WO2015189388A1 - Planares heizelement mit einer ptc-widerstandsstruktur - Google Patents

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WO2015189388A1
WO2015189388A1 PCT/EP2015/063165 EP2015063165W WO2015189388A1 WO 2015189388 A1 WO2015189388 A1 WO 2015189388A1 EP 2015063165 W EP2015063165 W EP 2015063165W WO 2015189388 A1 WO2015189388 A1 WO 2015189388A1
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heating element
element according
conductor track
resistor structure
ptc resistor
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PCT/EP2015/063165
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Jiri Holoubek
Mirko Lehmann
Josef Vlk
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Innovative Sensor Technology Ist Ag
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Publication date
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    • H05B2203/02—Heaters using heating elements having a positive temperature coefficient

Definitions

  • the invention relates to a planar heating element with a PTC resistor structure, which is arranged in a defined surface area of a first surface of a carrier substrate, wherein the PTC resistor structure are assigned electrical connection contacts for connection to an electrical voltage source. Furthermore, the invention relates to a heating arrangement in which the planar heating element according to the invention is used. Furthermore, the invention describes preferred uses of the heating element according to the invention or the heating arrangement according to the invention. In addition, a method for producing the heating element according to the invention is described.
  • Resistor structure connected to an electrical voltage source.
  • heatable resistance structures in thermal flow measuring devices for determining and / or monitoring the mass flow of a medium by a
  • Measuring tube used.
  • Resistor structures used for temperature measurement and heatable resistor structures are usually made from a PTC (Positive
  • Meander-shaped lies in the relatively large resistance of this
  • the invention has for its object to propose a planar heating element, which has at least approximately a homogeneous or uniform temperature distribution in a defined surface area.
  • the object is achieved in that the PTC resistor structure - starting from the two electrical connection contacts - at least one inner trace and a parallel outer trace has, that the inner trace has a greater resistance than the outer trace and that the resistances of the inner trace and external conductor track are dimensioned such that when a voltage is applied, there is a substantially uniform temperature distribution within the defined surface area.
  • the conductor with the lower resistance contributes a higher contribution to the heating power. Therefore, the parallel connection of the two
  • Room temperature without applied heating voltage preferably less than 3 ohms.
  • the PTC resistor structure is configured to be adjacent to the
  • Heating function also provides temperature readings, so that the PTC resistor structure serves as a heating element and as a temperature sensor.
  • the inner conductor track and the outer conductor track are made of the same material; the different resistances are over different
  • This first embodiment has the advantage that the Resistance structure consists of a single material, which is to accomplish manufacturing technology in one production step.
  • the material used for the PTC resistor structure is nickel or platinum. Platinum has the advantage that it can be used without problems even in a high temperature range above 300 ° C.
  • the inner conductor track and outer conductor track are made of different materials, wherein the two conductor tracks have a different resistivity. Also, a combination of different materials with different resistivity can be a uniform
  • An advantageous embodiment of the heating element according to the invention proposes that the PTC resistance structure is structured, virtually, in three subregions: a first end-side subarea, which adjoins the electrical
  • the inner conductor track and the outer conductor track run substantially parallel in the middle partial area.
  • the inner conductor track and the outer conductor track are also substantially parallel in the second end-side subarea.
  • the inner conductor track and the outer conductor track are each connected to each of the two electrical connection contacts.
  • the two interconnects in the first end-side subarea preferably have a V shape. If there are no sudden changes in the geometry of the PTC resistor structure, then a high level can be achieved in the defined surface area
  • the inner conductor track and the outer conductor track are substantially parallel to each other. Also possible is another form, for example a semicircular shape. Furthermore, it is possible, in one of the two end portions, a first shape, e.g. a rectangular shape, and in the other end-side portion, a second shape deviating therefrom, e.g. a V shape. Furthermore, an advantageous embodiment proposes that the resistance per length of the inner conductor track and / or the resistance per length of the outer conductor track in the first end-side partial area and / or in the second end-side partial area be greater than the resistance per length of the inner conductor track and / or the outer conductor in the middle portion.
  • heating element provides that at least one geometric parameter of the inner conductor track and / or the outer conductor track, such as line width and filling thickness, at least in a subsection of at least one subregion is varied so that a locally occurring deviation from the uniform temperature distribution is at least approximately balanced in the affected subarea.
  • the carrier substrate is made of a material having a thermal conductivity which is below a predetermined limit, so that a large thermal gradient occurs between the defined surface area with uniform temperature distribution and the terminal contacts, which is above a predetermined limit, typically above 50 ° C / mm, lies. This will ensure that the heated
  • 'hot' zone is essentially limited to the defined surface area and is thermally decoupled from the outside 'cold' zone.
  • 'hot' zone is essentially limited to the defined surface area and is thermally decoupled from the outside 'cold' zone.
  • Carrier material is a material used whose thermal conductivity
  • Thermal conductivity is less than 5 watts / m K.
  • the thermal conductivity is less than 3 watts / m K.
  • the defined surface area has a boundary, which is essentially given by the outer dimensions of the outer conductor track.
  • the carrier material is characterized by a low thermal conductivity. In addition, it preferably has a thickness of less than or equal to 1 mm.
  • connection contacts are provided with a low filling density. These are preferably made of high-purity gold (gold content at least greater than 95%, preferably greater than 99%).
  • connection contacts are made of silver or a silver alloy.
  • the resistance of the PTC resistor structure is below 10 ⁇ at room temperature, preferably below 3 ⁇ or even 1 ⁇ . This is achieved by the choice of at least one suitable material (preferably platinum) and a suitable one
  • Suitable support materials are alumina, quartz glass or zirconium oxide.
  • Zirconium oxide is preferably used in connection with the invention as the carrier substrate.
  • the thickness of the carrier substrate is preferably less than 1 mm.
  • Zirconia has the following advantages: low thermal conductivity (but sufficient to
  • the temperature drops very quickly due to the high temperature gradient.
  • the shape of the carrier substrate is adapted to the shape of the PTC resistor structure.
  • the carrier material is therefore designed in the second end-side portion V-shaped or rectangular. If the second end-side sub-area forms a V-shape - that is, if it has a tip -, then the heating element can be inserted into a medium to be heated.
  • Chip arrangement with a tip can be found in EP 1 189 281 B1.
  • the heating element according to the invention at least one substantially electrically insulating separating layer is provided on or in the carrier substrate, which is preferably made of glass.
  • the carrier substrate is preferably made of zirconium oxide. Zirconia has - as also previously described - properties that predestine it for use in the heating element according to the invention. However, zirconia has the disadvantage that it becomes conductive at temperatures above 200 ° C. The application of a release layer prevents the occurrence of conductivity. Further details of this known solution can be found in EP 1 801 548 A2.
  • the carrier substrate is assigned at least one passivation layer, which is preferably applied to the surface of the carrier substrate.
  • Passivation layer is preferably at least partially from the material of the release layer.
  • the passivation layer protects against mechanical, chemical and electrical influences.
  • the passivation layer is preferably applied to both surfaces of the heating element. This allows a mechanical
  • the material of the passivation layer may be a tightly sealed glass. Further details of a passivation layer that can be used in connection with the present invention can be found in WO 2009/016013 A1.
  • the PTC resistor structure is preferably made of a conductive material which is suitable for use in the high-temperature range.
  • the PTC resistor structure is made of platinum. Platinum has the advantage that, in addition to its good temperature stability, it has a well-defined, almost linear temperature characteristic and a very high electromigration resistance.
  • a platinum PTC resistor structure is recognized as an industry standard temperature sensor.
  • the electrical connection contacts are made of a noble metal or a noble metal alloy, wherein it is preferable to the noble metal to silver and in the
  • Precious metal alloy is preferably a silver alloy. Silver also enjoys recognition as an industry standard and has the advantage of being easily solderable or
  • Resistance structure provided electrical connection lines. These are likewise made of a precious metal, preferably of gold. Gold ensures a stable transition to platinum up to 850 ° C, it is characterized by a good electrical
  • Part of the PTC resistor structure is greater than the distance between the inner trace and the outer trace.
  • the depth of the overlap between the connecting lines and the conductor tracks in the first end-side subarea of the PTC resistor structure is preferred
  • the first end portion of the PTC resistor structure is designed with respect to its geometric parameters so that the physical heating properties of the PTC resistor structure at least are approximately unchanged.
  • the adaptation preferably takes place by changes in the filling density or the line width of the conductor tracks or the connecting lines in the vicinity of the respective overlap.
  • the overlap between the connecting lines and the conductor tracks in the first end-side portion of the PTC resistor structure is preferably V-shaped or linear; However, it can also be designed web-shaped. Below are some preferred dimensions for the individual
  • the filling thickness of the conductor tracks of the PTC resistor structure which are preferably made of platinum, lies at least in the first end-side portion between 5-10 ⁇ .
  • the filling thickness of the connecting lines which preferably consist of gold, is preferably between 3-10 ⁇ .
  • the thickness of the terminal contacts preferably made of silver or a
  • Silver alloy exist is preferably in the range of 10-30 ⁇ .
  • Linear expansion of the PTC resistor structure is on the order of a few millimeters, preferably in a range of 2-10mm.
  • the resistance of the PTC resistor structure at room temperature without applied heating voltage is preferably below 3 ⁇ , preferably below 1 ⁇ . Since the PTC resistor structure is very low-impedance, it is possible to heat the PTC resistor structure with a relatively low power supply to high temperature.
  • Voltage source with a few volts, e.g. 3 volts, is sufficient to operate the heating element.
  • Heating element specified in thick film technology It goes without saying that also other dimensions and materials for a technically qualified
  • planar heating element according to the invention can be produced in thin or thick film technology. However, it is preferred because of the lower cost
  • Heating element is characterized by a high level of dynamics. After switching on, the operating temperature is reached very quickly; After switching off, the planar heating element cools very quickly to the ambient room temperature.
  • the temperature in the defined area with a substantially
  • uniform temperature distribution is preferably in a temperature range between 300 ° C and 750 ° C. It goes without saying that depending on the design and Use of materials for the heating element according to the invention also temperatures outside the previously specified range can be covered.
  • the thermal conductivity of the tracks must be relatively low in order to avoid the unwanted heat dissipation from the heating zone.
  • the depth of the overlap is 100 ⁇ .
  • the depth of the overlap should be selected so that it is process-technically reproducible.
  • a small depth can also have disadvantages, if these e.g. varies between 25 ⁇ and 30 ⁇ .
  • process-related inaccuracy e.g. of 5 ⁇ on the overall performance, of course, a lot bigger than if you commit to 100 ⁇ for the depth of the overlap.
  • Terminal contacts e.g., Ag
  • connecting lines e.g., Au
  • Temperature corresponds substantially to the prevailing ambient temperature) than in the region of the overlap of connecting lines and printed conductors (hot zone or heating zone: the temperature corresponds to the temperature in the defined range of the PTC resistor structure, ie the temperature of the heating zone), the properties of the PTC resistor structure less influenced.
  • the invention relates to a heating arrangement, which uses the PTC resistor structure described above in a suitable, but arbitrary embodiment.
  • an electrical power supply which supplies the PTC resistor structure with energy
  • a control / evaluation unit the PTC resistor structure to a
  • the electrical power supply is a voltage source that has a limited energy supply.
  • the electrical voltage is supplied by a battery.
  • a separate resistance structure be provided for determining the temperature of the medium which is heated by the heating element.
  • the temperature control is preferably carried out, and it is heated from both surfaces ago.
  • planar heating element according to the invention or the planar heating element
  • Heating arrangement according to the invention in a compact gas sensor based on semiconductors, in a compact heater for pocket devices or in a calorimetric
  • the passivation layer e.g. a gas-sensitive structure, e.g. a metal oxide and an interdigital electrode structure.
  • the invention can therefore generally serve as a basis for sensors in which heating is essential for the sensor function.
  • the planar heating element according to the invention is preferably produced by the method described below: A separating layer is applied to each of the two surfaces of the carrier substrate, usually in succession. It is customary, if the dichlayer technique is used, to print the coatings. As already mentioned above, however, the thin-film technique can also be used in connection with the invention.
  • On one of the two dry release layers is the PTC resistor structure applied. Once the PTC resistor structure has cured, the electrical connection lines are applied and subjected to a drying process. Subsequently, the terminal contacts are applied and also cured. The overlap areas of the connection contacts and electrical connection lines are preferably cured once again separately.
  • the passivation layers are applied to the two surfaces of the planar heating element, preferably successively, and cured.
  • FIG. 1 shows a plan view of a preferred embodiment of the heating element according to the invention
  • FIG. 1 a shows a longitudinal section according to the marking A-A through the heating element according to the invention shown in FIG. 1, FIG.
  • FIG. 2 shows a schematic partial view of the heating element according to the invention, which shows a first embodiment of the overlap between a connecting line and the conductor tracks,
  • FIG. 3 shows a schematic partial view of the heating element according to the invention, showing a second embodiment of the overlap between a connecting line and the conductor tracks
  • FIG. 4 shows a schematic partial view of the heating element according to the invention, showing a third embodiment of the overlap between a connecting line and shows the tracks
  • Fig. 5a a plan view of a second embodiment of the invention
  • Fig. 5b a plan view of the back of the heating element shown in Fig. 5a.
  • the heating element 1 shows a plan view of a preferred embodiment of the heating element 1 according to the invention.
  • the outer dimensions of the PTC resistance structure 2 delimit the defined surface area 3 or the heating zone.
  • the PTC resistor structure is divided into three different subregions: a first end-side subregion 10, which adjoins the connection contacts 6 and the electrical connection lines 15, respectively connects, a central portion 1 1, which adjoins the first end-side portion 10, and a second end-side portion 12, which adjoins the central portion 1 1.
  • Between the terminal contacts 6 and the electrical connection lines 15 is an overlap 16b of a defined length.
  • each connecting lines 15 and the conductor tracks 8, 9 an overlap 16a.
  • the inner conductor 8 and the outer conductor 9 of the PTC resistor structure 2 are approximately parallel and are electrically connected in parallel.
  • the inner conductor 8 has a greater resistance than the outer conductor 9.
  • the resistances of the inner conductor 8 and the outer conductor 9 are dimensioned so that when applying a voltage, a substantially uniform temperature distribution within the defined
  • This defined area is also referred to as heating zone and is indicated in Fig. 1 by the dashed line on the outer edge of the PTC resistor structure 2.
  • Carrier substrate 5 with low thermal conductivity is Carrier substrate 5 with low thermal conductivity. Further information can be found in the previous description.
  • the inner conductor 8 and the outer conductor 9 are made of the same material. It has already been described above that platinum is preferably used as the material of the conductor tracks 8, 9. The different resistances of the conductor tracks 8, 9 are realized via different cross-sectional areas and / or length expansions of the inner conductor track 8 and the outer conductor track 9.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section according to the marking AA through the heating element 1 according to the invention shown in FIG. 1.
  • a separating layer 14 is arranged on both surfaces 4, 19 of a carrier substrate 5.
  • the carrier substrate 5 is preferably zirconium oxide having a thickness of 300 ⁇ m, the separating layers 14 each having a thickness of 15 ⁇ m.
  • the PTC resistor structure 2 consists of platinum with a thickness of 8 ⁇ . It goes without saying that the above-described dimensioning of the PTC resistor structure 2 is not limited to the stated values. Each of the explicitly mentioned values can be varied arbitrarily up or under. As the
  • connection contacts 6 are made of silver and have a thickness of 10 ⁇ .
  • the electrical connection line 15 between the terminal contacts 6 and the PTC resistor structure 2 are made of gold and are 4 ⁇ thick. In the area of the overlap 16b overlap the
  • Passivation layer 13 has a thickness of 15 ⁇ .
  • the functions of the individual layers have already been described in detail above. The
  • Sensitivity of the planar heating element at room temperature without applying the heating voltage is 3700ppm / K (+ - 100ppm / K). It goes without saying that the stated thicknesses of the individual layers are exemplary. Each of the explicitly mentioned values of the preferred embodiment may be arbitrarily varied up or down. How the sizing is designed in detail is at the discretion of the skilled person.
  • FIGS. 2, 3, 4 schematically show partial views of FIG
  • FIG. 5a shows a plan view of a second embodiment of the heating element 1 according to the invention with PTC resistor structure 2
  • Fig. 5b is a plan view of the back 19 of the heating element 1 shown in Fig. 5a, on which a meandering
  • Temperature sensor 18 is arranged. Furthermore, the heating arrangement according to the invention with heating element 1, electrical voltage source 7 and control / evaluation unit 17 is shown schematically in Fig. 5a.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Planares Heizelement (1) mit einer PTC-Widerstandsstruktur (2), die in einem definierten Flächenbereich (3) einer ersten Oberfläche (4) eines Trägersubstrats (5) angeordnet ist, wobei der PTC-Widerstandsstruktur (2) elektrische Anschlusskontakte (6) zum Anschluss an eine elektrische Spannungsquelle (7) zugeordnet sind, wobei die PTC-Widerstandsstruktur (2) - ausgehend von den beiden elektrischen Anschlusskontakten (6) - zumindest eine innenliegende Leiterbahn (8) und eine parallel geschaltete außenliegende Leiterbahn (9) aufweist, wobei die innenliegende Leiterbahn (8) einen größeren Widerstand aufweist als die außenliegende Leiterbahn (9) und wobei die Widerstände von innenliegender Leiterbahn (8) und außenliegender Leiterbahn (9) so bemessen sind, dass bei Anlegen einer Spannung eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des definierten Flächenbereichs (3) vorliegt.

Description

Planares Heizelement mit einer PTC-Widerstandsstruktur
Die Erfindung betrifft ein planares Heizelement mit einer PTC-Widerstands-struktur, die in einem definierten Flächenbereich einer ersten Oberfläche eines Trägersubstrats angeordnet ist, wobei der PTC-Widerstandsstruktur elektrische Anschlusskontakte zum Anschluss an eine elektrische Spannungsquelle zugeordnet sind. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Heizanordnung, bei der das erfindungsgemäße planare Heizelement eingesetzt wird. Weiterhin beschreibt die Erfindung bevorzugte Verwendungen des erfindungsgemäßen Heizelements bzw. der erfindungsgemäßen Heizanordnung. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Heizelements beschrieben.
Aus dem Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt, die Temperatur über die Auswertung des elektrischen Widerstands einer Widerstandsstruktur zu bestimmen bzw. zu überwachen. Entsprechende Widerstandsstrukturen werden entweder in
Dünnschichttechnik oder in Dickschichttechnik auf einem Trägersubstrat aufgebracht. Oftmals sind die Widerstandsstrukturen mäanderförmig oder spiralförmig ausgestaltet.
Weiterhin ist es bekannt geworden, über entsprechende Widerstands-strukturen ein umgebendes Medium auf eine vorgegebene Temperatur zu erwärmen. Hierzu ist die
Widerstandsstruktur mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden. Beispielsweise werden beheizbare Widerstandsstrukturen bei thermischen Durchflussmessgeräten zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massestroms eines Mediums durch ein
Messrohr eingesetzt.
Widerstandsstrukturen, die für die Temperaturmessung eingesetzt werden, und beheizbare Widerstandsstrukturen sind üblicherweise aus einem PTC (Positive
Temperature Coefficient) Material, bevorzugt aus Nickel oder Platin, gefertigt. PTC- Widerstandsstrukturen zeichnen sich dadurch aus, dass sich mit steigender Temperatur der Ohm'sche Widerstand erhöht, wobei die funktionale Abhängigkeit über einen großen Temperaturbereich in hohem Maße linear ist.
Der Nachteil der bekannten Widerstandsstrukturen, insbesondere wenn sie
mäanderförmig ausgestaltet sind, liegt in dem relativ großen Widerstand dieser
Strukturen. Als Folge davon, muss eine relativ hohe Spannung zur Energieversorgung bereitgestellt werden. Ist darüber hinaus eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb eines definierten Flächenbereichs gefordert, so ist dies mit einer bekannten Mäanderstruktur nicht realisierbar. Eine derartige Struktur hat den Nachteil, dass sie - verursacht durch Prozessschwankungen bei der Fertigung der Beschichtungen - unterschiedliche Linienbreiten zur Folge haben kann. Dies führt zur Ausbildung von Hotspots, da in Bereich kleinerer Linienbreiten der Widerstand größer ist. Dies führt zu einer lokal stärkeren Erhitzung (Hotspot), die dadurch verstärkt wird, dass sich durch die Erhitzung der Widerstand zusätzlich erhöht. Zum anderen hat eine solche Lösung zur Folge, dass hohe Stromdichten eine Elektromigration zur Folge haben können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein planares Heizelement vorzuschlagen, das in einem definierten Flächenbereich zumindest näherungsweise eine homogene bzw. gleichmäßige Temperaturverteilung aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die PTC-Widerstandsstruktur - ausgehend von den beiden elektrischen Anschlusskontakten - zumindest eine innenliegende Leiterbahn und eine parallel geschaltete außenliegende Leiterbahn aufweist, dass die innenliegende Leiterbahn einen größeren Widerstand aufweist als die außenliegende Leiterbahn und dass die Widerstände von innenliegender Leiterbahn und außenliegender Leiterbahn so bemessen sind, dass bei Anlegen einer Spannung eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des definierten Flächenbereichs vorliegt. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass die Leiterbahn mit dem geringeren Widerstand einen höheren Beitrag zur Heizleistung beisteuert. Daher hat die Parallelschaltung der beiden
Leiterbahnen eine selbst stabilisierende Wirkung. Hat nämlich eine der beiden
Leiterbahnen z.B. eine prozesstechnisch bedingte Verjüngung, so bildet sich an dieser Stelle in der Regel kein Hotspot heraus.
Außerhalb des weitgehend gleichmäßig beheizten Flächenbereichs liegt ein hoher Temperaturgradient vor, so dass die Heizzone im Wesentlichen auf den definierten Flächenbereich beschränkt ist. Mit den zumindest zwei parallelen verlaufenden und parallel geschalteten Leiterbahnen lassen sich kleine Ohm'sche Widerstände realisieren. Insbesondere ist der Gesamtwiderstand der PTC- Widerstandsstruktur bei
Raumtemperatur ohne angelegte Heizspannung bevorzugt kleiner als 3 Ohm.
Bevorzugt ist die PTC-Widerstandsstruktur so ausgestaltet, dass sie neben der
Heizfunktion auch Temperaturmesswerte zur Verfügung stellt, so dass die PTC- Widerstandsstruktur als Heizelement und als Temperatursensor dient. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements sind die innenliegende Leiterbahn und die außenliegende Leiterbahn aus demselben Material gefertigt; die unterschiedlichen Widerstände sind über unterschiedliche
Querschnittsflächen und/oder Längenausdehnungen von innenliegender Leiterbahn und außenliegender Leiterbahn realisiert. Diese erste Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Widerstandsstruktur aus einem einzigen Material besteht, was fertigungstechnisch in einem Fertigungsschritt zu bewerkstelligen ist. Bevorzugt wird als Material für die PTC- Widerstandsstruktur Nickel oder Platin verwendet. Platin hat den Vorteil, dass es auch in einem Hochtemperaturbereich oberhalb von 300°C problemlos eingesetzt werden kann.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements sind die innenliegenden Leiterbahn und außenliegenden Leiterbahn aus unterschiedlichen Materialien gefertigt, wobei die beiden Leiterbahnen einen unterschiedlichen spezifischen Widerstand aufweisen. Auch über eine Kombination unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichem spezifischem Widerstand lässt sich eine gleichmäßige
Temperaturverteilung innerhalb eines definierten Flächenbereichs erzielen. Es versteht sich von selbst, dass hierzu auch eine Kombination von erster Ausgestaltung und alternativer Ausgestaltung bestens geeignet ist. Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelements schlägt vor, dass die PTC-Widerstandsstruktur - quasi virtuell - in drei Teilbereiche strukturiert ist: einen ersten endseitigen Teilbereich, der sich an die elektrischen
Kontaktanschlüsse/Verbindungsleitungen anschließt, über die die Verbindung mit der elektrischen Spannungsquelle erfolgt,
einen mittleren Teilbereich, der sich an den ersten endseitigen Teilbereich anschließt, und einen zweiten sich an den mittleren Teilbereich anschließenden zweiten endseitigen Teilbereich.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die innenliegende Leiterbahn und die außenliegende Leiterbahn im mittleren Teilbereich im Wesentlichen parallel verlaufen. Bevorzugt verlaufen die innenliegende Leiterbahn und die außenliegende Leiterbahn auch im zweiten endseitigen Teilbereich im Wesentlichen parallel. Im ersten endseitigen Teilbereich sind die innenliegende Leiterbahn und die außenliegende Leiterbahn jeweils aufeinander zulaufend mit jedem der beiden elektrischen Anschlusskontakten verbunden. Bevorzugt weisen die beiden Leiterbahnen im ersten endseitigen Teilbereich also eine V- Form auf. Treten keine sprunghaften Änderungen in der Geometrie der PTC- Widerstandsstruktur, so lässt sich in dem definierten Flächenbereich eine hohe
Temperaturstabilität erreichen. Insbesondere wird die Bildung von sog. Hot Spots vermieden.
Ebenso ist es jedoch auch möglich, dass die beiden Leiterbahnen im ersten endseitigen Teilbereich über einen rechtwinklig zu beiden Leiterbahnen verlaufenden Abschnitt miteinander verbunden sind. Ebenso können sowohl die innenliegende Leiterbahn als auch die außenliegende Leiterbahn im zweiten endseitigen Teilbereich entweder eine V-Form oder eine
Rechteckform aufweisen. Auch im zweiten endseitigen Teilbereich verlaufen die innenliegende Leiterbahn und die außenliegende Leiterbahn im Wesentlichen parallel zueinander. Möglich ist auch eine anderweitige Form, beispielsweise eine Halbkreisform. Weiterhin ist es möglich, in einem der beiden endseitigen Teilbereiche eine erste Form, z.B. eine Rechteckform, zu wählen und in dem anderen endseitigen Teilbereich eine davon abweichende zweite Form, z.B. eine V-Form. Weiterhin schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass der Widerstand pro Länge der innenliegenden Leiterbahn und/oder der Widerstand pro Länge der außenliegenden Leiterbahn im ersten endseitigen Teilbereich und/oder im zweiten endseitigen Teilbereich größer sind/ist als der Widerstand pro Länge der innenliegenden Leiterbahn und/oder der außenliegenden Leiterbahn im mittleren Teilbereich.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Heizelements sieht vor, dass zumindest ein geometrischer Parameter der innenliegenden Leiterbahn und/oder der außenliegenden Leiterbahn, wie Linienbreite und Füllungsdicke, zumindest in einem Teilabschnitt von zumindest einem Teilbereich so variiert ist, dass eine lokal auftretende Abweichung von der gleichmäßigen Temperaturverteilung in dem betroffenen Teilbereich zumindest näherungsweise ausgeglichen ist.
Bevorzugt besteht das Trägersubstrat aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt, so dass zwischen dem definierten Flächenbereich mit gleichmäßiger Temperaturverteilung und den Anschlusskontakten ein großer Wärmegradient auftritt, der oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes, typisch oberhalb von 50°C/mm, liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die beheizte
'heiße' Zone im Wesentlichen auf den definierten Flächenbereich begrenzt ist und von der außerhalb liegenden 'kalten' Zone thermisch entkoppelt ist. Bevorzugt kommt als
Trägermaterial ein Material zum Einsatz, dessen thermische Leitfähigkeit
(Wärmeleitfähigkeit) kleiner ist als 5 Watt/m K. Bevorzugt ist die thermische Leitfähigkeit kleiner als 3 Watt/m K.
Der definierte Flächenbereich weist eine Begrenzung auf, die im Wesentlichen durch die äußeren Abmessungen der außenliegenden Leiterbahn gegeben ist. Dieser definierte
Flächenbereich kennzeichnet die sog. Heizzone oder Heißzone, in der mindestens 300°C herrschen. Die Beschränkung der Heizzone auf den durch die äußeren Abmessungen der außen liegenden Leiterbahn definierten Bereich wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Trägermaterial sich durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Darüber hinaus hat es bevorzugt eine Dicke von kleiner/gleich 1 mm.
Um den Wärmeaustausch zwischen der Heizzone und der auf üblicherweise
Zimmertemperatur liegenden Kaltzone, in der die Anschlusskontakte liegen, zu erreichen, sind elektrische Verbindungsleitungen mit einer geringen Füllungsdichte vorgesehen. Diese sind aus bevorzugt hochreinem Gold (Goldanteil zumindest größer als 95%, bevorzugt größer als 99%) gefertigt. Die Anschlusskontakte bestehen aus Silber oder einer Silberlegierung.
Der Widerstand der PTC Widerstandsstruktur liegt bei Raumtemperatur unterhalb von 10Ω , bevorzugt unter 3Ω oder sogar 1 Ω. Erreicht wird dies durch die Wahl von zumindest einem geeigneten Materials (bevorzugt Platin) und einer geeigneten
Dimensionierung der entsprechenden Leiterbahnstruktur.
Als Trägermaterial kommen Aluminiumoxid, Quarzglas oder Zirkonoxid in Frage.
Bevorzugt wird in Verbindung mit der Erfindung als Trägersubstrat Zirkonoxid verwendet. Die Dicke des Trägersubstrats ist bevorzugt kleiner als 1 mm. Zirkonoxid hat folgende Vorteile: eine geringe thermische Leitfähigkeit (die jedoch ausreichend ist, um ggf.
auftretende lokale Hotspots auszugleichen), eine hohe mechanische Stabilität auch bei kleinen Dicken und bezüglich der Wärmeausdehnung eine optimale Anpassung an metallische Komponenten des Heizelements, insbesondere wenn die Leiterbahnen aus Platin bestehen. Durch diese Ausgestaltung wird sichergestellt, dass die homogene Temperaturverteilung auf den Flächenbereich beschränkt ist, der durch die äußeren Abmessungen der Widerstandsstruktur definiert ist. Außerhalb der PTC-
Widerstandsstruktur fällt die Temperatur infolge des hohen Temperaturgradienten sehr schnell ab. Bevorzugt ist die Form des Trägersubstrats an die Form der PTC- Widerstandsstruktur angepasst. Insbesondere ist das Trägermaterial daher im zweiten endseitigen Teilbereich V-förmig oder rechteckförmig ausgestaltet. Ist der zweite endseitige Teilbereich V-förmig ausbildet - hat er also eine Spitze -, so lässt sich das Heizelement in ein zu beheizendes Medium einführen. Ein Beispiel für eine
Chipanordnung mit einer Spitze ist der EP 1 189 281 B1 zu entnehmen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements ist auf oder in dem Trägersubstrat mindestens eine im Wesentlichen elektrisch isolierende Trennschicht vorgesehen, die bevorzugt aus Glas gefertigt ist. Zuvor wurde bereits erwähnt, dass das Trägersubstrat bevorzugt aus Zirkonoxid gefertigt ist. Zirkonoxid hat - wie ebenfalls bereits zuvor beschrieben - Eigenschaften, die es für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Heizelement prädestinieren. Allerdings hat Zirkonoxid den Nachteil, dass es bei Temperaturen oberhalb von 200°C leitfähig wird. Das Aufbringen einer Trennschicht unterbindet das Auftreten der Leitfähigkeit. Nähere Angaben zu dieser bekannten Lösung finden sich in der EP 1 801 548 A2. Weiterhin ist dem Trägersubstrat zumindest eine Passivierungsschicht zugeordnet, die bevorzugt an der Oberfläche des Trägersubstrats aufgebracht ist. Die
Passivierungsschicht besteht bevorzugt zumindest anteilig aus dem Material der Trennschicht. Die Passivierungsschicht dient dem Schutz gegen mechanische, chemische und elektrische Einflüsse. Bevorzugt ist die Passivierungsschicht auf beiden Oberflächen des Heizelements aufgetragen. Hierdurch lässt sich ein mechanisches
Verbiegen des Trägersubstrats verhindern. Insbesondere kann es sich bei dem Material der Passivierungsschicht um ein dicht verschlossenes Glas handeln. Nähere Angaben zu einer Passivierungsschicht, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, finden sich in der WO 2009/016013 A1 .
Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, ist die PTC-Widerstands-struktur bevorzugt aus einem leitfähigen Material, das für den Einsatz im Hochtemperaturbereich geeignet ist, gefertigt. Bevorzugt besteht die PTC-Widerstandsstruktur aus Platin. Platin hat den Vorteil, dass es neben seiner guten Temperaturstabilität eine gut definierte, nahezu lineare Temperatur-kennlinie und eine sehr hohe Elektromigrationsfestigkeit aufweist. Darüber hinaus lässt sich aufgrund der PTC-Charakteristik einer Platin- Widerstandsstruktur näherungsweise eine Selbstregelung der Temperatur erreichen, wenn die Widerstandsstruktur an eine quasi konstante Spannungsquelle (z.B. eine Batterie) angeschlossen ist. Darüber hinaus ist eine PTC-Widerstandsstruktur aus Platin als Temperatursensor mit Industrie-Standard anerkannt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements sind die elektrischen Anschlusskontakte aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung gefertigt, wobei es sich bei dem Edelmetall bevorzugt um Silber und bei der
Edelmetalllegierung bevorzugt um eine Silberlegierung handelt. Silber genießt gleichfalls die Anerkennung als Industriestandard und hat den Vorteil, dass es gut lötbar bzw.
schweißbar ist. Allerdings hat Silber den Nachteil, dass es bei Temperaturen oberhalb von 300°C lateral in Platin eindiffundiert. Daher ist beim Einsatz im
Hochtemperaturbereich (oberhalb von 250°C) keine direkte Verbindung zwischen einer Platin-Widerstandsstruktur und Silber-Anschlusskontakten möglich. Zu erwähnen ist, dass Silber in der Praxis nur als Legierung eingesetzt wird. Dies liegt daran, dass ein gewisser Anteil von Palladium oder hier bevorzugt ein gewisser Anteil von Platin die Beweglichkeit der Silberatome blockiert und damit eine Materialmigration verhindert. Um das zuvor beschriebene Problem zu umgehen, sind zwischen den elektrischen Anschlusskontakten und dem ersten endseitigen Teilbereich der ersten
Widerstandsstruktur elektrische Verbindungsleitungen vorgesehen. Diese sind gleichfalls aus einem Edelmetall, bevorzugt aus Gold, gefertigt. Gold gewährleistet einen stabilen Übergang zu Platin bis hin zu 850°C, es zeichnet sich durch eine gute elektrische
Leitfähigkeit aus und ist technologisch in sehr reiner Form für kompakte dünne Schichten verfügbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung weisen sowohl die Verbindungsleitungen und die Leiterbahnen im ersten endseitigen Teilbereich der PTC-Widerstandsstruktur als auch die Verbindungleitungen und die elektrischen
Anschlusskontakte einen definierten Überlapp auf. Durch den Überlapp wird eine sichere elektrische Kontaktierung gewährleistet. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements ist vorgesehen, dass die Länge des Überlapps zwischen den Verbindungsleitungen und den Leiterbahnen im ersten endseitigen
Teilbereich der PTC-Widerstandsstruktur größer ist als der Abstand zwischen der inneren Leiterbahn und der äußeren Leiterbahn.
Bevorzugt ist die Tiefe des Überlapps zwischen den Verbindungsleitungen und den Leiterbahnen im ersten endseitigen Teilbereich der PTC-Widerstandsstruktur
insbesondere bei einem linienförmigen oder V-förmigen Überlapp größer als 100μιη. Als besonders vorteilhaft wird es im Zusammenhang mit der Erfindung erachtet, wenn die Länge und die Tiefe des Überlapps zwischen den Verbindungsleitungen und den Leiterbahnen im ersten endseitigen Teilbereich der PTC-Widerstandsstruktur
näherungsweise ein Verhältnis von größer 5: 1 aufweisen.
Um sicherzustellen, dass infolge des Überlapps, insbesondere zwischen den
Verbindungsleitungen und der PTC- Widerstandsstruktur, keine Störung im Bereich der durch die Abmessungen der PTC-Widerstandstruktur definierten Abmessungen der Heizzone auftreten, ist der erste endseitige Teilbereich der PTC-Widerstandsstruktur bezüglich seiner geometrischen Parameter so ausgestaltet, dass die physikalischen Heizeigenschaften der PTC-Widerstandsstruktur zumindest näherungsweise unverändert sind. Bevorzugt erfolgt die Anpassung durch Änderungen der Füllungsdichte oder der Linienbreite der Leiterbahnen bzw. der Verbindungsleitungen in der Umgebung des jeweiligen Überlapps.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist der Überlapp zwischen den Verbindungsleitungen und den Leiterbahnen im ersten endseitigen Teilbereich der PTC-Widerstandsstruktur bevorzugt V-förmig oder linienförmig; er kann jedoch auch stegförmig ausgestaltet sein. Nachfolgend werden noch einige bevorzugte Abmessungen für die einzelnen
Komponenten des erfindungsgemäßen Heizelements angegeben. Die Füllungsdicke der Leiterbahnen der PTC-Widerstandsstruktur, die bevorzugt aus Platin bestehen, liegt zumindest im ersten endseitigen Teilbereich zwischen 5-10μιη. Die Füllungsdicke der Verbindungsleitungen, die bevorzugt aus Gold bestehen, liegt bevorzugt zwischen 3- 10μιη. Die Dicke der Anschlusskontakte, die bevorzugt aus Silber oder einer
Silberlegierung bestehen, liegt bevorzugt im Bereich von 10-30μιη. Die
Längenausdehnung der PTC-Widerstandsstruktur liegt in der Größenordnung von einigen wenigen Millimetern, bevorzugt liegt sie in einem Bereich von 2-10mm. Darüber hinaus liegt der Widerstand der PTC-Widerstandsstruktur bei Raumtemperatur ohne angelegte Heizspannung bevorzugt unterhalb von 3Ω, bevorzugt unterhalb von 1Ω. Da die PTC- Widerstandsstruktur sehr niederohmig ist, ist es möglich, die PTC-Widerstandsstruktur mit einer relativ geringen Energiezufuhr auf hohe Temperatur aufzuheizen. Eine
Spannungsquelle mit wenigen Volt, z.B. 3 Volt, ist zum Betreiben des Heizelements ausreichend.
Nachfolgend werden bevorzugte Dimensionen und Materialien eines planaren
Heizelements in Dickschichttechnologie angegeben. Es versteht sich von selbst, dass auch anderweitige Dimensionierungen und Materialien für eine fachlich qualifizierte
Person auffindbar sind. Die Gesamtlänge des planaren Heizelements beträgt 19 mm und die Breite 5 mm. Die außenliegende Leiterbahn ist etwa doppelt so breit wie die innenliegende (z.B. δθθμιη zu 400μιη). Das Trägersubstrat aus Zirkonoxid hat eine Dicke von 0.3 mm. Die Trennschicht und die Passivierungsschicht haben eine Dicke von jeweils 15μιη und sind auf beiden Oberflächen des planares Heizelements angeordnet. Das zuvor beschriebene planare Heizelement kann problemlos eine Heiztemperatur von 450°C erreichen.
Das erfindungsgemäße planare Heizelement kann in Dünn- oder Dickschichttechnologie hergestellt sein. Bevorzugt wird es jedoch aufgrund der kostengünstigeren
Fertigungsprozesse in Dickschichttechnologie gefertigt. Das erfindungsgemäße
Heizelement zeichnet sich durch eine hohe Dynamik aus. Nach dem Einschalten ist die Betriebstemperatur sehr schnell erreicht; nach dem Ausschalten kühlt sich das planare Heizelement sehr schnell auf die umgebende Raumtemperatur ab.
Die Temperatur in dem definierten Flächenbereich mit einer im Wesentlichen
gleichmäßige Temperaturverteilung liegt bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 750°C. Es versteht sich von selbst, dass je nach Ausgestaltung und Verwendung von Materialien für das erfindungsgemäße Heizelement auch Temperaturen außerhalb des zuvor spezifizierten Bereichs abgedeckt werden können.
Bei der Materialwahl sind insbesondere die folgenden Punkte zu beachten:
Die beiden nachfolgenden Effekte müssen im Gleichgewicht gehalten werden:
• Eine möglichst hohe thermische Leitfähigkeit der PTC-Widerstandsstruktur
minimiert die thermischen Effekte der Verlustleistung infolge von
Spannungsabfällen an den Leiterbahnen und Leitungen.
· Die thermische Leitfähigkeit der Leiterbahnen muss relativ gering sein, um die unerwünschte Wärmeabfuhr aus der Heizzone zu vermeiden.
• Die elektrische Leitfähigkeit muss aber genügend hoch bleiben, um die
Erzeugung zusätzlicher Wärme durch Verlustleistung in diesem Bereich in Grenzen zu halten.
Ein Überlapp der beiden Leiterbahnen, die bevorzugt aus Platin bestehen, mit den bevorzugt aus Gold bestehenden Verbindungsleitungen ist notwendig, um eine sichere elektrische Kontaktierung zu gewährleisten. Im Bereich des Überlapps (Pl/Au) werden die Anforderungen, die an die aus Reinmetallen (z.B. Au und PI) bestehenden Komponenten des Heizelements gestellt werden, nicht erfüllt. Diese verschlechterten Eigenschaften in den Bereichen des Überlapps müssen beim Design der PTC-Widerstandsstruktur berücksichtigt werden. Die ideale Wahl der Geometrie des Überlapps ist die
höchstmögliche Länge bei möglichst geringer Tiefe des Überlapps, daher ist die V-Form besonders geeignet. Bevorzugt beträgt die Tiefe des Überlapps 100μιη. Generell ist die Tiefe des Überlapps so zu wählen, dass sie prozesstechnisch reproduzierbar ist. Eine kleine Tiefe kann durchaus auch Nachteile haben, wenn diese z.B. zwischen 25μιη und 30μιη variert. Bei einer kleinen Tiefe ist der Einfluss einer prozesstechnisch bedingten Ungenauigkeit, z.B. von 5μιη auf die Gesamtperformance natürlich um einiges grösser, als wenn man sich auf 100μιη für die Tiefe des Überlapps festlegt.
Die gleichen Überlegungen gelten auch im Bereich des Überlapps (Ag/Au) von
Anschlusskontakten (z.B. Ag) und Verbindungsleitungen (z.B. Au). Da die bei diesem Überlapp auftretenden Temperaturen wesentlich tiefer liegen (- kalte Zone: die
Temperatur entspricht im Wesentlichen der herrschenden Umgebungstemperatur) als im Bereich des Überlapps von Verbindungsleitungen und Leiterbahnen (heiße Zone oder Heizzone: die Temperatur entspricht der Temperatur im definierten Bereich der PTC- Widerstandsstruktur, also der Temperatur der Heizzone), werden die Eigenschaften der PTC-Widerstandsstruktur allerdings weniger stark beeinflusst. Desweiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Heizanordnung, die die zuvor beschriebene PTC-Widerstandsstruktur in geeigneten, aber beliebigen Ausgestaltung verwendet. Hierzu sind neben dem erfindungsgemäßen Heizelement vorgesehen: eine elektrische Spannungsversorgung, die die PTC-Widerstandsstruktur mit Energie versorgt, und eine Regel-/Auswerteeinheit, die die PTC-Widerstandsstruktur auf einen
vorgegebenen Temperaturwert regelt.
Bei der elektrischen Spannungsversorgung handelt es um eine Spannungsquelle, die einen begrenzten Energievorrat aufweist. Bevorzugt wird die elektrische Spannung von einer Batterie geliefert.
Darüber hinaus wird im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Heizanordnung angeregt, dass eine separate Widerstandsstruktur zur Bestimmung der Temperatur des Mediums, das durch das Heizelement beheizt wird, vorgesehen ist. Bevorzugt ist die Widerstandsstruktur zur Temperaturmessung und zur Heizung auf der zweiten
Oberfläche des Trägersubstrats aufgebracht, die der ersten Oberfläche, auf der die PTC- Widerstandsstruktur angeordnet ist, gegenüberliegt. Aufgrund der gemessenen
Temperatur wird die Temperaturregelung bevorzugt durchgeführt, und es wird von beiden Oberflächen her geheizt.
Bevorzugt kommt das erfindungsgemäße planare Heizelement bzw. die
erfindungsgemäße Heizanordnung bei einem kompakten Gassensor auf Halbleiterbasis, bei einem kompakten Heizer für Taschengeräte oder bei einem kalorimetrischen
Strömungssensor zur Anwendung.
Auf der Passivierungsschicht kann sich z.B. eine gassensitive Struktur, z.B. ein Metalloxid und eine interdigitale Elektrodenstruktur, befinden. Die Erfindung kann deshalb auch generell als Basis für Sensoren dienen, bei denen Heizen für die Sensorfunktion essentiell ist.
Das erfindungsgemäße planare Heizelement wird bevorzugt über das nachfolgend beschriebene Verfahren gefertigt: Auf jede der beiden Oberflächen des Trägersubstrats wird - üblicherweise hintereinander - eine Trennschicht aufgebracht. Üblich ist es, wenn die Dichschichttechnik verwendet wird, die Beschichtungen aufzudrucken. Wie bereits zuvor erwähnt, kann jedoch im Zusammenhang mit der Erfindung auch die Dünnschichttechnik zum Einsatz kommen. Auf eine der beiden trockene Trennschichten wird die PTC-Widerstandsstruktur aufgebracht. Sobald die PTC-Widerstandsstruktur ausgehärtet ist, werden die elektrischen Verbindungsleitungen appliziert und einem Trocknungsprozess ausgesetzt. Anschließend werden die Anschlusskontakte aufgebracht und gleichfalls ausgehärtet. Bevorzugt werden die Überlappbereiche der Anschlusskontakte und elektrischen Verbindungsleitungen noch einmal gesondert ausgehärtet. Auf die beiden Oberflächen des planaren Heizelements werden die Passivierungsschichten - bevorzugt sukzessive - aufgebracht und ausgehärtet.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements,
Fig. 1 a: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Heizelement,
Fig. 2: eine schematische Teilansicht des erfindungsgemäßen Heizelements, das eine erste Ausgestaltung des Überlapps zwischen einer Verbindungs-leitung und den Leiterbahnen zeigt,
Fig. 3: eine schematische Teilansicht des erfindungsgemäßen Heizelements, das eine zweite Ausgestaltung des Überlapps zwischen einer Verbindungs-leitung und den Leiterbahnen zeigt, Fig. 4: eine schematische Teilansicht des erfindungsgemäßen Heizelements, das eine dritte Ausgestaltung des Überlapps zwischen einer Verbindungs-leitung und den Leiterbahnen zeigt,
Fig. 5a: eine Draufsicht auf eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Heizelements mit PTC-Widerstandsstruktur und
Fig. 5b: eine Draufsicht auf die Rückseite des in Fig. 5a gezeigten Heizelements.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements 1. Die Außenabmessungen der PTC-Widerstandsstruktur 2 begrenzen den definierten Flächenbereich 3 bzw. die Heizzone. Virtuell ist die PTC-Widerstandsstruktur in drei unterschiedliche Teilbereiche aufgeteilt: einen ersten endseitigen Teilbereich 10, der sich an die Anschlusskontakte 6 bzw. die elektrischen Verbindungsleitungen 15 anschließt, einen mittleren Teilbereich 1 1 , der sich an den ersten endseitigen Teilbereich 10 anschließt, und einen zweiten endseitigen Teilbereich 12, der sich an den mittleren Teilbereich 1 1 anschließt. Zwischen den Anschlusskontakten 6 und den elektrischen Verbindungsleitungen 15 liegt ein Überlapp 16b einer definierten Länge vor. Ebenso ist zwischen jeder Verbindungsleitungen 15 und den Leiterbahnen 8, 9 ein Überlapp 16a.
Die innenliegende Leiterbahn 8 und die außenliegende Leiterbahn 9 der PTC- Widerstandsstruktur 2 verlaufen näherungsweise parallel und sind elektrisch parallel geschaltet. Die innenliegende Leiterbahn 8 hat einen größeren Widerstand als die außenliegende Leiterbahn 9. Die Widerstände von innenliegender Leiterbahn 8 und außenliegender Leiterbahn 9 sind so bemessen, dass bei Anlegen einer Spannung eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des definierten
Flächenbereichs 3 vorliegt. Dieser definierte Flächenbereich wird auch als Heizzone bezeichnet und ist in Fig. 1 durch die strichlierte Linie am Außenrand der PTC- Widerstandsstruktur 2 angedeutet.
Die Kaltzone, also der Bereich, wo im Wesentlichen Raumtemperatur herrscht, liegt im Bereich der Anschlusskontakte 6. In dem zwischen der Heizzone und der Kaltzone liegenden Übergangsbereich ebenso wie im Außenbereich des definierten
Flächenbereichs 3 ist der Temperaturgradient sehr hoch. Infolge des hohen
Temperaturgradienten ist die Heizzone weitgehend auf den definierten Flächenbereich 3 begrenzt. Erreicht wird der hohe Temperaturgradient durch die Wahl eines
Trägersubstrats 5 mit geringer thermischer Leitfähigkeit. Weitere Information hierzu findet sich in der vorhergehenden Beschreibung.
Bei der gezeigten Ausführungsform sind die innenliegende Leiterbahn 8 und die außenliegende Leiterbahn 9 aus demselben Material gefertigt. An vorhergehender Stelle wurde bereits beschrieben, dass als Material der Leiterbahnen 8, 9 bevorzugt Platin verwendet wird. Die unterschiedlichen Widerstände der Leiterbahnen 8, 9 werden über unterschiedliche Querschnittsflächen und/oder Längenausdehnungen von innenliegender Leiterbahn 8 und außenliegender Leiterbahn 9 realisiert.
Eine bevorzugte Dimensionierung des erfindungsgemäßen planaren Heizelements bzw. des erfindungsgemäßen Chips wurde bereits an vorhergehender Stelle angegeben. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass die Verbindungsleitungen 15, die - wie bereits zuvor ausführlich beschrieben - bevorzugt aus Gold bestehen, gleichfalls im Durchmesser variieren: Im Anschluss an den ersten Teilbereich 10 ist die Breite geringer und damit der Widerstand größer als in dem Bereich, der sich an die Anschlusskontakte 6 anschließt. Hierdurch wird erreicht, dass sich die thermische Leitfähigkeit nicht erhöht. In Verbindung mit der gegenüber Platin geringeren thermischen Leitfähigkeit von Gold wird der gewünschte große Temperaturgradient im Übergangsbereich von Heiz- und Kaltzone erreicht. Fig. 1 a zeigt einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Heizelement 1. Auf beiden Oberflächen 4, 19 eines Trägersubstrats 5 ist eine Trennschicht 14 angeordnet. Bei dem Trägersubstrat 5 handelt es sich bevorzugt um Zirkonoxid mit einer Dicke von 300μιη handelt, die Trennschichten 14 weisen jeweils eine Dicke von 15μιη auf. Auf der an der Oberfläche 4 des
Trägersubstrats 5 aufgebrachten Trennschicht 14 ist die PTC-Widerstandsstruktur 2 angeordnet. Die PTC-Widerstandsstruktur besteht aus Platin mit einer Dicke von 8μιη. Es versteht sich von selbst, dass die zuvorbeschriebene Dimensionierung der PTC- Widerstandsstruktur 2 nicht auf die genannten Werte beschränkt ist. Jeder der explizit genannten Werte kann beliebig nach oben oder unter variiert werden. Wie die
Dimensionierung der Varianten im Detail gestaltet ist, liegt im Ermessen des Fachmanns.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Anschlusskontakte 6 aus Silber gefertigt und haben eine Dicke von 10μιη. Die elektrische Verbindungsleitung 15 zwischen den Anschlusskontakten 6 und der PTC-Widerstandsstruktur 2 bestehen aus Gold und sind 4μιτι dick. Im Bereich des Überlapps 16b überlappen die
Anschlusskontakte 6 und die elektrischen Verbindungsleitungen 15, im Bereich eines Überlapps 16a überlappen die elektrischen Verbindungsleitungen 15 und die
Leiterbahnen 8, 9 der PTC-Widerstandsstruktur. Die Oberflächen 4, 19 des planaren Heizelements 1 sind mit einer Passivierungsschicht 13 versiegelt. Die
Passivierungsschicht 13 hat eine Dicke von 15μιη. Die Funktionen der einzelnen Schichten wurden bereits an vorhergehender Stelle eingehend beschrieben. Die
Empfindlichkeit des planaren Heizelements beträgt bei Raumtemperatur ohne Anlegen der Heizspannung 3700ppm/K (+- 100ppm/K). Es versteht sich von selbst, dass die angegebenen Dicken der einzelnen Schichten beispielhaft sind. Jeder der explizit genannten Werte der bevorzugten Ausgestaltung kann beliebig nach oben oder unter variiert werden. Wie die Dimensionierung im Detail gestaltet ist, liegt im Ermessen des Fachmanns.
Die Figuren Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4 zeigen schematisch Teilansichten von
erfindungsgemäßen Heizelementen 1 mit unterschiedlichen Ausgestaltungen des Überlapps 16a zwischen einer der Verbindungsleitungen 15 und den verbunden
Leiterbahnen 8, 9. Der Überlapp 16a in Fig. 2 hat eine stegförmige Ausgestaltung, der Überlapp 16a in Fig. 3 ist rechteckformig und der Überlapp 16a in Fig. 4 hat eine V-Form. Der Überlapp 16a zwischen den Verbindungsleitungen 15 und den Leiterbahnen 8, 9 im ersten endseitigen Teilbereich 10 der PTC-Widerstandsstruktur 2 ist bezüglich seiner geometrischen Parameter so ausgestaltet, dass die physikalischen Heizeigenschaften der PTC-Widerstandsstruktur 2 zumindest näherungsweise unverändert sind, bzw. nahezu identisch sind mit den Eigenschaften in dem definierten Flächenbereich 3, in dem die Heizzone angesiedelt ist. Die Materialien und die Besonderheiten, die in den Bereichen des Überlapps 16a, 16b auftreten, wurden bereits an vorhergehender stelle beschrieben, so dass auf eine Wiederholung an dieser Stelle verzichtet wird.
Fig. 5a zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements 1 mit PTC-Widerstandsstruktur 2, Fig. 5b eine Draufsicht auf die Rückseite 19 des in Fig. 5a gezeigten Heizelements 1 , auf der ein mäanderförmiger
Temperatursensor 18 angeordnet ist. Weiterhin ist in Fig. 5a auch die erfindungsgemäße Heizanordnung mit Heizelement 1 , elektrischer Spannungsquelle 7 und Regel- /Auswerteeinheit 17 schematisch dargestellt.
Bezugszeichenliste
1 Heizelement
2 PTC-Widersta ndsstru ktu r
3 definierter Flächenbereich
4 Oberfläche
5 Trägersubstrat
6 Anschlusskontakt
7 elektrische Spannungsquelle
8 innenliegende Leiterbahn
9 außenliegenden Leiterbahn
10 erster endseitiger Teilbereich
1 1 mittlerer Teilbereich
12 zweiter endseitiger Teilbereich
13 Passivierungsschicht
14 Trennschicht
15 elektrische Verbindungsleitung
16a Überlapp
16b Überlapp
17 Regel-/Auswerteeinheit
18 Widerstandsstruktur zur Temperaturmessung
19 gegenüberliegende Oberfläche

Claims

Patentansprüche
1. Planares Heizelement (1 ) mit einer PTC-Widerstandsstruktur (2), die in einem definierten Flächenbereich (3) einer ersten Oberfläche (4) eines Trägersubstrats (5) angeordnet ist, wobei der PTC-Widerstandsstruktur (2) elektrische Anschlusskontakte (6) zum Anschluss an eine elektrische Spannungsquelle (7) zugeordnet sind,
wobei die PTC-Widerstandsstruktur (2) zumindest eine innenliegende Leiterbahn (8) und eine parallel geschaltete außenliegende Leiterbahn (9) aufweist,
wobei die innenliegende Leiterbahn (8) einen größeren Widerstand aufweist als die außenliegende Leiterbahn (9) und
wobei die Widerstände von innenliegender Leiterbahn (8) und außenliegender Leiterbahn (9) so bemessen sind, dass bei Anlegen einer Spannung eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des definierten Flächenbereichs (3) vorliegt.
2. Heizelement nach Anspruch 1 ,
wobei die PTC-Widerstandsstruktur (2) Temperaturmesswerte zur Verfügung stellt, so dass die PTC-Widerstandsstruktur (2) als Heizelement und als Temperatursensor dient.
3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die innenliegende Leiterbahn (8) und die außenliegende Leiterbahn (9) aus demselben Material gefertigt sind und
wobei die unterschiedlichen Widerstände über unterschiedliche Querschnittsflächen und/oder Längenausdehnungen der innenliegenden Leiterbahn (8) und außenliegenden Leiterbahn (9) realisiert sind.
4. Heizelement nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
wobei die innenliegenden Leiterbahn (8) und außenliegenden Leiterbahn (9) aus unterschiedlichen Materialien bestehen, die einen unterschiedlichen spezifischen Widerstand aufweisen.
5. Heizelement nach zumindest einem der Ansprüche 1-4,
wobei die PTC-Widerstandsstruktur (2) in drei Teilbereiche aufteilbar ist:
einen ersten endseitigen Teilbereich (10), der sich an die elektrischen
Verbindungsleitungen (15) anschließt,
einen mittleren Teilbereich (1 1 ), der sich an den ersten endseitigen Teilbereich (10) anschließt, und
einen zweiten endseitigen Teilbereich (12), der sich an den mittleren Teilbereich (1 1 ) anschließt.
6. Heizelement nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
wobei die innenliegende Leiterbahn (8) und die parallel geschaltete außenliegende Leiterbahn (9) im mittleren Teilbereich (1 1 ) im Wesentlichen parallel verlaufen.
7. Heizelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -6,
wobei die innenliegende Leiterbahn (8) und die außenliegende Leiterbahn (9) im ersten endseitigen Teilbereich (10) aufeinander zulaufend mit den entsprechenden elektrischen Anschlusskontakten (6) kontaktiert sind.
8. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Widerstand der innenliegende Leiterbahn (8) und/oder der Widerstand der außenliegende Leiterbahn (9) im ersten endseitigen Teilbereich (10) und/oder im zweiten endseitigen Teilbereich (12) größer ist als der Widerstand der innenliegenden Leiterbahn (8) und/oder der außenliegenden Leiterbahn (9) im mittleren Teilbereich (1 1 ).
9. Heizelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -8,
wobei zumindest ein geometrischer Parameter, wie Linienbreite und Füllungsdicke, der innenliegenden Leiterbahn (8) und/oder der außenliegenden Leiterbahn (9) zumindest in einem Teilabschnitt von zumindest einem Teilbereich (10, 1 1 , 12) so variiert ist, dass eine lokal auftretende Abweichung von der gleichmäßigen Temperaturverteilung in dem betroffenen Teilbereich zumindest näherungsweise ausgeglichen ist.
10. Heizelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9,
wobei das Trägersubstrat (5) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit besteht, die unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt, so dass zwischen dem beheizten definierten Flächenbereich (3) und den Anschlusskontakten (6) ein Wärmegradient auftritt, der oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes, bevorzugt oberhalb von
50°C/mm, liegt.
1 1. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf oder in dem Trägersubstrat (5) mindestens eine im Wesentlichen elektrisch isolierende Trennschicht (14) vorgesehen ist, die bevorzugt aus Glas gefertigt ist.
12. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche
wobei dem Trägersubstrat (5) zumindest eine Passivierungsschicht (13) zugeordnet ist, die bevorzugt an der Oberfläche des Trägersubstrats (5) aufgebracht ist.
13. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die PTC-Widerstandsstruktur (2) aus einem leitfähigen Material für den Einsatz im
Hochtemperaturbereich, bevorzugt aus Platin, besteht.
14. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Anschlusskontakte (6) aus einem Edelmetall oder einer
Edelmetalllegierung gefertigt sind, wobei es sich bei dem Edelmetall bevorzugt um Silber und bei der Edelmetalllegierung bevorzugt um eine Silberlegierung handelt.
15. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den elektrischen Anschlusskontakten (6) und dem ersten endseitigen Teilbereich (10) der PTC-Widerstandsstruktur (2) elektrische Verbindungsleitungen (15) vorgesehen sind, die aus einem Edelmetall, bevorzugt aus Gold, bevorzugt mit einer Reinheit von 99.9%, gefertigt sind.
16. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl die Verbindungsleitungen (15) und die Leiterbahnen (8, 9) im ersten endseitigen Teilbereich (10) der PTC-Widerstandsstruktur (2) als auch die
Verbindungleitungen (15) und die elektrischen Anschlusskontakte (6) einen definierten Überlapp (16a, 16b) aufweisen.
17. Heizelement nach Anspruch 16,
wobei der Überlapp (16a) zwischen den Verbindungsleitungen (15) und den Leiterbahnen (8, 9) im ersten endseitigen Teilbereich (10) der PTC-Widerstandsstruktur (2) bezüglich seiner geometrischen Parameter so ausgestaltet ist, dass die physikalischen
Heizeigenschaften der PTC-Widerstandsstruktur (2) zumindest näherungsweise unverändert sind.
18. Heizelement nach Anspruch 16 oder 17,
wobei der Überlapp (16a) zwischen den Verbindungsleitungen (15) und den Leiterbahnen (8, 9) im ersten endseitigen Teilbereich (10) der PTC-Widerstandsstruktur (2) V-förmig, rechteckförmig oder stegförmig ausgestaltet ist.
19. Heizelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 16-18,
wobei die Breite (b) des Überlapps (16a) zwischen den Verbindungsleitungen (15) und den Leiterbahnen (8, 9) im ersten endseitigen Teilbereich (10) der PTC- Widerstandsstruktur (2) größer ist als der Abstand zwischen der innenliegenden
Leiterbahn (8) und der außenliegenden Leiterbahn (9).
20. Heizelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 16-19, wobei die Tiefe des Überlapps (16a) zwischen den Verbindungsleitungen (15) und den Leiterbahnen (8, 9) im ersten endseitigen Teilbereich (10) der PTC-Widerstandsstruktur (2) bei einem linienförmigen oder V-förmigen Überlapp größer ist als 100μιη.
21. Heizelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 16-20,
wobei die Länge und die Tiefe des Überlapps (16a) zwischen den Verbindungsleitungen (15) und den Leiterbahnen (8, 9) im ersten endseitigen Teilbereich (10) der PTC- Widerstandsstruktur (2) näherungsweise ein Verhältnis von größer 5: 1 aufweisen.
22. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke (d) der PTC-Widerstandsstruktur (2), die bevorzugt aus Platin besteht, zumindest im ersten Teilbereich (10) zwischen 5-1 Ομιη liegt.
23. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Verbindungsleitungen (15), die bevorzugt aus Gold bestehen, zwischen 3-1 Ομιη liegt.
24. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Anschlusskontakte (6), die bevorzugt aus Silber bestehen, zwischen 10-30μιτι liegt.
25. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur in dem definierten Flächenbereich (3) mit einer im Wesentlichen
gleichmäßige Temperaturverteilung bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 750°C liegt.
26. Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Widerstand der PTC-Widerstandsstruktur (2) bei Raumtemperatur ohne angelegte Heizspannung unter 3Ω, bevorzugt unter 1Ω liegt.
27. Heizanordnung mit einem Heizelement nach zumindest einem der Ansprüche 1-26, wobei eine elektrische Spannungsquelle (7) vorgesehen ist, die die PTC- Widerstandsstruktur (2) mit Energie versorgt, und
wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (17) vorgesehen ist, die die PTC- Widerstandsstruktur (2) auf einen vorgegebenen Temperaturwert regelt.
28. Heizanordnung nach Anspruch 27, wobei es sich bei der elektrischen Spannungsquelle (7) um eine Spannungsquelle mit einem begrenzten Energievorrat, bevorzugt um eine Batterie mit einer Spannung kleiner gleich 3V, handelt.
29. Heizanordnung nach Anspruch 27 oder 28,
wobei eine Widerstandsstruktur (18) zur Bestimmung der Temperatur und zum Heizen des Mediums vorgesehen ist, und
wobei die Widerstandsstruktur (18) auf einer zweiten Oberfläche (19) des Trägersubstrats (5), die der ersten Oberfläche (4) gegenüberliegt, aufgebracht ist.
30. Verwendung des in den Ansprüchen 1-26 beschriebenen Heizelements (1 ) und/oder der in den Ansprüchen 27-29 beschriebenen Heizanordnung in einem kompakten Gassensor auf Halbleiterbasis, in einem kompakten Heizer für Taschengeräte oder in einem kalorimetrischen Strömungssensor.
31. Verfahren zur Herstellung eines planaren Heizelements, das in zumindest einem der Ansprüche 1-26 beschrieben ist, mit den folgenden Verfahrensschritten:
Beschichten der Oberflächen (4, 19) des Trägersubstrats (5) mit jeweils einer Trennschicht (14)
- Aufbringen der Widerstandsstruktur (2) auf die Trennschicht (14) der Oberfläche
(4)
Aufbringen der elektrischen Verbindungsleitungen (15)
Aufbringen der Anschlusskontakte (6)
Aufbringen der Passivierungsschichten (13) im Bereich beider Oberflächen (4, 19).
32. Verfahren nach Anspruch 31 ,
wobei zur Herstellung des planaren Heizelements (1 ) die Dickschichttechnik oder die Dünnschichttechnik angewendet wird.
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