JP2003529759A - センサ素子、特に温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、感知領域（１１）が曝されている温度の影響下に電気抵抗が変化する感知領域（１１）を有するセンサ素子、特に温度センサ（５）に関する。この場合、感知領域（１１）は、少なくとも十分に表面メタライゼーションを備えている少なくとも１種の成分を含有する出発材料のガラスセラミック溶着物（１５）を有する。本願の温度センサ（５）は１０００℃を越える温度での使用のために特に適当であり、その際、該センサは白金−抵抗のような抵抗特性を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明はメインクレームの様式によるセンサ素子、特に温度センサに関する。

【０００２】 従来の技術 ＤＥ１９６５１４５４Ａ１号の出願から、金属被覆されたガラスの溶着によっ
て製造される電気抵抗は公知である。これによって、ガラス基材中に埋め込まれ
た網状構造の金属相が生じる。この金属相は、例えば白金金属薄膜から形成され
る。

【０００３】 ＤＥ１９６３６４９３Ｃ１号から、ガラス粉末表面上に化学的に結合している
貴金属塩でガラス粉末の成核を行うことは公知である。更に、そのようにして播
種されたガラス粉末が、典型的な厚さがナノメートル程度の表面メタライゼーシ
ョンを備えることは公知である。ＤＥ１９６３６４９３Ｃ１号から、更にまた播
種の方法及び前記のような表面メタライゼーションによる金属粉末の被覆のため
の方法が公知である。

【０００４】 最後に温度センサは、目下のところ白金を薄膜の形でセラミック基板上に蒸着
させ、その際、蒸着された白金層をレーザで所望の抵抗値までトリミングし、排
気ガス中での使用のために、その上をガラス層で保護することによって製造され
る。

【０００５】 本発明の利点 本発明によるセンサ素子は従来の技術に比べて機械的に強固であり、コスト的
に有利であり、かつ例えば排気ガス中で１１００℃までの温度で使用可能な温度
センサを製造できることである。該温度センサは、この場合、その製造のために
引き続きガラスで覆うことによる高価な薄膜プロセスを必要とせずに公知の白金
−抵抗温度センサと同様の温度特性を示す。

【０００６】 本発明の有利な開発は、従属請求項に挙げられる措置からもたらされる。

【０００７】 このように、製造された温度センサの所望の温度依存性の実現のために、表面
メタライゼーションを０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、特に１ｎｍ〜３ｎｍの平均厚で実
施することが特に有利である。

【０００８】 更に、ガラスセラミック溶着物を本発明によるセンサ素子の感知領域において
慣用の薄膜プロセスによって、例えば市場で入手できる酸化アルミニウム既製基
板上に適用し、１工程において約９００℃の温度で焼き付けできることは有利で
ある。この場合、基板、特にＡｌ_２Ｏ_３に適合されたガラスセラミック溶着物の
熱膨張率によって作動の際に少なくとも熱機械的膨張は殆ど生じない。

【０００９】 特に網状構造に構成され、その中に埋め込まれた金属相を有するガラスセラミ
ック溶着物の形の感知領域の態様は更に、１４００℃を越える慣用の焼結温度さ
えも省略できるという利点を有する。そのような高い焼結温度は従来の技術にお
いてガラスセラミック溶着物の代わりに、例えば白金粉末と混合されているＡｌ_２ Ｏ_３又は二酸化ジルコニウムのようなセラミックを使用する場合には不可欠で
ある。白金の特性を有する所望の抵抗の構成のための前記のようなセラミック粉
末は本発明により使用されるガラスセラミック溶着物に対して、１４００℃より
高い温度で生成された白金層はしばしば凝結し、かつ十分な電導性の保証のため
に事前に作成された伝導経路が更に開裂するので、金属性の抵抗特性を有する作
用物質を得ることができないという欠点を有する。

【００１０】 作成されたセンサ素子の比電気抵抗は、最終的に有利にはガラスセラミック溶
着物のための出発材料の成分に生じる表面メタライゼーションによって調整でき
る。

【００１１】 更に、ガラスセラミック溶着物の製造のための出発材料は８５０℃〜９５０℃
で溶着させてよく、その際、晶出後に耐火性相が生成し、これらは１０００℃を
越える温度まで温度安定性であり、かつそれらの熱膨張率はＡｌ_２Ｏ_３に適合さ
れていることが有利である。このように製造されたガラスセラミック溶着物は、
更に出発材料の成分の表面メタライゼーションを除外する場合には、高温でも電
気的に絶縁性である。これらは、例えば８００℃で１０ｋＶ／ｍｍより高い電気
的な絶縁耐性を有する。

【００１２】 電気的な接点（Kontaktierung）及びガラスセラミック溶着物への導線の製造
のために、更に同様に、変更された組成を有するガラスセラミック溶着物及びそ
れによって変更された抵抗特性を使用できる。しかしながらまた、市場で入手で
きる低抵抗の電極ペーストを導線及び接点の構成のために適当である。

【００１３】 センサ素子のその下方に存在する基板の温度感知領域を熱的に減結合するため
に、更にガラスセラミック溶着物と基板との間に中間層を設けることが有利であ
る。そのために、有利にはセンサ素子の感知領域中のガラスセラミック溶着物の
ための出発材料と同様の組成を有するガラスセラミックからなる中間層を使用す
るが、その際、出発材料の成分の表面メタライゼーションを省略した。その場合
には、中間層は電気的に絶縁性である。

【００１４】 前記のような中間層の使用は、それによって少なくとも十分にセンサ素子の測
定値の測定値歪曲を感知領域から基板方向への熱流出によって防ぐことができる
。これは、中間層がＡｌ_２Ｏ_３からなる基板に対して実質的により低い熱伝導性
を有することからもたらされる。

【００１５】 図面 本発明を図面を基にして、かつ以下の記載においてより詳細に説明する。図１
は上面図での温度センサの第１の実施態様を示し、図２は断面における温度セン
サの第２の実施態様を示している。

【００１６】 実施例 まず、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化チタン、酸化ナトリウム、酸
化カリウム及び酸化カルシウムを含有する出発粉末から溶融させているガラス粉
末を調製する。詳細には、出発粉末は３８質量％〜４８質量％のＳｉＯ_２、１５
質量％〜１９質量％のＡｌ_２Ｏ_３、４．５質量％〜１０質量％のＴｉＯ_２、０．
１質量％〜１．５質量％のＮａ_２Ｏ、０．１質量％〜１．５質量％のＫ_２Ｏ及び
２３質量％〜３０質量％のＣａＯを含有する。

【００１７】 有利には出発粉末は４５質量％のＳｉＯ_２、１７質量％のＡｌ_２Ｏ_３、９質量
％のＴｉＯ_２、０．５質量％のＮａ_２Ｏ、０．５質量％のＫ_２Ｏ及び２８質量％
のＣａＯからなる。

【００１８】 出発粉末から自体公知の方法においてまずガラスを溶融させた後に、該ガラス
を１μｍ〜２０μｍ、特に２μｍ〜１０μｍの平均粒度を有するガラス粉末に粉
砕する。解説される実施例においては、平均粒度は５μｍである。

【００１９】 以下にこうして製造されたガラス粉末に次いで白金からなる表面メタライゼー
ションを施す。このためにガラス粉末をまずＤＥ１９６３６４９３Ｃ１から公知
の方法において、ガラス粉末粒子の表面に結合している貴金属塩で成核させる。
引き続き、こうして成核されたガラス粉末を白金−金属層によって表面メタライ
ゼーションの形で無電界メタライゼーションによって被覆する。この無電界メタ
ライゼーションは、ＤＥ１９６３６４９３Ｃ１号から公知の方法において同様に
、成核されたガラス粉末を白金塩及び還元剤を含有する浴中で無電界でメタライ
ゼーションを実施する。使用されるガラス粉末の表面メタライゼーション実施の
終わりに、従って個々のガラス粉末粒子の表面に少なくとも十分に白金メタライ
ゼーションが施されているガラス粉末が生じる。

【００２０】 以下で得られるガラスセラミック溶着物の比電気抵抗を実質的に規定する前記
のように適用される表面メタライゼーションの厚さは、平均して０．５ｎｍ〜１
０ｎｍ、特に１ｎｍ〜３ｎｍである。解説された例においては、５００Ωの抵抗
の調整のために、約２ｎｍの表面メタライゼーションの平均厚に調整する。

【００２１】 このように解説されたように使用されるガラス粉末に白金からなる表面メタラ
イゼーションを施した後に、これらを第１の厚膜ペーストに加工する。このため
に、メタライゼーションされたガラス粉末にバインダー、例えばセルロース及び
、溶剤、例えばテルピネオールを添加する。

【００２２】 こうして調製された第１の厚膜ペーストの他に、以下で製造すべきガラスセラ
ミック溶着物の、製造された温度センサの感知領域での電気的接触のための伝導
経路の製造のために第２の厚膜ペーストを製造する。第２の厚膜ペーストは前記
で説明した第１の厚膜ペーストのための出発粉末と金属粉末、特にパラジウム粉
末との混合物を含有する。更に、この第２の厚膜ペーストには、前記のバインダ
ー及び溶剤が添加されている。従って、伝導経路の製造のための第２の厚膜ペー
ストは温度センサの感知領域中のガラスセラミック溶着物の製造のための第１の
厚膜ペーストとは全体で、第２の厚膜ペーストの場合には使用されるガラス粉末
の表面メタライゼーションが省略され、かつその代わりに、第２の厚膜ペースト
には直接パラジウム粉末が添加されることだけが異なる。

【００２３】 図１は切片の形のＡｌ_２Ｏ_３からなる公知の既製基板を示しており、その表面
上には少なくとも片面に公知のように伝導経路１２及び接続接触面１３を印刷し
た。そこには、前記の第２の厚膜ペーストを使用した。伝導経路１２の幅は、典
型的には１０μｍ〜１００μｍであり、その厚さは１μｍ〜１０μｍである。引
き続き、基板１０上の感知領域１１に、表面メタライゼーションを施したガラス
粉末を有する第１の厚膜ペーストを印刷した。解説される実施例で温度センサ５
として構成されたセンサ素子の感知領域１１は、この場合、電気抵抗が測定され
るべき外部の温度の影響下に変化するような領域である。特に、感知領域１１は
触媒の監視又はエンジン制御での解説された温度センサ５の使用の際に、高温の
排気ガスに曝される。感知領域１１のサイズは、解説される実施例においては、
約５ｍｍであり、幅は約０．１ｍｍであり、高さは約３０μｍである。感知領域
１１の膨張は従って第１の厚膜ペーストで印刷された基板１０上の領域によって
定義される。

【００２４】 一方で導線１２及び導線１２を横断する感知領域１１中に、以下でガラスセラ
ミック溶着物１５を形成すべき第１の厚膜ペーストを印刷した後で、そのように
印刷された基板１０に８５０℃〜９５０℃の温度で熱処理を行う。この場合に、
印刷された厚膜ペーストからガラスセラミック溶着物が形成する、すなわち出発
材料中のガラス粉末が溶着し、その際に、同時に１０００℃を越えて温度安定性
であり、その熱膨張率がＡｌ_２Ｏ_３からなる基板１０に適合されている耐火性相
が晶出する。

【００２５】 この熱処理において、従って一方で感知領域１１に、ガラスセラミック基材中
に埋め込まれた、特に網状構造に形成された白金からなる金属相を有するガラス
セラミック溶着物１５が形成する。更に熱処理において導線１２の領域に同時に
、そこに印刷された第２の厚膜ペーストから同様にガラスセラミック基材中に埋
め込まれたパラジウムからなる金属相を有するガラスセラミック溶着物を形成す
る。従って、全体的に、慣用の白金抵抗（Ｐｔ１００素子又はＰｔ２００素子）
のような比電気抵抗の特性を少なくとも十分に有する温度センサ５の形のセンサ
素子が生じる。

【００２６】 その関連においては、本願で解説される実施形の他の導線１２をガラスセラミ
ック溶着物の位置に慣用の低抵抗電極ペーストの印刷によって製造できることを
強調する。その点では、解説される実施例に関してはガラスセラミック溶着物１
５を感知領域１１に十分に説明したように施すことが重要である。しかしながら
導線１２もしくは接続接触表面１３の具体的な実現に関しては、従来の技術から
既に公知の方法を使用してよく、これらの方法は前記に説明したようなガラスセ
ラミック−金属−混合構造の製造を無理には必要としない。

【００２７】 図２は、温度センサ５の形のセンサ素子の他の実施例を示しており、該センサ
は図１による実施例とは、少なくとも製造されたガラスセラミック溶着物１５と
基板１０との間の感知領域１１中に付加的な中間層１４が設けられていることだ
けが異なる。この中間層１４は、例えば２０μｍ〜１００μｍの厚さを有し、か
つ基板１０からのガラスセラミック溶着物１５の熱的な減結合に役立つ。その点
では、中間層１４は基板１０、説明した例においてはＡｌ_２Ｏ_３に対して実質的
に低い熱伝導性を有することが必要である。

【００２８】 中間層１４の製造のために、再びガラスセラミック溶着物１５の製造のために
既に使用された、そこで説明されるガラス粉末を含有する出発材料を使用する。
しかしながら、この場合には、ガラス粉末の表面メタライゼーションが省略され
る、すなわちガラス粉末をバインダー及び溶剤によって、表面メタライゼーショ
ンを備えている成分を含有せず、金属粉末の添加も有さない第３の厚膜ペースト
に加工される。

【００２９】 図２による実施例においては、従ってまず基板１０上に感知領域１１で中間層
１４を印刷する。次いで図１による実施例と全く同様に基板１０上に伝導経路１
２を印刷するか、もしくは接続接触表面１３を作成する。この伝導経路１２の印
刷は、この場合、これらが感知領域１１にまで達し、従って部分的に中間層１４
上にも印刷されるように実施する。引き続き導線１２を横断する感知領域１１中
に第１の厚膜ペーストを第１の実施例と同様に印刷する。最終的に、こうして製
造された基板１０に再び８５０℃〜９５０℃の熱処理を実施し、その際、感知領
域１１において一方ではガラスセラミック溶着物１５が形成し、これは白金−抵
抗素子のような比電気抵抗の特性を有する。同時に導線１２がパラジウム相を有
するガラスセラミック溶着物からなるガラスセラミック−金属−混合構造の形で
形成する。最後に、その熱処理において第３の厚膜ペーストから電気的に絶縁性
のガラスセラミック溶着物が中間層１４として形成する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１はＡｌ_２Ｏ_３からなる公知の既製基板を示している。

【図２】 図２は、温度センサ５の形のセンサ素子の他の実施例を示している。

【符号の説明】

５ 温度センサ、 １０ 基板、 １１ 感知領域、 １２ 伝導経路、 １
３ 接続接触表面、 １４ 中間層、 １５ ガラスセラミック溶着物、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フリーデリケ リントナー ドイツ連邦共和国 ゲールリンゲン イン メルマンシュトラーセ 24 (72)発明者 トーマス ブリンツ ドイツ連邦共和国 ビッシンゲン ウンタ ー デア テック フォルデレ シュトラ ーセ 113 (72)発明者 ウルリヒ アイゼレ ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト ベ ックラーシュトラーセ ６ベー Ｆターム(参考） 4G062 AA08 AA09 BB01 DA05 DB04 DC01 DD01 DE01 DF01 EA01 EB02 EB03 EC02 EC03 ED01 EE04 EF01 EG01 FA01 FB03 FC01 FD01 FE01 FF01 FG01 FH01 FJ01 FK01 FL01 GA01 GA10 GB01 GC01 GD01 GE01 HH01 HH03 HH05 HH07 HH09 HH11 HH13 HH15 HH17 HH20 JJ01 JJ03 JJ05 JJ07 JJ10 KK01 KK03 KK05 KK07 KK10 MM07 MM31 NN32 QQ20

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサ素子、特に温度センサ（５）であって、これは感知領
   域（１１）を有し、該領域の電気抵抗が、感知領域（１１）が曝されている温度
   の影響下に変化するセンサ素子において、該感知領域（１１）が、少なくとも十
   分に表面メタライゼーションを備えている少なくとも１つの成分を含有する出発
   材料のガラスセラミック溶着物（１５）を有することを特徴とするセンサ素子。
2. 【請求項２】 表面メタライゼーションが白金メタライゼーションである、
   請求項１記載のセンサ素子。
3. 【請求項３】 表面メタライゼーションが０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、特に１ｎ
   ｍ〜３ｎｍの平均厚を有する、請求項１又は２記載のセンサ素子。
4. 【請求項４】 表面メタライゼーションを備えた出発材料の成分がガラス粉
   末であり、これは、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ及びＣ
   ａＯを含有する出発粉末から溶融されている、請求項１記載のセンサ素子。
5. 【請求項５】 出発粉末が３８質量％〜４８質量％のＳｉＯ_２、１５質量％
   〜１９質量％のＡｌ_２Ｏ_３、４．５質量％〜１０質量％のＴｉＯ_２、０．１質量
   ％〜１．５質量％のＮａ_２Ｏ、０．１質量％〜１．５質量％のＫ_２Ｏ及び２３質
   量％〜３０質量％のＣａＯを含有する、請求項４記載のセンサ素子。
6. 【請求項６】 ガラス粉末が１μｍ〜２０μｍ、特に２μｍ〜１０μｍの平
   均粒度を有する、請求項４記載のセンサ素子。
7. 【請求項７】 ガラスセラミック溶着物（１５）が、特に網状構造に構成さ
   れた、ガラスセラミック基材中に埋め込まれた金属相を有する、請求項１から６
   までのいずれか１項記載のセンサ素子。
8. 【請求項８】 出発材料が第１の厚膜ペーストである、請求項１から７まで
   のいずれか１項記載のセンサ素子。
9. 【請求項９】 ガラスセラミック溶着物（１５）が結晶質の、特に耐火性の
   相を有し、かつ１０００℃より高い温度まで温度安定性である、請求項１から８
   までのいずれか１項記載のセンサ素子。
10. 【請求項１０】 ガラスセラミック溶着物（１５）が基板（１０）上に配置
    され、特に基板（１０）上に存在する伝導経路（１２）と接触面（１３）を介し
    て電気的に接触可能である、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサ素
    子。
11. 【請求項１１】 センサ素子が温度センサ（５）であり、該センサは少なく
    とも十分に、白金−抵抗素子のような比電気抵抗の特性を示す、請求項１から１
    ０までのいずれか１項記載のセンサ素子。
12. 【請求項１２】 出発材料が基板（１０）上に適用、特に印刷され、次いで
    ８５０℃〜９５０℃で溶着されている、請求項１から１１までのいずれか１項記
    載のセンサ素子。
13. 【請求項１３】 ガラスセラミック−金属−複合構造の伝導経路（１２）が
    、金属粉末、特にパラジウム粉末との出発粉末の混合物を有する第２の厚膜ペー
    ストの溶着物から構成されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の
    センサ素子。
14. 【請求項１４】 伝導経路（１２）及び／又はガラスセラミック溶着物（１
    ５）の熱膨張率が基板（１０）、特にＡｌ_２Ｏ_３の熱膨張率に適合されている、
    請求項１から１３までのいずれか１項記載のセンサ素子。
15. 【請求項１５】 感知領域（１１）中のガラスセラミック溶着物（１５）が
    少なくとも部分的に基板（１０）の少なくとも１つの中間層（１４）を介して減
    結合されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載のセンサ素子。
16. 【請求項１６】 中間層（１４）が出発材料を有する第３の厚膜ペーストの
    ガラスセラミック溶着物であり、その際、ガラス粉末の表面メタライゼーション
    が行われていない、請求項１５記載のセンサ素子。