EP4634626A1 - Keramiksensor mit metallisierungsschichten - Google Patents

Keramiksensor mit metallisierungsschichten

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Publication number
EP4634626A1
EP4634626A1 EP23809158.1A EP23809158A EP4634626A1 EP 4634626 A1 EP4634626 A1 EP 4634626A1 EP 23809158 A EP23809158 A EP 23809158A EP 4634626 A1 EP4634626 A1 EP 4634626A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
layer
ceramic substrate
layers
ceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23809158.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Torben Seifert
Sasa Sabeder-Daiminger
Klaus RAINER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Electronics AG filed Critical TDK Electronics AG
Publication of EP4634626A1 publication Critical patent/EP4634626A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points on resistors
    • H01C1/1413—Terminals or electrodes formed on resistive elements having negative temperature coefficient
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points on resistors
    • H01C1/142—Terminals or tapping points specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points on resistors the terminals or tapping points being coated on the resistive element
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C17/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors
    • H01C17/28—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for applying terminals
    • H01C17/281—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for applying terminals by thick film techniques
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/008—Thermistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/04—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having negative temperature coefficient
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/04—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having negative temperature coefficient
    • H01C7/041—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having negative temperature coefficient formed with two or more layers

Definitions

  • the present invention relates to a sensor with a ceramic substrate and metallization layers applied thereon and to a method for producing the sensor.
  • temperatures for monitoring and control in a wide variety of applications are primarily measured using ceramic thermistor elements.
  • Metallic electrodes must be applied to electrically contact the ceramic.
  • thick-film metallization is mainly used for this purpose.
  • silver pastes are applied using a screen printing process followed by firing.
  • Silver metallization is mainly used for soldered connections with connecting wires.
  • solder joints are limited by the melting temperature of the solder.
  • High-lead solders have a melting point of around 300 ° C and most lead-free solders melt at temperatures below 230 ° C.
  • Solder joints are not sufficiently reliable when exposed to frequent temperature changes. Many solder materials also tend to migrate in moist or wet environments.
  • welding wires onto the ceramic electrode is not an alternative, as this would cause damage to the electrode or the ceramic.
  • the wires are thicker than the thickness of the electrode layer and require a very high energy input to melt the wire to create the connection. This in turn leads to the electrode layer completely detaching from the ceramic and the associated thermal shock can lead to cracks in the ceramic or have a negative effect on the electrical properties.
  • An object of the present invention is to describe an improved sensor and a method for producing the sensor .
  • the present invention relates to a sensor comprising a ceramic substrate.
  • Metallization layers are applied or deposited on two opposite surfaces of the ceramic substrate.
  • Opposite surfaces are understood here to mean in particular surfaces of the substrate that point in opposite or at least approximately opposite directions.
  • the two opposite surfaces are preferably two outer surfaces of the ceramic substrate that are minimally spaced from one another.
  • the two opposite surfaces can, for example, be a a bottom side and a top side of the ceramic substrate or a front side and a back side of the ceramic substrate.
  • Each of the two metallization layers comprises an adhesion layer applied directly to the ceramic substrate and a gold layer applied to the respective adhesion layer.
  • the metallization layers or one of the metallization layers consist of the respective gold layer and the respective adhesion layer.
  • the respective metallization layer then comprises no further layers besides the gold layer and the adhesion layer.
  • the fact that the adhesive layer is applied directly to the ceramic substrate means that the adhesive layer is in direct contact with the substrate and there are no further layers between the adhesive layer and the ceramic substrate.
  • the metallization layers can partially or completely cover the two opposite surfaces.
  • the adhesion layer has at least the surface area of the gold layer, so that the gold layer is applied completely to the adhesion layer and not directly to the ceramic substrate.
  • the gold layer is preferably applied directly to the adhesive layer.
  • the metallization layers are circular. In other embodiments, the metallization layers are designed as finger electrodes. In one embodiment, the Metallization layers cover the entire respective surfaces of the ceramic substrate and are therefore adapted to the shape of the ceramic substrate. In addition, other suitable geometries are possible.
  • the adhesive layer can act as an adhesion promoter between the gold layer and the ceramic layer.
  • the adhesive layer arranged in between then improves the adhesion of the gold layer to the ceramic substrate.
  • the adhesive layer creates a stable connection with high peel forces between the ceramic substrate and the metallization layer.
  • the sensor is therefore more stable against mechanical stress with the adhesive layer than without the adhesive layer.
  • the longevity of the sensor is also increased compared to a sensor without an adhesive layer, because premature detachment of the gold layer from the ceramic substrate is avoided.
  • the gold layer comprises at least 80 percent by mass of gold.
  • the gold layer can also comprise other metals or metal oxides such as nickel, aluminum, vanadium, chromium or manganese and the oxides of the metals mentioned.
  • the gold layer can comprise at least 90 percent by mass of gold or consist of gold.
  • the adhesive layer can preferably be a copper layer.
  • the copper layer comprises at least 80% by mass of copper.
  • the adhesive layer can comprise other metals or metal oxides such as nickel, aluminum, vanadium, chromium or manganese and the oxides of the metals mentioned.
  • the copper layer can in other embodiments Embodiments contain at least 90 percent by mass of copper or consist of copper.
  • Gold metallization is more stable against chemical reactions than silver metallization. Oxidation or ionization of the gold occurs comparatively rarely. In particular, the selected gold metallization is stable against migration effects, which occur, for example, when using silver metallization, even at high temperatures. A short circuit between the two metallization layers can thus be avoided.
  • a constant electrical behavior of the sensor can be set using the described metallization layers.
  • the electrical parameters of the sensor such as the electrical resistance at different temperatures, show very little variance in repeated measurements.
  • the metallization layers function as electrical contact layers, i.e. as external electrodes of the ceramic substrate.
  • the ceramic substrate can be contacted via electrical contact elements such as wires at the metallization layers.
  • the ceramic substrate is cuboid-shaped. This is understood in particular to mean a cuboid with rectangular base and side surfaces.
  • the two metallization layers are applied to opposite surfaces of the cuboid-shaped ceramic substrate.
  • a cuboid shape allows for a simple, for example modular, installation of the ceramic substrate in the sensor.
  • a cuboid shape is also easy to manufacture and therefore cost-effective.
  • the ceramic substrate comprises a thermistor ceramic.
  • the thermistor ceramic can be a thermistor ceramic with a positive temperature coefficient (PTC), i.e. a cold conductor, or a thermistor ceramic with a negative temperature coefficient (NTC), i.e. a hot conductor.
  • PTC positive temperature coefficient
  • NTC negative temperature coefficient
  • the ceramic substrate may comprise, for example, a varistor.
  • the thermistor ceramic is preferably an NTC ceramic.
  • thermistor ceramic and in particular an NTC ceramic, enables the electrical measurement of an ambient temperature by the sensor.
  • an NTC ceramic is suitable for detecting even high temperatures with the sensor and converting them into corresponding electrical signals.
  • the sensor has unrestricted functionality even at high temperatures.
  • the ceramic substrate comprises a ceramic with a perovskite structure.
  • the ceramic with perovskite structure is suitable for adjusting the heat-conducting properties of the ceramic substrate.
  • the ceramic with perovskite structure also exhibits high temperature resistance, which enables the use of the ceramic substrate even at high temperatures.
  • the ceramic of the ceramic substrate can also have a different structure, for example a spinel structure.
  • a spinel structure can in particular also serve to provide a ceramic substrate with heat-conducting properties.
  • the metallization layers are sputtered on.
  • the adhesion layers and the gold layers are each sputtered on.
  • the adhesion layer is preferably sputtered on in a first step and the gold layer is sputtered onto the adhesion layer in a second step.
  • a sputtered layer can be significantly thinner than a layer applied using (screen) printing, for example. This saves material and reduces the costs of manufacturing the sensor. Furthermore, manufacturing the sensor is more resource-efficient and environmentally friendly.
  • a sputtered layer also has, compared to a layer applied by screen printing, increased surface wetting. This means that the metallization layers applied by sputtering cover the surface of the ceramic substrate completely or almost completely without holes appearing in the layer where the ceramic substrate is not covered by the metallization layer.
  • the advantageous structure of the sputter layer also leads to a low variance in the electrical properties of the sensor.
  • the electrical resistance of the metallization layer hardly changes at different temperatures and in repeated measurements.
  • the resistance R25 at room temperature (25 °C), the resistance R100 at 100 °C and the B value B are approximately constant.
  • the coefficient of variation related to the resistance R25 or to the resistance R100 is a maximum of 1.0; preferably a maximum of 0.9.
  • the coefficient of variation related to the B value is preferably a maximum of 0.1.
  • the coefficient of variation is defined as the ratio of standard deviation to mean of a series of measurements.
  • the adhesive layer has a
  • Layer thickness of maximum 200 nm Preferably, the Maximum layer thickness 100 nm. Such a small layer thickness can be achieved in particular by sputtering.
  • the adhesive layer is preferably formed as a thin layer.
  • the layer thickness mentioned is already sufficient to obtain sufficient adhesion of the metallization layer to the ceramic substrate.
  • the layer thickness mentioned is also sufficient to achieve complete surface wetting on the surface of the ceramic substrate , i.e. wetting without holes in the metallization layer .
  • the gold layer has a maximum layer thickness of 1000 nm.
  • the layer thickness is a maximum of 500 nm.
  • Such a small layer thickness can be achieved in particular by sputtering.
  • the gold layer is preferably formed as a thin layer.
  • the mentioned layer thickness is already sufficient to provide the functionality of the metallization layer as an electrical contact layer, i.e. as an external electrode of the sensor.
  • the layer thickness mentioned is still sufficient to achieve complete surface wetting, i.e. wetting without holes in the metallization layer.
  • the senor is a temperature sensor.
  • the ceramic substrate comprises or consists of a thermistor ceramic, in particular an NTC ceramic.
  • the senor has unrestricted functionality at temperatures up to 600 ° C.
  • the sensor has unrestricted electrical functionality at these temperatures. This means that the functionality of the sensor is not impaired by the increased temperatures.
  • the senor By choosing a ceramic substrate with a spinel structure instead of a perovskite structure, the sensor exhibits constant functionality at least at temperatures up to 300 °C.
  • the senor further comprises electrical contact elements such as wires.
  • the Electrical contact elements such as the wires are applied directly to the metallization layers for electrical contact.
  • the electrical contact elements or the wires are directly connected to the surface of the metallization layers, in particular the gold layers.
  • the metallization layer borders on the wires or at least partially surrounds them.
  • the electrical contact elements or the wires are sintered with the metallization layers. This means that a closed connection between the wires and the metallization layers is produced by sintering the metallization layers and a metallization paste surrounding the ends of the wires in a common step.
  • the wires are dipped in a gold paste that contains gold metal.
  • the outer surfaces of the wires, which are wetted with the paste, are then pressed onto the metallization layers.
  • the sensor with the pressed-on wires is placed in an oven and subjected to a thermal profile so that the metallization layer is sintered together with the wire.
  • the wires can be particularly high-temperature-resistant nickel alloy wires.
  • they can be wires made of nickel-chromium alloys, in particular Inconel® wires, which are particularly temperature-resistant and thus enable the sensor to be used even at high temperatures.
  • any other suitable materials can be used for the wires, such as copper or nickel.
  • the wires contact the sensor with electronics, with the help of which the ceramic substrate can be controlled and/or with the help of which electrical signals from the sensor can be processed and evaluated.
  • the senor further comprises a glass encapsulation.
  • the ceramic substrate and the metallization layers are surrounded by the glass encapsulation.
  • the ceramic substrate and the metallization layers are completely surrounded, i.e. encased, by the glass encapsulation.
  • the end pieces of the electrical contact elements for example the wires, which are connected to the metallization layers, are also surrounded or encased by the glass encapsulation.
  • the glass encapsulation protects the sensor from environmental influences and thus prevents, for example, changes to the surface of the ceramic substrate, the metallization layers or the wire ends due to corrosion.
  • the glass encapsulation provides electrical insulation of the sensor from the environment.
  • the glass encapsulation is stable even at high temperatures up to 600 ° C.
  • the glass encapsulation can be provided, for example, by means of a preformed glass body, for example in the form of a glass cylinder, which is placed over the rest of the sensor and then deformed, or by dipping the rest of the sensor into a glass paste.
  • the rest of the sensor can in particular comprise the ceramic substrate, the metallization layers and the ends of the wires.
  • a glass casing formed in this way can be subjected to a subsequent temperature treatment in order to achieve a hermetically sealed encapsulation.
  • the invention further relates to a method for producing a sensor.
  • the sensor can in particular be designed as described above. All of the features and embodiments mentioned above can also apply to the method.
  • an adhesive layer e.g. a copper layer, is applied to two opposite surfaces of a ceramic substrate.
  • two layers of gold are applied to the respective adhesive layers. This means that one layer of gold is applied to each of the adhesive layers.
  • the described layer sequence is ensured.
  • the second step is preferably carried out after the first step has already been completed.
  • the gold layer is not in direct contact with the ceramic substrate; rather, the adhesion of the gold layer to the ceramic substrate is improved by an adhesive layer arranged in between that acts as an adhesion promoter.
  • Both layers can be applied in the same production unit and, for example, by the same sputtering device.
  • the layers are applied by sputtering.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the sensor in cross section.
  • Figure 2 shows an embodiment of the sensor which also includes wires for electrical contact and a glass encapsulation.
  • the glass encapsulation is shown transparent for illustrative purposes.
  • Figure 3 shows another embodiment of the sensor, which includes wires for electrical contact, during the manufacturing process.
  • a glass cylinder is arranged around the remaining components of the sensor. Similar or apparently identical elements in the figures are provided with the same reference numerals. The figures and the proportions in the figures are not necessarily to scale.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the sensor.
  • the sensor comprises in particular a ceramic substrate 1
  • the ceramic substrate 1 preferably comprises a thermistor ceramic.
  • the thermistor ceramic is, for example, an NTC ceramic with a negative temperature coefficient, i.e. a thermistor ceramic.
  • the ceramic substrate 1 preferably comprises a ceramic having a perovskite structure.
  • the ceramic substrate 1 comprises, for example, a drift-stable perovskite ceramic.
  • the ceramic substrate 1 can comprise a ceramic material of the general formula [ SEi- x M II x] [Cri- yz R y L z ] Oa, where SE stands for one or more rare earth metals, M 11 stands for one or more metals of the oxidation state +II, L stands for Al and/or Ga, R stands for one or more metals selected from Fe, Zn, Ge, Sn, and where the following preferably applies: 0 ⁇ x ⁇ 1; 0 ⁇ y ⁇ 1; 0.5 ⁇ z ⁇ 1; y+z ⁇ 1; 0.1 ⁇ 1-yz ⁇ 0.2.
  • the ceramic substrate 1 is cuboid-shaped.
  • the cuboid-shaped ceramic substrate has 6 outer surfaces. The surfaces have a rectangular shape.
  • Two metallization layers 2 are applied to two opposite surfaces of the ceramic substrate 1, for example on a front side and a back side or on a bottom side and a top side.
  • a metallization layer 2 is on the
  • the metallization layer 2 covers the entire surface of the ceramic substrate 1 on which it is applied.
  • the metallization layers 2 are designed, for example, in a circular shape.
  • the metallization layer 2 can also cover only a portion of the corresponding surface of the ceramic substrate 1.
  • Both metallization layers 2 each comprise an adhesion layer 2A, in particular a copper layer, and a gold layer 2B.
  • the adhesive layer 2A is applied directly to the surface of the ceramic substrate 1.
  • the adhesive layer 2A e.g. the copper layer, is preferably sputtered on. No further layers are provided between the adhesive layer 2A and the ceramic substrate 1.
  • the adhesive layer has a high level of adhesion to the ceramic substrate 1.
  • a gold layer 2B is applied to each of the surfaces of the adhesive layers 2A facing away from the ceramic substrate 1.
  • the gold layer 2B is preferably applied directly to the adhesive layer 2A, preferably sputtered.
  • the adhesive layer 2A acts as an adhesion promoter to ensure sufficient adhesion of the gold layer 2B to the ceramic substrate 1 to ensure stable functionality and a long service life of the sensor.
  • Both layers 2A and 2B are preferably applied by sputtering.
  • the layers 2 By applying the layers 2 by sputtering, the layers 2 can be thin and made with little material.
  • the adhesive layer 2A has a layer thickness of not more than 200 nanometers, preferably not more than 100 nanometers.
  • the gold layer 2B has, for example, a layer thickness of a maximum of 1000 nanometers, preferably not more than 500 nanometers.
  • Complete wetting means in particular that there are no holes in the adhesive layer 2A or in the gold layer 2B that are free of the respective metal.
  • the metallization layers 2 and in particular the gold layers 2B act as external electrodes, i.e. as electrical contact layers via which the ceramic substrate 1 can be electrically contacted from the outside.
  • electrical contact elements such as wires 3 are brought into contact with the metallization layers 2.
  • Figure 2 shows an embodiment of the sensor, which further comprises wires 3 for electrical contact and a glass encapsulation 4.
  • the sensor is otherwise constructed, for example, according to the first embodiment.
  • the wires 3 are sintered onto the surface of the gold layer 2B.
  • a contact paste containing gold and other paste components is provided.
  • the other paste components are in particular organic additives which, for example, modify the plasticity of the paste.
  • Contact sections of the wires 3, for example their end sections, are dipped into the contact paste and thus wetted with the contact paste.
  • the entire outer surface of the corresponding wire sections is preferably wetted with the paste.
  • the edge length of the outer surface along the running direction of the wire, which is wetted with the paste, should, however, be shorter than a dimension of the gold layer 2B in the corresponding direction.
  • the wires 3 with the wetted contact sections are then pressed onto the sensor in a suitable mechanical device using mechanical tension and then thermally processed.
  • the mechanical device with the sensor is placed in an oven and subjected to a thermal heating profile.
  • the wires 3 are thus sintered onto the surfaces of the gold layers 2B.
  • the senor is encased in a glass encapsulation 4.
  • the glass encapsulation 4 can be manufactured, for example, according to a first method by coating the remaining sensor with the sintered ends of the wires 3 are dipped into a container with glass paste.
  • the rest of the sensor therefore comprises in particular the ceramic substrate 1, the metallization layers 2 and the ends of the wires 3.
  • the sensors are dipped at a defined speed until the sensor and the wire ends are completely surrounded by the glass paste.
  • the sensors are then pulled out of the glass paste again at a defined speed.
  • the defined speed is preferably selected between 0.1 mm/min (millimeters per minute) and 5 mm/min. For example, the speed is 1 mm/min.
  • a defined, multi-stage temperature profile is then applied to the sensors coated with glass paste for drying and glazing.
  • the drying process must also be carried out with sufficient care to ensure that the glass encapsulation is free of bubbles and defects and that the additives necessary for the production of the glass paste can escape.
  • the glazing process is carried out, in which the glass casing is brought to a temperature above a glass softening point using a defined temperature profile and is thus melted.
  • the hermetically sealed glass encapsulation is formed in the glazing process.
  • Figure 3 also shows an alternative procedure for the production of the glass encapsulation.
  • a preformed glass cylinder 4A is positioned around the rest of the sensor comprising the ceramic substrate 1, the metallization layers 2 and the ends of the wires 3 sintered thereto.
  • the sensor is then placed in a furnace with the surrounding glass cylinder 4A and the glass cylinder 4A is melted in the furnace.
  • the temperature profile in the furnace may again include several stages to evaporate the organic additives that may be contained in the glass cylinder mold.
  • the molten glass can finally be shaped into the desired form in the glazing process and then cooled and hardened.
  • the method described last has the particular advantage that it is particularly cost-effective and can be carried out more easily and quickly.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor umfassend ein Keramiksubstrat (1) und zwei auf gegenüberliegenden Oberflächen des Keramiksubstrates (1) aufgebrachte Metallisierungsschichten (2), wobei die zwei Metallisierungsschichten (2) jeweils eine Haftschicht (2A) umfassen, die direkt auf dem Keramiksubstrat (1) aufgebracht ist, und jeweils eine Goldschicht (2B) umfassen, die auf der jeweiligen Haftschicht (2A) aufgebracht ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für den Sensor.

Description

Beschreibung
Keramiksensor mit Metallisierungsschichten
Die vorliegende Erfindung betri f ft einen Sensor mit einem Keramiksubstrat und darauf aufgebrachten Metallisierungsschichten sowie ein Verfahren zur Herstellung des Sensors .
Die ständig steigenden Anforderungen an Temperatursensoren hinsichtlich höherer Einsat ztemperaturen bei gleichzeitig besonders hoher Zuverlässigkeit und geringen Herstellungskosten erfordern den Einsatz von aufeinander abgestimmten neuartigen Materialkombinationen und Her stel lungs technologien .
Bisher verfügbare Sensoren sind in der Einsat ztemperatur beschränkt und meist nur bis 300 ° C einsetzbar .
Nach dem Stand der Technik werden Temperaturen für die Überwachung und Regelung in unterschiedlichsten Anwendungen vorwiegend mit keramischen Thermistorelementen gemessen .
Für eine elektrische Kontaktierung der Keramik müssen metallische Elektroden aufgebracht werden . Nach dem Stand der Technik werden dazu vorwiegend Dickschichtmetallisierungen verwendet . Zum Beispiel werden Silberpasten über einen Siebdruckprozess mit anschließendem Einbrennen aufgebracht . Die Silbermetallisierung ist dabei vorwiegend für Lötverbindungen mit Anschlussdrähten in Verwendung .
Die Einsat ztemperatur von Lötverbindungen ist j edoch durch die Schmel ztemperatur der Lote begrenzt . Hochbleihaltige Lote haben eine Schmel ztemperatur von ca . 300 ° C und die meisten blei freien Lote schmel zen bereits bei Temperaturen unter 230 ° C . Lötverbindungen sind bei häufigen Temperaturwechselbelastungen nicht ausreichend zuverlässig . Viele Lotmaterialien neigen in feuchter oder nasser Umgebung ferner zu Migration .
Das Schweißen von Drähten auf die Elektrode der Keramik stellt keine Alternative dar, da es zu einer Vorschädigung der Elektrode oder der Keramik kommt . Die im Vergleich zur Elektrodenschichtstärke massiv ausgeführten Drähte erfordern einen sehr hohen Energieeintrag, um den Draht zur Herstellung der Verbindung auf zuschmel zen . Das wiederum führt aber zu einem völligen Ablösen der Elektrodenschicht von der Keramik und der damit verbundene Thermoschock kann zu Rissen in der Keramik führen oder die elektrischen Eigenschaften negativ beeinflussen .
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , einen verbesserten Sensor und ein Verfahren zur Herstellung des Sensors zu beschreiben .
Die vorliegende Erfindung betri f ft einen Sensor, der ein Keramiksubstrat umfasst . Auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Keramiksubstrates sind Metallisierungsschichten aufgebracht bzw . abgeschieden . Unter gegenüberliegenden Oberfläche werden hier insbesondere Oberflächen des Substrats verstanden, die in entgegengesetzte oder zumindest in annähernd entgegengesetzte Richtungen zeigen . Bevorzugt sind die zwei gegenüberliegenden Oberflächen zwei äußere Oberflächen des Keramiksubstrates , die voneinander minimal beabstandet sind . Die zwei gegenüberliegenden Oberflächen können beispielsweise eine Unterseite und eine Oberseite des Keramiksubstrats oder eine Vorderseite und eine Hinterseite des Keramiksubstrats sein .
Jede der zwei Metallisierungsschichten umfasst j eweils eine Haftschicht , die direkt auf dem Keramiksubstrat aufgebracht ist , und j eweils eine Goldschicht , die auf der j eweiligen Haftschicht aufgebracht ist . In einer Aus führungs form bestehen die Metallisierungsschichten oder eine der Metallisierungsschichten aus der j eweiligen Goldschicht und der j eweiligen Haftschicht . Die j eweilige Metallisierungsschicht umfasst dann keine weiteren Schichten neben der Goldschicht und der Haftschicht .
Dass die Haftschicht direkt auf dem Keramiksubstrat aufgebracht ist , bedeutet , dass die Haftschicht in direktem Kontakt mit dem Substrat steht und keine weiteren Schichten zwischen der Haftschicht und dem Keramiksubstrat vorhanden sind .
Die Metallisierungsschichten können die zwei gegenüberliegenden Oberflächen teilweise oder vollständig bedecken . Bevorzugt weist die Haftschicht zumindest den Flächeninhalt der Goldschicht auf , sodass die Goldschicht vollständig auf der Haftschicht und nicht direkt auf dem Keramiksubstrat aufgebracht ist .
Die Goldschicht ist bevorzugt direkt auf der Haftschicht aufgebracht .
In einer Aus führungs form sind die Metallisierungsschichten kreis förmig ausgeführt . In weiteren Aus führungs formen sind die Metallisierungsschichten als Fingerelektroden ausgeführt . In einer Aus führungs form bedecken die Metallisierungsschichten die gesamten j eweiligen Oberflächen des Keramiksubstrats und sind folglich an die Form des Keramiksubstrates angepasst . Daneben sind weitere geeignete Geometrien möglich .
Die Haftschicht kann als Haftvermittler zwischen der Goldschicht und der Keramikschicht wirken . Durch die dazwischen angeordnete Haftschicht wird dann die Haftung der Goldschicht am Keramiksubstrat verbessert . Durch die Haftschicht wird eine stabile Verbindung mit hohen Abzugskräften zwischen dem Keramiksubstrat und der Metallisierungsschicht erreicht . Der Sensor ist somit mit der Haftschicht stabiler gegenüber mechanischer Beanspruchung als ohne die Haftschicht . Auch die Langlebigkeit des Sensors wird gegenüber einem Sensor ohne Haftschicht erhöht , denn ein vorzeitiges Ablösen der Goldschicht vom Keramiksubstrat wird vermieden .
Die Goldschicht umfasst in einer Aus führungs form mindestens 80 Massenprozent Gold . Weiterhin kann die Goldschicht weitere Metalle oder Metalloxide wie z . B . Nickel , Aluminium, Vanadium, Chrom oder Mangan und die Oxide der genannten Metalle umfassen . Die Goldschicht kann in weiteren Aus führungs formen mindestens 90 Massenprozent Gold umfassen oder aus Gold bestehen .
Die Haftschicht kann bevorzugt eine Kupferschicht sein . Die Kupferschicht umfasst in einer Aus führungs form mindestens 80 Massenprozent Kupfer . Weiterhin kann die Haftschicht weitere Metalle oder Metalloxide wie z . B . Nickel , Aluminium, Vanadium, Chrom oder Mangan und die Oxide der genannten Metalle umfassen . Die Kupferschicht kann in weiteren Aus führungs formen mindestens 90 Massenprozent Kupfer umfassen oder aus Kupfer bestehen .
Eine Goldmetallisierung ist im Vergleich zu einer Silbermetallisierung stabiler gegenüber chemischen Reaktionen . Eine Oxidierung oder Ionisierung des Goldes tritt vergleichsweise selten auf . Insbesondere ist die gewählte Goldmetallisierung auch bei hohen Temperaturen stabil gegenüber Migrationsef fekten, die beispielsweise bei der Verwendung von Silbermetallisierungen auftreten . Ein Kurzschluss zwischen den beiden Metallisierungsschichten kann somit vermieden werden .
Weiterhin kann mittels der beschriebenen Metallisierungsschichten ein konstantes elektrisches Verhalten des Sensors eingestellt werden . Die elektrischen Parameter des Sensors , wie zum Beispiel der elektrische Widerstand bei verschiedenen Temperaturen, zeigen in wiederholten Messungen eine sehr geringe Varianz .
Insbesondere fungieren die Metallisierungsschichten als elektrische Kontaktschichten, also als Außenelektroden des Keramiksubstrats . An den Metallisierungsschichten kann das Keramiksubstrat über elektrische Kontaktelemente wie Drähte kontaktiert sein .
Gemäß einer Aus führungs form ist das Keramiksubstrat quaderförmig . Hierunter wird insbesondere ein Quader mit rechteckigen Grund- und Seitenflächen verstanden .
In dieser Aus führungs form sind die beiden Metallisierungsschichten auf gegenüberliegenden Oberflächen des quaderförmigen Keramiksubstrats aufgebracht . Eine Quaderform erlaubt eine einfache , zum Beispiel modulare , Verbauung des Keramiksubstrats im Sensor . Eine Quaderform ist weiterhin einfach zu fertigen und somit kostengünstig in der Herstellung .
Gemäß einer Aus führungs form umfasst das Keramiksubstrat eine Thermistorkeramik . Bei der Thermistorkeramik kann es sich um eine Thermistorkeramik mit einem positiven Temperaturkoef fi zienten ( PTC ) , also einen Kaltleiter, oder um eine Thermistorkeramik mit einem negativen Temperaturkoef fi zienten (NTC ) , also um einen Heißleiter, handeln .
Alternativ kann das Keramiksubstrat beispielsweise einen Varistor umfassen .
Bevorzugt ist die Thermistorkeramik eine NTC-Keramik .
Die Verwendung einer Thermistorkeramik, und insbesondere einer NTC-Keramik, ermöglicht die elektrische Messung einer Umgebungstemperatur durch den Sensor .
Insbesondere die Verwendung einer NTC-Keramik ist dazu geeignet , auch hohe Temperaturen mit dem Sensor zu erfassen und in entsprechende elektrische Signale umzuwandeln .
Ein Sensor, der eine NTC-Keramik als Keramiksubstrat und die Metallisierungsschichten wie zuvor definiert aufweist , die Haf tschichten, beispielsweise Kupferschichten, und Goldschichten umfassen, ist dazu geeignet bei hohen Temperaturen eingesetzt zu werden . Der Sensor weist auch bei hohen Temperaturen eine uneingeschränkte Funktionalität auf . Gemäß einer Aus führungs form umfasst das Keramiksubstrat eine Keramik mit Perowskitstruktur .
Die Keramik mit Perowskitstruktur eignet sich, um die heißleitenden Eigenschaften des Keramiksubstrats einzustellen .
Die Keramik mit Perowskitstruktur weist weiterhin eine hohe Temperaturbeständigkeit auf , die den Einsatz des Keramiksubstrats auch bei hohen Temperaturen ermöglicht .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form kann die Keramik des Keramiksubstrates auch eine andere Struktur, beispielsweise eine Spinell-Struktur, aufweisen . Eine Spinell-Struktur kann insbesondere ebenso dazu dienen, ein Keramiksubstrat mit heißleitenden Eigenschaften bereitzustellen .
Gemäß einer Aus führungs form sind die Metallisierungsschichten auf gesputtert . Insbesondere sind die Haf tschichten und die Goldschichten j eweils auf gesputtert . Hierzu wird während der Herstellung des Sensors bevorzugt in einem ersten Schritt die Haftschicht auf gesputtert und einem zweiten Schritt die Goldschicht auf die Haftschicht auf gesputtert .
Eine auf gesputterte Schicht kann deutlich dünner als eine beispielsweise per ( Sieb- ) Druck aufgebrachte Schicht ausgeführt sein . Somit kann Material eingespart werden und die Kosten für die Herstellung des Sensors können gesenkt werden . Weiterhin ist die Herstellung des Sensors somit ressourcenschonender und umweltverträglicher .
Eine gesputterte Schicht weist weiterhin im Vergleich zu einer beispielsweise durch Siebdruck aufgebrachten Schicht eine erhöhte Oberflächenbenetzung auf. Das heißt, dass die durch Sputtern aufgebrachten Metallisierungsschichten die Oberfläche des Keramiksubstrats vollständig oder nahezu vollständig bedecken, ohne dass Löcher in der Schicht auftreten, an denen das Keramiksubstrat nicht durch die Metallisierungsschicht bedeckt ist.
Die vorteilhafte Struktur der Sputterschicht führt weiterhin zu einer geringen Varianz der elektrischen Eigenschaften des Sensors. So ändert sich beispielsweise der elektrische Widerstand der Metallisierungsschicht bei verschiedenen Temperaturen und in wiederholten Messungen kaum.
Insbesondere verhalten sich beispielsweise der Widerstand R25 bei Raumtemperatur (25 °C) , der Widerstand R100 bei 100 °C und der B-Wert B annähernd konstant. Insbesondere beträgt der Variationskoeffizient bezogen auf den Widerstand R25 oder auf den Widerstand R100 maximal 1,0; bevorzugt maximal 0,9.
Der Variationskoeffizient bezogen auf den B-Wert beträgt bevorzugt maximal 0,1.
Der Variationskoeffizient ist als das Verhältnis von Standardabweichung zu Mittelwert einer Messreihe definiert.
Der B-Wert B eines Thermistors ist wie folgt definiert: B = 1483,4
Gemäß einer Aus führungs form weist die Haftschicht eine
Schichtdicke von maximal 200 nm auf. Bevorzugt beträgt die Schichtdicke maximal 100 nm . Eine so geringe Schichtdicke kann insbesondere durch Sputtern erreicht werden .
Die Haftschicht ist bevorzugt als Dünnschicht ausgeprägt .
Die genannte Schichtdicke reicht bereits aus , um eine ausreichende Haftung der Metallisierungsschicht am Keramiksubstrat zu erhalten .
Die genannte Schichtdicke reicht weiterhin aus , um eine vollständige Oberflächenbenetzung auf der Oberfläche des Keramiksubstrats , also eine Benetzung ohne Löcher in der Metallisierungsschicht , zu erhalten .
Durch das dünne Aufträgen der Schicht kann Material gespart werden .
Gemäß einer Aus führungs form weist die Goldschicht eine Schichtdicke von maximal 1000 nm auf .
Bevorzugt beträgt die Schichtdicke maximal 500 nm . Eine so geringe Schichtdicke kann insbesondere durch Sputtern erreicht werden .
Die Goldschicht ist bevorzugt als Dünnschicht ausgeprägt .
Die genannte Schichtdicke reicht bereits aus , um eine Funktionalität der Metallisierungsschicht als elektrische Kontaktschicht , also als Außenelektrode des Sensors , bereitzustellen . Die genannte Schichtdicke reicht weiterhin aus , um eine vollständige Oberflächenbenetzung, also eine Benetzung ohne Löcher in der Metallisierungsschicht , zu erhalten .
Durch das dünne Aufträgen der Schicht kann Material gespart werden .
Gemäß einer Aus führungs form ist der Sensor ein Temperatursensor . In diesem Fall sind Aus führungen relevant , in denen das Keramiksubstrat eine Thermistorkeramik, insbesondere eine NTC-Keramik, umfasst oder aus einer solchen besteht .
Gemäß einer Aus führungs form weist der Sensor bei Temperaturen bis 600 ° C eine uneingeschränkte Funktionalität auf . Insbesondere weist der Sensor bei diesen Temperaturen eine uneingeschränkte elektrische Funktionalität auf . Das heißt die Funktionalität des Sensors wird durch die erhöhten Temperaturen nicht beeinträchtigt .
Hierzu ist insbesondere wie oben beschrieben eine geeignete Wahl des Materials für das Keramiksubstrat und für die Metallisierungsschichten sowie eine geeignete Struktur des Keramikmaterials und der Metallisierungsschicht , insbesondere durch die Wahl eines geeigneten Auftragungsverfahrens der Metallisierungsschicht , notwendig .
Bei der Wahl eines Keramiksubstrates mit Spinell-Struktur statt mit Perowskit-Struktur weist der Sensor zumindest bei Temperaturen bis 300 ° C eine konstante Funktionalität auf .
Gemäß einer Aus führungs form umfasst der Sensor weiterhin elektrische Kontaktelemente wie zum Beispiel Drähte . Die elektrischen Kontaktelemente wie zum Beispiel die Drähte sind zur elektrischen Kontaktierung direkt auf den Metallisierungsschichten aufgebracht . Insbesondere sind die elektrischen Kontaktelemente bzw . die Drähte direkt mit der Oberfläche der Metallisierungsschichten, insbesondere der Goldschichten, verbunden . Die Metallisierungsschicht grenzt an die Drähte an oder umgibt diese zumindest teilweise .
Gemäß einer Aus führungs form sind die elektrischen Kontaktelemente bzw . die Drähte mit den Metallisierungsschichten versintert . Das heißt , dass eine geschlossene Verbindung zwischen den Drähten und den Metallisierungsschichten hergestellt wurde , indem die Metallisierungsschichten und eine die Enden der Drähte umschließende Metallisierungspaste in einem gemeinsamen Schritt gesintert werden .
Beispielsweise werden die Drähte hierzu in eine Goldpaste , die Goldmetall enthält , getaucht . Anschließend werden die mit Paste benetzten Mantel flächen der Drähte auf die Metallisierungsschichten gepresst . Der Sensor mit angepressten Drähten wird in einen Ofen gegeben und einem thermischen Profil unterzogen, sodass die Metallisierungsschicht gemeinsam mit dem Draht versintert wird .
Bei den Drähten kann es sich insbesondere um hochtemperaturbeständige Nickel-Legierungs-Drähte handeln . Beispielsweise kann es sich dabei um Drähte aus Nickel-Chrom- Legierungen, insbesondere Inconel®-Drähte , handeln, die besonders temperaturbeständig sind und somit den Einsatz des Sensors auch bei hohen Temperaturen ermöglichen . Alternativ können j edoch auch beliebige andere geeignete Materialien für die Drähte , beispielsweise Kupfer oder Nickel , eingesetzt werden .
Die Drähte kontaktieren den Sensor mit einer Elektronik, mit deren Hil fe das Keramiksubstrat angesteuert und/oder mit deren Hil fe elektrische Signale des Sensors verarbeitet und ausgewertet werden können .
Gemäß einer Aus führungs form umfasst der Sensor weiterhin eine Gl as Verkapselung .
Gemäß einer Aus führungs form sind das Keramiksubstrat und die Metallisierungsschichten von der Glasverkapselung umgeben .
Bevorzugt sind das Keramiksubstrat und die Metallisierungsschichten komplett von der Glasverkapselung umgeben, also umhüllt . Bevorzugt sind ebenso die Endstücke der elektrischen Kontaktelemente , beispielsweise der Drähte , die mit den Metallisierungsschichten in Verbindung stehen, von der Glasverkapselung umgeben bzw . umhüllt .
Die Glasverkapselung schützt den Sensor vor Umgebungseinflüssen und verhindert somit beispielsweise die Veränderung der Oberfläche des Keramiksubstrats , der Metallisierungsschichten oder der Drahtenden durch Korrosion .
Weiterhin stellt die Glasverkapselung eine elektrische I solierung des Sensors zur Umgebung dar .
Zusätzlich ist die Glasverkapselung auch bei hohen Temperaturen bis 600 ° C stabil . Die Glasverkapselung kann beispielsweise mittels eines Pref orm-Glaskörpers , also eines vorgeformten Glaskörpers , beispielsweise in Form eines Glas zylinders , der über den übrigen Sensor gestülpt und dann verformt wird, oder mittels des Eintauchens des übrigen Sensors in eine Glaspaste bereitgestellt werden . Der übrige Sensor kann insbesondere das Keramiksubstrat , die Metallisierungsschichten und die Enden der Drähte umfassen .
Eine so gebildete Glasummantelung kann einer anschließenden Temperaturbehandlung unterzogen werden, um eine hermetisch dichte Verkapselung zu erreichen .
Weiterhin betri f ft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors . Der Sensor kann insbesondere wie zuvor beschrieben ausgeführt sein . Alle zuvor genannten Merkmale und Aus führungs formen können auch auf das Verfahren zutref fen .
Bei dem Verfahren wird in einem ersten Schritt j eweils eine Haftschicht , z . B . eine Kupferschicht , auf zwei gegenüberliegende Oberflächen eines Keramiksubstrats aufgebracht .
In einem zweiten Schritt werden zwei Goldschichten auf die j eweiligen Haf tschichten aufgebracht . Es wird also j eweils eine Goldschicht auf j eweils eine der Haf tschichten aufgebracht .
Durch das Aufbringen der verschiedenen Metallschichten also der Haftschicht und der Goldschicht in verschiedenen Schritten, wird die beschriebene Schichtfolge sichergestellt . Hierzu wird der zweite Schritt bevorzugt dann durchgeführt , nachdem der erste Schritt bereits beendet wurde .
Die Goldschicht ist nicht direkt in Kontakt mit dem Keramiksubstrat , vielmehr wird die Haftung der Goldschicht am Keramiksubstrat über eine dazwischen angeordnete Haftschicht als Haftvermittler verbessert .
Beide Schichten können in derselben Fertigungseinheit und beispielsweise durch dasselbe Sputtergerät aufgebracht werden .
Gemäß einer Aus führungs form des Verfahrens werden die Schichten per Sputtern aufgebracht .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Aus führungsbeispielen und dazugehörigen Figuren näher beschrieben . Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Aus führungsbeispiele beschränkt .
Figur 1 zeigt eine erste Aus führungs form des Sensors im Querschnitt .
Figur 2 zeigt eine Aus führungs form des Sensors , die weiterhin Drähte zur elektrischen Kontaktierung und eine Glasverkapselung umfasst . Die Glasverkapselung ist zur Anschauungs zwecken transparent dargestellt .
Figur 3 zeigt eine weitere Aus führungs form des Sensors , die Drähte zur elektrischen Kontaktierung umfasst , während des Herstellungsprozesses . Ein Glas zylinder ist um die übrigen Komponenten des Sensors angeordnet . Ähnliche oder augenscheinlich gleiche Elemente in den Figuren sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse in den Figuren sind zwingend nicht maß stabs get reu .
Figur 1 zeigt eine erste Aus führungs form des Sensors. Der Sensor umfasst insbesondere ein Keramiksubstrat 1
Das Keramiksubstrat 1 umfasst bevorzugt eine Thermistorkeramik. Die Thermistorkeramik ist beispielsweise eine NTC-Keramik mit negativem Temperaturkoeffizient, also eine Heißleiter-Keramik.
Das Keramiksubstrat 1 umfasst bevorzugt eine Keramik, die eine Perowskit-Struktur aufweist.
Das Keramiksubstrat 1 umfasst beispielsweise eine driftstabile Perowskitkeramik . Insbesondere kann das Keramiksubstrat 1 ein Keramikmaterial der allgemeinen Formel [ SEi-xMIIx] [Cri-y-zRyLz] Oa aufweisen, wobei SE für eine oder mehrere Seltenerdmetalle steht, M11 für ein oder mehrere Metalle der Oxidationsstufe +II steht, L für Al und/oder Ga steht, R für ein oder mehrere Metalle ausgewählt aus Fe, Zn, Ge, Sn steht, und wobei bevorzugt gilt: 0 < x < 1; 0 < y < 1; 0,5 < z < 1; y+z < 1; 0,1 < 1-y-z < 0,2.
Das Keramiksubstrat 1 ist im Ausführungsbeispiel quaderförmig geformt. Das quaderförmige Keramiksubstrat weist 6 äußere Oberflächen auf. Die Oberflächen haben eine rechteckige Form.
Auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Keramiksubstrats 1, also zum Beispiel auf einer Vorderseite und einer Rückseite oder auf einer Unterseite und einer Oberseite, sind zwei Metallisierungsschichten 2 aufgebracht. Beispielsweise ist eine Metallisierungsschicht 2 auf der
Unterseite und eine Metallisierungsschicht 2 auf der
Oberseite des Substrates 1 aufgebracht .
Beispielsweise bedeckt die Metallisierungsschicht 2 j eweils die gesamte Oberfläche des Keramiksubstrats 1 , auf dem diese aufgebracht ist . Alternativ sind die die Metallisierungsschichten 2 z . B . kreis förmig ausgeführt .
Die Metallisierungsschicht 2 kann alternativ auch nur j eweils einen Abschnitt der entsprechenden Oberfläche des Keramiksubstrats 1 bedecken .
Beide Metallisierungsschichten 2 umfassen j eweils eine Haftschicht 2A, insbesondere eine Kupferschicht , und eine Goldschicht 2B .
Die Haftschicht 2A ist direkt auf der Oberfläche des Keramiksubstrats 1 aufgebracht . Bevorzugt ist die Haftschicht 2A, z . B . die Kupferschicht , auf gesputtert . Zwischen der Haftschicht 2A und dem Keramiksubstrat 1 sind keine weiteren Schichten vorgesehen . Die Haftschicht weist eine hohe Haftung am Keramiksubstrat 1 auf .
Auf den Oberflächen der Haf tschichten 2A, die vom Keramiksubstrat 1 abgewandt sind, ist j eweils eine Goldschicht 2B aufgebracht . Die Goldschicht 2B ist bevorzugt direkt auf der Haftschicht 2A aufgebracht , bevorzugt auf gesputtert .
Uber die Haftschicht 2A als Haftvermittler kann eine ausreichende Haftung der Goldschicht 2B am Keramiksubstrat 1 sichergestellt werden, um eine stabile Funktionalität und hohe Lebensdauer des Sensors zu gewährleisten .
Beide Schichten 2A und 2B sind bevorzugt durch Sputtern aufgebracht .
Durch das Aufbringen der Schichten 2 durch Sputtern können die Schichten 2 dünn und mit wenig Material ausgeführt sein .
Beispielsweise weist die Haftschicht 2A eine Schichtdicke von nicht mehr als 200 Nanometern, bevorzugt nicht mehr als 100 Nanometern auf . Die Goldschicht 2B weist beispielsweise eine Schichtdicke von maximal 1000 Nanometern, bevorzugt nicht mehr als 500 Nanometern auf .
Diese angegebenen Schichtdicken genügen, um ein vollständiges Benetzen des Keramiksubstrates 1 durch die Metallisierungsschichten 2 sicherzustellen . Mit vollständigem Benetzen ist insbesondere gemeint , dass keine Löcher in der Haftschicht 2A bzw . in der Goldschicht 2B vorliegen, die frei vom j eweiligen Metall sind .
Die Metallisierungsschichten 2 und insbesondere die Goldschichten 2B wirken als Außenelektroden, also als elektrische Kontaktschichten, über die das Keramiksubstrat 1 von außen elektrisch kontaktiert werden kann . Hierzu werden elektrische Kontaktelemente wie zum Beispiel Drähte 3 mit den Metallisierungsschichten 2 in Kontakt gebracht .
Figur 2 zeigt eine Aus führungs form des Sensors , der weiterhin Drähte 3 zur elektrischen Kontaktierung und eine Glasverkapselung 4 umfasst . Der Sensor ist im Übrigen zum Beispiel gemäß der ersten Aus führungs form aufgebaut . Die Drähte 3 sind an der Oberfläche der Goldschicht 2B mit dieser versintert .
Hierzu wird eine Kontaktierungspaste , die Gold und weitere Pastenbestandteile enthält , bereitgestellt . Bei den weiteren Pastenbestandteilen handelt es sich insbesondere um organische Additive , die beispielsweise die Plasti zität der Paste modi fi zieren .
Kontaktabschnitte der Drähte 3 , also zum Beispiel deren Endabschnitte , werden in die Kontaktierungspaste eingetaucht und somit mit der Kontaktierungspaste benetzt . Hierbei wird bevorzugt j eweils die gesamte Mantel fläche der entsprechenden Drahtabschnitte mit der Paste benetzt . Die Kantenlänge der Mantel fläche entlang der Laufrichtung des Drahtes , die mit der Paste benetzt ist , sollte j edoch kürzer sein als eine Abmessung der Goldschicht 2B in der entsprechenden Richtung .
Anschließend werden die Drähte 3 mit dem benetzten Kontaktabschnitten in einer dafür geeigneten mechanischen Vorrichtung mittels mechanischer Spannung an den Sensor gepresst und anschließend thermisch prozessiert . Dazu wird die mechanische Vorrichtung mit dem Sensor in einen Ofen gegeben und einem thermischen Hei zprofil unterzogen . Die Drähte 3 werden somit an die Oberflächen der Goldschichten 2B gesintert .
Anschließend wird, wie ebenfalls in Figur 2 dargestellt , der Sensor von einer Glasverkapselung 4 umhüllt .
Die Glasverkapselung 4 kann zum Beispiel gemäß eines ersten Verfahrens hergestellt werden, indem der übrige Sensor mit den angesinterten Enden der Drähte 3 in einen Behälter mit Glaspaste getaucht wird . Der übrige Sensor umfasst also insbesondere das Keramiksubstrat 1 , die Metallisierungsschichten 2 und die Enden der Drähte 3 . Die Sensoren werden dabei mit einer definierten Geschwindigkeit eingetaucht bis der Sensor und die Drahtenden vollständig von der Glaspaste umschlossen sind .
Um eine blasenfreie Umhüllung sicherzustellen, erfolgt dabei eine definierte laterale Bewegung der Sensoren in der Glaspaste . Anschließend werden die Sensoren wieder mit einer definierten Geschwindigkeit aus der Glaspaste herausgezogen . Die definierte Geschwindigkeit ist bevorzugt zwischen 0 , 1 mm/min (Millimeter pro Minute ) und 5 mm/min gewählt . Zum Beispiel beträgt die Geschwindigkeit 1 mm/min .
Auf die mit Glaspaste umhüllten Sensoren wird anschließend zur Trocknung und Einglasung ein definiertes , mehrstufiges Temperaturprofil angewandt .
Auch der Trocknungsprozess muss ausreichend vorsichtig durchgeführt werden, damit eine blasen- und fehlerfreie Glasverkapselung sichergestellt ist und dass die , für die Herstellung der Glaspaste notwendigen, Additive entweichen können .
Nach der Trocknung wird der Einglasungsprozess durchgeführt , bei welchem die Glasummantelung mittels eines definierten Temperaturprofils auf eine Temperatur oberhalb eines Glaserweichungspunkts gebracht wird und somit auf geschmol zen wird . Im Einglasungsprozess wird die hermetisch dichte Glasverkapselung geformt . In Figur 3 ist weiterhin eine alternative Vorgehensweise für die Herstellung der Glasverkapselung gezeigt .
Gemäß der Aus führungs form in Figur 3 wird ein vorgeformter Glas zylinder 4A um den übrigen Sensor umfassend das Keramiksubstrat 1 , die Metallisierungsschichten 2 und die Enden der daran angesinterten Drähte 3 positioniert .
Anschließend wird der Sensor mit dem umgebenden Glas zylinder 4A in einen Ofen gebracht und der Glas zylinder 4A wird im Ofen auf geschmol zen .
Im Falle der Verwendung eines nicht vorgesinterten Glas zylinders , kann das Temperaturprofil im Ofen wiederum mehrere Stufen beinhalten, um die organischen Additive , die in der Glas zylinderform enthalten sein können, zu verdampfen .
Das auf geschmol zene Glas kann schließlich im Einglasungsprozess in die gewünschte Form gebracht werden und anschließend gekühlt und gehärtet werden .
Das zuletzt beschriebene Verfahren hat insbesondere den Vorteil , dass es besonders kostengünstig ist sowie einfacher und schneller durchführbar ist .
Bezugs zeichenliste
1 Keramiksubstrat
2 Metallisierungsschicht 2A Haftschicht
2B Goldschicht
3 Drähte
4 Glasverkapselung
4A Glas zylinder

Claims

Patentansprüche
1. Sensor umfassend ein Keramiksubstrat (1) und zwei auf gegenüberliegenden Oberflächen des Keramiksubstrates (1) aufgebrachte Metallisierungsschichten (2) , wobei die zwei Metallisierungsschichten (2) jeweils eine Haftschicht (2A) umfassen, die direkt auf dem Keramiksubstrat (1) aufgebracht ist, und jeweils eine Goldschicht (2B) umfassen, die auf der jeweiligen Haftschicht (2A) aufgebracht ist.
2. Sensor gemäß Anspruch 1, wobei die Haftschicht (2A) eine Kupferschicht (2A) ist.
3. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Keramiksubstrat (1) eine Thermistorkeramik, insbesondere eine NTC-Keramik, umfasst.
4. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Keramiksubstrat (1) eine Keramik umfasst, die eine Perowskitstruktur hat.
5. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Metallisierungsschichten (2) auf gesputtert sind.
6. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Haftschicht (2A) eine Schichtdicke von maximal 200 nm, bevorzugt maximal 100 nm, aufweist.
7. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Goldschicht (2B) eine Schichtdicke von maximal 1000 nm, bevorzugt maximal 500 nm, aufweist.
8. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Sensor ein Temperatursensor ist.
9. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Sensor bei Temperaturen bis 600 °C eine uneingeschränkte Funktionalität aufweist.
10. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Drähte (3) zur elektrischen Kontaktierung direkt mit den Goldschichten (2B) versintert sind.
11. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Keramiksubstrat (1) und die Metallisierungsschichten (2) von einer Glasverkapselung (4) umgeben sind.
12. Verfahren zur Herstellung eines Sensors, wobei in einem ersten Schritt jeweils eine Haftschicht (2A) auf zwei gegenüberliegende Oberflächen eines Keramiksubstrats (1) aufgebracht wird und in einem zweiten Schritt zwei Goldschichten (2B) auf die jeweiligen Haf tschichten (2A) aufgebracht werden.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die Haft- und Goldschichten (2A, 2B) per Sputtern aufgebracht werden.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der zweite Schritt durchgeführt wird, nachdem der erste Schritt beendet wurde.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei in einem dritten Schritt Drähte zur elektrischen Kontaktierung direkt mit den Goldschichten (2B) versintert werden.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei in einem weiteren Schritt eine Glasverkapselung (4) um den übrigen Sensor gebildet wird.
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