具有高穩(wěn)定性的高溫芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種溫度傳感器，尤其是高溫傳感器，其具有基底、至少一個(gè)電阻結(jié)構(gòu)和至少兩個(gè)連接觸點(diǎn)，其中，連接觸點(diǎn)電接觸電阻結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]這種溫度傳感器在汽車行業(yè)用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的廢氣溫度和/或燃燒溫度。測(cè)量盡量頻繁密集地在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行。因而這種傳感器必須承受燃燒氣體的高溫。例如由DE197 42 696 Al已知一種具有平坦電阻結(jié)構(gòu)的溫度傳感器。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中已對(duì)如何構(gòu)造這種高溫穩(wěn)定的溫度傳感器做出一些建議。DE 102007 046 900 B4建議一種傳感器，其具有自支承式蓋部，作為鉑電阻結(jié)構(gòu)的保護(hù)。由DE10 2009 007 940 B4已知另一高溫傳感器，其中，基底包含二氧化鋯。為了預(yù)防離子對(duì)鉑層電阻結(jié)構(gòu)有害的有毒污染，根據(jù)DE 10 2011 051 845 B4建議，額外地在基底上應(yīng)用犧牲電極。
[0004]上述措施適于構(gòu)造在高溫下工作的溫度傳感器。然而在高溫下的應(yīng)用導(dǎo)致了，尤其是在溫度傳感器冷卻時(shí)，常常出現(xiàn)非常高的溫度梯度。為了控制發(fā)動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)，則同時(shí)需要溫度傳感器越來(lái)越快速的反應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，溫度傳感器還應(yīng)當(dāng)承受最高達(dá)1100°c的非常高的溫度，而不使其引起破壞溫度傳感器或者溫度傳感器的漂移。此外，需要提供這樣的溫度傳感器:其在這樣的高溫時(shí)，以及在常常出現(xiàn)溫度變化的情況下可靠地工作，而溫度傳感器的測(cè)量特性不會(huì)在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后過(guò)于強(qiáng)烈和過(guò)于快速地變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明任務(wù)在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)。尤其應(yīng)當(dāng)提供一種長(zhǎng)時(shí)間在高溫且同時(shí)溫度快速變化的情況下可靠地工作的溫度傳感器。此外還應(yīng)在測(cè)量時(shí)將傳感器的漂移保持得盡量小。
[0006]本發(fā)明任務(wù)通過(guò)一種溫度傳感器解決，尤其是高溫傳感器，其具有涂覆的基底、至少一個(gè)電阻結(jié)構(gòu)和至少兩個(gè)連接觸點(diǎn)，其中，連接觸點(diǎn)電接觸該電阻結(jié)構(gòu)，基底由氧化鋯或者氧化鋯陶瓷制成，其中，氧化鋯或氧化鋯陶瓷中的氧化鋯是通過(guò)三價(jià)和五價(jià)金屬氧化物來(lái)穩(wěn)定的，其中，基底涂覆絕緣層，電阻結(jié)構(gòu)和絕緣層其上沒(méi)有設(shè)置電阻結(jié)構(gòu)的自由區(qū)域至少局部涂覆陶瓷中間層，并且在陶瓷中間層上設(shè)置保護(hù)層和/或蓋部。
[0007]氧化鋯或氧化鋯陶瓷中的氧化鋯的穩(wěn)定化可以理解為結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定化，在穩(wěn)定化中，穩(wěn)定了特定的晶體結(jié)構(gòu)。
[0008]通過(guò)利用三價(jià)和五價(jià)金屬氧化物來(lái)穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，可以使基底的熱膨脹與中間層和電阻結(jié)構(gòu)貴金屬的熱膨脹相適應(yīng)。由此可以避免或者減少在電阻結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱應(yīng)力。
[0009]在此可以規(guī)定，將電阻結(jié)構(gòu)完全涂覆陶瓷中間層，其中，優(yōu)選至少覆蓋絕緣層與電阻結(jié)構(gòu)相鄰的區(qū)域。
[0010]由此獲得電阻結(jié)構(gòu)的特別有效的保護(hù)。
[0011]也可以規(guī)定，電阻結(jié)構(gòu)具有曲折，其中，陶瓷中間層覆蓋了在曲折之間的絕緣層的自由區(qū)域。
[0012]借此實(shí)現(xiàn)，使電阻層特別牢地固定在絕緣層和中間層內(nèi)，從而使整個(gè)傳感器在高溫和溫度快速變化時(shí)也保持穩(wěn)定。
[0013]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選還規(guī)定，氧化鋯或氧化鋯陶瓷中的氧化鋯是通過(guò)三價(jià)和五價(jià)金屬氧化物而被穩(wěn)定的，優(yōu)選通過(guò)5Mol %至20Mol %的氧化物。
[0014]特別優(yōu)選的是，將氧化釔用作為三價(jià)金屬氧化物。特別優(yōu)選的是，將氧化鉭和/或氧化鈮用作為五價(jià)金屬氧化物。適當(dāng)?shù)幕旌衔锢绺鶕?jù)EP O 115 148 BI已知。
[0015]根據(jù)本發(fā)明特別優(yōu)選地可以規(guī)定，至少在一個(gè)連接觸點(diǎn)上，在絕緣層上的所述電阻結(jié)構(gòu)旁邊設(shè)置至少一個(gè)電極，優(yōu)選在兩個(gè)連接觸點(diǎn)上，在絕緣層上的電阻結(jié)構(gòu)旁邊分別設(shè)置一個(gè)電極，其中，一個(gè)電極或多個(gè)電極與電阻結(jié)構(gòu)構(gòu)成為一體。
[0016]這種犧牲電極通過(guò)攔截對(duì)電阻結(jié)構(gòu)有害的離子，提高了溫度傳感器的使用壽命。
[0017]特別優(yōu)選地還可以規(guī)定，使絕緣層為金屬氧化物層，優(yōu)選為氧化鋁層。
[0018]在此也可以使各種金屬氧化物的混合物應(yīng)用于金屬氧化物層。可以通過(guò)金屬氧化物陶瓷實(shí)現(xiàn)，給基底涂覆金屬氧化物。
[0019]本發(fā)明提出的任務(wù)還通過(guò)一種溫度傳感器，尤其是高溫傳感器而解決，該傳感器具有基底、至少一個(gè)電阻結(jié)構(gòu)和至少兩個(gè)連接觸點(diǎn)，其中，連接觸點(diǎn)與電阻結(jié)構(gòu)電接觸，并且至少在一個(gè)連接觸點(diǎn)上，在基底上的電阻結(jié)構(gòu)旁邊設(shè)置至少一個(gè)電極，其中，這個(gè)電極或多個(gè)電極與電阻結(jié)構(gòu)構(gòu)成為一體，其中，電阻結(jié)構(gòu)和基底其上沒(méi)有設(shè)置電阻結(jié)構(gòu)的自由區(qū)域至少局部涂覆有陶瓷中間層，并且在陶瓷中間層上設(shè)置保護(hù)層和/或蓋部。
[0020]犧牲電極與中間層的組合提供了特別堅(jiān)固并且防止有害化學(xué)影響的耐用溫度傳感器。犧牲電極實(shí)現(xiàn)了傳感器在高溫下的運(yùn)行，中間層還額外地實(shí)現(xiàn)了，使溫度傳感器能承受溫度的快速變化。
[0021]在這種和上述溫度傳感器中，根據(jù)本發(fā)明可以規(guī)定，電阻結(jié)構(gòu)被一個(gè)電極或多個(gè)電極至少局部包圍，尤其是至少一側(cè)被電極包圍，優(yōu)選電阻結(jié)構(gòu)的至少兩側(cè)被至少兩個(gè)電極包圍，最優(yōu)選的是電阻結(jié)構(gòu)的對(duì)置兩側(cè)被兩個(gè)電極包圍。
[0022]由此獲得特別良好的保護(hù)效果。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的溫度傳感器的特征可以是，S卩，陶瓷中間層是多孔的，陶瓷中間層優(yōu)選具有1%至20%的孔隙度，優(yōu)選5%至15%的孔隙度，特別優(yōu)選的是10%的孔隙度。
[0024]通過(guò)所述孔隙度，使中間層的熱膨脹與基底的熱膨脹或者基底一即穩(wěn)定的氧化鋯或穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的一絕緣層的熱膨脹，或者絕緣層的金屬氧化物的熱膨脹相適應(yīng)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明一個(gè)改進(jìn)方式可以規(guī)定，陶瓷中間層的厚度在I μπι至50 μπι之間；優(yōu)選地，陶瓷中間層的厚度在4 μπι至10 μπι之間。
[0026]所述厚度足夠?qū)⒏采w層以及將有可能存在的蓋部設(shè)置在中間層上，而不會(huì)基于不同熱膨脹導(dǎo)致中間層、覆蓋層或蓋部剝落。
[0027]此外可以規(guī)定，保護(hù)層由玻璃制成和/或蓋部是陶瓷薄板。
[0028]在此尤其也可以將玻璃用于固定蓋部。
[0029]優(yōu)選地也可以規(guī)定，使電阻結(jié)構(gòu)由鉑或鉑合金，尤其是鉑基合金制成。
[0030]鉑或鉑合金尤其很好地適用于制造高溫傳感器。
[0031]最后，本發(fā)明任務(wù)還如此解決:將根據(jù)本發(fā)明的溫度傳感器應(yīng)用在排氣系統(tǒng)中，用于控制和/或調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0032]本發(fā)明基于驚人的認(rèn)識(shí)發(fā)現(xiàn)，S卩，通過(guò)用中間層涂覆電阻的曲折以及涂覆基底，實(shí)現(xiàn)了在高溫以及溫度強(qiáng)烈變化時(shí)電阻的曲折也可以保持穩(wěn)定。尤其當(dāng)應(yīng)用多孔中間層的情況下，可以制造出特別穩(wěn)定的溫度傳感器。
【附圖說(shuō)明】
[0033]以下結(jié)合示意圖闡述本發(fā)明實(shí)施例，在此不會(huì)限制本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0034]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的溫度傳感器的示意性分解圖。曲折形的且層狀的電阻結(jié)構(gòu)11與兩個(gè)連接觸點(diǎn)12、13電連接。兩個(gè)電極14、15略微超出電阻結(jié)構(gòu)11兩側(cè)地將其包圍。圖1所示溫度傳感器包括兩個(gè)電極14、15，它們每個(gè)連接至其中一個(gè)連接觸點(diǎn)12、13。
[0035]電極14、15與兩個(gè)連接觸點(diǎn)12、13相連，并充當(dāng)保護(hù)電阻結(jié)構(gòu)11的犧牲電極。圖1所示電極14、15的其中一個(gè)在完成與陰極的電連接之后，針對(duì)滲透的電化學(xué)污物，來(lái)保護(hù)作為測(cè)溫電阻的而設(shè)的電阻結(jié)構(gòu)11。這簡(jiǎn)化了溫度傳感器的安裝，因?yàn)椴粫?huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤連接(反極性)。因而與電接頭無(wú)關(guān)地大幅降低測(cè)量電阻的漂移。尤其有利的是，在這種實(shí)施方式中，殼體的電勢(shì)和極性是任意的。
[0036]向由被穩(wěn)定的二氧化鋯或者由二氧化鋯陶瓷(其由被穩(wěn)定的二氧化鋯制成)制成的基底16涂覆由氧化鋁制成的絕緣層17，通過(guò)該絕緣層確保了電阻結(jié)構(gòu)11不會(huì)因?yàn)樵诟邷叵掠袀鲗?dǎo)能力的二氧化鋯而短路以及禁止在二氧化鋯和鉑曲折結(jié)構(gòu)11之間的有害的相互作用。將電阻結(jié)構(gòu)11、連接觸點(diǎn)12、13和電極14、15作為一體式結(jié)構(gòu)布置在ZrO2基底16的Al2O3涂層17上。電阻結(jié)構(gòu)11的制造在一個(gè)工作步驟中完成，例如通過(guò)光刻工藝。整個(gè)結(jié)構(gòu)例如可以作為薄層設(shè)置在已穩(wěn)定的二氧化鋯或由已穩(wěn)定的二氧化鋯制成的二氧化鋯陶瓷16的Al2O3涂層17的平坦表面上。在此，連接觸點(diǎn)12、13由與電阻結(jié)構(gòu)11和電極14、15的材料相同的材料制成。優(yōu)選將鉑或鉑合金用作為該材料。
[0037]電阻結(jié)構(gòu)11在其遠(yuǎn)離基底16的一側(cè)設(shè)有擴(kuò)散阻擋層18來(lái)作為中間層，該中間層其自身是利用蓋部20和由玻璃或玻璃陶瓷制成的鈍化層19來(lái)覆蓋的。
[0038]由于有蓋部20，有效地針對(duì)外部環(huán)境污染而對(duì)含鉑的電阻結(jié)構(gòu)11的敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行了保護(hù)。在這種多層結(jié)構(gòu)中，當(dāng)玻璃陶瓷19的陶瓷和玻璃成分純度較高時(shí)，避免了對(duì)于由鉑制成的電阻結(jié)構(gòu)11而言特別有害的陽(yáng)離子，陽(yáng)離子在高溫時(shí)會(huì)通過(guò)在電場(chǎng)中的迀移而很快地污染鉑，進(jìn)而給由此得到的鉑合金的溫度/電阻功能帶來(lái)顯著的負(fù)面影響，從而使電阻結(jié)構(gòu)11不再具有為了溫度測(cè)量而所需的耐高溫性。由于把熱力學(xué)上穩(wěn)定和純凈的第一個(gè)氧化鋁或氧化鉿層作為中間層18或者擴(kuò)散阻擋層18，將硅及其他污染鉑的物質(zhì)或者離子的侵入明顯地減少到最低限度。從而不僅在基底這方面而且也在與其對(duì)置的一側(cè)防止了對(duì)例如曲折形結(jié)構(gòu)的電阻結(jié)構(gòu)11的污染?？梢酝ㄟ^(guò)物理蒸鍍來(lái)實(shí)現(xiàn)中間層或者擴(kuò)散阻擋層18的涂覆。
[0039]優(yōu)選超化學(xué)計(jì)量地以一種方式如此布置陶瓷層18，