WO2019115087A1 - Sensor mit thermoschockbeständigem substrat - Google Patents

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WO2019115087A1
WO2019115087A1 PCT/EP2018/079951 EP2018079951W WO2019115087A1 WO 2019115087 A1 WO2019115087 A1 WO 2019115087A1 EP 2018079951 W EP2018079951 W EP 2018079951W WO 2019115087 A1 WO2019115087 A1 WO 2019115087A1
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Tim ASSMUS
Stefan Dietmann
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Heraeus Nexensos Gmbh
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    • G01K2205/04—Application of thermometers in motors, e.g. of a vehicle for measuring exhaust gas temperature

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for determining gas parameters.
  • the present invention also relates to a method for producing a sensor.
  • sensors for the analysis of gases are known from the prior art.
  • Such sensors are often used in the exhaust system of internal combustion engines, for example as temperature sensors, soot sensors, flow sensors and as multi-sensors, which may comprise a combination of different sensor types.
  • the combustion gases or exhaust gases of such internal combustion engines may, depending on the position of the sensor in the exhaust gas system relative to the engine, have a very high temperature. Therefore, when the sensor cools down, correspondingly very high temperature gradients can occur, which can adversely affect the functioning of the sensor.
  • these sensors must also be actively brought to a specific temperature level for pyrolytic cleaning, permanently or at certain intervals. Therefore, the sensors should have a high thermal shock resistance, i. a high resistance to strong temperature changes. For example, such changes in temperature can also be caused by exposure to condensation droplets.
  • the sensor comprises a flow sensor element with a temperature measuring element and a heating element. These elements are arranged on a carrier element, wherein the temperature measuring element has a platinum thin film resistor on a ceramic substrate for temperature measurement and is heated with an additional platinum thin film resistor.
  • soot sensor with heating element is shown in WO 2006/1 1 1386 A1.
  • the soot sensor described has a sensor structure on a substrate for determining a Soot occupancy.
  • a heating conductor is arranged on the substrate as a thin-layer structure of platinum.
  • the sensor according to the invention in particular high-temperature sensor, has for this purpose:
  • At least one substrate having a first side and a second side opposite the first side
  • At least one first sensor structure arranged at least partially on the first side of the substrate, wherein the substrate comprises an oxide-ceramic fiber composite material.
  • the substrate comprises an oxide-ceramic fiber composite material.
  • the substrate can also be formed from an oxide-ceramic fiber composite material.
  • Oxide-ceramic fiber composite material can be understood as meaning a material in which ceramics such as, for example, Al 2 O 3 are mixed with glass fibers or ceramic fibers prior to a subsequent firing of the substrate.
  • the resulting oxide ceramic fiber composite material may have a thickness of 10-20 pm.
  • sensor structure can be understood to mean any structure which is adapted to detect at least one gas parameter of a gas flowing past.
  • the term “sensor structure” can also be used to designate a resistance conductor track or heating conductor track which heats up at least in regions when a current flows through it.
  • the oxide-ceramic fiber composite comprises fibers of silica, alumina, titania, baria, boria, zirconia, and / or any mixtures thereof, and / or comprising matrices comprising alumina, silica, magnesia, baria, and / or zirconia
  • the oxide-ceramic fiber composite includes a matrix of alumina and zirconia as a binder.
  • a very high strength of the substrate can be achieved by a matrix of aluminum oxide and zirconium oxide as the binding agent.
  • the senor has at least one first covering layer, arranged at least in regions on the first side of the substrate, wherein the first covering layer is arranged at least in regions between the substrate and the first sensor structure, and / or at least one second covering layer is arranged at least in regions on the second side of the substrate, wherein the second cover layer is at least partially disposed between the substrate and a second sensor structure.
  • the first cover layer and / or the second cover layer comprises / comprises a glass layer, a ceramic layer, and / or a layer comprising platinum and glass.
  • first and / or second cover layer By arranging a first and / or second cover layer, surface defects on the substrate can advantageously be compensated, the connection of the sensor structure to the substrate can be improved, and increased stability after a thermal shock can be achieved.
  • a covering layer comprising platinum and glass, for example a mixture of SiO 2, BaO, Al 2 O 3, can be screen printed on the substrate.
  • This covering layer has the function of a bonding agent layer and promotes a good bonding of the sensor structure to the substrate.
  • On the cover Layer can then also be arranged by screen printing the sensor structure.
  • the assembly can be fired in one step.
  • the fired assembly may have a thickness of 15-20 ⁇ m.
  • a cover layer comprising platinum and glass may be screen printed on the substrate and baked.
  • unevenness and microcracks in the substrate can be smoothed by this covering layer.
  • the sensor structure can be arranged on the baked cover layer and also baked.
  • the senor has at least one first insulation layer arranged at least in regions on the first cover layer and / or on the first sensor structure; and / or the sensor has at least one second insulation layer, arranged at least in regions on the second cover layer and / or on the second sensor structure, wherein the first and / or second insulation layer is a glass, a metal oxide, a ceramic and / or a mixture of a Glass, metal oxide and / or ceramic.
  • the first sensor structure and / or the second sensor structure can be protected by such an insulating layer / insulation layers.
  • the senor has:
  • At least one second cladding layer is arranged at least in regions on the second insulation layer.
  • Such a cladding layer may be used as a passivation layer, which may contain, for example, quartz glass and optionally a ceramic, as is also described, for example, in DE10 2007 046 900 B4.
  • the first sensor structure and / or a second sensor structure comprise / at least one resistance structure for temperature measurement, in particular a meandering measurement resistance.
  • the measuring resistor can be formed from a conductor track with a curved course between two electrodes.
  • the conductor can be configured meander-shaped.
  • Such a measuring resistor may be arranged only on one side, either on the first or the second side of the substrate. In another example, a measuring resistor may also be arranged on both sides of the substrate.
  • the first sensor structure and / or the second sensor structure may comprise / comprises at least one comb structure, IDK structure, for measuring a concentration of a deposit of soot particles.
  • IDK structures can be used to determine soot particles in a soot sensor.
  • the first sensor structure and / or the second sensor structure include / includes at least one electrical heating element and at least one temperature sensor for anemometric measurement.
  • Such sensor structures can be used in flow sensors, which can also be referred to as flow sensors, in order to measure a throughput in a channel, for example in an exhaust gas line.
  • ⁇ sensor structures for the determination of different sizes, can be arranged on both sides of the substrate.
  • Such a sensor may be referred to as a multi-sensor.
  • the first sensor structure and / or the second sensor structure comprise / comprises at least one noble metal, preferably platinum.
  • the sensor structure (s) can have a platinum resistance as a measuring resistor.
  • the invention also proposes a use of a sensor according to one of the preceding claims, in particular in the exhaust gas line of a motor vehicle, as a temperature sensor, soot sensor, flow sensor, gas sensor, inertial sensor, impedance sensor, heat flow sensor, Flow sensor and / or as a multi-sensor, which comprises a combination of two or more of said sensors.
  • the invention proposes a method for producing a sensor, in particular a high-temperature sensor, comprising the steps:
  • the substrate having a first side and a second side opposite the first side, the substrate comprising an oxide-ceramic fiber composite
  • the sensor structure can be applied as a platinum layer to the substrate in thin-film technology or in thick-film technology.
  • platinum powder can be mixed with oxides and binders and applied to the substrate by screen printing. Subsequently, a tempering can take place.
  • the method further includes:
  • the first covering layer and / or the second covering layer preferably comprising a glass layer, a ceramic layer, and / or a layer comprising platinum and Glass comprises / comprises.
  • the method further includes:
  • the first and / or second insulating layer being a glass, a metal oxide, a ceramic and / or a mixture of a glass, a metal oxide and / or a ceramic.
  • the method may further include: Arranging at least one first cladding layer at least in regions on the first insulating layer; and or
  • Figure 1 is a schematic plan view of a sensor according to an embodiment of the invention.
  • Figure 2 is a schematic exploded view of a sensor according to a
  • FIG. 3 shows a method for producing a sensor according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a sensor 1 according to an embodiment of the invention.
  • a first cover layer 5 is arranged on the substrate 3 on the first side of the substrate 3 between the substrate 3 and a first sensor structure 7.
  • an IDK structure for determining soot particles as the first sensor structure 7 is arranged on the substrate 3.
  • the first sensor structure 7 may also comprise further / alternative structures that are adapted to detect one or more gas parameters of a passing gas.
  • the first sensor structure 7 is heated to determine soot particles.
  • a resistance trace located below the first sensor structure 7 (not shown) may be used.
  • a second sensor structure, not shown can be arranged on a second side of the substrate and heat the region A at / around the first sensor structure 7.
  • the first sensor structure 7 in addition to the IDK structure still have a heat conductor for heating the IDK structure.
  • FIG. 1 Also shown in FIG. 1 is a region B with a large temperature gradient from the right (cold) to the left (hot), which at the same time represents an area with a high susceptibility to breakage or breakage. In this area, the substrates used in the prior art are often damaged.
  • the sensor 1 shown by way of example may be the sensor 1 shown in FIG.
  • the sensor 1 has a substrate 3, which comprises an oxide-ceramic fiber composite material.
  • a first covering layer 5 is shown, which is arranged on the first side of the substrate 3.
  • the first cover layer 5 can be applied by screen printing and comprise a glass layer, a ceramic layer, and / or a layer comprising platinum and glass.
  • the first cover layer 5 may cover a surface of the substrate 3 over its entire area, or may be arranged only on a partial area of the surface of the substrate 3.
  • a first sensor structure 7 is arranged, which is designed as an IDK structure. As is shown in FIG. 2, the first sensor structure 7 can have two connection contacts in order to be able to connect the sensor structure 7 to an evaluation electronics (not shown in FIG. 2). Alternatively or in addition to the illustrated IDK structure, in other embodiments, not shown, further sensor structures or heating elements may be arranged on the first side of the substrate 3.
  • first sensor structure 7 and regions of the covering layer 5, which are not covered by the first sensor structure 7, can be at least partially covered by a first insulation layer 9.
  • the first insulation layer 9 may in turn, only optionally, be at least partially covered by a cladding layer 11.
  • an insulation layer 9 and / or a cladding layer 11 are not necessary for the use of the sensor 1 shown in FIG. sensor, soot sensor, flow sensor, and / or as a multi-sensor, for example in the exhaust system of a motor vehicle.
  • a second covering layer 5 ' which may comprise a material similar to the first covering layer 5, is arranged on the second side of the substrate 3.
  • a meander structure as a second sensor structure 7 ' is arranged on the substrate 3 by way of example.
  • the meander structure shown can be used, for example, to heat the substrate 3 and / or to measure the temperature.
  • the second sensor structure 7 ' may also comprise further / alternative structures adapted to detect one or more gas parameters of a passing gas.
  • a second insulation layer 9 ' may be arranged on the second sensor structure 7' at least in regions, on which in turn at least in regions a second skin layer 1 is arranged can be.
  • a sensor 1 according to the invention may also comprise only a substrate 3 and a first sensor structure 7.
  • FIG. 3 shows a method 1000 for producing a sensor according to an embodiment of the invention.
  • the method 1000 has the following steps:
  • the method can also have the following steps:
  • Arranging 1030 at least a first cover layer at least partially on the first side of the substrate at least partially between the substrate and the first sensor sorpatented, and / or Arranging 1040 at least one second cover layer at least in regions on the second side of the substrate at least in regions between the substrate and the second sensor structure, wherein the first cover layer and / or the second cover layer preferably a glass layer, a ceramic layer, and / or a layer comprising platinum and glass, and / or
  • Arranging 1080 at least a second cladding layer at least partially on the second insulation layer.

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Abstract

Sensor, insbesondere Hochtemperatursensor, aufweisend zumindest ein Substrat (3) mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite; undzumindest eine erste Sensorstruktur (7) angeordnet zumindest bereichsweise auf der ersten Seite des Sub- strats (3), wobei das Substrat (3) einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff umfasst. Auch betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines Sensorsund ein Verfahren (1000) zum Herstellen eines Sensors.

Description

Sensor mit thermoschockbeständigem Substrat
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung von Gasparametern. Auch be- trifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Sensoren zur Analyse von Gasen bekannt. Derartige Sensoren werden oft eingesetzt im Abgasstrang von Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise als Temperatursensoren, Rußsensoren, Flowsensoren und als Multisensoren, die eine Kombination unterschiedlicher Sensortypen umfassen können. Die Verbrennungsgase oder Abgase derartiger Verbrennungskraftmaschinen können, abhängig von der Position des Sensors im Abgasstrang relativ zu dem Motor, eine sehr hohe Temperatur haben. Daher kön- nen bei der Abkühlung des Sensors häufig entsprechend sehr hohe Temperaturgradienten auf- treten, die die Funktionsweise des Sensors nachteilig beeinflussen können. Auch müssen diese Sensoren, je nach Verwendung, zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit, dauerhaft oder zu gewissen Zeitabständen aktiv auf ein bestimmtes Temperaturniveau zur pyrolytischen Reini- gung gebracht werden. Daher sollten die Sensoren eine hohe Temperaturschockbeständigkeit haben, d.h. eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber starken Temperaturänderungen. Bei- spielsweise können derartige Temperarturänderungen auch durch Beaufschlagung mit Kon- densattropfen entstehen.
Ein Beispiel für einen Sensor, der im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine verwendet werden kann, wird in der WO 2007/048573 A1 beschrieben. Der Sensor umfasst ein Strö- mungssensorelement mit einem Temperaturmesselement und einem Heizelement. Diese Ele- mente sind auf einem Trägerelement angeordnet, wobei das Temperaturmesselement einen Platindünnfilmwiderstand auf einem keramischen Untergrund zur Temperaturmessung aufweist und mit einem zusätzlichen Platindünnfilmwiderstand geheizt wird.
Ein Beispiel für einen Rußsensor mit Heizelement wird in der WO 2006/1 1 1386 A1 gezeigt. Der beschriebene Rußsensor weist eine Sensorstruktur auf einem Substrat zur Bestimmung einer Rußbelegung auf. Zum Freibrennen von Ruß ist ein Heizleiter auf dem Substrat als Dünn- schichtstruktur aus Platin angeordnet.
Allerdings haben die aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren den Nachteil, dass diese Sensoren lediglich eine geringe Temperaturschockbeständigkeit gegenüber schnellen Tempe- raturänderungen haben. Diese geringe Temperaturschockbeständigkeit äußert sich oftmals in Rissen und/oder sonstigen Veränderungen in dem Material des Substrats.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Sensor bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik überwindet. Insbesondere einen hochtemperaturfes- ten Sensor bereitzustellen mit einer erhöhten Rissfestigkeit des Substrats und der günstig in der Herstellung ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor gemäß des Gegenstands des Pa- tentanspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Sensor, insbesondere Hochtemperatursensor, weist hierfür auf:
zumindest ein Substrat mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite; und
zumindest eine erste Sensorstruktur angeordnet zumindest bereichsweise auf der ersten Seite des Substrats, wobei das Substrat einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff umfasst.
Erfindungsgemäß umfasst das Substrat einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff. Hierfür kann das Substrat auch aus einem oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff ausgebildet sein. Unter„Oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff“ kann ein Werkstoff verstanden werden bei dem Keramiken, wie beispielsweise AI203 mit Glasfasern oder Keramikfasern vor einem anschlie- ßenden Brennvorgang des Substrats gemischt werden. Der so entstehende oxidkeramische Faserverbundwerkstoff kann eine Dicke von 10-20 pm haben.
Als„Sensorstruktur“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung jede Struktur verstanden wer- den, die angepasst ist zumindest einen Gasparameter eines vorbeiströmenden Gases zu erfas- sen. Weiterhin kann der Begriff „Sensorstruktur“ auch dazu verwendet werden, eine Wider- standsleiterbahn oder Heizleiterbahn zu bezeichnen, die sich zumindest bereichsweise er- wärmt, wenn sie von einem Strom durchflossen wird. Mit der Erfindung ist es erstmalig gelungen einen Sensor für Hochtemperaturanwendungen zu schaffen, der eine hohe Thermoschockbeständigkeit aufweist und hohe Temperaturwechsel im Wesentlichen beschädigungsfrei übersteht. Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Substraten zeigen sich weniger und kleinere Risse, welche sich im Wesentlichen nicht weiter auf der Oberfläche des Substrats ausbreiten.
In einem Beispiel umfasst der oxidkeramische Faserverbundwerkstoff Fasern aus Siliciumdi oxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Bariumoxid, Boroxid, Zirkoniumoxid, und/oder beliebigen Mi- schungen davon, und/oder Matrices aufweisend Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Magnesiumoxid, Bariumoxid und/oder Zirkonoxid umfasst, bevorzugt umfasst der oxidkeramaische Faserver- bundwerkstoff eine Matrix aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid als ein Bindehilfsmittel.
Vorteilhaft kann durch eine Matrix aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid als Bindehilfsmittel eine sehr hohe Festigkeit des Substrats erreicht werden.
In einem weiteren Beispiel weist der Sensor zumindest eine erste Abdeckschicht auf, angeord- net zumindest bereichsweise auf der ersten Seite des Substrats, wobei die erste Abdeckschicht zumindest bereichsweise zwischen dem Substrat und der ersten Sensorstruktur angeordnet ist, und/oder zumindest eine zweite Abdeckschicht angeordnet zumindest bereichsweise auf der zweiten Seite des Substrats, wobei die zweite Abdeckschicht zumindest bereichsweise zwi- schen dem Substrat und einer zweiten Sensorstruktur angeordnet ist.
In einem Beispiel umfasst/umfassen die erste Abdeckschicht und/oder die zweite Abdeck- schicht eine Glasschicht, eine Keramikschicht, und/oder eine Schicht umfassend Platin und Glas.
Vorteilhaft können durch das Anordnen einer ersten und/oder zweiten Abdeckschicht Oberflä- chendefekte auf dem Substrat ausgeglichen werden, die Anbindung der Sensorstruktur an dem Substrat verbessert werden und eine erhöhte Stabilität nach einem Thermoschock erreicht wer- den.
Beispielsweise kann in einem einfachen aber funktionierendem Beispiel auf das Substrat eine Abdeckschicht umfassend Platin und Glas, beispielsweise ein Gemisch aus Si02, BaO, AI203 mittels Siebdruck angeordnet werden. Diese Abdeckschicht hat die Funktion einer Haftvermitt- lerschicht und fördert eine gute Anbindung der Sensorstruktur an das Substrat. Auf der Abdeck- Schicht kann dann ebenfalls mittels Siebdruck die Sensorstruktur angeordnet werden. Anschlie- ßend kann die Anordnung in einem Schritt gebrannt werden. Die gebrannte Anordnung kann eine Dicke von 15 - 20 pm haben.
In einem weiteren Beispiel kann anstelle einer Abdeckschicht umfassend Platin und Glas, eine Abdeckschicht umfassend Glas mittels Siebdruck auf dem Substrat angeordnet werden und eingebrannt werden. Vorteilhaft können durch diese Abdeckschicht Unebenheiten und Mikroris- se im Substrat geglättet werden. Anschließend kann auf der eingebrannten Abdeckschicht die Sensorstruktur angeordnet werden und ebenfalls eingebrannt werden.
In noch einem Beispiel weist der Sensor zumindest eine erste Isolationsschicht auf, angeordnet zumindest bereichsweise auf der ersten Abdeckschicht und/oder auf der ersten Sensorstruktur; und/oder der Sensor weist zumindest eine zweite Isolationsschicht auf, angeordnet zumindest bereichsweise auf der zweiten Abdeckschicht und/oder auf der zweiten Sensorstruktur, wobei die erste und/oder zweite Isolationsschicht ein Glas, ein Metalloxid, eine Keramik und/oder eine Mischung aus einem Glas, einem Metalloxid und/oder einer Keramik umfassen/umfasst.
Vorteilhaft kann die erste Sensorstruktur und/oder die zweite Sensorstruktur durch eine derarti- ge Isolationsschicht/Isolationsschichten geschützt werden.
In noch einem Beispiel weist der Sensor auf:
zumindest eine erste Mantelschicht angeordnet zumindest bereichsweise auf der ersten Isolati onsschicht; und/oder
zumindest eine zweite Mantelschicht angeordnet zumindest bereichsweise auf der zweiten Iso- lationsschicht.
Eine solche Mantelschicht kann als Passivierungsschicht, die beispielsweise Quarzglas und optional eine Keramik enthalten kann, eingesetzt werden, wie es beispielsweise auch in der DE10 2007 046 900 B4 beschrieben wird.
In einem Beispiel umfassen/umfasst die erste Sensorstruktur und/oder eine zweite Sensorstruk- tur zumindest eine Widerstandsstruktur zur Temperaturmessung, insbesondere einen mäander- förmigen Messwiderstand. Der Messwiderstand kann aus einer Leiterbahn mit einem geschwungenen Verlauf zwischen zwei Elektroden gebildet werden. Beispielsweise kann die Leiterbahn mäanderförmig ausgestal- tet sein. Ein derartiger Messwiderstand kann lediglich an einer Seite, entweder auf der ersten oder der zweiten Seite des Substrats angeordnet sein. In einem weiteren Beispiel kann auch auf beiden Seiten des Substrats ein Messwiderstand angeordnet sein.
Weiterhin kann in dem oben genannten Beispiel die erste Sensorstruktur und/oder die zweite Sensorstruktur zumindest eine Kammstruktur, IDK Struktur, zur Messung einer Konzentration einer Ablagerung von Rußpartikeln umfassen/umfasst.
Üblicherweise können IDK Strukturen zur Bestimmung von Rußpartikeln in einem Rußsensor eingesetzt werden.
In noch einem Beispiel umfassen/umfasst die erste Sensorstruktur und/oder die zweite Sen- sorstruktur zumindest ein elektrisches Heizelement und zumindest einen Temperatursensor für eine anemometrische Messung.
Derartige Sensorstrukturen können in Durchflusssensoren, die auch als Flowsensoren bezeich- net werden können, eingesetzt werden, um einen Durchsatz in einem Kanal, beispielsweise in einem Abgasstrang, zu messen.
Auch können auf beiden Seiten des Substrats unterschiedliche Sensorstrukturen, zur Bestim- mung unterschiedlicher Größen, angeordnet sein. Ein derartiger Sensor kann als Multisensor bezeichnet werden.
In einem weiteren Beispiel umfassen/umfasst die erste Sensorstruktur und/oder die zweite Sen- sorstruktur zumindest ein Edelmetall, vorzugweise Platin.
Vorteilhaft kann/können die Sensorstruktur/en ein Platinwiderstand als Messwiderstand aufwei- sen.
Die Erfindung schlägt auch eine Verwendung eines Sensors nach einem der vorangehenden Ansprüche vor, insbesondere im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, als Temperatursensor, Rußsensor, Flowsensor, Gassensor, Inertialsensor, Impedanzsensor, Wärmeströmungssensor, Strömungssensor und/oder als Multisensor, der eine Kombination aus zwei oder mehreren der genannten Sensoren umfasst.
Weiterhin schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors vor, insbesondere eines Hochtemperatursensors, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen zumindest eines Substrat mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegen- überliegenden zweiten Seite, wobei das Substrat einen oxidkeramischen Faserverbundwerk- stoff umfasst; und
Aufbringen zumindest einer ersten Sensorstruktur zumindest bereichsweise auf der ersten Seite des Substrats.
Beispielsweise kann die Sensorstruktur als Platinschicht auf das Substrat in Dünnschichttech- nologie oder in Dickschichttechnologie aufgebracht werden. Hierfür kann Platinpulver mit Oxi- den und Bindemitteln gemischt werden und durch Siebdruck auf das Substrat aufgebracht wer- den. Anschließend kann ein Tempern stattfinden.
In einem Beispiel weist das Verfahren weiter auf:
Anordnen zumindest einer ersten Abdeckschicht zumindest bereichsweise auf der ersten Seite des Substrats zumindest bereichsweise zwischen dem Substrat und der ersten Sensorstruktur, und/oder
Anordnen zumindest einer zweiten Abdeckschicht zumindest bereichsweise auf der zweiten Seite des Substrats zumindest bereichsweise zwischen dem Substrat und der zweiten Sen- sorstruktur, wobei die erste Abdeckschicht und/oder die zweite Abdeckschicht bevorzugt eine Glasschicht, eine Keramikschicht, und/oder eine Schicht umfassend Platin und Glas umfas- sen/umfasst.
In noch einem Beispiel weist das Verfahren weiter auf:
Anordnen zumindest einer ersten Isolationsschicht zumindest bereichsweise auf der ersten Ab- deckschicht und/oder auf der ersten Sensorstruktur; und/oder
Anordnen zumindest einer zweiten Isolationsschicht zumindest bereichsweise auf der zweiten Abdeckschicht und/oder auf der zweiten Sensorstruktur, wobei die erste und/oder zweite Isola- tionsschicht ein Glas, ein Metalloxid, eine Keramik und/oder eine Mischung aus einem Glas, einem Metalloxid und/oder einer Keramik umfassen/umfasst.
In dem oben genannten Beispiel kann das Verfahren weiter aufweisen: Anordnen zumindest einer ersten Mantelschicht zumindest bereichsweise auf der ersten Isolati- onsschicht; und/oder
Anordnen zumindest einer zweiten Mantelschicht zumindest bereichsweise auf der zweiten Iso- lationsschicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei- bung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Zeich- nungen erläutert sind.
Dabei zeigt:
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf einen Sensor gemäß einer Ausfüh- rungsform der Erfindung;
Figur 2 eine schematische Explosionsdarstellung eines Sensors gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung; und
Figur 3 ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß einer Ausführungs- form der Erfindung.
In Figur 1 wird eine schematische Draufsicht auf einen Sensor 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform ist auf dem Substrat 3 eine erste Ab- deckschicht 5 auf der ersten Seite des Substrats 3 zwischen dem Substrat 3 und einer ersten Sensorstruktur 7 angeordnet.
In der gezeigten Ausführungsform ist eine IDK Struktur zur Bestimmung von Rußpartikeln als erste Sensorstruktur 7 auf dem Substrat 3 angeordnet. In nicht gezeigten Ausführungsformen kann die erste Sensorstruktur 7 auch weitere/alternative Strukturen umfassen, die angepasst sind einen oder mehrere Gasparameter eines vorbeiströmenden Gases zu erfassen. In dem gezeigten Beispiel wird, zur Bestimmung von Rußpartikeln, die erste Sensorstruktur 7 beheizt. Als Heizer kann eine Widerstandsleiterbahn, die sich unterhalb der ersten Sensorstruktur 7 be- findet (nicht gezeigt), verwendet werden. Beispielsweise kann eine zweite nicht gezeigte Sen- sorstruktur auf einer zweiten Seite des Substrats angeordnet werden und den Bereich A an/um die erste Sensorstruktur 7 beheizen. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann auch die erste Sensorstruktur 7 zusätzlich zu der IDK Struktur noch einen Heizleiter zum Beheizen der IDK Struktur aufweisen.
Auch wird in der Figur 1 ein Bereich B mit einem großen Temperaturgradienten von rechts (kalt) nach links (heiß) gezeigt, der gleichzeitig ein Bereich mit einer hohen Riss- bzw. Bruchanfällig- keit darstellt. In diesem Bereich werden die im Stand der Technik verwendeten Substrate häufig beschädigt.
In Figur 2 wird eine schematische Explosionsdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer Ausfüh- rungsform der Erfindung gezeigt. Der beispielhaft gezeigte Sensor 1 kann der in Figur 1 gezeig- te Sensor 1 sein. Der Sensor 1 weist ein Substrat 3 auf, das einen oxidkeramischen Faserver- bundwerkstoff umfasst.
Optional ist in der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform eine erste Abdeckschicht 5 gezeigt, die auf der ersten Seite des Substrats 3 angeordnet ist. Beispielsweise kann die erste Abdeck- schicht 5 durch Siebdruck aufgebracht werden und eine Glasschicht, eine Keramikschicht, und/oder eine Schicht umfassend Platin und Glas umfassen. Die erste Abdeckschicht 5 kann vollflächig eine Oberfläche des Substrats 3 bedecken, oder nur auf einem Teilbereich der Ober- fläche des Substrats 3 angeordnet sein.
Auf dem Substrat 3 oder auf der optional aufgebrachten ersten Abdeckschicht 5 ist eine erste Sensorstruktur 7 angeordnet, die als IDK Struktur ausgeführt ist. Die erste Sensorstruktur 7 kann, wie es in Figur 2 gezeigt wird, über zwei Anschlusskontakte verfügen, um die Sen- sorstruktur 7 an eine Auswerteelektronik anschließen zu können (nicht gezeigt in Figur 2). Al- ternativ oder zusätzlich zu der gezeigten IDK Struktur können, in nicht gezeigten Ausführungs- formen, weitere Sensorstrukturen, bzw. Heizelemente auf der ersten Seite des Substrats 3 an- geordnet sein.
Weiterhin wird in der Figur 2 lediglich optional gezeigt, dass die erste Sensorstruktur 7 und Be- reiche der Abdeckschicht 5, die nicht von der ersten Sensorstruktur 7 bedeckt sind, von einer ersten Isolationsschicht 9 zumindest teilweise bedeckt sein können. Die erste Isolationsschicht 9 kann wiederum, lediglich optional, von einer Mantelschicht 11 zumindest teilweise bedeckt sein. Der Fachmann weiß aber, dass eine Isolationsschicht 9 und/oder eine Mantelschicht 11 nicht notwendig sind für die Verwendung des in Figur 2 gezeigten Sensors 1 als Temperatur- sensor, Rußsensor, Flowsensor, und/oder als Multisensor, beispielsweise im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs.
In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform ist auf der zweiten Seiten des Substrats 3 eine zweite Abdeckschicht 5‘ angeordnet, die ein gleiches Material wie die erste Abdeckschicht 5 umfassen kann.
In der gezeigten Ausführungsform ist beispielhaft eine Mäanderstruktur als zweite Sensorstruk- tur 7‘ auf dem Substrat 3 angeordnet. Die gezeigte Mäanderstruktur kann beispielsweise dazu verwendet werden, um das Substrat 3 aufzuheizen und/oder um die Temperatur zu messen. In alternativen, nicht hierin gezeigten, Ausführungsformen kann die zweite Sensorstruktur 7‘ auch weitere/alternative Strukturen umfassen, die angepasst sind einen oder mehrere Gasparameter eines vorbeiströmenden Gases zu erfassen.
Auch kann, wie es bereits hierin bezüglich der ersten Seite des vollkeramischen Heizers 3 be- schrieben wurde, auf der zweiten Sensorstruktur 7‘ zumindest bereichsweise eine zweite Isola- tionsschicht 9‘ angeordnet sein, auf der wiederum zumindest bereichsweise eine zweite Man- telschicht 1 angeordnet sein kann.
Eine Anordnung von Strukturen auf der zweiten Seite des Substrats 3 ist aber nicht essentiell für die Erfindung. Ein erfindungsgemäßer Sensor 1 kann auch lediglich eine Substrat 3 und eine erste Sensorstruktur 7 umfassen.
Figur 3 zeigt ein Verfahren 1000 zur Herstellung eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 1000 weist die nachfolgenden Schritte auf:
Bereitstellen 1010 zumindest eines Substrat mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite, das Substrat einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff umfasst; und
Aufbringen 1020 zumindest einer ersten Sensorstruktur zumindest bereichsweise auf der ersten Seite des Substrats.
Weiterhin kann das Verfahren auch die nachfolgenden Schritte aufweisen:
Anordnen 1030 zumindest einer ersten Abdeckschicht zumindest bereichsweise auf der ersten Seite des Substrats zumindest bereichsweise zwischen dem Substrat und der ersten Sen- sorstruktur, und/oder Anordnen 1040 zumindest einer zweiten Abdeckschicht zumindest bereichsweise auf der zwei- ten Seite des Substrats zumindest bereichsweise zwischen dem Substrat und der zweiten Sen- sorstruktur, wobei die erste Abdeckschicht und/oder die zweite Abdeckschicht bevorzugt eine Glasschicht, eine Keramikschicht, und/oder eine Schicht umfassend Platin und Glas umfas- sen/umfasst, und/oder
Anordnen 1050 zumindest einer ersten Isolationsschicht zumindest bereichsweise auf der ers- ten Abdeckschicht und/oder auf der ersten Sensorstruktur; und/oder
Anordnen 1060 zumindest einer zweiten Isolationsschicht zumindest bereichsweise auf der zweiten Abdeckschicht und/oder auf der zweiten Sensorstruktur, wobei die erste und/oder zwei- te Isolationsschicht ein Glas, ein Metalloxid, eine Keramik und/oder eine Mischung aus einem Glas, einem Metalloxid und/oder einer Keramik umfassen/umfasst, und/oder
Anordnen 1070 zumindest einer ersten Mantelschicht zumindest bereichsweise auf der ersten Isolationsschicht; und/oder
Anordnen 1080 zumindest einer zweiten Mantelschicht zumindest bereichsweise auf der zwei- ten Isolationsschicht.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen und in den Figuren dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfin- dung in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.
Bezuqszeichenliste
1 Sensor
3 Substrat
5, 5‘ erste/zweite Abdeckschicht
7, 7‘ erste/zweite Sensorstruktur
9, 9‘ erste/zweite Isolationsschicht
1 1 , 11‘ erste/zweite Mantelschicht
A Bereich A
B Bereich B
1000 Verfahren zur Herstellung eines Sensors
1010 Herstellen
1020 Aufbringen
1030 Anordnen erste Abdeckschicht
1040 Anordnen zweite Abdeckschicht
1050 Anordnen erste Isolationsschicht
1060 Anordnen zweite Isolationsschicht
1070 Anordnen erste Mantelschicht
1080 Anordnen zweite Mantelschicht

Claims

Ansprüche
1. Sensor, insbesondere Hochtemperatursensor, aufweisend:
zumindest ein Substrat (3) mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüber- liegenden zweiten Seite; und
zumindest eine erste Sensorstruktur (7) angeordnet zumindest bereichsweise auf der ersten Seite des Substrats (3), dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (3) einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff umfasst.
2. Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der oxidkeramische Faserverbundwerkstoff Fasern aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Bariumoxid, Boroxid, Zirkoniumoxid, und/oder beliebigen Mischungen davon umfasst, und/oder Matrices aufweisend Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Magnesiumoxid, Bariumoxid und/oder Zirkonoxid umfasst, bevorzugt umfasst der oxidkeramaische Fa- serverbundwerkstoff eine Matrix aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid als ein Bindehilfsmit- tel.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor aufweist:
zumindest eine erste Abdeckschicht (5) angeordnet zumindest bereichsweise auf der ersten Seite des Substrats (3), wobei die erste Abdeckschicht (5) zumindest bereichs- weise zwischen dem Substrat (3) und der ersten Sensorstruktur (7) angeordnet ist, und/oder
zumindest eine zweite Abdeckschicht (5‘) angeordnet zumindest bereichsweise auf der zweiten Seite des Substrats (3), wobei die zweite Abdeckschicht (5‘) zumindest be- reichsweise zwischen dem Substrat (3) und einer zweiten Sensorstruktur (7‘) angeordnet ist.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Abdeckschicht (5) und/oder die zweite Abdeckschicht (5‘) eine Glasschicht, ei- ne Keramikschicht, und/oder eine Schicht umfassend Platin und Glas umfassen/umfasst
5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor aufweist: zumindest eine erste Isolationsschicht (9), angeordnet zumindest bereichsweise auf der ersten Abdeckschicht (5) und/oder auf der ersten Sensorstruktur (7); und/oder zumindest eine zweite Isolationsschicht (9‘), angeordnet zumindest bereichsweise auf der zweiten Abdeckschicht (5‘) und/oder auf der zweiten Sensorstruktur (7‘), wobei die erste und/oder zweite Isolationsschicht (9‘) ein Glas, ein Metalloxid, eine Keramik und/oder eine Mischung aus einem Glas, einem Metalloxid und/oder einer Keramik um- fassen/umfasst.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor aufweist:
zumindest eine erste Mantelschicht (1 1 ) angeordnet zumindest bereichsweise auf der ersten Isolationsschicht (9); und/oder
zumindest eine zweite Mantelschicht (1 1‘) angeordnet zumindest bereichsweise auf der zweiten Isolationsschicht (9‘).
7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorstruktur (7) und/oder eine zweite Sensorstruktur (7‘), zumindest eine Wider- standsstruktur zur Temperaturmessung umfassen/umfasst, insbesondere einen mäan- derförmigen Messwiderstand umfassen/umfasst.
8. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Sensorstruktur (7) und/oder die zweite Sensorstruktur (7‘) zumindest eine Kammstruktur, IDK Struktur, zur Messung einer Konzentration einer Ablagerung von Rußpartikeln umfassen/umfasst.
9. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Sensorstruktur (7) und/oder die zweite Sensorstruktur (7‘) zumindest ein elekt- risches Heizelement und zumindest einen Temperatursensor für eine anemometrische Messung umfassen/umfasst.
10. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorstruktur (7) und/oder die zweite Sensorstruktur (7‘) zumindest ein Edelme- tall, vorzugweise Platin umfassen/umfasst.
11. Verwendung eines Sensors nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, als Temperatursensor, Rußsensor, Flowsensor, Gassensor, Inertialsensor, Impedanzsensor, Wärmeströnungssensor, Strömungssensor und/oder als Multisensor, der eine Kombination aus zwei oder mehreren der genannten Sensoren umfasst.
12. Ein Verfahren zur Herstellung eines Sensor, insbesondere eines Hochtemperatur- sensors, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen (1010) zumindest eines Substrat (3) mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite, wobei das Substrat (3) einen oxidkera- mischen Faserverbundwerkstoff umfasst; und
Aufbringen (1020) zumindest einer ersten Sensorstruktur (7) zumindest bereichsweise auf der ersten Seite des Substrats (3).
13. Verfahren nach Anspruch 12, aufweisend:
Anordnen (1030) zumindest einer ersten Abdeckschicht (5) zumindest bereichsweise auf der ersten Seite des Substrats (3) zumindest bereichsweise zwischen dem Substrat (3) und der ersten Sensorstruktur (7), und/oder
Anordnen (1040) zumindest einer zweiten Abdeckschicht (5‘) zumindest bereichsweise auf der zweiten Seite des Substrats (3) zumindest bereichsweise zwischen dem Substrat (3) und der zweiten Sensorstruktur (7‘), wobei die erste Abdeckschicht (5) und/oder die zweite Abdeckschicht (5‘) bevorzugt eine Glasschicht, eine Keramikschicht, und/oder ei- ne Schicht umfassend Platin und Glas umfassen/umfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, aufweisend:
Anordnen (1050) zumindest einer ersten Isolationsschicht (9) zumindest bereichsweise auf der ersten Abdeckschicht (5) und/oder auf der ersten Sensorstruktur (7); und/oder Anordnen (1060) zumindest einer zweiten Isolationsschicht (9‘) zumindest bereichsweise auf der zweiten Abdeckschicht (5‘) und/oder auf der zweiten Sensorstruktur (7‘), wobei die erste und/oder zweite Isolationsschicht (9, 9‘) ein Glas, ein Metalloxid, eine Keramik und/oder eine Mischung aus einem Glas, einem Metalloxid und/oder einer Keramik um- fassen/umfasst.
15. Verfahren nach Anspruch 14, aufweisend:
Anordnen (1070) zumindest einer ersten Mantelschicht (1 1 ) zumindest bereichsweise auf der ersten Isolationsschicht (9); und/oder
Anordnen (1080) zumindest einer zweiten Mantelschicht (1 1‘) zumindest bereichsweise auf der zweiten Isolationsschicht (9‘).
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