehend beschriebenen Sensoren finden Anwendung im Hochtemperaturbereich, beispielsweise im Abgassystem von Kraftfahrzeugen zur Partikelkonzentrationsmessung (Rußpartikel), Abgastemperaturmessung, Abgaskonzentrationsmessung, etc.
