DE69201177T2 - Widerstandselement mit Anschlussdraht bestehend aus einer Drahtrute und einer bedeckenden Legierungschicht. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Widerstandselement und im besonderen ein Widerstandselement, das die Temperaturabhängigkeit eines elektrischen Widerstands eines Körpers mit elektrischem Widerstand ausnützt und das als Wärmeflußmeßgerät zum Messen einer Menge, einer Flußrate oder Geschwindigkeit eines Fluids geeignet ist, das beispielsweise in einem Verbrennungsmotor fließt.
• Es gibt bekannte Widerstandselemente des obigen Typs mit einer zylindrischen oder planaren Form. Fig.1 zeigt ein Beispiel eines zylindrischen Widerstandselements, das ein beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehendes Keramikrohr 2 enthält und einen Außendurchmesser von etwa 0,5 mm aufweist, und eine dünne Platinschicht 8 umfaßt, die auf einer Außenfläche des Rohrs 2 ausgebildet ist und in geeigneter Weise ein Muster aufweist, sodaß sie einen erwünschten Widerstandswert besitzt. Ein Paar elektrischer Leiter oder Anschlüsse 4 in Form von Platindrähten mit einem Durchmesser von etwa 0,2 mm sind in gegenüberliegende Endabschnitte des Keramikrohrs 2 eingesetzt und daran durch jeweiligen Massen an Platinpaste 6 befestigt, die als Klebemittel dient. Die Platinschicht 8 und die Anschlüsse 4 sind durch die an gegenüberliegenden Endabschnitten des Keramikrohrs 2 befindlichen Klebemassen miteinander elektrisch verbunden. US-A-4903001 offenbart ein solches Widerstandselement.
• Bei Verwendung von Platindrähten als Anschlüsse im bekannten Widerstandselement neigt jedoch die durch das Widerstandselement erzeugte Hitze dazu, durch die Anschlüsse zu entweichen, anstatt in ein wie beabsichtigt zu messendes Fluid abgeleitet zu werden. Demzufolge kann die Temperatur des Widerstandselements nicht auf die Menge oder die Flußrate des zu messenden Fluids ansprechen, was zu einer verringerten Detektiergenauigkeit des Elements und zu einem längeren Zeitraum zum Starten seines Detektiervorgangs führt.
• Zur Lösung dieses Problems können die Anschlüsse aus einem Material wie einer 40Ni- Fe-Legierung bestehen, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Platin aufweist. In diesem Fall weist das Widerstandselement jedoch den Nachteil der schlechten Haftung zwischen den Anschlüssen und den aus der Platinpaste gebildeten Klebemittelmassen auf. Wenn während des Einbaus des Widerstandselements auf die Anschlüsse durch Schweißen Zugspannungen ausgeübt werden, werden die Anschlüsse leicht aus den Klebemittelmassen herausgezogen, was zu Freiräumen oder Rissen und demzufolge zu einem verringerten Kontakt zwischen den Anschlüssen und den Klebemittelmassen führt. Daher erfährt das Widerstandselement eine Änderung seines elektrischen Widerstands. Da auf das Widerstandselement während seines Gebrauchs verschiedene Wärmespannungen ausgeübt werden, die zu Freiräumen oder Rissen zwischen den Klebemittelmassen und den Anschlüssen führen, erfährt das Widerstandselement auch während seiner Verwendung eine Änderung seines elektrischen Widerstands.
• Zur Verbesserung der Haftung zwischen den Anschlüssen und den Klebemittelmassen aus der Platinpaste und zur Verhinderung der 0xidation der Anschlüsse während der Herstellung des Widerstandselements wird vorgeschlagen, einen Anschluß zu verwenden, der aus einem Anschlußdraht oder Kern aus einer 40Ni-Fe-Legierung und einer auf der Außenfläche des Drahtstabs ausgebildeten Platinschicht besteht. Während der so gebildete Anschluß weniger leicht aus den Klebemittelmassen hinausgezogen werden kann, wird die Wärmeleitfähigkeit des Anschlusses insgesamt aufgrund der Platinschicht unerwünscht erhöht, wodurch sich das gleiche Problem wie bei der Bildung des Anschlusses nur aus Platin ergibt.
• Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Widerstandselement bereitzustellen, dessen elektrische Anschlüsse mit Klebemitteln auf Platinbasis daran befestigt sind, was eine deutlich verbesserte Haftung zwischen den Anschlüssen und dem Klebemittel sicherstellt, während eine wirksam verringerte Wärmeleitfähigekeit der Anschlüsse ermöglicht wird.
• Gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung ist ein Widerstandselement zur Bestimmung eines Parameters bereitgestellt, umfassend: einen Keramikträger, einen Körper mit elektrischem Widerstand, der auf dem Keramikträger ausgebildet ist, und zumindest einen Anschlußdraht, der elektrisch mit dem elektrischen Widerstandskörper verbunden ist, wobei jeder Anschußdraht einen Drahtstab mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als Platin und eine Deckschicht aufweist, die den Drahtstab bedeckt und aus einer Legierung mit Platin als einer Hauptkomponente gebildet ist; und einen Platin enthaltenden Klebstoff zum Befestigen des oder der Anschlußdrähte am Keramikträger.
• Zur Bildung des im erfindungsgemäßen Widerstandselement verwendeten Anschlußdrahts wird die aus einer Legierung mit Platin als Hauptkomponente bestehende Deckschicht auf der Außenfläche des Drahtstabs mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als Platin gebildet. Wenn der Anschlußdraht unter Verwendung eines Klebemittels aus Platinpaste am Keramikträger befestigt wird, ist das Klebemittel daher günstigerweise mit der Deckschicht des Anschlußdrahtes kombiniert, wodurch man eine verbesserte Bindungsfestigkeit dazwischen sicherstellen kann. Demzufolge ist es weniger wahrscheinlich, daß der Anschlußdraht aus dem Klebemittel herausgezogen wird, selbst wenn Druck- oder Zugspannungen auf den Anschlußdraht wirken. Somit ist das erfindungsgemäße Widerstandselement frei von Zwischenräumen oder Rissen zwischen den Anschlußdrähten und den Klebemittelmassen und gewährleistet somit eine stabile elektrische Verbindung der Anschlußdrähte mit dem elektrischen Widerstandskörper, wodurch eine Veränderung des elektrischen Widerstands des Widerstandselements günstigerweise vermieden wird.
• Im erfindungsgemäßen Widerstandselement besteht der Drahtstab des Anschlußdrahtes aus einem metallischen Material mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als Platin, während die auf der Außenfläche des Drahtstabs gebildete Deckschicht aus einer Legierung mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als Platin sein kann. Somit kommt es zu einer deutlichen Verringerung der Wärmeleitfähigekeit des Anschlußdrahtes insgesamt, wodurch das Entweichen von Wärme durch den Anschlußdraht nach außen wirksam verhindert wird. Daher kann das vorliegende Widerstandselement auf Veränderungen der Menge oder Flußgeschwindigket eines zu messenden Fluids sehr gut ansprechen, was zu einer verbesserten Detektiergenauigkeit, einer verkürzten Zeit zum Beginn des Detektiervorgangs und einem verbesserten Betriebsansprechen führt. Das Vorsehen der Deckschicht, deren Hauptkomponente Platin ist, eignet sich auch zur Vermeidung der Oxidation der Anschlußdrähte während der Herstellung des Widerstandselements.
• Die obigen und andere wahlweise Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer derzeit vorgezogenen erfindungsgemäßen Ausführungsform unter Berücksichtigung der begleitenden Zeichnungen, worin:
• Fig.1 eine Vorderansicht im Längsquerschnitt eines Beispiels eines bekannten Widerstandselements ist; und
• Fig.2 eine Vorderansicht im Längsquerschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Widerstandselements ist.
• Bezugnehmend auf den Querschnitt von Fig.2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Widerstandselements dargestellt, das mit Ausnahme elektrischer Leiter oder Anschlüsse eine ähnliche Konstruktion wie das bekannte Widerstandselement von Fig.1 aufweist. Das Widerstandselement besitzt einen rohrförmigen Keramikträger 12 aus einem bekannten Keramikmaterial wie Aluminiumoxid und einen Körper mit elektrischem Widerstand in Form einer Widerstandsschicht 18 z.B. aus Platin, die in einem geeigneten Muster auf der äußeren Umfangsfläche des Keramikträgers 12 ausgebildet ist. Ein Paar elektrischer Leiter oder Anschlußdrähte 14, 14 ist in geeigneten Abständen an ihren Endabschnitten in jeweiligen axialen Endabschnitten einer Mittelbohrung des Keramikträgers 12 eingeschoben und durch jeweilige, Platin enthaltende, Klebemittelmassen 16 am Träger 12 befestigt. Die Anschlußdrähte 14 und die Widerstandsschicht 18 sind durch die Klebemittelmassen 16' die sich in axialen Endabschnitten des Keramikträgers 12 befinden, elektrisch miteinander verbunden. Weiters sind der Keramikträger 12 und andere Abschnitte des Widerstandselements mit einer Schutzschicht 20 z.B. aus Glas bedeckt.
• Jeder der Anschlußdrähte 14 besteht aus einem Drahtstab 22 und einer Deckschicht 24 auf der Außenfläche des Drahtstabs 22. Der Drahtstab 22 besteht aus einem metallischen Material mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als Platin, während die Deckschicht 24 aus einer Legierung besteht, die Platin als Hauptkomponente enthält. Während das für den Drahtstab 22 des Anschlußdrahts 14 verwendete metallische Material aus reinen Metallen ausgewählt sein kann, ist ein aus einer Legierung gebildeter Drahtstab 22 aufgrund ihres Schmelzpunkts und ihrer Wärmeleitfähigkeit vorzuziehen. Typische Beispiele der für den Drahtstab 22 verwendeten Legierung sind Nichrom, Zinnbronze, MONEL (Ni-Cu-Legierung), INVAR (Fe-Ni-C-Cr-Legierung), rostfreier Stahl und eine Ni-Fe-Legierung, die alle eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die nicht höher als ein Drittel von jener Platins ist. MONEL kann hauptsächlich 66 Gew.-% Ni, 29 Gew.-% Cu und 3 Gew.-% Al aufweisen, während INVAR hauptsächlich aus 35,4 Gew.-% Ni, 0,06 Gew.-% C, 0,04 Gew.-% Cr besteht, wobei Fe den Rest darstellt.
• Das Material für die Deckschicht 24, die auf der Außenfläche des Drahtstabs 22 ausgebildet ist, ist nicht besonders eingeschränkt, sondern kann aus Legierungen ausgewählt sein, deren Hauptkomponente Platin ist, dem ein ausgewähltes metallisches Material als Legierungskomponente beigefügt werden kann. Vorzugsweise kann die Legierungskomponente aufgrund der Wärmebeständigkeit aus Edelmetallen ausgewählt sein, vor allem aus Elementen der Platingruppe wie Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium und Iridium. Der Gehalt der dem Platin beigefügten Legierungskomponente wird vorzugsweise aufgrund der Korrosionsbeständigkeit in einem Bereich von etwa 1 - 30 Gew.-% gehalten.
• Die Deckschicht 24 kann durch jedes bekannte Verfahren auf dem Drahtstab 22 gebildet werden. Beispielsweise wird ein Stabelement aus einem Material für den Drahtstab 22 in ein röhrenförmiges Element gesteckt, das aus dem Material der Deckschicht 24 besteht; der Durchmesser der so erhaltenen Anordnung wird durch Ziehen verringert, sodaß der Drahtstab 22 mit der Deckschicht 24 plattiert wird. Die Bildung der Deckschicht 24 auf dem Drahtstab 22 kann ansonsten z.B. durch Plattieren oder Sputtern erreicht werden. Die Dicke der Deckschicht 24 wird vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,1 - 50 um gehalten. Die Deckschicht 24 mit einer Dicke von weniger als 0,1 um kann feine Löcher, Risse oder andere Beschädigungen aufweisen.
• Während die Klebemittel 16 auf Platinbasis zum Befestigen der Anschlußdrähte 14 am Keramikträger 12 aus allen bekannten Materialien zum Verbinden eines Keramikmaterials und eines Metalls ausgewählt sein können, verwendet man im allgemeinen eine mit Glas vermischte Platinpaste, um eine verbesserte Bindungsfestigkeit zu gewährleisten. Von verschiedenen Glasarten ist es besonders wünschenswert, ein kristallisiertes Glas zu verwenden, z.B. jene, die ZnO.B&sub2;O.SiO&sub2; enthalten, sodaß die Bindungsfestigkeit wirksam verbessert wird. Mit den an den axialen Endabschnitten des Keramikträgers 12 durch das Klebemittel 16 auf Platinbasis wie oben befestigten Anschlußdrähten 14 wird das Widerstandselement einer Wärmebehandlung unterzogen (oder gebrannt), sodaß die Klebemittel 16 verschmelzen, um dadurch eine feste Bindung zwischen den Anschlußdrähten 14 und dem Keramikträger 12 zu erzielen. Insbesondere werden die Deckschichten 24 der Anschlußdrähte 14 und die im Klebemittel 16 enthaltenen Platinteilchen während der Wärmebehandlung verschmolzen und fest miteinander kombiniert, was zu einer deutlich erhöhten Bindungsstärke zwischen den Anschlußdrähten 14 und dem Keramikträger 12 führt. Mit erhöhter Festigkeit werden die Anschlußdrähte 14 daran gehindert, aus den Klebemittelmassen 16 gezogen zu werden. Weiters sind die Anschlußdrähte 14 mit den darauf ausgebildeten Deckschichten 24 günstigerweise vor Oxidation der Drahtstäbe 22 während ihrer Wärmebehandlung geschützt.
• Das so erhaltene Widerstandselement weist weniger wahrscheinlich den Nachteil des Entweichens oder Übertragens von Wärme durch die Anschlußdrähte 14 nach außen auf, da der Anschlußdraht als Ganzes eine wirksam verringerte Wärmeleitfähigkeit besitzt. Weiters haftet der Anschlußdraht 14 mit der hauptsächlich aus Platin bestehenden Deckschicht 24 gut am Klebemittel 16 auf Platinbasis, was eine erhöhte Bindungsfestigkeit zwischen dem Anschlußdraht 14 und der Klebemittelmasse 16 sicherstellt.
• Das Widerstandselement mit dem zylindrischen Keramikträger wurde somit beschrieben. Man beachte jedoch, daß das Prinzip der vorliegenden Erfindung auch bei einem Widerstandselement z.B. mit planarem Keramikträger Anwendung finden kann. Man beachte auch, daß die vorliegende Erfindung verschiedene Änderungen, Modifizierungen und Verbesserungen erfahren kann, die Fachleute auf dem Gebiet vorschlagen können, ohne vom erfindungsgemäßen Schutzbereich abzuweichen.
BEISPIELE
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung erfolgt nun eine ausführliche Beschreibung einiger konkreter Beispiele des erfindungsgemäßen Widerstandselements. Man beachte jedoch, daß die Erfindung nicht auf die genauen Details dieser Beispiele beschränkt ist, sondern daß auch andere Ausführungsformen möglich sind.
• Einige Proben (Nr.1 - 9) des in Fig.2 dargestellten Widerstandselements wurden unter Verwendung eines als keramischer Träger dienenden Aluminiumoxidrohrs 12 hergestellt, das einen Innendurchmesser von 0,2 mm und einen Außendurchmesser von 0,5 mm sowie eine Länge von 2 mm aufweist. Eine Platinschicht mit einer Dicke von 0,4 um wurde durch Sputtern auf der Außenfläche des Aluminiumoxidrohrs 12 gebildet und dann durch einen Laser endbearbeitet, um eine gemusterte Platinschicht 18 zu ergeben, die durch eine darin ausgebildete spiralförmige Nut definiert ist. Die so erhaltene Platinschicht 18 weist einen Widerstandswert von 20 Ω auf. Anschließend wurde ein Paar Anschlußdrähte 14, die wie in Tabelle 1 angegeben konstruiert waren, durch jeweilige Klebemittelmassen 16 auf Platinbasis am Aluminiumoxidrohr 12 befestigt. Die so erhaltene Anordnung des Aluminiumoxidrohrs 12, der Anschlußdrähte 14 und der Klebemittelmassen 16 wurde mit Glas bedeckt und dann gebrannt, wodurch jede Probe des mit einer Schutzschicht 20 überzogenen Widerstandselements erhalten wurde. Der Drahtstab 22 jedes Anschlußdrahtes 14 weist einen Außendurchmesser von 0,15 mm auf, und die Deckschicht 24, falls sie überhaupt vorgesehen ist, besitzt eine Dicke von 5 ,um. Das Klebemittel 16 auf Platinbasis wurde aus einer Platinpaste aus 60 Volums-% Platin und 40 Volums-% Glas hergestellt.
• Jede Probe des so erhaltenen Widerstandselements wurde hinsichtlich der Bindungsstärke zwischen den Anschlußdrähten und den Klebemittelmassen, der für den Beginn des Detektiervorgangs erforderlichen Zeit und der Temperatur des Elements bei Anlegen eines elektrischen Stroms gemessen. Die Bindungsfestigkeit wurde als Kraft gemessen, welche die Anschlußdrähte aus den Klebestoffmassen zog. Die Ergebnisse des Versuchs sind in Tabelle 1 angeführt. TABELLE 1 Anschlußdraht Zugkraft auf Anschlußdraht (P) *² Vorgangsbeginnzeit (ms) Temperatur des Elements (ºC) Drahtstab Deckschicht*¹
• *1 Die für die Deckschicht verwendete Legierung besteht aus 90 Gew.-% Pt und 10 Gew.-% der anderen Komponente
• *2 Durchschnittliche Kraft, worin n = 10, die die Anschlußdrähte aus den Klebstoffmassen zog
• *3 Durchschnittszeit, worin n = 5
• *4 Durchschnittstemperatur, worin n = 5, des Widerstandselements bei Anlegen von 165 mW
• *5 Kraft, welche die Anschlußdrähte abschnitt
• *6 Messungen variierten in einem großen Bereich von 500 - 1000 P.
• Aus der obigen Tabelle 1 ergibt sich, daß wenn die Anschlußdrähte einzig aus Platin gebildet sind (Nr.1) oder Deckschichten aus Pt enthalten (Nr.3), die durch das Widerstandselement erzeugte Wärme durch die Anschlußdrähte nach außen entweicht, was zu einer verringerten Temperatur des Elements bei Anlegen eines elektrischen Stroms daran führt und zu einer verlängerten Zeit für den Beginn des Detektiervorgangs führt. Wenn die Anschlußdrähte hingegen nur aus der 4ONi-Fe-Legierung (Nr.2) bestehen, verschlechtert sich die Haftung zwischen den Anschlußdrähten und dem aus der Platinpaste bestehenden Klebemittel, wodurch die Kraft zum Hinausziehen der Anschlußdrähte in einem großen Bereich von 500 - 1000 P variiert, obwohl die in der praktischen Verwendung wünschenswerte Kraft zumindest 1 000 P beträgt.
• ln den Proben Nr. 4 bis Nr. 9, worin die Anschlußdrähte eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, erfolgt die Wärmeentweichung durch die Anschlußdrähte in einem verringerten Ausmaß, was eine relativ hohe Temperatur des Elements beim Anlegen von elektrischem Strom und eine verkürzte Zeit bis zum Beginn des Detektiervorgangs sicherstellt. Weiters ist es weniger wahrscheinlich, daß die Anschlußdrähte dieser Proben aus dem Klebemittel hinausgezogen werden, was auf die deutlich erhöhte Bindungsfestigkeit zwischen den Anschlußdrähten und den Klebemitteln zurückzuführen ist.

Claims (14)

1. Widerstandselement zur Bestimmung eines Parameters, umfassend einen Keramikträger (12), einen Körper (18) mit elektrischem Widerstand, der auf dem Keramikträger ausgebildet ist, und zumindest einen Anschlußdraht (14), der elektrisch mit dem elektrischen Widerstandskörper verbunden ist, und ein Platin enthaltendes Klebemittel (16) zur Befestigung des zumindest einen Anschlußdrahtes am Keramikträger, dadurch gekennzeichnet, daß:

jeder zumindest eine Anschlußdraht einen Drahtstab (22) mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als Platin und eine Deckschicht (24) aufweist, die den Drahtstab bedeckt und aus einer Legierung mit Platin als einer Hauptkomponente gebildet ist.

2. Widerstandselement nach Anspruch 1, worin die Wärmeleitfähigkeit des Drahtstabes nicht höher als ein Drittel jener von Platin ist.

3. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, worin der Drahtstab aus einer Legierung gebildet ist, die aus der Gruppe bestehend aus Nichrom, Zinnbronze, Ni-Cu Legierung, Fe-Ni-C-Cr Legierung, rostfreiem Stahl und Ni-Fe Legierung ausgewählt ist.

4. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die die Deckschicht bildende Legierung weiters zusätzlich zu Platin als Hauptbestandteil ein Edelmetall umfaßt.

5. Widerstandselement nach Anspruch 4, worin das Edelmetall aus den Elementen der Platingruppe, die Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium und Iridium umfaßt, ausgewählt ist.

6. Widerstandselement nach Anspruch 4 oder 5, worin der Gehalt des Metalls in der Legierung innerhalb eines Bereichs von 1 - 30 Gew.% liegt.

7. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Deckschicht eine Dicke von 0,1 - 50 um aufweist.

8. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Klebemittel weiters ein Glas als Verbindungsmaterial enthält.

9. Widerstandselement nach Anspruch 8, worin das Glas ein kristallisiertes Glas ist.

10. Widerstandselement nach Anspruch 9, worin das kristallisierte Glas ZnO B&sub2;O&sub3;SiO&sub3; umfaßt.

11. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin der zumindest eine Anschlußdraht durch das Klebemittel elektrisch mit dem elektrischen Widerstandskörper verbunden ist.

12. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiters umfassend eine Schutzbeschichtung (20), die zunindest den Keramikträger und den elektrischen Widerstandskörper bedeckt.

13. Widerstandselement nach Anspruch 12, worin die Schutzbeschichtung aus einem Glas hergestellt ist.

14. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin der elektrische Widerstandskörper aus einer Platinschicht besteht, die durch Mustern eines Platindünnfilms gebildet wird, um einen vordefinierten elektrischen Widerstand zu liefern.