WO2023001532A1 - Ntc-sensor und verfahren zur herstellung eines ntc-sensors - Google Patents

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WO2023001532A1
WO2023001532A1 PCT/EP2022/068430 EP2022068430W WO2023001532A1 WO 2023001532 A1 WO2023001532 A1 WO 2023001532A1 EP 2022068430 W EP2022068430 W EP 2022068430W WO 2023001532 A1 WO2023001532 A1 WO 2023001532A1
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wires
chip
ntc
sensor
ntc sensor
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PCT/EP2022/068430
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Jan Ihle
Elisabeth Schwarz-Funder
Wolfgang Fail
Gerhard Hojas
Subramanian Ravichandran
Dhananjay Chavan
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Tdk Electronics Ag
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    • 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
    • G01K7/223—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 characterised by the shape of the resistive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • 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
    • G01K2007/163—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 provided with specially adapted connectors

Definitions

  • NTC sensor and method for manufacturing an NTC sensor
  • the present invention relates to an NTC sensor and a method for producing NTC sensors.
  • NTC thermistor ceramic changes with changing temperatures. In particular, the resistance of the NTC thermistor decreases with increasing temperatures.
  • NTC stands for Negative Temperature Coefficient.
  • NTC thermistors are also known as NTC thermistors.
  • the NTC thermistor ceramic is integrated into an electric circuit via connecting wires.
  • the temperature of the NTC thermistor can thus be measured indirectly via the change in resistance in the circuit. Since the temperature of the NTC thermistor usually depends on the ambient temperature, the ambient temperature can also be measured in this way.
  • a plastic housing can protect the thermistor from environmental influences, but it should be a good conductor of heat in order to be able to measure the ambient temperature.
  • NTC thermistor elements Examples of NTC thermistor elements are known from document DE 10 2005 017 816 A1.
  • the object of the present invention is to improve the known NTC sensors and methods for producing NTC sensors.
  • the defined task can be solved at least partially by an NTC sensor according to the invention.
  • the NTC sensor includes a chip, two parallel wires each having contact pads, and bonding between the chip and the contact pads of each of the wires.
  • a maximum lateral dimension of the NTC sensor in each direction perpendicular to the direction of extension of the wires is equal to or less than the sum of the lateral dimensions of the chip and the wires.
  • the direction in which the wires run is referred to as the direction of extension.
  • the wires are arranged parallel to one another and preferably in a straight line.
  • the wires may have insulating coatings.
  • the wires may be adjacent or spaced apart. It can be two single wires or a double wire in which the insulating sheaths of two wires are directly connected.
  • the wires have contact points where the electrically conductive wires have no insulating coating.
  • the chips are placed at the contact points of the wires.
  • the chip can be arranged so that the maximum dimension of the chip is directed perpendicularly to the direction of extension of the wires. This arrangement is achieved by forming the two contact points side by side on two parallel wires. Both mechanical connections and electrical contacts are formed between the chip and the wires.
  • the chip preferably has external electrodes for electrical contacting, which are connected to the wires.
  • the connection or contact between the chip and the wires is made either by soldering or by applying conductive adhesive.
  • the maximum lateral dimension of the NTC sensor in any direction is equal to or less than the sum of the lateral dimensions of the chip and the wires.
  • Each dimension of the NTC sensor in a direction perpendicular to the direction of extension of the two parallel wires is referred to as the lateral dimension.
  • the outer dimensions of the NTC chip can be reduced as described. This has the advantage, among other things, that the NTC sensor can easily be inserted into assemblies with small dimensions through insertion channels with small dimensions.
  • the exposed path between the outside of an assembly and the point in the assembly at which the sensor is to be installed is referred to as the insertion channel.
  • the dimension of the exposed cross section of the insertion channel can thus be chosen to be very small.
  • the entire assembly can be made as small as possible, which reduces space and costs.
  • the maximum lateral dimension of the NTC sensor is no larger or only slightly larger than a lateral dimension of the chip in the same direction.
  • the chip is the limiting component when the NTC sensor is inserted through an insertion channel into its installation situation in an assembly. If the chip is designed with the smallest possible dimensions, the size of the NTC sensor can also be minimized.
  • the lateral dimension of the chip in any direction perpendicular to the direction of extension of the wires is no greater than the dimension of the two wires in the same direction.
  • the size of the chip is not greater than the sum of the diameters of the wires.
  • the wires are preferably in direct contact with one another, so that the dimension of the NTC sensor in the lateral direction is not greater than the dimension of the chip.
  • the lateral dimension of the chip is not greater than the diameter of one of the wires.
  • the wires preferably both have the same diameter in all embodiments.
  • the lateral dimension of the chip in any direction perpendicular to the direction of extension of the wires is less than the dimension of the two wires in the same direction.
  • the diameters of the wires are measured including any insulating sheathing.
  • the maximum dimension of the chip is not larger than the sum of the diameters of the two wires.
  • a sensor head comprising the chip with the attached wires has a dimension that preferably hardly differs from the dimensions of the other sections of the wires.
  • the sensor head is typically the portion of the sensor with the widest dimensions. The sensor described with a very small sensor head can therefore also be installed without any problems in very small assemblies into which the wires can be inserted through channels, such as in batteries.
  • the chip has a maximum dimension of 0.6 mm.
  • a typical dimension of the wires with surrounding sheath is 0.3 mm.
  • Two wires lying directly next to each other or a double wire thus have a width of 0.6 mm. If the chip is attached to the head ends of the wires with a maximum expansion of 0.6 mm and the chip is suitably oriented, this ensures that the chip does not protrudes laterally over the wires.
  • the sensor head thus has hardly or only slightly larger dimensions than the wires.
  • the chip can have correspondingly smaller or larger dimensions, with the dimensional relationship between chip and wires being retained.
  • the chip is preferably cuboid.
  • the maximum expansion of the chip is 0.6 mm.
  • the expansion of the chip in a lateral direction perpendicular to the maximum direction of expansion is a maximum of 0.3 mm. If the chip is attached in a suitable orientation to the head end of two adjacent wires with a diameter of 0.3 mm each, the chip does not protrude laterally beyond the wires.
  • the extent of the chip along a third direction which is perpendicular to the contact surface between chip and wires, ie along the direction of extent of the wires, can be variable, but preferably has a maximum extent of 0.33 mm.
  • the chip is a ceramic multi-layer component with internal electrodes.
  • the multi-layer component consists of several NTC thermistor ceramic layers between which metallic inner electrodes are provided.
  • the electrical resistance of such a multi-layer component can be defined very precisely. In this way, resistance tolerances of less than 1% can be achieved.
  • the resistance of the NTC material depends on the temperature. At higher temperatures, the resistance drops (thermistor).
  • the behavior of the resistance as a function of temperature is represented by resistance-temperature characteristics.
  • the resistance tolerance can be set not to exceed 1% for a nominal temperature.
  • the inner electrodes can be electrically contacted by outer electrodes on the surfaces of the chip.
  • the outer electrodes are preferably applied to two opposite side faces of the chip.
  • the outer electrodes can be designed in the shape of a cap and cover different side surfaces of the chip.
  • the internal electrodes stacked in the multilayer component are preferably connected alternately to the two oppositely positioned external electrodes.
  • the outer electrodes include metallization layers made of silver, for example, which are applied, for example, using a dipping process with subsequent firing.
  • Ni-Sn (nickel-tin) layers can be applied galvanically.
  • the Ni—Sn layers are preferably applied on the outside of the silver metallization layers.
  • the chip comprises a monolithic NTC thermistor ceramic.
  • the ceramic in the chip can thus be formed as a continuous monolith. There are no other components such as internal electrodes inside the ceramic. Such a chip can be provided very easily. To contact the chip are on two opposite surfaces external electrodes present.
  • the two wires are arranged in parallel and preferably run next to one another in a straight line.
  • the insulating coatings of the wires can be in direct contact with each other.
  • adjacent wires When installed in an electronic assembly, adjacent wires require less space than wires arranged at a distance.
  • the chip with the dimensions described above can easily be contacted by two adjacent wires.
  • a double wire is easier to handle in the manufacturing process than individual wires.
  • the end faces of the wires act as pads onto which the chip is placed.
  • the end faces of the wires can be designed as blunt ends of the wires.
  • a blunt end occurs, for example, when a wire is severed transversely to its longitudinal direction. At this blunt end, the metal, electrically conductive wire is exposed from the insulating sheath.
  • the sheath around the end faces at the wire ends can be further removed.
  • the sheathing can be removed, for example, by mechanical cutting or by laser ablation.
  • the chip whose dimensions do not or only slightly exceed those of the wires, which are preferably also arranged parallel to one another, is applied directly to the end faces of the wires, the chip does not protrude laterally beyond the wires, if at all.
  • the chip then represents, as it were, an extension of the wires with dimensions similar to the wires.
  • the dimensions of the sensor head that is to say of the chip with the wires attached therein, correspond approximately to the dimensions of the chip.
  • the contact points are L-shaped, with the chip being placed on the L-shaped contact points.
  • the end faces of the wires preferably function as contact points, which are then formed in an L-shape.
  • the previously described blunt ends of the wires can be partially flattened so that the end has a blade shape.
  • each wire in the flattened direction is negligible compared to the diameter of the wire.
  • the flattened side surfaces of the wire are shaped like airfoils.
  • the airfoil shaped surface provides a large contact area that can be attached to the chip. Thus, a stable and secure connection and electrical Contact made with low connection resistance between the chip and the wires.
  • the L-shaped surfaces of two wires can be attached to two opposite outer surfaces of the chip.
  • the chip can be placed between the wires, which further increases the stability of the sensor.
  • the dimensions of the sensor head roughly correspond to the dimensions of the chip in this embodiment as well.
  • the sensor head does not or hardly protrudes laterally over the wires and thus forms a kind of extension of the wires with similar dimensions. The sensor head can thus be easily inserted into an assembly with the wires.
  • the contact points are formed by exposing designated portions of the wire from an insulating sheath.
  • connection between the chip and the wires is made by soldering.
  • the contacts are formed using the smallest possible amount of solder.
  • the heat required for soldering is provided by the self-heating of the NTC thermistor ceramic when an electrical voltage is applied.
  • Solder paste is applied to wire ends of the wires to which the chip is to be soldered.
  • the solder paste can consist of different metals such as lead, tin, zinc, silver, copper, gold, antimony and bismuth.
  • the solder paste can preferably be lead-free.
  • the solder paste can be impregnated with a flux.
  • the chip can then be positioned in a horde between the wire ends wetted with solder paste. An electrical voltage is applied across the wires. When the electrical voltage is applied, the NTC thermistor ceramic of the chip heats up.
  • solder paste is melted by the self-heating of the chip and solidifies when it cools down. A soldered contact is generated in this way.
  • the amount of solder paste per solder connection is preferably so small that the solder connection has little or no influence on the lateral dimension of the sensor.
  • the amount of solder paste depends on the dimensions of the chip and the wire and is preferably between 0.1 mg and 10 mg.
  • soldered connections produced as described above have a very high strength.
  • the strength of the soldered connection can also be adjusted very precisely.
  • the soldered connection preferably withstands a maximum tensile force of 6 N (Newtons). More preferably, the soldered joint withstands a tensile force of 8N or less, or 10N or more.
  • the contacts between the chip and the contact points of the wires are formed using an electrically conductive adhesive.
  • the conductive adhesive comprises, for example, a polymer material in which electrically conductive particles, e.g., metal particles made of silver, are dispersed.
  • the contacts are formed using the smallest possible amount of adhesive.
  • the amount of adhesive is preferably so small that the adhesive has little or no influence on the lateral dimensions of the sensor.
  • the amount of adhesive per contact depends on the dimensions of the chip and the wire and is preferably between 0.1 mg and 10 mg.
  • the conductive adhesive is cured by the self-heating of the NTC thermistor ceramic when an electrical voltage is applied.
  • the electrical potential can be applied to the chip via the wires and bridges of conductive adhesive that form.
  • the application of an electrical voltage causes the NTC thermistor material to heat up.
  • a sensor head of the NTC sensor is encased in a polymer material.
  • the sensor head includes the chip and the contacts.
  • An encapsulation with a polymer material protects the sensor head, i.e. the chip with the connected wires, from external mechanical, chemical or physical influences.
  • the covering is preferably electrically insulating and not permeable to moisture.
  • the sensor head can comprise the chip, the contact points of the wires applied thereto, the contacts between chip and wires, which are formed by solder or a conductive adhesive, for example, and an encapsulation made of polymeric material.
  • the coating can be applied using various technologies such as immersion in a liquid polymer material, by covering a shrink tube or by melting a polymer powder applied to the sensor head in a fluidized bed.
  • the encapsulation can also be made by immersing the sensor head in a polymer powder and subsequent self-heating of the chip, similar to soldering or hardening of the glue can be obtained.
  • the last-mentioned method enables the formation of a particularly thin casing, which is formed with a minimum of material, but completely encloses the sensor head.
  • the encapsulation can be cured after application by the self-heating of the chip and a subsequent thermal treatment in the oven.
  • the lateral dimension of the sensor head including the encasing polymeric material in any direction perpendicular to the direction of extension of the wires is no more than twice the total dimension of the two wires in the same direction.
  • the lateral dimension of the sensor head including the encasing polymeric material in any direction perpendicular to the direction of extension of the wires is no greater than the total dimension of the two wires in the same direction.
  • the diameter of a wire is preferably no more than 0.3 mm and the sum of the two diameters is therefore no more than 0.6 mm.
  • the wires preferably run next to one another in a straight line.
  • the two wires can be designed as a permanently connected double wire.
  • the width of the two wires lying next to one another or of a double wire consisting of two wires lying next to one another and connected in the direction of extent is no more than 0.6 mm.
  • the width of the sensor head in the same direction perpendicular to the direction of extension of the wires is preferably not more than 1.3 mm regardless of the diameter of the wires.
  • the width of the sensor head is preferably not more than 1.2 mm, more preferably not more than 1 mm, and still more preferably not more than 0.8 mm.
  • the sensor head is no wider than the double wire or the two parallel wires.
  • the width of the sensor head is approximately 0.6 mm or exactly 0.6 mm or less than 0.6 mm.
  • the dimension of the sensor head perpendicular to the direction of extension of the wires and perpendicular to the width is not more than 1.3 mm, and preferably not more than 0.6 mm.
  • the specified dimension of the sensor head is particularly preferably not more than the wire diameter of 0.3 mm.
  • the need for sensors with very small dimensions that can be used in the miniaturized components is increasing.
  • the limiting factor here is usually the sensor head, which naturally has a greater extent than the connecting wires.
  • the entire sensor can be used simply by inserting the wires with the sensor head into the electronic components.
  • the invention also relates to a method for producing an NTC sensor.
  • the NTC sensor produced according to the method can have all or some of the features described above in relation to the NTC sensor. Furthermore, the sensor described above can have all the features described below and have been produced by means of the method described.
  • the process of manufacturing an NTC sensor involves several steps.
  • two wires having contact pads and a chip comprising an NTC thermistor ceramic are provided.
  • the chip is placed at the contact points of the wires such that the maximum lateral dimension of the NTC sensor in any direction perpendicular to the direction of extension of the wires is less than the sum of the lateral dimensions of the chip and the wires.
  • the maximum dimension of the NTC sensor is in a
  • Embodiment no larger than the dimension of the chip.
  • Dimension of the chip is in a preferred embodiment no greater than the dimension of the two wires in the same direction.
  • a mechanical connection and an electrical contact between the chip and the wires is formed by soldering or the application of conductive glue.
  • connection between the chip and the wires is made by soldering.
  • the heat required for soldering is provided by the self-heating of the NTC thermistor ceramic when an electrical voltage is applied.
  • the wires, on whose contact points solder paste is applied are brought into contact with the chip, preferably with the outer electrodes of the chip.
  • the solder paste can consist of different metals such as lead, tin, zinc, silver, copper, gold, antimony and bismuth.
  • the solder paste can preferably be lead-free. Furthermore, the solder paste can be impregnated with a flux.
  • solder paste is melted by the self-heating of the chip and solidifies when it cools down.
  • solder paste can be applied to the contact points of the wires, preferably by immersing the wires in a reservoir with solder paste be raised.
  • a metered amount of solder paste can be applied to the contact points using a dispensing device. The latter is particularly useful when the contact points are not positioned at one end of the wire but, for example, on the side of the wire.
  • the soldered connections produced as described above have a very high strength.
  • the strength of the brazed joints made by self-heating is higher than that of the conventional brazed joints for which the heat is applied from the outside.
  • the strength of the soldered connection can also be adjusted very precisely.
  • the soldered connection preferably withstands a maximum tensile force of 6 N (Newtons). More preferably, the soldered joint withstands a tensile force of 8N or less, or 10N or more.
  • connection and the electrical contacting between the chip and the contact points of the wires are produced by a conductive adhesive.
  • the conductive adhesive comprises a polymeric material in which electrically conductive particles, such as metal particles of silver, are dispersed.
  • the conductive adhesive is cured by the self-heating of the NTC thermistor ceramic when an electrical voltage is applied.
  • the application of an electrical voltage causes the NTC thermistor material to heat up. Due to the low but locally limited heat input, a firm connection between the chip and the wire can be established with a minimal amount of adhesive.
  • the wire ends are preferably briefly dipped into the adhesive so that some adhesive adheres to the contact points of the wires.
  • the contact points of the wires are then placed on the outer electrodes or on the outer metallization of the chip and the chip is heated.
  • electrical voltage can be applied to the chip via the wires and the material bridge made of conductive adhesive.
  • the thermally curable adhesive hardens as a result of the heating and a firm mechanical and electrically conductive connection is established between the wire and the chip.
  • the conductive adhesive is cured by exposure to UV light.
  • a UV-curable adhesive is used instead of a thermally curable adhesive. Otherwise, the procedure can be followed as in the previously described embodiment. An external source of UV radiation is then required to cure the adhesive.
  • the wires are arranged in parallel. There are several along the wires Contact points formed by exposing the respective wire from an insulating sheath.
  • a chip is placed on each of the contact points and the wires are then severed between the individual chips so that several NTC sensors are obtained.
  • the chip can also be applied laterally to the wires and contacted. This is especially useful for series production of NTC sensors directly from a wire spool.
  • the wire coil is unrolled by a defined section.
  • the pads are then cut out of the insulating jacket and the chips are placed on the pads.
  • the wires between the chips are then cut to obtain the individual sensors.
  • two adjacent contact points on the two wires must be uncovered.
  • the casing is preferably removed in such a way that the entire chip can be embedded in the remaining casing and rests directly on the two contact points.
  • the entire chip can rest directly on the metallic wires.
  • the sensor head has dimensions that do not or hardly exceed the dimensions of the chip.
  • the wires are preferably arranged next to one another in a straight line.
  • a pair of the contact points are arranged side by side along the wires, one on each of the two wires.
  • a chip can be placed on each pair of pads.
  • Correspondingly designed wires enable series production of the NTC sensors.
  • Wires can be two adjacent single wires, a double wire, or a partially unwound coil of wire.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the NTC sensor.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of the NTC thermistor chip.
  • 3 shows a second embodiment of the NTC sensor.
  • 5 shows a fourth exemplary embodiment of the NTC sensor.
  • 6 shows an exemplary embodiment of an NTC sensor with an encapsulation.
  • a first exemplary embodiment of the NTC sensor 100 is shown in FIG.
  • the chip 1 comprises an NTC thermistor material.
  • NTC stands for Negative Temperature Coefficient. This means that the thermistor material has a lower electrical resistance at higher temperatures (thermistor).
  • the chip 1 is shown in FIG. 2 and has a cuboid structure.
  • the chip measures a maximum of 0.6 mm in length L and 0.3 mm in width W and 0.33 mm in height H.
  • the chip is electrically contacted by external electrodes 3 at the two ends in the longitudinal direction.
  • the outer electrodes 3 are preferably placed in the shape of a cap on the two ends in the longitudinal direction.
  • the outer electrodes 3 include metallization layers made of silver, for example, which are applied, for example, using a dipping process with subsequent firing.
  • Ni-Sn layers can be applied galvanically.
  • the chip 1 is designed as a ceramic multi-layer component with internal electrodes.
  • a metallic inner electrode is arranged between each two ceramic layers.
  • the inner electrodes are preferably alternately electrically contacted by the two outer electrodes 3 .
  • the electrical resistance of such a multilayer component can be adjusted very precisely.
  • the resistance tolerance i.e. the possible deviation of the resistance from a specified, desired electrical resistance at a nominal temperature, is less than 1%.
  • the chip 1 can comprise a monolithic NTC ceramic block in an exemplary embodiment that is not shown here.
  • the NTC ceramic block has no internal electrodes and is easy to manufacture.
  • External electrodes 3 are applied to the NTC ceramic block on two opposite sides, which preferably each cover the entire side surface of the ceramic block and via which the NTC ceramic block can be electrically contacted.
  • the wires 2 are, for example, silver-plated nickel wires, copper wires, stranded copper wires, Ni-Fe or Cr-Ni wires with a Cu, Ag or Pt sheath.
  • the wires 2 are preferably encased in an electrically insulating sheath 4 .
  • the casing 4 consists of an electrically non-conductive polymer material such as perfluoroalkoxyalkane (PFA), Teflon, polyurethane (PU), polyamide (PA), polyimide (PI), silicone, polyester, polyacrylate, epoxy polymers, resins or epoxy resins.
  • PFA perfluoroalkoxyalkane
  • PU polyurethane
  • PA polyamide
  • PI polyimide
  • silicone polyester, polyacrylate, epoxy polymers, resins or epoxy resins.
  • the two wires 2 have blunt ends 5 at their end faces, at which the electrically conductive wires are exposed.
  • the butt ends 5 thus represent contact points to which the chip 1 is attached.
  • the blunt ends 5 of the wires 2 are immersed in a solder paste and small amounts of solder paste are thus applied to the blunt ends 5 of the wires 2 .
  • the blunt ends 5 of the wires 2 with the applied solder paste are then arranged on the two opposite outer electrodes 3 of the chip 1 .
  • the method described enables the application of the smallest amounts of solder paste that are required as a minimum in order to obtain a reliable connection between the chip 1 and the wires 2.
  • the dimensions of the sensor head, which includes the chip 1 and the connecting wires 2, can be minimized in this way.
  • the chip 1 is glued onto the contact points of the wires 2.
  • the blunt ends 5 of the wires 2 are immersed in a thermally curable adhesive.
  • the blunt ends 5 of the wires are applied to the outer electrodes 3 of the chip 1 .
  • the chip 1 is heated and the thermally curable adhesive is cured.
  • the chip 1 is also glued onto the contact points of the wires 2.
  • the blunt ends 5 of the wires 2 are immersed in a UV-curable adhesive.
  • the blunt ends 5 of the wires 2 are applied to the outer electrodes 3 of the chip 1 .
  • the adhesive is then hardened by exposure to UV light.
  • the adhesive is electrically conductive.
  • examples of such adhesives are polymer-based adhesives that contain electrically conductive metallic particles such as silver particles. The method described allows the application of minimal amounts of adhesive to produce the connection between chip 1 and wires 3, so that the dimensions of the sensor head can be minimized.
  • the geometry of the sensor head is optimized by suitably dimensioning the chip 1 and by arranging the chip 1 on the wires 2 in an advantageous manner.
  • a chip 1 is used that is no longer than the sum of the two diameters of the two adjacent wires 2 and is no wider than the diameter of a wire 2.
  • the length L is understood here and below as the dimension of the chip 1 between the two outer electrodes 3 .
  • This direction of expansion corresponds to the direction in which the two wires 2 lie side by side.
  • width W of chip 1 the direction of extension of the contact areas between chip 1 and wire 2 perpendicular thereto.
  • the height H denotes the direction perpendicular to the contact surface.
  • the chip 1 is positioned here on the blunt ends 5 of the two adjacent wires 2 . Due to the dimensions of the chip 1, it does not protrude beyond the wires 2 either in length or in width. The sensor head is therefore no longer or wider than the rest of the double wire 2.
  • Figure 3 and Figure 4 show a second and third embodiment of the NTC sensor 100. Features of the second and third embodiment that match the first embodiment are not explicitly described.
  • the wires 2 have L-shaped ends 6 in the second and third exemplary embodiment.
  • the end faces of the wires are not blunt, but formed into a blade.
  • L-shaped here means that the wires 2 are flattened at their ends.
  • the flat sections of the wires 2 therefore have a geometry that is similar to an airfoil.
  • the L-shaped ends 6 of the wires 2 can be applied laterally to the outer electrodes 3 of the chip 1.
  • the L-shaped ends 6 have the advantage over the blunt ends 5 of the wires 2 that the contact surfaces between the wires 2 and the chip 1 are larger.
  • the L-shaped ends 6 of the wires 2 can either be placed on the cap-shaped outer electrodes 3 at two opposite ends, as shown in FIG. 3, or contact them from the same side, as shown in FIG.
  • both outer electrodes 3 must be present on one side surface of chip 1 .
  • the exact arrangement depends primarily on practicality during production.
  • the L-shaped ends 6 of the wires 2 have very small dimensions, which are negligible compared to the diameter of the non-remaining, non-flattened portions of the wires 2.
  • the sensor head thus has hardly any larger dimensions than the dimensions along the rest of the double wire 2 .
  • the contact surfaces between the wires and the chip can be made sufficiently large for reliable contacting with a low connection resistance to be achieved.
  • the large contact areas also increase the mechanical stability of the sensor. If the chip is arranged between the wires as shown in FIG. 4, the mechanical stability of the sensor can be further improved.
  • FIG. 5 shows a fourth exemplary embodiment of the NTC sensor 100.
  • the wires 2 in the fourth exemplary embodiment are not yet cut to their final size, but are present as a complete wire coil 200 .
  • a section with a defined length is unwound from the wire coil 200 in each case.
  • Contact points 7 are then exposed laterally on the wires 2 by removing the insulating sheathing 4 at the contact points 7 down to the electrically conductive wire 2 . Two adjacent contact points 7 are always exposed on both wires 2 .
  • the casing 4 is preferably removed in such a way that the entire chip 1 can be applied directly to the wires 2 and the sensor head comprising the wires 2 and the chip 1 does not have unnecessarily large dimensions.
  • the chip 1 can be attached to the wires 2 both by gluing and by soldering.
  • small amounts of solder paste or adhesive are preferably applied to the exposed contact points 7 by means of a dispenser device.
  • the chips 1 can then be applied to the contact points 7 .
  • By applying an electrical voltage the connections to all the chips 1 applied to the wires 2 can then be soldered simultaneously or the adhesive can be hardened simultaneously.
  • the double wires 2 with chips 1 are each connected between the chips 1 severed in order to obtain the desired individual sensors 100 .
  • the sensor head is encased by a polymer material for protection against external mechanical influences, for protection against dirt, for protection against moisture and for electrical insulation.
  • FIG. 6 shows an exemplary NTC sensor with casing 8.
  • the dimensions of the sensor shown in FIG. 6 in the direction in which wires HL and CL extend and the dimensions perpendicular thereto are only to be understood as examples and do not necessarily correspond to the dimensions of the NTC sensor according to the invention.
  • the dimension HL is the dimension of the sensor head from the wire ends in the extending direction of the wires.
  • the dimension CL is the dimension of the entire case 8 around the sensor head and the wires in the direction of extension of the wires.
  • the dimension HD is the diameter of the rotationally symmetrical covering in a direction perpendicular to the direction in which the wires extend.
  • the wrapping is performed after the chip 1 is connected to the wires 2.
  • the polymeric material can be applied using various methods.
  • the sensor head can be immersed in a reservoir made of polymer powder and then itself be heated by applying an electrical voltage. This melts the polymer powder and forms a thin polymer coating around the sensor head.
  • a very thin cover 8 can be formed by this method, and the dimensions of the sensor head can thus be further minimized.
  • the lateral dimension of the sensor head HD including the enveloping polymeric material 8 in any direction perpendicular to the direction of extension of the wires is no more than twice the total dimension of the two wires in the same direction, and more preferably no more than the total dimension of the two wires in the same direction .
  • thermal post-treatment can be carried out in an oven to increase the degree of curing.
  • the sensor heads are immersed in already liquefied polymeric material to form the envelope 8 . After immersion, the cover 8 must be cured.
  • a heat-shrinkable tube is slipped over the sensor head and caused to shrink in the oven by supplying heat.
  • the shrinkage can be set in such a way that the sensor heads are completely and tightly encased.
  • a polymer powder is electrostatically charged and fluidized in a fluidized bed by supplying a gas stream. The electrostatically charged powder particles stick to the sensor head immersed in the fluid bed and can then be heated in the oven, melted and then hardened.
  • the polymer coating can be applied around the sensor head in a mass production process before the individual NTC sensors 100 are separated by separating the wires 2 from a wire coil 200 .

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen NTC-Sensor (100) umfassend einen Chip (1), zwei parallele Drähte (2) jeweils aufweisend Kontaktstellen (5, 6, 7) und Kontaktierungen zwischen dem Chip (1) und den Kontaktstellen (5, 6, 7) jeder der Drähte (2), wobei eine maximale laterale Abmessung des NTC-Sensors in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte (2) gleich oder geringer ist als die Summe der lateralen Abmessungen des Chips (1) und der Drähte (1). Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines NTC-Sensors (100).

Description

Beschreibung
NTC-Sensor und Verfahren zur Herstellung eines NTC-Sensors
Die vorliegende Erfindung betrifft einen NTC-Sensor und ein Verfahren zur Herstellung von NTC-Sensoren.
Bisher verfügbare NTC-Thermistor-Temperatursensoren mit Kunststoffbeschichtung werden mit konventionellen Montage- und Beschichtungstechnologien hergestellt.
Der elektrische Widerstand einer NTC-Thermistor-Keramik ändert sich bei wechselnden Temperaturen. Insbesondere nimmt der Widerstand des NTC-Thermistors mit steigenden Temperaturen ab. NTC steht hierbei für Negative Temperature Coefficient (Negativer Temperatur-Koeffizient). NTC- Thermistoren werden auch als Heißleiter bezeichnet.
Die NTC-Thermistor-Keramik wird über Anschlussdrähte in einen Stromkreis eingebunden. Über die Änderung des Widerstandes im Stromkreis kann somit indirekt die Temperatur des NTC- Thermistors gemessen werden. Da die Temperatur des NTC- Thermistors in der Regel von der Umgebungstemperatur abhängt, kann so auch die Umgebungstemperatur gemessen werden. Ein Kunststoffgehäuse kann den Thermistor vor Umwelteinflüssen schützen, sollte aber, um ein Messen der Umgebungstemperatur zu ermöglichen, gut wärmeleitend sein.
Beispiele für NTC-Thermistorelemente sind aus dem Dokument DE 10 2005 017 816 Al bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannten NTC-Sensoren und Verfahren zur Herstellung von NTC-Sensoren zu verbessern.
Die definierte Aufgabe kann zumindest teilweise durch einen erfindungsgemäßen NTC-Sensor gelöst werden. Der NTC-Sensor umfasst einen Chip, zwei parallele Drähte, die jeweils Kontaktstellen aufweisen, und Kontaktierungen zwischen dem Chip und den Kontaktstellen jeder der Drähte.
Eine maximale laterale Abmessung des NTC-Sensors in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte ist hierbei gleich oder geringer als die Summe der lateralen Abmessungen des Chips und der Drähte.
Als Erstreckungsrichtung wird die Richtung, in der die Drähte verlaufen, bezeichnet. Die Drähte sind parallel nebeneinander und bevorzugt geradlinig angeordnet.
Die Drähte können isolierende Ummantelungen aufweisen. Die Drähte können unmittelbar aneinander anliegen oder beabstandet sein. Es kann sich um zwei einzelne Drähte oder einen Doppeldraht handeln, in dem die isolierenden Ummantelungen zweier Drähte unmittelbar verbunden sind.
Die Drähte weisen Kontaktstellen auf, an denen die elektrisch leitenden Drähte keine isolierende Ummantelung aufweisen.
Dies können beispielsweise die Drahtenden sein oder Stellen seitlich an den Drähten, an denen die isolierende Ummantelungen gezielt entfernt wurden.
Die Chips sind an den Kontaktstellen der Drähte angeordnet. Der Chip kann so angeordnet sein, dass die maximale Abmessung des Chips senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte gerichtet ist. Diese Anordnung wird erreicht, indem die beiden Kontaktstellen nebeneinander auf zwei parallel verlaufenden Drähten ausgebildet sind. Zwischen dem Chip und den Drähten sind sowohl mechanische Verbindungen als auch elektrische Kontaktierungen ausgebildet .
Bevorzugt weist der Chip Außenelektroden zur elektrischen Kontaktierung auf, die mit den Drähten verbunden sind. Die Verbindung bzw. die Kontaktierung zwischen Chip und Drähten wird entweder durch Löten oder durch das Aufbringen von leitfähigem Kleber hergestellt.
Wie oben beschrieben, ist die maximale laterale Abmessung des NTC-Sensors in jeder Richtung gleich oder geringer ist als die Summe der lateralen Abmessungen des Chips und der Drähte.
Als laterale Abmessung wird jede Abmessung des NTC-Sensors in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der beiden parallel verlaufenden Drähte bezeichnet.
Aufgrund einer gezielten Kontaktierung mit geringen Mengen an Kontaktierungsmaterial wie Lot oder Kleber und einer vorteilhaften Anordnung des Chips an den Drähten kann die äußere Abmessung des NTC-Chips wie beschrieben reduziert werden. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass der NTC- Sensor einfach durch Einführkanäle mit geringen Abmessung in Baugruppen mit geringen Abmessung eingeführt werden kann.
Als Einführkanal wird hierbei insbesondere der freiliegende Weg zwischen der Außenseite einer Baugruppe und der Stelle in der Baugruppe, an der der Sensor verbaut werden soll, bezeichnet. Die Abmessung des freiliegenden Querschnitts des Einführkanals kann somit sehr gering gewählt werden. Die gesamte Baugruppe kann möglichst klein ausgeführt werden, was Platz und Kosten reduziert. Gemäß einer Ausführungsform ist die maximale laterale Abmessung des NTC-Sensors nicht größer oder nur geringfügig größer als eine laterale Abmessung des Chips in derselben Richtung .
Dies kann durch eine vorteilhafte Anordnung des Chips an den Drähten erreicht werden. Weiterhin kann dies durch eine vorteilhafte Kontaktierung mit geringen Mengen an Kontaktierungsmaterial wie Lot oder Kleber erreicht werden.
Der Chip ist in dieser Ausführungsform beim Einschieben des NTC-Sensors durch einen Einführungskanal in seine Einbausituation in einer Baugruppe die limitierende Komponente. Wird der Chip mit möglichst geringen Abmessungen ausgeführt, kann auch die Größe des NTC-Sensors minimiert werden.
In einer Ausführungsform ist die laterale Abmessung des Chips in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte nicht größer als die Abmessung der beiden Drähte in derselben Richtung.
So ist in der Richtung, in der die beiden Drähte nebeneinanderliegen, die Abmessung des Chips nicht größer als die Summe der Durchmesser der Drähte. Die Drähte liegen bevorzugt direkt aneinander an, sodass die Abmessung des NTC- Sensors in der lateralen Richtung nicht größer ist als die Abmessung des Chips.
In der hierzu senkrechten Richtung, in der die Drähte nicht nebeneinanderliegen, ist die laterale Abmessung des Chips nicht größer als der Durchmesser eines der Drähte. Die Drähte weisen bevorzugt in allen Ausführungsformen beide denselben Durchmesser auf.
In einer Ausführungsform ist die laterale Abmessung des Chips in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte geringer als die Abmessung der beiden Drähte in derselben Richtung.
Die Durchmesser der Drähte werden jeweils inklusive einer möglichen isolierenden Ummantelung gemessen.
Die maximale Abmessung des Chips ist nicht größer als die Summe der Durchmesser der beiden Drähte. Somit weist ein Sensorkopf umfassend den Chip mit den aufgebrachten Drähten eine Abmessung auf, die sich bevorzugt kaum von den Abmessungen der übrigen Abschnitte der Drähte unterscheidet. Der Sensorkopf ist in der Regel der Abschnitt des Sensors mit den breitesten Abmessungen. Der beschriebene Sensor mit sehr kleinem Sensorkopf kann daher problemlos auch in sehr kleine Baugruppen, in welche die Drähte durch Kanäle eingeführt werden können, wie beispielsweise in Batterien, eingebaut werden.
In einer Ausführungsform weist der Chip eine maximale Ausdehnung von 0,6 mm auf.
Eine typische Abmessung der Drähte mit umgebender Ummantelung beträgt 0,3 mm. Zwei direkt nebeneinanderliegende Drähte bzw. ein Doppeldraht weisen somit eine Breite von 0,6 mm auf. Wird an den Kopfenden der Drähte der Chip mit einer maximalen Ausdehnung von 0,6 mm angebracht und der Chip geeignet orientiert, ist somit sichergestellt, dass der Chip nicht seitlich über die Drähte herausragt. Der Sensorkopf weist somit kaum oder nur geringfügig größere Abmessungen als die Drähte auf.
Im Falle von Drähten geringerer oder größerer Durchmesser kann der Chip entsprechend geringere oder größere Abmessungen aufweisen, wobei das Abmessungsverhältnis zwischen Chip und Drähten erhalten bleiben soll.
Der Chip ist bevorzugt quaderförmig ausgeführt. Die maximale Ausdehnung des Chips beträgt 0,6 mm. Die Ausdehnung des Chips in einer lateralen Richtung senkrecht zur maximalen Ausdehnungsrichtung beträgt maximal 0,3 mm. Wird der Chip in geeigneter Orientierung an das Kopfende zweier nebeneinanderliegender Drähte mit einem Durchmesser von jeweils 0,3 mm angebracht, ragt der Chip somit seitlich nicht über die Drähte hinaus.
Die Ausdehnung des Chips entlang einer dritten Richtung, die senkrecht zur Kontaktfläche zwischen Chip und Drähten steht, also entlang der Erstreckungsrichtung der Drähte, kann variabel sein, weist jedoch bevorzugt eine maximale Ausdehnung von 0,33 mm auf.
In einer Ausführungsform ist der Chip ein keramisches Vielschichtbauteil mit Innenelektroden.
Das Vielschichtbauteil besteht aus mehreren NTC-Thermistor- Keramikschichten zwischen denen metallische Innenelektroden vorgesehen sind. Der elektrische Widerstand eines solchen Vielschichtbauteils kann sehr genau definiert werden. So können Widerstandstoleranzen von unter 1 % erzielt werden. Der Widerstand des NTC-Materials ist von der Temperatur abhängig. Bei größeren Temperaturen sinkt der Widerstand (Heißleiter). Das Verhalten des Widerstands in Abhängigkeit der Temperatur wird über Widerstands-Temperatur-Kennlinien wiedergegeben. Die Widerstandstoleranz kann für eine Nenntemperatur so eingestellt werden, dass sie einen Wert von 1 % nicht übersteigt.
In der beschriebenen Ausführungsform können die Innenelektroden durch Außenelektroden auf den Oberflächen des Chips elektrisch kontaktiert werden. Die Außenelektroden sind bevorzugt an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Chips aufgebracht. Die Außenelektroden können kappenförmig ausgestaltet sein und verschiedene Seitenflächen des Chips bedecken. Bevorzugt sind die im Vielschichtbauteil gestapelten Innenelektroden jeweils abwechselnd mit den beiden entgegengesetzt positionierten Außenelektroden verbunden.
Die Außenelektroden umfassen Metallisierungsschichten beispielsweise aus Silber, die beispielsweise über einen Tauchprozess mit anschließendem Einbrennen aufgebracht werden. Zusätzlich können Ni-Sn (Nickel-Zinn)-Schichten galvanisch aufgetragen werden. Die Ni-Sn-Schichten werden bevorzugt außen auf die Metallisierungsschichten aus Silber aufgetragen .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Chip eine monolithische NTC-Thermistor-Keramik. Die Keramik im Chip kann also als durchgehender Monolith geformt sein. Innerhalb der Keramik sind keine weiteren Komponenten wie Innenelektroden vorhanden. Ein solcher Chip kann sehr einfach bereitgestellt werden. Zur Kontaktierung des Chips sind auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen Außenelektroden vorhanden .
In einer Ausführungsform sind die zwei Drähte parallel angeordnet und verlaufen bevorzugt geradlinig nebeneinander.
Im Falle von ummantelten Drähten, können die isolierenden Ummantelungen der Drähte direkt aneinander anliegen.
Aneinander anliegende Drähte benötigen beim Einbau in eine elektronische Baugruppe weniger Platz als beabstandet angeordnete Drähte. Der Chip mit den zuvor beschriebenen Abmessungen kann durch zwei aneinander anliegende Drähte einfach kontaktiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich nicht um zwei einzelne Drähte, sondern um einen Doppeldraht, bei dem die Ummantelungen der zwei Drähte fest verbunden sind. Ein solcher Doppeldraht ist im Herstellungsprozess einfacher zu handhaben als einzelne Drähte.
In einer Ausführungsform fungieren die Stirnflächen der Drähte als Kontaktstellen, auf die der Chip aufgesetzt ist.
Die Stirnflächen der Drähte können als stumpfe Enden der Drähte ausgeführt sein. Ein stumpfes Ende entsteht beispielsweise, wenn ein Draht quer zu seiner Längsrichtung zertrennt wird. An diesem stumpfen Ende liegt der metallische, elektrisch leitende Draht von der isolierenden Ummantelung frei.
Gegebenenfalls kann die Ummantelung um die Stirnflächen an den Drahtenden weiter entfernt sein. Die Ummantelung kann beispielsweise durch mechanisches Schneiden oder durch Laserablation entfernt werden.
Wird der Chip, dessen Abmessungen die der Drähte, die weiterhin bevorzugt parallel nebeneinander angeordnet sind, nicht oder nur kaum übersteigt, direkt auf die Stirnflächen der Drähte aufgebracht, ragt der Chip nicht oder nur kaum seitlich über die Drähte hinaus. Der Chip stellt dann quasi eine Verlängerung der Drähte mit ähnlichen Abmessungen wie die Drähte dar. Die Abmessungen des Sensorkopfes, also des Chips mit darin angebrachten Drähten, entsprechen also in etwa den Abmessungen des Chips. Somit kann der Sensorkopf einfach zusammen mit den Drähten in eine Baugruppe eingeführt werden.
In einer Ausführungsform sind die Kontaktstellen L-förmig ausgebildet, wobei der Chip auf die L-förmigen Kontaktstellen aufgesetzt wird.
Bevorzugt fungieren die Stirnflächen der Drähte als Kontaktstellen, die dann L-förmig ausgebildet sind. Hierzu können die zuvor beschriebenen stumpfen Enden der Drähte teilweise abgeflacht sein, sodass das Ende eine Schaufelform aufweist.
Die Abmessungen jedes Drahtes in der abgeflachten Richtung sind im Vergleich zum Durchmesser des Drahtes vernachlässigbar. Die abgeflachten Seitenflächen des Drahtes sind ähnlich wie Schaufelblätter geformt.
Die wie ein Schaufelblatt geformte Fläche bietet eine große Kontaktflache, die an dem Chip angebracht sein kann. Somit wird eine stabile und sichere Verbindung und elektrische Kontaktierung mit niedrigem Anschlusswiderstand zwischen dem Chip und den Drähten hergestellt.
Insbesondere können die L-förmigen - wie ein Schaufelblatt geformten - Flächen zweier Drähte an zwei entgegengesetzten Außenflächen des Chips angebracht sein. Somit kann der Chip zwischen den Drähten angeordnet sein, was die Stabilität des Sensors weiter erhöht.
Aufgrund der Abflachung des Drahtes entsprechen die Abmessungen des Sensorkopfes auch in dieser Ausführungsform in etwa den Abmessungen des Chips. Bei geeignet gewählten Chipabmessungen ragt der Sensorkopf nicht oder kaum seitlich über die Drähte hervor und bildet somit quasi eine Verlängerung der Drähte mit ähnlichen Abmessungen. Der Sensorkopf kann somit einfach mit den Drähten in eine Baugruppe eingeführt werden.
In einer Ausführungsform sind die Kontaktstellen gebildet, indem dafür vorgesehener Abschnitte des Drahtes aus einer isolierenden Ummantelung freigelegt sind.
In einer Ausführungsform wird die Verbindung zwischen Chip und Drähten durch Löten hergestellt.
In einer Ausführungsform sind die Kontaktierungen mittels einer möglichst geringen Menge an Lot gebildet.
In einer Ausführungsform wird die für das Löten benötigte Wärme durch die Selbsterhitzung der NTC-Thermistor-Keramik bei Anlegen einer elektrischen Spannung bereitgestellt. Auf Drahtenden der Drähte, an welchen der Chip verlötet werden soll, wird Lotpaste aufgetragen. Die Lotpaste kann aus verschiedenen Metallen wie Blei, Zinn, Zink, Silber, Kupfer, Gold, Antimon und Wismut bestehen. Vorzugsweise kann die Lotpaste bleifrei sein. Weiterhin kann die Lotpaste mit einem Flussmittel imprägniert sein.
Anschließend kann der Chip in einer Horde zwischen den mit Lotpaste benetzten Drahtenden positioniert werden. Über die Drähte wird eine elektrische Spannung angelegt. Durch das an Anlegen der elektrischen Spannung erwärmt sich die NTC- Thermistor-Keramik des Chips.
Durch das Selbsterhitzen des Chips wird die Lotpaste aufgeschmolzen und verfestigt sich beim anschließenden Abkühlen. Eine gelötete Kontaktierung wird so generiert.
Durch die geringe, aber lokal begrenzte Wärmezufuhr beim Selbsterhitzen des Chips wird die Herstellung von Lötverbindungen mit dem Einsatz von minimalen Mengen an Lotpaste ermöglicht. Die Abmessungen des Sensorkopfes, umfassend den Chip und die daran gelöteten Drahtenden, kann so minimiert werden.
Die Menge an Lotpaste je Lötverbindung ist bevorzugt so gering, dass die Lötverbindung keinen oder kaum Einfluss auf die laterale Abmessung des Sensors hat. Die Menge an Lotpaste hängt von den Abmessungen des Chips und des Drahts ab und beträgt bevorzugt zwischen 0,1 mg und 10 mg.
Die wie zuvor beschrieben hergestellten Lötverbindungen weisen eine sehr hohe Festigkeit auf. Insbesondere ist die Festigkeit der durch Selbsterhitzen hergestellten Lötverbindungen höher als die von herkömmlichen Lötverbindungen, zu deren Herstellung die Wärme von außen zugeführt wird.
Die Festigkeit der Lötverbindung ist weiterhin sehr genau einstellbar. Bevorzugt hält die Lötverbindung einer Zugkraft von maximal 6 N (Newton) stand. Noch bevorzugter hält die Lötverbindung einer Zugkraft von maximal 8 N oder maximal 10 N oder mehr stand.
In einer Ausführungsform sind die Kontaktierungen zwischen dem Chip und den Kontaktstellen der Drähte mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers gebildet. Der leitfähige Kleber umfasst beispielsweise ein Polymermaterial, in dem elektrisch leitfähige Partikel z.B. Metallpartikel aus Silber verteilt sind.
In einer Ausführungsform sind die Kontaktierungen mittels einer möglichst geringen Menge an Kleber gebildet.
Die Menge an Kleber ist bevorzugt so gering, dass der Kleber keinen oder kaum Einfluss auf die laterale Abmessung des Sensors hat. Die Menge an Kleber je Kontaktierung hängt von den Abmessungen des Chips und des Drahts ab und beträgt bevorzugt zwischen 0,1 mg und 10 mg.
In einer Ausführungsform wird der leitfähige Kleber durch die Selbsterhitzung der NTC-Thermistor-Keramik bei Anlegen einer elektrischen Spannung gehärtet.
Ähnlich wie oben in Bezug auf das Löten beschrieben, kann die elektrische Spannung über die Drähte und sich bildende Brücken aus leitfähigem Kleber an den Chip angelegt werden. Das Anlegen einer elektrischen Spannung führt zur Erwärmung des NTC-Thermistor-Materials.
Durch die geringe aber lokal begrenzte Wärmezufuhr kann eine feste Verbindung zwischen Chip und Draht mit einer minimalen Menge an Kleber hergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Sensorkopf des NTC- Sensors von einem Polymermaterial umhüllt. Der Sensorkopf umfasst den Chip und die Kontaktierungen.
Eine Umhüllung mit einem Polymermaterial schützt den Sensorkopf, also den Chip mit angeschlossenen Drähten vor äußeren mechanischen, chemischen oder physikalischen Einflüssen. Die Umhüllung ist bevorzugt elektrisch isolierend und nicht feuchtigkeitsdurchlässig.
Der Sensorkopf kann den Chip, die daran aufgebrachten Kontaktstellen der Drähte, die Kontaktierungen zwischen Chip und Drähten, die zum Beispiel durch Lot oder einen leitfähigen Kleber gebildet werden, und eine Umhüllung aus Polymermaterial umfassen.
Die Umhüllung kann mittels verschiedener Technologien wie beispielsweise durch Eintauchen in ein flüssiges Polymermaterial, durch das Überziehen eines SchrumpfSchlauches oder durch das Schmelzen eines im Fluidbett auf den Sensorkopf aufgebrachten Polymerpulvers aufgetragen werden.
Alternativ kann die Umhüllung auch durch das Eintauchen des Sensorkopfes in ein Polymerpulver und anschließender Selbsterhitzung des Chips ähnlich wie beim Löten oder Härten des Klebers erhalten werden. Das letztgenannte Verfahren ermöglicht die Bildung einer besonders dünnen Umhüllung, die mit minimalem Materialaufwand gebildet wird, den Sensorkopf jedoch lückenlos umschließt.
Alternativ kann die Umhüllung nach dem Aufbringen durch die Selbsterhitzung des Chips und einer nachgelagerten thermischen Behandlung im Ofen ausgehärtet werden.
In einer Ausführungsform beträgt die laterale Abmessung des Sensorkopfs einschließlich des umhüllenden Polymermaterials in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte nicht mehr als das Doppelte der gesamten Abmessung der beiden Drähte in derselben Richtung.
In einer Ausführungsform ist die laterale Abmessung des Sensorkopfs einschließlich des umhüllenden Polymermaterials in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte nicht größer ist als die gesamte Abmessung der beiden Drähte in derselben Richtung.
Bevorzugt beträgt der Durchmesser eines Drahtes nicht mehr als 0,3 mm und die Summer der beiden Durchmesser somit nicht mehr als 0,6 mm.
Bevorzugt verlaufen die Drähte geradlinig nebeneinander. Die beiden Drähte können als fest verbundener Doppeldraht ausgeführt sein. Somit beträgt die Breite der zwei nebeneinanderliegenden Drähte bzw. eines Doppeldrahtes bestehend aus zwei in Erstreckungsrichtung nebeneinanderliegenden und verbundenen Drähten nicht mehr als 0,6 mm. Der Breite des Sensorkopfes beträgt in derselben Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte bevorzugt nicht mehr als 1,3 mm unabhängig vom Durchmesser der Drähte.
Im Falle einer Breite des Doppeldrahtes von 0,6 mm beträgt die Breite des Sensorkopfes bevorzugt nicht mehr als 1,2 mm, bevorzugter nicht mehr als 1 mm und noch bevorzugter nicht mehr als 0,8 mm.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Sensorkopf nicht breiter als der Doppeldraht bzw. die beiden parallelen Drähte.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Breite des Sensorkopfes circa 0,6 mm oder genau 0,6 mm oder weniger als 0,6 mm.
Die Abmessung des Sensorkopfes senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte und senkrecht zur Breite beträgt nicht mehr als 1,3 mm und bevorzugt nicht mehr als 0,6 mm. Besonders bevorzugt beträgt die genannte Abmessung des Sensorkopfes nicht mehr als der Drahtdurchmesser von 0,3 mm.
Durch die zunehmenden Miniaturisierung elektrischer und elektronischer Bauteile und die zunehmende Automatisierung steigt der Bedarf an Sensoren mit sehr geringen Abmessungen, die in den miniaturisierten Bauteilen eingesetzt werden können. Begrenzend ist hierbei in der Regel der Sensorkopf, der naturgemäß eine größere Ausdehnung als die Anschlussdrähte aufweist. Durch eine Minimierung der Abmessungen des Sensorkopfes, die dann bevorzugt nicht mehr die Abmessungen der übrigen Drähte übertreffen, kann der gesamte Sensor einfach durch das Einführen der Drähte mit Sensorkopf in die elektronischen Bauteile eingesetzt werden.
Mögliche Einsatzgebiete sind Batterien und Akkumulatoren beispielsweise im Automobil- oder Industriebereich.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines NTC-Sensors. Der verfahrensgemäß hergestellte NTC-Sensor kann alle oder einzelne der zuvor in Bezug auf den NTC-Sensor beschriebenen Merkmale aufweisen. Ferner kann der zuvor beschriebene Sensor alle im Folgenden beschriebenen Merkmale aufweisen und mittels des beschriebenen Verfahrens hergestellt worden sein.
Das Verfahren zur Herstellung eines NTC-Sensors umfasst mehrere Schritte.
In einem Schritt werden zwei Drähte, die Kontaktstellen aufweisen, und ein Chip, der eine NTC-Thermistor-Keramik umfasst, bereitgestellt.
Der Chip wird an den Kontaktstellen der Drähte angeordnet, sodass die maximale laterale Abmessung des NTC-Sensors in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte geringer ist als die Summe der lateralen Abmessungen des Chips und der Drähte.
Die maximale Abmessung des NTC-Sensors ist in einer
Ausführungsform nicht größer als die Abmessung des Chips. Die
Abmessung des Chips ist in einer bevorzugten Ausführungsform nicht größer als die Abmessung der beiden Drähte in derselben Richtung .
Eine mechanische Verbindung und eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Chip und den Drähten wird durch Löten oder das Aufbringen von leitfähigem Kleber ausgebildet.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Verbindung zwischen Chip und Drähten durch Löten hergestellt.
In einer Ausführungsform wird die für das Löten benötigte Wärme durch die Selbsterhitzung der NTC-Thermistor-Keramik bei Anlegen einer elektrischen Spannung bereitgestellt.
Hierzu werden die Drähte, auf deren Kontaktstellen Lotpaste aufgetragen ist, mit dem Chip, bevorzugt mit den Außenelektroden des Chips, in Kontakt gebracht.
Die Lotpaste kann aus verschiedenen Metallen wie Blei, Zinn, Zink, Silber, Kupfer, Gold, Antimon und Wismut bestehen. Vorzugsweise kann die Lotpaste bleifrei sein. Weiterhin kann die Lotpaste mit einem Flussmittel imprägniert sein.
Anschließend wird über die Drähte eine elektrische Spannung an den Chip angelegt. Durch das an Anlegen der elektrischen Spannung erwärmt sich die NTC-Thermistor-Keramik.
Durch das Selbsterhitzen des Chips wird die Lotpaste aufgeschmolzen und verfestigt sich beim anschließenden Abkühlen .
Die Lotpaste kann an den Kontaktstellen der Drähte bevorzugt durch das Eintauchen der Drähte in ein Reservoir mit Lotpaste aufgebracht werden. Alternativ kann über eine Spendervorrichtung eine dosierte Menge an Lotpaste auf die Kontaktstellen aufgetragen werden. Letzteres bietet sich vor allem an, wenn die Kontaktstellen nicht an einem Ende des Drahtes positioniert sind, sondern zum Beispiel seitlich am Draht.
Durch die geringe, aber lokal begrenzte Wärmezufuhr beim Selbsterhitzen des Chips wird die Herstellung von Lötverbindungen mit dem Einsatz von minimalen Mengen an Lotpaste ermöglicht. Die Abmessungen des Sensorkopfes, umfassend den Chip und die daran gelöteten Drahtenden, kann so minimiert werden.
Die wie zuvor beschrieben hergestellten Lötverbindungen weisen eine sehr hohe Festigkeit auf. Insbesondere ist die Festigkeit der durch Selbsterhitzen hergestellten Lötverbindungen höher als die von herkömmlichen Lötverbindungen, zu deren Herstellung die Wärme von außen zugeführt wird.
Die Festigkeit der Lötverbindung ist weiterhin sehr genau einstellbar. Bevorzugt hält die Lötverbindung einer Zugkraft von maximal 6 N (Newton) stand. Noch bevorzugter hält die Lötverbindung einer Zugkraft von maximal 8 N oder maximal 10 N oder mehr stand.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Verbindung und die elektrische Kontaktierung zwischen dem Chip und den Kontaktstellen der Drähte durch einen leitfähigen Kleber hergestellt. Der leitfähige Kleber umfasst ein Polymermaterial, in dem elektrisch leitfähige Partikel wie beispielsweise Metallpartikel aus Silber verteilt sind. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der leitfähige Kleber durch die Selbsterhitzung der NTC-Thermistor-Keramik bei Anlegen einer elektrischen Spannung gehärtet.
Das Anlegen einer elektrischen Spannung führt zur Erwärmung des NTC-Thermistor-Materials. Durch die geringe aber lokal begrenzte Wärmezufuhr kann eine feste Verbindung zwischen Chip und Draht mit einer minimalen Menge an Kleber hergestellt werden.
Bevorzugt werden die Drahtenden in einem ersten Schritt kurz in den Kleber eingetaucht, sodass etwas Kleber an den Kontaktstellen der Drähte haftet. Anschließend werden die Kontaktstellen der Drähte auf die Außenelektroden oder auf die Außenmetallisierungen des Chips aufgesetzt und der Chip erwärmt. Hierzu kann elektrische Spannung über die Drähte und die Materialbrücke aus leitfähigem Kleber an den Chip angelegt werden. Durch die Erwärmung härtet der thermische härtbare Kleber aus und eine feste mechanische und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Draht und Chip wird hergestellt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der leitfähige Kleber durch Bestrahlung mit UV-Licht gehärtet. Hierzu wird statt eines thermisch härtbaren Klebers ein UV-härtbarer Kleber verwendet. Ansonsten kann wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform vorgegangen werden. Um den Kleber zu härten, wird dann eine externe UV-Strahlungsquelle benötigt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens sind die Drähte parallel angeordnet. Hierbei sind entlang der Drähte mehrere Kontaktstellen durch Freilegen des jeweiligen Drahtes aus einer isolierenden Ummantelung gebildet.
Auf die Kontaktstellen wird jeweils ein Chip aufgesetzt und die Drähte werden anschließend zwischen den einzelnen Chips zertrennt, sodass mehrere NTC-Sensoren erhalten werden.
Mittels des beschriebenen Verfahrens kann der Chip auch seitlich auf die Drähte aufgebracht und kontaktiert werden. Dies bietet sich vor allem bei der Serienfertigung von NTC- Sensoren direkt von einer Drahtspule an.
Die Drahtspule wird hierfür jeweils um einen definierten Abschnitt ausgerollt. Die Kontaktstellen werden dann aus der isolierenden Ummantelung geschnitten und die Chips werden auf die Kontaktstellen aufgebracht.
Anschließend werden die Drähte zwischen den Chips zerteilt, um die einzelnen Sensoren zu erhalten. Um die Chips jeweils mit beiden Drähten kontaktieren zu können, müssen jeweils zwei nebeneinanderliegende Kontaktstellen auf den beiden Drähten freigelegt werden.
Bevorzugt wird die Ummantelung so entfernt, dass der gesamte Chip in die verbleibende Ummantelung eingebettet werden kann und direkt auf den beiden Kontaktstellen aufliegt. Der ganze Chip kann dabei direkt auf den metallischen Drähten aufliegen. Der Sensorkopf weist in dieser Ausführungsform Abmessungen auf, die die Abmessungen des Chips nicht oder kaum übertreffen.
In einer Ausführungsform werden entlang der Drähte, die hierfür parallel angeordnet sind, auf mehrere entlang der Drähte ausgebildete Kontaktstellen mehrere Chips aufgesetzt und die Drähte anschließend zwischen den einzelnen Chips zertrennt, sodass mehrere NTC-Sensoren erhalten werden.
Die Drähte sind hierfür bevorzugt geradlinig nebeneinander angeordnet. Jeweils ein Paar der Kontaktstellen ist entlang der Drähte nebeneinander, jeweils eine auf jedem der beiden Drähte, angeordnet. Auf jedem Paar der Kontaktstellen kann ein Chip angeordnet werden. Entsprechend ausgeführte Drähte ermöglichen eine Serienfertigung der NTC-Sensoren.
Bei Drähten kann es sich um zwei nebeneinanderliegende Einzeldrähte, einen Doppeldraht oder eine teilweise abgewickelte Drahtspule handeln.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Figuren näher beschrieben. Ähnliche oder augenscheinlich gleiche Elemente in den Figuren sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse in den Figuren sind nicht maßstabsgetreu. Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des NTC-Sensors.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des NTC- Thermistor-Chips .
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des NTC-Sensors.
Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des NTC-Sensors.
Fig. 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des NTC-Sensors. Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines NTC-Sensors mit Umhüllung.
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des NTC-Sensors 100 dargestellt.
Bereitgestellt werden ein Chip 1 und zwei Drähte 2. Der Chip 1 umfasst ein NTC-Thermistor-Material. NTC steht hier für Negative Temperature Coefficient. D.h., dass das Thermistor- Material bei höheren Temperaturen einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist (Heißleiter).
Der Chip 1 ist in Figur 2 dargestellt und weist eine quaderförmige Struktur auf. Der Chip misst maximal 0,6 mm in der Länge L sowie 0,3 mm in der Breite W und 0,33 mm in der Höhe H. An den beiden Enden in Längsrichtung ist der Chip durch Außenelektroden 3 elektrisch kontaktiert. Die Außenelektroden 3 sind bevorzugt kappenförmig auf den beiden Enden in Längsrichtung aufgesetzt.
Die Außenelektroden 3 umfassen Metallisierungsschichten beispielsweise aus Silber, die beispielsweise über einen Tauchprozess mit anschließendem Einbrennen aufgebracht werden. Zusätzlich können Ni-Sn-Schichten galvanisch aufgetragen werden.
Der Chip 1 ist im Ausführungsbeispiel als keramisches Vielschichtbauteil mit Innenelektroden ausgeführt. Zwischen jeweils zwei keramischen Schichten ist eine metallische Innenelektrode angeordnet. Die Innenelektroden sind bevorzugt abwechselnd von den zwei Außenelektroden 3 elektrisch kontaktiert . Der elektrische Widerstand eines solchen Vielschichtbauteils kann sehr genau eingestellt werden. Die Widerstandstoleranz, also die mögliche Abweichung des Widerstands von einem vorgegebenen, gewünschten elektrischen Widerstand bei einer Nenntemperatur beträgt unter 1 %.
Alternativ kann der Chip 1 in einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel einen monolithischen NTC-Keramikblock umfassen. Der NTC-Keramikblock weist keine Innenelektroden auf und ist einfach zu fertigen. An zwei gegenüberliegenden Seiten sind auf dem NTC-Keramikblock Außenelektroden 3 aufgebracht, die bevorzugt jeweils die gesamte Seitenoberfläche des Keramikblocks bedecken und über welche der NTC-Keramikblock elektrisch kontaktiert werden kann.
Bei den Drähten 2 handelt es sich beispielsweise um versilberte Nickeldrähte, Kupferdrähte, Kupfer-Litzendrähte, Ni-Fe- oder Cr-Ni-Drähte mit Cu, Ag oder Pt- Mantel.
Die Drähte 2 sind bevorzugt von einer elektrischen isolierenden Ummantelung 4 umhüllt. Die Ummantelung 4 besteht aus einem elektrisch nichtleitenden Polymermaterial wie beispielsweise Perfluoralkoxyalkan (PFA), Teflon, Polyurethan (PU), Polyamid (PA), Polyimid (PI), Silikon, Polyester, Polyacrylat, Epoxidpolymere, Harze oder Epoxidharze.
Die zwei Drähte 2 weisen an ihren Stirnflächen stumpfe Enden 5 auf, an denen die elektrisch leitenden Drähte freiliegen. Die stumpfen Enden 5 stellen somit Kontaktstellen dar, an denen der Chip 1 angebracht wird.
Hierzu gibt es mehrere mögliche Verfahren. Gemäß eines ersten beispielhaften Verfahrens werden die stumpfen Enden 5 der Drähte 2 in eine Lotpaste eingetaucht und somit geringe Mengen an Lotpaste auf den stumpfen Enden 5 der Drähte 2 aufgebracht. Anschließend werden die stumpfen Enden 5 der Drähte 2 mit der aufgebrachten Lotpaste an den beiden gegenüberliegenden Außenelektroden 3 des Chips 1 angeordnet .
An den Chip 1 wird dann über die Drähte eine elektrische Spannung angelegt. Durch das Anlegen der elektrischen Spannung erhitzt sich der Chip 1 und die Lotpaste schmilzt. Das Flussmittel in der Lotpaste wird verflüchtigt und das Lot wird durch anschließendes Abkühlen ausgehärtet. Somit wird eine Lot-Verbindung zwischen den Außenelektroden 3 und den Kontaktstellen der Drähte 2 ausschließlich durch die Selbsterhitzung des Chips 1 bei Anlegen einer elektrischen Spannung erhalten.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht das Aufbringen geringster Mengen an Lotpaste, die mindestens erforderlich sind, um eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Chip 1 und den Drähten 2 zu erhalten. Die Abmessungen des Sensorkopfes, der den Chip 1 und die Anschlussdrähte 2 umfasst, kann so minimiert werden.
In einem alternativen Verfahren wird der Chip 1 auf die Kontaktstellen der Drähte 2 aufgeklebt. Hierzu werden die stumpfen Enden 5 der Drähte 2 in einen thermisch härtbaren Kleber eingetaucht. Anschließend werden die stumpfen Enden 5 der Drähte auf die Außenelektroden 3 des Chips 1 aufgebracht. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Drähte wird der Chip 1 erhitzt und der thermisch härtbare Kleber gehärtet .
In einem alternativen Verfahren wird der Chip 1 ebenfalls auf die Kontaktstellen der Drähte 2 aufgeklebt. Hierzu werden die stumpfen Enden 5 der Drähte 2 in einen UV-härtbaren Kleber eingetaucht. Anschließend werden die stumpfen Enden 5 der Drähte 2 auf die Außenelektroden 3 des Chips 1 aufgebracht. Durch Bestrahlung mit UV-Licht wird der Kleber anschließend gehärtet .
Der Kleber ist elektrisch leitend. Beispiele für solche Kleber sind polymerbasierte Kleber, die elektrisch leitende metallische Partikel wie zum Beispiel Silberpartikel enthalten. Das beschriebene Verfahren ermöglicht das Aufbringen minimaler Mengen an Kleber zur Herstellung der Verbindung zwischen Chip 1 und Drähten 3, sodass die Abmessungen des Sensorkopfes minimiert werden können.
Weiterhin wird die Geometrie des Sensorkopfes durch eine geeignete Abmessung des Chips 1 und durch eine vorteilhafte Anordnung des Chips 1 auf den Drähten 2 optimiert.
So wird im vorliegenden Verfahren ein Chip 1 verwendet, der nicht länger ist als die Summe der beiden Durchmesser der beiden nebeneinanderliegenden Drähte 2 und nicht breiter ist als der Durchmesser eines Drahtes 2.
Unter der Länge L wird hier und im Folgenden die Abmessung des Chips 1 zwischen den beiden Außenelektroden 3 verstanden. Diese Ausdehnungsrichtung entspricht der Richtung in der die beiden Drähte 2 nebeneinanderliegen. Als Breite W des Chips 1 wird hier und im Folgenden die dazu senkrechte Ausdehnungsrichtung der Kontaktflächen zwischen Chip 1 und Draht 2 bezeichnet. Als Höhe H wird hier und im Folgenden die Richtung senkrecht zur Kontaktfläche bezeichnet .
Der Chip 1 wird hier auf den stumpfen Enden 5 der beiden nebeneinander anliegenden Drähte 2 positioniert. Durch die Abmessungen des Chips 1 ragt dieser weder in der Länge noch in der Breite über die Drähte 2 hinaus. Der Sensorkopf ist somit nicht länger oder breiter als der übrige Doppeldraht 2.
Figur 3 und Figur 4 zeigen ein zweites und drittes Ausführungsbeispiel des NTC-Sensors 100. Merkmale des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel übereinstimmen, werden nicht explizit beschrieben .
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, weisen die Drähte 2 im zweiten und dritten Ausführungsbeispiel L-förmige Enden 6 auf. Die Stirnflächen der Drähte sind also nicht stumpf ausgeführt, sondern zu einer Schaufel geformt.
Mit L-förmig ist hier gemeint, dass die Drähte 2 an ihren Enden abgeflacht sind. Die flachen Abschnitte der Drähte 2 weisen daher eine Geometrie auf, die einem Schaufelblatt ähnlich ist. Die L-förmigen Enden 6 der Drähte 2 können seitlich auf die Außenelektroden 3 des Chips 1 aufgebracht werden. Die L-förmigen Enden 6 haben gegenüber den stumpfen Enden 5 der Drähte 2 den Vorteil, dass die Kontaktflächen zwischen den Drähten 2 und dem Chip 1 größer bemessen sind. Die L-förmigen Enden 6 der Drähte 2 können entweder wie in Figur 3 dargestellt an zwei entgegengesetzten Enden auf die kappenförmigen Außenelektroden 3 aufgesetzt werden oder diese, wie in Figur 4 dargestellt, von derselben Seite aus kontaktieren .
Werden beide Außenelektroden 3 von derselben Seite aus kontaktiert, müssen auf einer Seitenoberfläche des Chips 1 beide Außenelektroden 3 vorhanden sein.
Die genaue Anordnung ist vor allem von der Praktikabilität während der Produktion abhängig. Die L-förmigen Enden 6 der Drähte 2 weisen sehr geringe Abmessungen auf, die gegenüber dem Durchmesser der nicht übrigen, nicht-abgeflachten Abschnitte der Drähte 2 vernachlässigbar sind. Damit weist auch in der beschriebenen Anordnung des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels der Sensorkopf kaum größere Abmessungen als die Abmessungen entlang des übrigen Doppeldrahts 2 auf.
Die Kontaktflächen zwischen Drähten und Chip können im aktuellen Ausführungsbeispiel genügend groß ausgeführt werden, dass eine sichere Kontaktierung mit niedrigem Anschlusswiderstand erreicht wird.
Durch die großen Kontaktflächen erhöht sich weiterhin die mechanische Stabilität des Sensors. Wird der Chip wie in Figur 4 gezeigt zwischen den Drähten angeordnet, kann die mechanische Stabilität des Sensors weiter verbessert werden.
Figur 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des NTC-Sensors 100. Merkmale des vierten Ausführungsbeispiels, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel übereinstimmen, werden nicht explizit beschrieben. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind die Drähte 2 im vierten Ausführungsbeispiel noch nicht in ihre endgültige Größe zugeschnitten sondern liegen als vollständige Drahtspule 200 vor. Vor dem Herstellungsprozess wird jeweils ein Abschnitt mit einer definierten Länge von der Drahtspule 200 abgewickelt.
Anschließend werden seitlich an den Drähten 2 Kontaktstellen 7 freigelegt, indem die isolierende Ummantelung 4 an den Kontaktstellen 7 bis zum elektrisch leitfähigen Draht 2 entfernt wird. Es werden immer an beiden Drähten 2 zwei nebeneinanderliegende Kontaktstellen 7 freigelegt. Im Ausführungsbeispiel wird die Ummantelung 4 bevorzugt so entfernt, dass der gesamte Chip 1 direkt auf die Drähte 2 aufgebracht werden kann und der Sensorkopf umfassend die Drähte 2 und den Chip 1 keine unnötig großen Abmessungen aufweist .
Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen kann der Chip 1 sowohl durch Kleben wie auch durch Löten an den Drähten 2 befestigt werden. Hierzu werden bevorzugt mittels einer Spendervorrichtung geringe Mengen an Lotpaste oder Kleber auf die freigelegten Kontaktstellen 7 aufgetragen. Anschließend können die Chips 1 auf die Kontaktstellen 7 aufgebracht werden. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung können die Verbindungen zu allen auf die Drähte 2 aufgebrachten Chips 1 dann simultan gelötet bzw. der Klebstoff simultan gehärtet werden.
Nach dem vollständigen Aufbringen der Chips 1 werden die Doppeldrähte 2 mit Chips 1 jeweils zwischen den Chips 1 durchtrennt, um die gewünschten einzelnen Sensoren 100 zu erhalten .
Durch das beschriebene Verfahren können Arbeitsschritte eingespart werden und kann die Massenfertigung der Chips 1 kann vereinfacht werden.
Unabhängig von den oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Sensorkopf zum Schutz vor äußeren mechanischen Einflüssen, zum Schutz vor Verschmutzung, zum Schutz vor Feuchtigkeit und zur elektrischen Isolation durch ein Polymermaterial umhüllt.
Figur 6 zeigt einen beispielhaften NTC-Sensor mit Umhüllung 8. Die Abmessungen des in Figur 6 gezeigten Sensors in der Erstreckungsrichtung der Drähte HL und CL und die dazu senkrechten Abmessungen sind nur beispielhaft zu verstehen und entsprechen nicht zwingend den erfindungsgemäßen Abmessungen des NTC-Sensors.
Die Abmessung HL ist hier die Abmessung des Sensorkopfes ab den Drahtenden in der Erstreckungsrichtung der Drähte. Die Abmessung CL ist die Abmessung der gesamten Umhüllung 8 um den Sensorkopf und die Drähte in der Erstreckungsrichtung der Drähte. Die Abmessung HD ist der Durchmesser der rotationssymmetrischen Umhüllung in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte.
Das Umhüllen wird durchgeführt nachdem der Chip 1 mit den Drähten 2 verbunden ist. Das Polymermaterial kann mittels verschiedener Verfahren aufgetragen werden. Beispielsweise kann der Sensorkopf in ein Reservoir aus Polymerpulver getaucht werden und anschließend durch Anlegen einer elektrischen Spannung selbst erhitzt werden. Das Polymerpulver wird hierdurch aufgeschmolzen und es wird eine dünne Polymerumhüllung um den Sensorkopf gebildet. Durch dieses Verfahren kann eine sehr dünne Umhüllung 8 gebildet werden und die Abmessungen des Sensorkopfs können somit weiter minimiert werden.
Bevorzugt beträgt die laterale Abmessung des Sensorkopfs HD einschließlich des umhüllenden Polymermaterials 8 in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte nicht mehr als das Doppelte der gesamten Abmessung der beiden Drähte in derselben Richtung und noch bevorzugter nicht mehr als die gesamte Abmessung der beiden Drähte in derselben Richtung.
Zusätzlich kann eine thermische Nachbehandlung in einem Ofen zur Erhöhung des Aushärtegrades erfolgen.
In einem alternativen Verfahren werden die Sensorköpfe in bereits verflüssigtes Polymermaterial eingetaucht, um die Umhüllung 8 zu bilden. Nach dem Eintauchen muss die Umhüllung 8 ausgehärtet werden.
Gemäß eines dritten möglichen Verfahrens wird ein Schrumpfschlauch über den Sensorkopf gestülpt und im Ofen durch Hitzezufuhr zum Schrumpfen gebracht. Über die Auswahl der Schrumpfparameter kann die Schrumpfung so eingestellt werden, dass eine vollständige und dichte Umhüllung der Sensorköpfe entsteht. Bei einem weiteren Verfahren wird ein Polymerpulver elektrostatisch geladen und in einem Fluidbett durch das Zuführen eines Gasstroms fluidisiert. Die elektrostatisch aufgeladen Pulverpartikel bleiben an dem in das Fluidbett eingetauchten Sensorkopf hängen und können dann im Ofen erwärmt, geschmolzen und anschließend ausgehärtet werden.
Alle vier zuvor beschriebenen Verfahren ermöglichen das Aufbringen einer vorteilhaften dünnen Polymerumhüllung 8 zum Schutz des Sensorkopfes.
In einem Massenfertigungsverfahren kann die Polymerumhüllung um den Sensorkopf aufgebracht werden bevor die einzelnen NTC- Sensoren 100 durch das Trennen der Drähte 2 aus einer Drahtspule 200 vereinzelt werden.
BezugsZeichen
1 Chip 2 Draht
3 Außenelektrode
4 Ummantelung
5 Stumpfes Ende
6 L-förmiges Ende 7 Seitliche Kontaktstelle
8 Umhüllung
100 NTC-Sensor 200 Drahtspule

Claims

Patentansprüche
1. NTC-Sensor (100) umfassend einen Chip (1), zwei parallele Drähte (2), jeweils aufweisend Kontaktstellen (5, 6, 7), und Kontaktierungen zwischen dem Chip (1) und den Kontaktstellen (5, 6, 7) jeder der Drähte (2), wobei eine maximale laterale
Abmessung des NTC-Sensors in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte (2) gleich oder geringer ist als die Summe der lateralen Abmessungen des Chips (1) und der Drähte (1).
2. NTC-Sensor (100) nach Anspruch 1, wobei die maximale laterale Abmessung des NTC-Sensors (100) nicht größer ist als die laterale Abmessung des Chips (1) in derselben Richtung.
3. NTC-Sensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die laterale Abmessung des Chips (1) in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte (2) nicht größer ist als die gesamte Abmessung der beiden Drähte (2) in derselben Richtung .
4. NTC-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Chip (1) eine maximale laterale Ausdehnung von 0,6 mm aufweist .
5. NTC-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Chip (1) ein keramisches Vielschichtbauteil mit Innenelektroden ist.
6. NTC-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Chip (1) eine monolithische NTC-Thermistor-Keramik umfasst .
7. NTC-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zwei Drähte (2) direkt aneinander anliegen.
8. NTC-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stirnflächen der Drähte (2) als Kontaktstellen (5, 6) fungieren, auf die der Chip (1) aufgesetzt ist.
9. NTC-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kontaktstellen (6) der Drähte (2) L-förmig ausgebildet sind, und wobei der Chip (1) auf die L-förmigen Kontaktstellen (6) aufgesetzt ist.
10. NTC-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kontaktstellen (7) durch Freilegen des Drahtes (2) aus einer isolierenden Ummantelung (4) gebildet sind.
11. NTC-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kontaktierungen mittels einer geringen Menge an Lot gebildet sind.
12. NTC-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kontaktierungen mittels elektrisch leitfähigen Klebers gebildet sind.
13. NTC-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Sensorkopf des NTC-Sensors (100), umfassend den Chip (1) und die Kontaktierungen, von einem Polymermaterial (8) umhüllt ist.
14. NTC-Sensor (100) nach Anspruch 13, wobei die laterale Abmessung des Sensorkopfs einschließlich des umhüllenden Polymermaterials (8) in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte (2) nicht größer ist als das Doppelte der gesamten Abmessung der beiden Drähte (2) in derselben Richtung.
15. Verfahren zur Herstellung eines NTC-Sensors (100) umfassend die Schritte:
Bereitstellen zweier Drähte (2), die Kontaktstellen (5, 6, 7) aufweisen,
Bereitstellen eines Chips (1), umfassend eine NTC-Thermistor- Keramik,
Anordnen des Chips (1) an den Kontaktstellen (5, 6, 7) der
Drähte, sodass die maximale laterale Abmessung des NTC- Sensors (100) in jeder Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Drähte (2) geringer ist als die Summe der lateralen Abmessungen des Chips (1) und der Drähte (1), Ausbilden einer mechanischen Verbindung und einer elektrischen Kontaktierung zwischen dem Chip (1) und den Drähten (2) durch Löten oder Aufbringen von leitfähigem Kleber.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die für das Löten benötigte Wärme durch die Selbsterhitzung der NTC-Thermistor- Keramik bei Anlegen einer elektrischen Spannung bereitgestellt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der leitfähige Kleber durch die Selbsterhitzung der NTC-Thermistor-Keramik bei Anlegen einer elektrischen Spannung gehärtet wird.
18. NTC-Sensor nach Anspruch 15, wobei der leitfähige Kleber durch Bestrahlung mit UV-Licht gehärtet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Drähte (2) parallel angeordnet sind und wobei entlang der Drähte (2) mehrere Kontaktstellen (7) durch Freilegen des Drahtes (2) aus einer isolierenden Ummantelung (4) gebildet sind, auf welche jeweils ein Chip (1) aufgesetzt werden, und wobei die Drähte (2) anschließend zwischen den einzelnen Chips (1) zertrennt werden, sodass mehrere NTC-Sensoren (100) erhalten werden.
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