DD250576A1 - Temperaturempfindliches element und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Abstract

Temperaturempfindliches Element mit einem Traeger, auf dem abwechselnd Metall- und Isolierschichten deponiert sind, wobei Traeger und Isolierschichten aus einer Keramik bestehen. Es soll ein monolithischer Schichtbaustein geschaffen werden, der kompendioes und einfach herstellbar sowie gegen aggressive Medien hermetisch abgeschlossen und widerstandsfaehig ist und dessen Temperaturkennlinie ueber einen sehr grossen Messbereich linearisiert ist bzw. eine gewuenschte Form annehmen kann. Mindestens eine der Metallschichten ist als steuerbares Heizelement ausgebildet. Diese Metallschicht ist von den anderen Metallschichten elektrisch getrennt. Saemtliche keramische Schichten, einschliesslich des Traegers, bestehen aus chemisch aehnlichen Materialien. Der mit den Schichten zu versehene Traeger wird zunaechst poroes ausgebildet und der durch Aufbringung der Schichten entstandene Verbund in seiner Gesamtheit in einem Arbeitsgang gesintert. Fig. 1

Description

temperaturempfindlichen Elementes bzw. eine Anpassung des Elementes an eine vorgegebene Temperaturkennlinie möglich, und es wird die Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit erhöht.

Der elektrische Primärkreis dient zum Aufheizen oder Kühlen bezüglich eines Arbeitspunktes des Sekundärkreises und beeinflußt so dessen Widerstandsverhalten zusätzlich zur Temperaturbeeinflussung durch ein äußeres Medium. Vorteilhaft bestehen Träger und Isolierschichten aus einer Oxidkeramik (AI₂O₃, BeO, ZrO₂). Die vorzugsweise aus nicht edlen Metallen (W, Mo) oder deren Verbindungen bestehenden, im Siebdruckverfahren aufgebrachten Metallschichten sind zur Erhöhung der Haftfestigkeit und Variation des Temperaturkoeffizienten mit Nickel, Palladium und/oder Silizium dotiert. Eine vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn die Metallschichten zu beiden Seiten des Trägers angeordnet sind, der die Metallschichten voneinander isoliert und die Isolierschichten die Metallschichten abdecken. Die erforderlichen Anschlußarmaturen können an bekannte Kontaktsysteme montiert werden, die z. B. durch Hochratezerstäuben, Bedampfen oder Siebdruck hergestellt worden sind. Außerdem können elektronische oder mikroelektronische Einbaukomponenten auf den monolithischen Verbund des temperaturempfindlichen Elementes aufgebracht werden.

Die Erfindung ermöglicht in einfacher Weise die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Die zu diesem Zweck an den Primärkreis angelegte Spannung kann konstant, sinusförmig, impulsförmig, nach einem vorgegebenen Programm wechselnd sein. Bedingt durch die Umwandlung in Wärmeenergie ist stets der geometrische Mittelwert des elektrischen Signals wirksam. Die durch die Oxidkeramikschicht zwischen den beiden Metallschichten übertragene Wärmeenergie ruft im Sekundärkreis eine entsprechende Widerstandsänderung hervor, die mit Hilfe einer an sich bekannten, einen Differenzverstärker und einen Ausgangsverstärker enthaltenden elektronischen Schaltung in Spannungssignale gewandelt werden kann.

Wird das temperaturempfindliche Element zur Beheizung von Bauteilen benutzt, so daß deren elektrische Eigenschaften möglichst unabhängig von der Umgebungstemperatur sind, so wird die zu den Bauteilen entfernt liegende Metallschicht beheizt, die über eine Auswerte- und Steuerelektronik mit der den Bauteilen benachbarten Metallschicht verbunden ist. Da die abdeckenden und isolierenden Oxidkeramikschichten sehr dünn sind, nimmt die den Bauteilen benachbarte Metallschicht die Temperatur der Bauteile schnell auf und bewirkt je nach Höhe der Temperatur durch die Auswerte-und Steuerelektronik ein Ab- oder Einschalten der Beheizung.

Bei der Verwendung,des erfindungsgemäßen Elementes zur Bestimmung des Wärmewiderstandes elektronischer Bauelemente dienen der Primärkreis der Ausschaltung des Einflusses der Umgebungstemperatur und der Sekundärkreis der Messung. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeiten von aggressiven Medien in Rohren werden zwei erfindungsgemäße Elemente in einem isolierenden Abstand voneinander um das durchströmte Rohr angeordnet, wo sie als Sender und Empfänger von Wärmeimpulsen dienen. Im Sender wird ein elektrischer Impuls in einen starken Wärmeimpuls gewandelt, der durch das strömende Medium zum Empfänger.gelangt, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit vom Wärmeimpuls verändert

Das erfindungsgemäße Element kann auch mehr als zwei Metallschichten aufweisen, wobei vorteilhafterweise die Widerstandsschichten und die Heizelementeschichten jeweils untereinander zusammengeschaltet sind.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Elementes werden auf dem Träger abwechselnd eine Metallschicht und eine Keramikschicht deponiert. Gemäß der Erfindung ist es zur Erreichung eines hermetisch dichten Elementes wichtig, daß bei der Herstellung der Träger porös ausgebildet und der nach Aufbringung der Widerstands- und Isolierschichten entstandene Verbund in einem Arbeitsgang gesintert wird. Dabei wird von einem Träger ausgegangen, der entweder wie die Isolierschichten getrocknet oder vorgeglüht worden und zwischen den Isolierschichten mit strukturierten, mäander- oder spiralförmigen Metallscheiben versehen ist.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel eines temperaturempfindlichen Elementes mit einer Auswerteschaltung, Fig.2: ein R/T-Diagramm und

Fig. 3: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines temperaturempfindlichen Elementes.

In Fig. 1 sind auf einem Träger 1 eine erste Metallschicht 2, eine erste Isolierschicht 3, eine zweite Metallschicht 4 und eineais Deckschicht 5 dienende Isolierschicht aufgebracht und zusammengesintert.

Der Träger 1, die Isolierschicht 3 und die Deckschicht 5 bestehen aus einer 90%igen Al2O₃-Keramik, die Metallschichten 2 und 4 aus Mo, das mit Si dotiert ist. Die Dicke des Trägers 1 beträgt 0,1 mm, die der Isolier- und Deckschicht 3 bzw. 5 beträgt 0,03 mm und die der Metallschichten 2 und 4 beträgt 0,01 mm. Die MetalIschichten 2; 4 (Widerstandsschichten) können als Mäanderform ausgeführt sein. Sie sind mit Anschlüssen 6-7 für die Auswerteelektronik versehen, die aus einem Anpassungsglied 8, einem mit Rechnerschaltkreisen versehenen, programmierbaren Trigger 9 und einer Steuereinheit 10 besteht, die einen Leistungstransistor zum Schalten beinhalten kann. An das Ausgangsglied ist eine Anzeigeeinheit 11 angeschlossen. Die Steuereinheit 10 steuert die von einer Energiequelle 12 gelieferte Energie zum Aufheizen der Metallschicht 2. Wird das temperaturempfindliche Element 1 bis 5 von einer Temperatur T₁ beeinflußt, so ergibt sich in der Metallschicht 4 eine Widerstandsänderung, die durch das Anpassungsglied 8 in eine Spannungs- oder Stromänderung umgeformt und durch die Anzeigeeinheit 11 angezeigt und/oder dem Trigger 9 zugeführt wird. Der Trigger 9 verändert entsprechend dem ihm innewohnenden Programm über die Steuereinheit 10 die von der Energiequelle 12 gelieferte Energiemenge und damit die Heizleistung der Metallschicht 2, so daß sich der Widerstand der Metallschicht 4 in gewünschtem Meße ändert und sich für die Temperaturkennlinie des Elementes 1 bis 5 beispielsweise eine lineare Form ergibt. Es kann erforderlich sein, die Temperaturkennlinie von einen Arbeitspunkt (AP in Fig. 2) beginnend nur in einem bestimmten Bereich zu linearisieren bzw. zu verändern.

In diesem Fall wird auch der Arbeitspunkt durch den Trigger 9 festgelegt. DieErfindung ist weder an die Anzahl noch an die Dicke, Form und Materialien der in Fig. 1 dargestellten Schichten gebunden. Auch die Auswerteelektronik kann im Einzelfall abweichend, entsprechend der konkreten Anwendung, gestaltet sein. Wichtig ist jedoch, daß mindestens eine der Metallschichten beheizbar und damit der Temperaturkennlinie des temperaturempfindlichen Elementes einen gewünschten Verlauf gibt. "

Bei der Herstellung des temperaturempfindlichen Elementes wird die 90%ige A^CVKeramik des Trägers 1 bei 1100⁰C in oxidierender Atmosphäre 1 h lang vorgeglüht. Anschließend wird der Träger 1 mit der strukturierten Metallschicht 2 auf Mo-Basis versehen und getrocknet. Darauf wird die getrocknete Isolierschicht 3 mit mindestens 90% AI₂O₃-Gehalt aufgebracht, diese wieder im Siebdruckverfahren mit der Metallschicht 4 beschichtet und nach einem nochmaligen Trocknen die ebenfalls getrocknete Deckschicht 5 aufgebracht, die dieselbe Zusammensetzung aufweist wie die Isolierschicht 3 und damit auch dieselben isolierenden Eigenschaften wie diese besitzt. Die so geschaffene Schichtenfolge wird bei einer Temperatur von 1 500⁰C reduzierend unter H₂/N₂-Atmosphäre 2 h zu einem hermetisch dichten monolithischen Verbund gesintert. In Fig. 2 ist der Widerstand R über der Zeit Taufgetragen. Eine Temperaturkennlinie K beginnt im Schnittpunkt der R-, T-Achsen, verläuft bis zu einem Arbeitspunkt AP mit den Koordinaten To und Ro als Gerade und danach die gekrümmte Linie K₁. Für die Temperaturmessung ist aber das lineare Verhältnis T:R von Bedeutung. Durch die Beheizung des Elementes (Fig. 1) wird erreicht, daß sich die Gerade K über den Arbeitspunkt AP als Gerade K₂ fortsetzt, daß also der Differenzbetrag Δ R ausgeglichen wird. Durch die zusätzliche temperaturabhängige Steuerung des Widerstandes R₀ können also vorhandene Nichtlinearitäten der Temperaturkennlinie kompensiert oder der Temperaturkennlinie eine erforderliche Form gegeben werden. Außerdem ermöglicht die zusätzliche Steuerung das Festlegen eines Schwellwertes für den Erwärmungs- oder Abkühlvorgang, bezogen auf einen eingestellten Arbeitspunkt.

In Fig. 3 sind auf einem Träger 13 zu beiden Seiten zwei Metallschichten 14; 15 vorgesehen, auf die zwei Isolierschichten 16; 17 aufgebracht sind, die aus dem gleichen Material hergestellt sind wie der Träger 13. Auf den Isolierschichten 16; 17 sind zwei weitere Metallschichten 18; 19 deponiert, die aus dem gleichen Material bestehen wie die Metallschichten 14; 15 und die durch die isolierenden Deckschichten 20; 21 bedeckt sind. Die Metallschichten 14; 15 dienen der Beheizung und haben einen gemeinsamen Anschluß 22 zu einer nicht dargestellten Auswerteelektronik, die ähnlich wirkt wie die zu Fig. 1 beschriebene. Die Metallschichten 18; 19 sind die Widerstandsschichten des Elementes, die bei Temperaturbeeinflussung ihren Widerstand verändern. Sie haben einen gemeinsamen Anschluß 23 für die nicht dargestellte Auswerteelektronik. Die Wirkungsweise des Elementes 13 bis 23 ist ähnlich wie zu Fig. 1 beschrieben.

Claims (5)

1. Temperaturempfindliches Element, das auf einem Träger aus dielektrischem Material alternierend zwei Metallschichten und zwei Isolierschichten aufweist, wobei der Träger und die Isolierschichten aus einer Keramik bestehen, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens eine der Metallschichten als steuerbares Heizelement ausgebildet ist, daß die als Heizelement ausgebildete Metallschicht von der anderen Metallschicht elektrisch getrennt ist und das sämtliche Schichten einschließlich des Trägers aus chemisch ähnlichen Materialien bestehen.

2. Temperaturempfindliches Element nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Träger und die Isolierschichten aus einer Oxidkeramik bestehen.

3. Temperaturempfindliches Element nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Metallschichten zu beiden Seiten des Trägers angeordnet sind, der die Metallschichten voneinander isoliert und daß die Isolierschichten die Metallschichten abdecken.

4. Temperaturempfindliches Element nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Metallschichten aus Molybdän oder Wolfram bestehen.

5. Verfahren zur Herstellu ng eines temperaturempfindlichen Elementes gemäß Punkt 1 bis 5, bei dem der Träger abwechselnd mit einer Metallschicht und einer Keramikschicht versehen wird, gekennzeichnet dadurch, daß der Träger porös ausgebildet wird und daß der so entstandene Verbund in einem Arbeitsgang gesintert wird.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein temperaturempfindliches Element, das auf einen Träger aus dielektrischem Material alternierend zwei Metallschichten zu zwei Isolierschichten aufweist, wobei der Träger und die Isolierschichten aus einer Keramik bestehen. Derartige Elemente sind in Durchflußmeßgeräten, Hochtemperaturmeßgeräten, Einrichtungen zur Energiegrenzwertmessung, Tieffrequenzverstärkern, thermoelektronischen bzw. thermoelektrischen Sensoren und Aktoren für alle Technikbereiche verwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bereits ein elektrisches Widerstandselement zur Verwendung als Temperaturfühler eines Widerstandsthermometers bekannt, bei dem auf einem Keramikträger in alternierender Folge Widerstandsschichten und isolierende Schichten angeordnet und die Keramikträger vom gleichen Material sind wie die dielektrischen Schichten. Die Widerstandsschichten sind untereinander elektrisch verbunden und gewährleisten eine hohe Empfindlichkeit. Eine exakte Temperaturmessung isfjedoch nur in dem Bereich möglich, in dem die Widerstandskennlinie der Widerstandsschichten linear ist. Außerdem ist es bekannt, mit Hilfe von beheizten Widerstandsgebern Temperaturen bzw. Temperaturänderung nach der Kompensationsmethode zu bestimmen oder mit Hilfe veränderbarer Widerstände zum genauen Temperaturnachweis unabhängig von der Länge der Leitungsdrähte die Nachweistemperatur einzustellen. Abgesehen davon, daß diese bekannten Anordnungen in der Regel mit diskreten Bauelementen ausgerüstet sind, geht es dabei nicht um eine Veränderung des Meßbereiches des jeweiligen Temperatursensors, sondern um den elektrischen Abgleich von Widerstandsveränderungen.

Ziel der Erfindung

Durch die Erfindung sollen die aufgezeigten Mängel beseitigt und ein vielseitig, insbesondere in aggressiven Medien zur Messung hoherTemperaturen anwendbares und leicht herstellbares Element geschaffen werden, das über einen großen Temperaturbereich zur Temperaturmessung verwendbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein temperaturempfindliches Element zu schaffen, dessen Temperaturkennlinie über einen sehr großen Meßbereich* (~ 1 000⁰C) linearisiert ist, das darüber hinaus kompendiös und einfach herstellbar ist und gegen aggressive Medien hermetisch abgeschlossen und widerstandsfähig ist. Außerdem ist die Temperaturkennlinie entsprechend dem Anwendungsfall veränderbar zu gestalten. Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens eine der Metallschichten als steuerbares Heizelement ausgebildet ist, daß die als Heizelement ausgebildete Metallschicht von der anderen Metallschicht elektrisch getrennt ist und daß sämtliche keramische Schichten, einschließlich des Trägers aus chemisch ähnlichem Material bestehen. Die chemische und physikalische Ähnlichkeit der Materialien ermöglicht eine einfache Herstellungstechnologie unter Anwendung von Siebdruckprozessen; keramischen Hochtemperaturprozessen und mikroelektronischen Beschichtungsverfahren sowie einen hermetischen Abschluß des Bauelementes gegen die Umgebung. Das so aufgebaute temperaturempfindliche Element beinhaltet mindestens einen elektrischen Primärkreis, der thermisch mit mindestens einem elektrischen Sekundärkreis gekoppelt ist. Dadurch ist eine definierte Steuerung der Temperaturkennlinie des