DE102018111884A1

DE102018111884A1 - Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere für Fühlelemente

Info

Publication number: DE102018111884A1
Application number: DE102018111884.8A
Authority: DE
Inventors: Petar Mitsev; Radostina H. Tsoneva; Nikolay K. Nikolov; Benny Van Daele; Peter Tilmans; Christiaan Baerts
Original assignee: Sensata Technologies Inc
Current assignee: Sensata Technologies Inc
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2018-12-06
Also published as: KR20180132537A; US20180348062A1; GB2565190B; GB2565190A; CN108981958B; GB201808771D0; KR102603003B1; CN108981958A; JP2018205315A; JP7185422B2; US10371581B2

Abstract

Ein Fühlelement für einen Temperatursensor, das ein Basisteil mit einem darauf aufgebrachten Platinmäander umfasst. Eine Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere (ADB) bedeckt den Mäander, um für Schutz vor Verschmutzung und für strukturelle Stabilisierung zu sorgen, wobei die Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere eine zusammenhängende polykristalline Schicht ist, die aus Aluminiumoxid und ungefähr 1 Gewichts-% eines Rutiladditivs hergestellt wird, um im Wesentlichen frei von Netzwerkporosität zu sein. Die zusammenhängende polykristalline Schicht umfasst Körner, wobei eine typische Korngröße in einem Bereich von 0,5-3 µm liegt. Ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere umfasst die Schritte: Kombinieren eines Nano-Aluminiumoxid- und Nano-Rutil-Pulvers, um eine Formulierung zu schaffen; Aufbringen der Formulierung auf den Platinmäander, um eine Schicht zu bilden; und Sintern der Schicht, um eine zusammenhängende polykristalline Schicht zu schaffen, die den Platinmäander bedeckt.

Description

Die erfindungsgemäße Offenbarung betrifft Fühlelemente, die großen Thermoschocks und/oder chemisch aggressiven Umgebungen ausgesetzt sind, und genauer Temperaturfühlelemente für Autoabgasmessanwendungen.
Emissionsbestimmungen sind eine wichtige Quelle zum Vorantreiben von Innovationen bei der Entwicklung sauberer arbeitender Motoren. Die Automobilindustrie hat viele Fortschritte bei der Motorkonstruktion, bei Motorsteuerungen, der Treibstoffeinspritzung und dergleichen gemacht, um die Emissionen zu verbessern. Die Abgasanlage war von besonderer Wichtigkeit dabei, Bestimmungen zu erfüllen und zu übertreffen. Um eine korrekte Funktion der Abgasanlage und des Motors insgesamt sicherzustellen, versorgen verschiedene Sensoren die Motorsteuerungen mit Information. Typische Sensoren umfassen Temperatursensoren, Drucksensoren und Sauerstoffsensoren (auch bekannt als Lambdasensoren).
Die Abgasanlage ist eine besonders schwierige Umgebung, um dort Sensoren einzusetzen. Typische Betriebstemperaturen reichen von der sehr kalten Umgebungstemperatur beim Start bis zu 750-1000°C während des Betriebs an heißen Stellen des Auspuffs. Die Thermoschocks können bis zu 1100Ks^-1 betragen, gemessen durch ein 0,75 mm Thermoelement. Ferner weist die Abgasanlage oftmals ätzende Gase auf, die ziemlich korrosiv sein können. Zusammen mit diesen schnellen Temperaturveränderungen und der chemisch aggressiven Umgebung ist eine beträchtliche Vibration nicht ungewöhnlich. Somit ist die Sensorlebensdauer oft beschränkt, und ein Ausfall kann eintreten. Ferner wird die Stabilität von Sensoren durch die andauernde Erwärmung (thermal soak) und den Thermoschock beeinträchtigt. Diese sogenannte Drift versieht den Sensormesswert mit einem Versatz, üblicherweise mit einem positiven Versatz, bezüglich der nominellen Reaktion.
Es gibt viele Typen von Temperatursensoren. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 5,831,512 (Patent '512), das am 3. November 1998 an Wienand et al. erteilt wurde, ein Widerstandsthermometer. Das Patent '512 verwendet einen Platinmäander oder -draht in einem schlangenförmigen Muster, um die Temperatur zu bestimmen. Ein Keramikplättchen wird zum Schutz auf den Platinmäander aufgebracht. Das US-Patent Nr. 8,333,506 , das am 18. Dezember 2012 an Kamenov et al. erteilt wurde, offenbart eine passende Beschichtung, um die Anordnung zu schützen. Das US-Patent Nr. 6,617,956 , das am 9. September 2003 an Zitzmann erteilt wurde, offenbart eine Zwischenschutzschicht mit einer darauf aufgebrachten Schutzglasur. Das US-Patent Nr. 6,353,381 , das am 5. März 2002 an Dietmann et al. erteilt wurde, offenbart eine Widerstandsschicht mit einer Diffusionsbarriere als Zwischenschicht und einer Passivierungsschicht, um die Widerstandsschicht vor atmosphärischer Verschmutzung aus der Umgebung zu schützen.
Angesichts des oben Stehenden besteht ein Bedarf nach einem Fühlelement, das ausreichend robust ist, um großen Temperaturschwankungen und starkem Thermoschock zu widerstehen.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Technologie ist ein Fühlelement für einen Temperatursensor, das umfasst: ein Basisteil oder Substrat, das Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Magnesiumtitanit (MgTiO₃) sein kann; eine Platinleiterbahn oder einen Platinmäander, die/der auf das Substrat aufgebracht ist; Leitungsdrähte mit Chipkontaktstellen, die elektrisch mit dem Pt-Mäander verbunden sind; eine Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere (ADB), die den Pt-Mäander bedeckt, um für Schutz vor Verschmutzung und für strukturelle Stabilisierung zu sorgen, wobei die Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere eine zusammenhängende polykristalline Schicht ist, die aus Aluminiumoxid und ungefähr 1 Gewichts-% eines Rutil- oder Anatasadditivs hergestellt wird, um im Wesentlichen frei von Netzwerkporosität zu sein. Das Fühlelement kann des Weiteren umfassen: eine Glasschicht, die auf die ADB aufgebracht ist; eine zweite Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere, die auf die Glasschicht aufgebracht ist; eine zweite Glasschicht, die auf die zweite Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere aufgebracht ist; eine Abdeckplatte, die auf die zweite Glasschicht aufgebracht ist; Fixierglas, das auf die Abdeckplatte aufgebracht ist; und einen Behälter, der das Basisteil, die Platinleiterbahn, die Leitungsdrähte, die Glasschichten, die Aluminiumoxid-Diffusionsbarrieren, die Abdeckplatte und das Fixierglas einschließt. Das Rutil- und/oder Anatasadditiv kann eine hochreaktive Form von Nano-TiO₂ sein.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Technologie ist ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere für ein Temperaturfühlelement, das einen Platinmäander ausweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Kombinieren eines Nano-Aluminiumoxid- und Nano-Rutil-Pulvers, um eine Formulierung zu schaffen; Aufbringen der Formulierung auf den Platinmäander, um eine Schicht zu bilden; und Sintern der Schicht, um eine zusammenhängende polykristalline Schicht zu schaffen, die den Platinmäander bedeckt. Das Nano-Aluminiumoxid-Pulver und das Nano-Rutil bestehen bevorzugt aus Partikeln, die typischerweise eine Größe von weniger als 150 nm haben. Mit anderen Worten ist der B50-Wert des Pulvers typischerweise kleiner oder gleich 150 nm. Das Verfahren kann des Weiteren den Schritt des Kombinierens von zumindest einem von einem Sinterpromotor, kleinem Fritteglas (minor fritted glass) und Magnesiumoxid (MgO) mit der Formulierung umfassen. Ein Verhältnis von Rutil zu Magnesiumoxid kann 2:1 betragen. Die Formulierung kann durch einen Planeten-Kugelmühlenprozess mit hoher Scherrate zubereitet und/oder unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses aufgebracht werden. Bei einer Ausführungsform ist die Schicht ungefähr 35 µm dick ist. Das Sintern ist typischerweise zwischen 1250-1350°C.
Noch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Technologie ist eine Diffusionsbarriere für ein Temperaturfühlelement, das einen Platinmäander aufweist, wobei die Diffusionsbarriere besteht aus: einer zusammenhängenden polykristallinen Schicht, die aus Aluminiumoxid und ungefähr 1 Gewichts-% eines Rutiladditivs hergestellt wird, um im Wesentlichen frei von Netzwerkporosität zu sein. Die zusammenhängende polykristalline Schicht kann Körner umfassen, wobei eine typische Korngröße in einem Bereich von 0,5-3 µm liegt. Die zusammenhängende polykristalline Schicht ist typischerweise zumindest 2 µm dick.
Es sollte beachtet werden, dass die erfindungsgemäße Technologie auf viele Weisen umgesetzt und verwendet werden kann, was ohne Einschränkung auch einen Prozess, eine Einrichtung, ein System, eine Vorrichtung und ein Verfahren für Anwendungen umfasst, die jetzt bekannt sind und später entwickelt werden. Diese und andere einzigartigen Merkmale des hier offenbarten Systems werden einfacher deutlich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Damit Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet, auf das sich die offenbarte Technologie bezieht, einfacher verstehen, wie selbige hergestellt und verwendet wird, kann man auf die folgenden Zeichnungen Bezug nehmen.

1 ist eine schematische Ansicht eines Motorsystems nach der erfindungsgemäßen Technologie.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung nach der erfindungsgemäßen Technologie.
3 ist eine Teilschnittansicht der Sensoranordnung aus 2.
4 ist eine perspektivische Ansicht des Fühlelements der Sensoranordnung aus 2.
5A ist eine auseinandergezogene Ansicht des Fühlelements der Sensoranordnung aus 2.
5B ist eine Querschnittsansicht des Fühlelements der Sensoranordnung aus 2.
6 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere nach der erfindungsgemäßen Technologie.
7 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Fotografie einer Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere nach der erfindungsgemäßen Technologie.
8 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Fotografie einer Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere nach dem Stand der Technik.
9 ist ein Graph der Drift verschiedener Temperatursensoren.
10 ist ein Graph der dynamischen Robustheit verschiedener Temperatursensoren bei verschiedenen Versuchstemperaturen.
11 ist ein Graph der Härte für verschiedene Sinterpromotoren in verschiedenen Qualitäten.

Die erfindungsgemäße Technologie überwindet viele der Probleme des Standes der Technik, die mit Sensoranordnungen assoziiert sind, und verbessert insbesondere die Robustheit des Fühlelements. Die Vorteile und andere Merkmale der hier offenbarten Technologie werden Durchschnittsfachleuten leichter aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bestimmten bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich, die repräsentative Ausführungsformen der vorliegenden Technologie darlegen, und in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Strukturelemente bezeichnen. Richtungsangaben, wie etwa nach oben, nach unten, rechts, links und dergleichen werden in Bezug auf die Figuren verwendet und sind nicht beschränkend gemeint.
In Kürze weist die erfindungsgemäße Technologie eine breite Anwendbarkeit auf jede Motoranwendung auf, weist aber eine besondere Anwendbarkeit auf die herausforderndsten und heißesten Anwendungen auf. Obwohl sich das unten stehende Beispiel auf eine Abgasrückführung (exhaust gas recirculation, EGR) bezieht, ist dies nur eines von vielen möglichen Anwendungen, wie Durchschnittsfachleuten klar wäre.
Bezug nehmend auf 1 wird dort eine schematische Ansicht eines Motorsystems 10 mit einer Abgasrückführung gezeigt. EGR ist zu einem bekannten Ansatz für niedrigere Abgasemissionen (z.B. Gas aus dem Auspuffrohr) geworden. EGR führt einen Anteil der aus dem Motor 12 kommenden Gase zurück, indem es die Abgasemissionen wieder in den Einlasskrümmer 14 bringt, wo der Motor 12 die Emissionen erneut verbrennen kann, wodurch die Emissionen reduziert werden. EGR ist eine besonders effektive Strategie, um NOx-Emissionen von Dieselmotoren zu steuern. EGR reduziert das NOx durch das Absenken der Sauerstoffkonzentration in der Brennkammer, wie auch durch Wärmeabsorption.
Die Abgasanlage 16 weist viele Komponenten einschließlich von Rohrleitungen und Einrichtungen auf, die in vereinfachter Weise in 1 gezeigt werden. Die Abgasanlage 16 fängt heiße Motoremissionen von dem Abgaskrümmer 18 für die nachfolgende Verarbeitung auf. Die Abgasanlage 16 führt die Emissionen selektiv zu einer variablen Turbinengeometrie (VTG) 22. Die VTG 22 weist einen Lufteinlass auf, um einen Niederdruck-EGR-Abschnitt 24 zu speisen. Es gibt ebenso ein Hochdruck-EGR-Kühlgerät 28 in einem Hochdruck-EGR-Abschnitt 26, das den Einlasskrümmer 14 speist. Das EGR-Kühlgerät 28 nutzt Motorkühlmittel, um Abgastemperaturen vor der Rückführung durch den Einlasskrümmer 14 zu reduzieren. Das Verringern der Motorverbrennungstemperatur hilft dabei, die Bildung von Stickstoffoxid-Schadstoffen (NOx) zu verhindern.
Jedoch tritt noch immer viel von den Emissionen aus der Abgasanlage 16 aus. Vor dem Austreten durchlaufen die Emissionen drei Katalysatoren 30a-c. Die Katalysatoren 30a-c können von jedem Typ und in jeder Anzahl vorhanden sein, wie etwa als ein Oxidationskatalysator (DOC), partikuläre Sauerstoffreinigung (particulate oxide purification, POC), Dieselpartikelfilter (DPF), NOC, NSC, SCRF, SCR, NST, DOC-DPF, NH3 und dergleichen, zum Oxidieren des Abgases und Entfernen von Abgasrußpartikeln, um schädliche Gasemissionen zu reduzieren. Bevorzugt gibt es auch ein zweites Niederdruck-EGR-Kühlgerät 32, um dem VTG 22 zusätzlich Luft zuzuführen.
Das Motorsteuersystem (nicht gezeigt) interagiert mit diesen Komponenten und überwacht verschiedene Parameter unter Verwendung einer Mehrzahl von Sensoren. Die folgende Beschreibung betrifft Temperatursensoren, jedoch versteht es sich, dass die erfindungsgemäße Technologie auf jeden Typ Sensor anwendbar ist, was ohne Beschränkung Drucksensoren, kombinierte Temperatur- und Drucksensoren und Sauerstoffsensoren umfasst. Die Abgasanlage 16 weist eine Mehrzahl von Temperatursensoren 100a-j auf, die untereinander austauschbar sein können oder auch nicht. Des Weiteren kann das Motorsystem 10 ein existierendes Motorsystem sein, das Temperatursensoren gemäß der erfindungsgemäßen Technologie aufweist, die darin nachgerüstet sind.
Nimmt man nun Bezug auf 2, wird eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung 100 nach der erfindungsgemäßen Technologie gezeigt. Die Sensoranordnung 100 weist eine Abschirm-/Gehäuseanordnung 102 mit einem Abschnitt 104 zur Verbindung mit der Abgasanlage 16 oder einer anderen Stelle, wie gewünscht, auf. Ein Kabel 106 erstreckt sich aus der Abschirm-/Gehäuseanordnung 102 und endet in einer elektrischen Verbindungseinrichtung 108. Typischerweise würde die elektrische Verbindungseinrichtung 108 zwei Stifte aufweisen (nicht gezeigt).
Eine Teilschnittansicht eines distalen Abschnitts 110 der Sensoranordnung 100 wird in 3 gezeigt. Der distale Abschnitt 110 des Gehäuses 102 umschließt ein Fühlelement 130, das in einer isolierten Perspektivansicht in 4 gezeigt wird. Das Fühlelement 130 weist einen Behälter 132 auf, wobei sich Leitungen 134 daraus erstrecken. Die Leitungen 134 können sich über die gesamte Strecke bis zur proximalen elektrischen Verbindungseinrichtung 108 erstrecken oder sich an Drähte für zusätzliche Länge koppeln. Der distale Abschnitt 110 ist mit Isoliermaterial 112 gefüllt. Bevorzugt ist der Verbindungsabschnitt 104 mit einem Gewinde versehen, um einen abgedichteten Eingriff in der Abgasanlage 16 zu ermöglichen.
Nimmt man nun Bezug auf die 5A und 5B, werden dort auseinandergezogene und Querschnittsansichten des Fühlelements 130 der Sensoranordnung 100 gezeigt. Das Fühlelement 130 weist ein Basisteil oder Substrat 136 auf, das Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Magnesiumtitanit (MgTiO₃) sein kann. Eine Platinleiterbahn oder ein Platinmäander 138 wird durch Sputtern, Dampfbeschichtung oder Aufdrucken auf das Substrat 136 aufgebracht. Der Pt-Mäander 138 kann eine Vielzahl von Formen und Größen aufweisen, jedoch ist ein schlangenförmiges Muster bevorzugt. Bei einer Ausführungsform verbinden Chipkontaktstellen (nicht gezeigt) den Pt-Mäander 138 elektrisch mit den Leitungsdrähten 134.
Da der Pt-Mäander 138 relativ empfindlich und katalytisch aktiv ist, wird Schutz benötigt. Eine Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere (ADB) 140 bedeckt den Pt-Mäander 138, um für Schutz vor Verschmutzung und für strukturelle Stabilisierung zu sorgen. Eine Abdeckplatte 148 wird auf die ADB 140 aufgebracht. Fixierglas 150 wird dann auf die Abdeckplatte 148 aufgebracht, wobei der gesamte Stapel in dem Behälter 132 eingeschlossen wird (siehe 4). In einer weiteren Ausführungsform können zusätzliche Glasschichten, Aluminiumoxidbarrieren und dergleichen aufgebracht werden.
Nimmt man nun Bezug auf 6, wird dort ein Ablaufdiagramm 200 eines Verfahrens zur Herstellung einer Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere nach der erfindungsgemäßen Technologie gezeigt. Bei einer Ausführungsform ist die ADB eine siebdruckfähige Dickfilmpastenformulierung, die ein hochreines Nano-Aluminiumoxid-Pulver plus 1 Gewichts-% eines Rutiladditivs umfasst. Die typische Filmdicke ist 35 µm mit einer Toleranz von 5 µm. Bevorzugt ist das Rutil- oder Anatasadditiv eine hochreaktive Form von Nano-TiO₂. Nano-Aluminiumoxid-Pulver und Nano-Rutil bestehen im Wesentlichen aus Partikeln, die typischerweise eine Größe von weniger als 150 nm haben. Bei einer Ausführungsform bestehen das Nano-Aluminiumoxid-Pulver und das Nano-Rutil im Wesentlichen aus Partikeln, die typischerweise eine Größe von weniger als 50 nm haben. Das Rutiladditiv fördert das Sintern bei einer Temperatur, die wesentlich unter der von purem Nano-Aluminiumoxid liegt. Somit ist das ADB ein keramikreiches Komposit mit hoher thermodynamischer Leitungsfähigkeit.
Bei Schritt 202 werden das Nano-Aluminiumoxid und das Nano-Rutil-Pulver kombiniert. Beispielsweise werden das Nano-Aluminiumoxid und das Nano-Rutil-Pulver gemischt, um eine Paste zu bilden.
Bei Schritt 204 können zusätzliche Additive wie gewünscht hinzugefügt werden, abhängig von der Anwendung. Zusätzliche Additive können Sinterpromotoren, kleines Fritteglas, Magnesiumoxid (MgO), Magnesiumtitanit (MgTiO₃) und dergleichen umfassen. Bei einer Ausführungsform beträgt das Verhältnis von Rutil zu Magnesiumoxid 2:1. Die Formulierung kann eine dielektrische Paste mit guter Kolloiddispersion und Benetzung sein. Bevorzugt wird die Formulierung durch einen Planeten-Kugelmühlenprozess mit hoher Scherrate zubereitet.
Bei Schritt 206 wird die gewünschte Formulierung wie gewünscht auf den Platinmäander, die Glasschicht oder eine andere Stelle aufgebracht. Bevorzugt wird die Formulierung unter Verwendung eines Abscheideprozesses aufgebracht, wie etwa durch Laserstrahlverdampfen oder ionenstrahlgestützte Abscheidung. Die Formulierung kann auch durch Siebdruck aufgebracht werden. Bei einer Ausführungsform ist/sind die abgeschiedene(n) Schicht(en) 35 µm dick. Es ist vorgesehen, dass die Schicht jede Dicke aufweisen kann, wie etwa weniger als 1 µm dick oder dicker als 50 µm. Typischerweise ist die Schicht 7-35 µm dick. Durch Reduzieren der Dicke werden die Belastungen, die über dem Fühlelement und insbesondere dem empfindlichen Platinmäander ausgeübt werden, minimiert.
Bei Schritt 208 wird die aufgebrachte Formulierung gesintert, um eine zusammenhängende polykristalline Schicht zu erzeugen. In einer Ausführungsform ist das Sintern zwischen 1250-1350°C. In einer weiteren Ausführungsform wird die Schicht bei 1050°C gesintert. Die typische Partikelgröße beträgt 400 nm bis 1 µm.
Nimmt man nun Bezug auf 7, wird dort eine Rasterelektronenmikroskop-Fotografie 300 (scanning electron microscope, SEM) einer ADB nach der erfindungsgemäßen Technologie gezeigt. Die Fotografie 300 ist die einer zusammenhängenden polykristallinen Schicht, die frei oder im Wesentlichen frei von Netzwerkporosität ist. Die Adhäsion und Kohäsion sind im Vergleich zu Schutzschichten des Standes der Technik signifikant erhöht. Somit ergibt die ADB der 7 eine verbesserte Diffusionsbarriere und strukturelle Stabilität, und damit wiederum eine verbesserte Stabilität des Fühlelements.
Die ADB der 7 weist eine Körnung auf, wobei die typische Körnergröße im Bereich 0,5-3 µm liegt. Die Körner 300a, 300b sind relativ gleichmäßig verteilt, wobei einige der größeren Körner 300a mehr als 3 µm und viele der kleineren Körner 300b weniger als 1 µm groß sind. Die Körner 300a, 300b sind dicht gepackt, so dass auch sehr dünne Schichten eine begrenzte Porosität aufweisen, wenn überhaupt.
8 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Fotografie 400 einer Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere nach dem Stand der Technik. Die Diffusionsbarriere des Standes der Technik kann Aluminiumoxid, Glas oder andere Oxid-Ansätze sein. Körner 402 in der Fotografie sind typischerweise kleiner als 1 µm, viel kleiner und so locker gepackt, dass eine signifikante Porosität erzeugt wird. Mit anderen Worten liegen signifikante Öffnungen 404 durch die Barriereschicht hindurch vor. Somit wäre ein darunterliegender Platinmäander Verschmutzung ausgesetzt, was eine Drift des Fühlelements bewirkt.
Nimmt man nun Bezug auf 9, wird ein Graph 500 der Drift verschiedener Temperatursensoren gezeigt. Um die Daten zu sammeln, wurde ein Drifttest bei 400°C durchgeführt, nachdem die Testvorrichtungen für 120 Stunden bei 900°C gealtert wurden. Die vertikale Achse ist die Temperaturdrift in Grad Celsius. Drift ist ein Ausdruck von Stabilität, der darstellt, wie stark ein Fühlelement von einem ursprünglichen Messwert abweicht, typischerweise nach einer bestimmten Zeit. Ein erstes Fühlelement des Standes der Technik weist eine Drift von 3-4°C auf, wie durch die erste Aufzeichnung 502 gezeigt wird. Ein zweites Fühlelement des Standes der Technik weist eine Drift von 1,5 bis über 3,3°C auf, wie durch die zweite Aufzeichnung 504 gezeigt wird. Demgegenüber weist ein Fühlelement nach der erfindungsgemäßen Technologie eine Drift von weniger 2°C bis maximal ungefähr 1,75°C auf, wie durch die dritte Aufzeichnung 506 gezeigt wird. Eine solche Verbesserung demonstriert, wie die erfindungsgemäße Technologie ein signifikanter Fortschritt ist. Wenn die Spezifikation beispielsweise eine Drift unterhalb von 3,7°C ist, läge die erfindungsgemäße Technologie gut innerhalb der Spezifikation. Die Spezifikation kann von der spezifischen Anwendung und den Anforderungen abhängen.
Nimmt man nun Bezug auf 10, wird dort ein Graph 600 der dynamischen Robustheit verschiedener Temperatursensoren gezeigt. Der Graph 600 trägt die Einheitsdrift (unity drift) (vertikale Achse in Grad Celsius) gegen eine Anzahl Zyklen (horizontale Achse) in vier Ausschnitten 602 a-d auf. Im Ausschnitt 602a beziehen sich die Daten auf eine Testtemperatur von 0°C. Die Ausschnitte 602b-d weisen Daten auf, die sich auf Testtemperaturen von 100, 400 bzw. 800°C beziehen. Dynamische Robustheit wird in Einheitsdrift ausgedrückt. Die Dynamik in 10 ist die Art von Alterungsversuch, nämlich thermomechanische Wechselbeanspruchung. Die Drift wird bei mehreren Temperaturen als eine Funktion der Zyklen im thermomechanischen Wechselbeanspruchungsversuch gemessen. Die Drift ist geringer bei der neuen Gruppe, die eine Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere nach der erfindungsgemäßen Technologie aufweist, verglichen mit einer Referenzgruppe. Eine Legende 604 verdeutlicht, wie die Datenpunkte der neuen Gruppe durch Quadrate bezeichnet werden, verglichen mit der Referenzgruppe oder alten Gruppe, die durch Kreise bezeichnet werden.
Es wurden zusätzliche Sensordaten unter Verwendung eines Hochtemperatur-Alterungsversuchs erfasst. Dieser Versuch umfasste das Altern über 24 Stunden mit andauernder Erwärmung, kombiniert mit einem angelegten elektrischen Feld von 5 Volt. Sensoren nach der erfindungsgemäßen Technologie verbesserten sich um eine Größenordnung im Vergleich mit den Referenzsensoren des Standes der Technik.
In einer weiteren Ausführungsform weist die ADB eine Kombination von Sinterpromotoren auf, die mit kleinem Fritteglas und Magnesiumoxid (MgO) ergänzt werden. Andere Bestandteile können ebenfalls hinzugefügt werden, wie etwa Titandioxid (TiO₂). Ein bevorzugtes Verhältnis von Titandioxid zu Magnesiumoxid beträgt 2:1.
Nimmt man nun Bezug auf 11, wird ein Graph 900 der Härte für verschiedene Sinterpromotoren in verschiedenen Qualitäten gezeigt. Härte ist auf der vertikalen Achse, gegen Titandioxidgehalt auf der horizontalen Achse. Fünf verschiedene Formulierungen wurden beim Variieren des Verhältnisses von Titandioxid zu Magnesiumoxid ausprobiert. Wie oben angemerkt, wird ein Verhältnis von Titandioxid zu Magnesiumoxid von 2:1 bevorzugt, wie durch die Markierung 902 auf dem Graphen 900 bezeichnet. Zusätzliche Markierungen 902, 904, 906, 908 werden für die anderen vier Formulierungen gezeigt.
Es ist vorgesehen, dass Temperatursensoren gemäß der erfindungsgemäßen Technologie in jedem existierenden System nachgerüstet werden können, wie auch in den Entwurf neuer Systeme integriert werden können. Andere Sensorkonstruktionen können ebenfalls von den hier vorhandenen Lehren profitieren. Beispielsweise kann eine einzige Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere alles sein, was benötigt wird. Obwohl die erfindungsgemäße Technologie in Bezug auf das Gebiet von Temperatursensoren beschrieben wurde, stellt man sich vor, dass die erfindungsgemäße Technologie gleichermaßen auf andere Gebiete und Anwendungen anwendbar wäre, wie an jeder Art von Sensor, einschließlich von Drucksensoren.
Durchschnittsfachleute werden erkennen, dass die Funktion mehrerer Elemente in alternativen Ausführungsformen durch weniger Elemente oder ein einziges Element durchgeführt werden können. Bei einigen Ausführungsformen kann in ähnlicher Weise jedes Funktionselement weniger oder andere Tätigkeiten durchführen als die, die in Bezug auf die dargestellte Ausführungsform beschrieben wurden. Auch können Funktionselemente (z.B. Schichten, Gehäuse, Behälter, Platten und dergleichen), die zum Zwecke der Verdeutlichung als abgegrenzt dargestellt werden, in einer besonderen Umsetzung in andere Funktionselemente integriert werden.
Alle hier offenbarten Patente, Patentanmeldungen und andere Quellen werden hiermit ausdrücklich in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme umfasst. Während die erfindungsgemäße Technologie in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, werden Fachleute ohne weiteres erkennen, dass verschiedene Veränderungen und/oder Abwandlungen an der erfindungsgemäßen Technologie durchgeführt werden können, ohne vom Geist oder Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert ist. Beispielsweise kann jeder Anspruch von jedem Anspruch oder von allen Ansprüchen in einer mehrfach abhängigen Weise abhängig sein, auch wenn Derartiges nicht ursprünglich beansprucht wurde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8333506 [0004]
US 6617956 [0004]
US 6353381 [0004]

Claims

Fühlelement für einen Temperatursensor, umfassend: ein Substrat; eine Platinleiterbahn oder einen Platinmäander, die/der auf das Substrat aufgebracht ist; Leitungsdrähte mit Chipkontaktstellen, die elektrisch mit dem Pt-Mäander verbunden sind; eine Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere (ADB), die den Pt-Mäander bedeckt, um für Schutz vor Verschmutzung und für strukturelle Stabilisierung zu sorgen, wobei die Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere eine zusammenhängende polykristalline Schicht ist, die aus Aluminiumoxid und ungefähr 1 Gewichts-% eines Rutiladditivs hergestellt wird, um im Wesentlichen frei von Netzwerkporosität zu sein.
Fühlelement nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: eine Glasschicht, die auf die ADB aufgebracht ist; eine zweite Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere, die auf die Glasschicht aufgebracht ist; eine zweite Glasschicht, die auf die zweite Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere aufgebracht ist; eine Abdeckplatte, die auf die zweite Glasschicht aufgebracht ist; Fixierglas, das auf die Abdeckplatte aufgebracht ist; und einen Behälter, der das Basisteil, die Platinleiterbahn, die Leitungsdrähte, die Glasschichten, die Aluminiumoxid-Diffusionsbarrieren, die Abdeckplatte und das Fixierglas einschließt.
Fühlelement nach Anspruch 1, wobei das Rutil- oder Anatasadditiv eine hochreaktive Form von Nano-TiO₂ ist.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxid-Diffusionsbarriere für ein Temperaturfühlelement, das einen Platinmäander auf einem Substrat aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Kombinieren eines Nano-Aluminiumoxid- und Nano-Rutil-Pulvers, um eine Formulierung zu schaffen; Aufbringen der Formulierung auf den Platinmäander, um eine Schicht zu bilden; und Sintern der Schicht, um eine zusammenhängende polykristalline Schicht zu schaffen, die den Platinmäander auf dem Substrat bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Nano-Aluminiumoxid-Pulver und das Nano-Rutil im Wesentlichen aus Partikeln bestehen, die typischerweise eine Größe von weniger als 150 nm haben.
Verfahren nach Anspruch 4, das des Weiteren den Schritt des Kombinierens von zumindest einem von einem Sinterpromotor, kleinem Fritteglas und Magnesiumoxid (MgO) mit der Formulierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Verhältnis von Rutil zu Magnesiumoxid 2:1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Formulierung durch einen Planeten-Kugelmühlenprozess mit hoher Scherrate zubereitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Formulierung unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Schicht ungefähr 2 µm dick ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Sintern zwischen 1250-1350°C ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Substrat aus der Gruppe, die aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Magnesiumtitanit (MgTiO₃) besteht, ausgewählt wird.
Diffusionsbarriere für ein Temperaturfühlelement, das einen Platinmäander aufweist, wobei die Diffusionsbarriere besteht aus: einer zusammenhängenden polykristallinen Schicht, die aus Aluminiumoxid und ungefähr 1 Gewichts-% eines Rutiladditivs hergestellt wird, um im Wesentlichen frei von Netzwerkporosität zu sein.
Diffusionsbarriere nach Anspruch 13, wobei die zusammenhängende polykristalline Schicht Körner umfasst, wobei eine typische Korngröße in einem Bereich von 0,5-3 µm liegt.
Diffusionsbarriere nach Anspruch 13, wobei die zusammenhängende polykristalline Schicht zumindest 2 µm dick ist.