DD289127A5

DD289127A5 - Mechanisch stabilisierter platinduennschichtsensor

Info

Publication number: DD289127A5
Application number: DD33440889A
Authority: DD
Inventors: Hans-Dieter Herbert; Klaus Irrgang; Olaf Kiesewetter
Original assignee: Veb Thermometerwerk Geraberg,De
Priority date: 1989-11-09
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1991-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mechanisch stabilisierten Platinduennschichtsensoren, bestehend aus einem keramischen Substrat, einer Platinduennschicht sowie zwei Kontaktflaechen. Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen hohen Verbund mit dem Substrat, den Kontaktflaechen und den Anschluszdraehten und eine hohe mechanische Festigkeit der Verbindung bei Zug-, Druck- und Scherkraft sowie extremem Temperaturwechsel zu erreichen. Diese Aufgabe wird dadurch geloest, dasz die Anschluszdraehte, bestehend aus Platin- und Silberlegierungen, in eine unkonventionelle Verbundglasur mit hoher Festigkeit und niedrigem Ausdehnungskoeffizienten eingebettet sind. Zwei unkonventionelle Verbundglasuren mit einem * niedrigen Ausdehnungskoeffizienten als der der Substratmasse besitzen folgende chemische Zusammensetzung in Segerformel:{Platinduennschichtsensoren; Substrat; Kontaktflaechen; Anschluszdraehte; Verbundglasur; Laser-Tiefschnittstellen}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft einen mechanisch stabilisierten Platindünnschicht-Temperatursensor, der aus einem dünnen bzw. flachen, eine Metall-Widerstandsschicht, insbesondere Platin-Widerstandsschicht, tragenden Substrat mit aufgebondeten Anschlußdrähten besteht.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Dünne plättchenförmige Temperaturmeßwiderstände, die aus einem keramischen Trägerplättchen als Substrat und einem dünnen Metallüberzug als temperaturabhängige Widerstandsschicht bestehen, sind nach der DE-OS 2507731 und DE-OS 2527739 bekannt.

Die entsprechend strukturierte Widerstandsschicht besitzt allgemein zwei Kontaktflächen, an die nach einem bekannten Verbindungsverfahren wie Löten, Schweißen, Bonden oder Ansintern mit leitfähiger Paste zwei Anschlußdrähte angeschlossen sind. Die während der Fertigung und die im eingebauten Zustand bei Temperatursprüngen und bei mechanisierten Stößen auftretenden Zug-, Druck- und Scherkräfte erfordei η zusätzliche Maßnahmen zur Sicherung einer stabilen Verbindung zwischen Anschlußdrähten und Kontaktflächen.

Nach der DE-OS 2615473 ist eine Ausführungsform eines solchen plättchenförmlgen Meßwiderstandes bekannt, bei der die Verbindungsstellen zusammen mit der Widerstandsschicht mittels einer Glasur überschmolzen und die Bondflächen mit Gold vorbehandelt sind. Die Stützwirkung dieser Glasurschicht ist jedoch ungenügend, insbesondere beim Auftreten von Scherkräften reißt der Anschlußdraht ab.

Bei einer weiteren bekannten Ausführungsform eines plättchenförmigen Meßwiderstandes sind die Anschlußdrähte durch Bohrungen in den Trägerkörper hindurchgeführt, ösenförmig gebogen und in den Bohrungen mit einer Keramikfritte fixiert.

Diese Anordnung bietet zwar einen hohen Schutz gegen Zug- und Scherkräfte, hat aber den Nachteil, daß die Herstellung umständlich und teuer ist.

Weiterhin ist die DE-GM 8003431 bekannt, in der neuerungsgemäß die Zuleitungsdrähte durch einen kurzen Isolierkörper geführt und zusammen mit diesem mittels einer Glasurfrittenschicht an der Widerstandsschicht und dem Keramikplättchen befestigt sind. Nachteilig ist, daß bei größeren Kräften der gesamte Isolierkörper abbricht.

Aus der DE-GM 7541295 ist ein Temperaturfühler bekannt, der als Träger einen zylindrischen Formkörper mit einer im Inneren in Richtung der Längsachse verlaufenden Profilbohrung beliebigen Querschnittes besitzt.

Mit der ebenen Innenwandung ist ein keramisches Trägerpla'ttchen fest verbunden, welches auf der der Wandung abgekehrten Fläche eine festhaftende strukturierte Platinschicht trägt, wobei di 3 mit der Widerstandsbahn elektrisch verbundene Zuleitungsdrähte durch elektrisch nicht leitende Verschlußmassen an einem oder beiden Enden des Formkörper« fixiert und nach außen geführt sind, Die oben genannten Lösungen sind in herkömmlicher Art und Weise zu Meßeinsätzen konfektioniert, d.h., die in entsprechender Form gesicherten Meßwiderständs sind an ihren Anschlußdrähten mit den durch Keramikkapillaren gozogenen Innenleitungsdrähten verschweißt und in Meßeinsatzrohre eingeschoben, dieser mit Füllstoff gefüllt und an der offenen Seite mit einem Anschlußsockel versehen.

Neben den klassischen Meßeinsäuen sind auch Meßeinsatzausführungen mit spezieller Lagerung des Meßsensors und Ausführung seiner Anschlußleitung bekannt. Nach der DE-OS 2330169 ist der Sensor federnd auf dem Schutzrohrboden gelagert, und das massebezogene Meßsignal wird über einen isoliert gelagerten Stift abgegriffen. Nach der DE-OS 3204001 ist eine Billig variante einer Anschlußarmatur bzw. Zuleitungsgestaltung in Form einer Lampensockelfassung bekannt. Weiterhin ist aus der DE-OS 3049056 eine Halterung bekannt, die im wesentlichen darauf beruht, daß die überstehenden Innenleitungsdrähte im unteren Teil des Meßeinsatzes muldenförmig gebogen sind und diese Mulden zur Aufnahme des flachen Meßwiderstandes dienen. Eine weitere Sicherung erfolgt durch einen Kittkegel zur Innenleitungskeramik hin. Bekannt ist auch die DD-WP 288062 in der der Schutz der Anschlußstelle, d. h. die Verbindung zwischen Anschlußdraht und Kontaktfläche durch eine spezielle Stützdrahtanordnung bei der Konvektionierung realisiert ist

A¹Ie aufgezeigten Varianten besitzen einen oder mehrere der nachfolgenden Nachteile:

- der Schutz der Anschlußstelle ist unzureichend

- die Lösung ist aufwendig und nur in Verbindung mit einer speziellen Konvektionierungsvariante für den Dünnschichtsensor realisierbar

- der Schutz der Anschlußstelle schließt nicht einen Schutz der Pt-Dünnschicht vor dem Abheben vom Trägermaterial bei kombinierter Kraft- und Kälteeinwirkung ein.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, einen mechanischen stabilisierten Platindünnschichtsensor zu schaffen, der die Nachteile der bisher bekannten Dünnschichtsensoren vermeidet und dessen Verbindung zwischen Anschlußdrähten und Kontaktflächen den Schutz der Platindünnschicht vor Abrollen und Abheben, insbesondere im negativen Temperaturbereich und bei Belastung gewährleistet und der außerdem kostengünstig herstellbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen mechanisch stabilisierten Platindünnschichtsensor auf der Basis eines flachen, eine Metall-Widerstandsschicht tragenden Substrates mit aufgebrachten Anschlußdrähten zu entwickeln, dessen Ausführung an den Verbindungsstellen unempfindlich gegenüber den über den Anschlußdrähten wirksam werdenden mechanischen Belastungen, insbesondere gegenüber Scher-, Zug- und Druckkraftbelastungen sowie gegenüber raschen Änderungen hoher Temperaturen oder Kälteschocks ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Erfindungsansprüche gelöst. Bevorzugte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße Platindünnschichtsensor ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte in eine unkonventionelle Verbundgiasur mit einer Haftfestigkeit größer als die Drahtzerreißkraft der 0,3 mm Durchmesser betragenden Anschlußdrähte von 10... 10,5N und einem Ausdehnungskoeffizienten von 40 1O^-7... 53 · 10"⁷K"¹ eingebettet sind und die Kontaktstellen zwei oder mehrere Laser-Tiefschnittsteüen unterschiedlicher Schnittstrukturen als zusätzliche Haftinseln für einen silikatischen Verbund der Verbundglasur mit dem Substrat besitzen. Die Verbundglasur ist durch folgende chemische Zusammensetzungen in Segerformel gekennzeichnet:

1.0,757Li₂O 0,054AI₂O₃ 1,231 SiO₂

0,038 K₂O

0,205 BaO 2. 0,8046Li₂O 0,0376AI₂O₃ 0,8046SiO₂

0,0376 K₂O

0,1578BaO

BaO und Li₂O sind in Form von Karbonaten in die Glasurzusammensetzung eingebracht. Besonders in den Grenzbereichen zwischen Substrat und Verbundglasur kommt es erfindungsgemäß zur Bildung von

metastabilen ß-Quarzmischkristallen und zur Bildung von Spodumen (Li₂O AI₂O₃ · η SiO₂)-Kristallen. Diese gezielte

Kristallisation ermöglicht die Entstehung von wichtigen Kristallphasen in ihrer pyrophysikalischen und pyrochemischen Beschaffenheit und somit die Herstellung von unkonventionellen Verbundglasursystemen mit extrem niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Erfindungsgemäß liegen die Wärmeausdehnungskoeffizienten der unkonventionellen Verbundglasuren im Bereich von

40· 10~⁷...55- 10"⁷K"'. Die Verringerung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten hängt im wesentlichen von dererfindungsgemäßen thermischen Behandlung der unkonventionellen Giasuron und damit von der Prozeßführung ab, um einehohe Anreicherung von SiO₂ (ß-Quarz Mischkristallen in den Spondumen) zu erreichen. Im gesamten unkonventionellen

Verbundglasursystem entstehen Lithiumspondumene und eine unterschiedliche Häufigkeit von Spondumen (Li₂O · AI₂O₃ η SiO₂)-Kristallen. Besonders in der Nähe von Platin, Silber und der Substratunterlage kommt es zu einer Anhäufung dieser Kristalle. Bekannterweise bestehen bei herkömmlichen Verbundmassen und -glaeuren die höchsten Festigkeiten, wenn der Ausdehnungskoeffizient der Glasur etwa 10% bis 20% niedriger ist als dor der Subetratmasse ist. Erfindungsgemäß besitzen die

unkonventionellen Verbundglasursysteme nach derthermischen Kristallisation einen Ausdehnungskoeffizient, der 20% bis40%niedriger als der Ausdehnungskoeffizient der Substratmasse ist.

Die Anwendung der unkonventionellen Verbundglasuren in Verbindung mit den Lasertiefschnittstellen bringt den Vorteil einer

rationellen Herstellung und eine kostengünstige Produktion der Platindünnschichtsensoren. Ebenfalls verringert die hohe

Haftfestigkeit der Verbundglasuren das Abrollen und Abreißen der Platinanschlußdrähte. Besonders vorteilhaft ist die kostengünstige Herstellung der Verbundglasuren gegenüber den bisher verwendeten Multilayerpasten. Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1: einen Platindünnschichtsensor im Längsschnitt Fig. 2: den Platindünnschichtsensor nach Fig. 1 in der Draufsicht Fig. 3: weitere Ausführungsformen von stabilisierenden Laser-Tiefschnittstellen. Fig. 1 zeigt einen Platindünnschichtsensor, der aus einem keramischen Substrat 1 besteht, auf dem sich eine Platinwiderstandsschicht 2 befindet, die zwischen O⁰C und 100⁰C einen Temperaturkoeffizienten von ca. 3,85 10^-3 K'¹ besitzt. Die Platin-Widerstandsschicht 2 besitzt zwei Kontaktflächen 3, auf denen die Anschlußdrähte 4 mit je einer Anschlußdrahtperle 10 aufgebondet sind. Die Kontaktflächen 3 sind mit einem l.aserrandschnitt 5 umsäumt. Die restliche Fläche der Platinwiderstandsschicht 2 enthält die Lasertrimmschnitte 6 und ist mit einer Passivierungsschicht 7 überzogen. Zusätzlich zum Laserrandschnitt 5 werden Schnitte vorgenommen, die im vorderen Randbereich der Kontaktflächen 3 Kreuzungspunkte mit dem Laserrandschnitt 5 und damit Laser-Tiefschnittstellen 9 darstellen. Die Laser-Tiefschnittstellen 9

dienen als zusätzliche Haftinsel für die über den Kontaktflächen 3 aufgeschmolzene thermisch kristallisierende Glasur bzw.unkonventionelle Verbundglasur 8.

Diese zusätzlichen Haftinseln, die durch Lasertiefritzung herstellbar sind, dienen zur Entstehung von unkonventionellen Grenzflächen-Verbundlgasursystemen im engen Kontakt mit dem AI₂O₃-Substrat 1. Die unkonventionellen Verbundglasuren 8

besitzen erfindungsgemäß folgende chemische Zusammensetzungen in Segerformel:

1.0,757Li₂O 0,054AI₂O₃ 1,231 SiO₃

0,038 K₂O

0,205 BaO 2. 0,8046Li₂O 0,0376AI₂O₃ 0,8046SiO₂

0,0376 K₂O

0,1578BaO

Die unkonventionellen Verbundglasuren 8 besitzen einen Schmelzpunkt von 950°C...980°C.

Claims

1. Mechanisch stabilisierter Platindünnschichtsensor, bestehend aus einem keramischen Substrat, einer Platinwiderstandsschicht sowie zwei Kontaktflächen mit Anschlußdrähten, dadurch gekennzeichnet daß die vorzugsweise aus Platin- und/oder Silberlegierungen bestehenden Anschlußdrähte (4) mit der auf der Platinwiderstandsschicht (2) aufliegenden Anschlußperle (10) in eine unkonventionelle Verbundglasur (8) mit hoher Haftfestigkeit, vorzugsweise einer Haftfestigkeit größer als die Drahtzerreißkraft der 0,3 mm Durchmesser betragenden Anschlußdrähte von 10..'. 10,5 N, und mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise einem Ausdehnungskoeffizienten von 40 · 10~⁷...53 · 10"⁷K"¹, eingebettet sind.

2. Platindünnschichtsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (3) zwei oder mehrere Laser-Tiefschnittstellen (9) unterschiedlicher Schnittstrukturen als zusätzliche Haftinsel für einen silikatischen Verbund der Verbundglasur (8) mit dem Substrat (1) besitzen.

3. Platindünnschichtsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unkonventionelle Verbundglasur (8) folgende chemische Zusammensetzung in Segerformel besitzt: 0,757Li₂O 0,054AI₂O₃ 1,231 SiO₂

0,038 K₂O
0,205 BaO

4. Platindünnschichtsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unkonventionelle Verbundglasur (8) folgende chemische Zusammensetzung in Segerformel besitzt: 0,8046Li₂O 0,0376AI₂O₃ 0,8046SiO₂

0,0378 K₂O
0,10/8 BaO

5. Platindünnschichtsensor nach Anspruch 1,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unkonventionelle -erbundglasur *H§ einen lchmelzpunktvon IEJKKKIHJ⁰C sowie einen 20...40% niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten als den des Substrates (1) besitzt.

6. Platindünnschichtsensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Tiefschnittstellen (9) in Abhängigkeit vom Durchmesser der Anschlußdrähte (4) unterschiedliche Schnittstrukturen aufweisen.