DE19957991C2

DE19957991C2 - Anordnung einer Heizschicht für einen Hochtemperaturgassensor

Info

Publication number: DE19957991C2
Application number: DE19957991A
Authority: DE
Inventors: Michael Bischof; Burkhard Kessler; Ralf Moos; Ralf Mueller; Willi Mueller; Carsten Plog
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2002-01-31
Anticipated expiration: 2019-12-03
Also published as: EP1185858A2; WO2001040783A3; WO2001040783A2; DE19957991A1; US6861939B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung einer Heizschicht für einen Hochtemperaturgassensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Sensoren, die im Abgas eines Verbrennungsmotors einge setzt werden, müssen nicht nur hochtemperaturstabil sein, sondern sie müssen üblicherweise auch auf eine bestimmte Betriebstemperatur eingeregelt werden, da sowohl die Tem peratur des Abgases als auch der Abgasdurchsatz abhängig vom Betriebszustand des Motors sind und stark variieren. Üblicherweise werden solche Sensoren bei einigen hundert Grad Celsius betrieben. Ein typisches Beispiel dafür ist die λ-Sonde, die bei Temperaturen bis 1000°C betrieben werden kann.

Neuartige, planare Abgassensoren, die derzeit von ver schiedenen Herstellern aufgebaut werden, bestehen aus ei nem Aufbau, wie er in Fig. 1a, 1b und 1c in verschiedenen Perspektiven dargestellt ist. Fig. 1a zeigt hierbei als Drauf sicht die Oberseite des Sensors, Fig. 1b zeigt an der mit ei ner gestrichelten Linie markierten Schnittstelle den Sensor in Seitenansicht und Fig. 1c zeigt als Draufsicht die Unter seite des Sensors. Zur Orientierung ist ein Koordinatensy stem mit einer x, y und z-Achse eingezeichnet. Die Figuren zeigen einen länglichen, rechteckförmigen Träger 1 auch Transducer genannt, der i. Allg. aus einem elektrisch isolie renden Substrat besteht, und auf dessen Unterseite 5, wie in Fig. 1b und 1c dargestellt, eine Heizschicht 8 aufgebracht ist. Diese Heizschicht 8 weist eine Heizleiterbahn 6 und ei nen Zuleitungsteil 2 auf. Die Heizleiterbahn 6 befindet sich auf der Sensorunterseite unter der Funktionsschicht 4, wel che auf der Sensoroberseite 7 angeordnet ist. Die Funktions schicht 4 bestimmt die speziellen Eigenschaften des Sen sors, wie z. B. die Selektivität auf ein bestimmtes Gas oder Ähnliches. Auf der Sensoroberseite 7 ist dann eine den spe ziellen Anforderungen angepasste Elektrodenstruktur 3 un ter der Funktionsschicht 4 aufgebracht. An der Sensorspitze 10 muss auf der Sensoroberseite 7 in dem Bereich, in dem die Funktionsschicht 4 aufgebracht ist, eine über den Ort konstante Temperatur herrschen. Diese wird mit Hilfe der Heizschicht 8 und eines Temperaturfühlers, der in dieser Abbildung nicht dargestellt ist und sich auf der Sensorunter seite befindet, erreicht. Dadurch wird die Funktionsschicht 4 auf eine bestimmte Temperatur, die sogenannte Betriebs temperatur, geregelt.

Eine weitere Funktion des länglich aussehenden Trägers ist es sicherzustellen, dass die Temperatur an der der Sensor spitze 10 abgewandten Seite, der sogenannten Sensoran schlussseite 9, so niedrig ist, dass kunststoffisolierte Kabel als Messleitung bzw. als Leistungszuleitung am Ende des Zuleitungsteils 2 der Heizschicht 8 angebracht werden kön nen.

Für die Funktion des Sensors ist es von entscheidender Bedeutung wie konstant das Temperaturprofil an und über der Funktionsschicht 4 ist und wie genau die Betriebstempe ratur geregelt werden kann.

Im Anwendungsbeispiel ist die Heizleiterbahn 6 als Heiz mäander angeordnet. Das gleichmäßig zickzackförmige Mäanderband verläuft parallel zur y-Achse. Die konstante Höhe A des Mäanders entspricht hierbei der Länge L der darüber liegenden Funktionsschicht 4. Die Breite b der Heizleiterbahn 6 ist konstant. Die beiden Enden der Heizlei terbahn 6 sind mit dem Zuleitungsteil 2 der Heizschicht 8 verbunden. Das Zuleitungsteil 2 der Heizschicht 8 wird an die Sensoranschlussseite 9 geführt.

In der EP 0720018 A1 wird eine Heizschicht für einen Abgassensor offenbart, bei der die Heizleiterbahn 6 serpen tinenförmig angeordnet ist. Der Abstand der Serpentinen untereinander ist immer der gleiche. Diese Form entspricht gleichfalls einem gleichmäßig modulierenden Mäander band, das parallel zur y-Achse des Sensors verläuft.

In der US 5,430,428, DE 43 24 659 C1 und DE 198 30 709 werden gleichfalls Formen für den Verlauf der Heizleiterbahn in einem Abgassensor offenbart. Hierbei ist die Heizleiterbahn mäanderförmig angeordnet. Hierbei ist das gleichmäßig modulierende Mäanderband jedoch rechteckig angeordnet und verläuft auch parallel zur y- Achse des Sensors.

Bei all diesen Veröffentlichungen hat die Heizleiterbahn die Form eines gleichmäßig modulierenden Mäanderbands. Die Höhe A des Mäanderbands ist während des gesamten Verlaufs konstant.

Ein ähnlicher Aufbau von verschiedenen Gassensoren ist auch im Skript:
"Industrielle Gassensorik", insbesondere im Teil 4 von Ingrisch, K.: "Halbleiter Gassensoren" zum Lehrgang 22904/41.551 an der TAE Esslingen; Wiegleb, G. (Hrsg.); Esslingen 1997 und im SAE-Paper 960692 von Ingrisch, K. et al.: "Chemical Sensors for CO/NOx-Detection in Auto motive Climate Control Systems" beschrieben.

Auch sind Anordnungen der Heizschicht 8 in Hochtem peraturgassensoren bekannt, bei denen die Heizleiterbahn 6 ein Mäanderband ausbildet, das beginnend am Zuleitungs teil 2 zuerst gleichmäßig modulierend auf der einen Seite parallel zur x-Achse und dann schnurgerade entlang der Sensorspitze parallel zur y-Achse und dann wieder an der anderen Seite gleichmäßig modulierend parallel zur x- Achse zurück zum Zuleitungsteil 2 verläuft. Die Breite b der Heizleiterbahn b wird nicht verändert. Die Länge L des Be reichs, in dem die Heizleiterbahn 6 angeordnet ist, ent spricht der Länge L der darüber liegenden Funktionsschicht 4. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise in der DE 198 48 578 A1 offenbart.

Nachteilig bei all den vorab beschriebenen Anordnungen ist es, dass sich bedingt durch die gute Wärmeleitfähigkeit der üblicherweise verwendeten Al₂O₃-Substrate ein Tempe raturgradient entlang der Längsachse x des Sensors ergibt. Dieser Temperaturgradient unterliegt sehr großen Schwan kungen. So beträgt er üblicherweise bei einer Solltempera tur von z. B. 600°C ca. 80°C über die Länge L der Funkti onsschicht 4, wie sie in Fig. 2b dargestellt ist. In Fig. 2b wird die Temperatur an verschiedenen Punkten auf der Sen soroberseite dargestellt.

Um die Temperaturverteilung auf der Sensoroberseite ho mogener zu machen wird in der EP 0477394 vorgeschlagen, die Heizleiterbahnen an der Sensorspitze in Form einer Lei ter aufzubauen, wobei das Leitermuster eine Vielzahl paral lel geschalteter Einzelleiter enthält, die so angeordnet wer den können, dass über der Länge eine homogene Tempera turverteilung eingestellt werden kann. Hierbei kann sowohl die Breite bzw. der Querschnitt der verschiedenen Heizlei terbahnen und der Abstand zwischen zwei Heizleiterbah nen, welche die Sprossen des Leitergebildes darstellen, vari ieren.

Nachteilig bei dieser Veröffentlichung ist es jedoch, dass durch die Parallelschaltung sich der Widerstand der Heizlei terbahnen soweit erniedrigt, dass es nicht mehr möglich ist, bei gleichem spezifischen Widerstand des Heizleiterbahnwi derstands (i. A. Platin) einen Widerstand im Bereich von ei nigen Ohm herzustellen, da ansonsten die Schichtdicke der Struktur so dünn werden müsste, dass sie in Dickschicht technik nicht mehr zu fertigen ist.

In der DE 195 23 301 wird eine Heizvorrichtung für ei nen Hochtemperaturmetalloxidsensor offenbart, bei der ein Substrat vorgesehen ist, auf dem, zusätzlich zu den beiden Zuleitungsteilen der Heizschicht, zwei Messleiterbahnen angebracht werden, die mit der Heizleiterbahn verbunden sind und bei der eine oder mehrere Anschlussleitungen an einem von der Heizleiterbahn möglichst weit entfernten Ort auf den Zuleitungsteil der Heizschicht befestigt sind. Diese Anordnung in Vierdrahttechnik ist als Ersatzschaltbild in Fig. 3 abgebildet. Das bedeutet, dass zusätzlich zu den brei ten Zuleitungsteilen der Heizschicht zwei weitere Messlei tungen eingebracht werden, an denen der Spannungsabfall über dem Heizwiderstand der Heizleiterbahn abgegriffen wird. Bei dieser Vorrichtung spielt es keine Rolle, wie groß die Widerstände R_Z1 und R_Z2 der Zuleitungsteile der Heiz schicht sind, weil direkt die Spannung U_M am Heizwider stand R_H der Heizleiterbahn abgegriffen wird. Da die Span nung U_M stromlos gemessen wird, fällt an den beiden Ab griffswiderständen R_M und R_A2 keine Spannung ab. Aus dem gemessenen Strom I₀ und der Spannung U_M kann der Widerstand mit R_H = U_M/I₀ ermittelt werden. Auch ist als Stand der Technik eine vereinfachte Ausführung davon be kannt, die sogenannte Dreidrahttechnik. Nimmt man die beiden Widerstände der Zuleitungsteile der Heizschicht als gleich an, kann man auf einen der beiden Spannungsabgriffe verzichten. Man muss dann nur noch die Gesamtspannung U₀ messen und erhält dann: R_H = (2 × U'_M - U₀)I₀. Durch diese Dreidrahttechnik werden ein Messleiter und eine An schlusskontaktierung eingespart.

Nachteilig bei dieser Veröffentlichung ist es jedoch, dass das Temperaturprofil des Sensors über die Länge L in x- Richtung nicht konstant ist und damit der Heizwiderstand der Heizleiterbahn nur als ein Mittelwert über den gesamten Bereich L anzusehen ist. Daher kann damit eine Regelung ebenfalls nur sehr ungenau aufgebaut werden. Dies ist be sonders dann von Nachteil, wenn sich die Temperatur des Sensorgehäuses stark ändert, wie es z. B. im Abgas eines Automobils der Fall ist, da sich dann der Temperaturgra dient über dem Sensorchip ebenfalls sehr stark verändert und sich somit R_H keiner Temperatur der Funktionsschicht zuordnen lässt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Heizleiterbahn/en so an zuordnen, dass an jeder Stelle der Funktionsfläche des Sen sors die gleiche Temperatur herrscht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Grundlage zu schaffen, mit der eine exakte Temperaturbestimmung und damit verbunden eine genaue Temperaturregelung an der Funktionsfläche er möglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merk male im Patentanspruch 1 gelöst. Hierbei weist die mäan derförmige Heizleiterbahn in verschiedenen Teilabschnitten bezüglich der x-Achse unterschiedliche partielle Heizwider stände auf. Die Höhe des partiellen Heizwiderstandes ist ab hängig vom Abstand zur Sensorspitze.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter ansprüchen. Hierbei nimmt der partielle Heizwiderstand in Richtung zur Sensorspitze ab. Dies wird dadurch erreicht, dass die Pfadlänge der Heizleiterbahn und damit des Mäan derbands, welche sich ergibt wenn man das Mäanderband, wie einen in sich verschlungenen Faden auseinanderziehen würde, von Teilabschnitt zu Teilabschnitt variiert. Auch kann die Breite der Heizleiterbahn allein oder zusammen mit der Pfadlänge in verschiedenen Teilabschnitten variie ren. Des weiteren werden zusätzlich zu den Zuleitungen der Heizschicht Messzuleitungen mit aufgebracht, mit denen die exakte Temperatur erfasst werden kann, so dass eine ge naue Temperaturregelung ermöglicht wird. Bei einer weite ren vorteilhaften Ausgestaltung lässt sich der zu messende Heizwiderstand einstellen, so dass mehrere Sensoren eine identische Widerstands/Temperaturkennlinie aufweisen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass der Sensor insbesondere die Funktionsfläche eines Hochtemperaturgassensors auf eine exakte Temperatur ein gestellt werden kann, die dann an jedem Ort auf der Funkti onsfläche herrscht. Die beheizte Fläche weist dann einen mi nimalen Temperaturgradienten auf. Die Temperaturmessung liefert genauere Ergebnisse und der gesamte Hochtempera turgassensor arbeitet mit einer höheren Genauigkeit. Auch lassen sich die Sensoren damit untereinander normieren, so dass für verschiedene Sensoren bei gleichem gemessenen Heizwiderstand die gleiche Temperatur zugeordnet werden kann.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungs beispielen und den Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1a die Oberseite eines Hochtemperaturgassensors nach dem Stand der Technik.

Fig. 1b die Seitenansicht eines Hochtemperaturgassen sors nach dem Stand der Technik.

Fig. 1c die Unterseite eines Hochtemperaturgassensors mit einer ersten Heizschicht nach dem Stand der Technik.

Fig. 2a die Unterseite eines Hochtemperaturgassensors mit einer zweiten Heizschicht nach dem Stand der Technik.

Fig. 2b die Temperaturverteilung für einen Hochtempera turgassensor mit der in Fig. 2b dargestellten Heizschicht.

Fig. 3 die Schaltung zur Temperaturmessung auf einem Hochtemperaturgassensor nach dem Stand der Technik.

Fig. 4a die erste Heizschicht mit einer mäanderförmigen Heizleiterbahn und unterschiedlichen partiellen Widerstän den.

Fig. 4b das Diagramm der Temperaturverteilung für einen Hochtemperaturgassensor mit einer in Fig. 4a dargestellten Heizleiterbahn.

Fig. 5a die zweite Heizschicht mit einer mäanderförmi gen Heizleiterbahn und unterschiedlichen partiellen Wider ständen.

Fig. 5b das Diagramm der Temperaturverteilung für einen Hochtemperaturgassensor mit einer in Fig. 5a dargestellten Heizleiterbahn.

Fig. 6 die Heizschicht mit einer ersten zusätzlichen An ordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung.

Fig. 7 die Heizschicht mit einer zweiten zusätzlichen An ordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung.

Fig. 8 die Heizschicht mit einer dritten zusätzlichen An ordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung.

Fig. 9 die Heizschicht mit einer vierten zusätzlichen An ordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung.

Fig. 10 die Heizschicht mit einer fünften zusätzlichen An ordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung.

Fig. 4a zeigt eine Heizschichtanordnung mit einer Heiz leiterbahn 6, deren Verlauf ein Mäanderband ausbildet, das beginnend am Zuleitungsteil 2 zuerst modulierend auf der einen Seite parallel zur x-Achse und dann schnurgerade ent lang der Sensorspitze parallel zur y-Achse und dann wieder an der anderen Seite modulierend parallel zur x-Achse zu rück zum Zuleitungsteil 2 verläuft. Hierbei wurde die Heiz schicht 8 mit einer Platindickschichtpaste hergestellt, die durch Siebdrucktechnik auf ein Aluminiumoxidsubstrat auf gebracht und anschließend eingebrannt wurde. Für das Er reichen eines homogenen Temperaturprofils wurde der par tielle Heizwiderstand in x-Richtung variiert. Der partielle Heizwiderstand ist proportional zu dem Quotienten aus Pfadlänge I und Breite der Heizleiterbahn b bezogen auf eine Strecke in x-Richtung. Um den Heizwiderstand an das gewünschte Temperaturprofil, das heißt gleiche Temperatu ren über die ganze Funktionsschicht hinweg, anzupassen, wird bei dem Ausführungsbeispiel die Pfadlänge I der Heiz leiterbahn 6 von Teilabschnitt zu Teilabschnitt verkürzt, in dem die Höhe des Mäanderbands 11 ständig reduziert wird. Genauso effektiv wäre es auch, die Modulationsrate, also die Häufigkeit des Richtungswechsels des Mäanderbands 11, bezogen auf eine Strecke in x-Richtung, zu verringern.

Wichtig ist die Relation zwischen der Pfadlänge der Heiz leiterbahn 6 und dem Anteil, der in x-Richtung zurückgeleg ten Wegstrecke. Dadurch kann der partielle Heizwiderstand, pro Längeneinheit in x-Richtung, verändert werden. So kön nen der Funktionsschicht an verschiedenen Stellen unter schiedliche Energiemengen zugeführt werden.

Bei diesem Anwendungsbeispiel wurde eine konstante Heizleiterbahnbreite b von b ≈ 300 µm gewählt. Auch fällt bei dieser Abbildung auf, dass der Bereich, in dem die Heiz leiterbahn 6 aufgebracht ist, wesentlich länger ist als die Länge L der darüber liegenden Funktionsschicht. Die mäan derförmig angeordnete Heizleiterbahn 6, die zwischen dem Ende der darüber liegenden Funktionsschicht 4 und dem Zu leitungsteil 2 angeordnet ist, dient dazu, den Wärmefluss zur Sensoranschlussseite 9 zu kompensieren und gegenzuhei zen. Um dies zu erreichen, wird die meiste Heizleistung, das heißt der größte Anteil an der Gesamtlänge der Heizleiter bahn benötigt. Der hohe Widerstandswert pro Längeneinheit in x-Richtung wird durch den langen gewundenen Pfad der Heizleiterbahn erreicht. Welcher Widerstandswert an wel cher Stelle benötigt wird, kann entweder berechnet oder durch Versuche ermittelt werden.

Fig. 4b zeigt die Temperaturverteilungskurve entlang der x-Achse für einen Hochtemperaturgassensor mit einer in Fig. 4a dargestellten Heizleiterbahn. Hierbei wird die Tem peratur entlang der x-Achse über den ganzen Sensor in Ab hängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze erfasst. Es ist er sichtlich, dass die Temperatur im Bereich der Länge L der Funktionsschicht nur eine sehr geringe Temperaturschwan kung ΔT in x-Richtung aufweist. Gegenüber der in Fig. 2b dargestellten Temperaturverteilung ergibt sich eine um 60°C geringere Temperaturschwankung ΔT.

Fig. 5a zeigt eine Heizschichtanordnung mit einer Heiz leiterbahn 6, deren Verlauf ein Mäanderband ausbildet, das beginnend am Zuleitungsteil 2 zuerst modulierend auf der einen Seite parallel zur x-Achse und dann schnurgerade ent lang der Sensorspitze parallel zur y-Achse und dann wieder an der anderen Seite modulierend parallel zur x-Achse zu rück zum Zuleitungsteil 2 verläuft. Hierbei wurde die Heiz schicht 8 mit einer Platindickschichtpaste hergestellt, die durch Siebdrucktechnik auf ein Aluminiumoxidsubstrat auf gebracht und anschließend eingebrannt wurde. Für das Er reichen eines homogenen Temperaturprofils wurde der par tielle Heizwiderstand in x-Richtung variiert. Der partielle Heizwiderstand ist proportional zu dem Quotienten aus Pfadlänge I und Breite der Heizleiterbahn b bezogen auf eine Strecke in x-Richtung. Um den Heizwiderstand an das gewünschte Temperaturprofil, das heißt gleiche Temperatu ren über die ganze Funktionsschicht hinweg, anzupassen, wird bei dem Ausführungsbeispiel die Pfadlänge I der Heiz leiterbahn 6 von Teilabschnitt zu Teilabschnitt verkürzt, in dem sowohl die Höhe A des Mäanderbands 11 als auch die Modulationsrate also die Häufigkeit des Richtungswechsels des Mäanderbands 11 in x-Richtung und die Breite b der Heizleiterbahn variiert wird, so dass der partielle Heizwider stand zur Sensorspitze hin abfällt.

Wichtig ist die Relation zwischen der Pfadlänge der Heiz leiterbahn 6 und dem Anteil, der in x-Richtung zurückgeleg ten Wegstrecke. Dadurch kann der partielle Heizwiderstand, pro Längeneinheit in x-Richtung, verändert werden. So kön nen der Funktionsschicht an verschiedenen Stellen unter schiedliche Energiemengen zugeführt werden. Auch ist die Breite b der Heizleiterbahn von Bedeutung. Je kürzer die Pfadlänge der Heizleiterbahn und je größer deren Breite in einem Teilabschnitt desto geringer ist der partielle Heizwi derstand des Heizleiterbahnbereichs und desto geringer ist die Erwärmung in diesem Bereich.

In diesem Anwendungsbeispiel weist die Heizleiterbahn verschiedene Breiten b auf. An den beiden Abschnitten, die entlang zur x-Achse verlaufen, beträgt die Heizleiterbahn breite b 300 µm, am geraden Abschnitt, der parallel zur y- Achse an der Sensorspitze verläuft, vergrößert sich der Wert auf b 600 µm. Auch hier dient wieder die mäanderförmig angeordnete Heizleiterbahn, die zwischen dem Ende der darüber liegenden Funktionsschicht 4 und dem Zuleitungs teil 2 angeordnet ist, dazu, den Wärmefluss zur Sensoran schlussseite 9 zu kompensieren und gegenzuheizen. Um dies zu erreichen, wird die meiste Heizleistung, das heißt der größte Anteil an der Pfadlänge der Heizleiterbahn benötigt. In diesem Anwendungsbeispiel ist es nicht zwingend not wendig, dass die beiden mäanderförmigen Teilstücke ach sensymmetrisch sind. Die benötigten Widerstandswerte können auch durch eine Veränderung anderer Parameter er reicht werden. Sie müssen auch nicht exakt parallel verlau fen. Dies ist aber besonders vorteilhaft, wenn der Tempera turgradient in y-Richtung sehr klein sein soll, weil dann der Kurvenverlauf nicht noch einmal separat ermittelt werden muss.

Fig. 5b zeigt ein Diagramm der Temperaturverteilung für einen Hochtemperaturgassensor mit einer in Fig. 5a darge stellten Heizleiterbahn. Hierbei wird die Temperatur entlang der x-Achse über den ganzen Sensor in Abhängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze erfasst. Es ist ersichtlich, dass die Temperaturschwankung ΔT im Bereich Länge L der Funkti onsschicht im Vergleich zu Fig. 4b weiter verringert wurde.

Aus den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird deutlich, dass die charakteristischen Größen die Breite b der Heizleiterbahn und die Pfadlänge I der Heizleiterbahn variiert werden, um eine homogene Temperaturverteilung zu erhalten. Diese charakteristischen Größen können so wohl einzeln als auch in allen möglichen Kombinationen, während des Heizleiterbahnverlaufs variiert werden. Dabei kann die Pfadlänge sowohl durch die Höhe A des Mäander bands 11 als auch durch die Modulationsrate, also die Häu figkeit des Richtungswechsels in x-Richtung des Mäander bands 11 variiert werden.

In den weiteren Figuren werden Ausführungen vorge stellt, die es aufgrund der homogenen Temperaturverteilung ermöglichen, die Temperatur auf der Sensoroberfläche ge nau in dem Bereich, in dem sich die Funktionsschicht befin det, zu bestimmen.

Fig. 6 zeigt eine Heizschicht mit einer ersten zusätzlichen Anordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung. Hier werden parallel zu den breiten Zuleitungsteilen 2 der Heizschicht zwei weitere Bahnen 12, die als Spannungsab griffe dienen, angebracht. Sie werden von den beiden Enden der Heizleiterbahn 6 zur Sensoranschlussseite 9 geführt. Durch diese Ausführung wird der Zuleitungswiderstand, das heißt der Spannungsabfall über die Zuleitungsteile 2 über der Strecke Z kompensiert, der Anteil des Widerstandes im Bereich G, der zum Gegenheizen dient, wird jedoch mitge messen. Da im Bereich G, wie in den vorhergehenden Aus führungsbeispielen beschrieben, jedoch der größte Tempe raturgradient liegt, und da bei G der größte Anteil an der ge samten Pfadlänge der Heizleiterbahn b vorhanden ist, setzt sich der Widerstand aus den Widerstandsanteilen der Heiz leiterbahn der Teilstrecken G und L zusammen. Nur der Wi derstandsanteil bei L wird bei einer im Bereich von L kon stanten Temperatur gemessen. Ist der Temperaturgradient bei G bei allen Bedingungen gleich, so kann das Messergeb nis exakt ausgewertet werden.

Bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen, wie sie z. B. bei einer Anwendung im Abgas eines Automobils der Fall ist, verändert sich der Temperaturgradient im Bereich von G. Dann ist es sinnvoll die Messleitungen so anzu ordnen, wie es in Fig. 7 beschrieben ist.

In Fig. 7 und 8 sind gleichfalls zwei Messleiterbahnen 12 zur Temperaturbestimmung angebracht. Hier wird die Span nung jedoch in einem Bereich abgegriffen, an dem eine kon stante Temperatur herrscht. Das heißt, die Messleiterbahnen 12 können überall an der Heizleiterbahn 6 irgendwo im Be reich von L an einer beliebigen Stelle symmetrisch ange bracht werden. Hier kann gleichfalls durch die Messung des Widerstands die Temperatur gemessen und damit auch gere gelt werden.

In Fig. 9 sind zwei asymmetrische Messleiterbahnen 12 zur Temperaturbestimmung angebracht. Hier wird die Span nung auch in einem Bereich abgegriffen, an dem eine kon stante Temperatur herrscht. Das heißt, sie können überall an der Heizleiterbahn 6 irgendwo im Bereich von L an einer be liebigen Stelle asymmetrisch angebracht werden. Hier kann gleichfalls durch die Messung des Widerstands die Tempe ratur gemessen und damit auch geregelt werden.

Fig. 10 zeigt eine Heizschicht mit einer variablen Anord nung für Messleiterbahnen 12 zur Temperaturbestimmung. Hierbei werden die Spannungsabgriffe an verschiedenen Stellen 13 innerhalb der Strecke L angebracht. Im weiteren Produktionsprozess können die einzelnen Spannungsab griffe mittels Laserverfahren so durchtrennt bzw. getrimmt werden, dass nur noch eine Verbindung übrig bleibt, die ge nau den gewünschten Widerstandswert bietet. Auf diese Weise können Produktionsstreuungen z. B. der Schichtdicke oder des spezifischen Widerstands des Heizleiterbahnwerk stoffs kompensiert werden, um dadurch eine für alle Senso ren gleichbleibende Beziehung zwischen gemessenem Wi derstandswert und Temperatur zu erhalten. Hierbei bleibt auch der Gesamtwiderstand der Heizleiterbahn 6 unverän dert. Derartig aufgebaute Sensoren weisen dann alle eine einheitliche Widerstands-Temperatur-Kennlinie auf. Im Ge gensatz zu herkömmlichen Aufbauten, bei denen an der Sensoranschlussseite durch Variation des Gesamtwider stands aufwendig getrimmt wird, findet hier die Trimmung durch Variation des Spannungsabgriffs auf der Hochtempe raturseite statt.

Naheliegend bei allen Anwendungen ist es, dass die Messleiterbahnen nicht nur wie abgebildet in Vierdrahttech nik, sondern auch analog in Dreidrahttechnik, wie bereits in Fig. 3 beschrieben, aufgebaut werden können.

Claims

1. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor, wobei

- der Hochtemperaturgassensor ein Substrat (9) mit einer darauf befindlichen Funktionsschicht (4) aufweist,
- die Heizschicht (8) aus einer Heizleiterbahn (6) besteht, die mäanderförmig zwischen einem Zuleitungsteil (2) und der Sensorspitze (10) verläuft und gegenüber der Funktionsschicht (4) auf der gleichen oder auf der anderen Seite des Substrats (9) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterbahn (6) unterschiedliche partielle Heizwiderstände aufweist und die Höhe des partiellen Heizwiderstands vom Abstand des partiellen Heizwiderstandes der Heizleiterbahn (6) zur Sensorspitze (10) abhängt.

2. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der partielle Heizwiderstand zur Sensorspitze (10) hin abnimmt.

3. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfadlänge (I) der Heizleiterbahn (6) in Abhängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze (10) variiert.

4. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfadlänge (I) der Heizleiterbahn (6) in Abhängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze (10) abnimmt.

5. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Heizleiterbahn (6) in Abhängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze (10) variiert.

6. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Breite (b) der Heizleiterbahn (6) in Richtung der Sensorspitze (10) vergrößert.

7. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfadlänge der Heizleiterbahn (6) und die Breite (b) der Heizleiterbahn (6) in Abhängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze (10) variiert.

8. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich von Teilabschnitt zu Teilabschnitt in Richtung zur Sensorspitze (10) die Pfadlänge (I) der Heizleiterbahn (6) reduziert und sich die Breite (b) der Heizleiterbahn (6) vergrößert.

9. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens eine Messleiterbahn (12) zur Bestimmung der Temperatur aufgebracht ist und die Messleiterbahn (12) mit der Heizleiterbahn (6) in Kontakt steht.

10. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kontakt zwischen Messleiterbahn (12) und Heizleiterbahn (6) im Bereich unterhalb der Funktionsschicht (4) angebracht ist.

11. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Kontaktmöglichkeiten (13) zwischen Messleiterbahn (12) und Heizleiterbahn (6) ausgebildet sind, um zwischen verschiedenen Widerstandswerten der Heizleiterbahn (6) auszuwählen.

12. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Funktionsschicht (4) kleiner ist als der Abstand (L + G) zwischen Zuleitungsteil und Sensorspitze, in der die Heizleiterbahn (6) angeordnet ist.