Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperatursensor, insbesondere

Hochtemperatursensor aufweisend ein Substrat, zumindest eine Widerstandsstruktur und zumindest zwei Anschlusskontakte, wobei die Anschlusskontakte die Wderstandsstruktur elektrisch kontaktieren.

Derartige Temperatursensoren werden in der Automobilbranche zur Messung der Abgastemperatur und/oder Verbrennungstemperatur von Motorgasen verwendet. Die Messung soll häufig möglichst dicht am Motor erfolgen. Daher müssen solche Sensoren die hohen Temperaturen der Verbrennungsgase aushalten. Temperatursensoren mit einer ebenen Wderstandsstruktur sind beispielsweise aus der DE 197 42 696 A1 bekannt.

Es wurden im Stand der Technik einige Vorschläge gemacht, wie solche hochtemperaturstabilen Temperatursensoren aufgebaut werden können. So wurde mit der DE 10 2007 046 900 B4 ein Sensor mit einem selbstragenden Deckel als Schutz für eine Platin- Wderstandsstruktur vorgeschlagen. Aus der DE 10 2009 007 940 B4 ist ein weiterer Hochtemperatursensor bekannt, bei dem das Substrat Zirkoniumoxid enthält. Um einer Vergiftung mit Ionen vorzubeugen, die für die Platin-Schichtwiderstandsstruktur schädlich sind, wird mit der DE 10 2011 051 845 B4 vorgeschlagen, zusätzlich Opferelektroden auf das Substrat aufzutragen.

Ein Temperatursensor, der auch bei häufigen Temperaturwechseln funktionieren soll ist aus der DE 10 2012 110 210 B4 bekannt. Allerdings beginnt der beschriebene Temperartursensor bei hohen Temperaturen, nach längerer Exposition in korrosiven Gasen, insbesondere im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, zu driften. Im Falle des in DE 10 2012 110 210 B4 beschriebenen Temperatursensors kann die beobachtete Abweichung auf die Diffusion von Fremdatomen, wie zum Beispiel Chrom, Nickel, Eisen und Silizium, aus dem Abgasstrom in die Wderstandsstruktur zurückgeführt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere soll ein Temperatursensor zur Verfügung gestellt werden mit einer geringen Sensordrift. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Temperatursensor, insbesondere Hochtemperatursensor, aufweisend ein beschichtetes Substrat, wobei das Substrat ein Zirkoniumoxid oder eine Zirkoniumoxidkeramik beinhaltet, zumindest eine Widerstandsstruktur und zumindest zwei Anschlusskontakte, wobei die Anschlusskontakte die Wderstandsstruktur elektrisch kontaktieren, wobei das Substrat mit einer Isolationsschicht beschichtet ist, wobei die Isolationsschicht eine Metalloxidschicht beinhaltet, die Wderstandsstruktur und die freien Bereiche der Isolationsschicht, auf denen keine Wderstandsstruktur angeordnet ist, zumindest bereichsweise mit einer keramischen Zwischenschicht beschichtet sind und auf der keramischen Zwischenschicht eine Schutzschicht und/oder ein Deckel angeordnet ist, wobei in der Isolationsschicht mindestens eine Öffnung ausgebildet ist, die zumindest abschnittsweise eine Oberfläche des Substrats freilegt.

Erfindungsgemäß beinhaltet das Substrat ein Zirkoniumoxid oder eine Zirkoniumoxidkeramik. In Beispielen der Erfindung kann das Substrat auch aus einem Zirkoniumoxid oder einer Zirkoniumoxidkeramik bestehen oder im Wesentlichen bestehen. Auch kann in Beispielen der Erfindung die Isolationsschicht aus einer Metalloxidschicht bestehen oder im Wesentlichen bestehen. In einem Beispiel besteht das Substrat aus einem Zirkoniumoxid oder einer Zirkoniumoxidkeramik und die Isolationsschicht aus einer Metalloxidschicht.

Unter dem Begriff „Öffnung“ kann eine Materialaussparung in der Isolationsschicht oder am Rand der Isolationsschicht verstanden werden. Die Materialaussparung kann beispielsweise rund, oval, rechteckig, grabenförmig oder schlitzförmig ausgestaltet sein. Unter dem Begriff „Schicht“ kann eine ebene Schicht oder eine im Wesentlichen ebene Schicht verstanden, wobei mehrere Schichten übereinander angeordnet sein können.

Vorteilhaft wird durch das Ausbilden mindestens einer Öffnung in der Isolationsschicht, die zumindest abschnittsweise eine Oberfläche des Substrats freilegt, die Stabilität des Hochtemperatursensors gesteigert. In Beispielen der Erfindung sind in der Isolationsschicht eine Vielzahl von Öffnungen ausgebildet.

In den aus dem Stand der Technik bekannten Temperatursensoren kann die Isolationsschicht einen Kanal für das Eindringen von Fremdatomen bilden. Als Grund dafür kann die Porosität des Metalloxids in der Isolationsschicht gesehen werden. Die poröse Struktur fördert die Diffusion von Fremdatomen. Wenn die Fremdatome die Wderstandsstruktur, beispielsweise eine Platindünnschichtstruktur, erreichen legieren diese mit dem Platin und verändern den elektrischen Widerstand der Platindünnschichtstruktur. Dieser Effekt wird durch das Einbringen zumindest einer Öffnung minimiert, bzw. abgestellt.

Die Öffnung oder Öffnungen in der Isolationsschicht, die zumindest abschnittsweise eine Oberfläche des Substrats freilegt, bildet einen Bereich, der kein Metalloxidmaterial aufweist und teilt, abhängig von der Ausgestaltung der Öffnung oder Öffnungen, die Isolationsschicht in einzelne voneinander getrennte Segmente auf. Die Öffnungen können derart ausgestaltet sein, dass mindestens ein zentrales Segment in der Isolationsschicht geschaffen wird, das vorzugsweise in der Mitte des Substrats angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Öffnungen zusammenhängend und umrahmen das zentrale Segment. Das zentrale Segment kann Kanten aufweisen, wobei die Kanten des zentralen Segments mit den Kanten des Substrats keinen gemeinsamen Abschluss aufweisen. Die Wderstandsstruktur und die darauf aufgebrachte keramische Zwischenschicht zur Passivierung können sich vollständig auf dem zentralen Element befinden. Sowohl das zentrale Segment mit der Wderstandsstruktur und der keramischen Zwischenschicht als auch die umrahmende Öffnung können mit einer Schutzschicht aus beispielsweise einer Glaskeramik-Schutzschicht überdeckt sein. In Beispielen der Erfindung kann die Öffnung/Öffnungen mit dem Material der Schutzschicht gefüllt sein. Die mit dem Material der Schutzschicht gefüllte Öffnung bildet eine Diffusionsbarriere für Fremdatomen von den Kanten der Isolationsschicht in das zentrale Segment.

In einem Beispiel ist die Öffnung und/oder Öffnungen schlitzförmig ausgebildet, wobei die Schlitzbreite vorzugsweise zwischen 5 pm und 1 mm, bevorzugt zwischen 10 pm und 300 pm, besonders bevorzugt zwischen 20 pm und 100 pm beträgt.

Die Längserstreckung der schlitzförmigen Öffnung kann parallel und/oder senkrecht zur Längserstreckung des Substrats ausgebildet sein, und/oder die Längserstreckung einer Vielzahl von schlitzförmigen Öffnungen können parallel zueinander ausgebildet sein.

In einem Beispiel legt die Öffnung und/oder Öffnungen zumindest eine Seitenfläche des Substrats frei. Unter dem Begriff„Seitenfläche“ kann in diesem Zusammenhang ein Bereich an der Seite oder am Rand einer ebenen Oberfläche des Substrats verstanden werden.

In einem Beispiel umgibt die Öffnung und/oder Öffnungen die Widerstandsstruktur vollständig. In noch einem Beispiel umrahmt die Öffnung und/oder eine weitere Öffnung der Öffnungen zumindest teilweise einen der beiden Anschlusskontakte der Widerstandsstruktur.

In einem Beispiel ist die Öffnung und/oder Öffnungen mit einem Material der Schutzschicht gefüllt.

In einem weiteren Beispiel ist das Zirkoniumoxid oder das Zirkoniumoxid in der Zirkoniumoxidkeramik mit Oxiden eines dreiwertigen und eines fünfwertigen Metalls stabilisiert, und/oder zumindest an einem Anschlusskontakt ist zumindest eine Elektrode neben der Wderstandsstruktur auf der Isolationsschicht angeordnet, wobei die Elektrode oder die Elektroden einteilig mit der Wderstandsstruktur ausgebildet ist oder sind.

Die Stabilisierung des Zirkoniumoxids oder des Zirkoniumoxids in der Zirkoniumoxidkeramik kann als eine strukturelle Stabilisierung verstanden werden, bei der eine bestimmte Kristallstruktur stabilisiert wird. Als Oxide eines dreiwertigen Metalls wird besonders bevorzugt Yttriumoxid verwendet. Als Oxide eines fünfwertigen Metalls werden besonders bevorzugt Tantaloxid und/oder Nioboxid verwendet. Geeignete Mischungen sind beispielsweise aus der EP 0 115 148 B1 bekannt.

Durch die Stabilisierung der Kristallstruktur mit drei- und fünfwertigen Metalloxiden kann die thermische Expansion des Substrats an die thermische Expansion der Zwischenschicht und der Edelmetalle der Widerstandstruktur angepasst werden. Dadurch kann eine thermisch induzierte Spannung in der Wderstandsstruktur vermieden beziehungsweise verringert werden.

In einem Beispiel ist die Isolationsschicht eine Aluminiumoxidschicht.

In einem weiteren Beispiel weist die keramische Zwischenschicht eine Dicke zwischen 1 pm und 50 pm auf, bevorzugt eine Dicke zwischen 4 pm und 10 pm.

Diese Dicken sind so gewählt, um eine Deckschicht und gegebenenfalls auch einen Deckel auf der Zwischenschicht anzuordnen, ohne dass es, aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zu einem Abplatzen der Zwischenschicht, der Deckschicht oder des Deckels kommt. In noch einem Beispiel beinhaltet die Schutzschicht ein Glas oder eine Glaskeramik und/oder der Deckel ist ein keramisches Plättchen.

Das Glas kann dabei insbesondere auch zur Befestigung des Deckels verwendet werden.

In einem Beispiel beinhaltet die Widerstandsstruktur ein Platinmaterial oder eine Platinlegierung, insbesondere einer Platinbasislegierung.

Platin oder Platinlegierungen sind zur Herstellung von Hochtemperatursensoren besonders gut geeignet.

Weiterhin schlägt die Erfindung eine Verwendung eines Temperatursensors in einem Abgassystem zur Steuerung und/oder Regelung eines Motors, insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors vor.

Auch schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors vor, insbesondere eines Hochtemperatursensors, aufweisend:

Bereitstellen und Beschichten eines Substrats, wobei das Substrat ein Zirkoniumoxid oder eine Zirkoniumoxidkeramik beinhaltet, mit einer Isolationsschicht und Ausbilden mindestens einer Öffnung in der Isolationsschicht, die zumindest abschnittsweise eine Oberfläche des Substrats freilegt, wobei die Isolationsschicht eine Metalloxidschicht beinhaltet;

Anordnen einer Wderstandsstruktur und zumindest zwei Anschlusskontakte auf der Isolationsschicht, wobei die Anschlusskontakte die Widerstandsstruktur elektrisch kontaktieren; Beschichten der Wderstandsstruktur und die freien Bereiche der Isolationsschicht, auf denen keine Wderstandsstruktur angeordnet ist, zumindest bereichsweise mit einer keramischen Zwischenschicht; und

Anordnen einer Schutzschicht und/oder eines Deckels auf der keramischen Zwischenschicht.

In einem Beispiel umfasst das Ausbilden der mindestens einen Öffnung in der Isolationsschicht den Schritt:

Photolithographisches Ausbilden der Öffnung und/oder Ausbilden der Öffnung durch Laserablation.

Das Bereitstellen des Substrats kann das Bereitstellen eines Substrats aus Zirkoniumoxid, stabilisiert mit Yttriumoxid und Tantaloxid umfassen. Das Substrat kann eine Dicke von 380 pm haben und eine Fläche von 50 x 50 mm ² . Die Isolationsschicht kann eine Aluminiumoxidschicht sein und mit einem Physical Vapor Deposition, PVD, Verfahren auf dem Substrat aufgebracht werden. Die Schicht kann porös sein und eine Dicke von 2,4 pm haben.

Zur Herstellung der Widerstandsstruktur kann eine Platindünnschicht mit einem Temperaturkoeffizienten von 3850 ppm/K mittels eines PVD Verfahrens zunächst ganzflächig auf der Isolationsschicht aufgebracht werden. Die Wderstandsstruktur und die Anschlusskontakte können dann mittels eines photolithographischen Verfahrens hergestellt werden.

Danach kann beispielsweise die Zwischenschicht aus Aluminiumoxid mittels Siebdruckes oder mittels Aerosol Deposition Method, ADM, Sputtern oder PVD mit einer Dicke von 8 pm aufgebracht werden. Hierbei kann die Zwischenschicht die Platin Struktur und die an die Platin Struktur angrenzenden Bereiche der Isolationsschicht bedecken. Die Kontakte und die Randbereiche des Substrats können frei bleiben und werden von der Zwischenschicht nicht bedeckt. Die Öffnung in der Isolationsschicht kann dann um die gesamte Wderstandsstruktur und um die Anschlusskontakte als ein zusammenhängender Graben oder Schlitz in die Isolationsschicht mittels eines Lasers eingefräst werden. Beispielsweise kann die Breite der Öffnung ca. 100 pm betragen. Bei einer derartigen Laserablation der Isolationsschicht kann auch das Substrat an seiner Oberfläche geringfügig mitabgetragen werden, um hierdurch einen vollständigen Abtrag der Isolationsschicht zu gewährleisten. Weitere Öffnungen können zum Beispiel um die Anschlusskontakte eingebracht werden.

Nach dem Ausbilden der Öffnung oder Öffnungen kann eine Schutzschicht aus einer Glasfritte mit Siebdruck auf die gesamte Oberfläche aufgebracht und eingebrannt werden. Die Schutzschicht kann die Zwischenschicht und die Isolationsschicht überdecken und die Öffnung oder Öffnungen in der Isolationsschicht füllen. Die Anschlusskontakte können von dem Material der Schutzschicht frei bleiben.

Danach kann der Deckel, beispielsweise ein Hardcover aus Zirkoniumoxid, das mit Yttriumoxid und Tantaloxid stabilisiert sein kann mit einer Dicke von 250 pm auf der Schutzschicht angeordnet werden.

Abschließend können die entstandenen Temperatursensoren aus dem Nutzen vereinzelt werden und Anschlussdrähte mit den Anschlusskontakten verbunden werden. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen erläutert sind.

Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Explosionsdarstellung eines aus dem Stand der

Technik bekannten Temperatursensors;

Figur 2a eine schematische Draufsicht auf eine Isolationsschicht mit einer darauf angeordneten Widerstandsstruktur eines aus dem Stand der Technik bekannten Temperatursensors;

Figuren 2b - 2d schematische Draufsichten auf Isolationsschichten mit Öffnungen und darauf angeordneten Widerstandsstrukturen gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und

Figur 3a und 3b schematische Schnittansichten durch ein Substrat mit einer darauf angeordneter Isolationsschicht mit Öffnungen, einer Widerstandsstruktur, einer Zwischenschicht und einer Schutzschicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Temperatursensors. Eine mäanderförmige schichtförmige Widerstandsstruktur 11 ist mit zwei Anschlusskontakten 12, 13 elektrisch verbunden. Die Widerstandsstruktur 11 wird auf etwas mehr als zwei Seiten von zwei Elektroden 14, 15 umrahmt.

Ein Substrat 16 aus einem stabilisiertem Zirkoniumoxid oder einer Zirkonoxidkeramik, ist mit einer Isolationsschicht 17 aus Metalloxid beschichtet, durch die sichergestellt wird, dass die Widerstandsstruktur 11 durch das bei hohen Temperaturen leitfähige Zirkoniumoxid nicht kurzgeschlossen wird und dass eine schädliche Wechselwirkung zwischen dem Zirkoniumoxid und der Widerstandsstruktur 11 unterbunden wird.

Die Widerstandsstruktur 11 ist auf ihrer dem Substrat 16 abgewandten Seite mit einer Zwischenschicht 18, als Diffusionssperre versehen, welche ihrerseits mit einer Schutzschicht 19 zur Passivierung, die aus Glas oder einer Glaskeramik bestehen kann und mit einem Deckel 20 abgedeckt ist. Gemäß Figur 1 wird auf der Schutzschicht 19 ein Keramikplättchen als Deckel 20 aufgebracht. Das Keramikplättchen stellt eine zusätzliche Passivierung dar und wirkt als mechanischer "Schutzschild" gegen Abrasion durch Teilchen in dem Gehäuse, in dem der eigentliche Temperatursensor gefügt ist.

In dem in Figur 1 gezeigten Temperatursensor sind die Anschlusskontakte 12, 13 des Temperatursensors mit Anschlussdrähten 21 und 22 über Anschlusspads 23 und 24 mit einer Fixierung 25, bestehend aus einem elektrisch isolierenden Fixiertropfen, zugentlastet. Diese Fixierung 25 besteht aus hochreinem Glas oder Glaskeramik.

Ergänzend zur eingangs erwähnten Ausführungsform der Zwischensicht 18 als Diffusionsbarriere sei angemerkt, dass diese entweder im Dünnschichtverfahren mit einer Dicke im Bereich von 0,2 bis 10 pm, vorzugsweise 5 pm, oder im Dickschichtverfahren mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 50 pm, vorzugsweise 15 pm aufgebracht wird.

Die Dicke der Anschlusspads 23, 24 an der Widerstandsstruktur 11 liegt im Bereich von 10 bis 50 pm, vorzugsweise bei 20 pm. Das Substrat 16 als Träger weist eine Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, vorzugsweise bei 0,4 mm, besonders bevorzugt 0,38 mm auf.

Die Anschlusskontakte 12, 13 sind jeweils auf einer Seite angeordnet. Es ist darüber hinaus jedoch auch möglich, beide Anschlusskontakte 12, 13 jeweils auf sich gegenüber liegenden Seiten anzuordnen.

Figur 2a zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Isolationsschicht 17 mit einer darauf angeordneten Wderstandsstruktur 11 eines aus dem Stand der Technik bekannten Temperatursensors. Die in Figur 2a gezeigte Isolationsschicht 17 und Wderstandsstruktur 11 können beispielsweise in dem in Figur 1 gezeigten Temperatursensor verwendet werden. Die gezeigte Isolationsschicht 17 weist keine Öffnungen auf.

Die Figuren 2b bis 2d zeigen schematische Draufsichten auf Isolationsschichten 17 mit Öffnungen 30, 30a-d und darauf angeordneten Wderstandsstrukturen 11 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. Bei der in Figur 2b gezeigten Ausführungsform ist in der Isolationsschicht 17 eine Öffnung 30 ausgebildet, die eine Oberfläche des Substrats freilegt. Die Öffnung 30 kann derart ausgestaltet sein, dass ein zentrales Segment in der Isolationsschicht 17 geschaffen wird, das in der Mitte des Substrats angeordnet ist. Das zentrale Segment weist Kanten auf, wobei die Kanten des zentralen Segments mit den Kanten des Substrats keinen gemeinsamen Abschluss aufweisen. In der gezeigten Ausführungsform ist die Öffnung 30 als umlaufende Öffnung in dem Material der Isolationsschicht 17 dargestellt, die eine Oberfläche des Substrats freilegt. Die Kanten des Substrats und die an die Kanten angrenzenden Bereiche der Substratoberfläche sind von der Isolationsschicht nicht bedeckt. Hierbei kann die Isolationsschicht 17 zunächst vollständig auf der Oberfläche des Substrats aufgebracht werden und anschließend in einem umlaufenden Randbereich wieder entfernt werden.

In der in Figur 2c gezeigten Ausführungsform ist die Öffnung 30 in der Isolationsschicht 17 schlitzförmig ausgestaltet und umgibt die Widerstandsstruktur 11 und die Anschlusskontakte 12, 13 vollständig. Die Schlitzbreite kann beispielsweise in einem Bereich von 10 pm bis 1 mm liegen.

In Figur 2d ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der mehrere schlitzförmige Öffnungen 30, 30a-d in dem Material der Isolationsschicht 17 eingebracht sind und mehrere Segmente in der Isolationsschicht 17 ausbilden. In der gezeigten Ausführungsform umgeben einzelne schlitzförmige Öffnungen 30, 30a-d die Anschlusskontakte 12, 13 und die Wderstandsstruktur 1 1.

Die Figuren 3a und 3b zeigen schematische Schnittansichten durch ein Substrat 16 mit einer darauf angeordneter Isolationsschicht 17 mit Öffnungen 30, einer Wderstandsstruktur 11 , einer Zwischenschicht 18 und einer Schutzschicht 19 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In der gezeigten Ausführungsform füllt das Material der Schutzschicht 19 die Öffnungen 17 vollständig. Die mit dem Material der Schutzschicht 19 gefüllten Öffnungen 17 bilden eine Diffusionsbarriere für Fremdatomen von den Kanten der Isolationsschicht 17 in das zentrale Segment. Im Bereich der Anschlusskontakte 12, 13 befindet sich keine Schutzschicht 19, wie es in Figur 3b gezeigt ist. In Figur 3b werden auch die Öffnungen 30b und 30c gezeigt, die die Anschlusskontakte 12, 13 teilweise einschließen und die Öffnung 30d, die zwischen den Anschlusskontakten 12, 13 angeordnet ist. Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 1 Widerstandsstruktur

12, 13 Anschlusskontakt

14, 15 Elektrode

16 Substrat

17 Isolationsschicht

18 Zwischenschicht

19 Schutzschicht

20 Deckel

21 , 22 Anschlussdraht

23, 24 Anschlusspad

25 Fixierung

30, 30a-d Öffnung