DE3935936C2

DE3935936C2 - Verfahren zum Herstellen eines Detektorelements

Info

Publication number: DE3935936C2
Application number: DE3935936A
Authority: DE
Inventors: Fujio Ishiguro; Toru Kikuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-10-29
Filing date: 1989-10-27
Publication date: 1993-10-28
Anticipated expiration: 2009-10-28
Also published as: US5061350A; DE3935936A1; JPH0687021B2; JPH02120624A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Detektorelements, das zum Messen der Flußrate von Fluid unter Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts des Elements benutzt werden kann.

Detektorelemente dieser Art weisen häufig ein flaches oder zylindrisches Substrat auf, das aus Glas, Keramik oder Metall besteht. Auf dem Substrat wird ein elektrisch leitendes Teil, das aus dünnem Film, dickem Film, Draht oder ähnlichem besteht, angeordnet (falls Metall als Substrat benutzt wird, wird ein isolierendes Material zwischen dem elektrisch leitende Teil und dem Metallsubstrat angeordnet). Ferner wird eine Zuleitung aus Metall an dem Substrat mittels einer elektrisch leitenden Masse bzw. Paste oder eines Glases befestigt, wobei die Zuleitung aus Metall dazu dient, das elektrisch leitende Teil und eine externe Schaltung zu verbinden.

Das elektrisch leitende Teil wird bei der Ausbildung einer Schutzschicht, die ausgebildet wird, um das elektrisch leitende Teil vor der äußeren Umgebung zu schützen, einer Brennbehandlung (Wärmebehandlung) mittels eines Wärmeofens (elektrischen Ofens) unterzogen.

Bei dem oben beschriebenen konventionellen Verfahren, bei dem die Wärmebehandlung mittels eines Wärmeofens durchgeführt wird, wird im allgemeinen Glas als Schutzschicht benutzt. Deshalb ist es bei dem konventionellen Verfahren notwendig, Edelmetall wie Platin oder dergleichen als Substrat oder als Zuleitung aus Metall zu benutzen, um zu verhindern, daß die Zuleitung aus Metall während der Brennung des Glases oxidiert, weshalb das resultierende Detektorelement teuer ist.

Alternativ kann eine Zuleitung aus unedlem Metall anstelle einer Leitung aus Edelmetall benutzt werden. In diesem Falle ist es jedoch notwendig, daß eine Wärmebehandlung unter einer reduzierenden Atmosphäre, N₂-Atmosphäre oder Ar-Atmosphäre durchgeführt wird, um die Oxidation der Zuleitung aus unedlem Metall zu verhindern.

Jedoch wird ein als Schutzschicht verwendetes Glas während der Wärmebehandlung unter reduzierender Atmosphäre, N₂- Atmosphäre oder dergleichen leicht geschäumt oder zersetzt; aufgrund dieses Phänomens des Schäumens und dergleichen des Glases werden der Widerstandswert und der Wert des Widerstandstemperaturkoeffizienten des elektrisch leitenden Teils verändert. Demgemäß ist es, um eine Zuleitung aus unedlem Metall verwenden zu können, notwendig, die Herstellungsbedingung und das Material (Glas oder dergleichen) sorgfältig zu überwachen bzw. auszu wählen.

Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE-GM 76 29 727 sind ein Meßwiderstand für Widerstandsthermometer und ein Verfahren zur Herstellung desselben bekannt. Dieser Meß widerstand ist ein Detektorelement etwa der vorstehend be schriebenen Art. Er weist ein auf einem Substrat aufge brachtes, aus Platin bestehendes, elektrisch leitendes Teil auf, welches über elektrische Zuleitungen mit einer äußeren Schaltung verbunden sind. Zum Schutz des elektrisch leiten den Teils wird über diesem ein Glasschutzfilm aufgeschmol zen. Eine Besonderheit dieses Detektorelements besteht darin, daß die Endabschnitte der Zuleitungen durch Keramik röhrchen geführt sind, welche mittels Glas an das Substrat angeschmolzen werden. Eine derartige Art der Befestigung der Zuleitungen erhöht zwar die Stabilität der Verbindung, trägt jedoch nicht zur Lösung der eingangs genannten Probleme bei.

In der DE-OS 25 07 731 ist ein weiterer Meßwiderstand für Widerstandsthermometer und ein Verfahren zu dessen Herstel lung beschrieben. Der Meßwiderstand besteht aus einem als Träger dienenden Isolierkörper und einer darauf aufgebrach ten dünnen Platinschicht. Zur Erhöhung des Temperaturko effizienten wird als Träger ein Werkstoff verwendet, der zwischen 0°C und 1000°C einen größeren thermischen Ausdeh nungskoeffizienten als Platin besitzt. Zusätzlich wird die Platinschicht nach dem Aufbringen auf den Träger nachgetem pert, um ein maximales Kornwachstum zu erreichen, was eben falls eine Voraussetzung für einen hohen thermischen Temperaturkoeffizienten darstellt. Dieser Druckschrift ist jedoch nicht entnehmbar, auf welche Weise dieser Meßwider stand elektrisch mit einer externen Schaltung verbunden wird.

In der DE-AS 11 08 789 ist ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Drahtwiderstände aus einem Drahtgewebe be schrieben. Ein aus Kettdrähten und Schußdrähten bestehendes Drahtgewebe wird in eine glasartige Masse eingepreßt, wel che sich unter Erhitzen in einem Wärmeofen verfestigt und dem Widerstand somit die für die Weiterverarbeitung erfor derliche Formbeständigkeit verleiht. Abschließend findet ein Einstellen des Widerstandswerts statt, indem durch den Schußdraht ein elektrischer Strom geleitet wird. Der Strom fluß durch den Schußdraht bewirkt, daß auch durch die Kett drähte ein Strom fließt. Dies hat zur Folge, daß die Kett drähte nach und nach schmelzen und sich in die umgebende Masse einlagern. Der Stromfluß durch den Schußdraht wird so lange aufrecht erhalten, bis der elektrische Widerstand durch die Zerstörung der Kettdrähte auf einen gewünschten Wert abgesunken ist. Bezüglich des Anschlusses dieses Widerstands an eine elektrische Schaltung ist dieser Druck schrift keine Information entnehmbar.

In der DE 30 34 175 C2 ist schließlich ein Verfahren zur Herstellung chemisch abscheidbarer, elektrisch leitfähiger Schichten und dessen Anwendung beschrieben. Aus dieser Druckschrift ist es bekannt, während eines Abscheidevor gangs einer Schicht mindestens eine ihrer elektrischen Eigenschaften zu messen und den Abscheidevorgang zu been den, wenn ein vorbestimmbarer, einstellbarer Wert min destens einer der elektrischen Eigenschaften erreicht wird. Unter Anwendung dieses Verfahrens kann beispielsweise der Widerstand einer elektrisch leitenden Schicht relativ genau voreingestellt werden, doch sind auf diese Weise die die Befestigung der Zuleitung betreffenden Probleme ebenfalls nicht lösbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ren zum Herstellen eines Detektorelements zu schaffen, mit tels dem in wenigen Schritten und unter Verwendung einfa cher Ausgangsmaterialien äußerst hochwertige Detektorele mente herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Pa tentanspruch 1 angegebenen Schritte gelöst.

Demnach ist vorgesehen, daß
ein elektrisch leitendes Teil auf einem Substrat ange ordnet wird,
Zuleitungen aus Metall zum elektrisch leitenden Teil an dem Substrat mittels einer glashaltigen Masse befestigt werden, die in einem Wärmeofen gebrannt wird, und
über die Zuleitungen ein elektrischer Strom durch das elektrisch leitende Teil geleitet wird, um einen Glas schutzfilm mittels der Wärmeerzeugung durch das elektrisch leitende Teil auszubilden.

Ein auf diese Weise hergestelltes Detektorelement hat fol gende Vorteile:

(1) Als Zuleitung aus Metall können unedle Metalle wie rostfreier Stahl, Eisen, Nickel oder dergleichen benutzt werden, wobei unedles Metall billiger ist als Edelmetall.

(2) Die Empfindlichkeit des Detektorelements ist hoch. Der Grund dafür ist, daß als Zuleitung ein Metall benutzt werden kann, das eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die niedriger als die eines Edelmetalls ist.

(3) Ein Glas mit niedrigem Schmelzpunkt kann in dem Verbindungsstück zwischen der Zuleitung aus Metall und dem Substrat verwendet werden. Der Grund dafür ist, daß das Verbindungsstück zwischen der Zuleitung aus Metall und dem Substrat während der Erwärmung zum Aufbringen des Glas schutzfilms auf das elektrisch leitende Teil (Selbsterwärmung) nicht übermäßig erhitzt wird, was gegensätzlich zu einem konventionellen Verfahren ist, bei dem die Temperatur des Verbindungsstücks steigt.

(4) Als Zuleitung aus Metall kann ein Material verwendet werden, das einen niedrigen Wärmewiderstand aufweist. Der Grund dafür ist derselbe, wie er unter Punkt (3) erklärt ist.

(5) Als Schutzschicht kann ein Material mit hohem Schmelzpunkt verwendet werden. Die Verwendung eines Materials mit hohem Schmelzpunkt als Schutzschicht resultiert in einer Schutzschicht mit hoher Haftfestigkeit. Des weiteren kann, wenn ein Glas mit hohem Schmelzpunkt verwendet wird, ein schädlicher Bestandteil wie Pb oder dergleichen ausgeschlossen werden.

(6) Die Selbsterwärmung zum Aufbringen des Glasschutzfilms kann an der Luft bewirkt werden. Demgemäß ist es nicht notwendig, ein bestimmtes Atmosphärengas wie N₂, Ar oder dergleichen zu verwenden; daher kann ein Detektorelement billig hergestellt werden.

Darüber hinaus kann ein Detektorelement, das einen festen Widerstandswert und einen verbesserten Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, erhalten werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a, 1b und 1c Darstellungen, die die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zum Herstellen eines Detektor elements bei einem Ausführungsbeispiel zeigen,

Fig. 2a, 2b und 2c Darstellungen, die die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zum Herstellen eines Detektor elements bei einem anderen Ausführungsbeispiel zei gen,

Fig. 3a bis 3d Darstellungen, die die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zum Herstellen eines Detektor elements bei einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigen, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild, das das erfindungsgemäße Ver fahren zum Durchführen eines elektrischen Stroms durch ein Detektorelement zeigt.

Bei dem in den Fig. 1a, 1b und 1c gezeigten Verfahren ist ein Platinfilm 2 durch Zerstäubung bzw. Sputtern auf einem Substrat ausgebildet, das aus einem zylinderförmigen Aluminiumrohr 1 besteht. Danach wird der Film in einem spiralförmig gewickelten Film mittels Lasertrimmung ausgebildet, wie es Fig. 1a zeigt. Dann werden, wie es Fig. 1b zeigt, Zuleitungen aus rostfreiem Stahl 3-1 und 3-2 in die beiden Endabschnitte des Aluminiumrohrs 1 eingeführt, eine Masse bzw. Paste aus einer Glas-Platin- Mischung zwischen das Aluminiumrohr 1 und jede der Zuleitungen 3-1 und 3-2 eingefüllt und in einem Wärmeofen gebrannt, um gebrannte Teile 4-1 und 4-2 auszubilden. Dann wird jede der Zuleitungen aus rostfreiem Stahl 3-1 und 3-2 mittels einer Halterung, einer Krokodilklemme oder einer Einspannvorrichtung eingeklemmt (das Halten der Zuleitung mittels einer Halterung, einer Krokodilklemme oder einer Einspannvorrichtung bewirkt, daß verhindert wird, daß die Temperatur der Zuleitung auf eine außergewöhnlich hohe Temperatur ansteigt), und ein gegebener elektrischer Strom wird zwischen den Zuleitungen aus rostfreiem Stahl 3-1 und 3-2 durch den Platinfilm 2 geführt, um die Selbsterwärmung des Platinfilms 2 zu bewirken.

Der Betrag des elektrischen Stroms wird auf einen gegebenen Wert gesteuert, wobei die Selbsterwärmungstemperatur des Platinfilms auf eine geeignete Temperatur eingestellt wird, um ein Vergüten des Films zu bewirken und um den Widerstandswert und den Widerstandstemperaturkoeffizienten des Platinfilms 2 auf geeignete Werte zu bringen. Schließlich wird eine Glasschutzschicht 5 auf der gesamten Oberfläche des Platinfilms 2 und der gebrannten Teile 4-1 und 4-2 ausgebildet, um ein Detektorelement zu erhalten.

Bei dem in den Fig. 2a, 2b und 2c gezeigten Verfahren wird, wie in Fig. 2a gezeigt, ein Film aus einer Platin-Rhodium- Legierung 12 auf einem Substrat ausgebildet, das aus einer Berylliumoxidplatte 11 besteht.

Danach wird der mittels Zerstäubung bzw. Sputterung aufgebrachte Film 12 geätzt, um ein gegebenes Muster zu erhalten. Dann werden, wie in Fig. 2b gezeigt, Zuleitungen aus Nickel 13-1 und 13-2 an der Berylliumoxidplatte 11 in der Nähe der beiden Enden des Films 12 aus der Platin-Rhodium-Legierung mittels Glas befestigt. Eine platinhaltige Masse bzw. Paste wird dabei zwischen dem Film 12 und jeder der Zuleitungen aus Nickel 13-1 und 13-2 angeordnet und die platinhaltige Masse bzw. Paste wird dann in einem Wärmeofen gebrannt, um gebrannte Filme 14-1 und 14-2 auszubilden. Dann werden die Zuleitungen aus Nickel 13-1 und 13-2 beispielsweise mittels einer Halterung oder dergleichen eingeklemmt, und ein gegebener elektrischer Strom wird durch die Zuleitungen aus Nickel 13-1 und 13-2 und den Film aus der Platin-Rhodium-Legierung 12 geführt, um die Selbsterwärmung nur des Films aus der Platin-Rhodium-Legierung 12 zu bewirken. Der Betrag des elektrischen Stroms wird auf einen gegebenen Wert gesteuert, um die Temperatur dieser Selbsterwärmung einzustellen, wobei der Film aus Platin- Rhodium 12 vergütet wird, um den Widerstandswert und den Widerstandstemperaturkoeffizienten des Films aus der Platin-Rhodium-Legierung 12 auf geeignete Werte zu bringen. Schließlich wird, wie in Fig. 2c gezeigt, ein Glasschutzfilm auf der gesamten Oberfläche der Berylliumoxidplatte 11 ausgebildet, um ein Detektorelement zu erhalten.

Bei den in Fig. 1a bis 1c und 2a bis 2c gezeigten Verfahren kann die Dicke des elektrisch leitenden Teils mittels Galvanisierung oder dergleichen derart eingestellt werden, daß das resultierende Detektorelement einen gegebenen Widerstandswert hat. Vorzugsweise ist diese Einstellung vor der Wärmebehandlung (Vergütung) vorzunehmen.

Bei dem in den Fig. 3a bis 3d gezeigten Verfahren werden, wie in Fig. 3b gezeigt, Zuleitungen aus einer NiFe-Legierung 22-1 und 22-2 in die Hohlräume an beiden Enden eines Substrats eingefügt, das aus einer in der Fig. 3a gezeigten zylinderförmigen Aluminiumoxidrohr 21 besteht. Eine Masse bzw. Paste aus Glas wird zwischen das Aluminiumoxidrohr 21 und jede der Zuleitungen 22-1 und 22-2 eingefüllt, in einem Wärmeofen gebrannt, um gebrannte Teile 23-1 und 23-2 auszubilden. Dann wird, wie in Fig. 3c gezeigt, ein Platindraht 24 mit einem Durchmesser (z. B. 20 µm), der kleiner als der Durchmesser der Zuleitungen 22-1 und 22-2 ist, derart spiralförmig um das Aluminiumoxidrohr 21 gewickelt, daß die Wicklung an der Zuleitung 22-1 anfängt und an der Zuleitung 22-2 aufhört. Wenn viel Platindraht um den endständigen Teil des Aluminiumoxidrohrs 21 und wenig Platindraht um den in der Mitte befindlichen Teil des Aluminiumoxidrohrs gewickelt wird, kann mit dieser Wicklung die Temperatur der Oberfläche des Aluminiumoxidrohrs 21 während der im nächsten Schritt ausgeführten Selbsterwärmung grundsätzlich an den beiden endständigen Teilen des Aluminiumoxidrohrs 21 und in dessen Mitte gleichgemacht werden. Bei den in den Fig. 1a bis 1c und den Fig. 2a bis 2c gezeigten Verfahren kann dieselbe Wirkung durch Ausbildung eines Films erhalten werden, dessen Weite von den beiden Endteilen ausgehend zur Mitte des Films hin anwächst. Bei dem in den Fig. 3a bis 3d gezeigten Verfahren wird nach der Wicklung des Platindrahts 24 jede der Zuleitungen aus der NiFe-Legierung 22-1 und 22-2 mittels beispielsweise einer Halterung oder dergleichen eingeklemmt, und ein gegebener elektrischer Strom wird durch den Platindraht 24 geführt, um die Selbsterwärmung nur des Platindrahts 24 zu bewirken. Der Betrag des elektrischen Stroms wird auf einen gegebenen Wert gesteuert, um die Temperatur dieser Selbsterwärmung einzustellen, wobei der Platindraht 24 vergütet wird, um den Widerstandswert und den Widerstandstemperaturkoeffizienten des Platindrahts 24 auf geeignete Werte zu bringen. Schließlich wird, wie in Fig. 3d gezeigt, ein Glasschutzfilm 25 auf der Oberfläche des Platindrahts 24 ausgebildet, um ein Detektorelement zu erhalten. Die Wärmebehandlung zur Ausbildung des Glasschutzfilms wird mittels der Wärmeerzeugung des Platindrahts 24 selbst ausgeführt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des folgenden Beispiels erläutert.

An der äußeren Oberfläche eines Rohrs, das aus 96% Aluminiumoxid (Sinterhilfsmittel: 4%) hergestellt ist und einen Außendurchmesser von 0,5 mm, einen Innendurchmesser von 0,25 mm und eine Länge von 4 mm hat, wurde ein Platinfilm mit einer Dicke von 0.7 µm durch Zerstäubung ausgebildet. Der Platinfilm wurde in Spiralform mittels Lasertrimmung hergestellt, um ein Substrat auszubilden, das eine Form, wie sie in Fig. 1a gezeigt ist, hat.

Dann wurde eine Zuleitung aus rostfreiem Stahl (SUS 304) mit einem Außendurchmesser von 0,2 mm und einer Länge von 4 mm an beiden Enden des vorstehend beschriebenen Rohrs mittels einer Masse bzw. Paste aus einer Mischung von Glas/Platin (40/60 Vol.-%) befestigt, was durch Brennen der Paste bewirkt wurde. Bei dem resultierenden unfertigen Detektorelement hatte das elektrisch leitende Teil, d.h. der Platinfilm einen Widerstand von 350 Ω bei Raumtemperatur und einen Widerstandstemperaturkoeffizienten (T.C.R.) von 2.400 ppm/K bei 0 bis 100°C.

Dann wurde das unfertige Detektorelement in einer in Fig. 4 gezeigten Schaltung angeordnet und ein elektrischer Strom durch das unfertige Detektorelement geführt, um das Element zu erwärmen. Während dieser Selbsterwärmung wurde die Oberflächentemperatur des Detektorelements mittels eines Thermometers gemessen und einer Leistungsüberwachung unterzogen, um so eine vorbestimmte Oberflächentemperatur zu erhalten. Nach einer dreistündigen Durchführung von elektrischem Strom bei einer Oberflächentemperatur von 750°C (0,9 W) stabilisierte sich der Widerstandswert auf einen geringen Wert von 305 Ω und der Widerstandstemperaturkoeffizient (T.C.R.) wurde zu 3.400 ppm/K.

Dann wurde eine Masse bzw. Paste aus Glaspulver auf dem Platinfilm aufgebracht und befestigt, und ein Wärmebehandlungsprogramm, das Trocknung bei 250°C, Entfernen eines organischen Bindemittels und dergleichen bei 350°C und Schmelzen bei 800°C umfaßte, wurde mittels Durchführung eines elektrischen Stroms durch den Platinfilm durchgeführt, um eine Glasschutzschicht, wie sie in Fig. 1c gezeigt ist, auszubilden.

Schwierigkeiten, daß die Zuleitungen aus rostfreiem Stahl oxidieren und sich die Zuleitungen während der Erhitzung durch den elektrischen Strom ablösen, traten nicht auf.

Die Erfindung ist nicht begrenzt auf das oben beschriebene Beispiel und kann auf verschiedene Arten modifiziert und abgeändert werden. Beispielsweise kann, obwohl der Platinfilm in dem oben beschriebenen Beispiel durch Zerstäubung ausgebildet ist, der Platinfilm mittels Dampfabscheidung, chemischen Plattierens oder einer Kombination daraus ausgebildet werden. Weiterhin ist festgestellt worden, daß sogar dann, wenn dem Film, der mittels der oben beschriebenen Zerstäubung, Dampfabscheidung, chemischen Plattierens oder dergleichen gebildet worden ist, ein weiterer Film mittels Galvanisierung überlagert wird, die Wirkung zur Verbesserung der Eigenschaften des Films mittels der Erwärmung durch elektrischen Strom in den überlagerten Filmen und in dem ursprünglichen einzelnen Film dieselbe ist.

Wie vorstehend beschrieben, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Detektorelements die Wärmebehandlung des elektrisch leitenden Teils unter Ausnutzung der Wärmeerzeugung des elektrisch leitenden Teils selbst durchgeführt, die durch Durchführung eines elektrischen Stroms durch das Teil hervorgerufen wird. Deshalb können die Materialien aus einem weiten Bereich in ihrer Kombination ausgewählt werden und ein Detektorelement mit verbesserten Eigenschaften kann billig erhalten werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Detektorelements, bei dem
ein elektrisch leitendes Teil auf einem Substrat ange ordnet wird,
Zuleitungen aus Metall zum das elektrisch leitenden Teil an dem Substrat mittels einer glashaltigen Masse befestigt werden, die in einem Wärmeofen gebrannt wird, und
über die Zuleitungen ein elektrischer Strom durch das elektrisch leitende Teil (2; 12; 24) geleitet wird, um einen Glasschutzfilm (5; 15; 25) mittels der Wärmeerzeugung durch das elektrisch leitende Teil auszubilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des elektrisch leitenden Teils (2; 12; 24) mittels Galvanisierung eingestellt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des elektrischen Stroms gesteuert wird, um den Widerstandswert und den Widerstandstemperaturkoeffizienten des elektrisch leitenden Teils auf geeignete Werte zu bringen.