(57)【要約】  本発明は温度センサシステムを提供し、この温度センサシステムは、第１のセラミックハウジング部と、第１の開口部を備えた下側の第１の端部、第２の開口部を備えた上側の第２の端部、およびこの上側の第２の端部と結合されている上側部分を有するスリーブ形状の下側部分とを備える。この温度センサシステムはさらに、１つのセラミックのセンサ素子ハウジング，当該セラミックのセンサ素子ハウジング内に配設されているセンサ素子，および電気配線を備えた前記下側部分内に少なくとも部分的に配設されている温度プローブ素子を備える。このセンサ素子ハウジングは、少なくとも部分的に第１の開口部に配設されている。さらにこのセラミックのセンサ素子ハウジングは、第１のセラミックハウジング部より大きな熱伝導率を有する。  さらに本発明は、および温度センサシステムの製造方法を提示する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度センサシステム（１００）であって、
第１の開口部（２１１）を備えた下側の第１の端部（２１５）と、第２の開口部（２１２）を備えた上側の第２の端部（２１６）とを有するスリーブ形状の下側部分（２１０）、および当該上側の第２の端部（２１６）と結合されている上側部分（２２０）を備えた第１のセラミックハウジング部（２００）と、
１つのセラミックのセンサ素子ハウジング（３），当該セラミックのセンサ素子ハウジング（３）内に配設されているセンサ素子（２），および電気配線（４）を備えた前記下側部分（２１０）内に少なくとも部分的に配設されている温度プローブ素子（１）と、
を備え、
前記センサ素子ハウジング（３）は、少なくとも部分的に前記第１の開口部内に配設されており、
前記セラミックのセンサ素子ハウジング（３）は、前記第１のセラミックハウジング部（２００）より大きな熱伝導率を有する、
ことを特徴とする温度センサシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の温度センサシステムにおいて、
前記上側部分（２２０）は、凹部（複数）（２２１）を備え、当該凹部には前記温度プローブ素子（１）の前記電気配線（４）が少なくとも部分的に配設されて引回されており、
前記下側部分（２１０）および前記上側部分（２２０）は一体的に形成されている、
ことを特徴とする温度センサシステム。
【請求項３】
前記第１のセラミックハウジング部（２００）は、射出成型部品であることを特徴とする、請求項１または２に記載の温度センサシステム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度センサシステムにおいて、
前記第１のセラミックハウジング部（２００）は、ムライト，ステアタイト，または酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする温度センサシステム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の温度センサシステムにおいて、
前記セラミックのセンサ素子ハウジング（３）は、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，または炭化ケイ素を含むことを特徴とする温度センサシステム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の温度センサシステムにおいて、
前記セラミックのセンサ素子ハウジング（３）は、周回する突出部（３２）を備え、
前記突出部（３２）は、接着結合を用いて、前記第２の開口部（２１２）と嵌合して結合されている、
ことを特徴とする温度センサシステム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の温度センサシステムにおいて、
前記第１のセラミックハウジング部（２００）と結合されており、凹部（複数）（３２１）を有する１つの延長部（３０１）を備える、１つの第２のセラミックハウジング部（３００）を備え、
前記凹部において前記電気配線（４）が少なくとも部分的に配設されて引回されている、
ことを特徴とする温度センサシステム。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の温度センサシステムにおいて、
前記温度プローブ素子（１）は、埋込用材料（４００）を用いて前記第１のセラミックハウジング部（２００）内に固定されていることを特徴とする温度センサシステム。
【請求項９】
前記センサ素子（２）は、ＮＴＣセンサ素子であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の温度センサシステム。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の温度センサシステムにおいて、
前記センサ素子（２）は、元素Ｙ，Ｃａ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｏを含むペロブスカイト構造か、または元素Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｏを含むスピネル構造を備えることを特徴とする温度センサシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の温度センサシステムにおいて、
前記センサ素子（２）は、化学式（Ｙ1-xＣａx）（Ｃｒ1-yＡｌy）Ｏ3の組成を有し、ｘ＝０．０３〜０．０５およびｙ＝０．８５であるペロブスカイト構造を備えることを特徴とする温度センサシステム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の温度センサシステムにおいて、
前記センサ素子（２）は、化学式ＣＯ3-(x+y)ＮｉxＭｎyＯ4の組成を有し、ｘ＝１．３２およびｙ＝１．３２であるスピネル構造を備えることを特徴とする温度センサシステム。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の温度センサシステム（１００）を製造するための方法であって、
前記温度プローブ素子（１）、および前記第１のセラミックハウジング部（２００）と前記第２のセラミックハウジング部（３００）を準備するステップと、
前記センサ素子ハウジング（３）が少なくとも部分的に前記第２の開口部（２１２）内に配設されるように、前記第１のセラミックハウジング部（２００）の前記スリーブ形状の下側部分（２１０）内に前記温度プローブ素子（１）を配設するステップと、
前記温度プローブ素子（１）が少なくとも部分的に前記埋込用材料（４００）の中に埋設されるように、前記第１のセラミックハウジング部（２００）の中に前記埋込用部材（４００）を投入するステップと、
前記電気配線（４）の一部を前記第１のセラミックハウジング部（２００）の前記上側部分（２２０）の前記凹部（２２１）内に配設するステップと、
結合材料（５００）を用いて前記第１のセラミックハウジング部（２００）の前記上側部分（２２０）を前記第２のセラミックハウジング部（３００）と結合するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記埋込用材料（４００）および前記結合材料（５００）は、同じ材料を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の方法において、
前記電気配線（４）は、硬ろう付け，圧着，または溶接を用いて、接続ケーブル（６００）と接続され、
前記接続ケーブル（６００）は、前記第２のセラミックハウジング部（３００）との前記上側部分（２２０）の結合の前に、前記上側部分（２２０）の前記凹部（２２１）に部分的に配設され、
前記接続ケーブル（６００）は、第１のセラミックハウジング部（２００）および／または第２のセラミックハウジング部（３００）からの出口領域（７００）において、ポリマーまたはガラスを用いてシーリングされることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度センサシステムおよび温度センサシステムの製造方法に関する
【背景技術】
【０００２】
監視および制御のために温度を測定することは、様々なアプリケーションを用いて行われており、たとえばセラミックの高温導電体サーミスタ素子（NTC thermistor、“negative temperature coefficient thermistor”），シリコン温度センサ（たとえばいわゆるＫＴＹ温度センサ），白金温度センサ（ＰＲＴＤ，“platinum resistance temperature detector”），または熱電対（ＴＣ，“Thermocouple”）を用いて行われている。
【０００３】
アプリケーションでの容易な取り付けや充分な機械的剛性のため、この温度センサ自体を外部の影響に対して保護するため、および侵食性の媒体による腐食を避けるため、一般的にはプラスチック，単なる金属構造，またはプラスチック-金属結合体からなるハウジング内に組み込むことが行われる。電気的接続には、一般的にコネクタ接続部および／または導電体リード（Leitungszufuhrungen）がこれらのハウジングに組み込まれる。このようなシステムの適合したシーリングは、ガスケット（Dichtungen），埋込用材料（Vergussmaterialien），および／または接着剤を用いて行われる。
【０００４】
しかしながら、プラスチックハウジングまたはポリマーハウジングを有するセンサシステムは、非常に高い温度の測定には用いられない。このようなプラスチックハウジングまたはポリマーハウジングを有するシステムの最高使用温度は、約２００℃〜２５０℃に制限されている。これに対して、実質的に温度に対しより安定な金属は、複雑なハウジング形状を実現することが極めて困難であり、このためアプリケーションのための多くの幾何形状的要求を満たすことができない。さらに金属ハウジングを有するセンサシステムは、腐食が発生するために、特に侵食性の媒体においては限定的にのみ使用することができる。このように構築されたシステムのもう１つの大きな欠点は、この追加の構造で決定される伝熱および使用される材料の小さな熱伝導によるこのシステムの応答時間の遅延である。
【０００５】
特許文献１には、金属ハウジングを有するセンサシステムが開示されている。
【０００６】
特許文献２には、セラミックスリーブを有するセンサシステム記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開公報第２４２０８０７Ａ２号
【特許文献２】特開第２０１０−０３２２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の少なくとも幾つかの実施形態の課題は、高い堅牢性および短い応答時間を備えた温度センサシステムを提供することである。さらに本発明のいくつかの実施形態での解決すべき課題は、温度センサシステムを製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これらの課題は、独立請求項に記載の物および方法によって解決される。本発明の有利な実施形態および変形実施例は、従属項および以下の記載と図から示される。
【００１０】
少なくとも１つの実施形態による温度センサシステムは、１つの第１のハウジングを備える。この第１のセラミックハウジング部は、第１の開口部を備えた下側の第１の端部と、第２の開口部を備えた上側の第２の端部とを有するスリーブ形状の下側部分、およびこの上側の第２の端部と結合されている上側部分を備える。
【００１１】
さらに、本発明による温度センサシステムは、上記の第１のセラミックハウジング部の下側部分に少なくとも部分的に配設されている温度プローブ素子を備える。この温度センサシステムは、１つのセラミックセンサ素子ハウジング，このセンサ素子ハウジング内に配設されているセンサ素子，および電気配線を備える。ここでこのセンサ素子ハウジングは、上記の第２の開口部に少なくとも部分的に配設されている。具体的にはこのセンサ素子ハウジングは、上記のスリーブ形状の下側部分に部分的に配設されており、またこのスリーブ形状の下側部分から部分的に突出している。好ましくはこのセラミックのセンサ素子ハウジングおよび第１のセラミックハウジング部は、異なる熱伝導率を有する。
【００１２】
１つのとりわけ好ましい実施形態によれば、上記のセラミックのセンサ素子ハウジングは、上記の第１のセラミックハウジング部より大きな熱伝導率を有する。もう１つの実施形態によれば、上記のセンサ素子ハウジング内に配設されたセンサ素子は、セラミックサーミスタ素子として実装されている。たとえばこのセンサ素子は、ＮＴＣサーミスタ素子（ＮＴＣ＝“negative temperature coefficient”）、すなわち高温導電体（Heisleiter）であってよい。ＮＴＣサーミスタ素子は、とりわけその小さな製造コストを特徴としている。ＮＴＣサーミスタ素子のさらにもう１つの利点は、たとえば熱電対または金属抵抗素子とは逆に、たとえばＰｔ素子のように、顕著に負の抵抗温度特性を有していることである。さらにこのセンサ素子がＰＴＣサーミスタ（ＰＴＣ＝“positive temperature coefficient”）、すなわち低温導電体（Kaltleiter）で実装されることも可能である。
【００１３】
もう１つの実施形態によれば、上記のセンサ素子は、このセンサ素子の少なくとも１つの側面が、上記のセンサ素子ハウジング内に配設され、このセラミックのセンサ素子ハウジングへの直接的な嵌合接続となるように配設される。たとえば、このセンサ素子は、複数の側面を備え、少なくとも１つの側面は全面的にセンサ素子ハウジングの内壁と直接接続している。ここで好ましくはこのセンサ素子ハウジングの内壁は、この領域においてその形状がセンサ素子の側面に合わせられており、これによってこのセンサ素子とセラミックハウジングの内壁との間の嵌合接続（formschlussige Kontakt）となっている。このセンサ素子ハウジングと直接接続しかつ嵌合接続しているセンサ素子の側面とセラミックハウジングとの間には、たとえば特に埋込用材料（Vergussmaterialien）または熱伝導ペーストのような他の部材は全く配設されていない。
【００１４】
もう１つの実施形態によれば、センサ素子ハウジングは、大きな熱伝導率を有する構造セラミック材料（strukturkeramisches Material）を含むかあるいはこのような材料から成っている。好ましくは、このセンサ素子ハウジングは、酸化アルミニウムを含んでいる。このようなセンサ素子ハウジングは、有利にはとりわけ大きな熱伝導率を特徴とする。このセンサ素子ハウジングは、異なる品質の酸化アルミニウムを含んでよい。たとえばこのセンサ素子ハウジングは、少なくとも９５％〜９９．９％またはこれ以上の純度を有する酸化アルミニウムを含んでいてよい。この際この材料の純度と共に、機械的強度および化学的耐性に関するセラミックハウジングの堅牢性が向上し、また熱伝導率は増大する。１つのとりわけ好ましい実施形態によれば、このセンサ素子ハウジングは酸化アルミニウムから成る。代替としてこのセンサ素子ハウジングは、他のセラミック材料、たとえば窒化アルミニウムまたは炭化ケイ素を含み、あるいはこれからなっていてよい。
【００１５】
有利には、本発明による温度センサシステムは、たとえばこのセンサ素子ハウジングの壁厚および材料に依存して、非常に小さな応答時間、好ましくは３秒未満の応答時間を備えている。この応答速度は、好ましくは１秒未満となっており、たとえばこのセンサ素子ハウジングが極めて薄い壁厚を備える場合は、実際には数ミリ秒程度にもなる。
【００１６】
もう１つの実施形態によれば、このセンサ素子ハウジングは射出成型ハウジングである。このセンサ素子ハウジングは、具体的にはセラミック射出成形技術を用いて、たとえばいわゆるセラミック微小射出成形技術を用いて製造されていてよい。このセラミック微小射出成形技術を用いて、センサ素子の非常に小さな寸法に合わせたセンサ素子ハウジングのハウジング形状を、精密に再現性良くかつ非常に大きな機械的強度を備えて製造することができ、これにより標準化された構造形状が可能となる。
【００１７】
もう１つの実施形態によれば、センサ素子は、Ｙ，Ｃａ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｏの元素を含むペロブスカイト構造を有する。さらにこれらのペロブスカイトをベースにしたセンサ素子は、元素Ｓｎを含んでよい。
【００１８】
もう１つの実施形態によれば、センサ素子は、一般化学式ＡＢＯ3のペロブスカイト構造を有する１つのセラミック材料を含む。特に、高い適用温度に適合した、高温安定な温度プローブとするには、このようなセンサ素子が好ましい。とりわけ好ましくはこのセンサ素子は、（Ｙ1-xＣａx）（Ｃｒ1-yＡｌy）Ｏ3の組成を有し、ｘ＝０．０３〜０．０５およびｙ＝０．８５である。
【００１９】
もう１つの実施形態によれば、センサ素子は、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｏの元素を含むスピネル構造を有する。これらのスピネル構造をベースにしたセンサ素子は、さらに１つ以上の以下の元素を含んでよい。Ａｌ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｇ。
【００２０】
もう１つの実施形態によれば、センサ素子は、一般化学式ＡＢ2Ｏ4あるいはＢ（Ａ，Ｂ）Ｏ4のスピネル構造を有する１つのセラミック材料を含む。このようなセンサ素子は、具体的には低い適用温度が好ましい。１つのとりわけ好ましい実施形態によれば、機能セラミックのセンサ素子は、Ｃｏ3-(x+y)ＮｉxＭｎyＯ4の組成を有し、ｘ＝１．３２およびｙ＝１．３２である。
【００２１】
もう１つの実施形態によれば、センサ素子ハウジングは０．１ｍｍ〜１ｍｍの壁厚を備える。これは特に、このセンサ素子ハウジングが少なくとも０．１ｍｍ〜１ｍｍの厚さの壁厚を備えていることを意味する。好ましくは、このセンサ素子ハウジングは、どの部分でも上記の領域の壁厚を備えている。とりわけ好ましい実施形態によれば、センサ素子ハウジングは０．３ｍｍ〜０．７ｍｍの壁厚を備える。このようなセンサ素子ハウジングの壁厚によって、温度プローブのとりわけ小さな応答時間が達成され得る。
【００２２】
もう１つの実施形態によれば、上記の電気配線は、２つの接続部材として実装されており、これらの接続部材は、上記のセンサ素子と接続されている。好ましくはこれらの接続部材は、腐食されにくい熱的に安定な材料を含んでいる。たとえばこれらの接続部材は、たとえば白金，金，銀，またはクロムおよび／またはニッケルの含有率が高い好ましくは高温で安定なスチール合金（Stahllegierungen；複数）であってよく、またはこれらの材料の１つから成っていてよい。
【００２３】
もう一つの実施形態によれば、これらの接続部材は接続ワイヤとして実装されている。たとえばこれらの接続部材は、ニッケルで被覆された導線、または他の上記の金属の１つ以上から形成されていてよい。
【００２４】
もう１つの他の実施形態によれば、本発明によるセンサ素子は２つの電極を備える。これらの電極は、好ましくはこのセンサ素子の２つの対向する側面に取り付けられている。好ましくは上記の接続部材は、それぞれ焼成されたメタライジングペーストを用いてこのセンサ素子の電極の１つに電気的に導通して接続されている。センサ素子のこれらの電極は、たとえば温度プローブの最高使用温度に依存して、金属，たとえば白金，金，銀，またはたとえば銀−パラジウム等の合金を含み、あるいはこれらから成っていてよい。センサ素子のこれらの接続部材間およびこれらの電極間での電気的接続に用いられるメタライジングペースト（複数）は、好ましくはたとえば金，銀，または白金のような貴金属を含みあるいはこれらから成っている。さらにこれらのメタライジングペーストは、銅，モリブデン，またはタングステン，またはたとえば銀−パラジウム等の合金を含み、あるいはこれらから成っていてよい。
【００２５】
さらにもう１つの実施形態では、センサ素子ハウジングは、ガラスシールによって背面で封止されている。好ましくは上記の接続部材は、このガラスシールから突出し、こうしてセンサ素子ハウジングの内側からこのガラスシールを貫通して外部に達している。このガラスシールは、たとえばアルカリ金属酸化物および／または重金属酸化物の無い、センサ素子ハウジングの材料に合った膨張率を有するガラスを含む。有利には、このガラスシールに用いられる材料は、温度プローブの最高使用温度より少なくとも５０℃高い軟化温度を有する。
【００２６】
もう１つの実施形態によれば、第１のセラミックハウジング部の上側部分は凹部（複数）を備え、これらの凹部に温度プローブ素子の電気配線が少なくとも部分的に配設されて引回されている。これらの凹部は、たとえば内部にあるポケット部（Taschen；複数）または沈下部（Vertiefungen；複数）の形態で実装されていてよく、これらは上記の電気配線の引回しおよび収容に用いられる。
【００２７】
もう１つの実施形態によれば、第１のセラミックハウジング部の下側部分および上側部分は、一体に形成されている。たとえばこの下側部分および上側部分は、１つの共通な製造プロセスで製造されていてよい。具体的には、この下側部分および上側部分は、たとえば固定具を用いた結合方法で互いに結合された、２つの別々に製造された部品ではない。上記の第１のセラミックハウジング部の下側部分と上側部分との間には接合部分が存在しないので有利である。
【００２８】
もう１つの実施形態によれば、第１のセラミックハウジング部は１つの射出成型部品である。たとえばこの第１のセラミックハウジング部は、いわゆるセラミック射出成形技術を用いて製造されていてよい。このセラミック射出成形技術を利用して、非常に複雑で、カストマの要求に合った、高い機械的強度を備えたセラミックハウジング構造を高精度かつ再現性良く製造することができ有利である。
【００２９】
もう１つの実施形態によれば、第１のセラミックハウジング部は、小さな熱伝導率を有する材料を含む。好ましくはこの第１のセラミックハウジング部は、ムライト，ステアタイト，または酸化ジルコニウムを含み、あるいはこれらの材料の１つから成っている。有利には熱伝導性の悪いセラミック材料の使用によって、この温度センサシステムの応答時間の遅延をもたらしかねない上記の第１のセラミックハウジングを介した大きな熱の放散が防がれる。
【００３０】
加えて、より少ない熱が外部に放散されて、電気配線の領域での温度の低下が少ないようにすることが達成される。上記の材料は、非常に大きな機械的強度を有し、本発明によるセンサシステムに必要な機械的安定性を与え、そのアプリケーションにおいて要求される負荷条件を満たす。たとえば安定化された酸化ジルコニウムの使用により、極めて大きな機械的および／または化学的負荷を有するとりわけ厳しい使用条件への適用が可能となる。
【００３１】
もう１つの実施形態によれば、このセラミックのセンサ素子ハウジングは、周回する突出部を備える。好ましくはこの突出部は、接着結合を用いて、上記の第２の開口部と嵌合して結合されている。
【００３２】
もう１つの実施形態によれば、本発明による温度センサシステムは、第２のセラミックハウジング部を備え、この第２のセラミックハウジング部は、上記の第１のセラミックハウジング部の上側部分と結合されている。この第２のセラミックハウジング部は、好ましくはこの温度センサシステムを封止している。この上側部分は、たとえば１つの延長部を備え、この延長部は、上記のスリーブ形状の下側部分の開放された上側端部の中に突き出しており、これを用いてこの上側部分は当該下側部分に固定することができる。好ましくはこの延長部は凹部（複数）を備え、これらの凹部に温度プローブ素子の電気配線（複数）が、少なくとも部分的に配設されて引回されている。このようにして上記の第１のセラミックハウジング部および第２のセラミックハウジング部には、一体化された、好ましくは上記の電気配線に幾何形状的に合わせられた配線ガイド部が設けられている。さらにこの第１と第２のセラミックハウジング部は、シール面（複数）が設けられてよく、これらのシール面は、たとえば接着用の結合材料で充たされてよい。
【００３３】
もう１つの実施形態によれば、第２のセラミックハウジング部は、第１のセラミックハウジング部と同じ材料を含んでいる。この第２のセラミックハウジング部は、好ましくは第１のセラミックハウジング部と同様に、セラミック射出成型技術を用いて製造することができる射出成型部品である。
【００３４】
もう１つの実施形態によれば、第１および第２のセラミックハウジング部は、結合材料によって互いに結合されている。この結合材料は、たとえば温度センサシステムの使用温度に依存して、ポリマー，ガラス，またはセラミックの接着剤を含むか、あるいはポリマー，ガラス，またはセラミックの接着剤であってよい。好ましくは第１および第２のセラミックハウジング部は、この結合材料を用いて、シール面の圧力嵌め（kraftschlussig）および形状嵌め（formschlussig）で互いに結合されている。
【００３５】
もう１つの実施形態によれば、本発明による温度センサシステムは、埋込用材料を備え、この埋込用材料は第１のセラミックハウジング部の下側部分に配設されており、温度プローブ素子は、好ましくはこの下側部分から突出したセンサ素子ハウジングの領域を除いて部分的に包囲されている。この埋込用材料は、たとえばポリマーであってよく、好ましくは温度安定なポリマー，ガラス，または、たとえばアルミナセメント（Aluminiumoxidzement）のようなセメント状の材料を含んでよく、あるいはこれらの材料の１つから成っていてよい。この際この埋込用材料は、特にこの温度センサシステムの使用温度に依存して選択される。たとえばこの埋込用材料は、３００℃までの使用温度では温度安定なポリマーを含むか、あるいはこれから成っていてよい。１０００℃までの使用温度では、特にガラスまたはセメント状の材料が好ましい。
【００３６】
もう１つの実施形態によれば、上記の埋込用材料と結合材料は、同じ材料を含んでいる。たとえば埋込用材料として、接着性を有する温度安定な埋込用材料が使用されてよい。上記の第１および第２のセラミックハウジング部の接着用の材料は、同時に上記の電気配線（複数）および／またはこれらの電気配線によって接続される接続ケーブルの固定、および／またはこれらの電気配線および配線ガイド部の接続部位への充填に用いられる。
【００３７】
ここに記載する温度センサシステムの利点は、このハウジングの極めて精度の高い実装にあり、これは追加のシステム部材無しに、容易かつ標準化された取付を可能とする。同時に、非常に短い応答時間、非常に大きな機械的および化学的堅牢性、および極めて長期の安定性を備えている。
【００３８】
さらに本発明は、および温度センサシステムの製造方法に関する。この製造方法で製造された温度センサシステムは、上述の実施形態の１つ以上の特徴を備えることができる。以上および以下に記載する実施形態は、温度センサシステムに有効であり、およびまたこの圧力センサの製造方法にも同様に有効である。
【００３９】
１つの実施形態によれば、セラミックのセンサ素子ハウジングおよび第１と第２のセラミックハウジング部を有する温度プローブ素子が準備される。この第１および第２のセラミックハウジング部は、たとえばセラミック射出成型技術を用いて製造されていてよい。この際、有利にはムライト，ステアタイト，または安定化された酸化ジルコニウム，および有機バインダ剤を含む、構造セラミック粉末を含むセラミック工業原料が用いられ、適合した形状に射出成型される。これより生成される、いわゆるグリーン体は、続いて脱バインダ工程で殆ど有機成分が取り除かれる。この脱バインダ工程は、２段階すなわち水性および熱的な工程であるか、または１段階すなわち熱的な工程のみである。この後この脱バインダされたグリーン体は、適合した温度で焼成される。
【００４０】
上記の温度プローブ素子のセラミックのセンサ素子ハウジングは、好ましくは同様にセラミック射出成型技術を用いて製造される。この際、構造セラミック粉末を含むセラミック工業原料、たとえば酸化アルミニウム粉末，窒化アルミニウム粉末，または炭化ケイ素粉末，および有機バインダ剤が、適合した形状に射出成型される。このいわゆるグリーン体は、続いて脱バインダ処理において、殆ど有機成分が除去される。ここでもこの脱バインダ処理は２段階または１段階であってよい。この後、この脱バインダされたグリーン体は、適合した温度、たとえば酸化アルミニウムの場合は純度によって１６００℃〜１７００℃で焼結される。
【００４１】
もう１つの実施形態によれば、上記の準備されたセンサ素子は、このセンサ素子の少なくとも１つの側面が、このように製造されたセンサ素子ハウジング内に配設され、このセンサ素子ハウジングへの直接的な嵌合接続となるように配設される。さらに温度プローブ素子の電気配線を形成する接続部材（複数）がそれぞれ、このセンサ素子をセンサ素子ハウジングに配設した後に、メタライジングペーストを用いてこのセンサ素子と電気的に導通して接続される。たとえばこのメタライジングペーストは、上記の沈下部の側部ポケットに投入され、続いて上記の接続部材がこの側部ポケットに取り付けられてよく、こうしてこの接続部材（複数）の端部がそれぞれこのメタライジングペーストの中に埋設される。好ましくは、このメタライジングペーストは、続いて、使用されているメタライジングペーストの材料に依存して適合した温度で焼成される。
【００４２】
さらにもう１つの実施形態では、センサ素子ハウジングの開口部は、ガラスペーストによって封止される。続いてこのガラスペーストは、適合した温度で焼成される。好ましくは、このガラスペーストに用いられるガラス材料は、温度プローブの将来の使用温度に基づいて調整され、この温度プローブの最高使用温度より少なくとも５０℃高い軟化点ＴＧを備える。
【００４３】
もう１つの実施形態によれば、僅かな抵抗誤差の調整のために、この後のテンパリング処理（Temperprozess）によってこの素子の抵抗は限られた範囲で再調整される。
【００４４】
続いてこうして製造された温度プローブ素子は、上記の第１のセラミックハウジング部のスリーブ形状の下側部分の中に配設されて、上記のセンサ素子ハウジングが少なくとも部分的に上記の第１の開口部に配設されるようにされる。この際好ましくはこのセンサ素子ハウジングの一部が、第１のセラミックハウジング部のスリーブ形状の下側部分から突出している。この後埋込用材料が、この第１のセラミックハウジング部の中に、この温度プローブ素子が少なくとも部分的にこの埋込用材料の中に埋設されるように投入される。この後上記の電気配線が、この第１のセラミックハウジング部の上側部分の凹部内に配設される。続いてこの第１のセラミックハウジング部の上側部分は、１つの結合材料を用いて上記の第２のセラミックハウジング部と結合される。
【００４５】
もう１つの実施形態によれば、埋込用材料は上記の第１のセラミックハウジング部の中に、上記のセンサ素子ハウジングがこの埋込用材料によって部分的に包囲されるように投入される。好ましくは特にこのセンサ素子ハウジングがスリーブ形状の下側部分の中に配設された部分は、この埋込用材料によって包囲されている。さらに上記の電気配線が、この第１のセラミックハウジング部の上側部分の凹部の中に配設される。続いてこの第１のセラミックハウジング部の上側部分は、たとえばポリマー，ガラス，またはセラミック接着材を含む結合材料を用いて、上記の第２のハウジング部と結合される。１つの好ましい実施形態によれば、上記の埋込用材料と結合材料は、同じ材料を含んでいる。
【００４６】
もう１つの実施形態によれば、上記の温度センサ素子の電気配線（複数）は、硬ろう付け，圧着，または溶接を用いて接続される。さらに、好ましくはこれらの電気配線および／または接続ケーブルの一部の領域が、第２のセラミックハウジング部との上記の上側部分の結合の前に、上記の第１のセラミックハウジング部の上側部分の凹部（複数）の中に部分的に配設される。
【００４７】
もう１つの実施形態によれば、これらの接続ケーブルは、続いて第１および／または第２のセラミックハウジング部からの出口領域において、ポリマーまたはガラスを用いてシーリングされる。
【００４８】
本温度センサシステムのさらなる有利点および有利な実施形態を、図１〜１２に記載した実施形態を参照して、以下に示す。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】１つの実施例による温度センサシステムの概略外観図である。
【図２】１つの実施例による温度センサシステムの概略外観図である。
【図３】１つの実施例による温度センサシステムの概略外観図である。
【図４】１つの実施例による温度センサシステムの概略外観図である。
【図５】図１〜４の温度センサシステムの概略断面図である。
【図６】図１〜５の温度センサシステムを分解図で示した概略図である。
【図７】１つの実施例による温度プローブ素子の概略外観図である。
【図８】１つの実施例による温度プローブ素子の概略外観図である。
【図９】図７および８の温度プローブ素子の概略断面図である。
【図１０】図７〜９の温度プローブ素子の概略断面図である。
【図１１】図７〜９の温度ローブ素子を分解図で示した概略図である。
【図１２】もう１つの実施例による温度センサシステムの製造方法の図である。
【００５０】
実施例及び図において、同等の、または同等に機能する構成要素には同じ参照符号が付されている。図示されている要素及びそれら相互の大きさの関係は、基本的に寸法通りとはなっていない。むしろ、例えば層や部品や領域のような個々の要素は、より見易くするため、及び／またはよりよく理解されるように、誇張した厚みや大きさで表されている場合がある。
【００５１】
図１〜４は、ここに記載する１つの実施例による温度センサシステム１００の様々な外観図である。ここで図３に示す温度センサシステム１００は、第２のセラミックハウジング部３００が無い状態で示されている。図５は、図１〜４に示す温度センサシステム１００を断面図で示したものであり、図６はこの温度センサシステム１００を分解図で示したものである。以下の説明はこれらの図１〜６を同様に参照するものである。
【００５２】
温度センサシステム１００は、第１のセラミックハウジング部２００を備える。この第１のセラミックハウジング部２００は、第１の開口部２１１を備えた下側の第１の端部２１５、第２の開口部２１２を備えた上側の第２の端部２１６、およびこの上側の第２の端部２１６と結合されている上側部分２２０を有するスリーブ形状の下側部分２１０を備える。このスリーブ形状の下側部分２１０と上側部分２２０とで一緒に１つの「Ｌ形状」の本体を形成し、この本体は一体的に形成されている。第１のセラミックハウジング部２００は、セラミック射出成型方法によって製造されている１つの射出成型部品である。この第１のセラミックハウジング部２００は、ムライトを含む。代替としてこの第１のセラミックハウジング部２００は、ステアタイトまたは酸化ジルコニウムを含んでよく、あるいはこれらの材料の１つからなっていてよい。
【００５３】
セラミックのセンサ素子ハウジング３，このセンサ素子ハウジング３の中に配設されたセンサ素子２，および電気配線４を備える温度プローブ素子１は、少なくとも部分的に第１のセラミックハウジング部２００の下側部分２１０の中に配設されている。このセラミックのセンサ素子ハウジング３は、第１のセラミックハウジング部２００より大きな熱伝導率を有する。１つの実施例による温度プローブ素子１の詳細な構成について、図７〜１１を参照して以下に説明する。
【００５４】
温度プローブ素子１のセンサ素子ハウジング３は、少なくとも部分的に第１の開口部２１１に配設されている。この際温度センサ素子３は、下側端部２１５で、スリーブ形状の下側部分２１０内に部分的に配設されており、かつ部分的にこの第１の開口部２１１から突出している。センサ素子２と接続されている電気配線４は、上側の第２の端部２１６の方向に延びている。
【００５５】
第１のセラミックハウジング部２００の上側部分２２０は、凹部（複数）２２１を備え、これらの凹部には、上記の温度プローブ素子１の電気配線４が、少なくとも部分的に配設されて引回されている。この第１のセラミックハウジング部２００の下側部分２１０および上側部分２２０は、一体的に形成されている。第１のセラミックハウジング部２００は、セラミック射出成型方法を用いて製造されている１つの射出成型部品である。この第１のセラミックハウジング部は、ムライトを含む。代替としてこの第１のセラミックハウジング部２００は、ステアタイト，酸化ジルコニウムを含んでよく、あるいはこれらの材料の１つから成っていてよい。
【００５６】
温度センサシステム１００は、さらに上記の第１のセラミックハウジング部２００の上側部分２２０と結合されている、第２のセラミックハウジング部３００を備える。この第２のセラミックハウジング部３００は、凹部（複数）３２１を有する１つの延長部３０１を備え、これらの凹部に、上記の電気配線が少なくとも部分的に配設されて引回されている。この第２のセラミックハウジング部３００は、同様にムライトを含み、また射出成型部品として製造されていてもよい。
【００５７】
第１および第２のセラミックハウジング部２００，３００は、結合材料５００を用いて互いに結合されている。この結合材料５００は、ポリマーを含んでいる。代替としてこの結合材料５００は、ガラスまたはセラミックの接着材を含んでよく、あるいはこれらの材料の１つから成っていてよい。
【００５８】
上記の第１のセラミックハウジング部２００のスリーブ形状の下側部分２１０内には、埋込用材料４００が配設されており、この埋込用材料は温度プローブ素子１を部分的に包囲して固定している。この埋込用材料４００は、ポリマーを含んでいる。代替としてこの埋込用材料４００は、ガラスまたはセメント状の材料、たとえばアルミナセメントを含んでよく、あるいはこれらの材料の１つから成っていてよい。
【００５９】
電気配線４は、硬ろう付けを用いて温度安定な接続ケーブル６００と接続されている。代替として、電気配線４は、圧着または溶接を用いて接続されていてよい。これらの接続ケーブル６００は、ポリマーから成る被覆部を備える。さらに、これらの接続ケーブル６００の被覆部がガラスファイバーから成っていてよく、あるいはこれらの接続ケーブル６００が金属被覆された無機絶縁ケーブルとして実装されていてよい。これらの接続ケーブル６００は、圧着を用いてコネクタ接続部８００に接続されている。代替として、この接続ケーブル６００とコネクタ接続部８００との接続は、はんだ付けまたは溶接を用いて行われてよい。
【００６０】
温度センサシステム１００は、出口領域７００を備え、ここで上記の第１および第２のセラミックハウジング部２００，３００から上記の接続ケーブル６００が出されている。この出口領域７００は、ポリマーを含むシーリング９００を用いて封止されている。代替としてこのシーリング９００は、ガラスまたはセラミックの埋込用材料を含んでよく、あるいはこれらの材料の１つから成っていてよい。
【００６１】
以下に図７〜１１を参照して、上記の第１のセラミックハウジング部のスリーブ形状の下側部分２１０に配設される温度プローブ素子１について説明する。
【００６２】
図７および８は、１つの実施例による温度プローブ素子１を異なる方向からみた概略外観図である。図７および８に示されていないこの温度プローブ素子１の部材は、図９の温度プローブ素子１の断面図，図１０のセンサ素子ハウジング３の概略図，および図１１の温度プローブ素子１の分解図に示されている。以下の説明はこれらの図７〜１１を同様に参照するものである。
【００６３】
温度プローブ素子１は、ＮＴＣサーミスタ素子として実装されているセンサ素子２、およびセンサ素子ハウジング３を備える。このセンサ素子２は、このセンサ素子２の１つの側面２０がセラミックハウジング３、特にこのセンサ素子ハウジング３の底面３１１と直接接続されるように、かつ嵌合接続されるように、このセンサ素子ハウジング３内に配設される。このセンサ素子ハウジング３は、９５％以上の純度の酸化アルミニウムを含み、射出成型ハウジングとして実装されており、この射出成型ハウジングは、いわゆるセラミック微小射出成形技術を用いて製造されている。代替として、このセンサ素子ハウジング３は、１つ以上の別の、好ましくは熱伝導が良好なセラミック材料を含んでよい。特にこのセンサ素子ハウジング３は、第１のセラミックハウジング部２００の材料より大きな熱伝導率を備える。
【００６４】
このセンサ素子は、ここに示す実施例においては、ペロブスカイト構造を有するセラミックを含む。具体的には、このセンサ素子のセラミックは、（Ｙ1-xＣａx）（Ｃｒ1-yＡｌy）Ｏ3の組成を有し、ｘ＝０．０３〜０．０５およびｙ＝０．８５である。これによりこの温度プローブ素子１は、とりわけ高温でのアプリケーションに適している。代替としてこのセンサ素子は、特に温度プローブ素子１の適用温度が低い場合には、スピネル構造を有するセラミックを含んでよい。たとえばこのセンサ素子のセラミックは、化学式ＣＯ3-(x+y)ＮｉxＭｎyＯ4の組成を有し、ｘ＝１．３２およびｙ＝１．３２である。
【００６５】
センサ素子ハウジング３は、１つの開口部３０を備え、この開口部によってこのセンサ素子ハウジング３は片側で開口している。このセンサ素子ハウジング３の内側には、キャビティ３１が形成されており、このキャビティは、開口部３０に対向する、段形状の沈下部３１２を有する底面３１１を備える。センサ素子２は、少なくとも部分的にこの沈下部３１２に沈み込んで配設されている。詳細にはこのセンサ素子２は沈下部３１２の主領域３１３に配設されており、この主領域は形状および大きさがこのセンサ素子２の長さおよび幅に合わせられている。この沈下部３１２の主領域３１３には、この主領域３１３の２つの対向した側面にそれぞれ１つの側部ポケット３１４が接している。これらの側部ポケット３１４は、キャビティ３１内の主領域３１３と同じ深さの領域となっている。開口部３０の中を見ると、この主領域３１３は、これらの側部ポケット３１４の間に沈下した領域を備え、この沈下した領域は、段形状となってこのキャビティ３１の他の領域に接しており、その底面３１１は、開口部３０から見て、側部ポケットより大きな深さを備えている。
【００６６】
温度プローブ素子１は、電気配線（複数）４を備え、これらは接続部材として実装されており、それぞれ少なくとも部分的に側部ポケット３１４の１つに配設されている。これらの接続部材は、それぞれのもう一方の端部で、センサ素子ハウジング３から突出しており、こうしてこの温度プローブ素子１の外部接続部として用いられる。これらの接続部材は、白金を含んでいる。代替としてこれらの接続部材は金，銀，または他の貴金属を含むかあるいはこれらから成っていてよく，または他に合金、好ましくはたとえばクロムおよび／またはニッケルの含有率が高い、高温安定なスチール合金を含むかあるいはこれから成っていてよい。
【００６７】
センサ素子２は、２つの対向するある側面にそれぞれ１つの電極２１を備える。このセンサ素子２のこれらの電極２１は、白金を含んでいる。代替としてこれらの電極２１は、金または銀または銀−パラジウムを含むかあるいはこれから成っていてよい。これらの接続部材はそれぞれ、側面３１４に配設されている１つの焼成されているメタライジングペースト５を用いて、それぞれセンサ素子２の１つの電極２１と電気的に導通して接続されている。これらのメタライジングペースト５は、側部ポケット３１４内でのこれらの接続部材の固定ならびにこのセンサ素子２の接続部材と電極２１の間の電気的接続に用いられる。図示された実施例においては、メタライジングペースト５は金を含んでいる。代替としてこれらのメタライジングペースト５は、銀，白金，銅，モリブデン，またはタングステン，または銀−パラジウムを含むかあるいはこれから成ってよい。
【００６８】
センサ素子ハウジング３は、開口部と反対側でその外面に丸くなった端部を備える。さらにこのセンサ素子ハウジング３は、開口部３０に接する突出部３２を備える。この突出部３２は、周回する帯状部として実装されており、上記のスリーブ形状の下側部分２１０の下側端部２１５の第２の開口部２１２と、接着結合を用いて嵌合して結合されている。
【００６９】
さらにこのセンサ素子ハウジング３は、背面でガラスシール６を用いて封止されており、これを貫通して接続部材４が突出している。温度プローブ素子１は、その構造および使用されている材料のおかげで、良好な長期耐媒体性，高い堅牢性，および非常に小さな応答速度を特徴とする。
【００７０】
本発明による温度プローブ素子１のセンサ素子２は、約０．８５ｍｍ×０．７ｍｍ×０．７ｍｍの寸法を備えている。この温度プローブ素子１のセンサ素子ハウジング３は、約２．５ｍｍ×２．３ｍｍ（直径×高さ）の最大外寸を備えている。さらにこのセンサ素子ハウジング３は、０．１ｍｍ〜１ｍｍの壁厚を備えている。この温度プローブ素子１の長さは、上記の接続部材を含めて約１０．８ｍｍとなっている。
【００７１】
ここで記載する温度センサシステム１００は、非常に短い応答時間、非常に大きな機械的および化学的堅牢性、および良好な長期安定性を備えており、有利である。以上により本発明による温度センサシステム１００は、高い適用温度でも、また特に侵食性の媒体あるいはガスにおいても使用することができる。この温度センサシステム１００のさらなる利点は、このハウジングの極めて精度の高い実装にあり、これは追加のシステム部材無しに、容易かつ標準化された取付を可能とする。
【００７２】
図１２は、ここで説明した１つの実施例による温度センサシステム１００の製造方法を示す。ここで第１の方法ステップＡにおいて、温度プローブ素子１および第１と第２のセラミックハウジング部２００，３００が準備される。以下で用いられる参照番号は、図１〜１１の実施例でのものである。
【００７３】
第１および第２のセラミックハウジング部２００，３００は、好ましくはセラミック射出成型技術を用いて製造される。この際、ムライトおよび有機バインダ剤から成る構造セラミック粉末を含むセラミック工業原料が用いられ、所望の形状に射出成型され、これによって生成されるグリーン体は、続いて脱バインダ処理でほとんど有機成分が除去される。この後この脱バインダされたグリーン体は、適合した温度で焼結される。
【００７４】
この温度プローブ素子１の製造において、セラミックの出発材料は、セラミック射出成形方法を用いて１つのグリーン体に成形され、続いてこのグリーン体はセンサ素子ハウジング３に焼結される。この際好ましくはこのグリーン体は、焼結の前に、１段階または２段階の脱バインダ処理を用いて有機成分が取り除かれる。この後準備されたセンサ素子２は、上記のようにセンサ素子ハウジング３内に配設される。続いて、メタライジングペースト５が、センサ素子ハウジング３の側部ポケット３１４に投入され、この後電気配線（複数）４がこの側部ポケット３１４の中に配設され、こうしてこれらの電気配線４の端部は、メタライジングペースト５の中に埋設される。この後、このメタライジングペースト５は焼成される。これに続いて、このセンサ素子ハウジング３は、ガラスペースト６を用いて背面で封止され、続いてこのガラスペースト６は焼成される。
【００７５】
このように製造された第１および第２のセラミックハウジング部２００，３００とこのように製造された温度プローブ素子１を準備した後、これに続く方法ステップＢにおいて、この温度プローブ素子１は、上記のセンサ素子ハウジング３が、部分的に上記の第１の開口部２１１に配設されて部分的に上記のスリーブ形状の下側部分２１０から突出するように、このスリーブ形状の下側部分２１０の中に配設される。
【００７６】
この後方法ステップＣにおいて、埋込用材料４００がこの第１のセラミックハウジング部２００の中に、具体的には上記のスリーブ形状の下側部分２１０内に投入され、この温度プローブ素子１は、センサ素子ハウジング３の第１の開口部２１１から突出するまでの部分が埋込用材料４００によって包囲される。この埋込用材料４００は、好ましくはポリマーを含んでいる。代替としてこの埋込用材料４００は、ガラスまたはセメント状の材料、たとえばアルミナセメントを含んでよく、あるいはこれらの材料の１つから成っていてよい。
【００７７】
これに続く方法ステップＤにおいて、温度プローブ素子１の電気配線４の一部が、上記の第１のセラミックハウジング部２００の上側部分２２０の凹部２２１の中に配設される。
【００７８】
この後この第１のセラミックハウジング部２００の上側部分２２０は、方法ステップＥにおいて、たとえばポリマー，ガラス，またはセラミックの接着材を含む結合材料５００を用いて、第２のセラミックハウジング部３００と結合され、ここで電気配線４の部分は上記の第２のセラミックハウジング部３００の延長部３０１の凹部３２１で引回される。続いて出口領域７００が、ポリマーを含むシーリング９００を用いて封止される。代替としてこのシーリング９００は、ガラスまたはセラミックの埋込用材料を含んでもよく、あるいはこれらの材料の１つから成っていてもよい。
【００７９】
上記の図に示された実施例においては、代替としてまたは追加的に発明の概要に記載された実施例による他の特徴を備えてよい。
【００８０】
本発明は、実施例を参照した説明によってこれらの実施例に限定されているのではなく、すべての新規な特徴及び特徴のすべての組み合わせを包含する。これは具体的には請求項（複数）中の特徴のすべての組み合わせを含み、この特徴ないしこの組み合わせ自体が請求項（複数）ないし実施例中に明示されていない場合も含む。
【符号の説明】
【００８１】
１  ：  温度プローブ素子
２  ：  センサ素子
２０  ：  側面
２１  ：  電極
３  ：  センサ素子ハウジング
３０  ：  開口部
３１  ：  キャビティ
３１１  ：  底面
３１２  ：  沈下部
３１３  ：  主領域
３１４  ：  側部ポケット
３２  ：  突出部
４  ：  電気配線
５  ：  メタライジングペースト
６  ：  ガラスシール
１００  ：  温度センサシステム
２００  ：  第１のセラミックハウジング部
２１０  ：  下側部分
２１１  ：  第１の開口部
２１２  ：  第２の開口部
２１５  ：  下側の第１の端部
２１６  ：  上側の第２の端部
２２０  ：  上側部分
２２１，３２１  ：  凹部
３００  ：  第２のセラミックハウジング部
３０１  ：  延長部
４００  ：  埋込用材料
５００  ：  結合材料
６００  ：  接続ケーブル
７００  ：  出口領域
８００  ：  コネクタ接続部
９００  ：  シーリング
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ  ：  方法ステップ
【図１】
2015534083.tif 000003
【図２】
2015534083.tif 000004
【図３】
2015534083.tif 000005
【図４】
2015534083.tif 000006
【図５】
2015534083.tif 000007
【図６】
2015534083.tif 000008
【図７】
2015534083.tif 000009
【図８】
2015534083.tif 000010
【図９】
2015534083.tif 000011
【図１０】
2015534083.tif 000012
【図１１】
2015534083.tif 000013
【図１２】
2015534083.tif 000014
【国際調査報告】
2015534083.tif 000015
2015534083.tif 000016
2015534083.tif 000017
2015534083.tif 000018