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Dokumentenidentifikation DE20318550U1 03.06.2004
Titel Gekapselter Temperatursensor in Dünnschichttechnologie
Anmelder UST Umweltsensortechnik GmbH, 98716 Geschwenda, DE
Vertreter Liedtke, K., Dr.-Ing., Pat.-Anw., 99096 Erfurt
DE-Aktenzeichen 20318550
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 03.06.2004
Registration date 29.04.2004
Application date from patent application 01.12.2003
IPC-Hauptklasse G01K 7/18
IPC-Nebenklasse G01K 1/14   

Beschreibung[de]

Widerstands-Temperatursensoren wurden in verschiedensten Bauformen realisiert, unter anderem mit dünnen Widerstandsschichten aus Platin. Für Einsatztemperaturen bis 600°C und bei normalen Umweltbedingungen werden auf keramischen Trägern aus Al2O3 die Platinschichten mittels verschiedenster Verfahren strukturiert und mit Gläsern abgedeckt, die einen Schutz vor Feuchtigkeit und schädlichen Einflüssen darstellen. Ziel aller Anordnungen ist es, die Sensoren bei hoher Ansprechgeschwindigkeit bestmöglich vor Verschmutzung zu schützen. Dazu wird versucht, über metallische Hülsen oder keramische Füllstoffe die Eindiffusion zu verhindern. Die Ergebnisse sind jedoch bei hohen Temperaturen nicht befriedigend.

Beispielsweise wird in DE 196 21 000 C2 ein Temperatursensor mit einem Messwiderstand aus einem Substrat mit elektrisch isolierender Oberfläche und darauf befindlicher Widerstandsschicht beschrieben, der von einer Umhüllung aus temperaturbeständigem Kunststoff umgeben ist, durch die die Anschlussleiter des Messwiderstandes geführt sind, wobei die Umhüllung als Primärgehäuse zusammen mit dem eingelassenen Messwiderstand in Form einer Widerstandsschicht von einer Kunststoff-Umspritzung umgeben ist.

Die Umspritzung und die Umhüllung haben als thermoplastische Kunststoffe das Problem des Formverlustes bei hohen Temperaturen. Zudem ist das Material empfindlich gegenüber chemisch aggressiven Messumgebungen.

Aus der CH 389 275 ist ein in einer dichten Metallhülse untergebrachtes Widerstandsthermometer bekannt, bei dem vom Boden der Metallhülse ein Metalldorn in das Innere des Widerstandsthermometers hineinragt.

Diese Anordnung ist nur für röhrenförmige Widerstandsthermometer nutzbar, die ein relativ großes Volumen beanspruchen. Zudem ist durch die mehrteilige Konstruktion und die Art der Verbindung eine optimale Druckdichte nicht gegeben. Weiterhin ist das Widerstandsthermometer deutlichen Temperaturgradienten ausgesetzt. Letztlich ist auch das Gewicht der Anordnung hoch, da die gesamte Hülse aus Metall besteht und der metallische Boden dick ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Probleme auf kleinsten Raum zu lösen und hohe Ansprechgeschwindigkeit bei höchstmöglicher Stabilität und geringsten Durchmesser des Sensorelementes zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Widerstands-Temperatursensor ermöglicht ein schnelles Ansprechen, ohne dass störende Stoffe in das Sensorelement diffundieren. Gleichzeitig ist ein idealer Schutz vor aggressiven Medien und äußerer Krafteinwirkung gegeben.

Dazu wird der Sensor in einer hermetischen, druckdichten, stabilen Hülle angeordnet, die wenigstens zu einem Teil aus Glas besteht, worin mindestens ein wärmeleitendes Kopplungselement eingeschmolzen ist, das für einen schnellen Temperaturausgleich zwischen der Umgebung und dem Sensor sorgt, so dass zum einen eine schnelle Ansprache resultiert, zum anderen sich keine konstruktionsschädlichen Temperaturgradienten bilden können.

Vorteilhafterweise sind mehrere Kopplungselemente derart angeordnet. Dadurch wird zum einen die Ansprache weiter beschleunigt, andererseits werden große Temperaturgradienten innerhalb des Sensors vermieden.

Werden Kopplungselemente in Form von Drähten eingesetzt, so ist ein minimales Gewicht der Anordnung erreichbar.

Eine optimale Wärmeübertragung ist gegeben, wenn Kopplungselemente elektrisch leitend mit dem Widerstandssensor verbunden sind.

In Umgebungen, bei denen äußere, elektrische Einflüsse auf die Messung nicht auszuschließen sind, ist es vorteilhaft, die Kopplungselemente elektrisch vom Sensor zu entkoppeln. Bei einer dichten, aber berührungslosen Anordnung ist dennoch eine schnelle Ansprache gegeben.

Ein besonders schnelles Ansprechen wird erreicht, wenn Kopplungselemente durch die Hülle nach außen reichen und so direkt mit der Umgebung in Kontakt kommen.

Da Luft einen idealen Schutz darstellt, wird der Messwiderstand vorzugsweise so in ein Röhrchen eingebaut, dass dieser von einer schützenden Luftschicht oder einem Material, das vorwiegend aus Luft besteht oder Luft abgibt, umgeben ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dazu zeigen

1 einen erfindungsgemäßen Widerstands-Temperatursensor mit einem Kopplungselement

und

2 einen erfindungsgemäßen Widerstands-Temperatursensor mit zwei Kopplungselementen

Der in 1 abgebildete Widerstands-Temperatursensor besteht aus dem Messwiderstand 1, der auf dem Trägersubstrat 2 aus Al2O3 angebracht ist. Beides ist umschlossen von einer Hülle 3, bestehend aus einem Röhrchen 3.1 aus Al2O3, dessen Enden mit Glaskappen 3.2 hermetisch zugeschmolzen sind. In diese Glaskappen 3.2 sind am einen Ende des Röhrchens 3.1 die elektrischen Leitungen 4, am anderen Ende ein Kopplungselement 5 eingeschmolzen. Die Leitungen 4 und das Kopplungselement 5 sind leitend mit dem Messwiderstand 1 verbunden. Eine Temperaturänderung der Hülle 3 überträgt sich so schnell auf den Messwiderstand 1.

Auf diese Weise wird verhindert, dass der innenliegende Sensor gegenüber dem Gehäuse zu große Temperaturgradienten ausbaut. Dies verringert zum um einen den thermischen Messfehler und verhindert zum anderen ein Zerstören des Systems durch zu große Längenausdehnungsunterschiede.

Der Messwiderstand 1 besteht vorzugsweise aus einer dünnen Platinschicht. Das Innere der Hülle 3 ist mit Luft oder einem Material, das vorwiegend aus Luft besteht oder Luft abgibt, gefüllt, wodurch die Platinschicht aufgrund der Anwesenheit von genügend Sauerstoff vor Vergiftung beziehungsweise Kontamination geschützt ist.

In 2 wurde das aus Al2O3 bestehende Röhrchen 3 auf einer Seite mit einer Glaskappe 3.2 versehen, in die ein Kopplungselement 5 eingeschmolzen ist, das mit dem Messwiderstand 1 verbunden ist und durch die Glaskappe 3.2 in die Außenumgebung hinausragt. Das Röhrchen 3 ist am anderen Ende innen mit einer Glasfüllung 3.3 versehen, worin die Zuleitungen 4 zum Messwiderstand 1 und ein weiteres Kopplungselement 5 eingeschmolzen sind.

Um bei einer Umgebung, die bei hinausragenden Kopplungselementen 5 elektrischen Einfluss auch den Messwiderstand 1 haben könnte, die Kopplungselemente 5 elektrisch vom Messwiderstand 1 zu entkoppeln, ist es zweckmäßig, zwischen den Kopplungselementen 5 und dem Messwiderstand 1 eine dünne, elektrisch isolierende Schicht anzubringen. Vorteilhafterweise wird die Dicke der Schicht gemäß den zu erwartenden, maximalen Spannungen und möglichen Stromflüssen zwischen dem Messwiderstand und der jeweiligen Umgebung vorgesehen.

1 Messwiderstand 2 Trägersubstrat 3 Hülle 3.1 Röhrchen 3.2 Glaskappe 3.3 Glasfüllung 4 Elektrische Leitungen 5 Kopplungselement

Anspruch[de]
  1. Widerstands-Temperatursensor (1), der in einer druckdichten, stabilen Hülle (3) angeordnet ist, wobei von dieser aus ein metallischer Dorn (5) als Wärmeleiter in das Innere der Hülle (3) hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil (3.2, 3.3) der Hülle (3) aus Glas besteht und der Dorn (5) wenigstens teilweise in diesen Teil der Hülle (3.2, 3.3) eingeschmolzen ist.
  2. Widerstands-Temperatursensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dorne (5) als Wärmeleiter in das Innere der Hülle (3) hineinragen.
  3. Widerstands-Temperatursensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Dorne (5) ein Draht ist.
  4. Widerstands-Temperatursensor (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Dorne (5) elektrisch an den Widerstands-Temperatursensor (1) angeschlossen ist.
  5. Widerstands-Temperatursensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Dorne (5) elektrisch entkoppelt am Sensor (1) angeordnet ist.
  6. Widerstands-Temperatursensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Dorne (5) die Hülle (3) auch nach außen durchdringt.
  7. Widerstands-Temperatursensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstands-Temperatursensor (1) von einer Luftschicht oder einem Material, das vorwiegend aus Luft besteht oder Luft abgibt, umgeben ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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