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WO2005098382A1 - Temperatursensor und verfahren zur justierung eines solchen - Google Patents

Temperatursensor und verfahren zur justierung eines solchen Download PDF

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WO2005098382A1
WO2005098382A1 PCT/EP2005/003559 EP2005003559W WO2005098382A1 WO 2005098382 A1 WO2005098382 A1 WO 2005098382A1 EP 2005003559 W EP2005003559 W EP 2005003559W WO 2005098382 A1 WO2005098382 A1 WO 2005098382A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
temperature sensor
base substrate
sensitive layer
layer
sensor according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2005/003559
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Wittenhagen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EGO Elektro Geratebau GmbH
Original Assignee
EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EGO Elektro Geratebau GmbH filed Critical EGO Elektro Geratebau GmbH
Publication of WO2005098382A1 publication Critical patent/WO2005098382A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—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 linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K15/00—Testing or calibrating of thermometers

Definitions

  • the invention relates to a temperature sensor with a base substrate on which a sensitive layer made of a material with temperature-dependent resistance is applied.
  • Such temperature sensors are used in a large number of application areas. They are based on a resistance measurement using a current conducted through the sensitive layer.
  • the sensitive layer consists of a material that changes its specific resistance depending on the temperature. The materials used have either an increasing specific resistance or a decreasing specific resistance with increasing temperature.
  • the base substrate of the temperature sensor is used to attach the sensitive layer and is itself not electrically conductive.
  • Various methods such as thin-film technology and thick-film technology are known for applying the sensitive layer to the base substrate.
  • the LTCC technique (“low temperature cofired ceramics” technique) is a technique for the production of circuits which are formed with the aid of several layers of LTCC foils, on each of which conductor tracks are applied.
  • the composite of these various layers stacked one on top of the other is sintered in a process furnace after completion, with relatively low temperatures in the range between 900 ° C. and 1000 ° C. being customary.
  • the LTCC materials contain glass, ceramics and organic solvents in the unfired state.
  • the LTCC technology allows a very compact design of circuits by stacking almost any number of layers.
  • the low sintering temperature allows materials with a low melting point to be used for the conductor tracks.
  • the object of the invention is to provide a temperature sensor which can be produced inexpensively and which functions reliably at high temperatures and high air humidity.
  • a temperature sensor with a base substrate, to which a sensitive layer made of a material with temperature-dependent resistance is applied is provided, the base substrate having a layer made of an LTCC material.
  • the use of an LTCC material allows the use of sensitive layers made of materials with a low melting point. Since the sintering temperature of the LTCC material is not significantly above 900 ° C, the sensitive layer can consist of gold or silver, for example.
  • the LTCC material which is usually in sheet form in the unsintered state, can cover the sensitive layer from two sides, so that the sensitive layer after a pressing / laminating process and sintering process is virtually embedded in the LTCC material and itself has no contact with the surroundings.
  • connection lines of the temperature sensor are also located in a high temperature area
  • the base substrate of the temperature sensor in such an, for example elongated, shape that allows a first section of the temperature sensor to be connected to the sensitive layer is arranged in the area of high temperature, while a second section with the connections of the temperature sensor is arranged in an area of lower temperature.
  • this prevents the connections from being damaged by the high Temperature damage, and on the other hand ensures that the temperature measurement remains free of unwanted side effects.
  • Conventional welding and soldering processes can be used to fasten the connecting wires, with brazing processes in particular being preferred.
  • detachable plug connections with and without additional plating or connecting lugs are also expedient.
  • the layer made of LTCC preferably the entire base substrate, is densely sintered.
  • the material of the sensitive layer has platinum.
  • Platinum is particularly suitable for temperature measurement, particularly because of its linear behavior between temperature and resistance over a wide temperature range. It provides very precise results and also has a very quick response to changes in temperature.
  • the sensitive layer is essentially completely, preferably completely in a larger area, surrounded by one or more layers of the base substrate. In this way, the service life of the temperature sensor is increased because the sensitive sensitive layer is not in direct contact with the surroundings. In addition, the accuracy of the temperature measurement is increased by preventing disruptive factors such as high air humidity on the sensitive layer.
  • the sensitive layer at least partially in an access area, is not dependent on a position of the basic substance. strats enclosed, preferably the access area is designed for a subsequent passivation and in particular the sensitive layer is formed in this access area for resistance adjustment of the total resistance of the temperature sensor by changing the active length of the layer
  • the sensitive layer can be influenced through the access area, while the resistance of the temperature sensor is measured either continuously or at short intervals.
  • the sensitive layer can be adapted, for example, by means of a laser, with which material is removed from the sensitive layer, so that the specific resistance changes in relation to a known temperature.
  • the access area leads to direct contact of the sensitive layer with the surroundings, but since the access area need not be large, this affects the temperature measurement only insignificantly.
  • the access area can be designed for a subsequent passivation. This allows the access area to be closed after calibration of the temperature sensor, for example by means of a glass layer.
  • the sensitive layer is passivated, at least in the access area not enclosed by the base substrate, preferably through a glass layer.
  • two or more layers of the base substrate are provided, each of which has a sensitive layer, the sensitive layers being connected in series or in parallel. In this way it is possible to achieve a large sensitive layer with a compact construction of the temperature sensor. If the sensitive layers of the different layers are connected in series, the result is that the resistance is increased. This allows a more accurate measurement of the temperature. In addition, the relative influence of interference in the resistance measurement signal is reduced if the measurement signal has an absolutely high value.
  • the temperature sensor has mechanical stabilizing means which at least partially enclose the base substrate, the stabilizing means preferably being designed in the manner of a clamp.
  • the stabilizing means can be designed in such a way that they have connecting means for the specific application, for example holding arms, by means of which the temperature sensor is attached to the position provided for this purpose.
  • Stabilizing means designed as a sheet metal holder can comprise narrow sheet metal rods which hold the temperature sensor from all sides and yet do not cause a disruptive insulating effect between the surroundings and the actual temperature sensor. This prevents the response times of the temperature sensor from being greatly increased.
  • the sensitive layer is provided in an elongated shape on the base substrate, preferably in a spiral or meandering shape. This ensures that a high resistance is achieved in relation to the surface of the sensitive layer. A high resistance in turn allows a more precise temperature measurement and means that the measurement results are hardly influenced by other influencing factors such as the resistance of the connecting cables.
  • the sensitive layer is applied to the base substrate using thick-film technology.
  • Thick-film technology represents an inexpensive way of applying the sensitive layer.
  • the layers applied in this way to the substrate are mechanically robust and not sensitive to high temperatures.
  • the adjustment of a temperature sensor according to the invention can be carried out by means of a method in which, in a first step, the sensitive layer in a region not enclosed by the base substrate is changed or structured with a laser beam, while the resistance value of the sensor is measured, the structuring being achieved after it has been reached a target resistance value is terminated and in a second step passivation is carried out at least of the area of the temperature sensor not enclosed by the base substrate.
  • FIG. 1 is an exploded view of a temperature sensor according to the invention in a first embodiment during the adjustment process
  • FIG. 2 shows the temperature sensor in the first embodiment in the sintered and adjusted state
  • FIG. 3 shows an exploded view of a temperature sensor according to the invention in a second embodiment after the adjustment process
  • the temperature sensor is constructed from a total of three LTCC ceramic layers 10a, 10b, 10c. Meandering platinum layers 12b, 12c are applied to two of the LTCC ceramic layers 10a, 10b, 10c. The platinum layers 12b, 12c are connected to one another and to connections 14a, 14b. For this purpose, through-contacts 16a, 16b through the LTCC ceramic layer 10a and through-contacts 18a, 18b through the LTCC ceramic layer 10b are provided. As a consequence, the platinum layers 12b, 12c of the LTCC ceramic layers 10b, 10c are connected in series.
  • two adjacent conductor sections 22, 24 are connected to one another by a total of 17 conductor bridges 26. These conductor bridges allow the temperature sensor to be adjusted by increasing the overall resistance of the temperature sensor by cutting through individual conductor bridges.
  • the uppermost LTCC ceramic layer 10a has an access opening 28 which is arranged above the adjustment region 20.
  • the individual layers of the LTCC temperature sensor After the individual layers of the LTCC temperature sensor have been prepared in the manner shown in FIG. 1, they are first positioned exactly one above the other and pressed using a uniaxial press. This pressing can be carried out, for example, between two heated plates aligned parallel to one another. In addition, isostatic lamination is also an option. This process is carried out using a water-filled pressure chamber and ensures an even pressure distribution at the temperature sensor. After the layers of the temperature sensor are connected to one another, the temperature sensor is sintered with a suitable temperature-time profile, the maximum temperature preferably not exceeding 900 ° C. to 1000 ° C. After the sintering process, the next step in the manufacturing process is to adjust the temperature sensor. For this purpose, the resistance of the temperature sensor is measured at a known temperature.
  • the platinum layers 12b, 12c are dimensioned such that the temperature sensor has a slightly lower resistance than the target resistance before the adjustment.
  • This target resistance is achieved by successively severing individual conductor bridges 26 of the platinum layer 12b by means of a laser beam 27 through the access opening 28 provided for this purpose. This compensates for the fluctuations in the resistance caused by the manufacture of the temperature sensor, and it is achieved that all temperature sensors have a resistance with respect to their resistance at a certain temperature, which is within a narrow tolerance range.
  • Fig. 2 shows the finished temperature sensor. It has a total resistance of around 1000 ⁇ at 0 ° C. Other values for the resistance of, for example, 100 ⁇ , 200 ⁇ or 500 ⁇ can also be used. It can be seen that the three layers 10a, 10b, 10c lie flush on one another. The access opening 28 has been closed off by a passivation 30, so that the platinum layer 12b is closed off from the surroundings. Except at the two connections 14a, 14b, there can be nowhere a direct contact between the resistance conductor or its leads and the environment. It can also be seen that mechanical stabilizing means 32 are provided which represent protection against mechanical influences.
  • the mechanical stabilizing means 32 have a sheet metal web 34 which extends in the longitudinal direction of the temperature sensor on its underside and has two protruding sheet metal tongues 36, 38 at two points, which grip around the side of the temperature sensor and connect it non-positively to the stabilizing means.
  • the sheet metal web 34 protrudes on one side beyond the end of the temperature sensor and thus allows the entire temperature sensor at a designated location.
  • the temperature sensor can be installed in such a way that the temperature sensor is only arranged with a first section 40 in an area in which it is exposed to high temperatures, while a second section 42 is located in an area in which lower temperatures prevail. Such an arrangement prevents the connections 14a, 14b or the feed lines to the connections 14a, 14b from being exposed to the high temperatures or causing a significant change in the measurement result.
  • 3 and 4 show another embodiment of a temperature sensor according to the invention.
  • FIGS. 3 and 4 differs from that shown in FIGS. 1 and 2 in that the connections 1 14a, 114b are arranged on the middle ceramic layer 110b instead of on the top one, as is the case with the embodiment of FIGS. 1 and 2 the case is. As a result, the plated-through holes 16a and 16b are not required.
  • the sensitive layer 110b arranged on the LTCC layer 110b is then optionally adjusted. As in the first exemplary embodiment, this can also be done, for example, by means of a laser beam. In addition, adjustment by mechanical separation of the conductor bridges 126 is also possible.
  • the fully adjusted temperature sensor is then provided with a further ceramic layer 110a, which is preferably also an LTCC ceramic layer. With this further Kera- Mic layer 110a is then laminated again and / or sintered again.
  • the further ceramic layer 110a can be applied and sintered using a glass solder.
  • the ceramic layer 110a is shorter than the other two ceramic layers 110b, 110c, so that the connections 114a, 114b arranged on the ceramic layer 110b are not covered by it.

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Abstract

Erfindungsgemäß ist ein Temperatursensor vorgesehen, dessen Grundsubstrat (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) aus LTCC (low temperature cofired ceramic)-Keramik besteht. Dieser Temperatursensor weist mehrere Substratlagen (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) auf, zwischen denen eine sensitive Schicht (12b, 12c) aus Platin mit temperaturabhängigen Widerstand angeordnet ist. Dadurch, dass diese Schicht (12b, 12c; 112b, 112c) vollständig vom Grundsubstrat (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) umgeben ist, wird erreicht, dass der Temperatursensor sehr verschleißfest ist und auch bei sehr hohen Temperaturen oder anderweitig widrigen Umgebungseinflüssen zuverlässig und genau arbeitet.

Description

Beschreibung Temperatursensor und Verfahren zur Justierung eines solchen
Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor mit einem Grundsubstrat, auf das eine sensitive Schicht aus einem Material mit temperaturabhängigem Widerstand aufgebracht ist.
Solche Temperatursensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen genutzt. Sie beruhen auf einer Widerstandsmessung mittels eines durch die sensitive Schicht geleiteten Stroms. Die sensitive Schicht besteht aus einem Material, welches seinen spezifischen Widerstand temperaturabhängig verändert. Die dabei genutzten Materialien weisen bei steigender Temperatur entweder einen ebenfalls steigenden spezifischen Widerstand oder einen sinkenden spezifischen Widerstand auf.
Das Grundsubstrat des Temperatursensors dient der Befestigung der sensitiven Schicht und ist selbst elektrisch nicht leitend. Zum Aufbringen der sensitiven Schicht auf das Grundsubstrat sind verschiedene Methoden wie beispielsweise die Dünnschichttechnik sowie die Dickschichttechnik bekannt.
Die LTCC-Technik („low temperature cofired ceramics'-Technik), ist eine Technik zur Herstellung von Schaltungen, die mit Hilfe mehrerer Schichten von LTCC-Folien gebildet werden, auf denen jeweils Leiterbahnen aufgebracht werden. Der Verbund aus diesen verschiedenen überein- andergestapelten Lagen wird nach Fertigstellung in einem Prozessofen gesintert, wobei verhältnismäßig geringe Temperaturen im Bereich zwischen 900°C und 1000°C üblich sind. Die LTCC-Materialien weisen im ungebrannten Zustand Glas, Keramik und organische Lösungsmittel auf. Die LTCC-Technologie erlaubt eine sehr kompakte Bauweise von Schaltungen durch das Stapeln von annähernd beliebig vielen Lagen. Die niedrige Sintertemperatur erlaubt die Nutzung von Materialien mit geringem Schmelzpunkt für die Leiterbahnen.
Aufgabe und Lösung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen preiswert herstellbaren Temperatursensor zur Verfügung zu stellen, der bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit zuverlässig funktioniert.
Erfindungsgemäß ist hierzu ein Temperatursensor mit einem Grundsubstrat, auf das eine sensitive Schicht aus einem Material mit temperaturabhängigem Widerstand aufgebracht ist, vorgesehen, wobei das Grund- substrat eine Lage aus einem LTCC-Material aufweist. Die Verwendung eines LTCC-Materials erlaubt dabei die Verwendung von sensitiven Schichten aus Materialien mit geringem Schmelzpunkt. Da die Sintertemperatur des LTCC-Materials nicht wesentlich über 900°C liegt, kann die sensitive Schicht beispielsweise aus Gold oder Silber bestehen. Das in ungesintertem Zustand üblicherweise in Folienform vorliegende LTCC-Material kann die sensitive Schicht von zwei Seiten bedecken, so dass die sensitive Schicht nach einem Press-/Laminiervorgang und Sintervorgang quasi in das LTCC-Material eingebettet ist und selbst keinen Kontakt zur Umgebung hat. Um zu vermeiden, dass sich die Anschluss- leitungen des Temperatursensors ebenfalls in einem Bereich hoher Temperatur befinden, ist es möglich, das Grundsubstrat des Temperatursensors in einer derartigen, beispielsweise länglichen, Form vorzusehen, die es gestattet, dass ein erster Abschnitt des Temperatursensors mit der sensitiven Schicht im Bereich hoher Temperatur angeordnet ist, während ein zweiter Abschnitt mit den Anschlüssen des Temperatursensors in einem Bereich niedrigerer Temperatur angeordnet ist. Dadurch wird einerseits vermieden, dass die Anschlüsse durch die hohe Temperatur Schaden nehmen, und andererseits gewährleistet, dass die Temperaturmessung frei von ungewünschten Nebeneinflüssen bleibt. Zur Befestigung der Anschlussdrähte können übliche Schweiss- und Lötverfahren verwendet werden, wobei insbesondere Hartlötverfahren bevorzugt sind.
Darüber hinaus sind auch lösbare Steckverbindungen mit und ohne zusätzliche Plattierung oder Anschlussfahnen zweckmäßig.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Lage aus LTCC, vorzugs- weise das gesamte Grundsubstrat, dicht gesintert.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Material der sensitiven Schicht Platin auf.
Platin ist für die Temperaturmessung, insbesondere aufgrund seines in einem großen Temperaturbereich linearen Verhaltens zwischen Temperatur und Widerstand, besonders geeignet. Es liefert sehr präzise Ergebnisse und weist darüber hinaus eine sehr schnelle Reaktion auf Temperaturveränderungen auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die sensitive Schicht im wesentlichen vollständig, vorzugsweise in einem größeren Bereich vollständig, von einer oder mehreren Lagen des Grundsubstrats umschlossen. Auf diese Art und Weise wird die Lebensdauer des Temperatursensors er- höht, denn die empfindliche sensitive Schicht steht nicht in direktem Kontakt mit der Umgebung. Darüber hinaus wird die Genauigkeit der Temperaturmessung dadurch erhöht, dass Störfaktoren wie beispielsweise eine hohe Luftfeuchtigkeit an der sensitiven Schicht verhindert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die sensitive Schicht zumindest partiell in einem Zugangsbereich nicht von einer Lage des Grundsub- strats umschlossen, wobei vorzugsweise der Zugangsbereich für eine nachträglich Passivierung ausgebildet ist und insbesondere die sensitive Schicht in diesem Zugangsbereich zur Wiederstandseinstellung des Gesamtwiderstands des Temperatursensors durch Verändern der aktiven Länge der Schicht ausgebildet ist
Ein solcher Zugangsbereich ermöglicht es, nach Sintern des Temperatursensors bzw. der LTCC-Keramikschichten eine Eichung vorzunehmen. Zu diesem Zweck kann durch den Zugangsbereich hindurch auf die sensitive Schicht Einfluss genommen werden, während entweder kontinuierlich oder in kurzen Abständen der Widerstand des Temperatursensors gemessen wird. Die Anpassung der sensitiven Schicht kann beispielsweise mittels eines Lasers erfolgen, mit dem Material aus der sensitiven Schicht entfernt wird, so dass sich der spezifische Widerstand bezogen auf eine bekannte Temperatur verändert. Der Zugangsbereich führt zwar zu einem direktem Kontakt der sensitiven Schicht mit der Umgebung, da der Zugangsbereich jedoch nicht groß zu sein braucht, beeinflusst das die Temperaturmessung nur unwesentlich. Um einen Einfluss vollständig auszuschließen, kann der Zugangsbereich für eine nachträgliche Passivierung ausgebildet sein. Dies erlaubt, dass nach erfolgter Eichung des Temperatursensors der Zugangsbereich verschlossen wird, beispielsweise mittels einer Glasschicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die sensitive Schicht zumindest in dem nicht vom Grundsubstrat umschlossenen Zugangsbereich passi- viert, vorzugsweise durch eine Glasschicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind zwei oder mehr Schichten des Grundsubstrats vorgesehen, die jeweils über eine sensitive Schicht ver- fügen, wobei die sensitiven Schichten in Reihe oder parallel geschaltet sind. Auf diese Art und Weise ist es möglich, eine große sensitive Schicht bei kompakter Bauweise des Temperatursensors zu erreichen. Wenn die sensitiven Schichten der verschiedenen Lagen in Reihe geschaltet sind, wird erreicht, dass der Widerstand vergrößert wird. Dies gestattet eine genauere Messung der Temperatur. Darüber hinaus wird der relative Einfluss von Störungen im Widerstands-Messsignal verringert, wenn das Messsignal einen absolut hohen Wert aufweist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Temperatursensor me- chanische Stabilisierungsmittel auf, die das Grundsubstrat zumindest teilweise umschließen, wobei vorzugsweise die Stabilisierungsmittel klammerartig ausgebildet sind.
Diese Stabilisierungsmittel verringern die Anfälligkeit des Temperatur- sensors gegen mechanische Schäden. Dies gilt sowohl für den Betrieb des Temperatursensors als auch für die Handhabung der Temperatursensoren vor und bei der Montage. Die Stabilisierungsmittel können dabei so ausgebildet sein, dass sie Anschlussmittel für den konkreten Anwendungszweck aufweisen, beispielsweise Haltearme, mittels derer der Temperatursensor an der dafür vorgesehenen Position angebracht wird. Als Blechhalterung ausgebildete Stabilisierungsmittel können schmale Blechstäbe umfassen, die den Temperatursensor von allen Seiten halten und dabei dennoch keine störende Isolationswirkung zwischen der Umgebung und dem eigentlichen Temperatursensor verursachen. Da- durch wird vermieden, dass die Ansprechzeiten des Temperatursensors stark erhöht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die sensitive Schicht in einer länglichen Form auf dem Grundsubstrat vorgesehen, vorzugsweise in gewendelter oder mäanderartiger Form. Dadurch wird erreicht, dass bezogen auf die Fläche der sensitiven Schicht ein hoher Widerstand erzielt wird. Ein hoher Widerstand wiederum erlaubt eine genauere Temperaturmessung und führt dazu, dass die Messergebnisse von anderen Einflussfaktoren wie beispielsweise dem Widerstand der Anschlussleitungen kaum beeinflusst werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird ist die sensitive Schicht mittels Dickschichttechnik auf dem Grundsubstrat aufgebracht.
Die Dickschichttechnik stellt eine preiswerte Möglichkeit zum Aufbringen der sensitiven Schicht dar. Darüber hinaus sind die derart auf dem Substrat aufgebrachten Schichten mechanisch robust und unanfällig gegen hohe Temperaturen.
Die Justierung eines erfindungsgemäßen Temperatursensors kann mittels eines Verfahrens durchgeführt werden, bei dem in einem erstem Schritt die sensitive Schicht in einem nicht vom Grundsubstrat umschlossenen Bereich mit einem Laserstrahl verändert bzw. strukturiert wird, während der Widerstandswert des Sensors gemessen wird, wobei die Strukturierung nach Erreichen eines Sollwiderstandswerts beendet wird und in einem zweitem Schritte eine Passivierung mindestens des vom Grundsubstrat nicht umschlossenen Bereichs des Temperatursensors durchgeführt wird.
Dieses Verfahren gestattet die Justierung der Temperatursensoren und führt damit zu einer sehr hohen Genauigkeit der Temperaturmessungen. Durch die Passivierung des Zugangsbereichs ist gewährleistet, dass der wesentliche Vorteil des mit einem Grundsubstrat aus LTCC- Keramikschichten aufgebauten Temperatursensors erhalten bleibt, näm- lieh die Robustheit und die geringe Anfälligkeit gegen störende Umgebungseinflüsse. Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei Aus- führungsformen der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allge- meingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schema- tisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Temperatursensors in einer ersten Ausführungsform während des Justiervorgangs,
Fig. 2 den Temperatursensor in der ersten Ausführungsform im gesinterten und justierten Zustand, Fig. 3 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Temperatursensors in einer zweiten Ausführungsform nach dem Justierungsvorgang und
Fig. 4 den Temperatursensor in der zweiten Ausführungs- form im gesinterten und justierten Zustand.
Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Temperatursensor in Explosionsdarstellung. Der Temperatursensor ist aus insgesamt drei LTCC- Keramikschichten 10a, 10b, 10c aufgebaut. Auf zwei der LTCC- Keramikschichten 10a, 10b, 10c sind mäanderförmige Platinschichten 12b, 12c aufgebracht. Die Platinschichten 12b, 12c sind miteinander und mit Anschlüssen 14a, 14b verbunden. Zu diesem Zweck sind Durchkon- taktierungen 16a, 16b durch die LTCC-Keramikschicht 10a und Durch- kontaktierungen 18a, 18b durch die LTCC-Keramikschicht 10b vorgese- hen. In der Konsequenz sind die Platinschichten 12b, 12c der LTCC- Keramikschichten 10b, 10c in Reihe geschaltet. In einem Justierungsbereich 20 der mäanderförmigen Platinschicht 12b sind zwei nebeneinanderliegende Leiterabschnitte 22, 24 durch insgesamt 17 Leiterbrücken 26 miteinander verbunden. Diese Leiterbrücken gestatten die Justierung des Temperatursensors, indem der Gesamtwiderstand des Temperatursensors durch Durchtrennen einzelner Leiterbrücken erhöht wird. Die oberste LTCC-Keramikschicht 10a weist eine Zugangsöffnung 28 auf, der über dem Justierungsbereich 20 angeordnet ist.
Nachdem die einzelnen Lagen des LTCC-Temperatursensors in der in Fig. 1 dargestellten Art und Weise vorbereitet sind, werden sie zunächst genau übereinander positioniert und mittels einer uniaxialen Presse ver- presst. Dieses Pressen kann beispielsweise zwischen zwei parallel zueinander ausgerichteten aufgeheizten Platten durchgeführt werden. Daneben bietet sich auch das isostatische Laminieren an. Dieses Verfahren wird mittels einer wassergefüllten Druckkammer durchgeführt und gewährleistet eine gleichmäßige Druckverteilung am Temperatursensor. Nachdem die Lagen des Temperatursensors dadurch miteinander verbunden sind, wird der Temperatursensor mit einem dafür geeigneten Temperatur-Zeit-Profil gesintert, wobei die maximale Temperatur 900°C bis 1000°C vorzugsweise nicht übersteigt. Nach dem Sinten organg wird als nächster Herstellungsschritt die Justierung des Temperatursensors vorgenommen. Zu diesem Zweck wird der Widerstand des Temperatursensors bei einer bekannten Temperatur gemessen. Die Platinschichten 12b, 12c sind so dimensioniert, dass der Temperatursensor vor der Justierung einen geringfügig geringeren Widerstand als den Sollwiderstand aufweist. Dieser Sollwiderstand wird erreicht, indem nacheinander einzelne Leiterbrücken 26 der Platinschicht 12b mittels eines Laserstrahls 27 durch die dafür vorgesehene Zugangsöffnung 28 durchtrennt werden. Die in der Fertigung des Tem- peratursensors begründeten Schwankungen des Widerstandes werden dadurch ausgeglichen, und es wird erreicht, dass alle Temperatursensoren bezüglich ihres Widerstandes bei einer bestimmten Temperatur einen Widerstand aufweisen, der in einem engen Toleranzfeld liegt.
Fig. 2 zeigt den fertigen Temperatursensor. Er weist einen gesamten Widerstand von etwa 1000Ω bei 0°C auf. Verwendbar sind auch andere Werte für den Widerstand von beispielsweise 100Ω, 200Ω oder 500Ω. Es ist zu erkennen, dass die drei Schichten 10a, 10b, 10c bündig aufeinander liegen. Die Zugangsöffnung 28 ist durch eine Passivierung 30 abgeschlossen worden, so dass die Platinschicht 12b von der Umgebung abgeschlossen ist. Außer an den beiden Anschlüssen 14a, 14b kann es also nirgends zu einem direkten Kontakt zwischen dem Widerstandsleiter bzw. dessen Zuleitungen und der Umgebung kommen. Zu erkennen ist darüber hinaus, dass mechanische Stabilisierungsmittel 32 vorgesehen sind, die einen Schutz vor mechanischen Einflüssen darstellen. Die mechanischen Stabilisierungsmittel 32 weisen einen sich in Längsrichtung des Temperatursensors an dessen Unterseite erstreckenden Blechsteg 34 auf, der an zwei Stellen jeweils über zwei abstehende Blechzungen 36, 38 verfügt, die seitlich um den Temperatursen- sor herumgreifen und diesen kraftschlüssig mit den Stabilisierungsmitteln verbinden. Der Blechsteg 34 ragt dabei auf einer Seite über das Ende des Temperatursensors hinaus und gestattet so die Befestigung des gesamten Temperatursensors an einer dafür vorgesehenen Stelle. Der Einbau des Temperatursensors kann dabei so erfolgen, dass der Temperatursensor nur mit einem erstem Abschnitt 40 in einem Bereich angeordnet ist, in dem er hohen Temperaturen ausgesetzt ist, während ein zweiter Abschnitt 42 sich in einem Bereich befindet, in dem geringere Temperaturen herrschen. Durch eine derartige Anordnung wird vermieden, dass die Anschlüsse 14a, 14b bzw. die Zuleitungen zu den Anschlüssen 14a, 14b den hohen Temperaturen ausgesetzt sind bzw. eine erhebliche Veränderung des Messergebnisses verursachen.
Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperatursensors.
Die Ausführungsform gemäß der Figuren 3 und 4 unterscheidet sich von der in Fig. 1 und 2 dargestellten dahingehend, dass die Anschlüsse 1 14a, 114b auf der mittleren Keramikschicht 110b statt auf der obersten angeordnet sind, wie dies beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 der Fall ist. In Folge dessen sind die Durchkontaktierungen 16a und 16b nicht erforderlich.
Der wesentliche Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht allerdings darin, dass nur die beiden LTCC-Schichten 110b, 110c in dem ersten Laminier- und Sinter-Vorgang laminiert und gesintert werden. Anschließend erfolgt gegebenenfalls eine Justierung der auf der LTCC- Schicht 110b angeordneten sensitiven Schicht 1 10b. Dies kann wie beim ersten Ausführungsbeispiel auch zum Beispiel mittels eines Laserstrahls erfolgen. Daneben ist auch eine Justierung durch mechanisches Trennen der Leiterbrücken 126 möglich.
Der fertig justierte Temperatursensor wird dann mit einer weiteren Keramikschicht 110a versehen, wobei es sich dabei vorzugsweise ebenfalls um eine LTCC-Keramikschicht handelt. Mit dieser weiteren Kera- mikschicht 110a erfolgt dann eine nochmalige Laminierung und/oder eine nochmalige Sinterung. Die weitere Keramikschicht 110a kann mittels eine Glaslots aufgebracht und gesintert werden.
Die Keramikschicht 110a ist kürzer als die beiden anderen Keramikschichten 110b, 110c ausgebildet, so dass die auf der Keramikschicht 110b angeordneten Anschlüsse 114a, 114b nicht von ihr überdeckt werden.
Bei dieser zweiten Ausführungsform entfällt also gegenüber der ersten Ausführungsform das Erfordernis einer obersten Keramikschicht 10a mit einer Zugangsöffnung 28, was eine Erleichterung bzgl. der Fertigung darstellt. Allerdings tritt gegenüber der ersten Ausführungsform die Notwendigkeit auf, einen weiteren Laminierungs- und/oder Sintervorgang durchzuführen.

Claims

Patentansprüche
1. Temperatursensor mit einem Grundsubstrat (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c), auf das eine sensitive Schicht (12b, 12c; 112b, 112c) aus einem Material mit temperaturabhängigem Widerstand aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) mindestens eine Lage (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) aus einem LTCC- Material aufweist.
2. Temperatursensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lage (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) aus LTCC, vorzugsweise das gesamte Grundsubstrat (10a, 10b, 10c; 110a, 1 10b, 110c), dicht gesintert ist.
3. Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der sensitiven Schicht (12b, 12c; 1 12b, 112c) Platin aufweist.
4. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (12b, 12c; 112b, 112c) im wesentlichen vollständig, vorzugsweise in einem größeren Bereich vollständig, von einem oder mehreren Lagen des Grundsubstrats (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) umschlossen ist.
5. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (12b, 12c; 112b, 112c) zumindest partiell in einem Justierungsbereich (20; 120) nicht vom Grundsubstrat (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) umschlossen ist, wobei vorzugsweise der Justierungsbereich (20; 120) für eine nachträgliche Passivierung ausgebildet ist und insbesondere die sensitive Schicht in diesem Justierungsbereich (20; 120) zur Wiederstandseinstellung des Gesamtwiderstands des Temperatursensors durch Verändern der aktiven Länge der Schicht ausgebildet ist.
6. Temperatursensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (12b, 12c; 112b, 112c) zumindest in dem nicht vom Grundsubstrat (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) umschlossenen Justierungsbereich (20; 120) passiviert ist, vorzugsweise durch eine Glasschicht (30).
7. Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei oder mehr übereinanderliegende Lagen des Grundsubstrates (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c), die jeweils über eine sensitive Schicht (12b, 12c; 112b, 112c) verfügen, wobei die sensitiven Schichten (12b, 12c; 112b, 112c) in Reihe oder parallel geschaltet sind.
8. Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mechanische Stabilisierungsmittel (32; 132), die das Grundsubstrat (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) zumindest teilweise umschließen, wobei vorzugsweise die Stabilisierungsmittel (32; 132) klammerartig ausgebildet sind.
9. Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (12b, 12c; 112b, 112c) in einer länglicher Form auf dem Grundsubstrat (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) vorgesehen ist, vorzugsweise in gewendelter oder mäanderartiger Form.
10. Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine sensitive Schicht in Dickschichttechnik.
1 1. Verfahren zur Justierung eines Temperatursensors nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass - in einem ersten Schritt die sensitive Schicht (12b, 12c; 112b, 112c) in einem nicht vom Grundsubstrat (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) umschlossenen Justierungsbereich (20; 120) mit einem Laserstrahl (27) verändert bzw. strukturiert wird, während der Widerstandswert des Sensors gemessen wird, wobei - die Strukturierung nach Erreichen eines Soll-Widerstandswerts beendet wird und - in einem zweiten Schritt eine Passivierung mindestens des vom Grundsubstrat (10a, 10b, 10c; 110a, 110b, 110c) nicht umschlossenen Justierungsbereich (20; 120) des Temperatursensors durchgeführt wird.
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