WO2018134085A1 - Sensor - Google Patents

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WO2018134085A1
WO2018134085A1 PCT/EP2018/050458 EP2018050458W WO2018134085A1 WO 2018134085 A1 WO2018134085 A1 WO 2018134085A1 EP 2018050458 W EP2018050458 W EP 2018050458W WO 2018134085 A1 WO2018134085 A1 WO 2018134085A1
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WO
WIPO (PCT)
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sensor
ceramic
supply line
metallization
carrier
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2018/050458
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Ihle
Thomas STENDEL
Gerald Kloiber
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TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
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Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/08—Protective devices, e.g. casings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G01K13/024—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow of moving gases

Definitions

  • the present invention relates to a sensor, in particular a temperature sensor.
  • the sensors should also be suitable for use at high
  • a sensor element may be provided with a coating of a polymer or a glass.
  • the object of the present invention is to specify an improved sensor.
  • the object is achieved by the sensor according to claim 1. It is proposed a sensor that a ceramic
  • Carrier having a sensor element and a supply line.
  • the sensor element is attached to the ceramic carrier.
  • the carrier has a metallization that is electrically contacted with the sensor element.
  • the supply line is at the
  • the supply line can be attached to a connection surface with the metallization.
  • a direction parallel to the surface normal of the joint surface may be referred to as a radial direction.
  • a direction perpendicular to the surface normal of the joint surface may be referred to as an axial direction.
  • the axial direction can extend along a longitudinal axis of the ceramic carrier.
  • the axial direction may be parallel to the metallization of the carrier.
  • the lead can be connected to the metallization, for example by a solder joint, a welded joint, a
  • the connections may have a lower load capacity against forces acting in the radial direction.
  • the load capacity against forces in the radial direction may be smaller by a factor of 5 to 10 than the load capacity in the axial direction.
  • the connection of the Supply line to be relieved with the metallization For example, acts a force in the radial direction on the
  • the supply line can be held by the attachment to the other position in position relative to the carrier, without causing any significant
  • the sensor is preferably one
  • Temperature sensor i. a sensor configured to measure a temperature. Sensors for measuring temperatures are used for monitoring and control in a wide variety of applications.
  • NTC Negative Temperature Coefficient
  • PRTD platinum resistance temperature detector
  • thermocouple Preferably, the sensor element is an NTC thermistor.
  • the metallization may be, for example, silver metallization or gold metallization.
  • silver or gold pastes over a Screen printing process with subsequent penetration are applied to the carrier.
  • the silver metallization can be used predominantly for solder joints with connecting wires.
  • the gold metallization can be used for metallic
  • Gold metallization can be used for sintering contact pastes with leads.
  • the operating temperature of solder joints is limited by the melting temperature of the solders.
  • High lead solders have one
  • Temperatur Railbelastonne not sufficiently reliable. For higher operating temperatures of 250 ° C to 300 ° C or higher, contacting with a sintering paste is possible.
  • the feed line can be any element which is suitable for making electrical contact with the ceramic carrier.
  • the feed line may be a wire, a ribbon, a stranded wire or a metal mesh.
  • the ceramic carrier may be free of metallization at the further position.
  • the ceramic carrier may have a base body on which the metallization is applied.
  • the supply line can directly at the other position be attached to the body of the ceramic carrier. Due to the fact that the supply line is fastened to the carrier at the further position in such a way that it is not located on the metallization at the further position, a mechanical stress on the connection of the supply line with the carrier can be caused
  • the supply line may have a first end and a second end, wherein the first end of the supply line to the
  • Metallization is attached and a portion of the lead, which is mechanically fixed to the further position on the carrier, between the first end and the second end.
  • a force acting on the second end of the lead can first be absorbed by the attachment of the portion to the support before the force acts on the first end attached to the metallization.
  • the mechanical fixation of the lead to the ceramic support may be such that the mechanical fixation is the attachment of the lead to the metallization against a force acting on the lead in a direction perpendicular to a surface of the metallization away from the ceramic support. relieved. Accordingly, the load capacity of the sensor against forces acting in the radial direction on the supply line can be increased.
  • the lead may be mechanically fixed by a ceramic cement bonded to the ceramic support and the lead at the one further position relative to the ceramic support.
  • the supply line can be replaced by a
  • Adhesive which is connected to the ceramic support and the supply line, be mechanically fixed at the another position relative to the ceramic support.
  • the ceramic cement or the adhesive may be non-positively connected to the ceramic carrier and the supply line. Due to the non-positive connection, an electrical connection point between the supply line and the
  • Metallization also be protected against torsion of the supply line or an axial train on the supply line.
  • the ceramic cement or the adhesive can be frictionally connected to the ceramic support and surround the supply line in a form-fitting manner.
  • positive connection can allow movements of the supply line in the radial direction to a certain extent.
  • the supply line could be in the radial
  • the ceramic cement or the adhesive can be arranged selectively on the ceramic support and the supply line.
  • the ceramic cement or the adhesive cover each of the carrier and the supply line. In this way, an attachment of the supply line to the further position can be made possible with a minimum use of material.
  • the ceramic cement or adhesive can form a track running around the ceramic carrier. Through the track, the surface on which adheres the ceramic cement or the adhesive can be increased. Furthermore, the ceramic cement or the adhesive have a high strength, so that the track can stabilize the sensor mechanically.
  • the supply line can be pushed by a body pushed onto the ceramic support, which supports the
  • the body may be mechanically fixed.
  • the body may be configured to prevent movement of the lead in the radial direction relative to the carrier.
  • the body can enclose the supply line, for example, positively.
  • the body may be made of a ceramic material.
  • the body can be made of the same material as one
  • the body may have a through opening through which the supply line passes. Also, the ceramic carrier may extend through the through opening of the body.
  • the opening may have a diameter sufficient to receive the carrier and the lead.
  • the body may have a blind hole defining a stop against which the ceramic carrier abuts.
  • An unilaterally closed opening can be used as a blind hole
  • the lead may have a deformation associated with the mechanical fixation of the lead to the ceramic
  • Carrier cooperates and thereby prevents movement of the lead relative to the ceramic support in an axial direction which is perpendicular to the surface normal of the metallization.
  • the supply line can be connected to the metallization by a
  • the sensor may be a temperature sensor
  • the sensor element is an NTC thermistor.
  • FIG. 1 shows a sensor
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a sensor in which a feed line is additionally fixed to a ceramic carrier in cross-section.
  • FIG. 3 shows the upper side of the sensor shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a side view of the sensor shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a sensor in cross section.
  • FIG. 6 shows a body in a cross section.
  • FIG. 7 shows the sensor shown in FIG. 5 in a perspective view from above.
  • FIG. 8 shows a side view of the sensor shown in FIG.
  • FIG. 9 shows an alternative variant of the second
  • FIG. 1 shows a sensor 1.
  • the sensor is a temperature sensor.
  • the sensor 1 has a
  • the sensor element 2 and a ceramic support 3.
  • the sensor element 2 is attached to the ceramic carrier 3.
  • the sensor element 2 is an NTC thermistor.
  • the sensor element 2 is suitable for use temperatures up to 650 ° C.
  • the ceramic carrier 3 has a main body 4
  • the sensor element 2 is connected to the carrier 3 via short
  • the senor 1 has a glass envelope 7.
  • Glass envelope 7 surrounds the sensor element 2 and the
  • the glass envelope 7 encloses the end of the ceramic
  • a feed line 8 can be attached.
  • Metallization 5 are connected. In the following, only the metallization 5 arranged on the upper side of the ceramic carrier 3 and the associated supply line 8 are considered. The features disclosed in this context also apply in the same way to the arranged on the underside of the ceramic support 3 metallization 5 and the associated further supply line 8.
  • the leads 8 are configured to electrically contact the sensor element 2 via the metallizations 5.
  • the leads 8 may be, for example, ribbon, stranded wire, a metal mesh or wire.
  • it can be a silver wire.
  • the leads 8 are connected to each of the leads 8
  • Metallizations 5 mechanically attached.
  • Solder joint an adhesive bond or a
  • the attachment of the supply line 8 to the metallization 5 is characterized by a high tensile strength against loads in the axial direction A.
  • the axial direction A runs while along a longitudinal axis of the ceramic support 3.
  • the axial direction A is perpendicular to the
  • Direction R is perpendicular to the surface of the ceramic carrier. 3
  • the lead 8 is mechanically fixed to the ceramic support 3 at a position of the ceramic support 3 that is free of the metallization 5.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a sensor 1, in which the supply line 8 is additionally fixed to the ceramic carrier 3.
  • FIG. 2 shows the sensor 1 according to FIG.
  • FIG. 3 shows the
  • FIG. 4 shows a side view of the sensor 1 according to the first exemplary embodiment.
  • the supply line 8 is attached to a connection surface 13 on the metallization 5. At the connection surface 13, the supply line 8 and the metallization 5 are both mechanically fastened together and electrically connected to each other
  • connection surface 13 is flat.
  • the Surface normal of the connecting surface 13 points in the radial direction R.
  • the axial direction A is perpendicular to the connecting surface 13.
  • the sensor 1 has a ceramic cement 9, which is connected to the carrier 3 and the feed line 8.
  • ceramic cement 9 bonds a portion of the lead 8 which is interposed between a first end of the lead 8 fixed to the metallization 5 and a second end of the lead 8 facing away from the sensor element 2;
  • the ceramic cement 9 ensures that the connection between the lead 8 and the metallization 5 better against
  • Loads is protected by a force acting in the radial direction R force.
  • the ceramic cement 9 is non-positively connected to the carrier 3.
  • the ceramic cement 9 can either enter into a non-positive connection with the supply line 8 or be positively connected to the supply line 8. In a positive connection of the ceramic cement 9, the supply line 8 could only enclose.
  • the ceramic cement 9 could provide for a relief of the mechanical connection between the feed line 8 and the metallization 5 against radial forces. Is the ceramic cement 9 with the lead 8
  • Metallization 5 also protect against torsion or axial pull on the supply line 8. Are the ceramic cement 9 and the supply line 8 only positively connected with each other, so there is the advantage that mechanical
  • the ceramic cement is arranged in each case at points on the ceramic support and the supply line.
  • a first adhesive point is arranged on an upper side of the carrier 3 and a second adhesive point is arranged on a lower side of the carrier 3, which connects the further supply line 8 with the one on the underside of the carrier
  • Carrier 3 arranged metallization 5 connects.
  • the ceramic cement 9 may form a track running around the ceramic carrier 3.
  • the track encloses the longitudinal axis of the ceramic carrier 3
  • ceramic cement 9 improved overall.
  • the strength of the ceramic cement 9 is higher than its adhesion to the surface of the carrier 3. Therefore, the circumferential track of the ceramic cement 9 contributes to an improved mechanical stability of the sensor 1.
  • Ceramic cement 9 can be generated by rotating the sensor 1, wherein the ceramic cement 9 is sprayed.
  • the ceramic cement 9 covers the leads 8 and wets the ceramic support 3 in a sufficient manner to allow good adhesion.
  • the ceramic cement 9 can be cured at a temperature of about 200 ° C. Thereafter, the supply line 8 can also be loaded in the radial direction R in the same way as in the axial direction A.
  • an adhesive may alternatively be used.
  • a ceramic adhesive may be used.
  • the glue can be punctual or as
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of the sensor 1 in a cross section.
  • the supply line 8 is attached to the carrier 3 by means of a body 10.
  • the body 10 may comprise a ceramic material or may consist of the ceramic material.
  • the body 10 also allows a relief of the connection of the supply line 8 with the
  • the body 10 is pushed onto the carrier 3 and the supply line 8.
  • the body 10 has an opening 11 that passes through the body 10.
  • FIG. 6 shows the body 10 in a cross section. Both the feed line 8 and the carrier 3 extend through the opening 11 of the body 10 therethrough.
  • the cross-sectional profile of the opening 11 is to the ceramic support 3 and the
  • the opening 11 in the body 10 is shaped such that the body 10 a movement of the
  • the body 10 allows axial movements of
  • FIG. 7 shows the sensor 1 shown in FIG. 5 in a perspective view from above.
  • FIG. 8 shows a
  • the body 10 has a first opening 11 which extends through the body 10
  • the diameter of the first opening 11 is selected so that the supply line 8 can pass through the first opening 11 of the body 10 therethrough. Furthermore, the body 10 has a blind hole 12, which is not a
  • the body 10 is pushed onto the carrier 3, wherein one end of the main body 4 is arranged in the blind hole 12.
  • the blind hole 12 forms a stop against which the carrier 3 abuts, whereby its
  • ceramic cement 9 or an adhesive can be combined. By a combination of these embodiments, an even better resilience against radially acting forces can be achieved.
  • the feed line 8 can have deformations which fix the feed line 8 axially to the body 10 or to the ceramic cement 9.
  • the supply line 8 through a wire are formed. This wire can be in
  • Deformations can form kinks or curves in the wire, which are arranged in such a way that they rest on the body or on the ceramic cement 9 and thus prevent axial movements of the feed line relative to the body 10 or the ceramic cement 9.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor (1),der einen keramischen Träger (3), an dem ein Sensorelement (2) befestigt ist und der eine Metallisierung (5) aufweist, die elektrisch mit dem Sensorelement (2) kontaktiert ist, und eine Zuleitung (8) aufweist, die an der Metallisierung (5) befestigt ist und die dazu ausgestaltet ist, das Sensorelement (2) über die Metallisierung (5) elektrisch zu kontaktieren, wobei die Zuleitung (8) an einer weiteren Position mechanisch an dem keramischen Träger (3) fixiert ist.

Description

Beschreibung
Sensor Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere einen Temperatursensor.
Die ständig steigenden Anforderungen an Temperatursensoren hinsichtlich der Langzeitbeständigkeit in aggressiven Medien und hohen Einsatztemperaturen erfordern zukünftig besonders zuverlässige Temperatursensoren. Gleichzeitig sollten solche neuartigen Sensoren durch eine kostengünstige Fertigung herstellbar sein. Vorzugsweise sollte ein Temperatursensor mit einem
kostengünstigen Elektrodensystemen gepaart mit einer stabilen elektrischen Kontaktierung der Zuleitung angegeben werden. Der Sensoren sollte auch für den Einsatz bei hohen
Anwendungstemperaturen und in besonders aggressiven Medien bzw. Gasen geeignet sein. Beim Verbau der Sensoren im System als auch in der Anwendung sollte eine ausreichend mechanisch stabile Anbindung der Zuleitung an das Sensorelement
gewährleistet sein. Für eine ausreichende mechanische Stabilität und zum Schutz gegen äußere Einflüsse und zur Vermeidung von Korrosion durch aggressive Medien kann ein Sensorelement mit einem Überzug aus einem Polymer oder einem Glas versehen werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Sensor anzugeben.
Die Aufgabe wird durch den Sensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Es wird ein Sensor vorgeschlagen, der einen keramischen
Träger, ein Sensorelement und eine Zuleitung aufweist. Das Sensorelement ist an dem keramischen Träger befestigt. Der Träger weist eine Metallisierung auf, die elektrisch mit dem Sensorelement kontaktiert ist. Die Zuleitung ist an der
Metallisierung befestigt und dazu ausgestaltet, das
Sensorelement über die Metallisierung elektrisch zu
kontaktieren, wobei die Zuleitung an einer weiteren Position mechanisch an dem keramischen Träger fixiert ist.
Die Zuleitung kann dabei an einer Verbindungsfläche mit der Metallisierung befestigt sein. Eine Richtung, die parallel zu der Flächennormalen der Verbindungsfläche ist, kann als radiale Richtung bezeichnet werden. Eine Richtung, die senkrecht zu der Flächennormalen der Verbindungsfläche ist, kann als axiale Richtung bezeichnet werden. Dabei kann die axiale Richtung entlang einer longitudinalen Achse des keramischen Trägers verlaufen. Die axiale Richtung kann parallel zu der Metallisierung des Trägers sein.
Die Zuleitung kann an der Metallisierung beispielsweise durch eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung, eine
Klebeverbindung oder eine Sinterverbindung befestigt sein. All diese Verbindungen zeichnen sich durch eine hohe
Belastbarkeit gegen Kräfte aus, die in die axiale Richtung wirken. Die Verbindungen können jedoch gegen Kräfte, die in die radiale Richtung wirken, eine geringere Belastbarkeit aufweisen. Beispielsweise kann die Belastbarkeit gegen Kräfte in die radiale Richtung um einen Faktor 5 bis 10 kleiner sein als die Belastbarkeit gegen Kräfte in die axiale Richtung.
Durch die mechanische Befestigung der Zuleitung an dem Träger an einer weiteren Position kann nunmehr die Verbindung der Zuleitung mit der Metallisierung entlastet werden. Wirkt beispielsweise eine Kraft in radiale Richtung auf die
Zuleitung, so kann die Zuleitung durch die Befestigung an der weiteren Position in ihrer Position relativ zu dem Träger gehalten werden, ohne dass es zu einer wesentlichen
mechanischen Belastung der Befestigung der Zuleitung an der Metallisierung kommt. Die hier angegebene Ausgestaltung des Sensors kann es somit ermöglichen, die Verbindung der
Zuleitung an der Metallisierung gegen hohe radiale
Belastungen zu entlasten und so die elektrische Kontaktierung des Sensorelements zu schützen.
Bei dem Sensor handelt es sich vorzugsweise um einen
Temperatursensor, d.h. einen Sensor, der dazu ausgestaltet ist, eine Temperatur zu messen. Sensoren zur Messung von Temperaturen werden für die Überwachung und Regelung in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt.
Das Sensorelement kann beispielsweise einen NTC-Thermistor (NTC = Negative Temperature Coefficient) , ein Silizium- Temperatursensor, der einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, ein Platin-Temperatursensor (PRTD = platinum resistance temperature detector) oder ein Thermoelement sein. Vorzugsweise ist das Sensorelement ein NTC-Thermistor. Diese zeichnen sich durch geringe Herstellkosten aus. Ein weiterer Vorteil von NTC-Thermistoren gegenüber Thermoelementen und metallischen Widerstandselementen, wie z.B. Pt-Elementen, besteht in der ausgeprägten negativen Widerstands-Temperatur- Charakteristik.
Bei der Metallisierung kann es sich beispielsweise um eine Silbermetallisierung oder eine Goldmetallisierung handeln. Dazu können beispielsweise Silber- oder Goldpasten über einen Siebdruckprozess mit anschließendem Einbrand auf den Träger aufgebracht werden. Die Silbermetallisierung kann dabei vorwiegend für Lötverbindungen mit Anschlussdrähten verwendet werden. Die Goldmetallisierung kann für metallische
Sinterpastenkontaktierung verwendet werden. Die
Goldmetallisierungen kann für das Sintern von Kontaktpasten mit Anschlussdrähten eingesetzt werden. Die Einsatztemperatur von Lötverbindungen ist jedoch durch die Schmelztemperatur der Lote begrenzt. Hochbleihaltige Lote haben eine
Schmelztemperatur von ca. 300°C und die meisten bleifreien Lote schmelzen bereits bei Temperaturen unter 230°C.
Lötverbindungen sind bei häufigen
Temperaturwechselbelastungen nicht ausreichend zuverlässig. Für höhere Einsatztemperaturen von 250°C bis 300°C oder höher ist die Kontaktierung mittels einer Sinterpaste möglich.
Zusätzlich sind im Herstellprozess wesentlich höhere
Temperaturen notwendig, da aufgrund der Einsatztemperatur eine Glasumhüllung statt einer Polymerumhüllung erforderlich ist. Diese Art der so hergestellten Sensorelemente ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, da die Elektrode als auch die Kontaktierungspaste aus Gold bestehen. Zusätzlich sind
Prozesskosten aufgrund der Pastenaufbringung und -trocknung sowie dem anschließenden Einbrand der Paste sehr hoch. Bei der Zuleitung kann es sich um jedes Element handeln, das zur elektrischen Kontaktierung des keramischen Trägers geeignet ist. Beispielsweise kann die Zuleitung ein Draht, ein Bändchen, eine Litzenleitung oder ein Metallgewebe sein. Der keramische Träger kann an der weiteren Position frei von der Metallisierung sein. Der keramische Träger kann einen Grundkörper aufweisen, auf dem die Metallisierung aufgebracht ist. Die Zuleitung kann an der weiteren Position unmittelbar an dem Grundkörper des keramischen Trägers befestigt sein. Dadurch, dass die Zuleitung an der weiteren Position an dem Träger so befestigt ist, dass sie an der weiteren Position nicht auf der Metallisierung liegt, kann eine mechanische Beanspruchung der Verbindung der Zuleitung mit der
Metallisierung reduziert werden.
Die Zuleitung kann ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen, wobei das erste Ende der Zuleitung an der
Metallisierung befestigt ist und ein Abschnitt der Zuleitung, der an der weiteren Position mechanisch an dem Träger fixiert ist, zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende liegt. Eine auf das zweite Ende der Zuleitung wirkende Kraft kann somit zunächst von der Befestigung des Abschnitts an dem Träger absorbiert werden, bevor die Kraft auf das erste Ende wirkt, das an der Metallisierung befestigt ist.
Die mechanische Fixierung der Zuleitung an dem keramischen Träger kann derart gestaltet sein, dass das die mechanische Fixierung die Befestigung der Zuleitung an der Metallisierung gegen eine Kraft, die auf die Zuleitung in eine Richtung senkrecht zu einer Oberfläche der Metallisierung von dem keramischen Träger weg wirkt, entlastet. Dementsprechend kann die Belastbarkeit des Sensors gegen Kräfte, die in die radiale Richtung auf die Zuleitung wirken, erhöht werden.
Die Zuleitung kann durch einen keramischen Zement, der mit dem keramischen Träger und der Zuleitung verbunden ist, an der einen weiteren Position relativ zu dem keramischen Träger mechanisch fixiert sein. Die Zuleitung kann durch einen
Kleber, der mit dem keramischen Träger und der Zuleitung verbunden ist, an der einen weiteren Position relativ zu dem keramischen Träger mechanisch fixiert sein. Der keramische Zement bzw. der Kleber können kraftschlüssig mit dem keramischen Träger und der Zuleitung verbunden sein. Durch die kraftschlüssige Verbindung kann eine elektrische Verbindungsstelle zwischen der Zuleitung und der
Metallisierung auch vor einer Torsion der Zuleitung oder einem axialen Zug an der Zuleitung geschützt werden.
Der keramische Zement bzw. der Kleber können kraftschlüssig mit dem keramischen Träger verbunden sein und die Zuleitung formschlüssig umgeben. Durch das vorschlüssige Umgeben der Zuleitung kann eine Bewegung der Zuleitung die radiale
Richtung relativ zu dem Träger verhindert werden. Die
formschlüssige Verbindung kann Bewegungen der Zuleitung in radiale Richtung in einem gewissen Umfang erlauben.
Beispielsweise könnte die Zuleitung sich in die radiale
Richtung ausdehnen oder zusammenziehen. Bei dieser
Ausführungsform kann eine mechanische Belastung an der elektrischen Verbindungsstelle der Zuleitung mit der
Metallisierung durch unterschiedliche thermische
Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Trägers und der Zuleitung vermieden werden.
Der keramische Zement bzw. der Kleber können punktuell auf dem keramischen Träger und der Zuleitung angeordnet sein. Dabei können der keramische Zement bzw. der Kleber jeweils den Träger und die Zuleitung bedecken. Auf diese Weise kann eine Befestigung der Zuleitung an der weiteren Position mit einem minimalen Materialeinsatz ermöglicht werden.
Alternativ kann der keramische Zement bzw. der Kleber eine um den keramischen Träger umlaufende Spur bilden. Durch die Spur kann die Fläche, an der der keramische Zement bzw. der Kleber haftet, vergrößert werden. Ferner kann der keramische Zement bzw. der Kleber eine hohe Festigkeit aufweisen, so dass die Spur den Sensor mechanisch stabilisieren kann.
Alternativ oder ergänzend kann die Zuleitung durch einen auf den keramischen Träger aufgeschobenen Körper, der den
keramischen Träger und die Zuleitung umschließt, an der einen weiteren Position relativ zu dem keramischen Träger
mechanisch fixiert sein. Der Körper kann dazu ausgestaltet sein, eine Bewegung der Zuleitung in die radiale Richtung relativ zu dem Träger zu verhindern. Der Körper kann die Zuleitung dazu beispielsweise formschlüssig umschließen.
Bewegungen der Zuleitung in axiale Richtung könnten durch den Körper nicht eingeschränkt sein, so dass es nicht zu
mechanischen Belastungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten kommt.
Der Körper kann aus einem keramischen Material bestehen. Der Körper kann aus dem gleichen Material bestehen wie ein
Grundkörper des keramischen Trägers. Dementsprechend können der Körper und der Träger die gleichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bei Temperaturänderungen kann somit verhindert werden, dass mechanische Spannungen durch den Körper verursacht werden.
Der Körper kann eine durchgehende Öffnung aufweist, durch die die Zuleitung verläuft. Auch der keramische Träger kann sich durch die durchgehende Öffnung des Körpers erstrecken.
Dementsprechend kann die Öffnung einen Durchmesser aufweisen, der ausreicht, um den Träger und die Zuleitung aufzunehmen.
Alternativ kann der Körper ein Sackloch aufweisen, das ei Anschlag definiert, an dem der keramische Träger anliegt. Eine einseitig geschlossene Öffnung kann als Sackloch
bezeichnete werden.
Die Zuleitung kann eine Verformung aufweisen, die mit der mechanischen Fixierung der Zuleitung an dem keramischen
Träger zusammenwirkt und dadurch eine Bewegung der Zuleitung relativ zu dem keramischen Träger in eine axiale Richtung, die senkrecht zu der Flächennormale der Metallisierung ist, verhindert .
Die Zuleitung kann an der Metallisierung durch eine
Lötverbindung, eine Schweißverbindung, eine Klebeverbindung oder eine Sinterverbindung mechanisch befestigt sein. Bei dem Sensor kann es sich um einen Temperatursensor
handeln, wobei das Sensorelement ein NTC-Thermistor ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren
beschrieben .
Figur 1 zeigt einen Sensor.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensors, bei dem eine Zuleitung zusätzlich an einem keramischen Träger fixiert ist im Querschnitt.
Figur 3 zeigt die Oberseite des in Figur 2 gezeigten Sensors.
Figur 4 zeigt eine Seitenansicht des in Figur 2 gezeigten Sensors.
Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensors im Querschnitt. Figur 6 zeigt einen Körper in einem Querschnitt.
Figur 7 zeigt den in Figur 5 gezeigten Sensor in einer perspektivischen Ansicht von oben.
Figur 8 zeigt eine Seitenansicht des in Figur 5 gezeigten Sensors .
Figur 9 zeigt eine alternative Variante des zweiten
Ausführungsbeispiels.
Figur 1 zeigt einen Sensor 1. Bei dem Sensor handelt es sich um einen Temperatursensor. Der Sensor 1 weist ein
Sensorelement 2 und einen keramischen Träger 3 auf. Das Sensorelement 2 ist an dem keramischen Träger 3 befestigt.
Das Sensorelement 2 ist ein NTC-Thermistor . Das Sensorelement 2 ist für Einsatztemperaturen bis 650° C geeignet. Der keramische Träger 3 weist einen Grundkörper 4 aus
Aluminiumoxydkeramik auf. Zwei gegenüberliegende Außenflächen des Grundkörpers 4 weisen jeweils eine Metallisierung 5 auf. Das Sensorelement 2 ist mit dem Träger 3 über kurze
Drahtbrücken 6 verbunden, die jeweils durch eine
Schweißverbindung mit einer der Metallisierungen 5
kontaktiert sind.
Ferner weist der Sensor 1 eine Glasumhüllung 7 auf. Die
Glasumhüllung 7 umgibt das Sensorelement 2 und die
Drahtbrücken 6 vollständig. Dementsprechend sind das
Sensorelement 2 und die Verbindung des Sensorelementes 2 zum Träger 3 durch die Glasumhüllung 7 geschützt. Ferner
umschließt die Glasumhüllung 7 das Ende des keramischen
Trägers 3, an dem das Sensorelement 2 befestigt ist. Das Ende des Trägers 3, das von dem Sensorelement 2 weg weist, wird auch als rückseitiges Ende bezeichnet. An dem rückseitigen Ende des Trägers 3 kann eine Zuleitung 8 befestigt werden. Insbesondere kann eine Zuleitung 8 mit der auf der Oberseite des keramischen Trägers 3 angeordneten
Metallisierung 5 und eine weitere Zuleitung 8 mit der auf der Unterseite des keramischen Trägers angeordneten
Metallisierung 5 verbunden werden. Im Folgenden wird meist nur die auf der Oberseite des keramischen Trägers 3 angeordneten Metallisierung 5 und die zugehörige Zuleitung 8 betrachtet. Die in diesem Zusammenhang offenbarten Merkmale treffen in gleicher Weise auch auf die auf der Unterseite des keramischen Trägers 3 angeordneten Metallisierung 5 und die zugehörige weitere Zuleitung 8 zu.
Die Zuleitungen 8 sind dazu ausgestaltet, das Sensorelement 2 über die Metallisierungen 5 elektrisch zu kontaktieren. Bei den Zuleitungen 8 kann es sich beispielsweise um Bändchen, Litzenleitungen, ein Metallgewebe oder Draht handeln. Es kann sich beispielsweise um einen Silberdraht handeln.
Die Zuleitungen 8 werden an jeweils einer der
Metallisierungen 5 mechanisch befestigt. Die Zuleitungen 8 können beispielsweise mittels Thermodenschweißen an den
Metallisierungen 5 befestigt sein. Alternativ können die Zuleitungen 8 durch eine andere Schweißverbindung, eine
Lötverbindung, eine Klebeverbindung oder eine
Sinterverbindung an den Metallisierungen 5 befestigt sein.
Die Befestigung der Zuleitung 8 an der Metallisierung 5 zeichnet sich durch eine hohe Zugfestigkeit gegen Belastungen in axiale Richtung A aus. Die axiale Richtung A verläuft dabei entlang einer longitudinalen Achse des keramischen Trägers 3. Die axiale Richtung A steht senkrecht zu der
Flächennormalen der Metallisierung 8. Hingegen weist die Befestigung der Zuleitung 5 an der Metallisierung 8 gegen eine Beanspruchung in eine radiale Richtung R eine um einen Faktor zwischen 5 und 10 geringere Belastbarkeit auf als gegen eine axiale Beanspruchung. Als Beanspruchung in radiale Richtung R wird hierbei die Beanspruchung durch eine Kraft bezeichnet, die zumindest eine Komponente in Richtung der Flächennormale der Metallisierung 5 aufweist. Die radiale
Richtung R steht senkrecht auf der Oberfläche des keramischen Trägers 3.
Um die geringere Belastbarkeit der mechanischen Befestigung der Zuleitung 8 an der Metallisierung 5 gegen radiale Kräfte im Vergleich zur Belastbarkeit gegen axiale Kräfte
auszugleichen, ist die Zuleitung 8 ferner an einer Position des keramischen Trägers 3, die frei von der Metallisierung 5 ist, mechanisch an dem keramischen Träger 3 fixiert.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensors 1, bei dem die Zuleitung 8 zusätzlich an dem keramischen Träger 3 fixiert ist. Figur 2 zeigt den Sensor 1 gemäß dem
Ausführungsbeispiel im Querschnitt. Figur 3 zeigt die
Oberseite des Sensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Figur 4 zeigt eine Seitenansicht des Sensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Die Zuleitung 8 ist an einer Verbindungsfläche 13 an der Metallisierung 5 befestigt. An der Verbindungsfläche 13 sind die Zuleitung 8 und die Metallisierung 5 sowohl mechanisch miteinander befestigt als auch elektrisch miteinander
kontaktiert. Die Verbindungsfläche 13 ist flach. Die Flächennormale der Verbindungsfläche 13 zeigt dabei in die radiale Richtung R. Die axiale Richtung A steht senkrecht auf der Verbindungsfläche 13. Der Sensor 1 weist einen keramischen Zement 9 auf, der mit dem Träger 3 und der Zuleitung 8 verbunden ist. Der
keramische Zement 9 verklebt einen Abschnitt der Zuleitung 8, der zwischen einem ersten Ende der Zuleitung 8, das an der Metallisierung 5 befestigt ist, und einem zweiten Ende der Zuleitung 8, das von dem Sensorelement 2 weg weist,
angeordnet ist, mit dem Grundkörper 4 des Trägers 3. Dadurch wird eine Bewegung der Zuleitung 8 in die radiale Richtung R relativ zu dem Grundkörper 4 erschwert. Dementsprechend sorgt der keramische Zement 9 dafür, dass die Verbindung zwischen der Zuleitung 8 und der Metallisierung 5 besser gegen
Belastungen durch eine in die radiale Richtung R wirkende Kraft geschützt ist.
Der keramische Zement 9 ist kraftschlüssig mit dem Träger 3 verbunden. Der keramische Zement 9 kann mit der Zuleitung 8 entweder ebenfalls eine kraftschlüssige Verbindung eingehen oder mit der Zuleitung 8 formschlüssig verbunden sein. Bei einer formschlüssigen Verbindung könnte der keramische Zement 9 die Zuleitung 8 nur umschließen.
In beiden Fällen könnte der keramische Zement 9 für eine Entlastung der mechanischen Verbindung zwischen der Zuleitung 8 und der Metallisierung 5 gegen radiale Kräfte sorgen. Ist der keramische Zement 9 auch mit der Zuleitung 8
kraftschlüssig verbunden, so kann der keramische Zement 9 die elektrisch Verbindungsstelle der Zuleitung 8 mit der
Metallisierung 5 auch vor einer Torsion oder einem axialen Zug an der Zuleitung 8 schützen. Sind der keramische Zement 9 und die Zuleitung 8 lediglich formschlüssig miteinander verbunden, so ergibt sich der Vorteil, dass mechanische
Belastungen an der elektrischen Verbindungsstelle durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Trägers 3 und der Zuleitung 8 vermieden werden können.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der keramische Zement jeweils punktuell auf dem keramischen Träger und der Zuleitung angeordnet. Dabei ist ein erster Klebepunkt auf einer Oberseite des Trägers 3 angeordnet und ein zweiter Klebepunkt auf einer Unterseite des Trägers 3 angeordnet, der die weitere Zuleitung 8 mit der auf der Unterseite des
Trägers 3 angeordneten Metallisierung 5 verbindet.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der keramische Zement 9 eine um den keramischen Träger 3 umlaufende Spur bilden. Die Spur umschließt insbesondere die longitudinale Achse des keramischen Trägers 3. Dabei sind auch die
Zuleitungen 8 von der Spur des keramischen Zements 9 bedeckt. Die Ausgestaltung des keramischen Zements 9 als umlaufende Spur bietet verschiedene Vorteile. Zum einen wird die
Oberfläche, auf der der keramische Zement 9 haftend
aufgebracht ist, gegenüber einer punktuellen Aufbringung erheblich vergrößert. Dadurch wird die Haftung des
keramischen Zements 9 insgesamt verbessert. Die Festigkeit des keramischen Zements 9 ist höher als seine Anhaftung an der Oberfläche des Trägers 3. Daher trägt die umlaufende Spur des keramischen Zements 9 zu einer verbesserten mechanischen Stabilität des Sensors 1 bei. Die umlaufende Spur des
keramischen Zements 9 kann durch ein Rotieren des Sensors 1 erzeugt werden, wobei der keramische Zement 9 aufgespritzt wird . Der keramische Zement 9 überdeckt die Zuleitungen 8 und benetzt den keramischen Träger 3 in ausreichender Weise, um eine gute Haftung zu ermöglichen. Der keramische Zement 9 kann bei einer Temperatur von ca. 200° C ausgehärtet werden. Danach kann die Zuleitung 8 auch in radialer Richtung R in gleicher Weise wie in axialer Richtung A belastet werden.
Statt des keramischen Zements 9 kann alternativ ein Kleber verwendet werden. Es kann beispielsweise ein Keramikkleber verwendet werden. Der Kleber kann punktuell oder als
umlaufende Spur aufgebracht werden.
Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Sensors 1 in einem Querschnitt. Hier wird die Zuleitung 8 an den Träger 3 mit Hilfe eines Körpers 10 befestigt. Der Körper 10 kann ein keramisches Material aufweisen oder aus dem keramischen Material bestehen. Der Körper 10 ermöglicht ebenfalls eine Entlastung der Verbindung der Zuleitung 8 mit der
Metallisierung 5 gegen radiale Belastungen.
Der Körper 10 ist auf den Träger 3 und die Zuleitung 8 aufgeschoben. Der Körper 10 weist eine Öffnung 11 auf, die durch den Körper 10 hindurch geht. Figur 6 zeigt den Körper 10 in einem Querschnitt. Sowohl die Zuleitung 8 als auch der Träger 3 erstrecken sich durch die Öffnung 11 des Körpers 10 hindurch. Das Querschnittsprofil der Öffnung 11 ist an den keramischen Träger 3 und die
Zuleitung 8 angepasst. Die Öffnung 11 in dem Körper 10 ist dabei derart geformt, dass der Körper 10 eine Bewegung der
Zuleitung 8 in die radiale Richtung R relativ zu dem Träger 3 verhindert. Der Körper 10 lässt axiale Bewegungen der
Zuleitung 8 relativ zu dem Träger 3 zu. Dementsprechend kommt es durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Trägers 3 und der Zuleitung 8 nicht zu einer mechanischen Belastung der mechanischen Verbindung zwischen der Zuleitung 8 und der Metallisierung 5.
Figur 7 zeigt den in Figur 5 gezeigten Sensor 1 in einer perspektivischen Ansicht von oben. Figur 8 zeigt eine
Seitenansicht des Sensors 1. Figur 9 zeigt eine alternative Variante des zweiten
Ausführungsbeispiels. Hierbei weist der Körper 10 eine erste Öffnung 11 auf, die sich durch den Körper 10 hindurch
erstreckt. Der Durchmesser der ersten Öffnung 11 ist so gewählt, dass die Zuleitung 8 durch die erste Öffnung 11 des Körpers 10 durch diesen hindurch verlaufen kann. Ferner weist der Körper 10 ein Sackloch 12 auf, das eine nicht
durchgehende Öffnung ausbildet. Der Körper 10 ist auf den Träger 3 aufgeschoben, wobei ein Ende des Grundkörpers 4 in dem Sackloch 12 angeordnet ist. Das Sackloch 12 bildet einen Anschlag, an dem der Träger 3 anschlägt, wodurch seine
Position relativ zu dem Körper 10 vorgegeben ist.
Die Fixierung der Zuleitung 8 an dem Träger 3 durch einen Körper 10, der auf die Zuleitung 8 und den Träger 3
aufgeschoben wird, kann mit einer Fixierung durch den
keramischen Zement 9 oder einen Kleber kombiniert werden. Durch eine Kombination dieser Ausführungsbeispiele kann eine noch bessere Belastbarkeit gegen radial wirkende Kräfte erreicht werden.
Ferner kann die Zuleitung 8 Verformungen aufweisen, die die Zuleitung 8 axial an dem Körper 10 oder an dem keramischen Zement 9 fixiert. Beispielsweise kann die Zuleitung 8 durch einen Draht gebildet werden. Dieser Draht kann im
Wesentlichen einen linearen Verlauf aufweisen. Die
Verformungen können Knicke oder Kurven in dem Draht ausbilden, die derart angeordnet sind, dass sie an Körpe bzw. an dem keramischen Zement 9 anliegen und so axiale Bewegungen der Zuleitung relativ zu dem Körpers 10 bzw. dem keramischen Zement 9 verhindern.
Bezugs zeichenliste
1 Sensor
2 Sensorelement 3 keramischer Träger
4 Grundkörper
5 Metallisierung
6 Drahtbrücke
7 Glasumhüllung 8 Zuleitung
9 keramischer Zement
10 Körper
11 Öffnung
12 Sackloch
13 Verbindungsfläche
A axiale Richtung R radiale Richtung

Claims

Sensor ( 1 ) ,
aufweisend einen keramischen Träger (3) , an dem ein Sensorelement (2) befestigt ist und der eine
Metallisierung (5) aufweist, die elektrisch mit dem Sensorelement (2) kontaktiert ist, und
eine Zuleitung (8), die an der Metallisierung (5) befestigt ist und die dazu ausgestaltet ist, das
Sensorelement (2) über die Metallisierung (5) elektrisch zu kontaktieren,
wobei die Zuleitung (8) an einer weiteren Position mechanisch an dem keramischen Träger (3) fixiert ist.
Sensor (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei der keramische Träger (3) an der weiteren Position frei von der Metallisierung (5) ist.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zuleitung (8) ein erstes Ende und ein zweites
Ende aufweist,
wobei das erste Ende der Zuleitung (8) an der
Metallisierung (5) befestigt ist,
wobei ein Abschnitt der Zuleitung (8), der an der weiteren Position mechanisch an dem keramischen Träger (3) fixiert ist, zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende liegt.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mechanische Fixierung der Zuleitung (8) an dem keramischen Träger (3) derart gestaltet ist, dass das die mechanische Fixierung die Befestigung der Zuleitung (8) an der Metallisierung (5) gegen eine Kraft, die auf die Zuleitung (8) in eine Richtung (R) senkrecht zu einer Oberfläche der Metallisierung (5) von dem
keramischen Träger (3) weg wirkt, entlastet.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Zuleitung (8) durch einen keramischen Zement (9) oder einen Kleber, der mit dem keramischen Träger (3) und der Zuleitung (8) verbunden ist, an der zumindest einen weiteren Position relativ zu dem keramischen Träger (3) mechanisch fixiert ist.
Sensor (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei der keramische Zement (9) bzw. der Kleber kraftschlüssig mit dem keramischen Träger (3) verbunden ist und die Zuleitung (8) formschlüssig umgibt.
Sensor (1) gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6,
wobei der keramische Zement (9) bzw. der Kleber punktuell auf dem keramischen Träger (3) und der Zuleitung (8) angeordnet ist.
Sensor (1) gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6,
wobei der keramische Zement (9) bzw. der Kleber eine um den keramischen Träger (3) umlaufende Spur bildet.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Zuleitung (8) durch einen auf den keramischen Träger (3) aufgeschobenen Körper (10), der den
keramischen Träger (3) und die Zuleitung (8) umschließt, an der einen weiteren Position relativ zu dem
keramischen Träger (3) mechanisch fixiert ist. Sensor (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei der Körper (10) eine durchgehende Öffnung (11) aufweist, durch die die Zuleitung (8) verläuft.
Sensor (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei der keramische Träger (3) sich durch die
durchgehende Öffnung des Körpers (10) erstreckt.
Sensor (1) gemäß dem Anspruch 10,
wobei der Körper (10) ein Sackloch (12) aufweist, das einen Anschlag definiert, an dem der keramische Träger (3) anliegt.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Zuleitung (8) eine Verformung aufweist, die mit der mechanischen Fixierung der Zuleitung (8) an dem keramischen Träger (3) zusammenwirkt und dadurch eine Bewegung der Zuleitung (8) relativ zu dem keramischen Träger (3) in eine axiale Richtung (A) , die senkrecht zu der Flächennormale der Metallisierung (5) ist,
verhindert .
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Zuleitung (8) an der Metallisierung (5) durch eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung, eine
Klebeverbindung oder eine Sinterverbindung mechanisch befestigt ist.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei es bei dem Sensor (1) um einen Temperatursensor handelt und wobei das Sensorelement (2) ein NTC- Thermistor ist.
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