DE102017203536B4

DE102017203536B4 - Sensorelement mit Drahtführung

Info

Publication number: DE102017203536B4
Application number: DE102017203536.6A
Authority: DE
Inventors: Nils Kiesewetter; Olaf Kiesewetter
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2037-03-04
Also published as: DE102017203536A1

Abstract

Sensorelement mit Drahtführung, bei dem auf einem Substrat (1) eine sensitive Schicht (4) und Sensoranschlussdrähte (5) angeordnet sind, wobei die sensitive Schicht (4) auf der Oberseite des Substrats (1) angeordnet ist, von der die Sensoranschlussdrähte (5) an die Stirnseite des Substrats (1) führen, an der eine Verbindungsstelle (2), zur Verbindung der Sensoranschlussdrähte (5) mit den Anschlussleitungen (3) angeordnet ist, wobei die Anschlussleitungen (3) in Ausnehmungen verlaufen, die an der Substratunterseite des Sensorelements angebracht sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement mit Drahtführung, bei dem auf einem Substrat eine sensitive Schicht und Sensoranschlussdrähte angeordnet sind.
Für derartige Sensorelemente besteht eine Vielzahl von Applikationen in zahlreichen Anwendungsfeldern.
Insbesondere werden solche Sensorelemente als Temperatur- oder Gassensoren verwendet.
In DE 10 2007 011 535 A1 ist ein Hochtemperatursensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben, bei dem ein Hochtemperaturchip in einer Keramikhülse angeordnet ist und bei dem die Anschlussdrähte mit einem mechanischen Schutz versehen sind, wobei der Hochtemperaturchip in einer Hochtemperaturzementschicht angeordnet ist. Die Anschlussdrähte können dabei mit Schutzdrähten umwickelt und verschweißt sein. Bei diesem bekannten Hochtemperatursensor, der insbesondere zur Messung der Abgastemperatur von Kraftfahrzeugen geeignet ist, ist auf einem Substrat eine sensitive Schicht angeordnet und Anschlussdrähte führen an die Stirnseite des Substrats, wobei Anschlussleitungen um das Substrat herumgeführt werden.
Bei den bekannten Anordnungen besteht die Gefahr, dass sich bei der Montage oder infolge mechanischer Beanspruchungen die Schutzdrähte oder die Anschlussdrähte berühren und Kurzschlüsse verursachen.
Ferner ist in EP 2 154 493 A2 ein 300°C-Flowsensor beschrieben, bei dem auf einem keramischen Träger an dessen Ende ein Schichtwiderstand eingesetzt ist, von dem aus eine elektrische Verbindung zum anderen Ende des keramischen Trägers geführt wird, die in Nuten des keramischen Trägers verlaufen.
In DE 10 2005 024 865 B3 ist ein Hochtemperaturmesselement beschrieben, das mit seinen Anschlussdrähten mit Anschlussdrähten einer Anschlussleitung verbunden ist. Die Anschlussleitungen des Messelements und die Anschlussdrähte der Anschlussleitung verlaufen in einem Trägerelement, das mit Ausnehmungen für die Anschlussdrähte versehen ist.
Bei den beschriebenen Anordnungen können bei der Montage Lageveränderungen hervorgerufen werden, die mechanische Spannungen hervorrufen und zu Drahtrissen führen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem Kurzschlüsse der Anschlussdrähte und/oder der Anschlussleitungen sowie mechanische Spannungen an den Drähten weitgehend vermieden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Sensorelement, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement ist die sensitive Schicht auf der Oberseite des Substrates angeordnet. Von der Substratoberseite führen Sensoranschlussdrähte an die Stirnseite des Substrats und sind dort mit Anschlussleitungen verbunden. Die Anschlussleitungen verlaufen in Ausnehmungen, die in der Substratunterseite angeordnet sind. Damit wird sicher verhindert, dass sich die Anschlussleitungen berühren und Kurzschlüsse zwischen den Anschlussleitungen sowie mechanische Spannungen an den Drähten werden ausgeschlossen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Anschlussleitungen mit den Sensoranschlussdrähten umwickelt und verschweißt. Dadurch sind die Anschlussleitungen mit den damit verbundenen Sensoranschlussdrähten auch gegenüber mechanischen Beanspruchungen, wie Stoß- oder Schwingungsbeanspruchungen, geschützt.
Vorzugsweise sind die Ausnehmungen als Schlitze ausgebildet, die in die Substratunterseite eingearbeitet sind.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Ausnehmungen als seitliche Freischnitte ausgebildet sind, die durch einen Steg getrennt sind.
Das Sensorelement kann von einer einseitig geschlossenen temperaturbeständigen Umhüllung umgeben sein, mit der das Sensorelement mechanisch und thermisch geschützt wird.
Ferner ist es möglich, dass das Sensorelement von einem thermisch hoch belastbaren keramischen Hüllmaterial umschlossen ist, welches beispielsweise durch Umspritzen aufgebracht wurde.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht hierzu vor, dass das hitzebeständige Material, das zur Umhüllung des Sensorelements verwendet wird, gegenüber Temperaturen beständig ist, die höher sind als die Temperatur, die bei dem thermischen Prozess verwendet wurde, mit dem die Umhüllung erzeugt wurde.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die Anschlussleitungen seitlich vom Sensorelement in einer Ebene verlaufen, die sich gegenüber dem Bereich, in dem die Anschlussleitungen im Sensorelement geführt sind, unterscheiden. Es ist auch möglich, die Anschlussleitungen an der Austrittsstelle vom Sensor abzuwinkeln. Damit werden mechanische Spannungen vom Sensorelement und der Verbindungsstelle von Sensoranschlussdrähten und Anschlussleitungen verhindert. Vorzugsweise werden diese Ausführungen bei Ausführungen verwendet, bei denen das Sensorelement von einem Hüllmaterial umgeben ist.
Auf der Oberseite des Sensorelements können verschiedene sensitive Schichten angebracht sein. Insbesondere ist das Sensorelement für Temperatursensoren mit einer elektrischen Widerstandsschicht sowie für Sensoren mit mindestens einer gassensitiven Schicht geeignet. Es können auch Widerstandsmessschichten und/oder mindestens eine gassensitive Schichte angeordnet sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 eine Sicht auf die Oberseite des Substrats,
2 eine Sicht auf die Unterseite des Substrats mit Anschlussleitungen, die von Sensoranschlussdrähten umwickelt sind,
3 eine Sicht auf die Unterseite des Substrats mit eingearbeiteten Nuten,
4 die Sicht auf einen Querschnitt durch die in 3 dargestellte Ausführung,
5 eine Sicht auf die Unterseite des Substrats mit eingearbeiteten Freischnitten und einem Verbindungssteg,
6 die Sicht auf einen Querschnitt durch die in 5 dargestellte Ausführung,
7 einen Querschnitt durch eine Ausführung, die mit einer rohrförmigen Umhüllung versehen ist und
8 einen Querschnitt durch eine Ausführung, bei der das Sensorelement vollständig in ein hitzebeständiges keramisches Material eingebettet ist.

In 1 ist eine Draufsicht auf die Oberseite des Substrats 1 dargestellt. Auf der Oberseite befindet sich eine sensitive Schicht 4 mit Sensoranschlussdrähten 5, welche an die Stirnseite des Substrats 1 geführt werden und dort an der Verbindungsstelle 2 die Anschlussleitungen 3 umwickeln. Die Sensoranschlussdrähte 5 sind damit mechanisch fest und elektrisch leitend mit den Anschlussleitungen 3 verbunden. Vorzugsweise sind die Drähte an der Verbindungsstelle 2 miteinander verschweißt, insbesondere laserverschweißt.
2 zeigt die Ansicht der Unterseite des Substrats 1. Die Sensoranschlussdrähte 5 sind an der Verbindungsstelle 2 um die Enden der Anschlussleitungen 3 gewickelt und miteinander verschweißt.
In 3 ist eine Ausführung dargestellt, bei der in die Unterseite des Substrats 1 Nuten 1.1 eingearbeitet sind, in denen die Anschlussleitungen 3 geführt werden. Die Sensoranschlussdrähte 5 sind mit den Anschlussleitungen 3 elektrisch und mechanisch verbunden.
In 4 ist ein Querschnitt durch die in 3 erläuterte Ausführung dargestellt. Im dargestellten Fall verlaufen die Anschlussleitungen 3 vollständig innerhalb des Substrats 1.
5 zeigt eine Ausführung, bei der an der Unterseite des Substrats 1 seitliche Freischnitte 1.2 angebracht sind, die durch einen Steg 1.3 getrennt sind. Die Anschlussleitungen 3 verlaufen seitlich des Steges 1.3 und sind somit sicher vor Berührung und Kurzschluss geschützt.
In 6 ist ein Querschnitt durch die in 5 erläuterte Ausführung dargestellt.
7 zeigt eine Ausführung, bei der das Sensorelement von einem einseitig geschlossenen Keramikrohr 6 umgeben ist. Auf der Oberseite des Substrats 1 befindet sich die sensitive Schicht 4, von der die Sensoranschlussdrähte 5 zur Stirnseite des Substrats 1 geführt werden und dort mit den Anschlussleitungen 3 mechanisch und elektrisch leitend verbunden sind. Die Anschlussleitung 3 verläuft an der Unterseite des Substrats 1 in der Nut 1.1. In dem hier dargestellten Fall ist die Anschlussleitung 3 an der Eintrittsstelle zur Nut 1.1 und an der Austrittsstelle von der Nut 1.1 mit einer Biegung versehen. Damit werden Zugbeanspruchungen an der Verbindungsstelle 2 vermieden.
8 zeigt eine Ausführung, bei der das Sensorelement vollständig in einer Einbettung 7 aus einem hitzebeständigen keramischen Material angeordnet ist. Damit kann ein besonders wirksamer Schutz des Sensorelements gewährleistet werden. Außerdem ist dabei die kostengünstige Herstellung durch Umspritzen des Sensorelements mit dem keramischen Material sehr vorteilhaft.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
1.1: Nut
1.2: Freischnitt
1.3: Steg
2: Verbindungsstelle
3: Anschlussleitung
4: sensitive Schicht
5: Sensoranschlussdraht
6: Keramikrohr
7: Einbettung

Claims

Sensorelement mit Drahtführung, bei dem auf einem Substrat (1) eine sensitive Schicht (4) und Sensoranschlussdrähte (5) angeordnet sind, wobei die sensitive Schicht (4) auf der Oberseite des Substrats (1) angeordnet ist, von der die Sensoranschlussdrähte (5) an die Stirnseite des Substrats (1) führen, an der eine Verbindungsstelle (2), zur Verbindung der Sensoranschlussdrähte (5) mit den Anschlussleitungen (3) angeordnet ist, wobei die Anschlussleitungen (3) in Ausnehmungen verlaufen, die an der Substratunterseite des Sensorelements angebracht sind.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleitungen (3) mit den Sensoranschlussdrähten (5) umwickelt und verschweißt sind.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Substrats (1) zusätzlich Messelektroden angeordnet sind.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen als Nuten (1.1) ausgebildet sind.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen als seitliche Freischnitte (1.2) ausgebildet sind, die durch einen Steg (1.3) getrennt sind.
Sensorelement nach einem der vorhergehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement von einem hitzebeständigen Material umgeben ist.
Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement von einem hitzebeständigen keramischen Material vollständig umschlossen ist.
Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das hitzebeständige Material nach einem thermischen Prozess zur Umhüllung des Sensorelements eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist, als die beim thermischen Prozess verwendete Temperatur.
Sensorelement nach einem der vorhergehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (4) eine elektrische Widerstandsschicht ist.
Sensorelement nach einem der vorhergehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (4) mindestens eine gassensitive Schicht ist.