DE102017100820A1 - sensor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor (1), der einen keramischen Träger (3), an dem ein Sensorelement (2) befestigt ist und der eine Metallisierung (5) aufweist, die elektrisch mit dem Sensorelement (2) kontaktiert ist, und eine Zuleitung (8) aufweist, die an der Metallisierung (5) befestigt ist und die dazu ausgestaltet ist, das Sensorelement (2) über die Metallisierung (5) elektrisch zu kontaktieren, wobei die Zuleitung (8) an einer weiteren Position mechanisch an dem keramischen Träger (3) fixiert ist.The present invention relates to a sensor (1) comprising a ceramic support (3) to which a sensor element (2) is fixed and which has a metallization (5) electrically contacted with the sensor element (2) and a lead (8) fixed to the metallization (5) and configured to electrically contact the sensor element (2) via the metallization (5), the lead (8) being mechanically fixed to the ceramic support at a further position (3) is fixed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere einen Temperatursensor.The present invention relates to a sensor, in particular a temperature sensor.
Die ständig steigenden Anforderungen an Temperatursensoren hinsichtlich der Langzeitbeständigkeit in aggressiven Medien und hohen Einsatztemperaturen erfordern zukünftig besonders zuverlässige Temperatursensoren. Gleichzeitig sollten solche neuartigen Sensoren durch eine kostengünstige Fertigung herstellbar sein.The ever-increasing demands on temperature sensors with regard to the long-term stability in aggressive media and high operating temperatures require in the future particularly reliable temperature sensors. At the same time such novel sensors should be produced by a cost-effective production.
Vorzugsweise sollte ein Temperatursensor mit einem kostengünstigen Elektrodensystemen gepaart mit einer stabilen elektrischen Kontaktierung der Zuleitung angegeben werden. Der Sensoren sollte auch für den Einsatz bei hohen Anwendungstemperaturen und in besonders aggressiven Medien bzw. Gasen geeignet sein. Beim Verbau der Sensoren im System als auch in der Anwendung sollte eine ausreichend mechanisch stabile Anbindung der Zuleitung an das Sensorelement gewährleistet sein.Preferably, a temperature sensor should be specified with a cost-effective electrode systems paired with a stable electrical contacting of the supply line. The sensors should also be suitable for use at high application temperatures and in particularly aggressive media or gases. When installing the sensors in the system as well as in the application, a sufficiently mechanically stable connection of the supply line to the sensor element should be ensured.
Für eine ausreichende mechanische Stabilität und zum Schutz gegen äußere Einflüsse und zur Vermeidung von Korrosion durch aggressive Medien kann ein Sensorelement mit einem Überzug aus einem Polymer oder einem Glas versehen werden.For sufficient mechanical stability and protection against external influences and to avoid corrosion by aggressive media, a sensor element may be provided with a coating of a polymer or a glass.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Sensor anzugeben.The object of the present invention is to specify an improved sensor.
Die Aufgabe wird durch den Sensor gemäß Anspruch 1 gelöst.The object is achieved by the sensor according to
Es wird ein Sensor vorgeschlagen, der einen keramischen Träger, ein Sensorelement und eine Zuleitung aufweist. Das Sensorelement ist an dem keramischen Träger befestigt. Der Träger weist eine Metallisierung auf, die elektrisch mit dem Sensorelement kontaktiert ist. Die Zuleitung ist an der Metallisierung befestigt und dazu ausgestaltet, das Sensorelement über die Metallisierung elektrisch zu kontaktieren, wobei die Zuleitung an einer weiteren Position mechanisch an dem keramischen Träger fixiert ist.A sensor is proposed which has a ceramic carrier, a sensor element and a feed line. The sensor element is attached to the ceramic carrier. The carrier has a metallization that is electrically contacted with the sensor element. The lead is attached to the metallization and configured to electrically contact the sensor element via the metallization, wherein the lead is mechanically fixed to the ceramic support at a further position.
Die Zuleitung kann dabei an einer Verbindungsfläche mit der Metallisierung befestigt sein. Eine Richtung, die parallel zu der Flächennormalen der Verbindungsfläche ist, kann als radiale Richtung bezeichnet werden. Eine Richtung, die senkrecht zu der Flächennormalen der Verbindungsfläche ist, kann als axiale Richtung bezeichnet werden. Dabei kann die axiale Richtung entlang einer longitudinalen Achse des keramischen Trägers verlaufen. Die axiale Richtung kann parallel zu der Metallisierung des Trägers sein.The supply line can be attached to a connection surface with the metallization. A direction parallel to the surface normal of the joint surface may be referred to as a radial direction. A direction perpendicular to the surface normal of the joint surface may be referred to as an axial direction. In this case, the axial direction can extend along a longitudinal axis of the ceramic carrier. The axial direction may be parallel to the metallization of the carrier.
Die Zuleitung kann an der Metallisierung beispielsweise durch eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung, eine Klebeverbindung oder eine Sinterverbindung befestigt sein. All diese Verbindungen zeichnen sich durch eine hohe Belastbarkeit gegen Kräfte aus, die in die axiale Richtung wirken. Die Verbindungen können jedoch gegen Kräfte, die in die radiale Richtung wirken, eine geringere Belastbarkeit aufweisen. Beispielsweise kann die Belastbarkeit gegen Kräfte in die radiale Richtung um einen Faktor 5 bis 10 kleiner sein als die Belastbarkeit gegen Kräfte in die axiale Richtung.The lead may be attached to the metallization by, for example, a solder joint, a welded joint, an adhesive bond or a sintered bond. All these compounds are characterized by a high load capacity against forces acting in the axial direction. However, the connections may have a lower load capacity against forces acting in the radial direction. For example, the load capacity against forces in the radial direction may be smaller by a factor of 5 to 10 than the load capacity in the axial direction.
Durch die mechanische Befestigung der Zuleitung an dem Träger an einer weiteren Position kann nunmehr die Verbindung der Zuleitung mit der Metallisierung entlastet werden. Wirkt beispielsweise eine Kraft in radiale Richtung auf die Zuleitung, so kann die Zuleitung durch die Befestigung an der weiteren Position in ihrer Position relativ zu dem Träger gehalten werden, ohne dass es zu einer wesentlichen mechanischen Belastung der Befestigung der Zuleitung an der Metallisierung kommt. Die hier angegebene Ausgestaltung des Sensors kann es somit ermöglichen, die Verbindung der Zuleitung an der Metallisierung gegen hohe radiale Belastungen zu entlasten und so die elektrische Kontaktierung des Sensorelements zu schützen.Due to the mechanical attachment of the supply line to the carrier at a further position, the connection of the supply line to the metallization can now be relieved. For example, acts a force in the radial direction of the supply line, the supply line can be held by the attachment to the other position in position relative to the carrier, without causing a significant mechanical stress on the attachment of the lead to the metallization. The embodiment of the sensor specified here can thus make it possible to relieve the connection of the supply line to the metallization against high radial loads and thus to protect the electrical contacting of the sensor element.
Bei dem Sensor handelt es sich vorzugsweise um einen Temperatursensor, d.h. einen Sensor, der dazu ausgestaltet ist, eine Temperatur zu messen. Sensoren zur Messung von Temperaturen werden für die Überwachung und Regelung in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt.The sensor is preferably a temperature sensor, i. a sensor configured to measure a temperature. Sensors for measuring temperatures are used for monitoring and control in a wide variety of applications.
Das Sensorelement kann beispielsweise einen NTC-Thermistor (NTC = Negative Temperature Coefficient), ein Silizium-Temperatursensor, der einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, ein Platin-Temperatursensor (PRTD = platinum resistance temperature detector) oder ein Thermoelement sein. Vorzugsweise ist das Sensorelement ein NTC-Thermistor. Diese zeichnen sich durch geringe Herstellkosten aus. Ein weiterer Vorteil von NTC-Thermistoren gegenüber Thermoelementen und metallischen Widerstandselementen, wie z.B. Pt-Elementen, besteht in der ausgeprägten negativen Widerstands-TemperaturCharakteristik.The sensor element may be, for example, an NTC thermistor (NTC = Negative Temperature Coefficient), a silicon temperature sensor having a positive temperature coefficient, a platinum resistance temperature detector (PRTD) or a thermocouple. Preferably, the sensor element is an NTC thermistor. These are characterized by low production costs. A further advantage of NTC thermistors over thermocouples and metallic resistive elements, e.g. Pt elements, consists in the pronounced negative resistance temperature characteristic.
Bei der Metallisierung kann es sich beispielsweise um eine Silbermetallisierung oder eine Goldmetallisierung handeln. Dazu können beispielsweise Silber- oder Goldpasten über einen Siebdruckprozess mit anschließendem Einbrand auf den Träger aufgebracht werden. Die Silbermetallisierung kann dabei vorwiegend für Lötverbindungen mit Anschlussdrähten verwendet werden. Die Goldmetallisierung kann für metallische Sinterpastenkontaktierung verwendet werden. Die Goldmetallisierungen kann für das Sintern von Kontaktpasten mit Anschlussdrähten eingesetzt werden. Die Einsatztemperatur von Lötverbindungen ist jedoch durch die Schmelztemperatur der Lote begrenzt. Hochbleihaltige Lote haben eine Schmelztemperatur von ca. 300°C und die meisten bleifreien Lote schmelzen bereits bei Temperaturen unter 230°C. Lötverbindungen sind bei häufigen Temperaturwechselbelastungen nicht ausreichend zuverlässig. Für höhere Einsatztemperaturen von 250°C bis 300°C oder höher ist die Kontaktierung mittels einer Sinterpaste möglich. Zusätzlich sind im Herstellprozess wesentlich höhere Temperaturen notwendig, da aufgrund der Einsatztemperatur eine Glasumhüllung statt einer Polymerumhüllung erforderlich ist. Diese Art der so hergestellten Sensorelemente ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, da die Elektrode als auch die Kontaktierungspaste aus Gold bestehen. Zusätzlich sind Prozesskosten aufgrund der Pastenaufbringung und -trocknung sowie dem anschließenden Einbrand der Paste sehr hoch.The metallization may be, for example, silver metallization or gold metallization. For example, silver or gold pastes can be applied to the support via a screen printing process followed by firing. The silver metallization can be used predominantly for solder joints with connecting wires. The gold metallization can be used for metallic sintered paste bonding. The gold metallizations Can be used for sintering contact pastes with connecting wires. The operating temperature of solder joints is limited by the melting temperature of the solders. High-lead solders have a melting temperature of approx. 300 ° C and most lead-free solders melt even at temperatures below 230 ° C. Solder joints are not sufficiently reliable during frequent thermal cycling. For higher operating temperatures of 250 ° C to 300 ° C or higher, contacting with a sintering paste is possible. In addition, much higher temperatures are necessary in the manufacturing process, since a glass envelope instead of a polymer sheath is required due to the operating temperature. However, this type of sensor elements produced in this way is associated with high costs, since the electrode as well as the contacting paste consist of gold. In addition, process costs are very high due to the paste application and drying and the subsequent penetration of the paste.
Bei der Zuleitung kann es sich um jedes Element handeln, das zur elektrischen Kontaktierung des keramischen Trägers geeignet ist. Beispielsweise kann die Zuleitung ein Draht, ein Bändchen, eine Litzenleitung oder ein Metallgewebe sein.The feed line can be any element which is suitable for making electrical contact with the ceramic carrier. For example, the feed line may be a wire, a ribbon, a stranded wire or a metal mesh.
Der keramische Träger kann an der weiteren Position frei von der Metallisierung sein. Der keramische Träger kann einen Grundkörper aufweisen, auf dem die Metallisierung aufgebracht ist. Die Zuleitung kann an der weiteren Position unmittelbar an dem Grundkörper des keramischen Trägers befestigt sein. Dadurch, dass die Zuleitung an der weiteren Position an dem Träger so befestigt ist, dass sie an der weiteren Position nicht auf der Metallisierung liegt, kann eine mechanische Beanspruchung der Verbindung der Zuleitung mit der Metallisierung reduziert werden.The ceramic carrier may be free of metallization at the further position. The ceramic carrier may have a base body on which the metallization is applied. The supply line may be attached to the further position directly on the main body of the ceramic carrier. The fact that the supply line is attached to the further position on the support so that it is not located on the metallization at the further position, a mechanical stress on the connection of the supply line with the metallization can be reduced.
Die Zuleitung kann ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen, wobei das erste Ende der Zuleitung an der Metallisierung befestigt ist und ein Abschnitt der Zuleitung, der an der weiteren Position mechanisch an dem Träger fixiert ist, zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende liegt. Eine auf das zweite Ende der Zuleitung wirkende Kraft kann somit zunächst von der Befestigung des Abschnitts an dem Träger absorbiert werden, bevor die Kraft auf das erste Ende wirkt, das an der Metallisierung befestigt ist.The lead may have a first end and a second end, the first end of the lead attached to the metallization, and a portion of the lead mechanically fixed to the support at the further position between the first end and the second end , Thus, a force acting on the second end of the lead can first be absorbed by the attachment of the portion to the support before the force acts on the first end attached to the metallization.
Die mechanische Fixierung der Zuleitung an dem keramischen Träger kann derart gestaltet sein, dass das die mechanische Fixierung die Befestigung der Zuleitung an der Metallisierung gegen eine Kraft, die auf die Zuleitung in eine Richtung senkrecht zu einer Oberfläche der Metallisierung von dem keramischen Träger weg wirkt, entlastet. Dementsprechend kann die Belastbarkeit des Sensors gegen Kräfte, die in die radiale Richtung auf die Zuleitung wirken, erhöht werden.The mechanical fixation of the lead to the ceramic support may be such that the mechanical fixation is the attachment of the lead to the metallization against a force acting on the lead in a direction perpendicular to a surface of the metallization away from the ceramic support. relieved. Accordingly, the load capacity of the sensor against forces acting in the radial direction on the supply line can be increased.
Die Zuleitung kann durch einen keramischen Zement, der mit dem keramischen Träger und der Zuleitung verbunden ist, an der einen weiteren Position relativ zu dem keramischen Träger mechanisch fixiert sein. Die Zuleitung kann durch einen Kleber, der mit dem keramischen Träger und der Zuleitung verbunden ist, an der einen weiteren Position relativ zu dem keramischen Träger mechanisch fixiert sein.The lead may be mechanically fixed by a ceramic cement bonded to the ceramic support and the lead at the one further position relative to the ceramic support. The lead may be mechanically fixed by an adhesive bonded to the ceramic support and the lead at the one further position relative to the ceramic support.
Der keramische Zement bzw. der Kleber können kraftschlüssig mit dem keramischen Träger und der Zuleitung verbunden sein. Durch die kraftschlüssige Verbindung kann eine elektrische Verbindungsstelle zwischen der Zuleitung und der Metallisierung auch vor einer Torsion der Zuleitung oder einem axialen Zug an der Zuleitung geschützt werden.The ceramic cement or the adhesive may be non-positively connected to the ceramic carrier and the supply line. Due to the non-positive connection, an electrical connection point between the supply line and the metallization can also be protected against a torsion of the supply line or an axial pull on the supply line.
Der keramische Zement bzw. der Kleber können kraftschlüssig mit dem keramischen Träger verbunden sein und die Zuleitung formschlüssig umgeben. Durch das vorschlüssige Umgeben der Zuleitung kann eine Bewegung der Zuleitung die radiale Richtung relativ zu dem Träger verhindert werden. Die formschlüssige Verbindung kann Bewegungen der Zuleitung in radiale Richtung in einem gewissen Umfang erlauben. Beispielsweise könnte die Zuleitung sich in die radiale Richtung ausdehnen oder zusammenziehen. Bei dieser Ausführungsform kann eine mechanische Belastung an der elektrischen Verbindungsstelle der Zuleitung mit der Metallisierung durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Trägers und der Zuleitung vermieden werden.The ceramic cement or the adhesive can be frictionally connected to the ceramic support and surround the supply line in a form-fitting manner. By precedently surrounding the supply line, a movement of the supply line, the radial direction can be prevented relative to the carrier. The positive connection can allow movements of the supply line in the radial direction to a certain extent. For example, the lead could expand or contract in the radial direction. In this embodiment, a mechanical stress at the electrical connection point of the feed line with the metallization can be avoided by different thermal expansion coefficients of the ceramic carrier and the feed line.
Der keramische Zement bzw. der Kleber können punktuell auf dem keramischen Träger und der Zuleitung angeordnet sein. Dabei können der keramische Zement bzw. der Kleber jeweils den Träger und die Zuleitung bedecken. Auf diese Weise kann eine Befestigung der Zuleitung an der weiteren Position mit einem minimalen Materialeinsatz ermöglicht werden.The ceramic cement or the adhesive can be arranged selectively on the ceramic support and the supply line. In this case, the ceramic cement or the adhesive cover each of the carrier and the supply line. In this way, an attachment of the supply line to the further position can be made possible with a minimum use of material.
Alternativ kann der keramische Zement bzw. der Kleber eine um den keramischen Träger umlaufende Spur bilden. Durch die Spur kann die Fläche, an der der keramische Zement bzw. der Kleber haftet, vergrößert werden. Ferner kann der keramische Zement bzw. der Kleber eine hohe Festigkeit aufweisen, so dass die Spur den Sensor mechanisch stabilisieren kann.Alternatively, the ceramic cement or adhesive can form a track running around the ceramic carrier. Through the track, the surface on which adheres the ceramic cement or the adhesive can be increased. Further, the ceramic cement or the adhesive may have a high strength, so that the track can mechanically stabilize the sensor.
Alternativ oder ergänzend kann die Zuleitung durch einen auf den keramischen Träger aufgeschobenen Körper, der den keramischen Träger und die Zuleitung umschließt, an der einen weiteren Position relativ zu dem keramischen Träger mechanisch fixiert sein. Der Körper kann dazu ausgestaltet sein, eine Bewegung der Zuleitung in die radiale Richtung relativ zu dem Träger zu verhindern. Der Körper kann die Zuleitung dazu beispielsweise formschlüssig umschließen. Bewegungen der Zuleitung in axiale Richtung könnten durch den Körper nicht eingeschränkt sein, so dass es nicht zu mechanischen Belastungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten kommt.Alternatively or additionally, the supply line can be mechanically fixed at a further position relative to the ceramic carrier by a body which is slid onto the ceramic carrier and encloses the ceramic carrier and the supply line be. The body may be configured to prevent movement of the lead in the radial direction relative to the carrier. The body can enclose the supply line, for example, positively. Movements of the supply line in the axial direction could not be restricted by the body, so that it does not come to mechanical loads due to different thermal expansion coefficients.
Der Körper kann aus einem keramischen Material bestehen. Der Körper kann aus dem gleichen Material bestehen wie ein Grundkörper des keramischen Trägers. Dementsprechend können der Körper und der Träger die gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bei Temperaturänderungen kann somit verhindert werden, dass mechanische Spannungen durch den Körper verursacht werden.The body may be made of a ceramic material. The body may be made of the same material as a body of the ceramic carrier. Accordingly, the body and the carrier may have the same thermal expansion coefficients. With temperature changes can thus be prevented that mechanical stresses are caused by the body.
Der Körper kann eine durchgehende Öffnung aufweist, durch die die Zuleitung verläuft. Auch der keramische Träger kann sich durch die durchgehende Öffnung des Körpers erstrecken. Dementsprechend kann die Öffnung einen Durchmesser aufweisen, der ausreicht, um den Träger und die Zuleitung aufzunehmen.The body may have a through opening through which the supply line passes. Also, the ceramic carrier may extend through the through opening of the body. Accordingly, the opening may have a diameter sufficient to receive the carrier and the lead.
Alternativ kann der Körper ein Sackloch aufweisen, das einen Anschlag definiert, an dem der keramische Träger anliegt. Alternatively, the body may have a blind hole defining a stop against which the ceramic carrier abuts.
Eine einseitig geschlossene Öffnung kann als Sackloch bezeichnete werden.An unilaterally closed opening can be referred to as a blind hole.
Die Zuleitung kann eine Verformung aufweisen, die mit der mechanischen Fixierung der Zuleitung an dem keramischen Träger zusammenwirkt und dadurch eine Bewegung der Zuleitung relativ zu dem keramischen Träger in eine axiale Richtung, die senkrecht zu der Flächennormale der Metallisierung ist, verhindert.The lead may have a deformation which cooperates with the mechanical fixing of the lead to the ceramic support and thereby prevents movement of the lead relative to the ceramic support in an axial direction which is perpendicular to the surface normal of the metallization.
Die Zuleitung kann an der Metallisierung durch eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung, eine Klebeverbindung oder eine Sinterverbindung mechanisch befestigt sein.The lead may be mechanically attached to the metallization by a solder joint, a welded joint, an adhesive joint or a sintered joint.
Bei dem Sensor kann es sich um einen Temperatursensor handeln, wobei das Sensorelement ein NTC-Thermistor ist.The sensor may be a temperature sensor, wherein the sensor element is an NTC thermistor.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beschrieben.
-
1 zeigt einen Sensor. -
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensors, bei dem eine Zuleitung zusätzlich an einem keramischen Träger fixiert ist im Querschnitt. -
3 zeigt die Oberseite des in2 gezeigten Sensors. -
4 zeigt eine Seitenansicht des in2 gezeigten Sensors. -
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensors im Querschnitt. -
6 zeigt einen Körper in einem Querschnitt. -
7 zeigt den in5 gezeigten Sensor in einer perspektivischen Ansicht von oben. -
8 zeigt eine Seitenansicht des in5 gezeigten Sensors. -
9 zeigt eine alternative Variante des zweiten Ausführungsbeispiels.
-
1 shows a sensor. -
2 shows a first embodiment of a sensor in which a supply line is additionally fixed to a ceramic support in cross section. -
3 shows the top of the in2 shown sensor. -
4 shows a side view of the in2 shown sensor. -
5 shows a second embodiment of a sensor in cross section. -
6 shows a body in a cross section. -
7 shows the in5 shown sensor in a perspective view from above. -
8th shows a side view of the in5 shown sensor. -
9 shows an alternative variant of the second embodiment.
Das Sensorelement
Ferner weist der Sensor
Das Ende des Trägers
Im Folgenden wird meist nur die auf der Oberseite des keramischen Trägers
Die Zuleitungen
Die Zuleitungen
Die Befestigung der Zuleitung
Um die geringere Belastbarkeit der mechanischen Befestigung der Zuleitung
Die Zuleitung
Der Sensor
Der keramische Zement
In beiden Fällen könnte der keramische Zement
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der keramische Zement jeweils punktuell auf dem keramischen Träger und der Zuleitung angeordnet. Dabei ist ein erster Klebepunkt auf einer Oberseite des Trägers
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der keramische Zement
Der keramische Zement
Statt des keramischen Zements
Der Körper
Die Fixierung der Zuleitung
Ferner kann die Zuleitung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Sensorsensor
- 22
- Sensorelementsensor element
- 33
- keramischer Trägerceramic carrier
- 44
- Grundkörperbody
- 55
- Metallisierungmetallization
- 66
- Drahtbrückejumper
- 77
- Glasumhüllungglass envelope
- 88th
- Zuleitungsupply
- 99
- keramischer Zementceramic cement
- 1010
- Körperbody
- 1111
- Öffnungopening
- 1212
- Sacklochblind
- 1313
- Verbindungsflächeinterface
- AA
- axiale Richtungaxial direction
- RR
- radiale Richtungradial direction
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