DE4420944A1

DE4420944A1 - Keramischer Heizkörper

Info

Publication number: DE4420944A1
Application number: DE19944420944
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dipl Phys Friese; Werner Dipl Phys Dr Gruenwald; Gerhard Dipl Ing Schneider; Harald Dipl Ing Dr Neumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1994-06-16
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2014-06-17
Also published as: DE4420944C2; JPH088044A

Description

Die Erfindung betrifft einen keramischen Heizkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in dem Ab gas eines Kraftfahrzeugs sind Sauerstoffsonden be kannt. Diese weisen einen zwischen zwei Elektroden liegenden ionenleitenden Festkörperelektrolyten auf, zwischen denen sich je nach Sauerstoffgehalt in dem zu messenden Gas ein Grenzstrom beziehungsweise eine Nernst-Spannung einstellt, die von dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration an den Elektroden ab hängig sind. In ihrem aktiven Bereich müssen diese Sauerstoffsonden auf Temperaturen von über ca. 300°C erwärmt werden. Ein Meßsignal der Sauerstoffsonden ist dabei von der Temperatur abhängig, so daß zur Erhöhung der Meßgenauigkeit der Sauerstoffsonden die Temperatur der Sonde kontrolliert und gegebenenfalls geregelt werden muß. Hierzu ist bekannt, den Sauer stoffsonden eine Sondenheizung zuzuordnen, die in Ab hängigkeit einer an der Sauerstoffsonde gemessenen Temperatur zu- beziehungsweise abschaltbar ist.

Aus der DE-PS 35 38 460 ist eine derartige Sonden heizung bekannt. Hierbei ist auf einem der Form der Sauerstoffsonden angepaßten länglichen, plattenförmi gen Keramiksubstrat ein Widerstandsheizelement ange ordnet, welches über längliche, streifenförmige elek trische Anschlußleitungen mit Anschlußklemmen zum Anlegen eines Heizstromes verbindbar ist. Es wird vorgeschlagen, für das Widerstandsheizelement und die Anschlußleiter spezielle geometrische Abmessungen einzuhalten, um zu erreichen, daß ein spezifischer Widerstand der Anschlußleiter kleiner als ein spezi fischer Widerstand des Widerstandsheizelements ist. Hierbei ist nachteilig, daß zum Erreichen der gewoll ten Verhältnisse die Widerstandswerte nur durch sehr genaue hochpräzise Druckvorgänge erreicht werden können, wobei schon geringste geometrische Abweichun gen der Größenverhältnisse zu einem abweichenden Wi derstandsverhalten des gesamten keramischen Heizkör pers führt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße keramische Heizkörper mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, in einfacher Weise eine erhöhte Ferti gungssicherheit bei der Herstellung des Widerstands heizelementes beziehungsweise der Anschlußleitungen zu erreichen. Dadurch, daß das Widerstandsheizelement und die elektrischen Anschlußleitungen als getrennte Einheiten ausgebildet sind und aus unterschiedlichen Materialien bestehen, ist es vorteilhaft möglich, die Materialien derart aufeinander abzustimmen, daß ver ringerte Leistungsverluste in den Anschlußleitungen beim Betrieb des keramischen Heizkörpers auftreten. Darüber hinaus können die Anschlußleitungen aus Ma terialien gefertigt werden, deren Beschaffung und Verarbeitung im Verhältnis zu den für das Wider standsheizelement verwendeten Materialien kosten günstiger ist. Gleichzeitig kann die jeweilige Ein heit sehr vorteilhaft in einem an sich bekannten so genannten Vielfachnutzen hergestellt werden, das heißt, zur gleichen Zeit werden eine Vielzahl von Widerstandsheizelementen beziehungsweise von elektri schen Anschlußleitungen, vorzugsweise von Paaren von elektrischen Anschlußleitungen, hergestellt. Somit ist eine Abstimmung der Herstellungsparameter in op timaler Weise entweder auf die Widerstandsheizelemen te oder auf die Anschlußleitungen möglich. Es kann vorteilhafterweise eine sehr genaue Einstellung be ziehungsweise Kontrolle der Widerstandsheizelemente während der Herstellung erfolgen, ohne besondere an die elektrischen Anschlußleitungen gestellte Be dingungen beachten zu müssen. Werden die Widerstands heizelemente vorzugsweise auf ein Keramiksubstrat, beispielsweise eine ungesinterte Keramikfolie aufge druckt, kann durch Überwachung des übertragenen Druckpastengewichts eine Schichtstärke der Wider standsheizelemente sehr gut eingestellt werden. Hier durch ergibt sich eine sehr kleine Streubreite der hergestellten Widerstandsheizelemente, insbesondere hinsichtlich ihres spezifischen Widerstands, so daß eine erhöhte Ausbeute bei der Fertigung zu erreichen ist.

Bei der separaten Herstellung der elektrischen An schlußleitungen kann vorteilhafterweise ein anderes Material für die elektrischen Anschlußleitungen als für die Widerstandsheizelemente verwendet werden, so daß beispielsweise durch eine entsprechende Material auswahl verringerte Leistungsverluste in den An schlußleitungen während des Betriebes des Heizkörpers erreichbar sind. Wird als Material für die An schlußleitungen in bevorzugter Ausgestaltung der Er findung beispielsweise ein Edelmetall-Legierungs-Cermet verwendet, kann durch einen geringeren Tempe raturkoeffizienten des Widerstands von Edelmetall-Legierungen auf einen geringeren spezifischen Wider stand der Anschlußleitungen Einfluß genommen werden. Unter Cermet wird eine Metall-Keramikmischung ver standen, in der ein Mischungsverhältnis von Edel metall und einer Keramiksubstanz in einem wählbaren Verhältnis vorliegt. Gleichzeitig ist durch den Ein satz von Edelmetall-Legierungen insgesamt ein ver ringerter Edelmetalleinsatz in den Anschlußleitungen notwendig, so daß sich hieraus weitere Kostenein sparungen ergeben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Explosionsdarstellung eines keramischen Heizkörpers;

Fig. 2 eine Draufsicht auf elektrische Anschluß leitungen im Vielfachnutzen;

Fig. 3 eine Draufsicht auf Widerstandsheizelemente im Vielfachnutzen;

Fig. 4 ein Widerstandsverlauf von verschiedenen Anschlußleitungen und

Fig. 5 ein Phasendiagramm einer Edelmetall-Legie rung für die elektrischen Anschlußleitungen in einem konkreten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist schematisch in Explosionsdarstel lung ein allgemein mit 10 bezeichneter keramischer Heizkörper dargestellt. Der Heizkörper 10 weist ein längliches, plattenförmiges Keramiksubstrat 12 auf, auf dem ein Widerstandsheizelement 14 angeordnet ist. Das Widerstandsheizelement 14 verläuft dabei mäander förmig und besitzt zwei hier mit 16 beziehungsweise 18 angedeutete Kontaktstellen. Auf dem Keramik substrat 12 sind weiterhin zwei Anschlußklemmen 20 beziehungsweise 22 angeordnet. Die Kontaktstellen 16 beziehungsweise 18 sind jeweils über einen elek trischen Anschlußleiter 24 mit den Anschlußklemmen 20 beziehungsweise 22 elektrisch leitend verbunden. Der Heizkörper 10 besitzt ferner ein zweites längliches, plattenförmiges Keramiksubstrat 26, das zur Abdecke lung des Widerstandsheizelementes 14 sowie der An schlußleiter 24 dient. In seiner axialen Erstreckung ist das Keramiksubstrat 26 kürzer als das Keramik substrat 12 gewählt, so daß die Anschlußklemmen 20 beziehungsweise 22 freiliegen und in hier nicht wei ter zu betrachtender Weise mit einer Stromquelle ver bindbar sind. Die Keramiksubstrate 12 beziehungsweise 26 bestehen beispielsweise aus Zirkondioxid oder Aluminiumoxid. Das Widerstandsheizelement 14 ist bei spielsweise in bekannter Weise auf das Keramik substrat 12 aufgedruckt und besteht aus einem Edel metall-Cermet. Das Widerstandsheizelement 14 kann da bei beispielsweise aus einem Platin-Aluminiumoxid-Cermet bestehen. Die Anschlußleitungen 24, wobei diese nach einem nicht dargestellten Ausführungsbei spiel gleichzeitig die hier separat dargestellten Anschlußklemmen 20 beziehungsweise 22 ausbilden kön nen, bestehen aus einem Edelmetall-Legierungs-Cermet. Dies kann beispielsweise ein Paladium-Platin-Alumi niumoxid-Cermet sein. Nach einer weiteren Ausfüh rungsvariante können die Anschlußleiter 24 aus einem 100%igen Paladium-Cermet bestehen.

Während des Betriebes des in Fig. 1 dargestellten Heizkörpers 10 werden die Anschlußklemmen 20 bezie hungsweise 22 mit einer Stromquelle verbunden, so daß über die Anschlußleiter 24 durch das Widerstands heizelement 14 ein Heizstrom fließt und dieses sich somit erwärmt. Der Heizkörper 10 kann hierbei, wie eingangs erwähnt, als Sondenheizung für eine Sauer stoffsonde, beispielsweise zum Bestimmen einer Sauer stoffkonzentration in einem Abgas eines Kraftfahr zeugs dienen.

Dadurch, daß die Anschlußleiter 24 gegenüber dem Widerstandsheizelement 14 als separate Einheit ausge bildet sind und aus einem anderen Material bestehen, besitzen diese, bei der gewählten Materialkombina tion, einen niederen positiven Temperaturkoeffizien ten ihres Widerstandes als das Widerstandsheizelement 14. Somit wird erreicht, daß während des Betriebes des Heizkörpers 10 die gezielte Umwandlung des ange legten elektrischen Stroms in Wärme vor allem in dem Widerstandsheizelement 14 erfolgt und somit in den Anschlußleitungen 24 geringere Leistungsverluste auf treten, als wenn diese aus dem gleichen Material wie das Widerstandsheizelement 14 bestünden. Durch die Verwendung von Edelmetall-Legierungs-Cermet für die Anschlußleiter 24 bei gleichzeitiger Verwendung eines Edelmetall-Cermets für das Widerstandsheizelement 14 wird dieser geringere Temperaturkoeffizient des Wi derstands in den Anschlußleitungen 24 erreicht. Dar über hinaus ergibt sich durch den Einsatz eines Edelmetall-Legierungs-Cermets ein verringerter Ein satz von Edelmetall, so daß der gesamte Heizkörper 10 gegenüber herkömmlichen Heizkörpern, bei denen sowohl das Widerstandsheizelement 14 und die Anschlußleiter 24 aus einem Edelmetall-Cermet bestehen, kosten günstiger herstellbar ist.

Die Zusammensetzung des Edelmetall-Legierungs-Cermets der Anschlußleitungen 24 kann dabei den Anforderungen an bestimmte Einsatzfälle angepaßt werden. So kann das Mischungsverhältnis des Paladiums zu dem Platin in weiten Bereichen, beispielsweise von einem Anteil an Paladium bis zu 100% gewählt sein. Je höher der Paladiumanteil ist, umso größer ist die Einsparung an Platin.

Anhand der Fig. 2 und 3 soll die Herstellung der Widerstandsheizelemente 14 sowie der Anschlußleiter 24 beispielhaft erläutert werden. In der Fig. 2 ist in einer Draufsicht das Layout von gemeinsam herge stellten Paaren von Anschlußleitern 24 gezeigt. Auf ein hier angedeutetes Keramiksubstrat 12 werden ins gesamt beispielsweise sieben Paare von Anschlußlei tern 24 in allgemein bekannter Weise mittels einer Druckpaste aufgebracht. Die Druckpaste enthält dabei die einzelnen Materialbestandteile, aus denen die Anschlußleiter 24 - wie bereits erwähnt - bestehen. So können beispielsweise Paladium (Pd), Platin (Pt) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) vorhanden sein. Die das Edelmetall-Legierungs-Cermet der Anschlußleiter 24 ergebende Legierung wird hierbei beispielsweise erst während eines an sich bekannten Sinterprozesses des Heizkörpers 10 ausgebildet. Auf einem Keramiksubstrat 12 können gleichzeitig eine Vielzahl von Paaren der Anschlußleiter 24 aufgebracht werden, wobei diese beispielsweise gleichzeitig mit den Anschlußklemmen 20 beziehungsweise 22 integriert sind. Durch das gleichzeitige Aufdrucken von mehreren Paaren von Anschlußleitern 24 entsteht ein sogenannter Viel fachnutzen, wobei das Keramiksubstrat 12 in einem nachfolgenden, hier nicht weiter zu betrachtenden Verfahrens schritt aufgetrennt wird, wobei einzelne Keramiksubstrate 12 mit jeweils einem Paar von An schlußleitern 24 entstehen. In der Fig. 2 sind hier noch Justiermarken 28 angedeutet, die zum genauen Positionieren der Anschlußleiter 24 dienen.

In der Fig. 3 ist in vollkommen analoger Weise das Layout zur Herstellung der Widerstandsheizelemente 14 gezeigt. Diese werden ebenfalls in bekannter Weise mittels einer Druckpaste auf das Keramiksubstrat 12 aufgedruckt. Durch die hier von dem Aufdrucken der Anschlußleiter 24 getrennte Darstellung soll ledig lich verdeutlicht werden, daß die Anschlußleiter 24 und die Widerstandsheizelemente 14 als getrennte Ein heiten ausgebildet sind und in zwei getrennten Druck schritten auf ein und dasselbe Keramiksubstrat 12 aufgedruckt werden. Für die Erfindung unwesentlich ist hierbei, ob zuerst die Anschlußleiter 24 und dann die Widerstandsheizelemente 14 oder zuerst die Wider standsheizelemente 14 und dann die Anschlußleiter 24 aufgedruckt werden. Das anschließende Auftrennen der im Vielfachnutzen hergestellten Strukturen erfolgt selbstverständlich erst, nachdem sowohl die Anschluß leiter 24 und die Widerstandsheizelemente 14 aufge druckt sind. Mit Hilfe der Justiermarken 28 ist ein vollkommen sicheres lageorientiertes Aufdrucken der Anschlußleitern 24 und der Widerstandsheizelemente 14 zueinander gewährleistet. Die Kontaktstellen 16 be ziehungsweise 18 der Widerstandsheizelemente 14 kom men hierbei jeweils mit einem Anschlußleiter 24 eines der erwähnten Paare der Anschlußleiter 24 in Kontakt. Durch die Trennung in zwei separate Druckschritte kann einerseits die bereits erwähnte Verwendung von unterschiedlichen Cermets, also eines Edelmetall-Cermets für die Widerstandsheizelemente 14 und eines Edelmetall-Legierungs-Cermets für die Anschlußleiter 24 verwendet werden. Darüber hinaus ist eine Anpas sung der einzuhaltenden Bedingungen beziehungsweise Parameter für die jeweiligen Druckschritte getrennt einstellbar. Für den Druck der Widerstandsheizele mente 14 ist zum Erreichen eines wählbaren Wider standswertes eine sehr genaue Einstellung der Schichtstärke der Widerstandsheizelement 14 notwen dig. Eine entsprechende Einstellung beziehungsweise Kontrolle der Schichtstärke kann beispielsweise durch Überwachung des während des Druckschrittes über tragenen Druckpastengewichtes erfolgen.

In der Fig. 4 ist in einem Diagramm die Abhängigkeit eines Widerstandes R bei Raumtemperatur von den Paladium(Pd)/Platin(Pt)-Anteilen in den Anschlußlei tern 24 dargestellt. Bei dem hier gezeigten Kurven verlauf wird von einer Schichtdicke von 15 µm für die Anschlußleiter 24 ausgegangen. Anhand der beispiel haft eingetragenen Raumtemperatur-Widerstandswerte für ein Verhältnis von Paladium (Pd) zu Platin (Pt) von 0 : 100, 50 : 50 und 80 : 20 wird deutliche, daß die Raumtemperatur-Widerstandswerte bei einem Pd/Pt-Verhältnis von 50 : 50 ein Maximum erreichen. Demge genüber weist der Temperaturkoeffizient-Kurvenverlauf bei einem Pd/Pt-Verhältnis von 50 : 50 ein Minimum auf. Nachfolgend sind beispielhaft einige Temperatur koeffizienten des Widerstandes für verschiedene Zusammensetzungsverhältnisse genannt.

T_K (0 : 100) = 100%
T_K (50 : 50) = 34,7%
T_K (80 : 20) = 43,5%
T_K (100 : 0) = 56,5%

Hieraus ergibt sich - wie bereits erwähnt -, daß die Anschlußleitungen einen geringeren Temperaturkoeffi zienten des Widerstandes aufweisen als das Wider standsheizelement. Hierüber kann auf einen geringeren spezifischen Widerstand der Anschlußleitungen während des Betriebes des gesamten keramischen Heizelementes gegenüber dem Widerstandsheizelement beziehungsweise in bezug auf den Gesamtwiderstand Einfluß genommen werden. Während des Betriebes verringert sich somit der Anteil des spezifischen Widerstandes der An schlußleitungen am Gesamtwiderstand des Heizkörpers.

Fig. 5 zeigt ein Platin-Paladium-Phasendiagramm, wo bei einerseits die Gewichtsprozent Gew% des Paladiums und andererseits die Atomprozent A% des Paladiums in Abhängigkeit der Temperatur T, eines Anschlußleiters aus einem Paladium-Platin-Cermet dargestellt sind. Hierbei wird deutlich, daß die beiden Legierungs partner vollständig ineinander löslich sind und somit keine intermetallischen Verbindungen erscheinen. Die Schmelztemperaturen liegen (mit mindestens 1555°C) deutlich über den beim Herstellen solcher keramischen Heizelemente üblichen Sintertemperaturen. Anderer seits können aber durch Festkörperdiffusion aus einer eingesetzten Mischung feiner Pt- und Pd-Körner (vorzugsweise < 10 µm) in der Edelmetall-Cermet-Schicht die gewünschten Pt-Pd-Legierungskörner ent stehen.

Solche Festkörperdiffusionsprozesse gewährleisten auch einen ausgezeichneten Verbund zwischen dem Wi derstandsheizelement 14 und den Anschlußleitern 24 beim Sintern der Keramik-Heizelemente.

Claims

1. Keramischer Heizkörper mit einem vorzugsweise länglichen, plattenförmigen Keramiksubstrat, mit we nigstens einem in der Nähe wenigstens eines Endes des Keramiksubstrates angeordneten Widerstandsheizelement und ein Paar jedem Widerstandsheizelement zugeordne ten, vorzugsweise länglichen, streifenförmigen elek trischen Anschlußleitern, die sich von den beiden Kontaktstellen des Widerstandsheizelements aus zu an dem anderen Ende des Keramiksubstrats angeordneten Anschlußklemmen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsheizelement (14) und die elek trischen Anschlußleitungen (24) als getrennte Ein heiten ausgebildet sind und aus unterschiedlichen Ma terialien bestehen.

2. Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Anschlußleitungen (24) und das Wider standsheizelement (14) einen unterschiedlichen posi tiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes auf weisen.

3. Heizkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Anschlußleitungen (24) einen geringeren Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweisen als das Widerstandsheizelement (14).

4. Heizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsheiz element (14) aus einem Edelmetall-Cermet besteht.

5. Heizkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß das Widerstandsheizelement (14) aus einem Platin(Pt)-Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Cermet besteht.

6. Heizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußlei tungen (24) aus einem Edelmetall-Legierungs-Cermet bestehen.

7. Heizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußlei tungen (24) aus einem Paladium(Pd)-Cermet bestehen.

8. Heizkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Anschlußleitungen (24) aus einem Paladium(Pd)-Platin(Pt)-Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Cermet bestehen.

9. Heizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die endgültige Le gierung der Anschlußleitungen (24) durch einen Sin terprozeß des Heizkörpers (10) einstellbar ist.

10. Heizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußlei tungen (24) und das Widerstandsheizelement (14) als Druckschicht mit einem wählbaren Layout auf das Keramiksubstrat (12) aufgedruckt sind.