DE19830821C2

DE19830821C2 - Temperatursensorelement

Info

Publication number: DE19830821C2
Application number: DE1998130821
Authority: DE
Inventors: Shinichi Osada
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: DE19830821A1; JPH1140403A

Abstract

Ein Temperatursensorelement, das ein isolierendes Substrat, einen Metallfilm, der eine Widerstandsstruktur aufweist, die auf dem isolierenden Substrat gebildet ist, Anschlußelektroden, die auf dem Metallfilm gebildet sind, und Anschlußzuleitungen aufweist, die mit den Anschlußelektroden verbunden sind, wobei die Anschlußelektroden aus Platin bestehen, und wobei die Anschlußzuleitungen aus einem Draht gebildet sind, der aus einer Platin/Rhodium-Legierung besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hochtemperatur sensorelemente zum Messen einer Temperatur eines Auspuff rohrs eines Automobils und/oder eines Katalysators, der in demselben verwendet wird.

Ein herkömmliches Temperatursensorelement weist ein isolie rendes Substrat, das beispielsweise aus Aluminiumoxid be steht, und einen Metallfilm auf, der beispielsweise aus Pla tin besteht. Der Metallfilm ist auf dem isolierenden Sub strat gebildet, und derselbe weist eine Widerstandsstruktur auf, die beispielsweise durch ein Laserschneiden gebildet ist. Anschlußelektroden, die aus Gold bestehen, sind auf beiden Anschlußabschnitten in einer Schaltung dieser Wider standsstruktur gebildet. Dies liegt daran, daß Gold hin sichtlich seiner Charakteristika gegenüber einem Oxidieren extrem widerstandsfähig ist, chemisch stabil ist, und die Charakteristika des Metallfilms nur geringfügig ungünstig beeinflußt.

Ferner sind Anschlußzuleitungen, die aus einem Platindraht oder einem Draht mit einem Platin/Nickel-Überzug bestehen, an den Anschlußelektroden befestigt. Diese Anschlußzulei tungen werden durch ein Verfahren befestigt, das Elektro widerstandsschweißen genannt wird. Insbesondere werden die Abschnitte der Anschlußelektroden, die aus Gold bestehen, durch eine Joulewärme, die durch Fließenlassen eines großen Stroms durch die Abschnitte der Anschlußzuleitungen erzeugt wird, geschmolzen, wodurch die Anschlußzuleitungen mit den Anschlußelektroden verbunden werden. Danach werden Beschich tungsfilme, die aus einer wärmewiderstandsfähigen Glasmasse bestehen, auf dem Metallfilm und den Anschlußelektroden für Zwecke der mechanischen Verstärkung und dem Schutz vor Feuchtigkeit und/oder Staub gebildet.

Bei dem Fall des Messens einer Temperatur eines Auspuffrohrs eines Automobils und/oder eines Katalysators, der darin verwendet wird, ist es für ein Element notwendig, daß es einer Wärme von 1000°C standhält. Der oben beschriebene Temperatursensor könnte jedoch, da die Anschlußelektroden aus Gold gebildet sind, nicht für eine Hochtemperaturan wendung, wie z. B. für den Fall des Messens einer Temperatur des Katalysators und/oder des Auspuffrohrs des Automobils, verwendet werden. Dies liegt daran, daß der Schmelzpunkt von Gold 1064°C beträgt, und die Anschlußelektroden, die aus Gold bestehen, könnten für den Fall schmelzen, bei dem die selben unter einer Bedingung von 1000°C verwendet werden sollen.

Zusätzlich ist ein Material für die Anschlußelektroden er forderlich, das den Metallfilm, der als ein Temperatursensor verwendet werden soll, durch eine Diffusion bei einer hohen Temperatur nicht charakteristisch beeinflußt. Für die An schlußelektroden ist es ferner erforderlich, daß dieselben eine gute Haftung an dem Substrat und/oder dem Metallfilm aufweisen, und daß dieselben eine gute Verschweißung mit den Anschlußzuleitungen aufweisen.

Es ist ferner notwendig, die Wärmewiderstandsfähigkeit, das Verschweißen und/oder die mechanische Verstärkung des An schlußzuleitungsmaterials zu berücksichtigen.

Hinsichtlich des vorhergehenden ist die Auswahl von geeig neten Anschlußelektroden und Anschlußzuleitungen erforder lich, die den Temperatursensor bilden, der bei etwa 1000°C verwendet wird.

Die DE 256 15 473 B2 offenbart einen Meßwiderstand für ein Widerstandsthermometer mit einem keramischen Träger, der aus Aluminiumoxid besteht. Auf dem Träger ist eine Widerstands schicht aus Platin aufgebracht, die als Mäander strukturiert ist. An bestimmten Stellen der Platinwiderstandsschicht sind zwei Flecken für die Verbindung mit Zuleitungselektroden vorgesehen. Diese Flecken bestehen aus einer Schicht von metallischem Gold oder einer bondfähigen Metall-Legierung, die mindestens einen eben so hohen Schmelzpunkt wie Gold aufweist. Die Anschlußelektroden, die aus Platindraht oder aus Gold oder anderen Edelmetallen oder deren Legierungen bestehen können, werden in runder oder flacher Querschnitts form auf die Flecken aufgelegt und beispielsweise durch Thermokompression oder Ultraschall mit den Flecken verbun den. Bei Anschlußelektroden aus Platin und Kontaktflecken aus Gold wird eine Temperatur von beispielsweise 350 bis 400 Grad Celsius bevorzugt. Über die Kontaktflächen und den Be reich der Anschlußelektroden in der Nähe der Kontaktflecken wird eine elektrisch isolierende Paste aus einer Glasurmasse aufgebracht und eingebrannt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Temperatursensorelement zu schaffen, das bei etwa 1000°C verwendet werden kann, und das eine hohe mechanische Stärke in Verbindungsabschnitten hinsichtlich der oben erwähnten Probleme aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Temperatursensorelement gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 2 gelöst.

Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, weist das Temperatur sensorelement der vorliegenden Erfindung folgende Merkmale auf: ein isolierendes Substrat; einen Metallfilm mit einer Widerstandsstruktur, die auf dem isolierenden Substrat ge bildet ist; Anschlußelektroden, die auf dem Metallfilm ge bildet sind; und Anschlußzuleitungen, die mit den Anschluß elektroden verbunden sind, wobei die Anschlußelektroden aus Platin und die Anschlußzuleitungen aus einem Draht bestehen, der aus einer Platin/Rhodium-Legierung besteht.

Ein weiteres Temperatursensorelement weist ferner folgende Merkmale auf: ein isolierendes Substrat, das Aluminiumoxid umfaßt; Anschlußelektroden, die auf dem isolierenden Sub strat gebildet sind; einen Metallfilm, der eine Widerstands struktur aufweist, die auf dem isolierenden Substrat gebil det ist, und der gebildet ist, um die Anschlußelektroden abzudecken; und Anschlußzuleitungen, die mit einem Metall film auf den Anschlußelektroden verbunden sind, wobei die Anschlußelektroden aus Platin bestehen, das Aluminiumoxid körner enthält, und wobei die Anschlußzuleitungen aus einem Draht gebildet sind, der aus einer Platin/Rhodium-Legierung besteht.

Außerdem ist es vorzuziehen, daß die Anschlußelektroden, für den Fall, daß dieselben direkt auf dem isolierenden Substrat gebildet werden, Aluminiumoxid in dem Platin enthalten, und daß der Gehalt desselben einen Anteil von 2,5 bis 15 Ge wichtsprozent ausmacht.

Weiterhin ist es vorzuziehen, daß das Rhodium, das in dem Anschlußdraht enthalten ist, einen Anteil von 10 bis 20 Ge wichtsprozent ausmacht.

Mit der oben beschriebenen Konfiguration kann ein Temperatursensorelement mit einer 1000°C-Wärmewiderstandsfähig keit und einer hohen mechanischen Stärke in einem Verbin dungsabschnitt erhalten werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Temperatursensor elements des ersten Ausführungsbeispiels der vor liegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Temperatursensorelements des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 3 eine Teilquerschnittsansicht des Verbindungsab schnitts des Temperatursensorelements des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 eine Teilquerschnittsansicht des Verbindungsab schnitts des Temperatursensorelements des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Bezugnehmend nun auf die Fig. 1 und 2 wird ein Tempera tursensorelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung im folgenden beschrieben.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist ein Temperatursensor 10 ein isolierendes Substrat 11, einen Metallfilm 12, zwei An schlußelektroden 13a, 13b und Anschlußzuleitungen 15a, 15b auf. Das isolierende Substrat 11 wird durch Schneiden des Materials, wie z. B. Aluminiumoxid etc., in eine Streifen form erhalten. Auf dem isolierenden Substrat wird der Me tallfilm 12, der aus Platin besteht und eine Widerstands struktur 14 aufweist, gebildet. Die Elektroden 13a, 13b, die aus Platin bestehen, werden an beiden Endabschnitten in der Schaltung der Widerstandsstruktur 14 gebildet. Die Anschluß zuleitungen 15a, 15b, die aus einem Draht gebildet sind, der aus einer Platin/Rhodium-Legierung besteht, werden mit den Elektroden 13a, 13b verbunden.

Im folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des Tempe ratursensorelements 10, das diese Struktur aufweist, be schrieben. Das isolierende Substrat 11, das aus Aluminium oxid oder dergleichen besteht, wird durch eine Ultraschall reinigungsvorrichtung gereinigt, entfettet und dann einer Fluorwasserstoffsäurebehandlung unterzogen, um die Ober fläche desselben aufzurauhen. Danach wird das isolierende Substrat 11 einem Sensibilisierungsprozeß mit Zinnchlorid ausgesetzt, um die Oberfläche desselben zu sensibilisieren, auf der ein Metallfilm gebildet werden soll. Die Oberfläche des isolierenden Substrats wird anschließend einem Aktivie rungsprozeß mit Palladiumchlorid unterzogen, wodurch eine unproblematische Befestigung des Metallfilms 12 an dem iso lierenden Substrat 11 ermöglicht wird. Nachdem das erhaltene isolierende Substrat 11 mit einer ausreichenden Menge Wasser gewaschen wurde, wird ein Metallfilm 12, der aus Platin be steht, auf dem isolierenden Substrat 11 durch autokataly tisches Metallisieren aufgebracht.

Ferner wird auf dem Metallfilm 12 die Widerstandsstruktur 14 in einer Mäanderform durch ein Verfahren, wie z. B. einem Laserschneiden oder einem Trockenätzen, gebildet. Ferner wird, wie in Fig. 2 gezeigt, auf den verbleibenden Abschnit ten der Schaltung der Widerstandsstruktur 14 der Oberfläche des Metallfilms 12, ausgenommen den beiden Endabschnitten derselben, ein Beschichtungsfilm 16 durch Drucken und Bren nen einer wärmewiderstandsfähigen Glasmasse oder durch Schleuderbeschichten und Brennen eines Keramik-Sol-Gels etc. für die Zwecke der mechanischen Verstärkung, dem Schutz vor Feuchtigkeit und Staub oder der elektrischen Isolierung ge bildet.

Als nächstes werden die Anschlußelektroden 13a, 13b auf beiden Endabschnitten in der Schaltung der Widerstandsstruktur 14 durch Dickfilmsiebdrucken eines frittenlosen Platins und durch Brennen desselben gebildet. Bei diesem Fall ist es vorzuziehen, keine Glasfritte zu verwenden, da der Tempera tursensor der vorliegenden Erfindung bei 1000°C haltbar sein sollte, und da die Glaskomponenten bei einer derartigen Tem peratur aufgrund dessen, daß die Temperatur eine Wärmewider standsfähigkeitsgrenze der Glaskomponenten überschreitet, abgeschält werden. Es sei bemerkt, daß die Anschlußelektro den, die aus Platin bestehen, die gleichen charakteristi schen Vorteile wie bei Gold aufweisen. Dann wird die Wider standsstruktur 14 durch das Durchführen eines Lasertrimmens zum Anpassen eines Widerstandswerts des Temperatursensorele ments 10 an einen Standardwert eingestellt.

Ferner werden die Anschlußzuleitungen 15a, 15b, die aus ei nem Draht gebildet sind, der aus einer Platin/Rhodium-Le gierung besteht, an die Anschlußelektroden 13a bzw. 13b ge schweißt. Danach, wie in Fig. 2 gezeigt, wird ein Befesti gungsmaterial 17, das aus Keramik, einer wärmewiderstands fähigen Glasmasse oder dergleichen besteht, über die ge schweißten Abschnitte der Anschlußzuleitungen 15a, 15b be schichtet, und für Zwecke der mechanischen Verstärkung, dem Schutz vor Feuchtigkeit und Staub oder der elektrischen Iso lierung gebrannt.

Bei dem Temperatursensor der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, daß der Rhodiumgehalt in den Anschlußzulei tungen 15a, 15b hinsichtlich der folgenden Gründe einen An teil von 10 bis 20 Gewichtsprozent ausmacht.

Das heißt, es wurde ein Zugversuch mit 2 kg/mm² für den Fall des Verschweißens der Anschlußelektrode 13a, die aus dem Platin besteht, das auf dem Metallfilm 12 auf dem isolieren den Substrat 11 gebildet ist, mit der Anschlußzuleitung 15a, die aus der Platin/Rhodium-Legierung besteht, untersucht, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Als ein Resultat wurde für ei ne Anschlußzuleitung mit einem Rhodiumgehalt von 10 bis 20 Gewichtsprozent, wie in Tabelle 1 gezeigt, eine 100%ige Er folgsrate erhalten.

Tabelle 1

Obwohl eine 100%ige Erfolgsrate für die Anschlußzuleitung mit einem Rhodiumgehalt von über 20 Gewichtsprozent erhalten wurde, verschlechtert sich die Widerstandstemperaturcharak teristik der Anschlußzuleitung 15a mit dem Erhöhen des Rho diumgehalts. Dies führt dazu, daß keine genaue Charakte ristik für das ganze Temperatursensorelement 10 erhalten werden kann, wodurch ein Fehler bei einer Temperaturmessung des Temperatursensorelements 10 auftreten wird. Aus den vor her erwähnten Gründen ist es vorzuziehen, daß der Gehalt von Rhodium in der Platin/Rhodium-Legierung für die Anschlußzu leitungen 15a und 15b einen Anteil von 10 bis 20 Gewichts prozent ausmacht.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung. Die gleichen Komponenten, wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, werden mit den gleichen Symbolen bezeichnet, und die Beschreibung derselben wird ausgelassen. Dieses Ausführungsbeispiel beabsichtigt die mechanische Stärke der jeweiligen Verbindungsabschnitte des isolierenden Substrats, des Metallfilms, der Anschlußelek troden, der Anschlußzuleitungen zu verbessern, was die Pro bleme bei dem herkömmlichen Temperatursensor waren.

Wie in Fig. 4 gezeigt, unterscheidet sich das vorliegende Ausführungsbeispiel von dem vorhergehenden Ausführungs beispiel darin, daß die Anschlußelektrode 13a zwischen dem isolierenden Substrat 11 und dem Metallfilm 12 gebildet ist. Ein Verfahren zum Herstellen des Temperatursensorelements gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird im folgenden beschrieben.

Zunächst werden auf dem isolierenden Substrat 11 die An schlußelektroden 13a, 13b, die aus Platin bestehen, das Aluminiumoxidkörner enthält, mit einer Größe von etwa 50 nm durch ein frittenloses Dickfilm-Siebdrucken/Brennen gebil det. Danach wird der Metallfilm 12 unter Verwendung der gleichen Technik, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, gebildet. Ferner wird auf dem Metallfilm 12 die Widerstands struktur 14 in einer Mäanderform durch ein Verfahren, wie z. B. dem Laserschneiden oder dem Trockenätzen, gebildet. Fer ner wird auf den verbleibenden Abschnitten der Schaltung der Widerstandsstruktur 14 der Oberfläche des Metallfilms 12, ausgenommen den beiden Endabschnitten derselben, ein Be schichtungsfilm 16 auf die gleiche Art und Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel gebildet. Außerdem werden die Anschlußzuleitungen 15a, 15b, die aus einem Draht gebildet sind, der aus einer Platin/Rhodium-Legierung besteht, an die Anschlußelektroden 13a, 13b geschweißt. Danach wird ein Be festigungsmaterial 17, das aus Keramik, einer wärmewider standsfähigen Glasmasse oder dergleichen besteht, auf die Schweißabschnitte der Anschlußzuleitungen 15a, 15b beschich tet und gebrannt.

Ein Zugversuch mit 2 kg/mm² wurde durch Verändern des Alu miniumoxidkörnergehalts in der Anschlußelektrode 13a unter sucht. Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurde eine nahezu 100%ige Erfolgsrate für den Fall erreicht, bei dem der Gehalt der Aluminiumoxidkörner einen Anteil von 2,5 bis 15 Gewichts prozent ausmacht.

Tabelle 2

Dementsprechend ist es vorzuziehen, daß der Gehalt der Alu miniumoxidkörner in den Anschlußelektroden 13a, 13b zwischen einschließlich 2,5 und einschließlich 15 Gewichtsprozent liegt, um die Haftkraft zwischen dem isolierenden Substrat 11 und den Anschlußelektroden 13a und 13b zu verbessern.

Wie im Vorgehenden beschrieben erhält man gemäß der vorlie genden Erfindung, da Platin für die Anschlußelektroden ver wendet wird, und da ein Draht, der aus einer Platin/Rhodi um-Legierung besteht, für das Anschlußzuleitungsmaterial verwendet wird, ein Temperatursensorelement, das bis etwa 1000°C haltbar ist, wodurch eine Messung einer Temperatur unter Hochtemperaturbedingungen ermöglicht wird.

Ferner kann die Stärke des Verbindungsabschnitts der An schlußelektroden und der Anschlußzuleitungen verbessert wer den, und es kann ein Temperatursensorelement mit einer hohen Zuverlässigkeit erhalten werden.

Außerdem ist es möglich, eine starke Verbindung zwischen ei ner Anschlußelektrode und einem isolierenden Substrat durch Verwenden eines isolierenden Substrats, das Aluminiumoxid aufweist, und einer Anschlußelektrode, die Aluminiumoxid körner enthält, zu realisieren.

Claims

1. Temperatursensorelement (10) mit folgenden Merkmalen:
einem isolierenden Substrat (11);
einem Metallfilm (12), der eine Widerstandsstruktur (14) aufweist, die auf dem isolierenden Substrat (11) gebil det ist;
Anschlußelektroden (13a, 13b), die auf dem Metallfilm (12) gebildet sind; und
Anschlußzuleitungen (15a, 15b), die mit den Anschluß elektroden (13a, 13b) verbunden sind,
wobei die Anschlußelektroden (13a, 13b) aus Platin be stehen, und wobei die Anschlußzuleitungen (15a, 15b) aus einem Draht gebildet sind, der aus einer Platin/Rho dium-Legierung besteht.

2. Temperatursensorelement (10) mit folgenden Merkmalen:
einem isolierenden Substrat (11), das Aluminiumoxid auf weist;
Anschlußelektroden (13a, 13b), die auf dem isolierenden Substrat (11) gebildet sind;
einem Metallfilm (12), der eine Widerstandsstruktur (14) aufweist, die auf dem isolierenden Substrat (11) gebil det ist, wobei der Metallfilm derart gebildet ist, daß die Anschlußelektroden (13a, 13b) abgedeckt sind; und
Anschlußzuleitungen (15a, 15b), die mit einem Metallfilm auf den Anschlußelektroden (13a, 13b) verbunden sind,
wobei die Anschlußelektroden (13a, 13b) aus Platin bestehen, das Aluminiumoxidkörner enthält, und wobei die Anschlußzuleitungen (15a, 15b) aus einem Draht gebildet sind, der aus einer Platin/Rhodium-Legierung besteht.

3. Temperatursensorelement (10) gemäß Anspruch 2, bei dem die Aluminiumoxidkörner, die in den Anschlußelektroden (13a, 13b) enthalten sind, einen Anteil von 2,5 bis 15 Gewichtsprozent ausmachen.

4. Temperatursensor (10) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Rhodium, das in den Anschlußzuleitungen (15a, 15b) enthalten ist, einen Anteil von 10 bis 20 Gewichts prozent ausmacht.