DE10208533B4

DE10208533B4 - Verfahren zum Abgleichen des Widerstandes einer Widerstandsbahn

Info

Publication number: DE10208533B4
Application number: DE2002108533
Authority: DE
Inventors: Thomas Wahl; Lothar Diehl; Juergen Sindel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: DE10208533A1; JP2003257707A

Abstract

Verfahren zum Abgleichen des Widerstands einer in einem Schichtverbund (10; 10') eines Meßfühlers einliegenden Widerstandsbahn (19; 21) auf einen Vorgabewert, bei dem die Widerstandsbahn (19; 21) im Schichtverbund (10; 10') so ausgebildet wird, daß sie einen bezogen auf den Vorgabewert kleineren Widerstand aufweist, und durch Behandlung der Widerstandsbahn (19; 21), deren Widerstand auf den Vorgabewert vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Widerstandsvergrößerung der Schichtverbund (10; 10') mittels Mikrowelleneinstrahlung erhitzt wird, und daß die Widerstandsbahn (19; 21) mit einer Dicke hergestellt wird, die etwas größer ist als die rechnerische Dicke, die für einen Widerstand mit dem Vorgabewert erforderlich ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Abgleichen des Widerstands einer in einem Schichtverbund eines Meßfühlers eingebetteten Widerstandsbahn auf einen Vorgabewert nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Schichtverbunde mit eingebetteter Widerstandsbahn werden in verschiedenen Applikationen eingesetzt, so in Temperaturfühlern, z.B. zur Messung der Abgastemperatur in Brennkraftmaschinen, wie sie aus der DE 37 33 192 C1 bekannt sind, oder in Heizeinrichtungen zur Erhöhung der Meßgenauigkeit von Lambdasonden für die Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, wie sie z.B. aus der DE 198 38 466 A1 oder DE 199 41 051 A1 bekannt sind. Bei solchen Temperaturfühlern ist es erforderlich, daß der meist hochohmige PTC-Widerstand der Widerstandsbahn, die zwischen Keramikfolien aus Aluminiumoxid oder einem Festelektrolyt, wie Zirkonoxid, eingebettet ist, fertigungsbedingt in einem extrem kleinen Toleranzbereich liegt, um in der Serie immer eine möglichst genaue Temperaturmessung sicherzustellen. Bei Heizeinrichtungen für Lambdasonden erfordert eine ausreichende Meßgenauigkeit eine Regelung der Heizeinrichtung, um die Betriebstemperatur der Lambdasonde konstant zu halten. Auch hierfür ist es notwendig, daß der meist niederohmige Widerstand der Widerstandsbahn sich fertigungsbedingt in einem engen Toleranzbereich bewegt, um eine Über- bzw. Untersteuerung der Heizeinrichtung zu vermeiden.

In beiden Fällen ist daher ein nachträglicher Abgleich des Widerstandwerts der Widerstandsbahn, also ein Abgleich nach Fertigstellung des Schichtverbundes mit einliegender Widerstandsbahn, durch geeignete Maßnahmen erforderlich.

Bei einem bekannten Verfahren zum Abgleichen des Widerstands einer in einem Schichtverbund eines Meßfühlers eingebetteten Widerstandsbahn auf seinen Vorgabewert ( DE 198 51 966 A1 ) wird in einer der die Widerstandsbahn überziehenden Schichten eine Aussparung freigelassen, durch die hindurch die Behandlung der Widerstandsbahn zum Abgleich von deren Innenwiderstand vorgenommen wird. Die Widerstandsbahn weist im Bereich der Aussparung Verzweigungen und/oder geschlossene Flächen auf, und der Abgleich wird dadurch vorgenommen, daß die Verzweigungen und/oder geschlossenen Flächen, z.B. mittels eines Lasers, aufgetrennt werden, wodurch sich der Widerstand der Widerstandsbahn erhöht. Dies wird solange fortgesetzt, bis der gewünschte Vorgabewert erreicht ist. Der Widerstand wird über eine an die Widerstandsbahn angeschlossene Schaltungsanordnung fortlaufend gemessen. Bei Heizeinrichtungen, bei welcher die elektrische Widerstandsbahn noch von einer Isolierung umgeben wird, bevor sie mit den Schichten des Schichtverbundes belegt wird, wird entweder die Aussparung durch die Isolierung hindurch bis auf die Ebene der Widerstandsbahn hindurchgeführt oder aber die Isolierung so ausgestaltet, daß der Laser die Isolierung durchdringen kann.

In beiden Fällen wird nach dem Laserabgleich die Aussparung durch einen Füllstoff verschlossen, um die Widerstandsbahn vor mechanischen oder chemischen Einflüssen zu schützen. Als Füllstoff wird vorzugsweise eine Glaskeramik verwendet, die nach dem Füllen durch thermische Einwirkung des Lasers verglast wird.

Aus der US 3,607,386 ist ein alternatives Verfahren zur Herstelluug eines hochohmigen, temperaturbeständigen Dünnfilmwiderstandes bekannt, bei dem eine Schicht aus einem Metalloxid auf einen Träger aufgebracht wird und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der sich der Widerstand der metallischen Schicht aufgrund von Oxidationsprozessen und einer temperaturbedingten Restrukturierung einstellen lässt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Widerstandsbahn auf fertigungstechnisch einfache Weise abzugleichen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß zum Behandeln der Widerstandsbahn zum Abgleichen auf den Vorgabewert ihres Widerstandes keine Öffnung im Schichtverbund bis hin zur Widerstandsbahn, z.B. eine Aussparung in der Abdeckfolie des Schichtverbunds, erforderlich ist. Dies macht den zusätzlichen Prozeßschritt zum Verschließen der Öffnung entbehrlich. Durch die Milcrowelleneinstrahlung erwärmt sich die Widerstandsbahn und verdampft an der Oberfläche, so daß durch Volumenverkleinerung sich der Innenwiderstand der Widerstandsbahn erhöht. Die Verdampfung wird abgebrochen, sobald der Vorgabewert erreicht ist. Die Mikrowelleneinstrahlung erzeugt eine selektive Erwärmung der Widerstandsbahn infolge der sich in der Widerstandsbahn ausbildenden Wirbelströme, während die Erwärmung der auf Aluminiumoxid- oder Festelektrolyt-Basis, z. B. Zirkonoxid-Basis, hergestellten Schichten unter deren Sintertemperatur bleibt und damit deren gewünschte Eigenschaften nicht negativ beeinflußt werden. Da breite Stellen der Widerstandsbahn stärker erwärmt werden als schmale, verdampft dort mehr Widerstandsmaterial, so daß sich eine Vergleichmäßigung des Widerstands pro Längenabschnitt der Widerstandsbahn ergibt (Breitenstabilisierung).

Bei Temperaturfühlern, deren Widerstandsbahn aus einer Paste auf Metall- bzw. Cermit-Basis, die vorzugsweise als Metallkomponente Platinpartikel enthalten, hergestellt wird, wird durch die Mikrowellenerwärmung ein Nachsintern der Widerstandsbahn und damit deren Alterung im Betrieb vorweggenommen. Bei planaren Lambdasonden hilft der hohe Widerstand der vorzugsweise aus Platin gefertigten Elektroden die von den Mikrowellen erzeugten Wirbelströme auf die niederohmige Widerstandsbahn der Heizeinrichtung zu konzentrieren und damit diese am stärksten zu erwärmen.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird während der Erhitzung des Schichtverbunds die Mikrowelleneinstellung geregelt, um lokale Überhitzungen der Widerstandsbahn zu vermeiden. Bevorzugt wird dabei eine analoge Regelung, um Entladungsfunken zur Widerstandsbahn zu vermeiden, wie sie z.B. bei einer Phasensteuerung auftreten würden.

Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 einen Temperaturfühler in Explosionsdarstellung,
2 ausschnittweise eine perspektivische Darstellung eines elektrischen Heizers für eine Lambdasonde,
3 einen Schnitt längs der Linie III-III in 2.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in 1 in Explosionsdarstellung dargestellte Temperaturmeßfühler weist einen Schichtverbund 10 aus einer Keramikfolie 11 auf Festelektrolytbasis, beispielsweise aus Zirkonoxid, eine erste Isolationsschicht 12 aus elektrisch isolierendem Material, z.B. Aluminiumoxid, eine zweite Isolationsschicht 13 aus gleichem Material und eine zweite Keramikfolie 14 auf Festelektrolytbasis auf. Auf die Frontseite der ersten Keramikfolie 11 ist die erste Isolationsschicht 12 sowie ein hermetisch abdichtender Rahmen 18 und auf die Rückseite der ersten Keramikfolie 11 im Bereich der später aufzudruckenden, elektrischen Kontakte 16 eine dritte Isolationsschicht 15 aufgedruckt. In der Keramikfolie 11 sind Durchkontaktierungslöcher 17 ausgestanzt und die Durchkontaktierung erzeugt. Auf die erste Isolationsschicht 12 ist eine Widerstandsbahn 19 aus PCT-Widerstandsmaterial aufgedruckt, die im vorderen Bereich mäanderförmig verläuft. Die Rückseite der ersten Keramikfolie 11 ist mit den elektrischen Kontakten 16 versehen, die auf die dritte Isolierschicht 15 aufgedruckt sind. Auf die zweite Keramikfolie 14 ist die zweite Isolationsschicht 13 und ein hermetisch abdichtender Rahmen 20 aufgedruckt. Die beiden so behandelten Keramikfolien 11, 14 werden aufeinandergelegt, so daß die Rahmen 18 und 20 aufeinanderliegen, und werden dann zu dem Schichtverbund 10 zusammenlaminiert.
Bei der beschriebenen Fertigung des Schichtverbundes 10 für den Temperaturfühler ist die Geometrie der Widerstandsbahn 19 so gestaltet, daß der gemessene Kaltwiderstand kleiner ist als ein geforderter Vorgabewert des Widerstandes. In einem Abgleichprozeß wird nunmehr der Widerstand der Widerstandsbahn 19 so vergrößert, daß er in extrem engen Toleranzgrenzen dem Vorgabewert entspricht. Hierzu wird der Schichtverbund 10 einer Mikrowelleneinstrahlung ausgesetzt. Die Mikrowellen erzeugen in der Widerstandsbahn 19 Wirbelströme, die zur Erhitzung der Widerstandsbahn 19 führen. Die Erhitzung ist dabei so groß, daß Widerstandsmaterial an der Oberfläche der Widerstandsbahn 19 verdampft, sich dadurch das Volumen der Widerstandsbahn 19 verkleinert und als Folge dessen sich der Innenwiderstand der Widerstandsbahn 19 vergrößert. Um lokale Überhitzungen zu vermeiden, wird die Leistung der Mikrowellenquelle während der Behandlungsdauer des Schichtverbunds 10 vorzugsweise analog geregelt, so daß sich in der Widerstandsbahn 19 eine konstante Erwärmung ergibt, die über eine gewisse Behandlungsdauer hinweg konstant gehalten wird. Das verdampfte Widerstandsmaterial diffundiert in die die Widerstandsbahn 19 abdeckenden beiden Isolationsschichten 12, 13, die vorzugsweise porös ausgeführt sind.
Die Mikrowelleneinstrahlung auf den Schichtverbund 10 wird so durchgeführt, daß eine Erhitzung der Widerstandsbahn 19 auf eine vorbestimmte Temperatur erfolgt, der Widerstand der Widerstandsbahn 19 bei dieser Temperatur gemessen wird und diese Temperatur solange konstant gehalten wird, bis ein auf diese Temperatur bezogener Vorgabewert des Widerstands festgestellt wird.
Alternativ kann auch an der kalten Widerstandsbahn 19 der Widerstand als sog. Kaltwiderstand gemessen werden, und die bei einer konstanten Aufheiztemperatur erforderliche Behandlungsdauer des Schichtverbunds 10 zum Erreichen des Vorgabewerts des Widerstands berechnet werden. Die berechnete Behandlungsdauer wird dann bei der anschließenden Mikrowelleneinstrahlung exakt eingehalten.
Um eine möglichst gleichmäßige Ausdampfung von Widerstandsmaterial über die Länge der Widerstandsbahn 19 zu erreichen, wird bevorzugt beim Aufdrucken der Widerstandsbahn 19 auf die erste Isolationsschicht 12 diese gleich breit ausgeführt und zum Erzeugen eines gegenüber einem Vorgabewert kleineren Widerstandes in ihrer Dicke etwas größer gemacht als die rechnerische Dicke, die sich für den gewünschten Vorgabewert ergibt.
In 2 und 3 ist der Schichtverbund 10' einer elektrischen Heizeinrichtung für eine planare Lambdasonde zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine dargestellt, in dem eine niederohmige Widerstandsbahn 21 als elektrischer Heizer eingebettet ist. Die Widerstandsbahn 21 ist dabei in einer elektrischen Isolierung 22, z.B. aus Aluminiumoxid, aufgenommen, die zwischen zwei Folien aus einem Festelektrolyten 23, 24 eingebettet und von einem Rahmen 25 aus einem Festelektrolyten 25 umschlossen ist. Als Festelektrolyt wird beispielsweise yttriumstabilisiertes Zirkonoxid verwendet. Die in die poröse Isolierung 22 eingelegte Widerstandsbahn 21 wird wiederum so ausgelegt, daß ihr Widerstand nach Endfertigung des Schichtverbunds 10' größer ist als ein gewünschter Widerstandswert. Um den Widerstandswert auf den höheren Vorgabewert abzugleichen, wird der Schichtverbund 10' einer gleichen Mikrowellenbehandlung unterzogen, wie sie vorstehend beschrieben worden ist.

Claims

Verfahren zum Abgleichen des Widerstands einer in einem Schichtverbund (10; 10') eines Meßfühlers einliegenden Widerstandsbahn (19; 21) auf einen Vorgabewert, bei dem die Widerstandsbahn (19; 21) im Schichtverbund (10; 10') so ausgebildet wird, daß sie einen bezogen auf den Vorgabewert kleineren Widerstand aufweist, und durch Behandlung der Widerstandsbahn (19; 21), deren Widerstand auf den Vorgabewert vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Widerstandsvergrößerung der Schichtverbund (10; 10') mittels Mikrowelleneinstrahlung erhitzt wird, und daß die Widerstandsbahn (19; 21) mit einer Dicke hergestellt wird, die etwas größer ist als die rechnerische Dicke, die für einen Widerstand mit dem Vorgabewert erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowelleneinstrahlung während der Erhitzung des Schichtverbunds (10; 10') geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung der Widerstandsbahn (19; 21) auf eine vorbestimmte Temperatur vorgenommen, der Widerstand der Widerstandsbahn (19; 21) bei Erreichen dieser Temperatur gemessen und die erreichte Temperatur solange konstant gehalten wird, bis ein auf diese Temperatur bezogener Vorgabewert des Widerstands der Widerstandsbahn (19; 21) festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem gemessenen Widerstand der kalten Widerstandsbahn (19; 21) die bei einer konstanten Auflheiztemperatur erforderliche Behandlungsdauer des Schichtverbunds (10; 10') zum Erreichen des Vorgabewerts des Widerstands berechnet und bei der Mikrowellenbehandlung des Schichtverbunds (10; 10') eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der die Widerstandsbahn (19; 21) abdeckenden Schichten (12, 13; 22) im Schichtverbund (10; 10') porös ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei einem PTC-Temperaturfühler.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei der Heizeinrichtung einer Lambdasonde zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine.