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WO2001040783A2 - Anordnung einer heizschicht für einen hochtemperaturgassensor - Google Patents

Anordnung einer heizschicht für einen hochtemperaturgassensor Download PDF

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Publication number
WO2001040783A2
WO2001040783A2 PCT/EP2000/011754 EP0011754W WO0140783A2 WO 2001040783 A2 WO2001040783 A2 WO 2001040783A2 EP 0011754 W EP0011754 W EP 0011754W WO 0140783 A2 WO0140783 A2 WO 0140783A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heating
temperature
sensor
heating conductor
conductor track
Prior art date
Application number
PCT/EP2000/011754
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2001040783A3 (de
Inventor
Michael Bischof
Burkhard Kessler
Ralf Moos
Ralf MÜLLER
Willi Müller
Carsten Plog
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimlerchrysler Ag filed Critical Daimlerchrysler Ag
Priority to EP00989885A priority Critical patent/EP1185858A2/de
Priority to US09/890,613 priority patent/US6861939B1/en
Publication of WO2001040783A2 publication Critical patent/WO2001040783A2/de
Publication of WO2001040783A3 publication Critical patent/WO2001040783A3/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

Definitions

  • the invention relates to an arrangement of a heating layer for a high-temperature gas sensor according to the preamble of claim 1.
  • Sensors that are used in the exhaust gas of an internal combustion engine not only have to be stable to high temperatures, but they also usually have to be regulated to a specific operating temperature, since both the temperature of the exhaust gas and the exhaust gas throughput are dependent on the operating state of the engine and vary widely.
  • Such sensors are usually operated at a few hundred degrees Celsius.
  • a typical example of this is the ⁇ probe, which can be operated at temperatures up to 1000 ° C.
  • FIGS. 1 a, 1 b and 1 c Novel, planar exhaust gas sensors, which are currently being built by different manufacturers, consist of a structure as shown in FIGS. 1 a, 1 b and 1 c in different perspectives.
  • FIG. 1a shows a top view of the top of the sensor
  • FIG. 1b shows a side view of the sensor at the interface marked with a broken line
  • FIG. 1c shows a bottom view of the bottom of the sensor.
  • a coordinate system with an x, y and z axis is shown for orientation.
  • the figures show an elongated, rectangular carrier 1, also called a transducer, which in general. consists of an electrically insulating substrate, and on the underside 5, as shown in Figure 1 b and 1 c, a heating layer 8 is applied.
  • This heating layer 8 has a heating conductor 6 and a supply part 2.
  • the heating conductor 6 is located on the underside of the sensor under the functional layer 4, which is arranged on the top of the sensor 7.
  • the Functional layer 4 determines the special properties of the sensor, such as, for example, the selectivity to a specific gas or the like.
  • an electrode structure 3 adapted to the special requirements is then applied under the functional layer 4.
  • a temperature that is constant over the location must prevail on the sensor top 7 in the area in which the functional layer 4 is applied. This is achieved with the help of heating layer 8 and a temperature sensor, which is not shown in this figure and is located on the underside of the sensor.
  • the functional layer 4 is regulated to a certain temperature, the so-called operating temperature.
  • Another function of the elongated-looking support is to ensure that the temperature on the side facing away from the sensor tip 10, the so-called sensor connection side 9, is so low that plastic-insulated cables are attached to the end of the supply part 2 of the heating layer 8 as a measuring line or as a power supply line can.
  • the heating conductor 6 is arranged as a heating meander.
  • the evenly zigzag-shaped meander band runs parallel to the y-axis.
  • the constant height A of the meander corresponds to the length L of the functional layer 4 lying above it.
  • the width b of the heating conductor track 6 is constant. The two ends of the heating conductor 6 are with the supply part 2 of the heating layer
  • the lead part 2 of the heating layer 8 is guided to the sensor connection side 9.
  • EP 0720018 A1 discloses a heating layer for an exhaust gas sensor, in which the heating conductor track 6 is arranged in a serpentine shape. The distance between the serpentines is always the same. This shape also corresponds to a uniformly modulating meander band that runs parallel to the y-axis of the sensor.
  • US Pat. No. 5,430,428, DE 43 24 659 C1 and DE 198 30 709 also disclose forms for the course of the heating conductor track in an exhaust gas sensor.
  • the heating conductor is arranged in a meandering manner.
  • the uniformly modulating meander band is arranged in a rectangular manner and also runs parallel to the y-axis of the sensor.
  • the heating conductor has the shape of a uniformly modulating meander band.
  • the height A of the meander band is constant throughout the course.
  • the heating conductor 6 forms a meandering band which, beginning with the supply part 2, first modulates uniformly on one side parallel to the x-axis and then straight along the sensor tip parallel to the y-axis and then again on the other side, evenly modulating, runs parallel to the x-axis back to supply part 2.
  • the width b of the heating conductor 6 is not changed.
  • the length L of the area in which the heating conductor 6 is arranged corresponds to the length L of the functional layer 4 lying above.
  • a disadvantage of all the arrangements described above is that, due to the good thermal conductivity of the commonly used A ⁇ 3 substrates, there is a temperature gradient along the longitudinal axis x of the sensor. This temperature gradient is subject to very large fluctuations. So it is usually at a target temperature of e.g. 600 ° C about 80 ° C over the length L of the functional layer 4, as shown in Figure 2b.
  • a target temperature e.g. 600 ° C about 80 ° C over the length L of the functional layer 4, as shown in Figure 2b.
  • EP 0477394 proposes to build up the heating conductor tracks at the sensor tip in the form of a conductor, the conductor pattern containing a multiplicity of individual conductors connected in parallel, which can be arranged in such a way that a homogeneous temperature distribution over the length can be adjusted. Both the width or the cross section of the different heating conductor tracks and the distance between two heating conductor tracks, which represent the rungs of the conductor structure, can vary.
  • High-temperature metal oxide sensor in which a substrate is provided, on which, in addition to the two supply parts of the heating layer, two measuring conductor tracks are attached, which are connected to the heating conductor track and in which one or more connecting cables are located at a location as far away from the heating conductor track as possible Supply part of the
  • the meandering heating conductor track has different partial heating resistors in different sections with respect to the x-axis.
  • the level of the partial heating resistor depends on the distance to the
  • the partial heating resistance decreases in the direction of the sensor tip. This is achieved in that the path length of the heating conductor track and thus of the meandering band, which results if the meandering band would be pulled apart like a thread which is intertwined, varies from section to section.
  • the width of the heating conductor track, alone or together with the path length, can also vary in different sections.
  • measurement supply lines are also applied, with which the exact temperature can be recorded, so that precise temperature control is made possible.
  • the heating resistance to be measured can be configured so that several sensors have an identical resistance / temperature characteristic.
  • the sensor in particular the functional surface of a high-temperature gas sensor, can be set to an exact temperature, which can then be placed anywhere on the
  • the heated surface then has a minimal temperature gradient.
  • the temperature measurement provides more accurate results and the entire high temperature gas sensor works with a higher accuracy.
  • the sensors can also be standardized with each other so that the same temperature can be assigned to different sensors with the same measured heating resistance.
  • Figure 1a shows the top of a high temperature gas sensor according to the prior art.
  • Figure 1 b shows the side view of a high temperature gas sensor according to the
  • Figure 1c the bottom of a high temperature gas sensor with a first heating layer according to the prior art.
  • Figure 2a shows the underside of a high temperature gas sensor with a second
  • FIG. 2b shows the temperature distribution for a high-temperature gas sensor with the heating layer shown in FIG. 2b.
  • Figure 3 shows the circuit for temperature measurement on a
  • FIG. 4a the first heating layer with a meandering heating conductor track and different partial resistances.
  • FIG. 4b shows the diagram of the temperature distribution for a high-temperature gas sensor with one shown in FIG. 4a
  • Heating conductor. 5a shows the second heating layer with a meandering heating conductor track and different partial resistances.
  • Figure 5b shows the diagram of the temperature distribution for one
  • Figure 6 shows the heating layer with a first additional arrangement for
  • Test leads for temperature determination. 7 shows the heating layer with a second additional arrangement for
  • Figure 8 shows the heating layer with a third additional arrangement for
  • Test leads for temperature determination. 9 shows the heating layer with a fourth additional arrangement for
  • Test leads for temperature determination. 10 shows the heating layer with a fifth additional arrangement for measuring lines for temperature determination.
  • FIG. 4a shows a heating layer arrangement with a heating conductor track 6, the course of which forms a meandering band which, beginning at the supply part 2, first modulates on one side parallel to the x-axis and then straight along the sensor tip parallel to the y-axis and then again on the other
  • Modulating side runs parallel to the x-axis back to lead part 2.
  • the heating layer 8 was produced with a platinum thick-layer paste, which was applied to an aluminum oxide substrate by screen printing technology and then baked.
  • the partial heating resistance was varied in the x direction.
  • the partial heating resistance is proportional to the quotient of the path length I and the width of the heating conductor track b in relation to a distance in the x direction.
  • the path length I of the heating conductor 6 is increased from the section
  • Section shortened by the height of the meandering band 1 1 is constantly reduced. It would also be just as effective to reduce the modulation rate, that is, the frequency of the change of direction of the meandering band 1 1, based on a distance in the x direction. What is important is the relation between the path length of the heating conductor track 6 and the proportion of the distance covered in the x direction. This allows the partial heating resistance to be changed per unit length in the x direction. In this way, different amounts of energy can be supplied to the functional layer at different points.
  • the high resistance value per unit length in the x direction is due to the long winding path of the
  • FIG. 4b shows the temperature distribution curve along the x-axis for a high-temperature gas sensor with a heating conductor track shown in FIG. 4a. The temperature along the x-axis is measured across the entire sensor in
  • the temperature in the region L of the functional layer has only a very small temperature fluctuation ⁇ T in the x direction. Compared to the temperature distribution shown in FIG. 2b, the temperature fluctuation ⁇ T is lower by 60 ° C.
  • FIG. 5a shows a heating layer arrangement with a heating conductor track 6, the course of which forms a meandering band which, beginning at the supply part 2, first modulates on one side parallel to the x-axis and then straight along the sensor tip parallel to the y-axis and then again on the other side modulating parallel to the x-axis runs back to lead part 2.
  • the heating layer 8 was produced with a platinum thick-layer paste, which was applied to an aluminum oxide substrate by screen printing technology and then baked.
  • the partial heating resistance was varied in the x direction.
  • the partial heating resistance is proportional to the quotient of the path length I and the width of the heating conductor track b in relation to a distance in the x direction.
  • Embodiment shortens the path length I of the heating conductor track 6 from section to section by varying both the height A of the meandering band 11 and the modulation rate, i.e. the frequency of the change of direction of the meandering band 11 in the x direction and the width b of the heating conductor line, so that the partial heating resistance drops towards the sensor tip.
  • the path length of the heating conductor track 6 is important. This allows the partial heating resistance to be changed per unit length in the x direction. In this way, different amounts of energy can be supplied to the functional layer at different points.
  • the width b of the heating conductor path is also important. The shorter the path length of the heating conductor track and the greater its width in a partial section, the lower the partial heating resistance of the heating conductor track area and the less the heating in this area.
  • the heating conductor track has different widths b. At the two sections that run along the x-axis, the is
  • the meandering heating conductor track which is arranged between the end of the functional layer 4 lying above it and the supply part 2, is used to compensate and counter-heat flow to the sensor connection side 9.
  • most of the heating power i.e. the largest part of the path length of the heating conductor, is required.
  • the required resistance values can also be achieved by changing other parameters. You don't have to run exactly parallel either.
  • FIG. 5b shows a diagram of the temperature distribution for a high-temperature gas sensor with a heating conductor track shown in FIG. 5a. The temperature along the x-axis is recorded across the entire sensor depending on the distance to the sensor tip. It can be seen that the temperature fluctuation ⁇ T in the length L region of the functional layer was further reduced compared to FIG. 4b.
  • the characteristic variables, the width b of the heating conductor track and the path length I of the heating conductor track are varied in order to obtain a homogeneous temperature distribution.
  • These characteristic quantities can be varied individually as well as in all possible combinations during the course of the heating conductor.
  • the path length can be varied both by the height A of the meander belt 11 and by the modulation rate, that is to say the frequency of the change of direction in the x-direction of the meander belt 11.
  • FIG. 6 shows a heating layer with a first additional arrangement for measuring lines for temperature determination. Here are parallel to the broad
  • Lead parts 2 of the heating layer two further tracks 12, which serve as voltage taps, attached. They are led from the two ends of the heating conductor track 6 to the sensor connection side 9.
  • the lead resistance that is to say the voltage drop across the lead parts 2 over the distance Z, is compensated for, the proportion of the resistance in
  • Area G which is used for counter heating, is also measured. Since, as described in the previous exemplary embodiments, however, the greatest temperature gradient lies in the region G, and since the greatest proportion of the total path length of the heating conductor 6 is present at G, the resistance is composed of the resistance components of the heating conductor of the sections G and L , Only the resistance component at L is measured at a constant temperature in the range of L. If the temperature gradient at G is the same under all conditions, the measurement result can be evaluated exactly. In the case of strongly fluctuating ambient temperatures, as is the case, for example, in an application in the exhaust gas of an automobile, the temperature gradient changes in the region of G. Then it makes sense to arrange the measuring lines as described in FIG. 7.
  • the voltage is tapped in an area where the temperature is constant. That is, the measuring conductor tracks 12 can be attached anywhere on the heating conductor track 6 anywhere in the region of L at any point.
  • the temperature can be measured by measuring the resistance and thus also regulated.
  • two asymmetrical measuring conductors 12 are attached for temperature determination.
  • the voltage is also tapped in an area where the temperature is constant. That is, they can be asymmetrically attached anywhere on the heating conductor 6 anywhere in the region of L at any point.
  • the temperature can be measured by measuring the resistance and thus also regulated.
  • FIG. 10 shows a heating layer with a variable arrangement for measuring conductor tracks 12 for temperature determination.
  • the individual voltage taps can be cut or trimmed using a laser process so that only one connection remains that offers exactly the desired resistance value. In this way, production spreads e.g. the
  • Layer thickness or the specific resistance of the heating conductor material can be compensated in order to obtain a constant relationship between the measured resistance value and temperature for all sensors.
  • the total resistance of the heating conductor 6 also remains unchanged. Sensors constructed in this way then all have a uniform resistance
  • measuring conductor tracks can be constructed not only in four-wire technology as shown, but also analogously in three-wire technology, as already described in FIG. 3.

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Abstract

Bei bekannten Hochtemperaturgassensoren kann die Betriebstemperatur an der Funktionsschicht des Sensors weder genau eingestellt oder gemessen noch exakt geregelt werden. Die neue Anordnung soll es ermöglichen, in der Funktionsschicht des Sensors die Arbeitstemperatur flächendeckend exakt einzustellen. Zur Einstellung einer exakten Arbeitstemperatur über die ganze Funktionsschicht hinweg, wird die Heizleiterbahn, die unter der Funktionsschicht angeordnet ist, so aufgebaut, dass sie unterschiedliche partielle Heizwiderstände in den verschidenen Bereichen aufweist, indem die Pfadlänge und/oder die Breite der Heizleiterbahn von Teilabschnitt zu Teilabschnitt variiert werden. Derartige Anordnungen werden vor allem für Hochtemperaturgassensoren benötigt, die im Abgas eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden.

Description

Anordnung einer Heizschicht für einen Hochtemperaturgassensor
Die Erfindung betrifft eine Anordnung einer Heizschicht für einen Hochtemperaturgassensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Sensoren, die im Abgas eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden, müssen nicht nur hochtemperaturstabil sein, sondern sie müssen üblicherweise auch auf eine bestimmte Betriebstemperatur eingeregelt werden, da sowohl die Temperatur 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 verschiedenen Herstellern aufgebaut werden, bestehen aus einem Aufbau, wie er in Figur 1 a, 1 b und 1 c in verschiedenen Perspektiven dargestellt ist. Figur 1a zeigt hierbei als Draufsicht die Oberseite des Sensors, Figur 1 b zeigt an der mit einer gestrichelten Linie markierten Schnittstelle den Sensor in Seitenansicht und Figur 1c zeigt als Draufsicht die Unterseite des Sensors. Zur Orientierung ist ein Koordinatensystem 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 isolierenden Substrat besteht, und auf dessen Unterseite 5, wie in Figur 1 b und 1 c dargestellt, eine Heizschicht 8 aufgebracht ist. Diese Heizschicht 8 weist eine Heizleiterbahn 6 und einen Zuleitungsteil 2 auf. Die Heizleiterbahn 6 befindet sich auf der Sensorunterseite unter der Funktionsschicht 4, welche auf der Sensoroberseite 7 angeordnet ist. Die Funktionsschicht 4 bestimmt die speziellen Eigenschaften des Sensors, wie z.B. die Selektivität auf ein bestimmtes Gas oder Ähnliches. Auf der Sensoroberseite
7 ist dann eine den speziellen Anforderungen angepasste Elektrodenstruktur 3 unter 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 Sensorunterseite befindet, erreicht. Dadurch wird die Funktionsschicht 4 auf eine bestimmte Temperatur, die sogenannte Betriebstemperatur, geregelt.
Eine weitere Funktion des länglich aussehenden Trägers ist es sicherzustellen, dass die Temperatur an der der Sensorspitze 10 abgewandten Seite, der sogenannten Sensoranschlussseite 9, so niedrig ist, dass kunststoffisolierte Kabel als Messleitung bzw. als Leistungszuleitung am Ende des Zuleitungsteils 2 der Heizschicht 8 angebracht werden können.
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 Betriebstemperatur geregelt werden kann.
Im Anwendungsbeispiel ist die Heizleiterbahn 6 als Heizmäander 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 Heizleiterbahn 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 serpentinenförmig angeordnet ist. Der Abstand der Serpentinen untereinander ist immer der gleiche. Diese Form entspricht gleichfalls einem gleichmäßig modulierenden Mäanderband, 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 1 997 und im SAE-Paper 960692 von Ingrisch, K. et al.: "Chemical Sensors for CO/NOx-Detection in Automotive Climate Control Systems" beschrieben.
Auch sind Anordnungen der Heizschicht 8 in Hochtemperaturgassensoren bekannt, bei denen die Heizleiterbahn 6 ein Mäanderband ausbildet, das beginnend am Zuleitungsteil 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 6 wird nicht verändert. Die Länge L des Bereichs, in dem die Heizleiterbahn 6 angeordnet ist, entspricht 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 A θ3-Substrate ein Temperaturgradient entlang der Längsachse x des Sensors ergibt. Dieser Temperaturgradient unterliegt sehr großen Schwankungen. So beträgt er üblicherweise bei einer Solltemperatur von z.B. 600°C ca. 80°C über die Länge L der Funktionsschicht 4, wie sie in Figur 2b dargestellt ist. In Figur 2b wird die
Temperatur an verschiedenen Punkten auf der Sensoroberseite dargestellt. Um die Temperaturverteilung auf der Sensoroberseite homogener zu machen wird in der EP 0477394 vorgeschlagen, die Heizleiterbahnen an der Sensorspitze in Form einer Leiter aufzubauen, wobei das Leitermuster eine Vielzahl parallel geschalteter Einzelleiter enthält, die so angeordnet werden können, dass über der Länge eine homogene Temperaturverteilung eingestellt werden kann. Hierbei kann sowohl die Breite bzw. der Querschnitt der verschiedenen Heizleiterbahnen und der Abstand zwischen zwei Heizleiterbahnen, welche die Sprossen des Leitergebildes darstellen, variieren.
Nachteilig bei dieser Veröffentlichung ist es jedoch, dass durch die Parallelschaltung sich der Widerstand der Heizleiterbahnen soweit erniedrigt, dass es nicht mehr möglich ist, bei gleichem spezifischen Widerstand des Heizleiterbahnwiderstands (i.A. Platin) einen Widerstand im Bereich von einigen Ohm herzustellen, da ansonsten die Schichtdicke der Struktur so dünn werden müsste, dass sie in Dickschichttechnik nicht mehr zu fertigen ist.
In der DE 19523301 wird eine Heizvorrichtung für einen
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 Figur 3 abgebildet. Das bedeutet, dass zusätzlich zu den breiten Zuleitungsteilen der Heizschicht zwei weitere Messleitungen eingebracht werden, an denen der Spannungsabfall über dem Heizwiderstand der Heizleiterbahn abgegriffen wird. Bei dieser Vorrichtung spielt es keine Rolle, wie groß die Widerstände Rz, und RΏ der Zuleitungsteile der Heizschicht sind, weil direkt die Spannung UM am Heizwiderstand R« der Heizleiterbahn abgegriffen wird. Da die Spannung U stromlos gemessen wird, fällt an den beiden Abgriffswiderständen RA, und R« keine Spannung ab. Aus dem gemessenen Strom lo und der Spannung U« kann der Widerstand mit RH = UM / l„ ermittelt werden.
Auch ist als Stand der Technik eine vereinfachte Ausführung davon bekannt, 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 U. messen und erhält dann: R« = (2xU'«-Uo)/ Durch diese Dreidrahttechnik werden ein Messleiter und eine Anschlusskontaktierung 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 besonders 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 Temperaturgradient über dem Sensorchip ebenfalls sehr stark verändert und sich somit R« keiner Temperatur der Funktionsschicht zuordnen lässt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Heizleiterbahn/en so anzuordnen, dass an jeder Stelle der Funktionsfläche des Sensors 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 ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Hierbei weist die mäanderförmige Heizleiterbahn in verschiedenen Teilabschnitten bezüglich der x-Achse unterschiedliche partielle Heizwiderstände auf. Die Höhe des partiellen Heizwiderstandes ist abhängig vom Abstand zur
Sensorspitze.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei nimmt der partielle Heizwiderstand in Richtung zur Sensorspitze ab. Dies wird dadurch erreicht, dass die Pfadlänge der Heizleiterbahn und damit des Mäanderbands, 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 variieren. Des weiteren werden zusätzlich zu den Zuleitungen der Heizschicht Messzuleitungen mit aufgebracht, mit denen die exakte Temperatur erfasst werden kann, so dass eine genaue Temperaturregelung ermöglicht wird. Bei einer weiteren 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 eingestellt werden kann, die dann an jedem Ort auf der
Funktionsfläche herrscht. Die beheizte Fläche weist dann einen minimalen Temperaturgradienten auf. Die Temperaturmessung liefert genauere Ergebnisse und der gesamte Hochtemperaturgassensor 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 Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1a die Oberseite eines Hochtemperaturgassensors nach dem Stand der Technik. Figur 1 b die Seitenansicht eines Hochtemperaturgassensors nach dem
Stand der Technik. Figur 1c die Unterseite eines Hochtemperaturgassensors mit einer ersten Heizschicht nach dem Stand der Technik.
Figur 2a die Unterseite eines Hochtemperaturgassensors mit einer zweiten
Heizschicht nach dem Stand der Technik. Figur 2b die Temperaturverteilung für einen Hochtemperaturgassensor mit der in Figur 2b dargestellten Heizschicht. Figur 3 die Schaltung zur Temperaturmessung auf einem
Hochtemperaturgassensor nach dem Stand der Technik. Figur 4a die erste Heizschicht mit einer mäanderförmigen Heizleiterbahn und unterschiedlichen partiellen Widerständen. Figur 4b das Diagramm der Temperaturverteilung für einen Hochtemperaturgassensor mit einer in Figur 4a dargestellten
Heizleiterbahn. Figur 5a die zweite Heizschicht mit einer mäanderförmigen Heizleiterbahn und unterschiedlichen partiellen Widerständen. Figur 5b das Diagramm der Temperaturverteilung für einen
Hochtemperaturgassensor mit einer in Figur 5a dargestellten Heizleiterbahn.
Figur 6 die Heizschicht mit einer ersten zusätzlichen Anordnung für
Messleitungen zur Temperaturbestimmung. Figur 7 die Heizschicht mit einer zweiten zusätzlichen Anordnung für
Messleitungen zur Temperaturbestimmung. Figur 8 die Heizschicht mit einer dritten zusätzlichen Anordnung für
Messleitungen zur Temperaturbestimmung. Figur 9 die Heizschicht mit einer vierten zusätzlichen Anordnung für
Messleitungen zur Temperaturbestimmung. Figur 10 die Heizschicht mit einer fünften zusätzlichen Anordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung.
Figur 4a zeigt eine Heizschichtanordnung mit einer Heizleiterbahn 6, deren Verlauf ein Mäanderband ausbildet, das beginnend am Zuleitungsteil 2 zuerst 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 modulierend parallel zur x-Achse zurück zum Zuleitungsteil 2 verläuft. Hierbei wurde die Heizschicht 8 mit einer Platindickschichtpaste hergestellt, die durch Siebdrucktechnik auf ein Aluminiumoxidsubstrat aufgebracht und anschließend eingebrannt wurde. Für das Erreichen eines homogenen Temperaturprofils wurde der partielle 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 Temperaturen über die ganze Funktionsschicht hinweg, anzupassen, wird bei dem Ausführungsbeispiel die Pfadlänge I der Heizleiterbahn 6 von Teilabschnitt zu
Teilabschnitt verkürzt, indem die Höhe des Mäanderbands 1 1 ständig reduziert wird. Genauso effektiv wäre es auch, die Modulationsrate, also die Häufigkeit des Richtungswechsels des Mäanderbands 1 1 , bezogen auf eine Strecke in x- Richtung, zu verringern. Wichtig ist die Relation zwischen der Pfadlänge der Heizleiterbahn 6 und dem Anteil, der in x-Richtung zurückgelegten Wegstrecke. Dadurch kann der partielle Heizwiderstand, pro Längeneinheit in x-Richtung, verändert werden. So können der Funktionsschicht an verschiedenen Stellen unterschiedliche 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 Heizleiterbahn 6 aufgebracht ist, wesentlich länger ist als die Länge L der darüber liegenden Funktionsschicht. Die mäanderförmig angeordnete Heizleiterbahn 6, die zwischen dem Ende der darüber liegenden Funktionsschicht
4 und dem Zuleitungsteil 2 angeordnet ist, dient dazu, den Wärmefluss zur Sensoranschlussseite 9 zu kompensieren und gegenzuheizen. Um dies zu erreichen, wird die meiste Heizleistung, das heißt der größte Anteil an der Gesamtlänge der Heizleiterbahn benötigt. Der hohe Widerstandswert pro Längeneinheit in x-Richtung wird durch den langen gewundenen Pfad der
Heizleiterbahn erreicht. Welcher Widerstandswert an welcher Stelle benötigt wird, kann entweder berechnet oder durch Versuche ermittelt werden.
Figur 4b zeigt die Temperaturverteilungskurve entlang der x-Achse für einen Hochtemperaturgassensor mit einer in Figur 4a dargestellten 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 Temperatur im Bereich der Länge L der Funktionsschicht nur eine sehr geringe Temperaturschwankung ΔT in x-Richtung aufweist. Gegenüber der in Figur 2b dargestellten Temperaturverteilung ergibt sich eine um 60°C geringere Temperaturschwankung ΔT.
Figur 5a zeigt eine Heizschichtanordnung mit einer Heizleiterbahn 6, deren Verlauf ein Mäanderband ausbildet, das beginnend am Zuleitungsteil 2 zuerst 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 modulierend parallel zur x-Achse zurück zum Zuleitungsteil 2 verläuft.
Hierbei wurde die Heizschicht 8 mit einer Platindickschichtpaste hergestellt, die durch Siebdrucktechnik auf ein Aluminiumoxidsubstrat aufgebracht und anschließend eingebrannt wurde. Für das Erreichen eines homogenen Temperaturprofils wurde der partielle 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 Temperaturen über die ganze Funktionsschicht hinweg, anzupassen, wird bei dem
Ausführungsbeispiel die Pfadlänge I der Heizleiterbahn 6 von Teilabschnitt zu Teilabschnitt verkürzt, indem sowohl die Höhe A des Mäanderbands 1 1 als auch die Modulationsrate also die Häufigkeit des Richtungswechsels des Mäanderbands 1 1 in x-Richtung und die Breite b der Heizleiterbahn variiert wird, so dass der partielle Heizwiderstand zur Sensorspitze hin abfällt.
Wichtig ist die Relation zwischen der Pfadlänge der Heizleiterbahn 6 und dem Anteil, der in x-Richtung zurückgelegten Wegstrecke. Dadurch kann der partielle Heizwiderstand, pro Längeneinheit in x-Richtung, verändert werden. So können der Funktionsschicht an verschiedenen Stellen unterschiedliche Energiemengen zugeführt werden. Auch ist die Breite b der Heizleiterbahπ von Bedeutung. Je kürzer die Pfadlänge der Heizleiterbahn und je größer deren Breite in einem Teilabschnitt desto geringer ist der partielle Heizwiderstand 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
Heizleiterbahnbreite 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 Zuleitungsteil 2 angeordnet ist, dazu, den Wärmefluss zur Sensoranschlussseite 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 notwendig, dass die beiden mäanderförmigen Teilstücke achsensymmetrisch sind. Die benötigten Widerstandswerte können auch durch eine Veränderung anderer Parameter erreicht werden. Sie müssen auch nicht exakt parallel verlaufen. Dies ist aber besonders vorteilhaft, wenn der Temperaturgradient in y-Richtung sehr klein sein soll, weil dann der Kurvenverlauf nicht noch einmal separat ermittelt werden muss. Figur 5b zeigt ein Diagramm der Temperaturverteilung für einen Hochtemperaturgassensor mit einer in Figur 5a dargestellten 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 Funktionsschicht im Vergleich zu Figur 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 sowohl einzeln als auch in allen möglichen Kombinationen, während des Heizleiterbahnverlaufs variiert werden. Dabei kann die Pfadlänge sowohl durch die Höhe A des Mäanderbands 1 1 als auch durch die Modulationsrate, also die Häufigkeit des Richtungswechsels in x-Richtung des Mäanderbands 1 1 variiert werden.
In den weiteren Figuren werden Ausführungen vorgestellt, die es aufgrund der homogenen Temperaturverteilung ermöglichen, die Temperatur auf der Sensoroberfläche genau in dem Bereich, in dem sich die Funktionsschicht befindet, zu bestimmen.
Figur 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 Spannungsabgriffe 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 mitgemessen. Da im Bereich G, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, jedoch der größte Temperaturgradient liegt, und da bei G der größte Anteil an der gesamten Pfadlänge der Heizleiterbahn 6 vorhanden ist, setzt sich der Widerstand aus den Widerstandsanteilen der Heizleiterbahn der Teilstrecken G und L zusammen. Nur der Widerstandsanteil bei L wird bei einer im Bereich von L konstanten Temperatur gemessen. Ist der Temperaturgradient bei G bei allen Bedingungen gleich, so kann das Messergebnis 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 anzuordnen, wie es in Figur 7 beschrieben ist.
In Figur 7 und 8 sind gleichfalls zwei Messleiterbahnen 12 zur
Temperaturbestimmung angebracht. Hier wird die Spannung jedoch in einem Bereich abgegriffen, an dem eine konstante Temperatur herrscht. Das heißt, die Messleiterbahnen 12 können überall an der Heizleiterbahn 6 irgendwo im Bereich von L an einer beliebigen Stelle symmetrisch angebracht werden. Hier kann gleichfalls durch die Messung des Widerstands die Temperatur gemessen und damit auch geregelt werden.
In Figur 9 sind zwei asymmetrische Messleiterbahnen 12 zur Temperaturbestimmung angebracht. Hier wird die Spannung auch in einem Bereich abgegriffen, an dem eine konstante Temperatur herrscht. Das heißt, sie können überall an der Heizleiterbahn 6 irgendwo im Bereich von L an einer beliebigen Stelle asymmetrisch angebracht werden. Hier kann gleichfalls durch die Messung des Widerstands die Temperatur gemessen und damit auch geregelt werden.
Figur 10 zeigt eine Heizschicht mit einer variablen Anordnung für Messleiterbahnen 12 zur Temperaturbestimmung. Hierbei werden die
Spannungsabgriffe an verschiedenen Stellen 13 innerhalb der Strecke L angebracht. Im weiteren Produktionsprozess können die einzelnen Spannungsabgriffe mittels Laserverfahren so durchtrennt bzw. getrimmt werden, dass nur noch eine Verbindung übrig bleibt, die genau den gewünschten Widerstandswert bietet. Auf diese Weise können Produktionsstreuungen z.B. der
Schichtdicke oder des spezifischen Widerstands des Heizleiterbahnwerkstoffs kompensiert werden, um dadurch eine für alle Sensoren gleichbleibende Beziehung zwischen gemessenem Widerstandswert und Temperatur zu erhalten. Hierbei bleibt auch der Gesamtwiderstand der Heizleiterbahn 6 unverändert. Derartig aufgebaute Sensoren weisen dann alle eine einheitliche Widerstands-
Temperatur-Kennlinie auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen Aufbauten, bei denen an der Sensoranschlussseite durch Variation des Gesamtwiderstands aufwendig getrimmt wird, findet hier die Trimmung durch Variation des Spannungsabgriffs auf der Hochtemperaturseite statt.
Naheliegend bei allen Anwendungen ist es, dass die Messleiterbahnen nicht nur wie abgebildet in Vierdrahttechnik, sondern auch analog in Dreidrahttechnik, wie bereits in Figur 3 beschrieben, aufgebaut werden können.

Claims

Patentansprüche
1 ) Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor, wobei - die Heizschicht (8) aus einer Heizleiterbahn (6) besteht und die Heizleiterbahn (6) mäanderförmig zwischen einem Zuleitungsteil (2) und der Sensorspitze (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterbahn (6) zwischen dem Zuleitungsteil (2) und der Sensorspitze (10) 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.
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