Temperaturfühler und Verfahren zur Herstellung eines

Temperaturfühlers

Die Messung von Temperaturen für die Überwachung und Regelung in unterschiedlichsten Anwendungen erfolgt beispielsweise mit keramischen Heißleiter-Thermistorelementen (NTC thermistor, „negative temperature coefficient thermistor") , Silizium- Temperatursensoren (zum Beispiel sogenannten KTY-

Temperatursensoren) , Platin-Temperatursensoren (PRTD, „platinum resistance temperature detector") oder

Thermoelementen (TC, „Thermocouple" ) . Für eine ausreichende mechanische Stabilität, zum Schutz gegen äußere Einflüsse sowie zur Vermeidung von Korrosion durch aggressive Medien und zur Vermeidung von temperaturbedingten

Materialveränderungen durch die Gasatmosphäre in einem NTC- Material beziehungsweise in einer Elektrode sind keramische Sensorelemente üblicherweise mit einem Überzug aus einem Polymer oder einem Glas versehen. Die maximalen

Einsatztemperaturen solcher Sensorelemente sind im Fall einer Polymerumhüllung auf zirka 200 °C und im Fall einer

Glasumhüllung auf zirka 500 °C bis 700 °C begrenzt. Die beschriebenen Sensorelemente können jedoch nicht ohne

Weiteres für die Messung von sehr hohen Temperaturen und/oder in besonders aggressiven Medien dauerhaft eingesetzt werden. Um dennoch einen Einsatz in aggressiven Medien vornehmen zu können, werden die Sensorelemente oftmals in ein Kunststoff- oder Edelstahlgehäuse verbaut. Zur Herstellung eines

thermischen Kontakts zum Element werden zusätzlich sehr häufig Vergussmaterialien verwendet. Ein großer Nachteil der so aufgebauten Systeme ist deren verzögerte Ansprechzeit aufgrund der zusätzlichen konstruktionsbedingten Wärmeübergänge und der geringen Wärmeleitung der verwendeten Materialien .

Um eine möglichst geringe Widerstandstoleranz der

Sensorelemente zu erreichen, kann bei deren Herstellung vor einem Umhüllen der Sensorelemente der Widerstand durch eine mechanische Bearbeitung, beispielsweise durch Trimmen, durch Schleifen oder, im Fall von glasumhüllten Sensorelementen, durch Tempern, nachjustiert werden. Eine Nachjustierung des Widerstands bereits umhüllter Sensoren ist jedoch nur

begrenzt möglich.

Es ist eine zu lösende Aufgabe zumindest einiger

Ausführungsformen einen Temperaturfühler anzugeben, der eine hohe Robustheit sowie eine geringe Ansprechzeit aufweist. Eine weitere Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Temperaturfühlers anzugeben .

Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand und ein

Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der

Gegenstände gehen weiterhin aus den abhängigen

Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.

Ein Temperaturfühler gemäß zumindest einer Ausführungsform weist zumindest zwei erste Keramikplättchen, die jeweils eine Aussparung aufweisen, auf. In den Aussparungen ist

vorzugsweise jeweils ein NTC-Sensorelement angeordnet. Die Aussparungen können beispielsweise jeweils eine Kavität sein, die von einer Oberfläche des Keramikplättchen zu einer gegenüberliegenden Oberfläche des Keramikplättchens reichen. Die Aussparungen sind jeweils in lateraler Richtung, also in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungsrichtung der ersten Keramikplättchen, vom Material des jeweiligen ersten Keramikplättchens umschlossen, so dass auch das jeweilige NTC-Sensorelement in lateraler Richtung vom Material des jeweiligen ersten Keramikplättchens umschlossen ist.

Weiterhin weist der Temperaturfühler zumindest ein zweites Keramikplättchen auf, das zwischen den ersten

Keramikplättchen angeordnet ist. Das zweite Keramikplättchen ist vorzugsweise unmittelbar zwischen den zwei ersten

Keramikplättchen angeordnet, das heißt dass keine weiteren Keramikplättchen zwischen dem einen der zwei ersten

Keramikplättchen und dem zweiten Keramikplättchen sowie zwischen dem zweiten Keramikplättchen und dem weiteren der zwei ersten Keramikplättchen angeordnet sind. Zwischen dem zweiten Keramikplättchen und den zwei ersten Keramikplättchen ist jeweils eine Elektrode angeordnet, die jeweils eines der NTC-Sensorelemente elektrisch kontaktieren.

Der Temperaturfühler weist weiterhin zwei dritte

Keramikplättchen auf. Die ersten und das zweite

Keramikplättchen sind zwischen den zwei dritten

Keramikplättchen angeordnet. Vorzugsweise sind dabei keine weiteren Keramikplättchen zwischen den ersten und den dritten Keramikplättchen angeordnet. Die ersten, das zweite und die dritten Keramikplättchen bilden vorzugsweise einen

Schichtenstapel. Zwischen den dritten Keramikplättchen und den ersten Keramikplättchen ist jeweils eine Elektrode angeordnet, die jeweils eines der NTC-Sensorelemente

elektrisch kontaktieren. Die zwischen dem zweiten

Keramikplättchen und den ersten Keramikplättchen sowie die zwischen den ersten und dritten Keramikplättchen angeordneten Elektroden können beispielsweise eines oder mehr Materialien ausgewählt aus Cu, Ag, Au, Pt, Mo und W aufweisen oder daraus bestehen. Weiterhin können die Elektroden eine

Metalllegierung, wie zum Beispiel AgPd, aufweisen oder aus einer Metalllegierung bestehen. Beispielsweise können die Elektroden mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht sein .

Die NTC-Sensorelemente sind vorzugsweise jeweils vollständig von den Keramikplättchen umschlossen. Insbesondere können die NTC-Sensorelemente jeweils mehrere Seitenflächen aufweisen, die jeweils alle von Keramikplättchen umgeben sind. So können die NTC-Sensorelemente innerhalb der Keramikplättchen

eingebettet sein. Des Weiteren sind die ersten, das zweite und die dritten Keramikplättchen und die NTC-Sensorelemente zu einem keramischen Körper versintert. Vorzugsweise sind die ersten, das zweite und die dritten Keramikplättchen sowie die NTC-Sensorelemente in einem gemeinsamen Sinterprozess zu dem keramischen Körper versintert, wobei die Keramikplättchen und die NTC-Sensorelemente vor diesem gemeinsamen Sinterprozess als noch nicht gesinterte Materialien, wie zum Beispiel als noch nicht gesinterte keramische Folien im Fall der

Keramikplättchen oder als noch nicht gesinterte keramische Sensormaterialien im Falle der NTC-Sensorelemente, vorliegen.

Durch die Verwendung von NTC-Sensorelementen können

vorteilhafterweise Herstellkosten des Temperaturfühlers gering gehalten werden. Ein weiterer Vorteil von NTC- Sensorelementen beispielsweise gegenüber Thermoelementen oder metallischen Widerstandselementen, wie zum Beispiel Pt- Elementen, besteht in einer ausgeprägten negativen

Widerstands-Temperatur-Charakteristik . Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der

Temperaturfühler eine Mehrzahl von zumindest drei ersten Keramikplättchen und eine Mehrzahl von zweiten

Keramikplättchen auf. Die zumindest drei ersten

Keramikplättchen weisen jeweils eine Aussparung auf, in denen ein NTC-Sensorelement angeordnet ist. Die ersten und zweiten Keramikplättchen sind abwechselnd übereinander zwischen den dritten Keramikplättchen angeordnet. Dabei ist jedes zweite Keramikplättchen unmittelbar zwischen zwei ersten

Keramikplättchen angeordnet. Weiterhin ist zwischen den ersten und zweiten Keramikplättchen jeweils eine Elektrode zur Kontaktierung des jeweiligen NTC-Sensorelements

angeordnet .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der

Temperaturfühler zumindest zwei vierte Keramikplättchen auf, wobei die ersten, zweiten und dritten Keramikplättchen zwischen den zumindest zwei vierten Keramikplättchen

angeordnet sind. Vorzugsweise sind die zwei vierten

Keramikplättchen jeweils in direktem Kontakt mit den den ersten Keramikplättchen abgewandten Seitenflächen der dritten Keramikplättchen angeordnet. Beispielsweise weisen die vierten Keramikplättchen dieselbe Form und Größe wie die dritten Keramikplättchen auf und sind vollflächig mit den dritten Keramikplättchen verbunden, wobei zwischen den in Berührung stehenden dritten und vierten Keramikplättchen keine weiteren Elemente angeordnet sind. Die vierten

Keramikplättchen sind vorzugsweise gemeinsam mit den

dazwischen angeordneten Keramikplättchen sowie mit den NTC- Sensorelementen zum keramischen Körper versintert. Der

Temperaturfühler kann darüber hinaus weitere vierte

Keramikplättchen aufweisen, wobei die ersten, das zweite oder die zweiten, die dritten und die vierten Keramikplättchen zwischen den weiteren vierten Keramikplättchen angeordnet sind. Die weiteren vierten Keramikplättchen sind vorzugsweise ebenfalls mit den dazwischen angeordneten Keramikplättchen sowie mit den NTC-Sensorelementen gemeinsam versintert.

Mittels der vierten Keramikplättchen kann die Stabilität und Robustheit des Temperaturfühlers erhöht werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die NTC- Sensorelemente eine Perowskitstruktur umfassend die Elemente Y, Ca, Cr, AI, 0 auf. Weiterhin können die NTC-Sensorelemente auf Basis von Perowskiten das Element Sn aufweisen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die NTC- Sensorelemente jeweils ein Keramikmaterial mit einer

Perowskitstruktur der allgemeinen chemischen Formel ABO3 auf. Insbesondere für hochtemperaturstabile Temperaturfühler, die für hohe Anwendungstemperaturen geeignet sein sollen, werden NTC-Sensorelemente mit einem derartigen Keramikmaterial bevorzugt. Besonders bevorzugt weisen die NTC-Sensorelemente die Zusammensetzung (Yi- _x Ca _x ) (Cri_ _y Al _y )03 mit x = 0,03 bis 0,05 und y = 0,85 auf .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die NTC- Sensorelemente eine Spinellstruktur umfassend die Elemente Ni, Co, Mn, 0 auf. Die NTC-Sensorelemente auf Basis von

Spinellen können weiterhin eines oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen: AI, Fe, Cu, Zn, Ca, Zr, Ti, Mg.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die NTC- Sensorelemente jeweils ein Keramikmaterial mit einer

Spinellstruktur der allgemeinen chemischen Formel AB2O4 beziehungsweise B(A,B)04 auf. NTC-Sensorelemente mit einem derartigen Keramikmaterial werden insbesondere bei einem Temperaturfühler mit Anwendungstemperaturen bevorzugt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die NTC- Sensorelemente die Zusammensetzung C03- _(X+ y) i _x Mn _y 0 ₄ mit x = 1,32 und y = 1,32 auf.

Insbesondere können die Sensorelemente alle das gleiche

Material aufweisen, Es ist aber auch denkbar, dass zumindest zwei Sensorelemente unterschiedliche Materialien aufweisen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die

Keramikplättchen eine Keramik mit einer hohen

Wärmeleitfähigkeit auf oder bestehen aus einer Keramik mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise können die Keramikplättchen eine Keramik des Typs „HTCC" (HTCC: „high temperature co-fired ceramic") aufweisen oder daraus

bestehen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Keramikplättchen Aluminiumoxid auf oder bestehen aus Aluminiumoxid. Vorteilhafterweise weist das Aluminiumoxid eine Reinheit von zumindest 95 % bis 99,9 % oder höher auf. Vorteilhafterweise nimmt bei einer höheren Reinheit die

Robustheit bezüglich der mechanischen Festigkeit und

chemischen Beständigkeit des Temperaturfühlers zu.

Insbesondere für den Fall, dass das NTC-Sensorelement eine Keramik mit Perowskitstruktur aufweist, wird bevorzugt, dass die Keramikplättchen eine Keramik des Typs „HTCC",

insbesondere Aluminiumoxid, aufweisen. Weiterhin ist es auch möglich eine Keramik des Typs „HTCC" mit Spinellstruktur zu verwenden .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die

Keramikplättchen eine Glaskeramik auf oder bestehen aus einer Glaskeramik. Beispielsweise können die Keramikplättchen eine LTCC-Glaskeramik (LTCC: „low temperature co-fired ceramic"), wie zum Beispiel LTCC-GBC (GBC: „glass bonded ceramics") aufweisen oder daraus bestehen. Keramikplättchen, die eine Glaskeramik aufweisen, werden insbesondere bei NTC- Sensorelementen mit Spinellstruktur bevorzugt. Vorzugsweise ist die Glaskeramik hinsichtlich ihrer Sintertemperatur an die Sintertemperatur der NTC-Sensorelemente angepasst.

Vorteilhafterweise ist ein hier beschriebener

Temperaturfühler durch die vollkeramische Kapselung der NTC- Sensorelemente auch in aggressiven Medien bei Temperaturen bis zu 1200 °C besonders langzeitstabil .

Weiterhin sind die Ansprechzeiten aufgrund der

vollkeramischen Kapselung und des darin begründeten

Materialverbundes zu den NTC-Sensorelementen sehr gering und können beispielsweise, je nach Anzahl, Dicke und Material der Keramikplättchen, bei unter drei Sekunden, vorteilhafterweise bei unter einer Sekunde liegen. Bei sehr dünnen Dicken der Keramikplättchen und/oder bei einer geringen Anzahl an vierten Keramikplättchen kann die Ansprechzeit des

Temperaturfühlers sogar nur wenige Millisekunden betragen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die

Keramikplättchen eine Dicke zwischen 10 ym und 100 ym auf. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Keramikplättchen eine Dicke zwischen 15 ym und 30 ym auf. Dadurch können vorteilhafterweise besonders geringe

Ansprechzeiten des Temperaturfühlers erzielt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die NTC- Sensorelemente jeweils einen Abstand von mindestens 0,2 mm zu allen Oberflächen des Temperaturfühlers auf. Dadurch kann eine ausreichende Robustheit des Temperaturfühlers erreicht werden .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der

Temperaturfühler zwei auf dem keramischen Körper aufgebrachte Anschlusskappen auf. Die Anschlusskappen sind vorzugsweise jeweils zumindest mit zwei Elektroden elektrisch leitend verbunden. Die Anschlusskappen können beispielsweise an einem Ende des Temperaturfühlers aufgebracht sein und jeweils vier Seiten des Temperaturfühlers teilweise bedecken. Die

Anschlusskappen dienen der externen elektrischen

Kontaktierung des Temperaturfühlers. Beispielsweise können die Anschlusskappen mittels eines Eintauchprozesses in eine Metallisierungspaste, mittels Sputtern, mittels Flammspritzen oder mittels Plasmaspritzen hergestellt sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Widerstand des Temperaturfühlers durch eine mechanische Bearbeitung

zumindest einer der Anschlusskappen einstellbar. Die

mechanische Bearbeitung kann beispielsweise ein Trimm- oder Schleifprozess sein. Für die Einstellung der

Widerstandstoleranz kann beispielsweise bei Nenntemperatur der Widerstand des Temperaturfühlers gemessen und

gleichzeitig oder anschließend zumindest eine der

Anschlusskappen soweit abgeschliffen werden, bis der

Widerstand innerhalb einer gewünschten Toleranz liegt. Dabei werden eine oder mehrere elektrische Verbindungen zu einer oder mehreren Elektroden mechanisch getrennt.

Vorteilhafterweise kann der Temperaturfühler so mit sehr engen Widerstandstoleranzen gefertigt werden. Beispielsweise lassen sich Toleranzen von unter 1 %, vorteilhafterweise bis 0,1 % , erzielen . Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Temperaturfühlers angegeben. Der dadurch herstellbare oder hergestellte Temperaturfühler kann eines oder mehrere

Merkmale der vorgenannten Ausführungsformen aufweisen. Die vorher und im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen gelten gleichermaßen für den Temperaturfühler wie auch für das Verfahren zur Herstellung des Temperaturfühlers.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden zumindest zwei erste keramische Folien, zumindest eine zweite keramische Folie und zumindest zwei dritte keramische Folien

bereitgestellt. Beispielsweise sind die keramischen Folien mittels eines Foliengießprozesses oder mittels eines

Folienziehprozesses , vorzugsweise mit Hilfe von organischen Bindern, hergestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird in den ersten keramischen Folien jeweils eine Aussparung ausgestanzt. Die Aussparungen sind vorzugsweise Kavitäten, die sich jeweils von einer Oberfläche einer ersten

keramischen Folie zu einer gegenüberliegenden Oberfläche derselben ersten keramischen Folie erstrecken.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in einem weiteren Verfahrensschritt auf eine der dritten Keramikfolien eine Elektrode, beispielsweise mittels Siebdruckverfahren, aufgebracht. Anschließend wird eine der zwei ersten

keramischen Folie unmittelbar auf der einen dritten

keramischen Folie angeordnet, wobei die auf der einen dritten keramischen Folie aufgebrachte Elektrode zumindest teilweise in der Aussparung der einen ersten keramischen Folie

angeordnet ist. Danach wird keramisches Sensormaterial in die Aussparung der ersten Folie aufgebracht, sodass das

keramische Sensormaterial zumindest teilweise die Elektrode der einen dritten keramischen Folie bedeckt. Vorzugsweise wird dabei das keramische Sensormaterial mittels Siebdruckverfahren aufgebracht. In einem nachfolgenden

Verfahrensschritt wird eine weitere Elektrode auf der einen ersten keramischen Folie mittels Siebdruckverfahren

aufgebracht, sodass die weitere Elektrode das keramische Sensormaterial berührt. Anschließend wird die zweite

keramische Folie auf die eine erste keramische Folie

aufgebracht .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine Elektrode auf die zweite keramische Folie, vorzugsweise mittels Siebdruckverfahren, aufgebracht. In einem nächsten Verfahrensschritt wird die weitere erste keramische Folie derart auf die zweite keramische Folie aufgebracht, dass die auf der zweiten keramischen Folie aufgebrachte Elektrode innerhalb der Aussparung der weiteren ersten keramischen Folie angeordnet ist. Nachfolgend wird wieder keramisches Sensormaterial in der Aussparung

aufgebracht, sodass das keramische Sensormaterial mit der darunter liegenden Elektrode in Kontakt steht. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die zweite der dritten keramischen Folien auf die erste keramische Folie

aufgebracht. Durch die beschriebenen Verfahrensschritte entsteht ein Verbund aus übereinander gestapelten keramischen Folien und eingebetteten Sensormaterialien. Das Anordnen einer keramischen Folie auf einer anderen keramischen Folie kann beispielsweise mittels Laminieren erfolgen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der hergestellte Verbund aus übereinander gestapelten keramischen Folien und eingebetteten Sensormaterialien verpresst. Dadurch kann vorteilhafterweise ein guter Materialverbund gewährleistet werden . Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Verbund aus übereinander gestapelten keramischen Folien und eingebetteten Sensormaterialien mittels eines thermischen

Entbinderungsprozesses von organischen Anteilen befreit.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Verbund aus keramischen Folien und Sensormaterial gemeinsam gesintert. Dabei werden die keramischen Folien zu den oben beschriebenen miteinander verbundenen Keramikplättchen versintert. Das Sintern erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 1600 °C und 1700 °C, insbesondere wenn die keramischen

Sensormaterialien, die nach dem Sintern die NTC- Sensorelemente bilden, eine Keramik des Typs „HTCC",

beispielsweise mit einer Perowskitstruktur oder einer

Spinellstruktur, aufweisen. Alternativ erfolgt das Sintern bei einer Temperatur zwischen 1200 °C und 1250 °C,

insbesondere wenn das die keramischen Sensormaterialien beziehungsweise die NTC-Sensorelemente eine Keramik des Typs „LTCC", beispielsweise mit einer Spinellstruktur, aufweisen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden nach der

Sinterung zumindest zwei Anschlusskappen auf den keramischen Körper aufgebracht. Dazu wird der keramische Körper in eine Metallisierungspaste getaucht und die aufgebrachte

Metallisierungspaste anschließend eingebrannt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Anschlusskappen mittels Sputtern, mittels Flammspritzen oder mittels Plasmaspritzen aufgebracht. Jede der Anschlusskappen kontaktiert

vorzugsweise zumindest zwei Elektroden. Mittels der zwei Anschlusskappen werden die NTC-Sensorelemente parallel angeschlossen. Die Anschlusskappen dienen der externen elektrischen Kontaktierung der NTC-Sensorelemente. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden neben den ersten, der zweiten und den dritten keramischen Folien weiterhin zumindest zwei vierte keramische Folien bereitgestellt. In einem Verfahrensschritt, der vor dem Schritt des Anordnens der ersten keramischen Folie auf der einen dritten

keramischen Folie erfolgt, wird die eine dritte keramische Folien unmittelbar auf einer der vierten keramischen Folien angeordnet. Weiterhin wird in einem Verfahrensschritt, der nach dem Schritt des Anordnens der weiteren dritten

keramischen Folie auf der weiteren ersten keramischen Folie erfolgt, die weitere der vierten Folien unmittelbar auf der weiteren dritten Folie angeordnet. Anschließend wird der Verbund aus ersten, zweiten, dritten und vierten keramischen Folien unter Bildung der oben beschriebenen Keramikplättchen miteinander versintert. Die vierten keramischen Folien dienen als Grund- und Deckfolien und stabilisieren

vorteilhafterweise den Temperaturfühler.

Zwischen den dritten keramischen Folien können auch eine Mehrzahl von zumindest drei ersten keramischen Folien und eine Mehrzahl von zumindest zwei zweiten keramischen Folien gemäß der vorherigen Beschreibung abwechselnd aufeinander aufgebracht werden, um zumindest drei Sensorelemente

übereinander anzuordnen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird, vorzugsweise bei Nenntemperatur, der Widerstand des Temperaturfühlers

gemessen. Anschließend kann durch eine mechanische

Bearbeitung zumindest einer der Anschlusskappen der

Widerstand des Temperaturfühlers eingestellt. Die zumindest eine Anschlusskappe kann so lange mechanisch bearbeitet werden, bis der Widerstand des Temperaturfühlers innerhalb eines Toleranzwertes liegt. Die mechanische Bearbeitung der Anschlusskappe kann beispielsweise durch Schleifen oder

Trimmen erfolgen.

Durch die Herstellung des Temperaturfühlers mittels der hier beschriebenen keramischen Mehrlagentechnologie ist

vorteilhafterweise eine sehr kleine Bauform des

Temperaturfühlers mit einer hohen mechanischen Festigkeit herstellbar. Weiterhin wird insbesondere durch eine erzielte stabile Ummantelung der NTC-Sensorelemente eine gute

Langzeitmedienbeständigkeit und Robustheit des

Temperaturfühlers in Verbindung mit einer geringen

Ansprechzeit erreicht. Beispielsweise ist der hier

beschriebene Temperatursensor durch eine vollkeramische

Kapselung der NTC-Sensorelemente bei bis zu ca. 1100 °C auch in besonders aggressiven Medien beziehungsweise Gasen

einsetzbar. Weiterhin lassen sich vorteilhafterweise

Temperaturfühler mit sehr engen Widerstandstoleranzen

herstellen, die sich über die Anschlusskappen einstellen lassen .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Temperaturfühlern hergestellt, indem in den ersten

keramischen Folien jeweils eine Mehrzahl von Aussparungen ausgestanzt wird und nach dem Anordnen der ersten keramischen Folien auf der dritten keramischen Folie jeweils keramisches Sensormaterial in die Mehrzahl an Aussparungen eingebracht wird. Vor dem Sinterprozess und/oder dem Entbinderungsprozess wird der Verbund aus keramischen Folien durch einen

Schneideprozess in einzelne Elemente vereinzelt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des

Temperaturfühlers ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1A bis 6 beschriebenen Ausführungsformen .

Es zeigen:

Figuren 1A bis 1J ein Verfahren zur Herstellung eines

Temperaturfühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Figur 2 einen weiteren Verfahrensschritt für ein Verfahren zur Herstellung eines Temperaturfühlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Figur 3 eine Schnittansicht eines Temperaturfühlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Figur 4 eine schematische Ansicht eines Temperaturfühlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Figur 5 eine schematische Ansicht des Temperaturfühlers aus

Figur 4 in aufgeschnittener Form,

Figur 6 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts des

Temperaturfühlers aus Figur 5 und

Figur 7 ein Ersatzschaltbild eines Temperaturfühlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen

Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente wie zum Beispiel Schichten, Bauteile und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert

dargestellt sein. Die Figuren 1A bis 1J zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Temperaturfühlers 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei werden zunächst zwei erste keramische Folien 15, 16, die jeweils eine Aussparung 110, 120 aufweisen, eine zweite keramische Folie 25 und zwei dritte keramische Folien 35, 36 sowie keramisches Sensormaterial 50 bereitgestellt. Die keramischen Folien 15, 16, 25, 35, 36 weisen Aluminiumoxid auf. Alternativ können die keramischen Folien 15, 16, 25, 35, 36 ein anderes, vorzugsweise gut wärmeleitendes

Keramikmaterial oder eine Glaskeramik aufweisen. Die

keramischen Folien 15, 16, 25, 35, 36 können beispielsweise mittels eines Foliengießprozesses oder mittels eines

Folienziehprozesses hergestellt werden und eine Dicke

zwischen 10 ym und 100 ym, bevorzugt zwischen 15 ym und 30 ym, aufweisen.

Das keramische Sensormaterial 50 weist eine Perowskitstruktur umfassend die Elemente Y, Ca, Cr, AI, 0 auf. Insbesondere weist das keramische Sensormaterial 50 die Zusammensetzung (Yi- _x Ca _x ) (Cri_ _y Al _y ) 0 ₃ mit x = 0,03 bis 0,05 und y = 0,85 auf. Alternativ kann das keramische Sensormaterial 50 eine

Spinellstruktur umfassend die Elemente Ni, Co, Mn, 0

aufweisen. Derartiges keramisches Sensormaterial 50 kann beispielsweise die Zusammensetzung C03- ( _X+y )Ni _x Mn _y 0 ₄ mit x = 1,32 und y = 1,32 aufweisen.

In einem ersten Verfahrensschritt, der in der Figur 1A dargestellt ist, wird eine Elektrode 311 mittels

Siebdruckverfahren auf eine der dritten keramischen Folien 35 aufgebracht. Danach wird eine der ersten keramischen Folien 15 in einem in Figur 1B gezeigten Verfahrensschritt derart auf die eine dritte keramische Folie 35 aufgebracht, dass die Elektrode 311 zumindest teilweise innerhalb der Aussparung 110 der einen ersten keramischen Folie 15 angeordnet ist. In einem weiteren Verfahrensschritt, der in Figur IC dargestellt ist, wird keramisches Sensormaterial 50 in die Aussparung 110 eingebracht, sodass das keramische Sensormaterial 50 die Elektrode 311 berührt. Anschließend wird in einem in der Figur 1D gezeigten Verfahrensschritt wiederum eine Elektrode

211 mittels Siebdruckverfahren auf die eine erste keramische Folie 15 aufgebracht, sodass die Elektrode 211 das keramische Sensormaterial 50 berührt. Anschließend wird im

Verfahrensschritt gemäß Figur IE die zweite keramische Folie 25 auf der einen ersten keramischen Folie 15 angeordnet. In einem sich daran anschließenden, in Figur 1F gezeigten

Verfahrensschritt wird eine Elektrode 212 auf die zweite keramische Folie 25 aufgebracht. Nachfolgend wird die weitere erste keramische Folie 16, die die Aussparung 120 aufweist, in dem in der Figur IG gezeigten Verfahrensschritt auf die zweite keramische Folie 25 aufgebracht, sodass die Elektrode

212 zumindest teilweise innerhalb der Aussparung 120

angeordnet ist. In dem in Figur 1H dargestellten

Verfahrensschritt wird wiederum Sensormaterial 50 mittels Siebdruckverfahren in die Aussparung 120 eingebracht. In einem weiteren, in Figur II gezeigten Verfahrensschritt wird die weitere dritte Folie 36 auf der weiteren ersten

keramischen Folie 16 aufgebracht. Anschließend wird der

Verbund aus keramischen Folien in dem in Figur 1J gezeigten Verfahrensschritt zu einem keramischen Körper 6 versintert, wobei die ersten, die zweite, und die dritten keramischen Folien 15, 16, 25, 35, 36 zu miteinander verbundenen ersten, zweiten und dritten Keramikplättchen 11, 12, 21, 31, 32 versintert werden. Das keramische Sensormaterial 50 wird beim Versintern zu NTC-Sensorelementen 51, 52.

Alternativ zu den in Verbindung mit den Figuren 1D und IE gezeigten Verfahrensschritten ist es auch möglich, eine zweite keramische Folie 25, die bereits mit einer Elektrode 211 bedruckt ist, auf der ersten keramischen Folie 15 mit dem keramischen Sensormaterial 50 anzuordnen. Weiterhin ist es möglich, dass, wie in Figur 2 gezeigt ist, zwei vierte keramische Folien 45, 46 bereitgestellt werden und die eine dritte keramische Folie 35 in einem

Verfahrensschritt, der vor dem in Figur 1A gezeigten

Verfahrensschritt erfolgt, auf eine der vierten keramischen Folien 45 aufgebracht wird. Anschließend folgen die bereits in Zusammenhang mit den Figuren 1A bis II erläuterten

Verfahrensschritte, bevor in einem weiteren

Verfahrensschritt, der vor dem gemeinsamen Sintern des

Verbundes aus keramischen Folien erfolgt, die weitere vierte keramische Folie 46 auf die weitere dritte keramische Folie 36 aufgebracht wird. Die vierten keramischen Folien 45, 46 bilden so eine Grund- und Deckfolie des Verbundes aus

keramischen Folien. Anschließend werden die keramischen

Folien 15, 16, 22, 35, 36, 45, 46 und das in den keramischen Folien 15, 16, 22, 35, 36, 45, 46 eingebettete Sensormaterial 50 gemeinsam zu einem keramischen Körper 6 versintert.

Das Sintern erfolgt je nach Wahl des Keramikmaterials im Falle einer Keramik vom „LTCC"-Typ beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 1100 °C und 1300 °C, etwa zwischen

1200 °C und 1250 °C. Alternativ kann das Sintern im Falle einer Keramik vom „HTCC"-Typ bei einer Temperatur zwischen 1600 °C und 1700 °C erfolgen. Anschließend werden mindestens zwei Anschlusskappen 71, 72 mittels eines Tauchverfahrens durch Eintauchen in eine

Metallisierungspaste auf den keramischen Körper 6

aufgebracht, so dass die Anschlusskappen 71, 72 jeweils mit zumindest zwei der Elektroden 211, 212, 311, 321 elektrisch leitend verbunden sind. Alternativ können die Anschlusskappen 71, 72 auch mittels Sputtern, mittels Flammspritzen oder mittels Plasmaspritzen aufgebracht werden.

Nachfolgend wird der Widerstand des so hergestellten

Temperaturfühlers 1 bei Nenntemperatur gemessen. Danach wird durch eine mechanische Bearbeitung zumindest einer der

Anschlusskappen 71, 72 der Widerstand des Temperaturfühlers 1 eingestellt bis der Widerstand des Temperaturfühlers 1 innerhalb eines vorgegebenen Toleranzwertes liegt. Die mechanische Bearbeitung der zumindest einen der

Anschlusskappen 71, 72 kann beispielsweise durch Schleifen oder Trimmen erfolgen. Bei der mechanischen Bearbeitung der zumindest einen der Anschlusskappen 71, 72 werden eine oder mehrere Verbindungen zu den Elektroden 211, 212, 311, 321 mechanisch getrennt. Somit lassen sich Toleranzen von unter 1 %, vorteilhafterweise bis 0,1 %, einstellen.

In Figur 3 ist eine Schnittansicht eines Temperaturfühler 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, der

beispielsweise durch das im Zusammenhang mit den Figuren 1A bis 1J beschriebene Verfahren hergestellt werden kann. Der Temperaturfühler 1 weist drei erste Keramikplättchen 11, 12, 13 auf, die jeweils lateral ein NTC-Sensorelement 51, 52, 53 umschließen. Zwischen den ersten Keramikplättchen 11, 12, 13 ist jeweils ein zweites Keramikplättchen 21, 22 angeordnet. Figur 4 zeigt einen Temperaturfühler 1, der beispielsweise durch das im Zusammenhang mit den Figuren 1A bis 1J und 2 beschriebene Verfahren hergestellt werden kann. Der

Temperaturfühler 1 weist zu einem keramischen Körper 6 versinterte Keramikplättchen 11, 12, 21, 31, 32 und in den keramischen Körper 6 eingebettete NTC-Sensorelemente 51, 52 sowie zwei auf dem keramischen Körper aufgebrachte

Anschlusskappen 71, 72 auf. Die äußeren Abmessungen des

Temperaturfühlers 1 betragen 10 mm x 1 mm x 0,45 mm (Länge x Breite x Höhe) und die NTC-Sensorelemente 51, 52 weisen jeweils einen Abstand von mindestens 0,2 mm zur Oberfläche des keramischen Körpers 6 auf.

In Figur 5 ist der Temperaturfühler 1 aus Figur 4 in

teilweise aufgeschnittener Form gezeigt. Dabei ist zu

erkennen, dass jeweils mehrere der Elektroden 211, 212, 311, 321 einer der zwei Anschlusskappen 71, 72 elektrisch leitend verbunden sind. Figur 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des

Temperaturfühlers 1 aus Figur 5, in dem zu erkennen ist, dass der Temperaturfühler 1 zusätzlich noch eine Mehrzahl von vierten Keramikplättchen 41, 42 aufweist, die die ersten Keramikplättchen 11, 12, das zweite Keramikplättchen 21 und die zwei dritten Keramikplättchen 31, 32 umgeben. Dadurch kann eine besonders hohe Stabilität und Robustheit des

Temperaturfühlers 1 gewährleistet werden.

Der Temperaturfühler 1 weist durch die vollkeramische

Kapselung der NTC-Sensorelemente 51, 52, die mittels

keramischer Mehrlagentechnologie erreicht wird, eine

besonders kleine Bauform auf zusammen mit einer sehr hohen mechanischen Festigkeit. Weiterhin zeichnet sich der Temperaturfühler 1 durch sehr geringe Ansprechzeiten sowie die Möglichkeit, Widerstandstoleranzen über eine mechanische Bearbeitung der Anschlusskappen 71, 72 einzustellen, aus. In Figur 7 ist ein Ersatzschaltbild eines Temperaturfühlers 1 mit einer Anzahl von N NTC-Sensorelementen gezeigt, die mit NTCi, ... NTC _N bezeichnet sind. Durch das oben beschriebene mechanische Bearbeiten zumindest einer der Anschlusskappen 71, 72 können einzelne NTC-Sensorelemente 51, 52, 53 zur Einstellung des Widerstands „abgeschaltet" werden.

Die in den gezeigten Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch miteinander kombiniert sein, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Alternativ oder zusätzlich können die in den Figuren gezeigten

Ausführungsbeispiele weitere Merkmale gemäß den

Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese

Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Bezugs zeichenliste

1 Temperaturfühler

11, 12, 13 erstes Keramikplättchen 15, 16 erste keramische Folie 110, 120, 130 Aussparung

21, 22 zweites Keramikplättchen

25, 26 zweite keramische Folie 211, 212, 311, 321 Elektrode

31, 32 drittes Keramikplättchen

35, 36 dritte keramische Folie

41, 42 viertes Keramikplättchen

45, 46 vierte keramische Folie

51, 52, 53 NTC-Sensorelement 50 keramisches Sensormaterial

6 keramischer Körper

71, 72 Anschlusskappe