传感器元件和用于组装传感器元件的工艺

摘要

一种高温传感器元件包括具有至少两个接触区的至少一个热敏电阻元件和包括隔离陶瓷基体和至少两个导体线的一个接触元件。热敏电阻元件的接触区被导电桥连接到接触元件的导体线。还描述了用于组装传感器元件的工艺，其中，由耐热接头将热敏电阻元件连接到接触元件，并且其中，用封装料来密封热敏电阻元件和邻近于该热敏电阻元件的接触元件的部分。

权利要求

1.一种高温传感器元件，包括：

至少一个热敏电阻元件，其包括至少两个接触区，其中，所述热敏电阻元件是NTC元件或PTC元件；以及接触元件，其包括隔离陶瓷基体和至少两个导体线；

其中，所述至少一个热敏电阻元件的接触区被导电桥连接到所述接触元件的至少两个导体线，其中所述隔离陶瓷基体具有下表面和上表面，以及

其中所述至少两个导体线中的一个被布置在所述下表面上并且所述至少两个导体线中的一个被布置在所述上表面上。

2.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，用封装料来密封热敏电阻元件和邻近于该热敏电阻元件的接触元件的一部分。

3.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其中，所述导电桥包括导线部分，其将热敏电阻元件的接触区电连接到接触元件的导体线。

4.根据权利要求3所述的传感器元件，其中，通过接合将所述导线部分固定在接触区和导体线上。

5.根据权利要求4所述的传感器元件，其中，所述通过接合包括通过烧制的导电化合物。

6.根据权利要求4所述的传感器元件，其中，所述通过接合包括通过焊接工艺。

7.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其中，所述导电桥包括将热敏电阻元件的接触区连接到接触元件的导体线的导电化合物。

8.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其中，所述接触元件包括被形成为基于Al2O3的板的陶瓷基体，并且还包括通过丝网印刷法施加在陶瓷基体上的导体线。

9.根据权利要求8所述的传感器元件，其中，所述板包括板条。

10.根据权利要求2所述的传感器元件，其中，所述封装料包括陶瓷和/或玻璃。

11.根据权利要求2所述的传感器元件，其中，所述封装料对热敏电阻元件的电气特性没有影响。

12.一种用于组装根据权利要求1至11中的一项所述的高温传感器元件的工艺，其中，所述工艺包括：经由耐热接头将热敏电阻元件连接到接触元件；以及经由封装料将热敏电阻元件和接触元件的邻近部分密封。

13.根据权利要求12所述的工艺，其中，热敏电阻元件被电隔离耐高温粘合剂临时固定到接触元件。

14.根据权利要求13所述的工艺，其中，被临时固定的热敏电阻元件被导电桥永久性地连接到接触区的区域中的接触元件的导体线。

15.根据权利要求14所述的工艺，其中，由烧制的导电化合物来形成导电桥。

16.根据权利要求12至15中的一项所述的工艺，其中，所述导电桥由短导线部分形成，通过接合工艺将所述短导线部分固定到热敏电阻元件的接触区和接触元件的导体线。

17.根据权利要求16所述的工艺，其中，所述通过接合工艺包括通过烧制的导电化合物。

18.根据权利要求16所述的工艺，其中，所述通过接合工艺包括通过焊接工艺。

19.根据权利要求12至15中的一项所述的工艺，其中，所述热敏电阻元件和所述接触元件的邻近部分被放置在玻璃管中，并且其中，所述玻璃管被熔化以形成封装料。

20.根据权利要求12至15中的一项所述的工艺，其中，所述热敏电阻元件和所述接触元件的邻近部分被陶瓷材料密封。

说明书

传感器元件和用于组装传感器元件的工艺

技术领域

[0001] 本专利申请涉及高温传感器元件和组装此类传感器元件的工艺。

[0002] 本专利申请要求美国专利申请No. 61/114,649和No. 12/613,064的优先权，其公开内容被通过引用结合到本文中。

背景技术

[0003] 在具有在Tmin与Tmax之间的温度的高温环境中使用高温传感器元件，其中，Tmin可以在- 55℃至约+25℃的范围内，并且其中Tmax可以在约+300℃至+1000℃的范围内。高温传感器元件应具有高度准确且尽可能快地测量周围温度的能力。为了进行温度的检测，传感器元件应包括用于类似于电阻测量的温度检测的简单方法。高温传感器元件不得不在没有显著退化的情况下长时期存在于具有高温的环境中。高温环境可能由于来自周围空气的氧气的存在而是高度氧化的。因此，必须将传感器元件构建得稳健且耐磨损并具有低构建成本。

发明内容

[0004] 高温传感器元件包括至少一个热敏电阻元件，其可以是NTC元件或PTC元件，该热敏电阻元件具有至少两个接触区。缩写NTC代表负温度系数热敏电阻器。因此，存在至少在有限的温度间隔内具有电阻的负温度系数的传感器元件。缩写PTC代表正温度系数热敏电阻器。存在至少在有限的温度间隔内具有电阻的正温度系数的传感器元件。除下面相对于被形成为NTC元件的热敏电阻元件所述的实施例之外，在其它实施例中，可以用PTC元件来代替NTC元件。

[0005] 传感器元件包括至少一个接触元件，其包括优选地高度隔离的陶瓷基体和至少两个导体线。NTC元件的接触区被导电桥连接到接触元件的导体线。

[0006] 在一个实施例中，导电桥包括将NTC元件的接触区电连接到接触元件的导体线的导线部分。导线部分优选地通过烧制的导电化合物或通过焊接工艺或通过接合工艺被固定在NTC元件的接触区和接触元件的导体线上。

[0007] 在一个实施例中，导电桥包括将NTC元件的接触区电连接到接触元件的导体线的导电化合物。

[0008] 在另一实施例中，所述接触元件包括被形成为板或板条的陶瓷基体。基体的陶瓷优选地是基于氧化铝（Al2O3）。接触元件还包括通过丝网印刷法施加在陶瓷基体上的金属导体线。

[0009] 在一个实施例中，NTC元件和邻近于NTC元件的接触元件的一部分被周围的封装料密封。

[0010] 在一个实施例中，封装料包括陶瓷和/或玻璃。

[0011] 封装料的材料优选地对NTC元件的电气特性没有影响。

[0012] 为了进行上述传感器元件的组装，NTC元件被耐热接头连接到接触元件，在那里，NTC元件和邻近于NTC元件的接触元件的一部分被周围的封装料密封。

[0013] 在组装工艺的实施例中，可以通过电隔离且耐高温的粘合剂将NTC元件临时地固定到接触元件。

[0014] 然后用导电桥将被临时固定的NTC元件永久性地连接到导体线和接触区的区域中的接触元件。

[0015] 在一个实施例中，由烧制的导电化合物来形成所述导电桥。

[0016] 在另一实施例中，所述导电桥由被固定到NTC元件的接触区和接触元件的导体线的短导线部分形成。通过烧制的导电化合物或通过焊接工艺或通过接合工艺来固定所述短导线部分。

[0017] 在制造工艺的另一实施例中，将NTC元件和邻近于NTC元件的接触元件的一部分放置在玻璃管内部。然后，将玻璃管加热直至玻璃管破裂变成周围的封装料为止。

[0018] 在另一实施例中，用陶瓷材料或用玻璃材料来密封NTC元件和邻近于NTC元件的接触元件的一部分。

[0019] 传感器元件的NTC元件可以是矩形叶片的形式，其包括在NTC元件的两个相对侧上的接触区。为了接触NTC元件，使用包括高度电隔离的陶瓷基体的接触元件。在陶瓷基体的两个相对侧上，接触元件包括导电的导体线。陶瓷基体上的接触元件的导体线和NTC元件的接触区由银、银铂、金或铂的化合物制成。导体线的材料可以不同于NTC元件的接触区的材料。用丝网印刷法在接触元件的陶瓷基体上施加金属化合物并将其烧制成陶瓷材料。

[0020] 接触元件的陶瓷基体可以例如由基于氧化铝（Al2O3）的陶瓷制成。优选地在接触元件的金属表面和NTC元件的金属表面上施加NTC元件与连接元件之间的连接。

[0021] 在一个实施例中，可以由电气地且机械地将NTC元件连接到NTC元件的上和下表面上的接触元件的短高温稳定金属导线来施加该连接。可以由导电化合物来施加从金属导线部分到陶瓷材料的金属表面的连接。化合物优选地具有到接触元件和NTC元件的金属表面和到其之间的导线部分的接触。该化合物优选地被烧制以施加接触元件和NTC元件的金属表面与导线部分之间的导电连接。

[0022] 在另一实施例中，可以例如用焊接工艺或用接合工艺将导线部分固定到接触元件和NTC元件的金属表面。高温稳定导线包括例如铂、金、镍、铁镍组合物或合金、类似于2.4851的特殊钢种类、具有被涂敷例如铜、银、金、铂的镍芯的涂敷导线、具有被镍、铜、银、金或铂覆盖的铁-镍芯的涂敷导线。

[0023] 在另一实施例中，可以用导电化合物来施加接触元件与NTC元件之间的导电连接。接触元件和NTC元件被与作为导电桥施加在NTC元件和接触元件的金属表面之间的少量导电化合物面对面地放置。优选地将导电化合物干燥并烧制成金属表面。所述导电化合物可以例如包括银、银-铂、金或铂化合物。

[0024] 为了提升接触元件与NTC元件之间的连接的机械稳定性，可以在NTC元件与接触元件之间施加高温稳定粘合剂。此类粘合剂可以例如基于氧化锆或氧化铝。

[0025] 为了支撑NTC元件与接触元件之间的连接，NTC元件和接触元件的邻近部分可以被封装料包围。此封装料优选地是基于基于玻璃或陶瓷的粘合剂或其它封装料。

[0026] 在一个实施例中，用玻璃来密封传感器元件。传感器元件的头部可以被放置在玻璃管内部。玻璃管被加热直至破裂为止并向NTC元件和接触元件的邻近部分提供周围的玻璃泡。玻璃管可以由熔化的玻璃或玻璃粉制成。

[0027] 在另一实施例中，有可能使用玻璃浆料。由玻璃浆料来浸渍或替换地模制NTC元件和接触元件的邻近部分。以下加热过程得到固体包围的玻璃封装料。

[0028] 在另一实施例中，NTC元件和接触元件的邻近部分被浸渍在陶瓷封装料中或被陶瓷粘合剂覆盖。以下加热过程得到具有固体盖的固体封装。

[0029] 被包围的NTC元件必须以类似于环境温度下的NTC元件的特定电阻和所谓B值的电气特性在时间方面不显著移位的这种方式包括高度稳定的温度特性。NTC元件的导电表面优选地不具有与导电表面到陶瓷主体的高度稳定粘结力相组合的对NTC元件的陶瓷主体的有效接触电阻。NTC元件的导电表面优选地在被封装料覆盖的情况下对高温是稳定的。

[0030] 接触元件优选地在环境温度的上部区域中包括足够高的电阻。

[0031] NTC元件和接触元件优选地被相互并联地连接。为了不使温度敏感的NTC元件的信号失真，传感器元件的组件的电阻必须在最低和最高温度之间的范围内遵从。接触元件的电阻优选地大于在最低和最高温度之间的范围的NTC元件的电阻。

[0032] 优选地，接触元件的导电表面在类似于空气的氧气的氧化环境中可以是稳定的。在用于导电桥的导电化合物的烧制期间或在传感器头部的密封期间，能够达到比传感器头部的最高温度更高的温度。

[0033] 接触元件的导电表面优选地是高温稳定的，以便应付上述工艺的可能的损坏影响。此外，接触元件的导电表面优选地包括到接触元件的陶瓷基体的机械上高度稳定的粘附。

[0034] 接触元件的导电表面的电阻可以根据用于完整温度范围的NTC元件的电阻具有低电阻。优选地，必须针对传感器元件的封装料来调整接触元件的热膨胀系数以避免由于温度变化而出现裂纹。导电桥优选地至少处于对高温稳定的被覆盖状态。

[0035] 封装料的材料在玻璃化合物的情况下优选地对高温是稳定的。玻璃的相变温度优选地高于传感器元件的最高温度。

[0036] 优选地，将封装料的热膨胀系数调整为传感器元件的接触元件和NTC元件的热膨胀系数以避免机械损坏。

[0037] 为了不影响温度敏感NTC元件的信号，封装料优选地具有至少在Tmin和Tmax之间的范围内大于NTC元件的电阻的电阻。

[0038] 与已知传感器元件相反，上述传感器元件具有简单且稳健的配置，其共同地具有高灵敏度以便收集环境温度。由于此简单设计，根据其它传感器元件，能够相当便宜地构建上述传感器元件。

[0039] 用结合附图的以下详细描述更详细地示出传感器元件的特征。

附图说明

[0040] 图1是NTC元件和接触元件的基础的视图，以便示出这些部分的配置。

[0041] 图2是类似于图1的视图，其中导线部分被放置在NTC元件和接触元件上。

[0042] 图3是其中导线部分被导电化合物固定的传感器元件的另一实施例的视图。

[0043] 图4是其中NTC元件和接触元件的邻近部分被放置在玻璃管内部的类似于图3的视图。

[0044] 图5是其中玻璃管被加热并形成玻璃泡的图4的传感器元件的视图。

[0045] 图6是其中NTC元件和接触元件被烧制的导电化合物相互连接的传感器元件的另一实施例的视图。

具体实施方式

[0046] 在图1至图6中，NTC元件1被示为热敏电阻元件。作为在下文中描述的实施例的替换，可以使用PTC元件来代替图1至图6所示的NTC元件1。

[0047] 图1是NTC元件1和接触元件4的相对配置的透视图。图1所示的NTC元件1具有矩形形状。在另一实施例中，还可能的是NTC元件包括类似于叶片或除此之外的其它几何形状。接触元件4被示为矩形杆状部分。还可以改变接触元件4的形状。NTC元件1和接触元件4的厚度和宽度不必被相互调整。在NTC元件1与接触元件之间可以存在间隙。在一个实施例中，在NTC元件1与接触元件4之间也可以不存在间隙。

[0048] 在另一实施例中，可以用高温稳定的粘合剂来填充NTC元件1与接触元件4之间的间隙以将NTC元件1与接触元件4相连。在这种情况下，粘合剂将被放置在NTC元件1与接触元件4之间的间隙中。NTC元件1在其上和下表面上具有接触区2、3。接触元件4包括陶瓷基体5和在其上和下表面上的金属导体线6、7。

[0049] 在图2中，示出了短导线部分12、13的配置。短导线部分12、13在NTC元件1与接触元件4之间施加导电桥。优选地，导线部分12、13被放置在NTC元件1的接触区2、3和接触元件4的金属导电表面的导体线6、7上。

[0050] 在图3中，示出了导线部分到NTC元件1和接触元件4的连接。图3所示的实施例示出了被干燥并烧制成NTC元件1的金属表面和接触元件4的金属表面的导电化合物和短导线部分12、13的连接。导线部分12、13和导电化合物在NTC元件1与接触元件4之间形成导电桥8、9。在替换实施例中，可以通过焊接或接合工艺将导线部分12、13固定到NTC元件1和接触元件4。

[0051] 图4示出传感器元件的实施例，其中，NTC元件1和接触元件4的邻近部分10被放置在玻璃管14内部。玻璃管14在NTC元件1和接触元件4的邻近部分10上移位。然后，以玻璃管14破裂的方式将玻璃管14加热以便在图5所示的NTC元件1和接触元件4的邻近部分10周围形成密封11。在替换实施例中，可以将NTC元件1和接触元件4的邻近部分10浸渍在玻璃埋伏（lurk）中或用玻璃进行模制。在随后的加热过程中，该玻璃埋伏在NTC元件1和接触元件4的邻近部分10周围形成固体密封11。在替换实施例中，可以使用基于陶瓷的封装料或陶瓷粘合剂。在淬火步骤之后，陶瓷在传感器元件的头部周围形成固体封装料11。

[0052] 图6示出其中由被烧制成NTC元件1和接触元件4的金属表面的导电化合物来施加NTC元件1的金属表面与接触元件4的金属表面之间的导电桥8的传感器元件的替换实施例。

[0053] 可以优选地应用图1至图6所述的实施例以便测量高温。