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Dokumentenidentifikation DE102005053299A1 15.03.2007
Titel Hochtemperatur-Gassensorgehäuse
Anmelder UST Umweltsensortechnik GmbH, 98716 Geschwenda, DE
Erfinder Kiesewetter, Olaf, 98716 Geschwenda, DE
Vertreter Patentanwälte Liedtke & Partner, 99096 Erfurt
DE-Anmeldedatum 09.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005053299
Offenlegungstag 15.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.03.2007
IPC-Hauptklasse G01N 33/00(2006.01)A, F, I, 20051109, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01D 11/24(2006.01)A, L, I, 20051109, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für Gassensoren, bei denen sich in einem Gehäuse mindestens ein Sensor befindet, welcher mit aus dem Gehäuse herausragenden Anschlusselementen kontaktiert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse anzugeben, welches Beeinflussungen der Sensorfunktion weitestgehend vermeidet und kostengünstig herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Gehäuse gelöst, bei welchem die Anschlusselemente als Formstücke ausgebildet sind, die auf einem flachen keramischen Grundkörper angeordnet sind, unterhalb des keramischen Grundkörpers elektrische Anschlussstücke bilden und oberhalb des keramischen Grundkörpers mit dem Sensor verbunden sind und der Sensor von einem Schutzring aus Glas oder Glaskeramik umgeben ist, welcher nach oben von einer gasdurchlässigen Kapsel aus Glas oder Glaskeramik verschlossen ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für Gassensoren, bei denen sich in einem Gehäuse mindestens ein Sensor befindet, welcher mit aus dem Gehäuse herausragenden Anschlusselementen kontaktiert ist.

Die Erfindung ist vorzugsweise für Halbleiter-Gassensoren einsetzbar, die zur Detektion mit hohen Empfindlichkeiten verwendet werden. Beispielsweise sind zur Detektion brennbarer Gase Empfindlichkeiten im Prozent-Bereich und zur Detektion von Gerüchen Empfindlichkeiten im ppm- und ppb-Bereich erforderlich.

Bei diesen Anwendungen kommt dem Gehäuse eine sehr wichtige Bedeutung zu. Zum einen muss ein definierter Gaszutritt zu den sensitiven Halbleiterschichten gewährleistet werden, zum anderen dürfen Adsorptions- und Desorptionsprozesse die Funktion des Sensors nicht beeinflussen. Hierzu ist es insbesondere wichtig, dass keine Stoffe aus den Gehäusematerial austreten, die den Sensor vergiften.

Im Stand der Technik sind hierzu Lösungen bekannt, bei denen kostenintensive Materialen, wie Teflon oder Edelstahl, verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse der eingangs genannten Art anzugeben, welches Beeinflussungen der Sensorfunktion weitestgehend vermeidet und kostengünstig herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Gehäuse gelöst, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

In dem erfindungsgemäßen Gassensorgehäuse befinden sich ein oder mehrere Sensoren, die mit aus dem Gehäuse herausragenden Anschlusselementen kontaktiert sind. Zur Material- und Kostenersparnis können die Anschlusselemente auch ein Zwischenelement in Form eines Drahtes oder dergleichen aufweisen. Die Anschlusselemente sind als Formstücke ausgebildet und sind auf einem flachen keramischen Grundkörper angeordnet. Die Teile der Formstücke, welche sich unterhalb des keramischen Grundkörpers befinden bilden elektrische Anschlussstücke. Oberhalb des keramischen Grundkörpers sind die Formstücke mit dem Sensor mit Hilfe von Sensoranschlussdrähten elektrisch leitend verbunden. Ein Schutzring aus Glas oder Glaskeramik umgibt den Sensor bzw. die Sensoren, wobei der Schutzring nach oben von einer porösen Kapsel abgedeckt wird, die ebenfalls aus Glas oder Glaskeramik besteht. Der Schutzring ist mit einem Kunststoffverguss umgeben.

Ferner ist es möglich, dass zwischen Schutzring und Verguss ein Dichtbund angeordnet ist, der eine definierte innere Begrenzung des ringförmigen Kunststoffvergusses gewährleistet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zur Verringerung des Einflusses unterschiedlicher Strömungsverhältnisse des den Sensor umgebenden Mediums und damit zur Stabilisierung der Temperaturverhältnisse am Sensor am Gehäuseoberteil ein Element angeordnet ist, welches aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit als die Sensorabdeckung besteht.

An der Unterseite des Gehäuses können in einfacher Weise elektronische Bauteile angeordnet werden.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus.

  • 1. Es wird ein definierter Gaszutritt zu den sensitiven Halbleiterschichten ermöglicht und Messwertverfälschungen durch Adsorptions- und Desorptionsprozesse vermieden, da der Zutritt von aus den Gehäusematerial austretenden Stoffen auf den Sensor verhindert wird. Um eine von Umweltbedingungen unabhängige Funktion zu gewährleisten, wird für die Innenwand des Gehäuse ein Material verwendet, welches chemisch resistent gegen die zu messenden Stoffe ist, dessen Oberflächenbeschaffenheit nicht zur Adsorptionsbildung neigt und dessen Wärmeleitung sehr niedrig ist um den Energiebedarf des beheizten Sensors zu senken. Der Sensor wird somit weitestgehend vor den Stoffen geschützt, die ausgasen können und den Sensor schädigen.
  • 2. Es werden keine kostenintensiven Materialien benötigt.
  • 3. Das Gehäuse kann gleichzeitig einen Teil der elektronischen Baugruppen so tragen, so dass das Gesamtsystem umspritzt werden kann ohne den Sensor zu schädigen.
  • 4. Das Gehäuse kann mit üblichen Vergussmassen, die automobil- sowie umwelttauglich sind, umspritzt werden, ohne dabei den Sensor zu schädigen.
  • 5. Um Kosten teurer Drahtmaterialien zu sparen, kann die Sensoraufhängung aus mehreren Komponenten bestehen. Der Sensor wird hierzu mittels einer Kombination von kurzen Drahtstückchen sowie einem Formstück aus Blech, das die Schutzfunktion übernimmt, freitragend in der Gasatmosphäre aufgehängt. Das Formstück kann so gestaltet sein, dass der Sensor bei vorhergehenden Prozessschritten im Nutzen gehalten wird und Funktionselemente enthält, die eine spätere formschlüssige Verankerung im Sensorgrundgehäuse gestattet.
  • 6. Das Gehäuse ist für den Hochtemperatureinsatz mit Temperaturen von 500 °C geeignet.
  • 7. Das Gehäuse kann mit einer Abdeckung in Sandwich-Bauweise versehen werden, so dass die innere Wandtemperatur durch Kombination von Materialien mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit beeinflusst werden kann. Damit können Störungen durch Luftströmungen und Verschmutzungen vermieden werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

1 einen Schnitt durch das Sensorgehäuse vor der Umspritzung mit einem Vergussmaterial,

2 einen Schnitt durch das Sensorgehäuse nach der Umspritzung und

3 einen Schnitt ein Sensorgehäuse mit einer Abdeckung aus mehreren Schichten.

Bei dem in 1 dargestellten Gassensorgehäuse sind an einem flachen Keramikträger 4 Formstücke 3 formschlüssig befestigt. An den Formstücken 3 ist der Sensorchip 1 über dünne Sensoranschlussdrähte 2 freitragend aufgehängt. Die Sensoranordnung ist von einem bei ca. 500 °C aufschmelzbarem inerten Gehäuseoberteil umschlossen, welches aus einem Schutzring 5 und einer damit verbundenen gasdurchlässigen Kapsel 6 besteht. Der Schutzring 5 und die poröse Kapsel 6 bestehen vorzugsweise aus Glas oder Glaskeramik. Das Formstück 3 ist vor dem Vereinzeln der Sensorchips 1 in einem Nutzen angeordnet. Um die Anordnung beim Umspritzen mit Kunststoff zu schützen, ist um den Schutzring 5 ein Dichtbund 7 aus einem feuerfesten Material angeordnet. Um die Gasdurchlässigkeit der Kapsel 6 zu gewährleisten, ist diese porös ausgeführt. Im dargestellten Fall wird dies dadurch erreicht, dass die Kapsel 6 aus einzelnen Glaskugeln besteht, die miteinander verbunden sind, was beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen erfolgen kann.

Durch die Verwendung von Materialien, die für den Einsatz hoher Temperaturen geeignet sind, kann das Gehäuse durch Tempern bei Temperaturen von ca. 500 °C einem Reinigungsglühen unterzogen werden.

2 zeigt das Gehäuse nachdem es mit einem Verguss 8 aus Kunststoff versehen wurde. Die Gasdurchlässigkeit der Kapsel 6 kann durch Porosität des Materials oder durch gesonderte Öffnungen 6.1 erzeugt werden In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Kapsel 6 mit Durchbrüchen 6.1 versehen, durch die das zu untersuchende Medium in das Sensorgehäuse eintreten kann.

Eine weitere Ausführungsform ist in 3 dargestellt. Bei dieser Anordnung ist die Abdeckung in Sandwich-Bauweise ausgeführt. Hierzu sind innerhalb von Schutzring 5 und Kapsel 6 eine mittlere Schichte 9 aus Metall sowie eine innere Schicht 10 aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit angeordnet. Durch die Anordnung einer mittleren Schicht 9, die aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit als die von Schutzring 5 und Kapsel 6 gebildete Sensorabdeckung besteht, und einer weiteren darunter angeordneten inneren Schicht 10, die aus einem inerten Material besteht, wird ein Ausgleich unterschiedlicher Temperaturverhältnisse im Sensorgehäuse erreicht und gleichzeitig verhindert, dass Verunreinigungen durch Ausdünstungen von bestimmten Materialien an den Sensor gelangen. Die Verringerung des Einflusses unterschiedlicher Strömungsverhältnisse des den Sensor umgebenden Mediums und damit die Stabilisierung der Temperaturverhältnisse am Sensor verhindert Messwertverfälschungen und die Ablage von Verschmutzungen. Durch diese Anordnung können Wärmesenken vermieden und die einströmenden Gase vorgeheizt werden. Es ist auch möglich, dass im Keramikträger 4 Schichtelemente 11 mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind. Dies ist vorteilhaft mit metallischen Streifen möglich, wie in der Figur dargestellt.

Es ist vorteilhaft die innere Schicht 10 dünner als die äußere Schicht 6 auszuführen, um in Inneren des Sensorgehäusen einen schnelleren Temperaturausgleich zu erreichen und nach außen eine sichere Abschirmung gegen schädliche Einflüsse zu gewährleisten.

1
Sensor
2
Sensoranschlussdraht
3
Formstück
4
Keramikträger
5
Schutzring
6
poröse Kapsel
7
Dichtbund
8
Verguss
9
mittlere Schicht
10
innere Schicht
11
Schichtelement


Anspruch[de]
Gehäuse für Gassensoren, bei denen sich in einem Gehäuse mindestens ein Sensor (1) befindet, welcher mit aus dem Gehäuse herausragenden Anschlusselementen kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente als Formstücke (3) ausgebildet sind, die auf einem flachen keramischen Grundkörper (4) angeordnet sind, unterhalb des keramischen Grundkörpers (4) elektrische Anschlussstücke bilden und oberhalb des keramischen Grundkörpers (4) mit dem Sensor (1) verbunden sind und der Sensor (1) von einem Schutzring (5) aus Glas oder Glaskeramik umgeben ist, welcher nach oben von einer gasdurchlässigen Kapsel (6) aus Glas oder Glaskeramik verschlossen ist. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzring mit einem Verguss (8) aus Kunststoff umgeben ist. Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schutzring (5) und Verguss (8) ein Dichtbund (7) angeordnet ist. Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlussstücke oberhalb des keramischen Grundkörpers (4) mit dem Sensor (1) über Sensoranschlussdrähte (2) verbunden sind Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb von Schutzring (5) und/oder Kapsel (6) eine Schicht (9) angeordnet ist, die aus einem Material besteht, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Schutzring 5 und Kapsel 6 aufweist. Gehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Schicht (9) eine innere Schicht (10) angeordnet ist, deren Wärmeleitfähigkeit geringer als die der mittleren Schicht (9) ist. Gehäuse nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Elemente Schutzring (5), Kapsel (6), mittlere Schicht (9) und innere Schicht (10) unterschiedliche Dicke aufweisen. Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gehäuseunterseite elektronische Bauteile angeordnet sind.






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