DE19605468A1 - Platintemperatursensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Platintem­ peratursensor und insbesondere auf einen Platintemperatur­ sensor zur Verwendung sowohl als Temperatursensor zum Messen der Umgebungstemperatur als auch als Luftflußsensor zum Mes­ sen der Geschwindigkeit eines Luftflusses und der eine ex­ zellente Empfindlichkeit gegenüber Wärme aufweist.

Wenn ein Platintemperatursensor als ein normaler Temperatur­ sensor verwendet wird, wird der Platintemperatursensor bei einer relativ geringen Temperatur betrieben, so daß der Wär­ meerzeugungsabschnitt relativ wenig Wärme erzeugt. D.h., daß der Wärmeerzeugungsabschnitt im wesentlichen auf der Umge­ bungstemperatur gehalten wird, die den Sensor umgibt, indem ein Strom, der durch den Wärmeerzeugungsabschnitt fließt, begrenzt wird.

Wenn ein Platintemperatursensor als ein Luftflußsensor ver­ wendet wird, wird der Wärmeerzeugungsabschnitt andererseits auf einer Temperatur gehalten, die höher als die Temperatur des fließenden Gases bei etwa 200°C ist. Wenn Luft an dem Wärmeerzeugungsabschnitt vorbeifließt, verliert der Wärmeer­ zeugungsabschnitt als Reaktion auf die Geschwindigkeit des Luftflusses Wärme. Folglich nimmt die Temperatur des Wärme­ erzeugungsabschnitts ab, wobei sich ebenfalls der Widerstand des Sensors ändert. Somit wird durch den Platintemperatur­ sensor die Geschwindigkeit gemessen.

Ein herkömmlicher Platintemperatursensor ist im Querschnitt in Fig. 3 gezeigt. Der Temperatursensor 1 weist ein isolie­ rendes Substrat 3 auf. Das isolierende Substrat 3 weist ei­ nen Trägerabschnitt 2 an einem Ende desselben auf. Eine Pla­ tinfilmschaltung 4, die einen Wärmeerzeugungsabschnitt bil­ det, ist an dem anderen Ende des isolierenden Substrats 3 gebildet. Diese Platinfilmschaltung 4 wird durch das Bilden eines Platinfilms auf dem isolierenden Substrat 3 und das nachfolgende Verarbeiten des Films, um die gewünschten Merk­ male aufzuweisen, durch mikroelektronische Verarbeitungs­ techniken hergestellt. Elektroden 5, die beispielsweise aus Gold bestehen, sind an einem Ende der Platinfilmschaltung 4 gebildet. Anschlußleitungsdrähte 6, die beispielsweise Ni/Pt-plattierte Drähte sind, sind jeweils mit den Elektro­ den 5 verbunden. Die verbundenen Abschnitte der Anschlußlei­ tungsdrähte 6 sind mit Glas beschichtet, um eine Glasbefe­ stigung 7 zu bilden. Die Platinfilmschaltung 4 ist mit einem Schutzglas 8 beschichtet.

Bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Platintemperatur­ sensor 1 besteht das isolierende Substrat 3 aus Aluminium- Oxid, das eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit auf­ weist. Der Grund dafür ist, daß eine hohe thermische Leit­ fähigkeit des isolierenden Substrats die Ansprechgeschwin­ digkeit auf eine Änderung der Temperatur, die erfaßt werden soll, verbessert. Jedoch bewirkt eine hohe thermische Leit­ fähigkeit auch die Übertragung von Wärme, die durch die Pla­ tinfilmschaltung 4 erzeugt wird, zu äußeren Strukturen, die mit dem Platintemperatursensor verbunden sind, oder zu einer äußeren Atmosphäre durch das isolierende Substrat. Folglich wird ein Hauptteil der Wärme von dem Wärmeerzeugungsab­ schnitt, der durch die Platinfilmschaltung 4 gebildet ist, weg abgeleitet. Außerdem ist die Wärme, die durch die Pla­ tinfilmschaltung 4 erzeugt wird, reduziert. Daher weist die­ ser herkömmliche Temperatursensor das Problem auf, daß seine Empfindlichkeit gegenüber Wärme allgemein gering ist.

Weitere Temperatursensoren von Hintergrundinteresse sind in den U.S.-Patenten 5,197,804; 4,375,056 und 4,464,646 offen­ bart, deren Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme aufgenom­ men sind.

Um die Empfindlichkeit des Sensors, speziell eines Luftfluß­ sensors, zu verbessern, ist es bevorzugt, daß der Wärmeer­ zeugungsabschnitt auf einem Substrat mit einer hohen thermi­ schen Leitfähigkeit gehalten ist, so daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung über dem gesamten Wärmeerzeugungsab­ schnitt existiert.

Es ist ferner bevorzugt, daß eine Ableitung von Wärme, die an dem Wärmeerzeugungsabschnitt erzeugt wird, verhindert wird, so daß der Sensor die Wärme von dem Wärmeerzeugungsab­ schnitt nicht aufgrund anderer Faktoren als dem Luftfluß verliert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Platin­ temperatursensor zu schaffen, der eine exzellente Empfind­ lichkeit gegenüber Wärme zeigt.

Diese Aufgabe wird durch einen Platintemperatursensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Ein Platintemperatursensor der vorliegenden Erfindung weist ein isolierendes Substrat mit einem Trägerabschnitt an einem Ende desselben, eine Platinfilmschaltung, die an dem anderen Endes des Substrats gebildet ist und einen Wärmeerzeugungs­ abschnitt bildet, und eine Beschichtung auf, die auf dem Trägerabschnitt des isolierenden Substrats gebildet ist und aus einem Material mit einer geringen thermischen Leitfähig­ keit besteht. Eine erste wärmeisolierende Lücke ist zwi­ schen einem Endabschnitt der Platinfilmschaltung und dem Wärmeerzeugungsabschnitt erzeugt. Eine zweite wärmeisolie­ rende Lücke ist zwischen der Platinfilmschaltung und der Be­ schichtung erzeugt.

Bei diesem Platintemperatursensor ist eine Ableitung von Wärme von dem Trägerabschnitt des isolierenden Substrats durch die Beschichtung und die erste und die zweite Wärme­ isolierende Lücke unterdrückt.

Der Trägerabschnitt, der mit der Beschichtung aus einem Ma­ terial mit niedriger thermischer Leitfähigkeit bedeckt ist, liefert eine thermische Isolierung, weshalb der Platintem­ peratursensor über diesen Trägerabschnitt an einem zusammen­ gesetzten Schaltungssubstrat oder dergleichen befestigt sein kann, ohne das Problem der Wärmeableitung zu verschlimmern.

Folglich ist die Ableitung von Wärme von dem Wärmeerzeu­ gungsabschnitt, der durch die Platinfilmschaltung gebildet ist, reduziert, so daß der Wärmeerzeugungsabschnitt auf ei­ ner hohen Temperatur gehalten werden kann. Daher kann bei der vorliegenden Erfindung das Ansprechen des Platintempera­ tursensors auf den Luftfluß, der gemessen werden soll, ver­ bessert sein.

Außerdem kann, da die Erzeugung von Wärme durch den Wärmeer­ zeugungsabschnitt verbessert ist, die Fläche des Wärmeerzeu­ gungsabschnitts reduziert sein. Dies kann die Temperaturver­ teilung über dem Wärmeerzeugungsabschnitt gleichmäßiger ma­ chen. D.h., daß eine Hochtemperaturregion einen größeren Teil des Wärmeerzeugungsabschnitt bildet. Da die Empfind­ lichkeit und das Ansprechen auf Wärme verbessert sind, wenn die Temperatur des Wärmeerzeugungsabschnitts höher wird, verbessert das Reduzieren der Fläche des Wärmeerzeugungsab­ schnitts ferner das Ansprechen auf Wärme.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1(a) eine Querschnittansicht eines Platintemperatur­ sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 1(b) eine Draufsicht des Temperatursensors, der in Fig. 1(a) gezeigt ist;

Fig. 1(c) eine Draufsicht, die eine Platinfilmschaltung in dem Platintemperatursensor detaillierter zeigt;

Fig. 2(a) einen Graph, der eine thermische Verteilung in dem Platintemperatursensor zeigt;

Fig. 2(b) ein Graph, der eine thermische Verteilung in einem herkömmlichen Platintemperatursensors zeigt; und

Fig. 3 eine Querschnittansicht des herkömmlichen Pla­ tintemperatursensors.

Bezugnehmend auf die Fig. 1(a)-1(c) wird ein Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Ein Platintemperatursensor 11 weist ein isolierendes Sub­ strat 13 und eine Platinfilmschaltung 14, die durch das iso­ lierende Substrat 13 getragen wird, auf.

Für das isolierende Substrat können unterschiedliche Mate­ rialien verwendet werden. Falls es notwendig ist, daß der Platintemperatursensor 11 ein exzellentes thermisches An­ sprechen für das Messen einer Umgebungstemperatur aufweist, ist das isolierende Material 13 vorzugsweise aus einem Mate­ rial mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit hergestellt, beispielsweise Aluminium-Oxid, Aluminium-Nitrid oder der­ gleichen. Ein solches Material kenn schnell auf eine Ände­ rung der Temperatur ansprechen.

Das isolierende Substrat 13 weist einen Trägerabschnitt 12 an einem Endes des Substrats 13 auf. Die Platinfilmschaltung 14 ist an dem anderen Endes des Substrats 13 angeordnet. Die Platinfilmschaltung 14 weist zwei Endabschnitte 15 und ein Mäandermuster auf, welches einen Wärmeerzeugungsabschnitt 24 bildet. Eine erste wärmeisolierende Lücke (Freiraum) 16 ist zwischen den Endabschnitten 15 und dem Wärmeerzeugungsab­ schnitt 24 vorgesehen, so daß elektrische Wege 25 auf jeder Seite der ersten wärmeisolierenden Lücke jeweils Verbindun­ gen zwischen den Endabschnitten 15 und beiden Enden des Mä­ andermusters des Wärmeerzeugungsabschnitts 24 bilden. Die erste wärmeisolierende Lücke 16 ist zwischen elektrischen Wegen 25 angeordnet. Die elektrischen Wege 25 weisen vor­ zugsweise die gleiche Breite w auf wie die des Mäandermu­ sters w. Falls die Platinfilmschaltung 14 beispielsweise eine Größe von 9,5 mm × 2 mm aufweist, weist die erste Wär­ me-isolierende Lücke 16 vorzugsweise eine Größe von 1,5 mm × 1,0 mm auf, wie in Fig. 1(c) gezeigt ist.

Elektroden 17 sind auf den Endabschnitten 15 gebildet, wobei Anschlußleitungsdrähte 18, die beispielsweise Ni/Pt-plat­ tierte Drähte sind, jeweils mit den Elektroden 17 verbunden sind. Eine Glasbefestigung 19 ist gebildet, um die verbun­ denen Abschnitte der Anschlußleitungsdrähte 18 zu bedecken. Ein Schutzglas 20 ist gebildet, um die Platinfilmschaltung 14 zu bedecken. Vorzugsweise bedeckt das Schutzglas 20 die wärmeisolierende Lücke 16 nicht.

Eine Beschichtung 21 bedeckt den Trägerabschnitt 12 des iso­ lierenden Substrats 13, wobei eine zweite wärmeisolierende Lücke 22 zwischen den Endabschnitten 15 und der Beschichtung 21 vorgesehen ist. Die Beschichtung 21 besteht aus einem Ma­ terial mit einer geringeren thermischen Leitfähigkeit als der des isolierenden Substrats 13, so daß die Beschichtung 21 das isolierende Substrat 13 thermisch isoliert. Beispiele eines Materials mit geringer thermischer Leitfähigkeit schließen inorganische Keramik, ZrO₂ und Epoxid-Polyamid-Ge­ misch-Harz ein. Die zweite wärmeisolierende Lücke 22 ist eine Rille, die durch eine Kante des Endabschnitts 15 und eine Kante der Beschichtung 21 erzeugt ist. Vorzugsweise ist die Breite der zweiten wärmeisolierenden Lücke 22 so groß wie möglich.

Die vorher genannte Platinfilmschaltung 14 ist auf die Art und Weise hergestellt, wie nachfolgend beschrieben wird. Der Platinfilm wird durch Siebdruck- oder Sputter-Techniken auf dem gesamten isolierenden Substrat 13 gebildet. Danach wird der Platinfilm durch Trockenätzen oder eine Laser-Verarbei­ tung geformt, um das Mäander-Muster, die erste wärmeisolie­ rende Lücke 16 und die Endabschnitte 15 zu bilden.

Fig. 2(a) zeigt teilweise eine thermische Verteilung des Platintemperatursensors der Fig. 1(a) bis 1(c). Die thermi­ sche Verteilung ist entlang einer longitudinalen Mittelachse gemessen. Fig. 2(b) zeigt eine thermische Verteilung eines herkömmlichen Platintemperatursensors, die zum Vergleich un­ ter den gleichen Bedingungen gemessen ist. Bei diesen Figuren sind die Einheiten entlang der Achsen willkürlich. Die horizontale Achse zeigt eine relative Position des Platin­ temperatursensors entlang der Longitudinalrichtung an, wäh­ rend die vertikale Achse eine Oberflächentemperatur des Pla­ tintemperatursensors anzeigt. Gestrichelte Linien zeigen die Draufsicht des Platintemperatursensors. Wie aus Fig. 2(a) zu sehen ist, fällt die Oberflächentemperatur an der Position abrupt ab, die der ersten wärmeisolierenden Lücke 16 ent­ spricht. Dies bedeutet, daß die Ableitung von Wärme von dem Wärme-erzeugenden Abschnitt 24 an der ersten wärmeisolie­ renden Lücke 16 effektiv unterdrückt ist. Im Gegensatz dazu existiert in der herkömmlichen thermischen Verteilung, die in Fig. 2(b) gezeigt ist, kein solcher abrupter Abfall der Oberflächentemperatur.

Ein Platinfilm ist im wesentlichen ein exzellenter Wärmelei­ ter, so daß andere Abschnitte als der Wärmeerzeugungsab­ schnitt zu einem unerwünschten Ableitungsweg werden können. Folglich reduziert die thermische Abtrennung eines solchen Weges die Ableitung von Wärme. Speziell unterdrückt die er­ ste wärmeisolierende Lücke 16 die Ableitung von Wärme von dem Wärmeerzeugungsabschnitt 24 zu den Elektroden 17, der Glasbefestigung 19 und den Anschlußleitungsdrähten 18. Die zweite wärmeisolierende Lücke 22 unterdrückt die Ableitung von Wärme von den Endabschnitten 15 zu dem Trägerabschnitt 12 und der Beschichtung 21.

Zusätzlich ist die Wärmeableitung von dem Trägerabschnitt 12 durch die Beschichtung 21 unterdrückt. Dies unterstützt die Zurückhaltung von Wärme durch die Platinfilmschaltung 14. Diese Unterdrückung ist in dem Fall besonders vorteilhaft, bei dem der Trägerabschnitt des Platintemperatursensors an einer Basis oder einem Träger mit einer relativ hohen Wärme­ leitfähigkeit befestigt ist.

Daher kann das Ansprechen des Platintemperatursensors 11 auf Wärme weiter verbessert sein.

Obwohl der Platintemperatursensor mit der Beschichtung und der ersten und der zweiten wärmeisolierenden Lücke als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, ist es offensichtlich, daß entweder die Beschichtung, die erste wärmeisolierende Lücke oder die zweite Wärme-iso­ lierende Lücke vorteilhaft für den Platintemperatursensor vorgesehen sein können.

Claims (3)

1. Platintemperatursensor 11, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
ein isolierendes Substrat (13) mit einem Trägerabschnitt (12) an einem Ende des Substrats (13);
eine Platinfilmschaltung (14), die an einem anderen En­ des des Substrats (13) gebildet ist und einen Wärmeer­ zeugungsabschnitt (24) aufweist; und
eine Beschichtung (21), die auf dem Trägerabschnitt (12) des isolierenden Substrats (13) gebildet ist und aus ei­ nem Material mit einer geringen thermischen Leitfähig­ keit besteht.

2. Platintemperatursensor (11) gemäß Anspruch 1, bei dem die Platinfilmschaltung (14) einen Endabschnitt (15) aufweist, wobei eine erste wärmeisolierende Lücke (16) zwischen dem Endabschnitt (15) und dem Wärmeerzeugungs­ abschnitt (24) erzeugt ist.

3. Platintemperatursensor (11) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem eine zweite wärmeisolierende Lücke (22) zwischen der Beschichtung (21) und dem Ende der Platinfilmschal­ tung (14) erzeugt ist.