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Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatursensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
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Bei Sensoren, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, müssen diese oftmals in einem Bereich hoher Temperatur angeordnet werden, um dort eine physikalische Messgröße zu erfassen. Derartige Messgrößen sind beispielsweise eine Partikeldichte im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugmotors, aber auch eine Restsauerstoff- bzw. eine NOx-Konzentration. Bei den verwendeten Sensorkonzepten wird der Sensor direkt an der Abgasseite angeordnet, die mehrere hundert Grad heiß sein kann. Ausgangsseitig sollte der Sensor vorzugsweise bei einer Umgebungstemperatur im Bereich von wenigen 10 Grad liegen. Der hohe Temperaturgradient bedingt den Einsatzbesonderer Materialien bzw. erhöht die Fertigungskosten.
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Es besteht demnach das Bedürfnis, einen verbesserten Sensor anzugeben, bei dem eine ausreichend gute Trennung zwischen einer Hochtemperatur- und einer Niedertemperaturseite für einen Sensor, vorzugsweise in Kraftfahrzeugen, gewährleistet ist.
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Diesem Bedürfnis wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 Rechnung getragen.
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Ein Hochtemperatursensor, besonders für Kraftfahrzeuge, nach dem vorgeschlagenen Prinzip umfasst ein Sensorgehäuse mit einer Hochtemperaturseite sowie einer Niedrigtemperaturseite. Weiterhin ist ein Sensor mit einem Sensorsubstrat vorgesehen, welches einen Messbereich zum Erfassen einer physikalischen Größe und einen vom Messbereich abgewandten Anschlussbereich zur elektrischen Kontaktierung aufweist. Mit Kontakten im Anschlussbereich des Sensorsubstrats sind mehrere voneinander beabstandete Anschlussleitungen elektrisch kontaktiert, die zur Zuführung elektrischer Signale an den Sensor dienen. Der Anschlussbereich und die Anschlussleitungen sind von einer Isolation umgeben und in diese eingebettet. Zusätzlich dichtet die Isolation auf der Hochtemperaturseite das Sensorgehäuse im Wesentlichen gasdicht ab, und zwar derart, dass die Anschlussleitungen zur Niedrigtemperaturseite hin verlaufen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird ein besonders kurzer Sensortyp realisiert. Hierbei erstreckt sich, im Gegensatz zu bekannten Sensortypen, das Sensorsubstrat nicht durch das Sensorgehäuse, sondern ist in seinem Anschlussbereich in ein Isolationsmaterial eingebettet. Dieses dient auch zur Dichtung des Sensorgehäuses und entkoppelt somit einen Messbereich des Hochtemperatursensors von einem Kontaktierungsbereich auf der Niedrigtemperaturseite.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Anschlussleitungen auf der Niedrigtemperaturseite des Sensorgehäuses mit Zuleitungen kontaktiert. Diese können in einer Ausgestaltung der Erfindung in eine zusätzliche Dichtung eingearbeitet sein. Die zusätzliche Dichtung verhindert ein Eindringen von Feuchtigkeit und erhöht darüber hinaus die mechanische Stabilität gegenüber Stößen der einzelnen Leitungen. Durch die Führung der einzelnen Anschlussleitungen innerhalb des Sensorgehäuses wird der Wärmetransport von der Hochtemperaturseite zur Niedrigtemperaturseite signifikant reduziert. Eine zusätzliche Reduktion kann auch durch eine besondere Materialwahl, beispielsweise eine Ausbildung der Anschlussleitungen durch Nickel, erfolgen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Anschlussleitungen auf der Niedrigtemperaturseite durch eine zusätzliche Abdichtung geführt, die die Anschlussleitungen innerhalb des Sensorgehäuses mechanisch stabilisiert. Im Außenbereich sind die Anschlussleitungen dann über weitere Kontaktierungen mit Zuleitungen verbunden. Die Kontaktierung kann hierbei durch Löten, Schweißen oder auch Krimpen mittels Metallformteil gegeben sein. Ebenso ist es möglich, eine Kontaktierung durch Steckverbindungen, beispielsweise Federkontaktbuchsen oder sockelähnliche Halterungen, zu implementieren.
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Die Dichtungen sind in einer Ausgestaltung durch Glas, Keramik oder auch eine Glasskeramik implementiert. Sie dient unter anderem dazu, Wärme von dem Sensor bzw. den Leitungen an das Sensorgehäuse abzugeben.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Sensorgehäuse abgesehen von den Anschlussleitungen leer, d. h. lediglich mit einem Gas gefüllt. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Sensorgehäuse mit Magnesiumoxid oder einem anderen isolierenden und gleichzeitig thermisch nur schwach leitenden Material aufgefüllt, wodurch die Drähte zusätzlich in ihrer Position gehalten und fixiert werden. Auf der Hochtemperaturseite kann zusätzlich eine Sensorkappe mit einem Eintrittsloch für Abgas vorgesehen sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist auf der Hochtemperaturseite und insbesondere im Bereich des Sensorelements und der Abdichtung eine Metallwolle oder ein ähnlich gut leitendes Material eingearbeitet. Dieses dient zur Reduzierung einer Wärmebelastung auf die Abdichtung und leitet Wärme von der Hochtemperaturseite an das Gehäuse ab. Das Wärme leitende Element, beispielsweise Metallwolle, kann mittels Krimpen oder Anschweißen an dem Gehäuse befestigt sein. Ebenso ist es denkbar, dieses zumindest teilweise in das Glas der Abdichtung einzuschweißen und so zu fixieren.
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Der Sensor besitzt in einer Ausgestaltung Elemente zum Erfassen verschiedener physikalischer Größen, beispielsweise einer Restsauerstoffmenge, einer NOx-Konzentration oder auch einer Partikelkonzentration im Abgas. Ebenso kann der Sensor mit einem zusätzlichen Heizelement versehen sein, welches an eine Temperaturregelung angeschlossen ist.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Wirkungs- bzw. funktionsgleiche Bauelemente tragen die gleichen Bezugszeichen. Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform eines Hochtemperaturgehäuses mit einem kurzen Sensor nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2 eine Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines Hochtemperatursensors nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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3 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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4 ein Beispiel für einen Sensor, wie er in einem Hochtemperatursensor einsetzbar ist,
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5 eine Ausgestaltung für eine Kontaktierung auf der Niedrigtemperaturseite eines Sensors nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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6 eine weitere Ausführung einer Kontaktierung eines Hochtemperatursensors auf der Niedrigtemperaturseite.
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1 zeigt einen Hochtemperatursensor nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Der Sensor 1 umfasst im Wesentlichen eine Hochtemperaturseite 11 sowie eine Niedrigtemperaturseite 12, und einen hier nicht dargestellten Übergangstemperaturbereich. Auf der Hochtemperaturseite 11 ist der Sensor 2 angeordnet, der eine oder mehrere physikalische Messgrößen erfasst und diese über mehrere Leitungen 41 bis 44 an die Niedrigtemperaturseite 12 als Messsignal abgibt. Die physikalischen Messgrößen können unter anderem beispielsweise ein Restsauerstoffgehalt bzw. eine NOx-Konzentration im Abgasstrom eines Kraftfahrzeuges sein. In diesem Fall ist der Sensor als so genannte λ-Sonde ausgeführt.
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Zum Erfassen der jeweiligen Gaskonzentration besitzt der Hochtemperatursensor auf seiner heißen Abgasseite eine Sensorkappe 13, die in ihrem Endbereich eine Öffnung 131 aufweist. Dadurch ist der in der Kappe 13 angeordnete Sensor 2 geschützt und dennoch durch die Öffnung 131 im Stande, die physikalische Größe zu erfassen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Sensor 2 ausgeführt, mehrere physikalische Parameter, beispielsweise neben der Sauerstoff- und NOx-Konzentration auch eine Partikelkonzentration zu messen. Für diesen Zweck sind auf der Oberseite des Sensors mehrere Sensorelemente 23 angeordnet. Auf der Unterseite des Sensors 2 ist eine Heizwendel vorgesehen, die über einen Regelkreis das Sensorsubstrat und damit den Sensor auf einer vorbestimmten Temperatur hält.
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4 zeigt eine Sensorform in detaillierter Darstellung. Der Sensor umfasst ein Sensorsubstrat mit einem Messbereich 21 für Sensorelemente 23 zum Erfassen der physikalischen Größe. Auf einer vom Messbereich 21 abgewandten Seite ist ein Anschlussbereich 22 vorgesehen. Dieser enthält mehrere Anschlusskontakte 221 und 222 auf der Oberfläche des Substrats, die mit Anschlussleitungen 42 bzw. 44 verbunden sind. Weitere Kontakte sind auf der Unterseite des Substrates vorgesehen. Mit den Kontakten werden Versorgungssignale für die Heizwendel und die Sensoren an den Sensor gebracht und Messsignale abgegriffen.
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Zum Schutz vor Beschädigungen sind die Anschlusskontakte mit einem Glasglob 220, d. h. einer isolierenden Glasabdichtung, überzogen. Die Glasabdichtung 220 schützt die Kontakte vor Beschädigung und dient zusätzlich zu einer mechanischen Stabilisierung der Verbindung zwischen den Kontaktstellen und den Leitungen.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Anschlussbereich 22 in eine weitere Isolationsdichtung 3 einzubetten, die das Gehäuse 10 des Temperatursensors auf der Abgangsseite medien- und gasdicht verschließt. Die in 1 dargestellte Abdichtung 3 umschließt erfindungsgemäß den Anschlussbereich 22 des Sensors 2 und einen Teil der vom Sensor 2 abgehenden Leitungen 41, 42, 43 und 44. Die Dicke d des Isolationsmaterials ist so gewählt, dass eine ausreichend gut Wärmeabgabe an das Metallgehäuse gewährleistet ist, die Dichtung 3 gas- und mediendicht gegenüber der heißen Abgasseite ist und zudem eine ausreichende Stabilität des eingebetteten Sensors und der Leitungen gegenüber Erschütterungen gewährleistet ist.
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Durch den relativ kurzen Aufbau des Sensorsubstrats ist die Wärmekapazität des Sensors im Vergleich zu konventionellen Sensoren mit deutlich längerem Substrat reduziert, sodass der Sensor auf Temperaturänderungen schneller reagieren kann. Durch die Einbettung des Anschlussbereichs des Sensors in das Isolationsmaterial ist gleichzeitig eine ausreichende Stabilität gewährleistet. Die Zuleitungen 41 bis 43 sind aus einem Metall, beispielsweise Nickel, gefertigt, dessen Wärmeleitung relativ gering ist.
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Auf der Niedrigtemperaturseite 12 des Sensors sind die Anschlussleitungen 41, 42, 43 und 44 mit zusätzlichen Kontaktelementen 410 an Niedrigtemperaturzuleitungen 411 bis 431 angeschlossen. Diese Zuleitungen sind über eine weitere optionale Dichtung 5 fixiert. Zur Entlastung der Anschlussleitungen von den weiteren Zuleitungen 411 bis 431 sind die Kontakte 410 bis 440 als so genannte Federkontakte ausgeführt. Die Dichtung 5 ist vorzugsweise weich ausgeführt, um gegenüber der vorderen Sensorelementabdichtung 3 kein überbestimmtes System zu erzeugen. Auch diese kann gegenüber Medien und Gasen weiterhin dicht sein und besitzt zudem eine Leitfähigkeit, um Wärme von den Leitungen 41 bis 44 weiter an das kühle Sensorgehäuse 10 abzuleiten. Die zweite Dichtung 5 kann sowohl Gas sein als auch andere Materialien beinhalten, beispielsweise Gummi.
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2 zeigt eine Ausgestaltung einer Kontaktierung im Anschlussbereich des Sensors, wobei dieser in der abdichtenden Isolation 3 angeordnet ist. In dieser Ausführung sind die Zuleitungen 42 bzw. 44 auf der Ober- oder Unterseite des Sensors angebracht und der Sensor im Anschlussbereich 22 direkt in der Isolationsabdichtung 3 ohne zusätzlichen Glasglob eingebettet. Die Abdichtung 3 füllt den Raum des Metallgehäuses 10 vollständig aus und dichtet somit die Hochtemperaturseite mit dem darin befindlichen Sensor 2 von dem Raum, in dem die Zuleitungen geführt sind, gas- und mediendicht ab. Zudem ist der Anschlussbereich 22 mit der Kontaktierung im vorderen Drittel der isolierenden Dichtung 3 eingebettet. Damit ist eine ausreichende Stabilität gewährleistet und gleichzeitig ein Wärmetransport des Sensorsubstrates durch die Isolation 3 reduziert.
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Die Isolationsabdichtung 3 ist beispielsweise mit Glas ausgeführt, wobei die Verbindung zwischen den metallischen Leitungen 42 und 44 bzw. dem Anschlussbereich 22 und der Gasabdichtung 3 durch Glas-Metall-Loten erfolgt. Ebenso ist es möglich, Keramikkleber zu verwenden, mit deren Hilfe der Anschlussbereich 22 sowie die Zuleitungen sicher und gasdicht in der isolierenden Glasdichtung eingebettet werden.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform, bei der in einem ersten Schritt die Kontaktzuleitungen 41 und 44 auf unterschiedlichen Seiten des Sensorsubstrats mittels eines Glasglobs 31 fixiert werden. Dadurch kann der Hochtemperatursensor separat gefertigt werden, und es ist bereits eine ausreichende Stabilität gewährleistet. Die Isolationsabdichtung 3 kann das gleiche Material wie der Glob 31, aber auch ein unterschiedliches Material umfassen. In dieser Ausgestaltung dient die Zuleitung 41 für eine elektrische Kontaktierung eines Heizelements 24 auf der Unterseite des Sensors 2, während die elektrische Zuleitung 44 ein Sensorelement 23 auf der Oberseite kontaktiert. Zur Fixierung des Sensors mit den Zuleitungen 41 und 44 innerhalb des Sensorgehäuses 10 des Sensors wird die zusätzliche Isolationsdichtung 3 um den Glasglob 31 angeordnet, die das Sensorgehäuse vollständig ausfüllt.
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5 zeigt eine gegenüber der Darstellung in 1 alternative Kontaktierung der Niedrigtemperaturseite, bei der die zusätzliche Abdichtung 5 im Bereich der Niedrigtemperaturseite links ”vor” den Kontaktstellen 411 und 441 liegt. Durch die Dichtung 5 sind somit die Zuleitungen 41 und 44 geführt, die im Außenbereich über Schweißkontakte, vorzugsweise eine Laserschweißung, mit den Zuleitungen 441 und 444 verbunden sind. Durch die Dichtung 5 und die darin eingebetteten Zuleitungen wird neben einer Medien- und Gasdichtigkeit auch eine zusätzliche Stabilisierung der Zuleitung gegen Erschütterungen realisiert. Die starke räumliche Nähe der Dichtung 5 zu den Schweißpunkten der Kontaktierung 411 und 441 stabilisiert zudem die Kontaktpunkte gegen Erschütterungen.
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Eine alternative Ausgestaltung einer derartigen Kontaktierung zeigt 6. Bei dieser erfolgt die Kontaktierung der Anschlussleitungen 43 und 44 nicht über Punktschweißen, sondern durch eine Steck- oder Krimpverbindung mit den Zuleitungen 443 und 444. Zu diesem Zweck ist eine Steckverbindung 6 vorgesehen, die im Metallgehäuse eingebracht ist und Stecklöcher aufweist. In die elektrisch leitenden Stecklöcher werden die Endbereiche der Zuleitungen 43 und 44 eingeführt, sodass sich eine leitende Verbindung zu den Zuleitungen 443 bzw. 444 ergibt.
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Mit dem vorgeschlagenen Prinzip wird ein Hochtemperatursensor realisiert, der aufgrund seines kurzen Sensorsubstrats einen ausreichend hohen Temperaturgradienten zwischen der heißen Messzelle bzw. Abgasseite und der relativ kalten Kontaktstelle für die elektrische Ableitung schafft. Das Dichtungselement im schlussbereich des Sensors stabilisiert den Sensor und Angleichzeitig die mit dem Sensor verbundenen Zuleitungen. Das Dichtelement bildet eine mechanische Führung, die zudem die Einzelleitungen voneinander isoliert. Durch die geringe Wärmeleitung aufgrund der dünnen Zuleitungsdrähte wird der Wärmefluss von der heißen Abgasseite zur kühlen Kontaktseite reduziert und bevorzugt mit einer weiteren Dichtung im Bereich der kühlen Abgasseite ein Schutz gegen eindringende Feuchtigkeit geschaffen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochtemperatursensor
- 2
- Sensor
- 3
- isolierende Dichtung
- 5
- Dichtung
- 6
- Steckkontakte
- 10
- Sensorgehäuse
- 11
- Hochtemperaturseite, Abgasseite
- 12
- Niedrigtemperaturseite
- 13
- Sensorkappe
- 21
- Messbereich
- 22
- Anschlussbereich
- 23
- Sensorelement
- 31
- Glasglob
- 41, 42
- Anschlussleitungen
- 43, 44
- Anschlussleitungen
- 220
- Glasummantelung
- 221, 222
- Kontaktstellen
- 410, 420
- Kontakte
- 430, 440
- Kontakte
- 411, 421
- Zuleitungen
- 431, 441
- Zuleitungen
- 440
- Zuleitung
- 131
- Öffnung
