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Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor mit einem in einem Gehäuse angeordneten Sensorelement.
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Für die Temperaturmessung gibt es am Markt zahlreiche Temperatursensoren mit unterschiedlichen zugrundeliegenden physikalischen Messprinzipien. Besonders verbreitet sind elektrische Temperatursensoren, beispielsweise PTC-Sensoren (Positive Temperature Coefficient Sensor) oder NTC-Sensoren (Negative Temperature Coefficient Sensor), oder Thermoelemente, die einen besonders einfachen Aufbau besitzen und kostengünstig hergestellt werden können. Das eigentliche Sensorelement kann ein elektrischer ohmscher Widerstand sein, der sich mit der Temperatur ändert. Thermoelemente bestehen aus einer Kontaktstelle zweier unterschiedlicher Metalle, die bei Temperaturänderung eine Thermospannung erzeugt. Diese Art Sensoren werden im einfachsten Fall als Sensorpille mit wenigstens zwei Anschlussdrähten hergestellt. Die Auswertung des elektrischen Signals erfolgt üblicherweise in einer Elektronik, indem das Sensorelement Teil einer Brückenschaltung ist.
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Für industrielle Anwendungen ist es oft erforderlich, das Sensorelement in einem Gehäuse zu kapseln. Eine Kapselung ist zunächst sinnvoll, um das Sensorelement vernünftig einbauen und kontaktieren zu können. Besonders in schwieriger Umgebung muss das Gehäuse auch einen Schutz des Sensorelementes darstellen, dass nämlich die Sensorpille und die Zuleitungen von der Umgebung isoliert werden.
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Die Sensorelemente werden üblicherweise in einem Gehäuse gekapselt, um Umgebungseinflüsse, Korrosion etc. z. B. durch Chemikalien oder auch nur der Luftfeuchtigkeit zu vermeiden. Gehäuse marktüblicher Sensoren bestehen je nach Anwendung aus Metall, Keramik, Glas, Kunststoff oder anderen festen Materialien. Besonders bei schwierigen Umgebungsverhältnissen werden möglichst stabile Gehäuse aus Metall oder Keramik eingesetzt, die das Sensorelement kapseln. Bei Anwendungen in aggressiven Medien oder im Hochvakuum ist es erforderlich, dass das Gehäuse hermetisch dicht abgeschlossen wird. Speziell im Ultrahochvakuum (UHV) muss sichergestellt sein, dass der Sensor nicht ausgast und das UHV verunreinigt. Hier ist besonders eine hermetisch dichte Kapselung erforderlich.
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Da das Gehäuse eine thermische Isolierung des Sensorelementes von der Messstelle darstellt, wird die zu messenden Temperatur durch das Gehäuse verzögert an das Sensorelement weitergegeben. Daher werden Gehäuse möglichst zumindest am Ort des Sensorelementes dünnwandig ausgeführt und das Sensorelement in direkten Kontakt mit der Gehäusewand gebracht, um eine möglichst gute Wärmeübertragung zwischen Gehäuse und Sensorelement herzustellen. Zur Verbesserung des Wärmekontaktes werden häufig zusätzlich Wärmeleitpaste oder ähnliche Substanzen mit guter Wärmeleitung eingebracht.
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Bei üblichen Messaufgaben, beispielsweise in der Klimatechnik, im Automobil oder bei industriellen Produktionsumgebungen ist die mit derart aufgebauten Sensoren erreicht Genauigkeit völlig ausreichend.
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Bei Messaufgaben, die eine besonders hohe Präzision erfordern, stößt die bisherige Aufbautechnologie dieser Temperatursensoren an Grenzen. Da ein möglichst guter thermischer Kontakt mit dem Gehäuse erreicht werden soll und damit das Sensorelement direkt mit dem Gehäuse thermisch verbunden ist, werden dadurch mechanische Spannungen auf das Sensorelement übertragen. Diese mechanischen Spannungen können beispielsweise durch Druckbelastung (Über- oder Unterdruck) auf den Sensor entstehen. Eine andere Quelle mechanischer Spannung kann die Temperaturänderung selbst sein: Durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der im Sensor eingesetzten Materialien können hohe mechanische Spannungen entstehen. Aber auch die Ankopplung beispielsweise durch Verklebung oder Einspannung des Sensors an das Objekt selbst, dessen Temperatur gemessen werden soll, kann mechanische Spannung auf das Sensorelement erzeugen.
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Wirkt eine mechanische Spannung auf das Sensorelement, kann sich dadurch der elektrische Widerstand und damit das Messsignal ändern. Bei Thermoelementen wird durch mechanische Spannung auf das Sensorelement zusätzlich eine elektrische Spannung erzeugt, die ebenfalls das Messsignal beeinflusst.
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Der Einfluss ist üblicherweise im ppm-Bereich und kann bei den allermeisten Anwendungen vernachlässigt werden. Geht es jedoch darum, Temperaturen im mK-Bereich aufzulösen bzw. zuverlässig zu messen, so führt die mechanische Spannung zu Fehlern, die größer sind als die geforderte Auflösung bzw. Genauigkeit.
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Daher ist es erforderlich, eine vollständige Kapselung des Sensorelementes zu realisieren, ohne dass mechanische Spannungen auf das Sensorelement ausgeübt werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass das Sensorelement im Gehäuse vollständig mit einem wärmeleitenden Material, insbesondere mit einer Wärmeleitpaste, umgeben ist. Dadurch wird das eigentliche Messelement mechanisch vom Gehäuse entkoppelt, wobei weiter eine sehr gute thermische Anbindung zum Messobjekt besteht. Die Wärmeleitpaste muss dabei einerseits einen guten thermischen Kontakt herstellen, andererseits darf keine mechanische Spannung ausgeübt werden. Die Wärmeleitpaste muss im gesamten Temperaturbereich, den der Sensor abdecken soll, eine genügend niedrige Viskosität aufweisen. Andererseits muss die Viskosität genügend große sein, damit das Sensorelement in allen Einbaulagen zuverlässig mit der Wärmeleitpaste bedeckt ist. Außerdem ist es von Vorteil, wenn das Sensorelement im Gehäuse hermetisch gekapselt ist.
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Damit die Wärmeleitpaste nicht ausgast, ist der Sensor hermetisch gekapselt. Das Ausgasen muss insbesondere verhindert werden in hochreinen Umgebungsbedingungen wie beispielsweise der Halbleiterfertigung oder bei Vakuumanwendungen.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
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Gemäß 1 wird ein hochgenauer, langzeitstabiler Thermistor mit seinen beiden Anschlussdrähten an zwei Kontakte einer Glasdurchführung gelötet. Statt einer Lötverbindung können auch andere übliche Verbindungstechnologien wie Schweißen, Hartlöten oder Crimpen verwendet werden. Das Gehäuse des Sensors bildet eine einseitig offene Hülse mit einer dünnen Stirnfläche. Die Hülse kann aus Metall, Keramik oder anderen geeigneten, vakuumtauglichen Materialien bestehen. In das Gehäuse wird Wärmeleitpaste gefüllt. Der Thermistor wird dann zusammen mit einer Glasdurchführung in das Gehäuse eingeführt, so dass der Spalt/Freiraum zwischen dem Thermistor und dem Gehäuse vollständig mit Wärmeleitpaste gefüllt ist. Dies sichert eine gute thermische Anbindung des Thermistors an das Sensorgehäuse. Dabei darf der Thermistor nicht in direktem Kontakt zum Gehäuse kommen, sondern muss vollständig mit Wärmeleitpaste umgeben sein. Durch diese „schwimmende” Lagerung des Thermistors sind keine mechanischen Spannungen vorhanden, die eine Widerstandsänderung des Thermistor und somit einen Temperaturmessfehler verursachen könnten.
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Die Wärmeleitpaste darf die Hülse nicht komplett ausfüllen, sondern es muss ein kleiner Freiraum verbleiben. Würde die Wärmeleitpaste den Raum komplett ausfüllen, könnten dadurch wieder mechanische oder thermische Spannungen auf das Thermistor-Element ausgeübt werden, die die Messung verfälschen könnten. Der Freiraum kann mit Schutzgas, beispielsweise mit Stickstoff oder Argon gefüllt werden, um eine Korrosion der Kontaktstellen zu verhindern. Der Freiraum könnte jedoch auch evakuiert werden, beispielsweise indem der Sensor unter Vakuum verschlossen wird.
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Die hermetisch dichte Durchführung (z. B. eine Glasdurchführung) wird mit dem Gehäuse ebenfalls hermetisch dicht verbunden. Als Verbindungstechnologie geeignet ist Schweißen, aber auch andere Möglichkeiten sind denkbar, beispielsweise Kleben, Löten oder Crimpen. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass eine hermetisch dichte Abdichtung hergestellt wird, damit sichergestellt ist, dass die Wärmeleitpaste nicht ausgast und die hochreine Umgebung oder das Vakuum verschmutzt.
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Auf der anderen Seite der Durchführung wird die Litze der Anschlussleitung kontaktiert. Auch hier wird aufgrund von Ausgasung bevorzugt mit Laser geschweißt. Das Gehäuse wird mittels einer Abdeckkappe verschlossen. Diese Kappe wird an der Anschlussleitung gecrimpt, wodurch gleichzeitig eine Absichtung und Zugentlastung der Anschlussleitung hergestellt wird.
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Ein derartig ausgestalteter Temperatursensor kann dann mit einer „starren/festen” Klebung auf der Messfläche appliziert werden ohne dass mechanische Spannungen auf den Thermistor eingebracht werden.
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Ist eine extrem hohe Genauigkeit bei einer Temperaturmessung erforderlich, so ist ein einzelnes Sensorelement häufig nicht ausreichend. Bei Verwendung nur eines Sensorelementes in Form einer Viertelbrücke ist die Empfindlichkeit reduziert, und Störungen auf das Sensorelement können nicht eliminiert werden. Daher wird bei hohen Genauigkeitsanforderungen eine Halbbrückenanordnung von Sensorelementen bevorzugt.
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Gemäß 2 werden zwei hochgenaue, langzeitstabile Thermistoren in ein gemeinsames Gehäuse eingebracht. Beide Sensorelemente sollen möglichst nahe nebeneinander platziert werden, damit die Temperaturmessung an nahezu der gleichen Stelle erfolgt (2a). Die beiden Sensorelemente sind in Verbindung mit zwei ebenfalls hochgenauen, temperatur- und langzeitstabilen Referenzwiderständen zu einer Messbrücke verschaltet.
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Durch die Verschaltung der Thermistoren und der Referenzwiderstände beispielsweise zu einer in der Messtechnik bekannten Wheatstone'schen Messbrücke kann die Empfindlichkeit deutlich erhöht werden, wenn die Thermistoren diametral in der Brückenschaltung angeordnet werden (2b).
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Nach 3 werden die beiden Sensoren thermisch voneinander entkoppelt. So kann auch sehr gut die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermistoren gemessen werden (3a). In diesem Fall sind die beiden Thermistoren parallel angeordnet (3b).
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Referenzwiderstände der Messbrücke ebenfalls im Gehäuse angeordnet sind. Dadurch wirken Störung oder andere Einflüsse wie z. b. die Temperatur auf alle Zweige der Messbrücke und heben sich dadurch gegenseitig weitgehend auf. Die gesamt Messbrücke ist in ein hermetisch dicht verschweißtes Gehäuse eingebracht.
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Die Messbrücke kann direkt mit den Kontakten der Durchführung verbunden sein. Beispielsweise kann die Messbrücke auf einer Platine oder einem Keramiksubstrat angeordnet sein. Auf der Unterseite der Platine werden die Thermistoren angebracht. Dies ist besonders für die Herstellung des Sensors von Vorteil, da dadurch eine leicht zu handhabende Einheit entsteht, die einfach in das Gehäuse eingebracht werden kann. Diese Einheit besteht aus der Glasdurchführung, der Platine mit der Messbrücke und den Referenzwiderständen sowie den Thermistoren. Durch geeignete Konstruktion wird beim Zusammenfügen sichergestellt, dass ein Spalt zwischen den Thermistoren und der Gehäusestirnfläche entsteht. Der Spalt/Freiraum zwischen dem Thermistoren und dem Gehäuse wird mit Wärmeleitpaste gefüllt. Dies garantiert eine gute thermische Anbindung der Thermistoren an das Sensorgehäuse. Durch diese „schwimmende” Lagerung der Thermistor-Elemente sind keine mechanischen Spannungen vorhanden, die eine Widerstandsänderungen der Thermistoren und somit einen Temperaturmessfehler verursachen könnten.
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Durch eine hermetisch dichte Durchführung (z. B. Glasdurchführung), die mit dem Gehäuse verschweißt wird, wird sichergestellt, dass die Wärmeleitpaste nicht ausgast und die hochreine Umgebung oder das Vakuum kontaminiert. Auf der anderen Seite der Durchführung kann dann das Kabel kontaktiert werden. Dieses wird vorzugsweise verschweißt, um wiederum Ausgasung zu verhindern.
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Vorteile des erfindungsgemäßen Temperatursensors:
- – Hermetisch dichte Ausführung, damit Einsatz auch im Ultrahochvakuum
- – Extrem hohe Auflösung im Bereich von Millikelvin
- – Einfache Montage
- – Kompakte Bauform
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
