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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Abgleichen des Widerstandswertes
eines in einem Schichtverbund eingebetteten, elektrischen Widerstands
auf einen Vorgabewert nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Schichtverbunde
mit eingebettetem Widerstand in Form von Widerstandsbahnen werden
in verschiedenen Applikationen eingesetzt, so in Temperaturfühlern z.B.
zur Messung der Abgastemperatur in Brennkraftmaschinen, wie sie
aus der
DE 37 33 192
C1 bekannt sind, oder in Heizeinrichtungen zur Erhöhung der
Messgenauigkeit von Gassensoren, wie Lambdasonden zur Messung der
Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, wie sie
z.B. aus der
DE 198
38 466 A1 bekannt sind. Bei solchen Temperaturfühlern ist
es erforderlich, dass der Widerstandswert der Widerstandbahn, die
zwischen zwei elektrisch isolierenden Keramikfolien aus Aluminiumoxid
im Schichtverbund eingebettet ist, in einem kleinen Toleranzbereich
liegt, um in der Serie eine möglichst
genaue Temperaturmessung sicherzustellen. Bei Heizeinrichtungen
für Gassensoren, .B.
Lambdasonden, erfordert eine ausreichende Messgenauigkeit eine Regelung
der Heizeinrichtung, um die Betriebstemperatur des Gassensors konstant zu
halten. Auch hierfür
ist es notwendig, dass der meist niederohmige Widerstandswert der
Widerstandsbahn sich in einem engen Toleranzbereich bewegt, um eine Über- bzw.
Untersteuerung der Heizeinrichtung zu vermeiden. Da fertigungsbedingt
der geforderte enge Toleranzbereich nicht eingehalten werden kann,
ist in beiden Fällen
ein nachträglicher Abgleich des
Widerstandswerts der Widerstandsbahn, also ein Trimmen des endgefertigten
Schichtverbundes, durch geeignete Maßnahmen erforderlich.
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Bei
einem bekannten Verfahren zum Abgleichen des Widerstandswertes einer
in einem keramischen Schichtverbund eingebetteten Widerstandsbahn
auf seinen Vorgabewert (
DE
198 51 966 A1 ) wird in den die Widerstandsbahn überziehenden Schichten
eine Aussparung freigelassen, durch die hindurch eine Behandlung
der Widerstandsbahn zum Abgleich des Widerstandwertes vorgenommen
wird. Die Widerstandsbahn weist im Bereich der Aussparung Verzweigungen
und/oder geschlossene Flächen
auf, und der Abgleich wird dadurch erreicht, dass die Verzweigungen
und/oder geschlossenen Flächen
z.B. mittels eines Lasers abgeschmolzen werden, wodurch sich der
Widerstandswert der Widerstandsbahn erhöht. Dies wird solange fortgesetzt, bis
der gewünschte
Vorgabewert erreicht ist. Der Widerstandswert wird über eine
an die Widerstandsbahn angeschlossene Schaltungsanordnung fortlaufend
gemessen. Nach Abgleich der Widerstandsbahn wird die Aussparung
durch einen Füllstoff
verschlossen, um die Widerstandsbahn vor mechanischen oder chemischen
Einschlüssen
zu schützen. Als
Füllstoff
wird vorzugsweise eine Glaskeramik verwendet, die nach dem Füllen durch
thermische Einwirkung des Lasers verglast wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmal des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Abgleich
des Widerstands im fertigen Schichtverbund ohne besondere Maßnahmen
durchgeführt werden
kann, die bei der Herstellung des Schichtverbundes eingeleitet werden
müssten,
wie das Vorsehen von Aussparungen in einzelnen Schichten des Schichtverbundes.
Lediglich an das Layout des gefertigten Widerstands sind Anforderungen
gestellt. Der Abgleich erfolgt durch einfaches mechanisches Schleifen
des aus den Schichten zusammenlaminierten Körpers an dessen schmalen Längs- und/oder Querseiten,
die im folgenden als Kanten des Schichtverbundes bezeichnet werden.
Kantenschleifen ist bei der Herstellung von als Gassensoren oder
Temperaturfühler
eingesetzten Schichtverbunden ein Standardprozess. Durch den beim
Schleifen stattfindenden Materialabtrag an den Kanten des Schichtverbundes
wird dann je nach Ort und Schleiftiefe die eine oder andere ausgewählte Kurzschlussbrücke teilweise
oder ganz abgeschliffen und damit aufgetrennt, so dass der von ihr
zuvor überbrückte Abgleichwiderstand
nunmehr in Reihe mit dem Hauptwiderstand liegt und den Widerstandswert
des Hauptwiderstands um den definierten Widerstandswert des Abgleichwiderstands
erhöht.
Das Auftrennen von Kurzschlussbrücken
erfolgt durch Schleifen an verschiedenen Kanten mit verschiedenen
Schleiftiefen so lange, bis durch sukzessives Zuschalten von Abgleichwiderständen zu
dem Hauptwiderstand der Vorgabewert des im Schichtverbundes einliegenden
Widerstands erreicht ist. Eine Nachbearbeitung des Schichtverbunds,
wie z.B. das vorstehend beschriebene Verschließen der Abgleichlöcher in
den Schichten des Schichtverbundes, ist bei geeigneter Materialauswahl
für die
Abgleichwiderstände
nicht erforderlich. Insgesamt ist das Verfahren gegenüber den
bekannten Verfahren fertigungstechnisch sehr kostengünstig und
lässt sich
vorteilhaft in den automatischen Fertigungsprozess integrieren.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
2 bis 8 aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Verfahrens möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird am fertigen Schichtverbund
der Widerstandswert des eingebetteten Widerstands gemessen und aus
der Differenz zwischen dem Vorgabewert und dem Messwert die Anzahl
und die Lage der aufzutrennenden Kurzschlussbrücken bestimmt. Die Messung
des Widerstandswertes, die Berechnung der Widerstandsdifferenz und
die Bestimmung der aufzutrennenden Kurzschlussbrücken kann dabei automatisch
beim Greifen des Schichtverbundes durch den Arm eines Schleifroboters
erfolgen.
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Ein
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelter
Schichtverbund ist in Anspruch 9 angegeben. Vorteilhaften Weiterbildungen
und Verbesserungen des im Anspruch 9 angegebenen Schichtverbundes
beinhalten die weiteren Ansprüche
10 bis 15.
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Der
erfindungsgemäße Schichtverbund
kann sowohl in einem Temperaturfühler
zur Messung der Temperatur eines Mediums, insbesondere der Abgastemperatur
einer Brennkraftmaschine, als auch in einem Gassensor zur Messung
der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, wie z.B. der
Sauerstoffkonzentration oder der Stickoxidkonzentration im Abgas
einer Brennkraftmaschine, eingesetzt werden. Im ersten Fall wird
der Widerstandwert des eingebetteten Widerstands mehr hochohmig,
z.B. 100Ω,
und im zweiten Fall mehr niederohmig ausgebildet. Als Widerstandsmaterial
wird vorzugsweise Platin oder ein Platin-Cermet verwendet.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer
Darstellung:
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1 eine
Explosionsdarstellung eines Schichtverbundes mit eingebettetem elektrischen Widerstand,
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2 eine
Draufsicht des auf einer Schicht des Schichtverbundes aufgebrachten
Widerstands,
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3 eine
perspektivische Draufsicht des Widerstands in einem modifizierten
Layout,
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4 ausschnittweise
eine perspektivische Darstellung einer elektrischen Heizeinrichtung
für einen
Gassensor,
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5 einen
Schnitt längs
der Linie V – V
in 4.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Der
in 1 in Explosionsdarstellung schematisch skizzierte
Schichtverbund bildet den messsensitiven Teil eines Temperaturmessfühlers, auch Widerstandsthermometer
genannt, zur Messung der Temperatur eines Mediums, insbesondere
der Abgastemperatur von Brennkraftmaschinen. Der Schichtverbund
ist zusammengesetzt aus einer vorzugsweise als Folie ausgebildeten
Keramikschicht 11 auf Festelektrolytbasis, beispielsweise
aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2),
einer ersten Isolationsschicht 12 aus elektrisch isolierendem
Material, z.B. Aluminiumoxid Al2O3, einer zweiten Isolationsschicht 13 aus
dem gleichen isolierenden Material und einer zweiten, vorzugsweise
als Folie ausgebildeten Keramikschicht 14 auf Festelektrolytbasis.
Auf die Oberseite der ersten Keramikschicht 11 ist die
erste Isolationsschicht 12 sowie ein hermetisch abdichtender Rahmen 18 und
auf die Rückseite
der ersten Keramikschicht 11 im Bereich der später aufzudruckenden,
elektrischen Kontakte 16 eine dritte Isolationsschicht 15 aufgedruckt.
In der Keramikschicht 11 sind Durchkontaktierungslöcher 17 ausgestanzt.
Auf die erste Isolationsschicht 12 ist ein elektrischer Widerstand 20 aufgebracht,
der in einen Hauptwiderstand 21 und in einem Mehrzahl von
Abgleichwiderständen 22 unterteilt
ist. Hauptwiderstand 21 und Abgleichwiderstände 22 sind
als Widerstandsbahnen auf die erste Isolationsschicht 12 aufgedruckt.
Der Widerstand 20 ist über
Leiterbahnen 23, 24 mit Kontaktflächen 25, 26 verbunden,
die über
die Durchkontaktierungslöcher 17 auf
die elektrischen Kontakte 16 kontaktiert sind, die auf
der Rückseite
der ersten Keramikschicht 11 auf die dritte Isolierschicht 15 aufgedruckt
sind. Auf die zweite Keramikschicht 14 ist die zweite Isolationsschicht 13 und
ein hermetisch abdichtender Rahmen 19 aufgedruckt. Die
beiden so behandelten Keramikschichten 11, 14 werden
so aufeinandergelegt, dass die Rahmen 18 und 19 aufeinanderliegen,
und werden dann zu dem Schichtverbund zusammenlaminiert.
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Bei
der beschriebenen Fertigung des Schichtverbunds ist die Geometrie
des Hauptwiderstands 21, der hier als ein Bahnmäander 27 mit
einer Vielzahl von Mäanderschleifen 172 ausgebildet
ist, mit einem Widerstandwert hergestellt, der kleiner ist als der
geforderte Widerstandswert des Widerstands 20 im Schichtverbund,
während
die einzelnen Abgleichwiderstände 22 jeweils
mit einem definierten Widerstandswert hergestellt werden. Zum Ausgleich von
Toleranzen bei der Herstellung des Hauptwiderstands 21 werden
die Widerstandswerte vorteilhaft klein gehalten. In 2 ist
ein beispielhaftes Layout des von den Widerstandsbahnen gebildeten
Widerstands 20 vergrößert dargestellt,
der z. B. einen Widerstandswert von 100Ω in engen Toleranzen besitzen
soll. Fertigungsbedingt kann der Widerstandswert von 100Ω jedoch
nur in den Grenzen 90Ω bis 110Ω garantiert
werden, was den Anforderungen nicht genügt. Der von den Bahnmäander 27 gebildete Hauptwiderstand 21 ist
daher beispielhaft mit einem Widerstandswert von 90Ω hergestellt,
wobei bei der Herstellung wiederum nur eine Toleranz von ± 10% eingehalten
werden kann. Von den Abgleichwiderständen 22 ist ein erster
Abgleichwiderstand 221 als Widerstandsbahn mit einem Widerstandswert
von beispielhaft 10Ω hergestellt.
Vier weitere Abgleichwiderstände 222 sind
beispielhaft als Widerstandsbahnen mit einem Widerstandswert von
2Ω gefertigt
und ein dritter Abgleichwiderstand 223 ist beispielhaft
als Widerstandsbahn mit einem Widerstandswert von 1Ω gefertigt.,
Die Fertigungsstreuung der gedruckten Abgleichwiderstände 22 liegt
bei maximal 10%. Alle Abgleichwiderstände 22 sind miteinander
in Reihe und in Reihe mit dem Hauptwiderstand 21 geschaltet. Alle
Abgleichwiderstände 22 sind
mit Kurzschlussbrücken 28 überbrückt, die
bis nahe den Kanten des Schichtverbunds geführt sind. So ist die den Abgleichwiderstand 221 überbrückende Kurzschlussbrücke 28 bis
nahe an die linke Längskante 29 des Schichtverbunds,
die den Abgleichwiderstand 223 überbrückende Kurzschlussbrücke 28 bis
nahe an die rechte Längskante 30 des
Schichtverbunds und die die vier Abgleichwiderstände 222 überbrückenden
Kurzschlussbrücken 28 bis
nahe an die Stirnkante 31 des Schichtverbundes geführt. Die
die Abgleichwiderstände 222 überbrückenden
Kurzschlussbrücken 28 sind
längs der
Stirnkante 31 mit unterschiedlichem Querabstand zu der
Stirnkante 31 nebeneinander aufgereiht.
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In
dem fertig laminierten und gesinterten Schichtverbund mit einliegendem
Widerstand 20 wird in einem folgenden Verfahrensschritt
der Widerstandswert 20 auf den Vorgabewert abgeglichen.
Im vorgenannten Beispiel beträgt
dieser Vorgabewert 100Ω,
und bei der Aufbringung der Widerstandsbahnen auf die Isolationsschicht 12 ist
entsprechend dieser Vorgabe – wie
bereits vorstehend ausgeführt – der Hauptwiderstand 21 mit
90Ω ± 10% gefertigt. Durch
entsprechende Ausführung
der Widerstandsbahnen der Abgleichwiderstände 22 haben diese
die im voraufgeführten
Beispiel angegebenen Widerstandswerte von 10Ω, 2Ω und 1Ω. Zum Abgleiche des Widerstands 20 wird
dessen Widerstandswert zunächst
gemessen und aus der Differenz des Vorgabewerts von 100Ω und des
Messwerts, beispielsweise 95Ω,
die Anzahl und Lage der hinzuzuschaltenden Abgleichwiderstände 22 und
damit die aufzutrennenden Kurzschlussbrücken 28 bestimmt.
Um den gemessenen Widerstand von 95Ω auf den Vorgabewert von 100Ω abzugleichen,
werden zwei Abgleichwiderstände 222 mit
je 2Ω und
ein Abgleichwiderstand 223 mit 1Ω benötigt. Entsprechend sind deren
Kurzschlussbrücken 28 aufzutrennen,
was einerseits durch Abschleifen der Stirnkante 31 des Schichtverbundes
und andererseits durch Abschleifen der rechten Längskante 30 des Schichtverbundes
herbeigeführt
wird. Die Abschleiftiefe der Stirnkante 31 muss dabei so
gewählt
werden, dass die beiden in 2 linken
Kurzschlussbrücken 28 zerstört werden.
Die Abschleiftiefe der rechten Längskante 30 muss
geringfügig
größer sein
als der Querabstand der den Abgleichwiderstand 222 überbrückenden
Kurzschlussbrücke 28 von
der Längskante 30.
Im automatischen Fertigungsprozess kann das Vermessen des Widerstandes 20,
die Berechnung der Differenz der Widerstandswerte und die Festlegung
der Anzahl der aufzutrennenden Kurzschlussbrücken 28 automatisch
beim Greifen des Schichtverbundes durch den Arm eines Schleifroboters
erfolgen. Durch das Auftrennen der Kurzschlussbrücken 28 werden die
vorstehend genannten Abgleichwiderstände 222, 223 in
Reihe mit dem Hauptwiderstand 21 geschaltet und damit ein
Widerstandswert des Widerstands 20 von 100Ω in einer
Toleranzgrenze erreicht, die nur von den kleinen Toleranzen der Abgleichwiderstände 222 und 223 abhängig ist
und im Beispiel ± 0,5Ω beträgt. Alternativ
werden nicht alle erforderlichen Kurzschlussbrücken 28 durch Festlegen
der Schleiftiefe aufgetrennt, sondern durch kontinuierliches Schleifen
wird eine Kurzschlussbrücke 28 nach
der anderen aufgetrennt. Während
des Schleifvorgangs wird der Widerstandswert des Widerstands 20 gemessen
und der Schleifvorgang dann abgebrochen, wenn der Vorgabewert erreicht ist.
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In 3 ist
ein modifiziertes Layout des in Hauptwiderstand 21 und
Abgleichwiderstände 22 unterteilten
Widerstands 20 dargestellt. In perspektivischer Darstellung
ist vom Schichtverbund die erste Keramikschicht 11 und
die diese überziehende
erste Isolationsschicht 12 zu sehen, auf der der Widerstand 20 wieder
in Form von Widerstandsbahnen aufgedruckt ist. Die Isolationsschicht 13 und
die zweite Keramikschicht 14 sind vom Schichtverbund entfernt,
um das Layout des eingebetteten Widerstands 20 sichtbar
zu machen. Der Hauptwiderstand 21 ist wieder als Bahnmäander 27 mit
einer Vielzahl von Mäanderschleifen 271 ausgeführt. Der
Bahnmäander 27 ist über die
Anschlussleitungen 23 und 24 mit den Kontaktflächen 25, 26 verbunden,
die durch die Durchkontaktierungslöcher 17 in der ersten
Keramikschicht 11 auf die elektrischen Kontakte 16 zum
Anschließen
einer Spannungsquelle durchkontaktiert sind. Die Mäanderschleifen 271 sind
quer zur Längskante 29 des
Schichtverbundes ausgerichtet, so dass die Anzahl der Mäanderschleifen 271 recht
groß gewählt werden
kann. Die Abgleichwiderstände 22 sind
hier von ausgewählten
Mäanderschleifen 271 gebildet,
die durch Kurzschlussbrücken 28 überbrückt sind.
Die Kurzschlussbrücken 28 sind
dabei bezogen auf die Längskante 29 des
Schichtverbunds so angeordnet, dass sie durch Abschleifen der in 3 rechten
Längskante 29 des
Schichtverbundes selektiv auftrennbar sind. Hierzu weisen die in 3 insgesamt
vier Kurzschlussbrücken 28 unterschiedliche
Querabstände
zur Längskante 29 auf,
so dass beim Abschleifen der Längskante 29 zunächst die
in 3 hinterste Kurzschlussbrücke 28 und dann mit zunehmender
Abschleiftiefe die weiteren nach vorn sich anschließenden Kurzschlussbrücken 28 nacheinander
aufgetrennt werden. Beim Abgleichvorgang wird auch hier zunächst durch
Anlegen einer Spannungsquelle an die elektrischen Kontakte 16 und Messen
des durch den Bahnmäander 27 fließenden Stroms
der Widerstandswert des Widerstands 20 bestimmt, wobei
der Bahnmäander 27 bei
der Fertigung so ausgelegt wurde, dass sein Widerstandswert ohne
die kurzgeschlossenen Mäanderschleifen 271 in
jedem Fall kleiner als der Vorgabewiderstand ist. Aus dem gemessenen
Widerstandswert kann auf den (mittleren) Widerstandswert jeder Mäanderschleife 271 geschlossen
und damit der Widerstandswert der Abgleichwiderstände 22 bestimmt werden.
Je nach Größe der Differenz
zwischen Vorgabewert und Messwert des Widerstandes 20 werden
entsprechend viele Kurzschlussbrücken 28 aufgetrennt
und damit der Widerstandwert des Widerstandes 20 solange
verändert,
bis der Vorgabewert erreicht ist.
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In 4 und 5 ist
ein wie beschrieben ausgebildeter Schichtverbund für eine elektrische Heizeinrichtung
für einen
Gassensor zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in
einem Gasgemisch, beispielsweise für eine planare Lambdasonde
zur Messung der Sauerstoff konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine,
dargestellt. In diesem Schichtverbund ist ein niederohmiger Widerstand 20 als
elektrischer Heizwiderstand zwischen den beiden Isolationsschichten 12 und 13 eingebettet,
die zwischen der ersten Keramikschicht 11 und der zweiten
Keramikschicht 14 aufgenommen und von dem Rahmen 18 aus
einem Festelektrolyten umschlossen sind. Der wiederum durch Widerstandsbahnen
realisierte Widerstand 20 ist in gleicher Weise wie vorstehend
beschrieben ausgebildet und wird in gleicher Weise nach Fertigung
des Schichtverbundes abgeglichen.