DE4404456C2 - Widerstands-Temperatursensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wider­ stands-Temperatursensor, und insbesondere bezieht sie sich auf einen Widerstands-Temperatursensor, der die Eigenschaft ausnutzt, daß sich der Widerstandswert eines Widerstandes mit der Temperatur verändert.

Fig. 6 zeigt einen herkömmlichen Widerstands-Temperatursen­ sor 1, der für die vorliegende Erfindung von Interesse ist. Dieser Widerstands-Temperatursensor 1 umfaßt ein elektrisch isolierendes Substrat 2, das z. B. aus Aluminiumoxid herge­ stellt ist. Ein Trageteil 3 ist auf einem Seitenabschnitt des isolierenden Substrats 2 vorgesehen, um mit einem Bau­ glied zum Tragen des Widerstands-Temperatursensors 1 in Kon­ takt zu sein, während ein Schaltungsteil 4 auf dessen an­ derem Seitenabschnitt vorgesehen ist. Eine zickzackförmige Widerstandsschaltung 5 ist auf dem Schaltungsteil 4 des iso­ lierenden Substrats 2 gebildet. Die Widerstandsschaltung 5, die aus einem Metall-Dünnfilm, z.B aus Platin, gebildet ist, wird auf die folgende Art in eine Zickzackform gebracht.

Ein Metall-Dünnfilm wird über die gesamte Oberfläche des Schaltungsteils 4 des isolierenden Substrats 2 durch Zer­ stäuben, Platieren oder Backen mit einem organischen Metall­ resinat gebildet, und durch Bestrahlung mit einem Laser, Trockenätzen oder Naßätzen mit Rillen 6 versehen. Diese Ril­ len 6 unterteilen den Metall-Dünnfilm, um die zickzack­ förmige Widerstandsschaltung 5 zu definieren. Eine Rille 7, die durch ein ähnliches Verfahren gebildet ist, definiert eine Grenze zwischen den Anschlußelektroden 8 und 9, die mit den jeweiligen Endabschnitten der Widerstandsschaltung 5 verbunden sind. Ferner sind die Rillen 10 durch ein ähn­ liches Verfahren entlang den peripheren Kanten des isolie­ renden Substrats 2 gebildet. Sogar wenn der Metall-Dünnfilm von einem Ende des Substrats 2 teilweise getrennt ist, wird eine solche Trennung durch eine entsprechende der Rillen 10 wirksam gestoppt. Die Metall-Dünnfilme, die die Anschluß­ elektroden 8 und 9 definieren, werden gleichzeitig mit dem Metall-Dünnfilm, der den Schaltungsteil 4 bildet, gebildet.

Die Anschlußelektroden 8 bzw. 9 sind mit Anschlußleitungs­ drähten (nicht gezeigt) verbunden.

Um ein hohes Ausgangssignal bei einem solchen Widerstands- Temperatursensor 1 zu erhalten, ist es bevorzugt, die Breite eines Gebietes mit gleichmäßiger Temperatur, die durch die Wärmeerzeugung der Widerstandsschaltung 5 erbracht wird, zu maximieren. Die Metall-Dünnfilme, die auf dem Schaltungsteil 4 vorgesehen sind, sind auf eine konstante Dicke gebracht, und die Widerstandsschaltung 5 wird auf eine im allgemeinen konstante Schaltungsbreite gebracht. Die Widerstandswerte in den jeweiligen Abschnitten werden nämlich gegenüber der ge­ samten Widerstandsschaltung 5 auf konstante Pegel gebracht, so daß die gesamte Widerstandsschaltung 5 gleichmäßig Wärme erzeugt.

Wenn die Widerstandsschaltung 5 des Widerstands-Temperatur­ sensors 1 mit der oben erwähnten Struktur erregt wurde, und der Meßung der Temperaturverteilung ausgesetzt wurde, wurde jedoch ein Ergebnis erreicht, das im unteren Teil von Fig. 6 gezeigt ist. Aus Fig. 6 ist es offensichtlich, daß die relative große Wärmeabfuhr, die auf einer Wärmeleitung oder ähnlichem basiert, auf einem Seitenabschnitt des Schal­ tungsteils 4 verursacht wird, das in der Nähe des Trageteils 3, d. h. einem nicht-heizenden Teil, ist, was zu einer sol­ chen Tendenz führt, daß sich der Wärmeverlust erhöht, wo­ durch die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung gehemmt wird. Deshalb ist die Ausgangscharakteristik des Wider­ stands-Temperatursensors 1 bezüglich der Temperaturänderung reduziert.

Aus der DD 2 89 127 A5 ist ein mechanisch stabilisierter Pla­ tin-Dünnschichtsensor bekannt, der ein keramisches Substrat aufweist, auf dem eine Platinwiderstandsschicht angeordnet ist. Die Platinwiderstandsschicht umfaßt zwei Kontaktflä­ chen, auf denen Anschlußdrähte aufgebondet werden können. Die restliche Fläche der Platinwiderstandsschicht ist durch Lasertrimmschnitte in Gebiete mit unterschiedlichen Wider­ standswerten aufgeteilt.

Die DE 40 36 109 A1 betrifft einen Widerstandstemperaturfüh­ ler, der ein isolierendes Substrat und ein zickzack-Wider­ standsmuster umfaßt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wider­ stands-Temperatursensor zu schaffen, bei dem die Breite eines Gebietes mit gleichmäßiger Temperaturverteilung weiter erhöht wird, um ein großes Ausgangssignal zu erhalten.

Diese Aufgabe wird durch einen Widerstands-Temperatursensor nach Anspruch 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf beiliegende Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vordere Draufsichtdarstellung, die einen Wider­ stands-Temperatursensor gemäß einem ersten Ausführ­ ungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit der Tem­ peraturverteilung, die durch diesen Widerstands-Tem­ peratursensor erhalten wird, zeigt;

Fig. 2 eine vordere Draufsichtdarstellung, die einen Wider­ stands-Temperatursensor gemäß einem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 3 eine vordere Draufsichtdarstellung, die einen Wider­ stands-Temperatursensor gemäß einem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 ist eine vordere Draufsichtdarstellung, die einen Widerstands-Temperatursensor gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 eine vordere Draufsichtdarstellung, die einen Wider­ stands-Temperatursensor gemäß einem fünften Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6 eine vordere Draufsichtdarstellung, die einen her­ kömmlichen Temperatursensor mit der Temperaturver­ teilung, die durch diesen Widerstands-Temperatursen­ sor erhalten wird, zeigt.

Fig. 1 zeigt einen Widerstands-Temperatursensor 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieser Widerstands-Temperatursensor 11 umfaßt ein elektrisch isolierendes Substrat 12, das z. B. aus Aluminiumoxid herge­ stellt ist. Ein Trageteil 13 ist auf einem Seitenabschnitt des isolierenden Substrats 12 vorgesehen, während ein Schal­ tungsteil 14, das durch einen Metall-Dünnfilm, z. B. aus Pla­ tin, vorgesehen ist, auf einem Gebiet des isolierenden Subs­ trats 12 gebildet ist, das das Trageteil 13 ausschließt.

Dieser Metall-Dünnfilm ist durch ein Verfahren gebildet, das demjenigen beim oben erwähnten Stand der Technik ähnlich ist. Ferner sind Rillen 15 in dem Metall-Dünnfilm durch ein Verfahren gebildet, das dem beim Stand der Technik ähnlich ist, wodurch eine zickzackförmige Widerstandsschaltung 16 definiert ist. Zusätzlich ist eine Rille 17 gebildet, um die Anschlußelektroden 18 und 19, die mit den jeweiligen Endab­ schnitten der Widerstandsschaltung 16 in Verbindung stehen, voneinander zu trennen, während die Rillen 20 gebildet sind, um eine Trennung des Metall-Dünnfilms in Abschnitten der Widerstandsschaltung 16 zu vermeiden.

Die Widerstandsschaltung 16 hat ein erstes, zweites und drittes Gebiet 21, 22 und 23, die bezüglich der Schaltungs­ breite voneinander unterschiedlich sind. Das zweite Gebiet 22 hat die größte Schaltungsbreite, und das dritte Gebiet 23 hat die kleinste Schaltungsbreite, während das erste Gebiet 21 eine dazwischenliegende Schaltungsbreite hat. Die Wider­ standswerte, die durch die Gebiete 21-23 geschaffen wer­ den, d. h. die Heizwerte, sind deshalb in der folgenden Be­ ziehung: (drittes Gebiet 23) < (erstes Gebiet 21) < (zweites Gebiet 22).

Eine solchen Beziehung der Widerstandswerte, d. h. der Heiz­ werte, ist derart ausgewählt, daß der größte Heizwert in dem dritten Gebiet 23 den Betrag der Wärmeabfuhr aus der Wider­ standsschaltung 16 in Richtung des Trageteils 13 kompen­ siert. Das zweite Gebiet 22, das als eine Wärmesenke ange­ ordnet ist, die sowohl von dem ersten als auch von dem dritten Gebiet 21 und 23 Wärme empfängt, ist ausgelegt, um selbst den kleinsten Heizwert zu haben. Ferner ist das erste Gebiet 21 ausgelegt, um in Anbetracht der Beziehung zu dem dritten Gebiet 23, das die Wärme kompensieren muß, die in Richtung des Trageteils 13 fließt, und die Wärme erzeugt, die in das zweite Gebiet 22 fließt, einen kleineren Heizwert zu haben als das dritte Gebiet 23.

Folglich wird die Temperaturverteilung in dem Schaltungsteil 14 gleichmäßig gemacht, wie es durch eine durchgezogene Linie in einem unteren Teil in Fig. 1 gezeigt ist. Eine ge­ strichelte Linie zeigt die Temperaturverteilung, die durch den herkömmlichen Widerstands-Temperatursensor 1 erhalten wird, der in Fig. 6 gezeigt.

Fig. 2 zeigt einen Widerstands-Temperatursensor 24 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der folgenden Erfindung. In Fig. 2 sind Elemente, die denen, die in Fig. 1 gezeigt sind, entsprechen mit ähnliche Bezugszeichen bezeichnet, und lediglich eine Struktur, die sich von der des ersten Aus­ führungsbeispiels unterscheidet, wird nachfolgend be­ schrieben.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, verläuft eine Widerstandsschal­ tung 16 in Querrichtung zickzackförmig entlang einem iso­ lierenden Substrat 12 in dem jeweiligen ersten, zweiten und dritten Gebiet 21, 22 und 23. Die Schaltungsbreiten, Wider­ standswerte und Heizwerte der Gebiete 21, 22, 23 sind jedoch in Bezug zueinander ähnlich zu denen des Ausführungsbeispiels, das in Fig. 1 gezeigt ist. Deshalb hat der Widerstands-Tem­ peratursensor 24, der in Fig. 2 gezeigt ist, eine Wirkung, die der des Widerstands-Temperatursensors 11, der in Fig. 1 gezeigt ist, im wesentlichen ähnlich ist.

Fig. 3 zeigt einen Widerstands-Temperatursensor 25 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung. Dieser Widerstands-Temperatursensor 25 ist mit Trage­ teilen 27, 28 auf beiden Seitenabschnitten eines iso­ lierenden Substrats 26 versehen. Ein Metall-Dünnfilm ist ge­ samtheitlich über das isolierende Substrat 26 gebildet, um einen Schaltungsteil 29 entlang der gesamten Oberfläche des isolierenden Substrats 26 zu definieren. Eine Widerstands­ schaltung 31 ist auf einem Mittelabschnitt des Schaltungs­ teils 29 vorgesehen, die durch die Bildung von Rillen 30 zickzackförmig verläuft, während die Anschlußelektroden 32 und 33 angeordnet sind, um mit den jeweiligen Endabschnitten der Widerstandsschaltung 31 in Verbindung zu stehen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel definieren die Abschnitte, die mit den Anschlußelektroden 32 und 33 versehen sind, im wesentlichen die Trageteile 27 und 28. Alternativ können Ge­ biete, die mit keinen Metall-Dünnfilmen versehen sind, hin­ ter den Anschlußelektroden 32 und 33 in eine nach außen ge­ richtete Richtung vorgesehen sein, um als Trageteile zu dienen. Die Rillen 34 sind entlang den peripheren Kanten des isolierenden Substrats 26 gebildet, die ähnlich den Rillen 20, die in Fig. 1 gezeigt sind, wirksam sind.

Die Widerstandsschaltung 31 hat ein erstes Gebiet 35, zweite Gebiete 36 und 37 und dritte Gebiete 38 und 39, die sich in ihrer Schaltungsbreite voneinander unterscheiden. Das erste Gebiet 35, die zweiten Gebiete 36 und 37 und die dritten Ge­ biete 38 und 39 haben Funktionen, die dem oben erwähnten ersten, zweiten und dritten Gebiet 21, 22 und 23 ähnlich sind, und daher sind deren Schaltungsbreiten, Widerstands­ breiten und Heizwerte ebenfalls in ähnlichen Beziehungen ausgewählt.

Fig. 4 zeigt einen Widerstands-Temperatursensor 40 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung. In Fig. 4 sind Elemente, die denen, die in Fig. 3 gezeigt sind, entsprechen, durch ähnliche Bezugszeichen be­ zeichnet und lediglich eine unterschiedliche Struktur wird im folgenden beschrieben.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, verläuft eine Widerstandsschal­ tung 31 in Querrichtung zickzackförmig entlang eines iso­ lierenden Substrats 26 in dem jeweiligen ersten Gebiet 35, zweiten Gebieten 36 und 37 und dritten Gebieten 38 und 39. Andere Punkte dieses Ausführungsbeispiels sind denen des Ausführungsbeispiels, das in Fig. 3 gezeigt ist, im wesent­ lichen ähnlich.

Fig. 5 zeigt einen Widerstands-Temperatursensor 41 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung. Dieses Ausführungsbeispiel ist dem oben erwähnten Aus­ führungsbeispiel, das in Fig. 2 gezeigt ist, sehr ähnlich. In Fig. 5 sind deshalb Elemente, die denen, die in Fig. 2 gezeigt sind, ähnlich sind, durch ähnliche Bezugszeichen be­ zeichnet und ein redundante Beschreibung wird weggelassen.

Bei dem Widerstands-Temperatursensor 41, der in Fig. 5 ge­ zeigt ist, wird eine Temperaturverteilung nicht nur in der Längsrichtung eines isolierenden Substrats 12 sondern auch in der Querrichtung in Betracht gezogen. Die Schaltungsbrei­ ten des ersten, zweiten und dritten Gebietes 21, 22 und 23 sind nämlich in Richtung der Querrichtungsenden des iso­ lierenden Substrats 12 beengt, wodurch höhere Widerstands­ werte erreicht werden. Folglich kann die Wärme von den Quer­ richtungsenden in Richtung der Querrichtungsmitte des iso­ lierenden Substrats 12 fließen, wodurch die Temperaturver­ teilung in Bezug auf die Querrichtung ebenfalls vereinheit­ licht werden kann.

Bei den jeweiligen Ausführungsbeispielen können Leiterfilme aus Gold oder ähnlichem oder Lötmittelfilme auf den An­ schlußelektroden 18, 19, 32 und 33 derart gebildet werden, daß Anschlußleitungsdrähte oder Anschlußleitungsrahmen durch Schweißen oder Löten daran befestigt werden, und die befe­ stigten Teile werden ferner mit Glas oder Harz bedeckt.

Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sind andere Ände­ rungen innerhalb des Anwendungsbereichs der vorliegenden Er­ findung möglich.

Zum Beispiel kann die Widerstandsschaltung nur mit zwei Ge­ bieten mit unterschiedlichen Widerstandswerten vorgesehen sein, obwohl diese in jedem der oben erwähnten Ausführungs­ beispiele mit drei Gebieten des ersten bis dritten Gebietes versehen ist. In diesem Fall ist es ebenfalls möglich, die Temperaturverteilung zumindest im Vergleich mit dem herkömm­ lichen Widerstands-Temperatursensor 1, der in Fig. 1 ge­ zeigt ist, zu vereinheitlichen. Die Widerstandsschaltung kann ferner alternativ mit vier oder mehr Gebieten vorge­ sehen sein.

Obwohl die Widerstandswerte in den jeweiligen Gebieten der Widerstandsschaltung in jedem der oben erwähnten Ausfüh­ rungsbeispiele stufenweise verändert werden, können sie alternativ auf eine stufenlose Art zwischen den jeweiligen Gebieten verändert werden.

Ferner kann der Unterschied zwischen den Widerstandswerten, d. h. den Heizwerten, zwischen den Gebieten, oder die Flä­ chenraten der jeweiligen Gebiete in Anbetracht der Gleich­ mäßigkeit der Temperaturverteilung willkürlich verändert werden. Die Differenz zwischen den Widerstandswerten dieser Gebiete oder die Flächenraten der jeweiligen Gebiete muß mit anderen Worten in Anbetracht der Faktoren, wie z. B. Wärme­ leitfähigkeit des Materials, das das isolierende Substrat bildet, Abmessungen und die Form des isolierenden Substrats, Flächenrate der Widerstandsschaltung, die auf dem isolie­ renden Substrat vorgesehen ist, thermische Eigenschaften, wie z. B. thermische Kapazität und thermische Leitfähigkeit eines weiteren Bauglieds, das mit dem Trageteil in Kontakt ist und ähnlichem ausgewählt werden.

In dem zweiten Gebiet mit einer relativ großen Schaltungs­ breite ist es möglich, die Anzahl oder Längen der Rillen, die darin vorgesehen sind, anzupassen, wodurch der Wider­ standswert leicht getrimmt wird.

Claims (7)

1. Widerstands-Temperatursensor, mit
einem elektrisch isolierenden Substrat (12, 26), auf dem eine zickzackförmige Widerstandsschaltung (16, 31), die eine Mehrzahl von Gebieten (21, 22, 23; 35, 36, 37, 38, 39) mit unterschiedlichen Widerstandswerten aufweist, angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Trageteil (13; 27, 28) auf einem Seitenabschnitt des isolierenden Substrats (12, 26) angeordnet ist, wobei die Widerstandsschaltung (16, 31) in einem Bereich ange­ ordnet ist, der das Trageteil (13; 27, 28) ausschließt, und
die Mehrzahl der Gebiete (21, 22, 23; 35, 36, 37, 38, 39) mit unterschiedlichen Widerstandswerten derart ange­ ordnet sind, daß das Gebiet (23; 38, 39) der Mehrzahl der Gebiete (21, 22, 23; 35, 36, 37, 38, 39), das be­ nachbart zu dem Trageteil (13; 27, 28) angeordnet ist, einen höheren Widerstandswert hat als die Gebiete (21, 22; 35, 36, 37), die nicht benachbart zu dem Trageteil angeordnet sind.

2. Widerstands-Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschaltung (16, 31) einen Metall-Dünn­ film umfaßt, der auf dem isolierenden Substrat (12, 26) gebildet ist, wobei der Metall-Dünnfilm durch Bildung einer Rille (15, 30), in eine Zickzackform unterteilt ist.

3. Widerstands-Temperatursensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall-Dünnfilm einen Platin-Dünnfilm ein­ schließt.

4. Widerstands-Temperatursensor nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Gebieten (21,22, 23; 35, 36, 37, 38, 39) mit unterschiedlichen Widerstandswerten durch Veränderung der Breiten der jeweiligen Teile des Me­ tall-Dünnfilms, der durch die Rille (15, 30) geteilt ist, geschaffen wird.

5. Widerstands-Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Trageteile (27, 28) auf beiden Seitenabschnitten des isolierenden Substrats (26) vorgesehen sind, und die Wi­ derstandsschaltung (31) auf einem Bereich gebildet ist, das die Trageteile (27, 28) ausschließt, wobei Gebiete (38, 39) der Widerstandsschaltung (31), die in der Nähe zu den jeweiligen Trageteilen (27, 28) sind, einen rela­ tiv zu den übrigen Gebieten (35, 36, 37) erhöhten Widerstandswert haben.

6. Widerstands-Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat (12, 26) Abmessungen in Längs- und Querrichtung hat, die zueinander senkrecht sind, wobei die Mehrzahl der Gebiete (21, 22, 23; 35, 36, 37, 38, 39) der Widerstandsschaltung (16, 31), die unterschiedliche Widerstandswerte haben, entlang der Längsrichtung des isolierenden Substrats (12, 26) ver­ teilt sind.

7. Widerstands-Temperatursensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Gebiete (21, 22, 23) der Wider­ standsschaltung (16), die unterschiedliche Widerstands­ wert haben, ferner entlang der Querrichtung des iso­ lierenden Substrats (12) verteilt sind.