(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁性保護層により被覆された抵抗層及び接触面としての薄い金属膜を有する温度感知性測定用抵抗(１)を、電気絶縁性材料から成る高耐熱性支持部材(２)であって、互いに電気的に絶縁された導電路、前記導電路の一方の端に形成された前記測定用抵抗(１)の接触面に接着するための接触面、及び前記導電路の前記一方の端に対して反対側の端に形成された接続用クリップ、プラグ及びケーブルを接続するための接触面を備える高耐熱性支持部材(２)の一方の端部に接触固定することによって作製される、温度感知性測定用抵抗を有する温度測定用センサ装置の製造方法であって：
前記測定用抵抗(１)を前記支持部材(２)上に載置する前に、前記支持部材(２)の前記測定用抵抗(１)の接触面に接着するための接触面(３,４)及び／または前記測定用抵抗(１)の接触面(３,４)に、Ｐｔ、ＰｔＰｄまたはＰｔＲｈを包含する第１及び第２の２種類の厚膜ペーストであって、第１の付着用の厚膜ペーストがＰｔ、ＰｔＰｄまたはＰｔＲｈとともに０.５〜２０重量％のガラスフリットを包含する２種類の厚膜ペーストを被着すること；
前記測定用抵抗(１)及び前記支持部材(２)の接触面(３,４)が互いに接触するような状態で前記測定用抵抗(１)を前記支持部材(２)上に載置すること；
前記支持部材(２)を１０００℃〜１３５０℃の範囲の温度で焼き付け、それにより、前記測定用抵抗(１)を前記支持部材(２)上に電気的かつ機械的に接触固定すること、
のステップを含む温度測定用センサ装置の製造方法。
【請求項２】
前記焼き付けが１２００℃の温度で１５分間行われる、請求項１に記載の温度測定用センサ装置の製造方法。
【請求項３】
前記温度感知性測定用抵抗(１)を前記支持部材(２)上に配置する前に、前記接触面上に被着された厚膜ペーストが５０〜４００℃の範囲の温度処理により事前乾燥され、さらに／または１０００℃〜１３５０℃の範囲の温度処理により事前焼結される、請求項１または２に記載の温度測定用センサ装置の製造方法。
【請求項４】
前記事前乾燥が１５０℃で３０分間行われ、前記事前焼結が１２００℃で１５分間行われる、請求項３に記載の温度測定用センサ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
［発明の利用分野］
温度感知性測定用抵抗であって、セラミックサブストレート上に抵抗層および接触面としての薄い金属膜を有し、その抵抗層が電気絶縁性保護層により被覆され、接触面の方が、耐高温度性支持部材上の電気的に相互に絶縁された導電路と導電的にかつ直接機械的に堅固に結合され、そして測定抵抗が支持部材の一端部にて接触せしめられ、支持部材の測定抵抗と反対の端部にて接触クリップ、プラグおよびケーブルの接続のための接触面が配置されて成る温度測定用センサ装置の製造方法に関する。
［発明の背景］
DE 34 24 387 A1から、細い線または帯の形式の導電体を導電路と接触せしめるための方法が周知である。その特許に従うと、約０．１〜０．５ｍｍの直径を有する白金線がセラミックサブストレート上の導電路と電気的および機械的に堅固に固定されるが、これは、厚膜ペーストをセラミック基板上の導電路上に被着し、線をこのペースト中に埋め込み、ペーストと一緒に焼付けプロセスを通すことによる。
さらに、例えば、DE 39 39 165 C1またはDG 87 16 103 U1から、受動または能動構成要素用の支持部材として働く基板が広く周知である。大抵の構成部品は最大１５０℃までの温度範囲で適用されるから、基板材料も大抵この温度範囲に対してのみ設計される。一般に、この際、合成物質が扱われるが、この合成物質は無機物質で強化されることが多い。これも例えば熱量フィーラーとしての応用ののための温度測定用抵抗において普通であるように(DE 44 24 630 C1)、構成部品の無線の接触が予定される限り、接触は軟質はんだにより、および／または導電性接着剤で行われる。しかしながら、合成物質基板へのこれらの結合技術は、３００℃以上の温度には完全に不適当である。
DE 295 04 105 U1から同様に熱量測定用のセンサ装置が周知であるが、これにあっては、短い（１５ｍｍ長）セラミック片が支持部材として使用される。ここでも熱量フィーラーとしての利用が提示されているから、軟質はんだによる接触が予定され、これが同様に３００℃の最大適用温度しか許容しないということが前提となる。
高温度監視用温度測定用抵抗をもつセンサ装置の他の製造方法は、現在の技術に従うと、（例えばDGm 1 784 455およびDGm 1 855 262に示されている）、まず測定用抵抗の接続線を接続リードの電気的に絶縁された接続線により延長するような構想を有する。測定用抵抗の非常に薄い接続線のリード線の普通の太い接続線への結合は、溶接または硬質はんだにより造られる。ガラス絹糸を巻いたリードが使用されるならば、これをまず剥かねばならない。しかし、作業状態中の短絡を除くために、測定用抵抗の接続線および溶接または硬質はんだ結合の範囲に対して何らかの形式で電気的絶縁を企画しなければならない。さらに、接続線は、鋳造体か特殊なセラミックに賦型部品（DGm 1 855 262)のいずれかにより引っ張りを軽減しなければならない。高温度使用用の接続導電線の電気的絶縁は、一つにはセラミック毛細管により実現されねばならないが、これは全材料コストの高割合を占め、その幾何学的寸法のため、小形化に邪魔になることが多い。あるいはまた、ガラス絹糸包皮により保証されねばならないが、これは製造条件的に有機湿潤剤により補強される。この湿潤剤は、余分の加熱プロセスで除去されねばならない。測定抵抗の位置固定のため、さらに、セラミック接着剤を測定用アプリケーションの保護管の尖端部に入れるのが普通である。高温度測定用アプリケーションはまた、現在の技術に従うと、多数の個々の部品および製造工程で製造され、そしてこれらは、全然または高い費用でしか自動化できない。
これに対し、本発明は、僅かの標準化個別工程より成りかつＳＭＤ技術より成る容易に自動化可能なプロセスステップのためにコスト安のセンサ装置の製造方法を提供することである。本センサ装置は、約４００℃以上の温度測定のために適合するはずである。
［発明の概要］
この課題は、温度測定用のセンサ装置の製造方法として、本発明に従うと、測定抵抗を予め用意した耐高温度性支持部材上に測定用抵抗を乗せる前に支持部材および／または測定用抵抗の接触面上に少なくとも１種の厚膜ペーストを被着し、ついで接触面を有する測定用抵抗を支持部材上に載置し、支持部材上で１０００℃〜１３５０℃間の温度範囲で焼き付け、それにより接触、固定せしめることによって解決される。
ペーストの被着は、例えば絹紗スクリーン印刷法、分散塗布、または刷毛塗りにより行われる。ついで、測定用抵抗をいわゆるフリップチップ技術で接触せしめる。すなわち、測定用抵抗は、その接触面で（面下）支持部材上の対応する厚膜ペーストを用意した接触面上に載置し、１０００℃〜１３５０℃の温度で焼き付ける。その際、本発明の方法にあっては、位置固定のための追加の補助剤は必要としない。何故ならば、絹紗スクリーン印刷法で印刷された厚膜ペーストは、類似の方形の輪郭を有しており、その結果はんだパッドの球状表面に対比して、平坦な測定抵抗は載置後その位置に留まるからである。この方法は、僅かの個別ステップしか要せず、容易に自動化可能であるからである。
測定用抵抗の接触のための接触面に対して、接触面形成用の層としてＰｔＰｄ、ＰｔＲｈまたはＰｔＲｈより成る厚膜導電ペーストが適切であることが分かった。接触面と支持部材ないし測定抵抗のセラミックサブストレート間の拘束を改良するために、接触面を多層的に、いわゆる厚膜系列として形成するのが有利であることが分かった。これは、好ましくは、２種の厚膜ペーストを相互に接触面上に付着するのであるが、その際接触面上への最初の付着のための厚膜ペーストは、Ｐｔ、ＰｔＰｄまたはＰｔＲｈとともに基体への拘束を改善するガラスフリットを包含し、他方繰返し付着のためのペーストは、Ｐｔ、ＰｔＰｄまたはＰｔＲｈおよび有機練成剤とともにガラスフリットを含んではならない。最初の厚膜ペースト中のガラスフリット含有量は、０．５ないし２０重量％間にある。標準構成部品としての測定抵抗は、しばしば白金接触面を装備されるから、白金ペーストまたは白金合金を包含するペーストの使用は理解できる。
測定用抵抗の支持部材上への接触と固定のため、好ましくは１２００℃での焼き付け温度が選択されるのがよいが、この際１５分のピーク温度での保持時間が目的に適っている。
支持部材の接触面上への測定用抵抗の取付けは、なお湿気のある厚膜ペースト上へ直接行ってもよいし、５０℃〜４００℃間の温度での事前乾燥後に、そして場合によっては事前乾燥に続く１０００℃〜１３５０℃、好ましくは１２００℃での温度での厚膜導電ペーストの事前焼結後に行ってもよい。
導電路と接触面を予め用意した、好ましくはセラミックの支持部材の装備は、好ましくはＳＭＤ装備自動化機械を用いて多連の実用体で行われるのがよい。装備自動化機械への導入前に、測定用抵抗に対する接触面が、厚膜ペーストを用いて絹紗スクリーン印刷法で印刷される。この接触パッド上に、測定用抵抗が載置されるのであるが、これはその接触面が支持部材上の接触面を覆うように行われる。続いて、装備された支持部材は乾燥され、連続炉内で焼き付けられる。これにより、測定用抵抗の支持部材上への機械的固定が接触面を介して達成され、同時に支持部材上における測定抵抗とリード線間の電気的結合が造られる。これに続いて、多連の実用体は個別化されるのであるが、これは基板実用体上の予め入れた割れ目線に沿って割ることにより、あるいはのこぎりまたはレーザにより行うことができる。対応するレイアウト構造にあっては、測定用抵抗も行列形状の多連実用体として基板の多連の実用体上に載置してよい。この場合、測定用抵抗は支持部材と一緒に個別化される。電気的段階試験を経て（装備された支持部材の個別化前が意味がある）、欠陥のある、または完全に機能しないセンサ装置が確認され、そして分類される場合がある。測定用アプリケーションへの完成のため、装備された支持部材の核心部へさらになお若干の部品を必要とする。これらの部品の結集は、非常に合理的な製造技術で容易に可能である。上述の製造方法は、一般的に高度の自動化を可能にする。
本発明の方法により製造されたセンサ装置は、下記の構造上の特徴を有する。すなわち、
接触面が橋絡されたされた測定用抵抗から、少なくとも２本の導電路が支持部材の他端部に導かれ、ここにソケット接続またはケーブル接続のための他の１対の接触面が配される。支持部材用の耐高温度性材料として、セラミック、ガラスセラミック、またはその表面上に配された電気的に絶縁された金属が問題となるが、この場合、厚膜または薄膜結線用の通常のサブストレート材料として、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）が適切であることが分かった。さらにその上、それぞれの温度範囲および耐温度変動性についての仕様が十分である限り、他の酸化物セラミックまたは非酸化物セラミック材料ならびに多種のガラスおよびガラスセラミックも適合する。本発明のセンサ装置は、一例として例えば自動車両の排ガス設備内の触媒の温度監視に使用されるものであるから、温度の変動は特に注意されるべきである。厚膜および／または薄膜技術で好ましくはセラミック支持部材上に被着される導電路および接触面用の材料は、同様に上述の仕様に対応しなければならない。薄膜および厚膜技術による構造形成の可能性は、多連実用体での簡単な結線図のコスト安の被着を可能にするが、この場合４×４ツォル（＝１０１．６×１０１．６ｍｍ2）のサブストレート面積では１０１．６×２．５４ｍｍ2の大きさの３８の支持部材まで、３×３ツォルの面積では３８．１×３．８１ｍｍ2の大きさの３８の支持部材までを一作業工程で金属被覆（および装備）することが出来る。
特定の組込み状態に対して特に細長の構造形状のセンサ装置が要求される場合、セラミック支持部材を約１ｍｍ幅に低減することができる。この場合、両導電路とソケット接続またはケーブル接続用の接触面をもはや支持部材の一面に納めず、一方の導電路と一つのソケット用接触面を支持部材の背面に配置する。接触すべき測定抵抗の範囲において支持基板を貫いて設けた貫通接触孔により、背面の導電路と対応する測定用抵抗の接触面との結合が造られる。
本発明の方法に従って製造されるセンサ装置は、１支持体基板上に多数の測定用抵抗の固定と接触をなし得るから、例えば反応熱センサとして働く一群の構成が包含され得る。その際、二つの測定抵抗の少なくとも一つは、触媒層で覆い、この触媒で自動車両の排ガス流内の個々のガス成分との反応が進行し、これにより温度の上昇が引き起こされるようにできる。上昇された温度は、排ガスのガス成分により左右されない基準温度と比較される。それにより、排ガス組成と個々の排ガス成分の濃度についての解明を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は支持部材上に配置されたセンサ装置を示す斜視図である。
図２は貫通接触手段をもつ支持部材上に配置されたセンサ装置の斜視図である。
図３ａおよび３ｂは反応熱センサとして適当な二つの測定用抵抗をもつセンサの斜視図である。
図４は利用状態の温度測定装置を示す分解図である。
［具体例の説明］
以下、図面を参照して本発明を好ましい具体例について説明する。
本発明の方法は、例として下記の成果を包含する。
１０１．６×１０１．６×０．６ｍｍ3（４×４ツォルの標準サブストレート）、７６．２×７６．２×０．６ｍｍ3（３×３ツォル）または５０．８×５０．８×０．６ｍｍ3（２×２ツォル）の寸法を有する酸化アルミニウムサブストレートは２．５ｍｍまたは３．８ｍｍの距離の平行なレーザによる掻き傷を有する。サブストレートの一側面には、レーザの掻き傷により予め賦与された筋内に各２本の導電路が被着される。これらの導電路は厚膜または薄膜法により被着され、構造化される。両導電路は本質的にＰｔまたはＰｔＰｄまたはＰｔＲｈより成る。そのように準備されたサブストレートは、絹紗スクリーン印刷装置の受入れ口に収める。対応する寸法の絹紗マスクにより、好ましくは白金より成る接触面が導電路の端部に印刷されるが、ここは温度感知性の測定抵抗が載置されるところである。この接触片の距離と幾何形態は、配置すべき測定抵抗の寸法に従う。８×２ｍｍの大きさの測定用抵抗の場合、両方の５ｍｍ間隔の接触片はおおよそ２．５×１．５ｍｍの寸法を有する。そのように白金パッドを備えた支持部材は、絹紗スクリーン印刷装置から取り出され、例えばいわゆるピックアンドプレイスマシーンのようなＳＭＤ装備自動機械に導かれる。ここで、測定用抵抗は、一般に「フェースダウン」式に支持部材上のなお湿潤している接触パッド上に載置される。続いて、乾燥を好ましくは１５０℃で３０分間行う。焼付けには、標準の焼付け特性を選択し得るが、これは、通常の白金ペーストに対してピーク温度として１５分間１２００℃を有するものでる。この手続の後、測定抵抗はセラミック支持部材上に固定され、電気的に接触せしめられる。これに続いて、試験ステップとチェックステップ、そして多連実用体より成る装備された支持部材を分割装置により個々の支持部材に個別化するステップが行われる。
図１には、本発明の方法で製造された温度測定用のセンサ装置の実施例が図示されている。平坦な測定抵抗１は、支持部材２の一端部に置かれる。支持部材２上の接触面３，４は、その幾何形態および距離において測定抵抗１の接触面に対応するが、この測定抵抗は、新たに付着された厚膜導電ペースト（例えば白金ペースト）と一緒に固定焼付けにより固定され、接触せしめられる。導電路５，５’は、互いに平行にセラミック支持部材２の冷端部に導かれ、そしてここで接触クリップ、ソケットまたはケーブル接続のための接触面６，６’で終端する。導電路材料は、例えばＰｔＰｄ、ＰｔＲｈまたは白金としてよい。接触面の最上部層３，４，６，６’は、好ましくはＰｔ厚膜ペーストから構成してよい。耐高電圧を考慮に入れての向上された仕様にあっては、導電路５，５’を電気絶縁体で被覆するのが当を得ている。測定用抵抗１に対する側路を排除するために、これも図１から認識できるように、さらに支持基板の先端部に導かれ、測定抵抗１に対する接触パッドにおいて終端する導電路５を、少なくとも、その導電路が上に置かれる平坦な測定用抵抗と接触する範囲において、被覆層７により絶縁するのが有利である。この構成部品に対する公称抵抗は、顧客特有のアプリケーションにより構成部品されるところに応じて、例えば１００，２００，５００，１０００または２０００ｏｈｍとし得る。上述の支持基板２に対する代表的な寸法は、長さ１０１．６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１ｍｍである。
図２は、特に両リード線５，５’とそれぞれのソケット接触面６，６の配置の点で図１から異なる。これらの要素が、支持部材２の一側になくて、支持部材すなわち支持基板２の前面と背面上に配置されている。平坦な測定用抵抗１に対する両接触面３，４は、しかし第１の実施例におけるのと同じように支持部材２の一側面上にある。この場合、背面の導電路５に対する結合は貫通接触孔８により保証される。貫通接触孔８は、測定用抵抗１に対する第２の接触面の範囲にある。支持部材２の測定抵抗１により被覆された範囲に対する絶縁被覆層は、ここでは必要でない。さらにその上、この構造は特に細いセンサ装置を可能にするが、これは代表的には下記の寸法を有する。すなわち、支持部材２に対して、１０１．６×１×１ｍｍ、平坦な測定用抵抗１に対して５×１×０．４ｍｍである。
図３ａは、多連のセンサ装置を示しているが、ここでは二つの測定用抵抗１，１’が支持体２上に接触、固定されている。リード線５，５’，５”，５'''は、測定抵抗１および１’に対して個別に、すなわちガルバーニ式に分離して導かれる。図３ｂ図に図示されるようないわゆる中央分岐によって、二つのリード線を一つに統合してもよい。図３ｂに従うと、測定用抵抗１は、触媒活性層７１により全体を被覆してあるが、このセンサ装置を例えば自動車両の排気ガス流中に適用する際、この触媒活性層にて発熱反応により個々のガス成分の変換が行われる。このように結合された高められた温度は、測定抵抗１により検出され、触媒活性層をもたない測定用抵抗１’の温度と比較される。このセンサ装置は、反応熱センサとしての特徴を有する。
図４には、自動車両の排ガス導管内に適用するに適合した温度計ハウジング内への装備された支持部材２の配置が示されている。支持部材２の「冷」端部にある接触面６，６’は、二つのＵ字上の保持部材（クリップ）１２，１２を備えているが、この保持部材は、二重の機能、すなわち電気的接続とセラミック支持基板２の機械的保持を有する。二つの保持部材１２，１２’は、金属保護管９の長手延長線に対して平行であり、支持部材２上の二つの接触面６，６’上に押し乗せられ、レーザにより溶接される。保持部材１３の反対側は凹面の賦型部材１３を有している。支持部材２の他の電気的接続は、凹面型部材１３に溶接される鉱物絶縁接続導体１４により行われる。凹面部材１３は、鉱物絶縁導体１４にぴたりと隣接し、それによりやはり溶接され得るように構成されている。鉱物絶縁接続導体１４は、ブッシュ１５を備えており、外側で保護管９にガス密に溶接される。
支持部材には、二つの互いに平行に配置された線編み部材１６が設けられており、保護管９の内面と隣接し、支持部材２を機械的に支持している。金属保護管９とセラミック支持基板２との間の膨張係数の相違は、この開放により補償される。保護管９は止め輪１０を有しており、これが排気管内への所望の侵入深さを決定し、外側で排気管に溶接できる。センサ装置を機械的に遮蔽するために、開口を備える閉鎖キャップ１７が設けられるが、これはまず線編み部材１６上に押し入れられて位置づけされ、ついで外側で保護管９に溶接される。開口は、被測定ガスがセンサの感知性部分に接触することができることを保証する。他の実施例に置いては、この閉鎖キャップ１７は開口なしで構成してもよく、そしてその場合には、熱は熱伝導性の充填物質によりハウジングの壁から測定用抵抗１上に伝達される。その場合、充填物質は、閉鎖キャップ１７と測定用抵抗１との間に挿入される。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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