DE19957991A1 - Anordnung einer Heizschicht für einen Hochtemperaturgassensor - Google Patents

Abstract

Bei bekannten Hochtemperaturgassensoren kann die Betriebstemperatur an der Funktionsschicht des Sensors weder genau eingestellt oder gemessen noch exakt geregelt werden. Die neue Anordnung soll es ermöglichen, in der Funktionsschicht des Sensors die Arbeitstemperatur flächendeckend exakt einzustellen. DOLLAR A Zur Einstellung einer exakten Arbeitstemperatur über die ganze Funktionsschicht hinweg wird die Heizleiterbahn, die unter der Funktionsschicht angeordnet ist, so aufgebaut, dass sie unterschiedliche partielle Heizwiderstände in den verschiedenen Bereichen aufweist, indem die Pfadlänge und/oder die Breite der Heizleiterbahn von Teilabschnitt zu Teilabschnitt variiert werden. DOLLAR A Derartige Anordnungen werden vor allem für Hochtemperaturgassensoren benötigt, die im Abgas eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung einer Heizschicht für einen Hochtemperaturgassensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Sensoren, die im Abgas eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden, müssen nicht nur hochtemperaturstabil sein, sondern sie müssen üblicherweise auch auf eine bestimmte Betriebstemperatur eingeregelt werden, da sowohl die Temperatur des Abgases als auch der Abgasdurchsatz abhängig vom Betriebszustand des Motors sind und stark variieren. Üblicherweise werden solche Sensoren bei einigen hundert Grad Celsius betrieben. Ein typisches Beispiel dafür ist die λ-Sonde, die bei Temperaturen bis 1000°C betrieben werden kann.

Neuartige, planare Abgassensoren, die derzeit von verschiedenen Herstellern aufgebaut werden, bestehen aus einem Aufbau, wie er in Fig. 1a, 1b und 1c in verschiedenen Perspektiven dargestellt ist. Fig. 1a zeigt hierbei als Draufsicht die Oberseite des Sensors, Fig. 1b zeigt an der mit einer gestrichelten Linie markierten Schnittstelle den Sensor in Seitenansicht und Fig. 1c zeigt als Draufsicht die Unterseite des Sensors. Zur Orientierung ist ein Koordinatensystem mit einer x, y und z-Achse eingezeichnet. Die Figuren zeigen einen länglichen, rechteckförmigen Träger 1 auch Transducer genannt, der i.Allg. aus einem elektrisch isolierenden Substrat besteht, und auf dessen Unterseite 5, wie in Fig. 1b und 1c dargestellt, eine Heizschicht 8 aufgebracht ist. Diese Heizschicht 8 weist eine Heizleiterbahn 6 und einen Zuleitungsteil 2 auf. Die Heizleiterbahn 6 befindet sich auf der Sensorunterseite unter der Funktionsschicht 4, welche auf der Sensoroberseite 7 angeordnet ist. Die Funktionsschicht 4 bestimmt die speziellen Eigenschaften des Sensors, wie z. B. die Selektivität auf ein bestimmtes Gas oder Ähnliches. Auf der Sensoroberseite 7 ist dann eine den speziellen Anforderungen angepasste Elektrodenstruktur 3 unter der Funktionsschicht 4 aufgebracht. An der Sensorspitze 10 muss auf der Sensoroberseite 7 in dem Bereich, in dem die Funktionsschicht 4 aufgebracht ist, eine über den Ort konstante Temperatur herrschen. Diese wird mit Hilfe der Heizschicht 8 und eines Temperaturfühlers, der in dieser Abbildung nicht dargestellt ist und sich auf der Sensorunterseite befindet, erreicht. Dadurch wird die Funktionsschicht 4 auf eine bestimmte Temperatur, die sogenannte Betriebstemperatur, geregelt.

Eine weitere Funktion des länglich aussehenden Trägers ist es sicherzustellen, dass die Temperatur an der der Sensorspitze 10 abgewandten Seite, der sogenannten Sensoranschlussseite 9, so niedrig ist, dass kunststoffisolierte Kabel als Messleitung bzw. als Leistungszuleitung am Ende des Zuleitungsteils 2 der Heizschicht 8 angebracht werden können.

Für die Funktion des Sensors ist es von entscheidender Bedeutung wie konstant das Temperaturprofil an und über der Funktionsschicht 4 ist und wie genau die Betriebstemperatur geregelt werden kann.

Im Anwendungsbeispiel ist die Heizleiterbahn 6 als Heizmäander angeordnet. Das gleichmäßig zickzackförmige Mäanderband verläuft parallel zur y-Achse. Die konstante Höhe A des Mäanders entspricht hierbei der Länge L der darüber liegenden Funktionsschicht 4. Die Breite b der Heizleiterbahn 6 ist konstant. Die beiden Enden der Heizleiterbahn 6 sind mit dem Zuleitungsteil 2 der Heizschicht 8 verbunden. Das Zuleitungsteil 2 der Heizschicht 8 wird an die Sensoranschlussseite 9 geführt.

In der EP 0720018 A1 wird eine Heizschicht für einen Abgassensor offenbart, bei der die Heizleiterbahn 6 serpentinenförmig angeordnet ist. Der Abstand der Serpentinen untereinander ist immer der gleiche. Diese Form entspricht gleichfalls einem gleichmäßig modulierenden Mäanderband, das parallel zur y- Achse des Sensors verläuft.

In der US 5,430,428, DE 43 24 659 C1 und DE 198 30 709 werden gleichfalls Formen für den Verlauf der Heizleiterbahn in einem Abgassensor offenbart. Hierbei ist die Heizleiterbahn mäanderförmig angeordnet. Hierbei ist das gleichmäßig modulierende Mäanderband jedoch rechteckig angeordnet und verläuft auch parallel zur y-Achse des Sensors.

Bei all diesen Veröffentlichungen hat die Heizleiterbahn die Form eines gleichmäßig modulierenden Mäanderbands. Die Höhe A des Mäanderbands ist während des gesamten Verlaufs konstant.

Ein ähnlicher Aufbau von verschiedenen Gassensoren ist auch im Skript:

"Industrielle Gassensorik", insbesondere im Teil 4 von Ingrisch, K.: "Halbleiter Gassensoren" zum Lehrgang 22904/41.551 an der TAE Esslingen; Wiegleb, G. (Hrsg.); Esslingen 1997 und im SAE-Paper 960692 von Ingrisch, K. et al.: "Chemical Sensors for CO/NOx-Detection in Automotive Climate Control Systems" beschrieben.

Auch sind Anordnungen der Heizschicht 8 in Hochtemperaturgassensoren bekannt, bei denen die Heizleiterbahn 6 ein Mäanderband ausbildet, das beginnend am Zuleitungsteil 2 zuerst gleichmäßig modulierend auf der einen Seite parallel zur x-Achse und dann schnurgerade entlang der Sensorspitze parallel zur y-Achse und dann wieder an der anderen Seite gleichmäßig modulierend parallel zur x-Achse zurück zum Zuleitungsteil 2 verläuft. Die Breite b der Heizleiterbahn b wird nicht verändert. Die Länge L des Bereichs, in dem die Heizleiterbahn 6 angeordnet ist, entspricht der Länge L der darüber liegenden Funktionsschicht 4. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise in der DE 198 48 578 A1 offenbart.

Nachteilig bei all den vorab beschriebenen Anordnungen ist es, dass sich bedingt durch die gute Wärmeleitfähigkeit der üblicherweise verwendeten Al₂O₃-Substrate ein Temperaturgradient entlang der Längsachse x des Sensors ergibt. Dieser Temperaturgradient unterliegt sehr großen Schwankungen. So beträgt er üblicherweise bei einer Solltemperatur von z. B. 600°C ca. 80°C über die Länge L der Funktionsschicht 4, wie sie in Fig. 2b dargestellt ist. In Fig. 2b wird die Temperatur an verschiedenen Punkten auf der Sensoroberseite dargestellt.

Um die Temperaturverteilung auf der Sensoroberseite homogener zu machen wird in der EP 0477394 vorgeschlagen, die Heizleiterbahnen an der Sensorspitze in Form einer Leiter aufzubauen, wobei das Leitermuster eine Vielzahl parallel geschalteter Einzelleiter enthält, die so angeordnet werden können, dass über der Länge eine homogene Temperaturverteilung eingestellt werden kann. Hierbei kann sowohl die Breite bzw. der Querschnitt der verschiedenen Heizleiterbahnen und der Abstand zwischen zwei Heizleiterbahnen, welche die Sprossen des Leitergebildes darstellen, variieren.

Nachteilig bei dieser Veröffentlichung ist es jedoch, dass durch die Parallelschaltung sich der Widerstand der Heizleiterbahnen soweit erniedrigt, dass es nicht mehr möglich ist, bei gleichem spezifischen Widerstand des Heizleiterbahnwiderstands (i. A. Platin) einen Widerstand im Bereich von einigen Ohm herzustellen, da ansonsten die Schichtdicke der Struktur so dünn werden müsste, dass sie in Dickschichttechnik nicht mehr zu fertigen ist.

In der DE 195 23 301 wird eine Heizvorrichtung für einen Hochtemperaturmetalloxidsensor offenbart, bei der ein Substrat vorgesehen ist, auf dem, zusätzlich zu den beiden Zuleitungsteilen der Heizschicht, zwei Messleiterbahnen angebracht werden, die mit der Heizleiterbahn verbunden sind und bei der eine oder mehrere Anschlussleitungen an einem von der Heizleiterbahn möglichst weit entfernten Ort auf den Zuleitungsteil der Heizschicht befestigt sind. Diese Anordnung in Vierdrahttechnik ist als Ersatzschaltbild in Fig. 3 abgebildet. Das bedeutet, dass zusätzlich zu den breiten Zuleitungsteilen der Heizschicht zwei weitere Messleitungen eingebracht werden, an denen der Spannungsabfall über dem Heizwiderstand der Heizleiterbahn abgegriffen wird. Bei dieser Vorrichtung spielt es keine Rolle, wie groß die Widerstände R_Z1 und R_Z2 der Zuleitungsteile der Heizschicht sind, weil direkt die Spannung U_M am Heizwiderstand R_H der Heizleiterbahn abgegriffen wird. Da die Spannung U_M stromlos gemessen wird, fällt an den beiden Abgriffswiderständen R_M und R_A2 keine Spannung ab. Aus dem gemessenen Strom I₀ und der Spannung U_M kann der Widerstand mit R_H = U_M/I₀ ermittelt werden. Auch ist als Stand der Technik eine vereinfachte Ausführung davon bekannt, die sogenannte Dreidrahttechnik. Nimmt man die beiden Widerstände der Zuleitungsteile der Heizschicht als gleich an, kann man auf einen der beiden Spannungsabgriffe verzichten. Man muss dann nur noch die Gesamtspannung U₀ messen und erhält dann: R_H = (2 × U'_M-U₀)/I₀. Durch diese Dreidrahttechnik werden ein Messleiter und eine Anschlusskontaktierung eingespart.

Nachteilig bei dieser Veröffentlichung ist es jedoch, dass das Temperaturprofil des Sensors über die Länge L in x-Richtung nicht konstant ist und damit der Heizwiderstand der Heizleiterbahn nur als ein Mittelwert über den gesamten Bereich L anzusehen ist. Daher kann damit eine Regelung ebenfalls nur sehr ungenau aufgebaut werden. Dies ist besonders dann von Nachteil, wenn sich die Temperatur des Sensorgehäuses stark ändert, wie es z. B. im Abgas eines Automobils der Fall ist, da sich dann der Temperaturgradient über dem Sensorchip ebenfalls sehr stark verändert und sich somit R_H keiner Temperatur der Funktionsschicht zuordnen lässt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Heizleiterbahn/en so anzuordnen, dass an jeder Stelle der Funktionsfläche des Sensors die gleiche Temperatur herrscht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Grundlage zu schaffen, mit der eine exakte Temperaturbestimmung und damit verbunden eine genaue Temperaturregelung an der Funktionsfläche ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Hierbei weist die mäanderförmige Heizleiterbahn in verschiedenen Teilabschnitten bezüglich der x-Achse unterschiedliche partielle Heizwiderstände auf. Die Höhe des partiellen Heizwiderstandes ist abhängig vom Abstand zur Sensorspitze.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei nimmt der partielle Heizwiderstand in Richtung zur Sensorspitze ab. Dies wird dadurch erreicht, dass die Pfadlänge der Heizleiterbahn und damit des Mäanderbands, welche sich ergibt wenn man das Mäanderband, wie einen in sich verschlungenen Faden auseinanderziehen würde, von Teilabschnitt zu Teilabschnitt variiert. Auch kann die Breite der Heizleiterbahn allein oder zusammen mit der Pfadlänge in verschiedenen Teilabschnitten variieren. Des weiteren werden zusätzlich zu den Zuleitungen der Heizschicht Messzuleitungen mit aufgebracht, mit denen die exakte Temperatur erfasst werden kann, so dass eine genaue Temperaturregelung ermöglicht wird. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung lässt sich der zu messende Heizwiderstand einstellen, so dass mehrere Sensoren eine identische Widerstands/Temperaturkennlinie aufweisen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass der Sensor insbesondere die Funktionsfläche eines Hochtemperaturgassensors auf eine exakte Temperatur eingestellt werden kann, die dann an jedem Ort auf der Funktionsfläche herrscht. Die beheizte Fläche weist dann einen minimalen Temperaturgradienten auf. Die Temperaturmessung liefert genauere Ergebnisse und der gesamte Hochtemperaturgassensor arbeitet mit einer höheren Genauigkeit. Auch lassen sich die Sensoren damit untereinander normieren, so dass für verschiedene Sensoren bei gleichem gemessenen Heizwiderstand die gleiche Temperatur zugeordnet werden kann.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1a die Oberseite eines Hochtemperaturgassensors nach dem Stand der Technik.

Fig. 1b die Seitenansicht eines Hochtemperaturgassensors nach dem Stand der Technik.

Fig. 1c die Unterseite eines Hochtemperaturgassensors mit einer ersten Heizschicht nach dem Stand der Technik.

Fig. 2a die Unterseite eines Hochtemperaturgassensors mit einer zweiten Heizschicht nach dem Stand der Technik.

Fig. 2b die Temperaturverteilung für einen Hochtemperaturgassensor mit der in Fig. 2b dargestellten Heizschicht.

Fig. 3 die Schaltung zur Temperaturmessung auf einem Hochtemperaturgassensor nach dem Stand der Technik.

Fig. 4a die erste Heizschicht mit einer mäanderförmigen Heizleiterbahn und unterschiedlichen partiellen Widerständen.

Fig. 4b das Diagramm der Temperaturverteilung für einen Hochtemperaturgassensor mit einer in Fig. 4a dargestellten Heizleiterbahn.

Fig. 5a die zweite Heizschicht mit einer mäanderförmigen Heizleiterbahn und unterschiedlichen partiellen Widerständen.

Fig. 5b das Diagramm der Temperaturverteilung für einen Hochtemperaturgassensor mit einer in Fig. 5a dargestellten Heizleiterbahn.

Fig. 6 die Heizschicht mit einer ersten zusätzlichen Anordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung.

Fig. 7 die Heizschicht mit einer zweiten zusätzlichen Anordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung.

Fig. 8 die Heizschicht mit einer dritten zusätzlichen Anordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung.

Fig. 9 die Heizschicht mit einer vierten zusätzlichen Anordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung.

Fig. 10 die Heizschicht mit einer fünften zusätzlichen Anordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung.

Fig. 4a zeigt eine Heizschichtanordnung mit einer Heizleiterbahn 6, deren Verlauf ein Mäanderband ausbildet, das beginnend am Zuleitungsteil 2 zuerst modulierend auf der einen Seite parallel zur x-Achse und dann schnurgerade entlang der Sensorspitze parallel zur y-Achse und dann wieder an der anderen Seite modulierend parallel zur x-Achse zurück zum Zuleitungsteil 2 verläuft. Hierbei wurde die Heizschicht 8 mit einer Platindickschichtpaste hergestellt, die durch Siebdrucktechnik auf ein Aluminiumoxidsubstrat aufgebracht und anschließend eingebrannt wurde. Für das Erreichen eines homogenen Temperaturprofils wurde der partielle Heizwiderstand in x-Richtung variiert. Der partielle Heizwiderstand ist proportional zu dem Quotienten aus Pfadlänge I und Breite der Heizleiterbahn b bezogen auf eine Strecke in x-Richtung. Um den Heizwiderstand an das gewünschte Temperaturprofil, das heißt gleiche Temperaturen über die ganze Funktionsschicht hinweg, anzupassen, wird bei dem Ausführungsbeispiel die Pfadlänge I der Heizleiterbahn 6 von Teilabschnitt zu Teilabschnitt verkürzt, indem die Höhe des Mäanderbands 11 ständig reduziert wird. Genauso effektiv wäre es auch, die Modulationsrate, also die Häufigkeit des Richtungswechsels des Mäanderbands 11, bezogen auf eine Strecke in x- Richtung, zu verringern.

Wichtig ist die Relation zwischen der Pfadlänge der Heizleiterbahn 6 und dem Anteil, der in x-Richtung zurückgelegten Wegstrecke. Dadurch kann der partielle Heizwiderstand, pro Längeneinheit in x-Richtung, verändert werden. So können der Funktionsschicht an verschiedenen Stellen unterschiedliche Energiemengen zugeführt werden.

Bei diesem Anwendungsbeispiel wurde eine konstante Heizleiterbahnbreite b von b ≈ 300 µm gewählt. Auch fällt bei dieser Abbildung auf, dass der Bereich, in dem die Heizleiterbahn 6 aufgebracht ist, wesentlich länger ist als die Länge L der darüber liegenden Funktionsschicht. Die mäanderförmig angeordnete Heizleiterbahn 6, die zwischen dem Ende der darüber liegenden Funktionsschicht 4 und dem Zuleitungsteil 2 angeordnet ist, dient dazu, den Wärmefluss zur Sensoranschlussseite 9 zu kompensieren und gegenzuheizen. Um dies zu erreichen, wird die meiste Heizleistung, das heißt der größte Anteil an der Gesamtlänge der Heizleiterbahn benötigt. Der hohe Widerstandswert pro Längeneinheit in x-Richtung wird durch den langen gewundenen Pfad der Heizleiterbahn erreicht. Welcher Widerstandswert an welcher Stelle benötigt wird, kann entweder berechnet oder durch Versuche ermittelt werden.

Fig. 4b zeigt die Temperaturverteilungskurve entlang der x-Achse für einen Hochtemperaturgassensor mit einer in Fig. 4a dargestellten Heizleiterbahn. Hierbei wird die Temperatur entlang der x-Achse über den ganzen Sensor in Abhängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze erfasst. Es ist ersichtlich, dass die Temperatur im Bereich der Länge L der Funktionsschicht nur eine sehr geringe Temperaturschwankung ΔT in x-Richtung aufweist. Gegenüber der in Fig. 2b dargestellten Temperaturverteilung ergibt sich eine um 60°C geringere Temperaturschwankung ΔT.

Fig. 5a zeigt eine Heizschichtanordnung mit einer Heizleiterbahn 6, deren Verlauf ein Mäanderband ausbildet, das beginnend am Zuleitungsteil 2 zuerst modulierend auf der einen Seite parallel zur x-Achse und dann schnurgerade entlang der Sensorspitze parallel zur y-Achse und dann wieder an der anderen Seite modulierend parallel zur x-Achse zurück zum Zuleitungsteil 2 verläuft. Hierbei wurde die Heizschicht 8 mit einer Platindickschichtpaste hergestellt, die durch Siebdrucktechnik auf ein Aluminiumoxidsubstrat aufgebracht und anschließend eingebrannt wurde. Für das Erreichen eines homogenen Temperaturprofils wurde der partielle Heizwiderstand in x-Richtung variiert. Der partielle Heizwiderstand ist proportional zu dem Quotienten aus Pfadlänge I und Breite der Heizleiterbahn b bezogen auf eine Strecke in x-Richtung. Um den Heizwiderstand an das gewünschte Temperaturprofil, das heißt gleiche Temperaturen über die ganze Funktionsschicht hinweg, anzupassen, wird bei dem Ausführungsbeispiel die Pfadlänge I der Heizleiterbahn 6 von Teilabschnitt zu Teilabschnitt verkürzt, indem sowohl die Höhe A des Mäanderbands 11 als auch die Modulationsrate also die Häufigkeit des Richtungswechsels des Mäanderbands 11 in x-Richtung und die Breite b der Heizleiterbahn variiert wird, so dass der partielle Heizwiderstand zur Sensorspitze hin abfällt.

Wichtig ist die Relation zwischen der Pfadlänge der Heizleiterbahn 6 und dem Anteil, der in x-Richtung zurückgelegten Wegstrecke. Dadurch kann der partielle Heizwiderstand, pro Längeneinheit in x-Richtung, verändert werden. So können der Funktionsschicht an verschiedenen Stellen unterschiedliche Energiemengen zugeführt werden. Auch ist die Breite b der Heizleiterbahn von Bedeutung. Je kürzer die Pfadlänge der Heizleiterbahn und je größer deren Breite in einem Teilabschnitt desto geringer ist der partielle Heizwiderstand des Heizleiterbahnbereichs und desto geringer ist die Erwärmung in diesem Bereich.

In diesem Anwendungsbeispiel weist die Heizleiterbahn verschiedene Breiten b auf. An den beiden Abschnitten, die entlang zur x-Achse verlaufen, beträgt die Heizleiterbahnbreite b 300 µm, am geraden Abschnitt, der parallel zur y-Achse an der Sensorspitze verläuft, vergrößert sich der Wert auf b 600 µm. Auch hier dient wieder die mäanderförmig angeordnete Heizleiterbahn, die zwischen dem Ende der darüber liegenden Funktionsschicht 4 und dem Zuleitungsteil 2 angeordnet ist, dazu, den Wärmefluss zur Sensoranschlussseite 9 zu kompensieren und gegenzuheizen. Um dies zu erreichen, wird die meiste Heizleistung, das heißt der größte Anteil an der Pfadlänge der Heizleiterbahn benötigt. In diesem Anwendungsbeispiel ist es nicht zwingend notwendig, dass die beiden mäanderförmigen Teilstücke achsensymmetrisch sind. Die benötigten Widerstandswerte können auch durch eine Veränderung anderer Parameter erreicht werden. Sie müssen auch nicht exakt parallel verlaufen. Dies ist aber besonders vorteilhaft, wenn der Temperaturgradient in y-Richtung sehr klein sein soll, weil dann der Kurvenverlauf nicht noch einmal separat ermittelt werden muss.

Fig. 5b zeigt ein Diagramm der Temperaturverteilung für einen Hochtemperaturgassensor mit einer in Fig. 5a dargestellten Heizleiterbahn. Hierbei wird die Temperatur entlang der x-Achse über den ganzen Sensor in Abhängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze erfasst. Es ist ersichtlich, dass die Temperaturschwankung ΔT im Bereich Länge L der Funktionsschicht im Vergleich zu Fig. 4b weiter verringert wurde.

Aus den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird deutlich, dass die charakteristischen Größen die Breite b der Heizleiterbahn und die Pfadlänge I der Heizleiterbahn variiert werden, um eine homogene Temperaturverteilung zu erhalten. Diese charakteristischen Größen können sowohl einzeln als auch in allen möglichen Kombinationen, während des Heizleiterbahnverlaufs variiert werden. Dabei kann die Pfadlänge sowohl durch die Höhe A des Mäanderbands 11 als auch durch die Modulationsrate, also die Häufigkeit des Richtungswechsels in x-Richtung des Mäanderbands 11 variiert werden.

In den weiteren Figuren werden Ausführungen vorgestellt, die es aufgrund der homogenen Temperaturverteilung ermöglichen, die Temperatur auf der Sensor­ oberfläche genau in dem Bereich, in dem sich die Funktionsschicht befindet, zu bestimmen.

Fig. 6 zeigt eine Heizschicht mit einer ersten zusätzlichen Anordnung für Messleitungen zur Temperaturbestimmung. Hier werden parallel zu den breiten Zuleitungsteilen 2 der Heizschicht zwei weitere Bahnen 12, die als Spannungsabgriffe dienen, angebracht. Sie werden von den beiden Enden der Heizleiterbahn 6 zur Sensoranschlussseite 9 geführt. Durch diese Ausführung wird der Zuleitungswiderstand, das heißt der Spannungsabfall über die Zuleitungsteile 2 über der Strecke Z kompensiert, der Anteil des Widerstandes im Bereich G, der zum Gegenheizen dient, wird jedoch mitgemessen. Da im Bereich G, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, jedoch der größte Temperaturgradient liegt, und da bei G der größte Anteil an der gesamten Pfadlänge der Heizleiterbahn b vorhanden ist, setzt sich der Widerstand aus den Widerstandsanteilen der Heizleiterbahn der Teilstrecken G und L zusammen. Nur der Widerstandsanteil bei L wird bei einer im Bereich von L konstanten Temperatur gemessen. Ist der Temperaturgradient bei G bei allen Bedingungen gleich, so kann das Messergebnis exakt ausgewertet werden.

Bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen, wie sie z. B. bei einer Anwendung im Abgas eines Automobils der Fall ist, verändert sich der Temperaturgradient im Bereich von G. Dann ist es sinnvoll die Messleitungen so anzuordnen, wie es in Fig. 7 beschrieben ist.

In Fig. 7 und 8 sind gleichfalls zwei Messleiterbahnen 12 zur Temperaturbestimmung angebracht. Hier wird die Spannung jedoch in einem Bereich abgegriffen, an dem eine konstante Temperatur herrscht. Das heißt, die Messleiterbahnen 12 können überall an der Heizleiterbahn 6 irgendwo im Bereich von L an einer beliebigen Stelle symmetrisch angebracht werden. Hier kann gleichfalls durch die Messung des Widerstands die Temperatur gemessen und damit auch geregelt werden.

In Fig. 9 sind zwei asymmetrische Messleiterbahnen 12 zur Temperaturbestimmung angebracht. Hier wird die Spannung auch in einem Bereich abgegriffen, an dem eine konstante Temperatur herrscht. Das heißt, sie können überall an der Heizleiterbahn 6 irgendwo im Bereich von L an einer beliebigen Stelle asymmetrisch angebracht werden. Hier kann gleichfalls durch die Messung des Widerstands die Temperatur gemessen und damit auch geregelt werden.

Fig. 10 zeigt eine Heizschicht mit einer variablen Anordnung für Messleiterbahnen 12 zur Temperaturbestimmung. Hierbei werden die Spannungsabgriffe an verschiedenen Stellen 13 innerhalb der Strecke L angebracht. Im weiteren Produktionsprozess können die einzelnen Spannungsabgriffe mittels Laserverfahren so durchtrennt bzw. getrimmt werden, dass nur noch eine Verbindung übrig bleibt, die genau den gewünschten Widerstandswert bietet. Auf diese Weise können Produktionsstreuungen z. B. der Schichtdicke oder des spezifischen Widerstands des Heizleiterbahnwerkstoffs kompensiert werden, um dadurch eine für alle Sensoren gleichbleibende Beziehung zwischen gemessenem Widerstandswert und Temperatur zu erhalten. Hierbei bleibt auch der Gesamtwiderstand der Heizleiterbahn 6 unverändert. Derartig aufgebaute Sensoren weisen dann alle eine einheitliche Widerstands- Temperatur-Kennlinie auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen Aufbauten, bei denen an der Sensoranschlussseite durch Variation des Gesamtwiderstands aufwendig getrimmt wird, findet hier die Trimmung durch Variation des Spannungsabgriffs auf der Hochtemperaturseite statt.

Naheliegend bei allen Anwendungen ist es, dass die Messleiterbahnen nicht nur wie abgebildet in Vierdrahttechnik, sondern auch analog in Dreidrahttechnik, wie bereits in Fig. 3 beschrieben, aufgebaut werden können.

Claims (12)

1. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor, wobei

• - die Heizschicht (8) aus einer Heizleiterbahn (6) besteht und
• - die Heizleiterbahn (6) mäanderförmig zwischen einem Zuleitungsteil (2) und der Sensorspitze (10) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterbahn (6) zwischen dem Zuleitungsteil (2) und der Sensorspitze (10) unterschiedliche partielle Heizwiderstände aufweist und die Höhe des partiellen Heizwiderstands vom Abstand des partiellen Heizwiderstandes der Heizleiterbahn (6) zur Sensorspitze (10) abhängt.

2. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der partielle Heizwiderstand zur Sensorspitze (10) hin abnimmt.

3. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfadlänge (I) der Heizleiterbahn (6) in Abhängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze (10) variiert.

4. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfadlänge (I) der Heizleiterbahn (6) in Abhängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze (10) abnimmt.

5. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Heizleiterbahn (6) in Abhängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze (10) variiert.

6. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Breite (b) der Heizleiterbahn (6) in Richtung der Sensorspitze (10) vergrößert.

7. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfadlänge der Heizleiterbahn (6) und die Breite (b) der Heizleiterbahn (6) in Abhängigkeit vom Abstand zur Sensorspitze (10) variiert.

8. Anordnung einer Heizschicht (8) für einen Hochtemperaturgassensor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich von Teilabschnitt zu Teilabschnitt in Richtung zur Sensorspitze (10) die Pfadlänge (I) der Heizleiterbahn (6) reduziert und sich die Breite (b) der Heizleiterbahn (6) vergrößert.

9. Anordnung einer Heizschicht (8) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens eine Messleiterbahn (12) zur Bestimmung der Temperatur aufgebracht ist und die Messleiterbahn (12) mit der Heizleiterbahn (6) in Kontakt steht.

10. Anordnung einer Heizschicht (8) nach Anspruch 9, wobei der Hochtemperaturgassensor eine Funktionsschicht (4) mit der Länge (L) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kontakt zwischen Messleiterbahn (12) und Heizleiterbahn (6) im Bereich der Länge (L) unterhalb der Funktionsschicht (4) angebracht ist.

11. Anordnung einer Heizschicht (8) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Kontaktmöglichkeiten (13) zwischen Messleiterbahn (12) und Heizleiterbahn (6) ausgebildet sind, um zwischen verschiedenen Widerstandswerten der Heizleiterbahn (6) auszuwählen.

12. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Funktionsschicht (4) kleiner ist als der Abstand (L+G) zwischen Zuleitungsteil und Sensorspitze, in der die Heizleiterbahn (6) angeordnet ist.