DE10219011B4

DE10219011B4 - Temperatursensor für eine Applikation in Trennebenen

Info

Publication number: DE10219011B4
Application number: DE2002119011
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Adrian; Joachim Dipl.-Ing. Czabanski; Wolfgang Dipl.-Ing. Langhoff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-04-27
Filing date: 2002-04-27
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-04-28
Also published as: DE10219011A1

Abstract

Temperatursensor, insbesondere für eine Applikation in Trennebenen, der aus einem folienisolierten Flachbandleiter mit integrierten Leiterbahnen (2) besteht und bei dem die Leiterbahnen (2) aus einem Material mit temperaturabhängigem Widerstand, der die Messung der Temperatur ermöglicht, gebildet und an einem Ende (5) unter Bildung einer flächigen Struktur (7) zusammengeführt sind, wobei die flächige Struktur (7) einen temperatursensitiven Sensorbereich (6) und die von diesem Bereich wegführenden Leiterbahnen (2) Signalleitungen bilden.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperatursensor für eine Applikation in Trennebenen sowie eine Verwendung dieses Temperatursensors zur Messung der Temperatur in Trennebenen und engen Spalten, bspw. in Zylinderkopfdichtungen.
Stand der Technik
Die Messung der Temperatur in Trennebenen und engen Spalten bereitet häufig Probleme, da der Messsensor bei fester Form der der Trennebene benachbarten Bauteile nicht ohne weiteres an der Messstelle platziert werden kann. Aktuelle Anwendungen im Bereich der Temperaturmessung setzen Temperatursensoren ein, die ein separates Sensorelement, Zuleitungen für die Signalübertragung sowie die erforderliche Kontaktierung zwischen den Zuleitungen und dem Sensorelement aufweisen. Diese konventionelle Bauform eignet sich jedoch nicht oder nur eingeschränkt zur Applikation in Trennebenen bzw. engen Spalten, da das Sensorelement in der Regel eine die Dicke des Spaltes überschreitende Bauhöhe aufweist. Bei einer angestrebten Integration des Temperatursensors in eine Dichtung in der Trennebene darf der Gesamtaufbau des Temperatursensors die Dicke der Dichtung jedoch nicht überschreiten, da sonst Änderungen an den Bauteilen außerhalb der Trennebene notwendig werden.
Ein weiteres Problem bei der Verwendung bekannter Temperatursensoren stellt der Dickensprung zwischen dem Sensorelement und den Zuleitungen dar. Die steilen seitlichen Flanken des Sensorelementes bieten einen guten Angriffspunkt für eine Delamination einer zum Schutz aufgebrachten Deckfolie, speziell bei Temperaturmessungen für größere Temperaturbereiche. Weiterhin muss die Kontaktierung in vielen Fällen zusätzlich gegen Medieneinfluss geschützt werden. Dieser zwingend notwendige Schutz vergrößert die Bauhöhe der Applikation zusätzlich. Gerade für Applikationen in sehr flachen, mehrlagigen Dichtungen sind die derzeit auf dem Markt befindlichen Lösungen daher ungeeignet.

Aus der DE 199 13 092 C2 ist ein in Form eines Thermoelementes ausgestalteter Temperatursensor bekannt, der an der Zylinderplatte des Motorblocks eines Kraftfahrzeugs angeordnet wird. Die Zylinderplatte weist hierfür einen als Steckverbinder für den Sensor ausgebildeten speziellen Abschnitt auf, so dass sich der Sensor bei einem Defekt schnell auswechseln lässt. Aufgrund der großen Baugröße des eingesetzten Sensors mit den im Sensormodul integrierten Anschlussleitungen lässt sich dieser jedoch nicht innerhalb des Dichtspaltes anordnen.

In der DE 30 06 603 A1 ist ein Temperatursensor mit zwei Zuleitungen gezeigt, der in eine Zylinderkopfdichtung integriert ist. Als Temperatursensorelement wird in dieser Druckschrift für eine punktuelle Temperaturmessung ein Thermoelement oder ein NTC- bzw. PTC-Widerstand eingesetzt. Für eine umfangsintegrale Messung über den Umfang des Brennraums wird weiterhin ein Widerstandsdraht vorgeschlagen, der um die Öffnung für den Brennraum gelegt ist und über zwei in der Zylinderkopfdichtung verlaufende Zuleitungen kontaktiert wird.

Auch bei den in dieser Druckschrift gezeigten Temperatursensoren besteht jedoch das Problem des Schutzes der eingesetzten Elemente, insbesondere der Kontaktierung zwischen dem jeweiligen Sensorelement und den Zuleitungen.

Aus dem Stand der Technik sind weiterhin flache Temperatursensoren in Form von Platindünnfilmthermometern, wie dem bekannten PT 100 bekannt, bei denen mäanderförmig verlaufende Leiterbahnen aus hochreinem Platin auf einem Keramikträger aufgebracht und über entsprechende Anschlussdrähte kontaktiert sind. Auch bei derartigen Temperatursensoren besteht das Problem eines ausreichenden Schutzes der Kontaktierungsstellen sowie des Dickensprunges zwischen den Anschlussdrähten und den das Sensorelement bildenden Leiterbahnen auf dem Keramikträger, so dass dieser Temperatursensor beispielsweise für eine Integration in die Zylinderkopfdichtung eines Motorblockes nicht geeignet erscheint.

Die EP 0 461 102 A2 beschreibt einen temperaturempfindlichen Sensor, bei dem ein Widerstandsdraht in zumindest zwei Schleifen zwischen einer Trägerfolie und einer Deckfolie angebracht ist.

In der Veröffentlichung von L. Höger, Industrielle Temperaturmesstechnik, TR Transfer Nr. 4, 1996, 26-29, sind Widerstandsthermometer beschrieben, die als folienisolierte Flachbandleiter ausgeführt sind. Die den Sensorbereich bildende flächige Struktur, ein flach gewickelter Platindraht, nimmt die gesamte Fläche des Flachbandleiters ein und wird über außerhalb des Flachbandleiters liegende Signalleitungen kontaktiert.

Aus der DD 219 282 A1 ist ein flaches und biegsames Widerstandsthermometer bekannt, bei dem ein mäanderförmig angeordneter Widerstandsdraht zusammen mit den Zuleitungen auf einer Trägerfolie aufgebracht ist. Der Widerstandsdraht aus Platin ist an die Zuleitungen aus Kupfer punktförmig angeschweißt.

Die DE 34 30 075 C2 beschreibt eine Messsonde zur Messung der einer Brennkraftmaschine zugeführten Ansaugluft- und/oder Kraftstoffmasse. Die Messsonde verfügt über ein Sensorelement aus einer Trägerfolie aus temperaturbeständigem Kunststoff und einer Deckfolie aus dem gleichen Material, zwischen denen Leiterbahnen aus Materialien mit einem temperaturabhängigen und einem temperaturunabhängigen Widerstand ausgebildet sind. Das Sensorelement ist auf einem Trägerkörper befestigt, der aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist und eine Dicke von etwa 0,3 mm aufweist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Temperatursensor für eine Applikation in Trennebenen anzugeben, der die obigen Nachteile nicht aufweist, insbesondere mit einer geringen Bauhöhe realisierbar ist und einen guten Schutz gegen Medieneinfluss bietet.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Temperatursensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Verwendungen des Temperatursensors sind in den unabhängigen Patentansprüchen 6 und 7 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Temperatursensors sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Der vorliegende Temperatursensor besteht aus einem folienisolierten Flachbandleiter, einem sog. Folienleiter, mit integrierten Leiterbahnen, die aus einem Material mit temperaturabhängigem Widerstand, der die Messung der Temperatur ermöglicht, gebildet und an einem Ende unter Bildung einer flächigen Struktur zusammengeführt sind, wobei die flächige Struktur einen temperatursensitiven Sensorbereich und die von diesem Bereich wegführenden Leiterbahnen Signalleitungen bilden. Der Widerstand der Leiterbahnen muss insbesondere den Nachweis der für eine Temperaturmessung erforderlichen Signalströme im mA-Bereich ermöglichen.

Bei dem vorliegenden Temperatursensor stellen somit die Signalleitungen sowie der die Temperatur erfassende Sensorbereich keine getrennten Bauteile dar. Vielmehr erfüllt der Folienleiter mit den integrierten Leiterbahnen bereits beide Funktionen. Durch die Integration der Sensorfunktion in den Folienleiter unter Verzicht eines separaten Sensorelements wird eine fehleranfällige Kontaktierungsstelle sowie eine sprunghafte Verdickung am Übergang der Signalleitungen zum Sensorelement vermieden. Aufgrund seines extrem flachen Aufbaus eignet sich der vorliegende Temperatursensor für eine direkte Applikation in Trennebenen, bspw. durch Integration in eine Zylinderkopfdichtung.

Gerade bei dieser Anwendung ist eine besondere Medienresistenz gefordert, welche durch die vollständige Kapselung der Deckfolien des Flachbandleiters realisiert wird. Diese vollständige Kapselung wird erst durch den Entfall einer Kontaktierungsstelle zwischen den Signalleitungen und dem durch die flächige Struktur der Leiterbahnen gebildeten Sensorelement möglich. Durch den Entfall der Kontaktierung lassen sich erstmals wirtschaftlich Temperaturen auch in unwirtlichen Umgebungen messen. Durch eine Platzierung des Temperatursensors an entsprechender Stelle ist es zudem möglich, Aussagen über die Temperatur wahlweise an der Innen- oder Außenkante der Trennfläche sowie an im Bereich der Trennebene geführten Medien zu machen, bspw. bei einem integrierten Kühlwasserkanal.

Bei der Herstellung des vorliegenden Temperatursensors werden Signalleitungen auf eine Kunststofffolie aufgebracht, die im Sensorbereich, d. h, an einem Ende des Flachleiters, eine flächige Struktur aufweisen.

Diese bspw. mäanderförmige Struktur ermöglicht es, aufgrund des für den Einsatzbereich gewählten Materials der Leiterbahnen und dessen Ausdehnungkoeffizienten, Temperaturen durch die Änderung des Widerstandes der Leiterstruktur zu messen. Anschließend wird eine Kunststoffdeckfolie auf diese Struktur aufgebracht, wie dies auch bei bekannten Flachbandleitern der Fall ist.

Durch die vollständige Isolation der flachen Leiterstruktur durch die Kunststoffdeckfolien, bspw. aus Polyimiden (PI) oder Polyethylennaphthalaten (PEN), und die Eliminierung von Schnittstellen zwischen dem Sensorelement und den Signalleitungen ist ein sehr homogener Verbund herstellbar, welcher hohen Temperaturen und Medieneinflüssen standhalten kann. Durch die während der Designphase des Temperatursensors frei wählbare Formgebung des flächigen Sensorbereiches ist es außerdem möglich, gezielt die Temperatur medienführender Bereiche, bspw. an der Umrandung eines Kühlwasserkanals, zu messen. Neben der Isolation durch PI oder PEN, welche zur Haftvermittlung untereinander ein Adhäsiv benötigen, ist auch die kleberlose Herstellung, beispielsweise durch Kalandrierverfahren, Lamination o.ä., unter Wärmeeinfluss möglich.

Unter der Zusammenführung der Leiterbahnen unter Bildung einer flächigen Struktur wird in der vorliegenden Patentanmeldung ein Verlauf der Leiterbahnen verstanden, der insgesamt eine größere Fläche einnimmt, als eine direkte geradlinige Verbindung der beiden Leiterbahnen. Vorzugsweise wird diese flächige Struktur durch einen mäanderförmigen Verlauf der Leiterbahnen in diesem Bereich realisiert. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Temperatursensors weisen die Leiterbahnen in der flächigen Struktur einen geringeren Leiterbahnquerschnitt als außerhalb der Struktur auf. Hierdurch wird der Widerstand im Sensorbereich, in dem die Temperatur erfasst werden soll, geeignet erhöht. Die flächige Struktur stellt hierbei das eigentliche Temperatur-Sensorelement dar, während die von diesem Bereich wegführenden Leiterbahnen die Signalleitungen darstellen.

Die Leiterbahnen des vorliegenden Folienleiters weisen vorzugsweise einen Widerstand von ≥ 50 Ω auf, um eine Eigenerwärmung der Leiterbahnen durch den Signalstrom zu vermeiden, der zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen würde. Für sehr genaue Messungen wird ein Widerstand der Leiterbahnen von ≥ 500 Ω eingesetzt. Bevorzugte Materialien für die Leiterbahnen sind Kupfer oder Metalllegierungen, insbesondere Legierungen von Platin.

Der vorliegende Temperatursensor wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für die Ausgestaltung eines Temperatursensors gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht;
2 ein Beispiel für die unterschiedlichen Schichten bei der Integration eines herkömmlichen Temperatursensors in eine Zylinderkopfdichtung; und
3 ein Beispiel für die Integration des vorliegenden Temperatursensors in eine Zylinderkopfdichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt schematisch ein Beispiel für die Ausgestaltung des vorliegenden Temperatursensors in Draufsicht. Die Abbildung zeigt hierbei den als folienisolierten Flachbandleiter ausgebildeten Temperatursensor 1 mit den integrierten Leiterbahnen 2. Die Leiterbahnen befinden sich in bekannter Weise zwischen zwei Kunststoffdeckfolien 3 aus Polyimid. Sie sind im vorliegenden Beispiel aus einer Platinlegierung gebildet, das eine ausreichend lineare Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Temperatur aufweist und aufgrund seines niedrigen Widerstandes die Messung der Temperatur über Signalströme im mA-Bereich ermöglicht. Die Leiterbahnen 2 verlaufen vom hinteren Teil 4 bis zum vorderen Teil 5 des Flachbandleiters parallel zueinander und werden im Sensorbereich 6 des vorderen Teils 5 unter Bildung einer in diesem Beispiel mäanderförmigen Struktur 7 zusammengeführt. Diese mäanderförmige Struktur 7 bildet den Sensorbereich 6 des Temperatursensors. Der Querschnitt der Leiterbahnen 2 ist hierbei innerhalb der mäanderförmigen Struktur 7 geringer gewählt als in den die Signalleitung bildenden parallel Abschnitten der Leiterbahnen 2, wie dies aus der 1 ersichtlich ist.
Ein derartiger Temperatursensor lässt sich in sehr flacher Bauweise realisieren und bspw. in eine Zylinderkopfdichtung integrieren, um Temperaturen im Motorblock zu erfassen. Durch die hohen Temperaturen und die Forderung nach minimalen Schichtdicken war es bisher in diesem Anwendungsbereich nicht möglich, zusätzliche Sensoren wirtschaftlich zu kontaktieren. Zudem stellte bisher die bei Temperatursensoren bekannter Bauart auftretende sprunghafte Verdickung am Sensorelement eine potentielle Fehlerstelle dar, bei der bei einem Langzeiteinsatz mit einer Delamination des Gesamtverbundes aus Temperatursensor, Klebe schichten und Deckfolien zu rechnen ist. Weiterhin sind keine hochtemperaturbeständigen Leitkleber mit kurzen Aushärtezeiten bekannt, so dass eine wirtschaftliche Großserienfertigung der bekannten Temperatursensoren bisher kaum möglich war. 2 zeigt ein Beispiel für die Dicke eines konventionellen Temperatursensors, der für die Integration in eine Zylinderkopfdichtung mit entsprechenden zusätzlichen Schutzschichten versehen ist.
Die Gesamtdicke eines derartigen integrierten Temperatursensors sollte eine Gesamtdicke von 650 um nicht überschreiten. Die verfügbare Bauhöhe innerhalb der Zylinderkopfdichtung wird durch Entfernen mehrerer Dichtungslagen in dem Bereich erreicht, in dem der Sensor platziert wird. Bei einem dickeren Sensor wird daher eine stärkere Schwächung der Dichtung in diesem Bereich hervorgerufen. In der 2 ist hierbei das Sensorelement 8 mit einer Bauhöhe von etwa 400 μm dargestellt, auf das über eine Klebeschicht 9 von etwa 30 bis 50 μm eine Deckfolie 10 mit einer Dicke von etwa 25 μm aufgebracht ist. Unterhalb des Sensorelementes 8 sind Leiterbahnen 11 auf einer Basisfolie 12 zu erkennen, die zusammen insgesamt eine Dicke von etwa 60 μm aufweisen. Der Gesamtverbund hat bei diesem konventionellen Temperatursensor eine Dicke von etwa 560 um, wobei die Dicke der Kontaktierung (nicht dargestellt) etwa 30 – 50 μm beträgt. Der in der 2 erkennbare Dickensprung am Rande des Sensorelementes 8 führt stellt eine erhebliche Gefahrenquelle für eine Delamination der Deckfolie 10 bei starken Temperaturänderungen dar.
Demgegenüber weist der vorliegende Temperatursensor eine einheitliche Höhe auf, so dass das Problem des Dickensprungs nicht auftritt. Durch Entfallen einer Kontaktierungsstelle zwischen Signalleitungen und Sensorelement sowie die sehr geringe Bauhöhe des vorliegenden Temperatursensors kann die Klebstoffschichtdicke für die Integration in die Zylinderkopfdichtung minimiert werden, ohne eine Delamination zu provozieren. Bei einer Ausführungsform des vorliegenden Temperatursensors wird daher bei sonst gleichen Dicken von Basisfolie 12, Leiterbahnen 11 und Deckfolie 10 eine Dicke des Gesamtverbundes eine Anordnung gemäß 2 von nur etwa 105 μm erreicht. Dies entspricht einer Verringerung der gesamten Bauhöhe um etwa den Faktor 5, so dass auch die Schwächung der Dichtung in diesem Bereich entsprechend geringer ausfällt.
3 zeigt schließlich ein Beispiel für den Einbau des vorliegenden Temperatursensors 1 in die Zylinderkopfdichtung 13 zwischen Zylinderkopf 14 und Motorblock 15. Die Kanäle für Kühlmittel 16 und Öl 17 sind in dieser Darstellung ebenfalls zu erkennen. Mit dem vorliegenden Temperatursensor 1 wird bei dieser in der 3 gezeigten Einbaulage die Temperatur am Brennraum 18 erfasst. Durch die beliebig ausgestaltbare Länge des folienisolierten Flachbandleiters des Temperatursensors 1 lassen sich die Sensorsignale an eine geeignete Stelle außerhalb des Motorblockes führen, ohne Probleme durch Kontaktierungsstellen innerhalb des Dichtungsbereiches zu verursachen.

1: Temperatursensor
2: integrierte Leiterbahnen
3: Kunststoffdeckfolie
4: hinterer Teil
5: vorderer Teil
6: Sensorbereich
7: flächige, bspw. mäanderförmige Struktur
8: konventionelles Sensorelement
9: Klebeschicht
10: Deckfolie
11: Leiterbahnen
12: Basisfolie
13: Zylinderkopfdichtung
14: Zylinderkopf
15: Motorblock
16: Kanal für Kühlmittel
17: Kanal für Öl
18: Brennraum

Claims

Temperatursensor, insbesondere für eine Applikation in Trennebenen, der aus einem folienisolierten Flachbandleiter mit integrierten Leiterbahnen (2) besteht und bei dem die Leiterbahnen (2) aus einem Material mit temperaturabhängigem Widerstand, der die Messung der Temperatur ermöglicht, gebildet und an einem Ende (5) unter Bildung einer flächigen Struktur (7) zusammengeführt sind, wobei die flächige Struktur (7) einen temperatursensitiven Sensorbereich (6) und die von diesem Bereich wegführenden Leiterbahnen (2) Signalleitungen bilden.
Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Struktur (7) mäanderförmig ausgebildet ist.
Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) in der flächigen Struktur (7) einen geringeren Leiterbahnquerschnitt aufweisen als außerhalb der flächigen Struktur (7) .
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) einen elektrischen Widerstand von ≥ 50 Ω aufweisen.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) aus einer Metalllegierung gebildet sind.
Verwendung des Temperatursensors nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Messung der Temperatur in Trennebenen und engen Spalten.
Verwendung des Temperatursensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Messung der Temperatur in einem Verbrennungsmotor durch Integration des Temperatursensors (1) in eine Zylinderkopfdichtung (13) .