DE19934110A1 - Temperaturfühler und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Bei einem Temperaturfühler, insbesondere zur Überwachung der Temperatur eines Abgases einer Brennkraftmaschine, mit einem Träger (2) aus Keramikmaterial, und einem an einem ersten Endabschnitt (10) des Trägers (2) angeordneten temperaturabhängigen Widerstandselement (5), an einem zweiten Endabschnitt (7) des Trägers angeordneten elektrischen Kontakten (6) und sich über einen Mittelbereich (8) des Trägers (2) erstreckenden, die Kontakte (6) mit dem Widerstandselement (5) verbindenden Leiterbahnen (3, 4) ist zum Schutz vor Verfälschungen der Meßergebnisse vorgesehen, daß der Mittelbereich (8) des Trägers (2) strukturiert ist (9), um einen höheren thermischen Widerstand als ein Endabschnitt (7, 10) aufzuweisen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler, ins­ besondere zur Überwachung der Temperatur von Abga­ sen einer Brennkraftmaschine, mit einem Träger aus Keramikmaterial und einem an einem ersten Endab­ schnitt des Trägers, als sensitiver Abschnitt be­ zeichnet, angeordneten temperaturabhängigen Wider­ standselement, an einem zweiten Endabschnitt des Trägers, als Halterungsabschnitt bezeichnet, ange­ ordneten elektrischen Kontakten und sich über einen Mittelbereich des Trägers zwischen den Kontakten und dem Widerstandselement erstreckenden Leiterbah­ nen.

Ein solcher Temperaturfühler ist aus DE 37 33 192 bekannt.

Vorteile der Erfindung

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Tempera­ turfühler geschaffen, dessen Meßgenauigkeit verbes­ sert und dessen Trägheit verringert ist.

Um diese Vorteile zu erreichen, ist bei einem Tem­ peraturfühler der oben beschriebenen Art vorgese­ hen, daß ein zwischen den zwei Endabschnitten lie­ gender Mittelbereich strukturiert ist, um einen hö­ heren thermischen Widerstand als ein Endabschnitt aufzuweisen.

Diese Strukturierung vermindert den Wärmefluß zwi­ schen dem sensitiven Abschnitt und dem Halterungs­ abschnitt, der zur Verankerung des Temperaturfüh­ lers in einer Fassung und zur elektrischen Kontak­ tierung dient. Eventuelle Temperaturabweichungen zwischen einer solchen Fassung und dem zweiten End­ abschnitt verfälschen daher das Meßergebnis nur wenig. Da durch die Strukturierung des Mittelbe­ reichs der Abfluß von Wärme vom zweiten Endab­ schnitt durch den Träger erschwert ist, hat der sensitive Abschnitt im Betrieb meist eine recht ho­ mogene Temperaturverteilung. Der gemessene Wider­ standswert des Widerstandselements erlaubt daher einen genauen Rückschluß auf die Temperatur. Außer­ dem führt die Strukturierung dazu, daß auch bei Vorhandensein einer Abweichung zwischen der Tempe­ ratur eines zu messenden Mediums und der Fassung eine stationäre Temperatur des sensitiven Ab­ schnitts, die der tatsächlichen, zu messenden Tem­ peratur näher kommt, schneller erreicht wird als bei einem entsprechenden, aber nicht strukturierten Temperaturfühler.

Die Strukturierung besteht vorzugsweise aus einer Verminderung des Querschnitts des Trägers im Mit­ telbereich, verglichen mit den Endabschnitten, ins­ besondere in Form von wenigstens einer Durchbre­ chung oder Vertiefung.

Eine solche Vertiefung oder Durchbrechung kann in den Träger gefräst, gebohrt oder geschliffen sein. Bei einem Träger aus Keramikmaterial wird die Durchbrechung oder Vertiefung vorzugsweise vor dem Sintern erzeugt.

Bei einem aus einer Mehrzahl von Schichten aufge­ bauten Träger kann alternativ eine Vertiefung des Mittelbereichs auch dadurch gebildet sein, daß we­ nigstens eine durchbrochene Schicht und wenigstens eine geschlossene Schicht zusammengefügt sind.

Das temperaturempfindliche Widerstandselement kann zum Beispiel in Form eines Mäander- oder Zickzack­ musters in einer oder sogar mehreren Ebenen an dem sensitiven Abschnitt angeordnet sein. Diese relativ große Länge des Widerstandselements trägt dazu bei, daß ein starkes, rauscharmes Nutzsignal in Form ei­ ner temperaturabhängigen Widerstandsänderung ge­ messen werden kann. Dabei hat die große Länge des Widerstandselements, die im Betrieb einer relativ homogenen Temperatur ausgesetzt ist, den zusätzli­ chen Vorteil, daß temperaturabhängige Wider­ standsänderungen von Leiterbahnen, die das Wider­ standselement mit den Kontakten verbinden, und die sich entlang des Halterungsabschnitts bei unter­ schiedlichen Temperaturen erstrecken, das Meßergeb­ nis nur wenig verfälschen können.

Das Widerstandselement ist vorzugsweise aus einem Platin-Aluminiumoxid-Gemisch oder allgemein aus platinummantelten, nichtleitenden Keramikteilchen gebildet.

Um den Einfluß der Zuleitungen, das heißt der Lei­ terbahnen des Halterungsabschnitts, die das Wider­ standselement mit den Kontakten verbinden, auf den gemessenen Widerstandswert gering zu halten, ist es ferner zweckmäßig, für diese Zuleitungen eine an­ dere Materialzusammensetzung als für das Wider­ standselement des zweiten Endbereichs zu wählen. Insbesondere können die Zuleitungen aus metalli­ schem Platin bestehen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.

Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen er­ findungsgemäßen Temperatursen­ sor;

Fig. 2A bis 2C Schnitte durch den Sensor aus Fig. 1 entlang der Linie II-II gemäß unterschiedlichen Ausge­ staltungen der Erfindung; und

Fig. 3A und 3D Schnitte entlang der Linie III- III aus Fig. 1 gemäß verschie­ denen Ausgestaltungen der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungs­ gemäßen Temperatursensor 1. Auf einem Träger 2 aus Oxidkeramikmaterial sind Leiterbahnen 3, 4, ein Wi­ derstandselement 5 und elektrische Kontakte 6 ange­ ordnet. Die elektrischen Kontakte 6 befinden sich in einem ersten Endabschnitt 7 des Trägers 2, als Halterungsabschnitt bezeichnet, der zum Einstecken oder Einklemmen in einer (nicht dargestellten) Fas­ sung vorgesehen ist, die zu den Kontakten 6 komple­ mentäre Kontakte aufweist, und über die der Tempe­ ratursensor mit einer Meßspannung versorgt werden kann.

Die Leiterbahnen 3, 4 erstrecken sich geradlinig über einen Mittelbereich 8 des Trägers 2 bis in die Umgebung einer an der Oberfläche des Trägers gebil­ deten Aussparung 9. Die Leiterbahnen 3, 4 bestehen aus metallischem Platin. Die Länge des Mittelbe­ reichs 8 macht mehr als die Hälfte der Länge des Trägers 2 aus.

An die Aussparung 9 schließt sich ein sensitiver Abschnitt 10 des Trägers an. Die Länge dieses sen­ sitiven Abschnitts 10 ist etwa ein Viertel der Ge­ samtlänge des Trägers 2. In diesem Abschnitt 10 bildet das Widerstandselement 5 eine Verbindung zwischen den Leiterbahnen 3, 4. Der Querschnitt des Widerstandselements 5 ist geringer als der der Lei­ terbahnen 3, 4, außerdem besteht es aus einem Mate­ rial mit höherem Flächenwiderstand, wie etwa pla­ tinummantelten Keramikteilchen, insbesondere Alumi­ niumoxid-Teilchen oder einer Mischung von Pt mit nichtleitenden Keramikteilchen. Das Widerstandsele­ ment 5 verläuft im Zickzack auf einem großen Teil der Fläche des sensitiven Abschnitts, so daß seine Gesamtlänge wesentlich größer ist als die Länge oder Breite dieses Abschnitts 10. Hierdurch, durch die Wahl des Materials und durch den im Vergleich zu den Leiterbahnen 3, 4 verringerten Querschnitt wird erreicht, daß das Widerstandselement 5 den bei weitem überwiegenden Teil zum gesamten elektrischen Widerstand des Temperatursensors beiträgt. Die Tem­ peraturabhängigkeit dieses Widerstands ist daher praktisch ausschließlich abhängig von der Tempera­ tur des sensitiven Abschnitts 10. Der Halterungsab­ schnitt 7, an dem der Temperatursensor gehalten ist, ist unter normalen Betriebsbedingungen erheb­ lich kühler als der sensitive Abschnitt 10. Durch die Aussparung 9 wird erreicht, daß das unvermeid­ liche Temperaturgefälle zwischen den zwei Abschnit­ ten 7, 10 sich großenteils auf den Bereich der Aus­ sparung 9 konzentriert, wo der Querschnitt des Trä­ gers verringert und infolgedessen sein thermischer Widerstand erhöht ist; der sensitive Abschnitt 10 selber hat infolgedessen eine relativ homogene Tem­ peratur, auf die aus einem gemessenen elektrischen Widerstand des Temperatursensors eindeutig und ex­ akt rückgeschlossen werden kann. Infolge der Anord­ nung der Aussparung 9 in unmittelbarer Nähe zum zweiten Endbereich wird der Anteil der Masse des Temperatursensors, der einer Temperaturänderung des zu messenden Mediums folgen muß, klein gehalten. Daher vermag der Sensor Temperaturänderungen sehr schnell zu folgen.

Fig. 2 zeigt nicht maßstabsgetreu verschiedene mögliche Querschnitte von Temperatursensoren ent­ lang der Linie II-II aus Fig. 1.

Bei der in Fig. 2A gezeigten ersten Variante ist auf einem Trägertape 12 aus Yttrium-stabilisierter Zirkonoxidkeramik eine Isolierungsschicht 13, das im Zickzack oder in Mäandern verlaufende Wider­ standselement 5, darüber eine zweite Isolierungs­ schicht 14 und schließlich ein sogenanntes Abdeck­ tape 15 aufgebracht. Aufgabe der Isolierungsschich­ ten 13, 14 aus Aluminiumoxidkeramik ist, die Leiter­ bahn 10 elektrisch von Träger- und Abdecktape 12, 15 zu isolieren. Der Grund dafür ist, daß bei den von dem Sensor zu erfassenden Temperaturen, nämlich den Temperaturen eines Sauerstoff-Sensors zur Überwa­ chung des Abgases einer Brennkraftmaschine, die - aufgrund ihrer guten thermomechanischen Eigenschaf­ ten als Material für den Träger 2 bevorzugte - Zir­ konoxidkeramik geringfügig elektrisch leitend wird, Aluminiumoxidkeramik hingegen nicht.

Um Gase aus der Umgebung des Temperatursensors daran zu hindern, zum Widerstandselement 5 vorzu­ dringen und diese bei den hohen Arbeitstemperaturen des Sensors zu beschädigen, sind die Isolierungs­ schichten 13, 14 und das Widerstandselement 5 auch an den Seiten von gasdichten Wänden 16 aus Zir­ konoxidkeramik umgeben.

Die Dicke der Tapes 12, 15 ist in dem Bereich, in dem diese die Mäander des Widerstandselements 5 überdecken, verringert. Die Verringerung der Dicke kann durch vollflächiges Abschleifen oder Abfräsen des durch ein Bindemittel zusammengehaltenen Tapes vor dem Sintern erfolgen, wie für das Trägertape 12 dargestellt, es kann aber auch selektiv eine Aus­ sparung 17 über dem im Zickzack verlaufenden Be­ reich der Leiterbahn 5 erzeugt werden, wie am Bei­ spiel des Abdecktapes 15 dargestellt. An den Seiten der Aussparung 17 stehenbleibende Stege 18 dienen zur Aufrechterhaltung der mechanischen Festigkeit des Sensors.

Eine solche Verringerung der Dicke kann selbstver­ ständlich auch an nur einem der Tapes 12, 15 durch­ geführt werden.

Der Temperatursensor kann hergestellt werden durch sukzessives Siebdrucken des Trägertapes 12, der Isolierungsschicht, der Leiterbahn 5, der Isolie­ rungsschicht 14, der Wände 16 und des Abdecktapes 15 und anschließendes Sintern des erhaltenen Ver­ bundes bei Temperaturen im Bereich von 1350 bis 1360°C. Diese Temperatur genügt, um das Zirkonoxid der Tapes 12, 15 und der Wände 16 luftdicht sintern zu lassen, während beim Aluminiumoxid der Isolie­ rungsschichten 13, 14 eine gewisse Restpororität be­ stehen bleibt.

Fig. 2B zeigt eine Schichtstruktur des Sensors, mit der sich eine besonders kurze Reaktionszeit des Sensors erzielen läßt.

Zwei Tapes 12,15 aus Yttrium-stabilisiertem Zir­ konoxid sind übereinander aufgetragen, um einen Träger von ausreichender mechanischer Festigkeit aufzubauen. Auf diesem befindet sich eine erste Isolierungsschicht 13, die zusammen mit einer zwei­ ten Isolierungsschicht 14, die eine Außenfläche des Sensors bildet, die Leiterbahn 5 einschließt. An­ ders als bei den Ausgestaltungen der Fig. 2A, 2B bilden hier die Isolierungsschichten Außenflächen des Sensors; um die Leiterbahn 5 vor der Zerstörung durch eindringende Gase zu schützen, müssen diese Isolierungsschichten luftdicht, aber bei der Ein­ satztemperatur des Sensors elektrisch nicht leitend sein. Dies läßt sich erreichen durch Verwendung von ultrafeinem Aluminiumoxidpulver mit einer Partikel­ größe im Nanometerbereich, das eine niedrigere Sin­ tertemperatur als Aluminiumoxid mit gröberer Kör­ nung aufweist, oder durch Versetzen des die Isolie­ rungsschichten 13, 14 bildenden Aluminiumoxids mit Sinterhilfsmitteln wie etwa Magnesiumoxid oder Si­ liciumdioxid.

Die Masse des sensitiven Abschnitts 10 und damit seine thermische Trägheit ist durch Aussparungen 17 im Zirkonoxidmaterial des Tapes verringert.

Denkbar ist auch, wie in Fig. 2C angedeutet, eines der Tapes 12 im sensitiven Abschnitt 10 vollständig abzutragen oder von vornherein nicht vorzusehen, wenn dies im Hinblick auf die erforderliche mecha­ nische Festigkeit des Sensors vertretbar ist.

Eine weitere Möglichkeit, die Masse des sensitiven Abschnitts 10 gering zu halten ist die, das Wider­ standselement 5 in mehreren, voneinander elektrisch isolierten Schichten übereinander anzuordnen. Dies verringert bei gleichbleibender Länge des Wider­ standselements die für es benötigte Trägerfläche und damit die benötigte Masse des sensitiven Ab­ schnitts 10.

Fig. 3A bis 3D zeigen mögliche Querschnitte des Temperatursensors aus Fig. 1 in Höhe der Linie III-III. In Fig. 3A bildet die Aussparung 9 eine von einer Seite des Trägers 2 zur anderen durchge­ hende Bohrung. Die Schichtstruktur des Trägers ent­ spricht der des Beispiels aus Fig. 2A, allerdings ist hier keine Aussparung 17 am sensitiven Ab­ schnitt 10 vorhanden, so daß dessen Dicke gleich der des Halterungsabschnitts und des überwiegenden Teils des Mittelbereichs 8 ist. In Fig. 3B ist die Aussparung 9 ein Sackloch, das vor dem Sintern des Trägers durch alle Schichten des Trägers mit Ausnahme des untersten Tapes 12 getrieben ist. Diese zwei Varianten sind mit jedem der in Fig. 2A bis 2C gezeigten Querschnitte kombinierbar. Das Sachloch könnte genausogut von der Unterseite des Trägers aus gebohrt oder gefräst sein.

Fig. 3C zeigt eine Variante, bei der die Ausspa­ rung 9 lediglich im untersten Tape 12 gebildet ist. Ein solcher Aufbau ließe sich zum Beispiel herstel­ len, indem zunächst in das Tape 12 ein Loch ge­ stanzt wird, um die Aussparung 9 zu bilden, und dieses dann mit dem zweiten Tape 15 sowie den auf letzterem durch Siebdruck erzeugten Isolierungs­ schichten 13 und 14 und dem Widerstandselement 5 zusammenlaminiert wird.

Fig. 3D zeigt eine weitere Variante des Tempera­ tursensors, bei der eine Mehrzahl von Aussparungen 9 im Mittelbereich 8 vorgesehen ist. Falls wie hier die Aussparungen 9 als Sacklöcher ausgebildet sind, ist es zweckmäßig, diese abwechselnd an ver­ schiedenen Seiten des Trägers 2 auszubilden, und so nicht nur den effektiven Wärmeleitungsquerschnitt des Temperatursensors im Bereich einer Aussparung zu verringern, sondern zusätzlich die effektive Weglänge für einen Teil des Wärmeflusses zu vergrö­ ßern.

Auch diese Variante kann mit einem beliebigen Schichtaufbau des Trägers 2 kombiniert werden, wes­ wegen in der Figur auch die einzelnen Schichten nicht dargestellt sind.

Claims (15)

1. Temperaturfühler (1), insbesondere zur Überwa­ chung der Temperatur eines Abgases einer Brenn­ kraftmaschine, mit einem Träger (2) aus Keramikma­ terial und einem an einem ersten Endabschnitt des Trägers (2), als sensitiver Abschnitt (10) bezeich­ net, angeordneten temperaturabhängigen Widerstands­ element (5), an einem zweiten Endabschnitt des Trä­ gers, als Halterungsabschnitt (7) bezeichnet, ange­ ordneten elektrischen Kontakten, und sich über ei­ nen Mittelbereich (8) des Trägers (2) erstrecken­ den, die Kontakte (6) mit dem Widerstandselement (5) verbindenden Leiterbahnen (3, 4) dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mittelbereich (8) des Trägers strukturiert ist, um einen höheren thermischen Wi­ derstand als ein Endabschnitt (7, 10) aufzuweisen.

2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strukturierung des Mittelbe­ reichs (8) wenigstens eine Aussparung (9) umfaßt.

3. Temperaturfühler nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Aussparung (9) in den Träger (2) gefräst, gebohrt oder geschliffen ist.

4. Temperaturfühler nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger (2) aus einer Mehrzahl von Schichten aufgebaut ist, und daß die Aussparung (9) des Mittelbereichs ist durch wenigstens eine durchbrochene Schicht und wenigstens eine geschlossene Schicht gebildet ist.

5. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (9) unmittelbar an den sensitiven Abschnitt (10) an­ grenzend angeordnet ist.

6. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des sensitiven Abschnitts (10) maximal ein Viertel der Länge des Trägers (2) ausmacht.

7. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wider­ standselement (5) in mehreren Ebenen angeordnet ist.

8. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wider­ standselement (5) aus platinummantelten nichtlei­ tenden Keramikteilchen gebildet ist.

9. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wider­ standselement (5) aus einem Platin-Aluminiumoxid- Gemisch gebildet ist.

10. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter­ bahnen (3, 4) eine andere Zusammensetzung als das Widerstandselement (5) haben.

11. Temperaturfühler nach Anspruch 10 in Verbindung mit Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (3, 4) aus metallischem Platin be­ stehen.

12. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dadurch ge­ kennzeichnet, daß der sensitive Abschnitt (10) we­ nigstens stellenweise eine geringere Dicke als der Halterungsabschnitt (7) aufweist.

13. Verfahren zur Herstellung eines Temperaturfüh­ lers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger (2) von gleichmäßiger Dicke geformt und dann der Mittelbe­ reich (8) auf wenigstens einem Teil seiner Fläche durch Abtragen wenigstens eines Teils der Dicke des Trägers (2) strukturiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (2) nach dem Abtragen gesintert wird.

15. Verfahren zum Herstellen eines Temperaturfüh­ lers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus mehreren Schich­ ten zusammengefügt wird, wobei in wenigstens eine der Schichten in dem Mittelbereich (8) eine Durch­ brechung gestanzt ist.