JPH06507521A - 高温センサ技術のための高速白金族金属温度センサ用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高温センサ技術のための高速白金族金属温度センサ用装置 本発明は、特に自動車排ガス監視技術に使用するための、高温センサ技術のため の高速白金族金属温度センサに関する。

高温センナ技術の分野における多くの適用（たとえば排ガス制御した燃焼）のた めに、１００ｍ５未満の時間定数で周囲の温度を検出することができるセンサが 必要である。排ガスセンサ技術の分野においては、たとえばガスに敏感な素子を ほぼ１０００’Ｃの一定の温度に維持することが必要である。排ガスの温度変化 は、センサチップ上に集積した加熱素子がガスに敏感な層の温度をほぼ一定に維 持するように制御できるためにできるだけ速く検出しなければならない。

１０００℃までの適用温度のためには、白金／白金−ロジウムまたはニッケル／ クロム−ニッケルからなる熱電対が従来は使用されてきた。しかしながらこれら の対は２つの決定的な欠点を有する。一方ではハイブリッド構成部材上に集積す ることができず、他方では周囲の温度変化へのかなり長い応答時間を有する。

白金族金属からなり、スクリーンプリントまたはほがの薄膜技術ＣＰＶＤまたは ＣＶＤ法）を使用して製造した温度センサは、これまで最高８５０℃までだけに 使用可能であった、それというのも最高値としてこの温度から出発して白金族金 属が安定なおよび揮発性の酸化物を形成し、これが温度センサの抵抗ドリフトを 生じるからであった。

白金族金属温度センサを酸化に対して保護し、従ってセンサの抵抗ドリフトを阻 止するためには、白金族金属を種々の保護層で覆う。酸化アルミニウム保護層を 備えた白金族金属温度センサは、たとえばドイツ連邦共和国特許第２１７１２５ ３号明細書から公知である。

特開昭６３−２６９５０２号公報から、窒化珪素保護層を存する白金抵抗フィル ムが公知である。

二酸化チタン／二酸化珪素二重層を有する白金層抵抗はドイツ連邦共和国特許出 願公開第３６０３７５７号明細書に記載されている。

Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、Ａ５（５）、　１９８７．２９１７−２ ９２３頁のＪ、Ｃ。

Ｇｏｄｅｆｒｅｕｙ　ｅｔ　ａｌ、による論文から、酸化アルミニウムに埋め込 まれた白金薄膜を有する複雑化した多層構造を有する白金薄膜温度センサが公知 である。

公知センサの欠点は、不動態化層および保護層にもかかわらず温度センサの許容 されない抵抗ドリフトを生じる白金の酸化が８５０℃より高い温度で認められる ことである。該酸化は特に不動態化層内の亀裂に起因し、該亀裂は高温から室温 に冷却する際にセンサのために使用される物質の異なる熱膨張係数により形成さ れる。

冷却の際に、厚膜技術を使用して不動態化層として塗布すべきガラス層もまた亀 裂を形成し、該亀裂は酸素の浸入、従って白金の酸化を許容する。

本発明の課題は、短い応答時間を有し、簡単な、容易に製造可能の構造を有し、 かつ８５０℃より高い温度においても抵抗ドリフトのない、安定した測定特性を 有する、１０００℃までの温度範囲のための白金族金属温度センサを提供するこ とであった。

前記課題は本発明により、請求の範囲ｌ記載の特徴部分を有する高速白金族金属 温度センサにより解決される。

本発明の有利な構成および本発明による温度センサの使用は請求の範囲２以下に 記載されている。

本発明を以下に詳細に説明する。

温度センサにおいて、多くの場合にメアンダの形の白金抵抗層を厚膜または薄膜 法を使用してマイクロシステム技術に一般に使用される基板（たとえばＡ　ｌ　 ｘＯｌからなる）に塗布する。白金族金属の酸化は温度センサの表面に塗布され る不動態化により阻止される。

不動態化にもかかわらず１００ｍ５未満の時間定数で温度センサの最も短い可能 な応答時間を得るために、不動態化層を本発明によりできるかぎり薄い二重の層 （１〜１５μｍの範囲の典型的層厚）として製造する。

金属Ｍと、窒素Ｎとの化合物（金属窒化物、たとえば３ｊ３Ｎ４）、炭素Ｃとの 化合物（金属炭化物）または酸素Ｏとの化合物（金属酸化物、たとえばＡ　Ｉ　 ！　Ｏｓ　）、硼素との化合物（金属硼化物）、珪素との化合物（金属珪化物） または珪化物、窒化物、炭化物、硼化物または酸化物からなる組合せ物がセラミ ック層のために好適である。

厚膜技術のためにペーストとして市販されている任意のガラス、たとえば珪酸塩 ガラスがガラス層のために適当である。

本発明による二重の層において、セラミック層とガラス層の層順序は交換可能で あり、従ってガラス層またはセラミック層を直接白金抵抗層の上に塗布してもよ い。

白金／ガラス／セラミック配列において、ガラス層は、かなり高い温度で軟化し 、従ってセラミック層とその下に位置する層の間の応力の成長を減少または阻止 する緩衝層として作用する。高い温度間隔にもかかわらず室温から１ｏｏｏ℃ま での温度センサの作動中に応力が生じないためにセラミック層に亀裂が認められ ない。

白金／セラミック／ガラス配列において、ガラス層は、同様にかなり高い温度で 軟化し、この工程でその下に位置するセラミック層の場合により形成される亀裂 に浸透し、それにより亀裂を密閉することができる密閉層として作用する。冷却 中もガラスはセラミック層に生じた間隙および亀裂に付着し続け、前記二重層に よる酸素を透過しない不動態化を保証する。

このようにして、白金族金属の表面に対する不動態化により酸素が通過すること が阻止され、かつ白金族金属と不動態化層の間に金属酸化物層が形成されること が阻止される。しかしながら、不動態化の選択においては、１０００℃までの高 い適用温度においても不動態化層および温度センサとして使用される白金族金属 の間に反応が生じないように配慮しなければならない。後者はまた温度センサの 回復できない抵抗ドリフトを生じる。白金層の上にガラス層を直接配置する場合 は抵抗層および不動態化層の間で化学反応のおそれはない、白金層がセラミック 層と接触する場合にのみ、セラミック層は酸素を含有してはならず、同時にイオ ン導電性でなければならない、白金酸化物形成に不適当である強固に結合した酸 素のみを有する酸化物のみがセラミックとして許容される。

ガラス層は厚膜法を使用して、たとえばガラス粒子を含有するペーストにプリン トし、次いで焼成することにより製造するのに対して、セラミック層は厚膜およ び薄膜技術を使用して製造することができる。セラミックグリーンフィルムをま ず製造し、次いで焼成することができるかまたはプラズマまたは気相蒸着法によ り、たとえばＰＶＤまたはＣＶＤ法によりセラミックを直接製造する。スパッタ リングおよび真空蒸着法も適当である。セラミック層のための典型的層厚は１〜 ＩＯμｍであり、一方ガラス層の層厚は５〜１０μｍに選択される。下側の、直 接抵抗層および基板上に存在する不動態化層の部分層のために、平坦でない基板 表面ゆえに、一般にセラミックは、均一な、非透過性の層を保証するためにより 厚い層厚が必要なこともある。

厚膜技術を使用して製造し、ただし温度センサの最も短い応答時間を達成するた めに、最初の不動態化層の部分層を薄膜技術を使用して製造した白金族金属温度 センサの場合は、センサブランクを熱処理するために加熱し、次いで冷却した後 で不動態化層に生じた亀裂を密閉するために不動態化層に密閉層を塗布すること により、有利には厚膜技術を使用して製造した不動態化層を生じる。

セラミック層は酸素と相互作用を示さない金属／非金属化合物から製造する。

更にセラミック層は酸素を透過しない金属／非金属化合物から製造する。

最終的に最初の（下側の）不動態化層は、白金族金属と相互作用を示さない金属 ／非金属化合物から製造する。

本発明により、第１に１０００℃までの温度、特に８５０〜１０００℃の間隔の ために適当であり、酸素含有雰囲気で使用した場合においても抵抗ドリフトを示 さず、従って長い耐用時間による場合においても確かな、信頼できる測定値を提 供する高速温度センサが提供される。従って第１に、得られた測定値を使用して ほかのガスセンサを最適に制御し、従って最小の汚染物排出に付随したエネルギ を最大に利用した最適な燃焼を可能にするために、燃焼室のすぐ後方で内燃機関 の排ガス温度を測定することが可能である。

本発明による温度センサの構造を以下の２つの図により詳細に説明する。

第１図は基板上の白金抵抗層の装置を表し、一方、第２図は完成した温度センサ の断面図を表す。

第１図二基板Ｓに、たとえば５μｍの厚さの白金抵抗層ｐｔを塗布する。白金構 造Ｐｔは少なくとも一部分が本来の測定抵抗を形成するメアンダＭｊＬの形を有 する。

第２図はメアンダ構造Ｍｌの領域の完成した温度センサの断面図を表す。たとえ ば酸化アルミニウムからなる基板Ｓに塗布した白金導電性通路Ｐｔは不動態化層 としての二重の層ＤＳにより覆われている。この場合に下側の層ＵＳはガラス層 であってもよく、かつ上側の層Ｏ８はセラミック層であってもよく、またはその 反対でもよい。

特表十６−５０７５２１　（，４） ＩＧ　１ 国際調査報告

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．セラミック基板（Ｓ）に塗布された白金抵抗層（Ｐｔ，Ｍ■）およびその上 に塗布された不動態化層を有する高速白金族金属温度センサにおいて、不動態化 層がセラミック層およびガラス層からなる二重の層（ＤＳ）であることを特徴と する高速白金族金属温度センサ。
2. ２．ガラス層が厚膜技術を使用して製造される請求の範囲１記載の温度センサ。
3. ３．セラミック層の物質が金属の窒化物、硼化物、炭化物、酸化物または珪化物 からなる種類から選択される請求の範囲１または２記載の温度センサ。
4. ４．ガラス層が珪酸塩ガラスからなる請求の範囲１から３までのいずれか１項記 載の温度センサ。
5. ５．セラミック層が厚膜または薄膜技術を使用して形成され、かつほぼ１〜１０ μｍの厚さを有する請求の範囲１から４までのいずれか１項記載の温度センサ。
6. ６．ガラスの厚いフィルムを白金抵抗層の上に塗布し、かつ１〜１０μｍの厚さ のセラミック層をその上に塗布する請求の範囲１から５までのいずれか１項記載 の温度センサ。
7. ７．１〜１０μｍの厚さのセラミック層を白金抵抗層（Ｐｔ，Ｍ■）の上に塗布 し、かつガラス層を厚膜技術を使用してその上に塗布する請求の範囲１から５ま でのいずれか１項記載の温度センサ。
8. ８．１０００℃までの、特に８５０〜１０００℃の範囲の温度を測定するための 請求の範囲１から７までのいずれか１項記載の温度センサの使用。
9. ９．排ガス監視のための自動車技術における請求の範囲１から７までのいずれか １項記載の温度センサの使用。