DE3829764C2 - Platin-Temperatursensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Platin-Temperatursensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und insbesondere auf einen Platin-Temperatursensor mit einem Platin- Widerstandsthermometer.

Platin ist chemisch stabil, weist eine hohe Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes auf und eignet sich demzufolge als Material für einen Tempe­ ratursensor. Bei einem konventionellen Platin- Temperatursensor ist ein Platindraht spiralförmig auf einem Isolator aufgewickelt, oder es befindet sich ein Platin- Widerstandsmuster in Form eines Dick- oder Dünnfilms auf einem einzelnen, plattenförmig ausgebildeten Aluminiumoxidsubstrat, wie den US-Patentschriften No. 4 028 657, 4 050 052 oder 3 781 749 zu entnehmen ist.

Der Platin-Temperatursensor vom Wicklungstyp ist relativ teuer und kann nicht mit hinreichend kleiner Größe hergestellt werden, wobei sich ferner auch kein hoher Widerstandswert erreichen läßt. Der ein einzelnes Alu­ miniumsubstrat aufweisende Platin-Temperatursensor muß andererseits relativ groß hergestellt werden, um einen hohen Widerstandswert zu erzielen. Auch hier läßt sich kein hoher Widerstandswert erreichen, wenn der Platin-Temperatursensor nur eine geringe Größe aufweist.

Die US-Patentschrift No. 3 781 749 offenbart einen Platin- Temperatursensor mit übereinandergeschichteten Platin- Mustern, die auf jeder Schicht linear oder gerade ausgebildet sind. Auch hier tritt aber ein ähnliches Problem wie bei den zuvor beschriebenen Platin-Temperatursensoren auf, da sich keine hinreichende Musterlänge in jeder der Schichten erzielen läßt.

Aus der US-Patentschrift 3 575 053 ist ein Manganin-Nickel- Tiefsttemperatursensor bekannt. Bei diesem Temperatursensor sind die Widerstandselemente in ein Epoxid-Harz eingegossen, und die elektrischen Anschlüsse dazu sind jeweils einzeln von den Widerstandselementen durch den umhüllenden Film hindurch nach außen geführt.

Des weiteren ist kein Widerstandsabgleich der eingegossenen Widerstandselemente möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verkleinerten Platin-Temperatursensor mit erhöhtem Widerstandswert billig herstellen zu können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Platin-Temperatursensor nach der Erfindung zeichnet sich aus durch

• - eine Mehrzahl von aufeinandergeschichteten Keramikplättchen,
• - Platin-Widerstandsmuster auf den Oberflächen der jeweiligen Keramikplättchen, wobei jedes Platin- Widerstandsmuster eine Mehrzahl von gebogenen Bereichen aufweist, und
• - Verbindungseinrichtungen zur Verbindung jeweils benachbarter Platin-Wi­ derstandsmuster untereinander, die zwischen den Keramikplättchen liegen.

Die Verbindungseinrichtungen weisen Durchgangslöcher innerhalb der Keramik­ plättchen und Metallpaste in den Durchgangslöchern auf, um eine elektri­ sche Verbindung zwischen den Enden der jeweiligen Platin-Widerstandsmuster zu schaffen. Die einzelnen Platin-Widerstandsmuster lassen sich über die Verbin­ dungseinrichtungen elektrisch in Reihe miteinander verbinden, wobei die Verbin­ dungseinrichtungen abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten des Platin-Tem­ peratursensors zu liegen kommen.

Die Keramikplättchen sind in aufeinandergeschichtetem Zustand gebrannt, so daß ein integraler Körper erhalten wird.

Ein äußerstes Keramikplättchen, das auf seiner äußeren Oberfläche kein Platin- Widerstandsmuster trägt, kann Durchgangslöcher aufweisen, die den Zwischen­ bereich eines unter diesen Keramikplättchen liegenden Platin-Widerstands­ musters erreichen. Es können Widerstands-Einstelleitungen auf der äußeren Oberfläche des äußersten Keramikplättchens vorhanden sein, die mit dem unter diesem Keramikplättchen liegenden Platin-Widerstandsmuster durch die Durch­ gangslöcher hindurch verbunden sind, um den Widerstandswert des Platin-Tem­ peratursensors abgleichen zu können. Leitungsdrähte können über eine Elektro­ denpaste mit beiden Enden des resultierenden Platin-Widerstandsmusters ver­ bunden sein. Diese Leitungsdrähte sind also jeweils mit einem Ende der über die Verbindungseinrichtung miteinander verbundenen Platin-Widerstandsmuster verbunden.

Mit Hilfe des Platin-Temperatursensors nach der Erfindung läßt sich die Tempera­ tur über eine lineare Veränderung des elektrischen Widerstands der Platin-Wider­ standsmuster messen, die als Temperatursensorelemente dienen, wobei die linea­ re Veränderung des elektrischen Widerstandes durch die Temperaturänderung hervorgerufen wird.

Die Platin-Widerstandsmuster können jeweils eine Mehrzahl von gebogenen Berei­ chen aufweisen, wobei sich die Platin-Widerstandsmuster auf den Oberflächen der aufeinandergeschichteten Keramikplättchen befinden. Jeweils ein Platin-Wider­ standsmuster befindet sich auf einem Keramikplättchen. Benachbarte Platin-Wi­ derstandsmuster zwischen den Keramikplättchen sind miteinander über die Ver­ bindungseinrichtungen verbunden. Gegenüber dem konventionellen Platin-Wi­ derstandsmuster lassen sich die Platin-Widerstandsmuster nach der Erfindung in der Länge vergrößern, so daß ein hoher Widerstandswert bei geringer Sensorgröße erhalten wird. Der Platin-Temperatursensor läßt sich darüber hinaus billig her­ stellen, da er aus mehreren aufeinandergeschichteten Keramikplättchen gebildet wird. Gegenüber dem konventionellen Platin-Temperatursensor ist derjenige nach der Erfindung billiger und kleiner herstellbar und weist darüber hinaus einen hö­ heren Widerstandswert auf.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines ersten Auführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen Teilquerschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2 und

Fig. 5 einen der Fig. 3 entsprechenden Querschnitt durch ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem herausgebrochenen Teil. Entsprechend der Fig. 1 ent­ hält ein Platin-Temperatursensor nach der Erfindung einen Platin-Temperatur­ sensorkörper 1 sowie zwei Leitungsdrähte 2 und 3, die aus dem Platin-Temperatur­ sensorkörper 1 herausragen. Der Platin-Temperatursensorkörper 1 ist aus vier Ke­ ramikplättchen gebildet, die in einem aufeinandergeschichteten Zustand gebrannt und integral miteinander verbunden sind.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung des Ausführungsbei­ spiels nach Fig. 1. Entsprechend der Fig. 2 ist das unterste Keramikplättchen 4 auf seiner oberen Fläche mit einem Platin-Widerstandsmuster 5 versehen, das eine Zickzackform aufweist. Ein Endteil des Platin-Widerstandsmusters 5 erstreckt sich linear vom zickzackförmigen Teil, wobei der Endteil dieses linear ausgebilde­ ten Teils mit einer Elektrode 6 verbunden ist, die sich am Umfangskantenbereich des Keramikplättchens 4 befindet. Ein Keramikplättchen 7 liegt auf dem Keramik­ plättchen 4 und weist ebenfalls an seiner oberen Fläche ein zickzackförmig ausge­ bildetes Platin-Widerstandsmuster 8 auf. Ein Ende des Platin-Widerstandsmu­ sters 8 ist in vertikaler Richtung mit dem anderen Ende des Platin-Widerstands­ musters 5 verbunden. Das Keramikplättchen 7 ist zu diesem Zweck mit einem senkrechten Durchgangsloch 9 versehen, und zwar im Endbereich des Platin-Wi­ derstandsmusters 8, wobei das Durchgangsloch 9 auf das andere Ende des Platin- Widerstandsmusters 5 ausgerichtet ist. Ein Keramikplättchen 10 liegt auf dem Ke­ ramikplättchen 7 und weist ebenfalls ein zickzackförmig ausgebildetes Platin-Wi­ derstandsmuster 11 auf. Das Keramikplättchen 10 enthält ein senkrechtes Durch­ gangsloch 12 in einem Endbereich des Platin-Widerstandsmusters 11, wobei das Durchgangsloch 12 auf das andere Ende des Platin-Widerstandsmusters 8 ausge­ richtet ist. An diesem anderen Ende des Platin-Widerstandsmusters 8 befindet sich kein Durchgangsloch. Das andere Ende des Platin-Widerstandsmusters 11 ist mit einer Elektrode 13 verbunden, die am Umfangskantenbereich des Keramikplätt­ chens 10 liegt.

Eine auf dem Keramikplättchen 10 liegendes Keramikplättchen 14 weist eine große Anzahl von Durchgangslöchern 15 auf, die gegenüber den Umfangskanten des Ke­ ramikplättchens 14 leicht nach innen versetzt sind und an Positionen liegen, die mit den Bereichen bzw. gebogenen Bereichen des Platin-Widerstandsmusters 11 übereinstimmen, das sich darunter befindet.

Die Leitungsdrähte 2 und 3 sind mit den jeweiligen Elektroden 13 und 6 durch so­ genanntes Silberbacken verbunden. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, sind einige der Durchgangslöcher 15 über Widerstands-Einstelleitungen 16 miteinander verbun­ den, die sich an der oberen Fläche des Keramikplättchens 14 an Positionen befin­ den, die mit den abgebogenen Bereichen des Platin-Widerstandsmusters 11 über­ einstimmen. Diese Widerstands-Einstelleitungen 16 lassen sich zum Beispiel ein­ brennen. Sie dienen dazu, die abgebogenen Bereiche des Platin-Widerstandsmu­ sters 11 über die Durchgangslöcher 15 miteinander zu verbinden.

Ferner befindet sich eine Keramikschlammschicht 17 auf der oberen Fläche der Keramikschicht 14, wie die Fig. 1 zeigt. Die Keramikschlammschicht 17 füllt jene Durchgangslöcher 15 aus, die nicht mit Widerstands-Einstelleitungen 16 versehen sind, wie in Fig. 3 zu erkennen ist. Auf diese Weise werden das Platin-Wider­ standsmuster 11 und die Widerstands-Einstelleitungen 16 gegenüber der äußeren Umgebung abgedeckt.

Entsprechend der Fig. 4 befindet sich eine Verbindungsleitung 18 aus einer Sil­ berpaste innerhalb des Durchgangsloches 12. Das untere Ende der Verbindungs­ leitung 18 ist elektrisch mit einem Ende des Platin-Widerstandsmusters 8 verbun­ den, während das obere Ende der Verbindungsleitung 18 mit einem Ende des Pla­ tin-Widerstandsmusters 11 verbunden ist. Auf diese Weise werden über die Ver­ bindungsleitung 18 die Platin-Widerstandsmuster 8 und 11 miteinander verbun­ den.

Das Durchgangsloch 9 (vgl. Fig. 2) ist in ähnlicher Weise wie das Durchgangsloch 12 mit einer Verbindungsleitung ausgestattet, um die Platin-Widerstandsmuster 5 und 8 miteinander zu verbinden.

Der Platin-Temperatursensor nach der Erfindung wird an einer geeigneten Position angeordnet, um eine Temperaturmessung mit Hilfe des Wheatstone-Brückenver­ fahrens oder mit Hilfe eines Konstantstromprozesses durchzuführen. Er läßt sich aber auch im Zusammenhang mit anderen Meßverfahren einsetzen. Die Platin-Wi­ derstandsmuster 5, 8 und 11 dienen als Temperatursensorelemente, deren elektri­ scher Widerstand sich linear mit der Temperatur ändert. Hierdurch läßt sich die Temperatur eines zu messenden Objektes erfassen. Die Platin-Widerstandsmuster 5, 8 und 11 sind von den Keramikplättchen 4, 7 und 10 sowie von der Keramik­ schlammschicht 17 dicht umgeben, so daß sie nicht der Atmosphäre ausgesetzt und ferner gegen Feuchtigkeitseinflüsse geschützt sind.

Widerstandseinstellungen der Platin-Widerstandsmuster 5, 8 und 11 erfolgen durch entsprechendes Zuschneiden der Widerstands-Einstelleitungen 16 vor dem Aufbringen der Keramikschlammschicht 17. Nach einer solchen Widerstandsein­ stellung wird die Keramikschlammschicht 17 auf der Oberfläche der Kera­ mikschicht 14 gebildet, um die Durchgangslöcher 15 und die Widerstandseinstel­ leitungen 16 abzudecken. Auf diese Weise wird der Schutz gegen atmosphärische und Feuchtigkeitseinflüsse erhöht.

Im Nachfolgenden wird die Herstellung des zuvor beschriebenen Platin-Tempe­ ratursensors im einzelnen erläutert. Zuerst werden vier unbehandelte bzw. unge­ brannte Keramikplättchen hergestellt, die den Keramikplättchen 4, 7, 10 und 14 in Fig. 2 entsprechen. Es handelt sich hierbei um sogenannte Ceramic Green Sheets. Auf einer dieser noch unbehandelten Keramikplättchen werden die Platin- Widerstandsmuster 5, 8 und 11 aufgebracht, während die Durchgangslöcher 15 in die letzte bzw. vierte noch unbehandelte Keramikschicht eingebracht werden. Die Platin-Widerstandsmuster 5, 8 und 11 lassen sich in Form von Dickfilmen herstel­ len, zum Beispiel mit Hilfe eines Film- oder Schablonendruckes, oder in Form von Dünnfilmen, die aufgedampft werden. Anschließend werden die Durchgangslöcher 9 und 12 sowie die Elektroden 6 und 13 gemäß Fig. 2 hergestellt, und zwar bei den noch unbehandelten Keramikplättchen, die die Platin-Widerstandsmuster 5, 8 und 11 aufweisen.

Die auf diese Weise erhaltenen vier noch ungebrannten Keramikplättchen werden gemäß Fig. 2 aufeinandergeschichtet und unter Anwendung von Druck gegen­ einandergepreßt. Sodann werden die Widerstands-Einstelleitungen 16 so verlegt, daß sie Durchgangslöcher 15 miteinander verbunden, die in gebogenen Bereichen des Platin-Widerstandsmusters 11 liegen. Das auf diese Weise hergestellte Lami­ nat wird gebrannt, um eine feste Verbindung zwischen den Schichten zu erzeugen, so daß letztlich der Platin-Temperatursensorkörper 1 erhalten wird. Die Leitungs­ drähte 2 und 3 sind mit den Elektroden 6 und 13 des Platin-Temperatursensorkör­ pers 1 durch das bereits erwähnte Silberbacken verbunden.

Sodann werden die Widerstandswerte der Platin-Widerstandsmuster 5, 8 und 11 im Platin-Temperatursensorkörper 1 über die Leitungsdrähte 2 und 3 gemessen, wobei die Widerstands-Einstelleitungen 16 so zerschnitten werden können, daß sich ein vorbestimmter Widerstand erzielen läßt. Zuletzt wird die Keramik­ schlammschicht 17 auf die obere Fläche des Platin-Temperatursensorkörpers 1 aufgebracht, um die Durchgangslöcher 15 und die Widerstands-Einstelleitungen 16 abzudecken. Der gesamte Körper wird nochmals gebrannt, um die Keramik­ schlammschicht 17 integral mit dem Platin-Temperatursensorkörper 1 zu verbin­ den. Auf diese Weise wird der in Fig. 1 gezeigte Platin-Temperatursensor erhal­ ten.

Im nachfolgenden werden weitere Abwandlungen der Erfindung näher beschrie­ ben.

• (a) Die Leitungsdrähte 2 und 3 können durch äußere Elektroden 20 und 21 ge­ mäß Fig. 5 ersetzt werden, und zwar dadurch, daß Silberpaste auf die Seiten­ wandoberflächen des Platin-Temperatursensorkörpers 1 aufgebracht wird.
• (b) Die Einstellung des Widerstandes braucht nicht unbedingt durch Zuschnei­ den von Widerstands-Einstelleitungen 16 gemäß Fig. 1 zu erfolgen. Sie kann auch in der Weise ausgeführt werden, daß entsprechende Durchgangslöcher 15 durch eine Silberpaste miteinander verbunden werden, die gebacken wird (soge­ nanntes Silberbacken).
• (c) Die Keramikschlammschicht 17 kann durch eine Abdeckschicht aus Glas ersetzt werden.
• (d) Es ist nicht unbedingt erforderlich, die Platin-Widerstandsmuster 5, 8 und 11 über die Durchgangslöcher 9 und 12 und die darin vorhandenen Verbindungslei­ tungen 18 miteinander zu verbinden. Die Platin-Widerstandsmuster 5, 8 und 11 lassen sich auch über äußere Verbindungsleitungen miteinander verbinden.
• (e) Die Anzahl der Platin-Widerstandsmuster ist nicht auf drei beschränkt. Es können auch Platin-Widerstandsmuster auf zwei oder mehr als drei Keramikplätt­ chen vorhanden sein.
• (f) Die Platin-Widerstandsmuster 5, 8 und 11 müssen nicht unbedingt die dar­ gestellte Form aufweisen, die im Zusammenhang mit dem obigen Ausführungsbei­ spiel erläutert worden ist. Andere Muster können zum Einsatz kommen, und zwar je nach Abhängigkeit des gewünschten Anwendungszweckes.
• (g) Die Leitungsdrähte 2 und 3 können angeschlossen bzw. mit den Elektroden 13 und 6 verbunden werden, wenn das aus den mehreren ungebrannten Keramik­ plättchen bestehende Laminat gebrannt wird. In diesem Fall bestehen die Lei­ tungsdrähte 2 und 3 aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt, um der Tempe­ ratur beim Brennen des Laminats widerstehen zu können.

Claims (9)

1. Platin-Temperatursensor, gekennzeichnet durch

• - eine Mehrzahl von aufeinandergeschichteten Keramikplättchen (4, 7, 10),
• - Platin-Widerstandsmuster (5, 8, 11) auf den Oberflächen der jeweiligen Keramikplättchen (4, 7, 10), wobei jedes Platin- Widerstandsmuster (5, 8, 11) eine Mehrzahl von gebogenen Bereichen aufweist,
• - Verbindungseinrichtungen zur Verbindung jeweils benachbarter Platin-Widerstandsmuser (5, 8 bzw. 8, 11) untereinander, die zwischen den Keramikplättchen (4, 7, 10) liegen, wobei die
• - Verbindungseinrichtungen Durchgangslöcher (9, 12) innerhalb der Keramikplättchen (7, 10) und Metallpaste (18) in den Durchgangslöchern (9, 12) aufweisen, um eine elektrische Verbindung zwischen den Enden der jeweiligen Platin- Widerstandsmuster zu schaffen.

2. Platin-Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikplättchen (4, 7, 10) in aufeinandergeschichtetem Zustand gebrannt sind.

3. Platin-Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußerstes Keramikplättchen (14) Durchgangslöcher (15) aufweist, die den Zwi­ schenbereich eines unter diesem äußeren Keramikplättchen (14) liegenden Platin-Wider­ standsmuster (11) erreichen.

4. Platin-Temperatursensor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Wider­ stands-Einstelleitungen (16) auf der äußeren Oberfläche des äußersten Keramik­ plättchens (14), die mit dem unter diesem äußeren Keramikplättchen (14) liegenden Platin- Widerstandsmuster (11) durch die Durchgangslöcher (15) hindurch verbunden sind.

5. Platin-Temperatursensor nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine die Oberfläche des äußersten Keramikplättchens (14) bedeckende Keramik­ schlammschicht (17), die die Durchgangslöcher (15) ausfüllt, durch die keine Widerstands-Einstelleitungen (16) hindurchlaufen.

6. Platin-Temperatursensor nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Durchgangslöcher (15) in Bereichen liegen, die mit den gebogenen Be­ reichen des Platin-Widerstandsmusters (11) übereinstimmen.

7. Platin-Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platin-Widerstandsmuster (5, 8, 11) zickzack­ förmig ausgebildet sind.

8. Platin-Temperatursensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Leitungsdrähte (2, 3), die jeweils mit einem Ende der über die Verbindungseinrich­ tung miteinander verbundenen Platin-Widerstandsmuster (5, 8, 11) verbunden sind.

9. Platin-Temperatursensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch äußere Elektroden (20, 21) aus einer Metallpaste an den Seitenflächen der aufeinanderge­ schichteten Keramikplättchen, wobei die Elektroden (20, 21) jeweils mit einem Ende der über die Verbindungseinrichtungen (9, 12, 18) miteinander verbundenen Platin- Widerstandsmuster (5, 8, 11) verbunden sind.