DE102012204817B4 - Temperatursensor - Google Patents

Abstract

Es wird beschrieben ein Temperatursensorelement, enthaltend eine Trägerplatine mit einem auf einem Ende einer Platine angeordnetem thermoelektrisch aktiven Element mit mindestens zwei elektrischen Leiterbahnen sowie auf dem anderen Ende der Platine angeordneten elektrischen Kontaktflächen, wobei die Platine in einem thermisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Kunststoff eingeschlossen ist, wobei zumindest die Kontaktflächen frei bleiben

Description

• Temperatursensoren sind elektrische Bauelemente in Steuerungsanlagen, die einen mit der Temperatur veränderlichen Widerstand aufweisen oder eine mit der Temperatur veränderliche Thermospannung eines Kontaktes zwischen zwei Metallen bzw. Legierungen aufweisen.
• Derartige Temperatursensoren oder hierin auch Messelemente genannt werden heute in miniaturisierter Form unter anderem auf kleinen Platinen angeboten und meist in metallischen oder keramischen Hülsen eingekapselt und mit Leitungen für den Transport des temperaturabhängigen elektrischen Signals versehen.
• Durch Metalle gekapselte Temperatursensoren erfordern aufwändige Herstellverfahren aufgrund des Einsatzes von Drehteilen, nur geringe Möglichkeit der Automatisierung, daher hoher Personalbedarf, der Notwendigkeit der Einbringung von Wärmeträgern zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs zum Messelement, aufwändige elektrische Isolierung, die nur durch Einbringung von Fremdstoffen realisierbar ist sowie die Notwendigkeit, den Sensor erst nach Fertigstellung prüfen zu können.
• Darüber hinaus haben Temperatursensoren mit Metallkapseln einige Nachteile wie einen stör- und verschleißanfälligen Übergang von der Hülse zum Kabel, dessen Feuchtigkeitsdichtheit nur durch Verguss oder spezielle Rollierverfahren gewährleistet werden kann, sowie durch eventuell eingeschlossene Luft nicht ausreichende Taubildungssicherheit.
• Gemäß DE 2919433 A1 wurde daher bereits vorgeschlagen, den Sensor zwischen zwei Polymerfolien einzukapseln.
• Die EP 809093 A1 offenbart einen Sensor, bei dem das Sensorelement mit einer ersten Kunststoffumhüllung versehen ist, die als Primärgehäuse dient und das Primärgehäuse und der aus dem Primärgehäuse herausragende Teil der Platine mit den elektrischen Leitungen mit einer zusätzlichen Kunststoffumhüllung als Außengehäuse umgeben ist. Dieser Vorschlag hat offenbar keine Verbreitung gefunden, offenbar, weil die Ansprechzeiten, das heißt die Dauer bis das thermoelektrisch aktive Messelement die Temperatur der zu messenden Umgebungstemperatur angenommen hat, auch durch die doppelte thermische Isolierung mit Wärmestau verursachender Grenzfläche für die meisten Anwendungen zu langsam sind.
• Aus der DE 195 34 890 A1 ist zudem ein Temperaturfühler mit einem Kunststoffkörper bekannt, der ein Fühlerteil und eine Steckerteil ausbildet.
• Aus der DE 34 30 075 A1 geht darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen einer Messsonde zur Temperaturmessung hervor.
• Die vorliegende Erfindung betrifft dagegen eine Temperatursensorvorrichtung mit einem Temperatursensorelement enthaltend eine Trägerplatine mit einem auf einem Ende der Trägerplatine angeordneten thermoelektrisch aktivem Element mit mindestens zwei elektrischen Leiterbahnen sowie auf dem anderen Ende der Platine angeordneten elektrischen Kontaktflächen, die über die elektrischen Leiterbahnen mit dem thermoelektrisch aktiven Element verbunden sind, wobei die Platine in einem thermisch leitfähig und elektrisch isolierend modifizierende Zusätze enthaltendem Kunststoff eingeschlossen ist, wobei zumindest die Kontaktflächen frei bleiben.
• Vorzugsweise umschließt der thermisch leitend und elektrisch isolierend modifizierte Kunststoff das Ende der Platine sowie den Teil der Platine, der das thermoelektrisch aktive Element trägt unter Umschließung des thermoelektrisch aktiven Elementes.
• Als thermoelektrisch aktives Element können Thermoelemente wie z.B. Fe-CuNi Typ-J, Fe-CuNi Typ-L oder NiCr-Ni Typ-K (nach DIN EN 60584) oder Temperaturwiderstände eingesetzt werden. Bevorzugt sind Temperaturwiderstände wie z.B. Pt 100, Pt 500 oder Pt 1000 (nach DIN EN 60751).
• Vorzugsweise sind auf der Trägerplatine vier elektrische Leiterbahnen mit entsprechend vier Kontaktflächen vorgesehen, wobei zwei Leiterbahnen der Aufprägung eines Messstromes und zwei Leitungen der Spannungsmessung über dem thermoelektrisch aktiven Element dienen.
• Die Platine kann prinzipiell aus allen aus der Elektronik bekannten Platinenmaterialien bestehen. Bevorzugt wird wegen ihrer Temperaturbeständigkeit eine flexible Polyimidfolie eingesetzt. Der Platinenträger wird vorzugsweise in an sich bekannter Weise mit photolithographisch aufgebrachten Leiterbahnen versehen und bevorzugt durch Befestigungsverfahren ohne Standardlötung (bevorzugt Druck/Klemmung) mit dem thermoelektrisch aktiven Element bestückt. Die Polyimidfolie hat vorzugsweise eine Dicke von 30 bis 150 µm, insbesondere bevorzugt zwischen 50 und 100 µm. Die Abmessung der Folie kann rechteckig mit Seitenlängen von 1,5 bis 4 mm mal 8 bis 30 mm sein.
• Für die Einschließung der Platine sind mit Bornitrid- und/oder Aluminiumoxidpulvern modifizierte Thermoplaste mit für den Temperaturbereich, in dem der Temperatursensor eingesetzt werden soll, ausreichend hoher Temperaturbeständigkeit geeignet. Bevorzugte Thermoplaste sind z.B Polyamide, insbesondere PA 66 und PA 612 sowie Polyphenylensulfid PPS, Polyethersulfone PES und Polyetheretherketon PEEK.
• PA 612 ist für zu messende Temperaturen von bis zu 110°C, PA 66 bis 120°C und PPS / PES / PEEK bis 200°C geeignet, wobei in einem Regelsystem die genannten oberen Temperaturgrenzen kurzzeitig überschritten werden können. Die untere Messtemperaturgrenze kann bei bis zu -40°C liegen.
• Der Gehalt an anorganischem Pulver in dem Thermoplast kann bis zu 60 Vol.-% betragen, vorzugsweise mindestens 25 Vol.- %. Bevorzugte Pulver sind eine Mischung aus 50 bis 95%, besonders bevorzugt 60 bis 90 Gew. %, Bornitrid mit Korngrößen von 20 - 150 µm und zwischen 50 und 5 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 40 und 10 Gew.-% Aluminiumoxid. Zweckmäßigerweise werden die Pulver mit einem üblichen Haftvermittler vorbehandelt, bevor sie in die verflüssigte Thermoplastmasse eingearbeitet werden.
• Bei der erfindungsgemäßen Temperatursensorvorrichtung ist ein Anschlussmittel an eine Messelektronik mit den Kontaktflächen verbunden und der von dem modifizierten Kunststoff nicht eingeschlossene Teil der Trägerplatine ist mit dem Anschlussmittel durch einen zweiten, thermisch und elektrisch nicht leitenden Kunststoff eingeschlossen unter Freilassung des das thermoelektrisch aktive Element abdeckenden ersten Kunststoffs, wobei der zweite Kunststoff und der erste Kunststoff die Platine vollständig einschließen.
• Das Anschlussmittel kann die Verbindung mit einem Kabel oder Einzeladern sein, dessen Adern z.B. mittels SMT-Verfahren oder durch Druck/Klemmung, beispielsweise erzeugt durch den Spritzdruck, mit den Kontaktflächen der Trägerplatine verbunden sind und wobei der zweite Kunststoff das dem Sensorelement zugewandte Ende der Kabelisolierung umfasst.
• Nach einer weiteren Ausführungsform kann das Anschlussmittel ein Steckerteil für eine Steckverbindung der Leitung zur Messelektronik sein, der mittels Anschlussleitungen, die z.B. mittels SMT-Verfahren (surface-mounting technology -/ SMD surface mounted device) oder durch Druck/Klemmung mit den Kontaktflächen der Platine angebracht ist, verbunden ist und wobei der zweite Kunststoff das Steckerteil umfasst.
• Der zweite Kunststoff ist vorzugsweise mit dem ersten Kunststoff kompatibel im Sinne der Ausbildung einer stofflichen Verbindung zwischen den beiden Kunststoffen. Vorzugsweise geht der zweite Kunststoff auch mit dem Anschlussmittel, weiter auch bevorzugt mit dem Platinenträgermaterial, eine stoffliche Verbindung ein.
• Der zweite Kunststoff kann derselben Kunststoffklasse angehören wie der erste Kunststoff oder mit dem ersten Kunststoff identisch sein, nur ohne oder vermindert thermisch leitfähig machendem Modifizierungsmittel. Weniger bevorzugt wegen des größeren Aufwandes ist es, nicht kompatible Kunststoffe einzusetzen und die Kunststoffe durch Plasmabehandlung zu einer stofflichen Verbindung zu befähigen.
• Weiter bevorzugt weist die Außenkontur des zweiten Kunststoffs Befestigungsmittel für die Befestigung in einer Halterung auf. Das Befestigungsmittel kann ein Schraubgewinde, eine Rastverbindung, eine Art Bajonettverschluss oder ähnliches sein, so dass die Temperatursensorvorrichtung an dem entsprechenden Gegenstück der Halterung befestigt werden kann.
• Die Herstellung des Temperatursensorelementes erfolgt durch Einlegen der bestückten Platine in eine Kavität, wobei der flexible Platinenträger anfänglich durch zurückziehbare Unterstützungselemente in Position gehalten wird, sowie Umspritzen mit dem thermisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Kunststoff. Die weitere Herstellung der Temperatursensorvorrichtung erfolgt dann durch Überführen des Sensorelementes in eine zweite Kavität mit Einlegen von Anschlussmitteln und Umspritzen von Sensorelement und Anschlussmittel.
• Die erfindungsgemäße Temperatursensorvorrichtung ist für vielfältigen Einsatz geeignet, wie in der Heizungs-, Kälte- und Klimatechnik, der Verbrauchsabrechnung, in Automotive-Bereichen, der Sanitärbranche, der Solarindustrie, der Medizintechnik und der Elektro- und Elektronikindustrie.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert, wobei gleich Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren gleich wirkende Elemente bezeichnen.
• 1 zeigt einen Längsquerschnitt durch ein Sensorelement für eine erfindungsgemäße Temperatursensorvorrichtung.
• 2 zeigt einen Querschnitt 2-2 durch das Sensorelement gemäß 1.
• 3 zeigt einen Querschnitt 3-3 durch das Sensorelement gemäß 1.
• 4 zeigt einen Querschnitt gemäß 3 durch eine
• erfindungsgemäße Sensorvorrichtung.
• 1 bis 3 zeigen 3 schematische Schnittansichten des Sensorelementes für eine erfindungsgemäße Temperatursensorvorrichtung mit einem Platinenträger 11, auf den elektrische Leiterbahnen 12 mit Kontaktflächen 13 und 15 aufgebracht sind. An den Kontaktflächen 15 ist mittels SMT-Verfahren das thermoelektrisch aktive Element 14 angeschlossen. Die so bestückte Platine ist mit dem thermisch leitfähigen und elektrisch isolieren Kunststoff umspritzt, so dass dieser in der gezeigten Darstellung einen zylindrischen Kunststoffkörper 16 bildet, aus dem das eine Ende der Platine 11 mit den Kontaktflächen 13 herausragt. Der Kunststoffkörper 16 muss nicht zylindrisch sein. Ovale, rechteckige oder anders artige Querschnitt sind ebenfalls möglich. Eine Abflachung ober- und unterhalb der Platine 11 in dem Querschnitt gemäß 2 trägt zur Verkürzung der Ansprechzeit des Sensors bei. Der Kunststoffkörper 16 kann eine Längsabmessung von 6 bis 40 mm und eine Querabmessung von 3 bis 10 mm aufweisen, wobei die Platine 11 zwischen 2 und 5 mm aus dem Körper 16 herausragt.
• 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Temperatursensorvorrichtung, wobei das Sensorelement 10 gemäß 1 bis 3 mittels Verbindungsleitungen 24 mit den Kontaktstiften 22 eines Steckers 20 verbunden ist. Die Kontaktstifte 22 sind in einem Steckerkörper 21 mit Steckerhülse 23 angeordnet. Stecker 20 und Sensor 10 sind gemeinsam von einem thermisch nicht oder vermindert und elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff unter Ausbildung eines Körpers 17 umspritzt. Der Körper ist mit Befestigungsmitteln zur Befestigung an einer Halterung versehen, die in 4 beispielhaft als Schraubgewinde 18 mit Schulter19 ausgebildet ist, so dass die Temperatursensorvorrichtung in eine Halterung 30 eingeschraubt werden kann, beispielweise in eine Gewindeöffnung eines Gehäuses, dessen Innentemperatur gemessen und gesteuert werden soll.

Claims (12)

1. Temperatursensorvorrichtung mit einem Temperatursensorelement enthaltend eine Trägerplatine mit einem auf einem Ende der Platine angeordnetem thermoelektrisch aktiven Element mit mindestens zwei elektrischen Leiterbahnen sowie auf dem anderen Ende der Platine angeordneten elektrischen Kontaktflächen, wobei die Platine in einem thermisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Kunststoff eingeschlossen ist, wobei zumindest die Kontaktflächen frei bleiben und wobei ein Anschlussmittel an eine Messelektronik mit den Kontaktflächen verbunden ist und der von dem modifizierten Kunststoff nicht eingeschlossene Teil der Platine mit dem Anschlussmittel durch einen zweiten, thermisch und elektrisch nicht leitenden Kunststoff eingeschlossen ist unter Freilassung des das thermoelektrisch aktive Element abdeckenden ersten Kunststoffs.
2. Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der thermisch leitfähige und elektrisch isolierende Kunststoff ein mit Bornitridpulver und gegebenenfalls Aluminiumoxidpulver modifiziertes Polyamid oder Polyphenylensufid oder Polyethersulfone ist.
3. Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der thermisch leitfähige und elektrisch isolierende Kunststoff PA 66 oder PA 612 ist und das Temperatursensorelement für einen Temperaturbereich bis 120°C bzw. 110°C bestimmt ist.
4. Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der thermisch leitfähige und elektrisch isolierende Kunststoff PPS oder PES ist und das Sensorelement für einen Temperaturbereich bis 200°C bestimmt ist.
5. Temperatursensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Platine ein Trägermaterial aufweist und das Trägermaterial eine flexible Polyimidfolie ist.
6. Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Polyimidfolie eine Dicke von 35 bis 120 µm, vorzugsweise 50 bis 100 µm aufweist.
7. Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Leitungen und die elektrischen Kontaktflächen der Platine aus Kupfer bestehen.
8. Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenkontur der zweiten Kunststoffs Befestigungsmittel für die Befestigung in einer Halterung bereitstellt.
9. Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Befestigungsmittel ein Schraubengewinde ist.
10. Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Befestigungsmittel Teil einer Rastverbindung ist.
11. Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Befestigungsmittel Teil eines Bajonettverschlusses ist.
12. Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Kunststoff den Anschluss an ein Kabel darstellt.

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