DE19605468C2 - Platintemperatursensor - Google Patents
PlatintemperatursensorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Platintem
peratursensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 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.
Die DE 44 04 456 A1 offenbart einen Widerstands-Temperatur
sensor mit einem isolierenden Substrat, das einen Trägerab
schnitt an einem Ende des Substrats aufweist. Eine Wider
standsschaltung ist vorgesehen, die Gebiete mit unterschied
lichen Widerstandswerten aufweist, wobei das Gebiet in der
Nähe des Trägerabschnitt den größten Widerstandswert be
sitzt, um einen hohen Heizwert zu schaffen.
Die DE-OS 23 27 662 beschreibt ein Widerstandsthermometer,
das auf einem Trägerabschnitt eines Substrats eine Glasbe
schichtung aufweist, die aus einem Material mit einer gerin
gen elektrischen Leitfähigkeit besteht. Die Glasbeschichtung
ist vorgesehen, um eine elektrische Isolation zwischen dem
Elektrodenmuster, einen Schutz der Elektroden und eine her
metische Abdichtung des Widerstandsthermometers zu schaffen.
Die DE 40 36 109 A1 bezieht sich auf einen Widerstandstempe
raturfühler, der eine Wärme-isolierende Lücke auf dem iso
lierenden Substrat zwischen einer Anschlußelektrode und ei
nem Ende der Platinfilmschaltung aufweist.
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 Wärme-isolierende Lücke ist zwi
schen einem Ende der Platinfilmschaltung und einem Ende der
Beschichtung erzeugt. Eine zweite Wärme-isolierende Lücke
kann zwischen einem Endabschnitt der Platinfilmschaltung und
dem Wärmeerzeugungsabschnitt erzeugt sein.
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 Substrat 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 zweite Wärme-isolierende Lücke (Freiraum) 16
ist zwischen den Endabschnitten 15 und dem Wärmeerzeugungs
abschnitt 24 vorgesehen, so daß elektrische Wege 25 auf
jeder Seite der zweiten Wärme-isolierenden Lücke 16 jeweils
Verbindungen zwischen den Endabschnitten 15 und beiden Enden
des Mäandermusters des Wärmeerzeugungsabschnitts 24 bilden.
Die zweite Wärme-isolierende Lücke 16 ist zwischen elektri
schen Wegen 25 angeordnet. Die elektrischen Wege 25 weisen
vorzugsweise 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 zweite 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
zweite Wärme-isolierende Lücke 16 nicht.
Eine Beschichtung 21 bedeckt den Trägerabschnitt 12 des iso
lierenden Substrats 13, wobei eine erste Wärme-isolierende
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 erste Wärme-isolierende Lücke 22 ist ei
ne Rille, die durch eine Kante des Endabschnitts 15 und eine
Kante der Beschichtung 21 erzeugt ist. Vorzugsweise ist die
Breite der ersten Wärme-isolierenden 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 zweite Wärme-iso
lierende 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 Figu
ren 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 zweiten Wärme-isolierenden Lücke 16 ent
spricht. Dies bedeutet, daß die Ableitung von Wärme von dem
Wärme-erzeugenden Abschnitt 24 an der zweiten Wärme-isolie
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
zweite Wärme-isolierende Lücke 16 die Ableitung von Wärme
von dem Wärmeerzeugungsabschnitt 24 zu den Elektroden 17,
der Glasbefestigung 19 und den Anschlußleitungsdrähten 18.
Die erste Wärme-isolierende 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.
Claims (2)
1. Platintemperatursensor (11), mit:
einem isolierenden Substrat (13) mit einem Trägerab schnitt (12) an einem Ende des Substrats (13);
einer Platinfilmschaltung (14), die an einem anderen En des des Substrats (13) gebildet ist und einen Wärmeer zeugungsabschnitt (24) aufweist;
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Beschichtung (21) nur auf dem Trägerabschnitt (12) an dem einen Ende des isolierenden Substrats (13) gebil det ist,
wobei die Beschichtung (21) aus einem Material besteht, das eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als das isolierende Substrat (13), und
wobei eine erste Wärme-isolierende Lücke (22) zwischen einem Ende der Beschichtung (21) und einem Ende der Pla tinfilmschaltung (14) erzeugt ist.
einem isolierenden Substrat (13) mit einem Trägerab schnitt (12) an einem Ende des Substrats (13);
einer Platinfilmschaltung (14), die an einem anderen En des des Substrats (13) gebildet ist und einen Wärmeer zeugungsabschnitt (24) aufweist;
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Beschichtung (21) nur auf dem Trägerabschnitt (12) an dem einen Ende des isolierenden Substrats (13) gebil det ist,
wobei die Beschichtung (21) aus einem Material besteht, das eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als das isolierende Substrat (13), und
wobei eine erste Wärme-isolierende Lücke (22) zwischen einem Ende der Beschichtung (21) und einem Ende der Pla tinfilmschaltung (14) erzeugt ist.
2. Platintemperatursensor (11) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Platinfilmschaltung (14) einen
Endabschnitt (15) aufweist, wobei eine zweite Wärme-iso
lierende Lücke (16) zwischen dem Endabschnitt (15) und
dem Wärmeerzeugungsabschnitt (24) erzeugt ist.
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